DE19632377B4

DE19632377B4 - Wendeschneidplatte

Info

Publication number: DE19632377B4
Application number: DE19632377A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dipl.-Ing. Morlok
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-08-10
Filing date: 1996-08-10
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2016-08-11
Also published as: DE19632377A1

Abstract

Wendeschneidplatte für die mechanische, materialabtragende Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere für Dreh-, Fräs-, Hobel-, Räum- und Bohrwerkzeuge, wobei die Wendeschneidplatte (1) mit wenigstens einem Sensor (4, 8, 14) für die Verschleißgrenze und/oder die Plattentemperatur und/oder die Schnittkraft versehen ist, wobei der wenigstens eine Sensor (4, 8, 14) als Materialschicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sensor (4, 8, 14) über die Schneidkante der Wendeschneidplatte (1) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wendeschneidplatte für die mechanische, materialabhebende Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere für Dreh-, Fräs-, Hobel-, Räum- und Bohrwerkzeuge.

Schneidplatten sind allgemein bekannt und bestehen z. B. aus Hartmetall. Diese Schneidplatten werden in geeignete Halter eingesetzt und dienen zur materialabtragenden Bearbeitung des Werkstücks. In der Regel wird die Verschleißgrenze dieser Schneidplatten durch visuelle Begutachtung der Schneiden ermittelt. Sobald die Schneidplatte ihre Verschleißgrenze erreicht hat, wird sie entweder durch eine neue ersetzt oder, im Fall einer Wendeschneidplatte, so gedreht, daß eine neue Schneidkante am Werkstück angreifen kann. Die Erfassung der Temperatur kann z. B. durch den Einbau oder Anbau eines Thermoelements ermittelt werden. Dies ist jedoch zum einen äußerst schwierig, da die Befestigung von Thermoelementspitzen an Hartmetallelementen nur bedingt möglich ist, zum anderen kann unter Umständen das Drehen einer Wendeschneidplatte nachteilig beeinflußt werden. Ob derartige Thermoelemente die Temperaturen an der Schneidkante erfassen, insbesondere bei der Verwendung von Kühlmittel, ist nicht sichergestellt. Ferner lassen sich Schnittkräfte durch die Überwachung der Stromaufnahme in den Antriebseinheiten der Werkzeuge (Frässpindel) bzw. Werkstücke (Drehantriebe) ermitteln. Abgesehen davon besteht auch die Möglichkeit, Sensoren an Werkzeughaltern anzubringen, über welche die Schnittkräfte erfaßt werden.

Mit der DE 41 07 678 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung verschiedener Kenndaten beim Betrieb von Rollenbohrwerkzeugen bekannt geworden, bei der die Meßstelle und die Auswerteeinheit auf dem Bohrkopf angeordnet sind. Diese Meßstelle ist mit Magnetfeldsensoren ausgerüstet. Zusätzlich weist die Lagerung der Rollenbohrwerkzeuge ein oder mehrere magnetische Kugeln- oder Zylinderrollen auf. Schließlich sind in der Rollenlagerbockaufstandsfläche Rollenbelastungsmeßaufnehmer in Form eines Kraftmeßtisches oder eines entsprechenden Kraftaufnehmers integriert, so daß sowohl der Ringzahnverschleiß, die Drehzahl und die Rollenbelastung genau und frühzeitig ermittelt werden können.

Mit der DE 36 27 796 C1 ist eine Vorrichtung zur Zustands- und Bruchüberwachung von rotierenden Werkzeugen, insbesondere Bohrern und Fräsern, mit Hilfe von Körperschallmessungen bekannt geworden, die das vom Werkzeug erzeugte Körperschallsignal mit mindestens einem Körperschallsensorelement über eine im Betriebsstoffkreislauf der Maschine vorhandene Flüssigkeit, wie Kühlschmierstoff vom bewegten Werkzeug oder dessen Halterung aufnimmt. Als vorteilhaft wird die sozusagen berührungslose und gleichzeitige Ankopplung des Körperschallsensors direkt am Werkzeug angesehen. Hierdurch wird insbesondere die Messung der verschleißbedingten Veränderung des Bearbeitungsgeräusches und der Schallemission des Werkzeugbruches an mehrspindeligen Bohrköpfen ermöglicht. Mit der DE 34 11 892 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen des Verschleißes der Werkzeuge einer Hobelwellenwirbelmaschine mit wenigstens einem Wirbelgerät bekannt geworden, das zum Werkstückwechsel über das Spannfutter hinweg verfahrbar ist. Um den Verschleißzustand aller Werkzeuge des Wirbelgerätes der Kurbelwellenmaschine ermitteln zu können, ist ein Sensor vorgesehen, der am auskragenden Arm des Wirbelmaschinenständers, der das Spannfutter trägt, angeordnet ist, und der in der Werkstückwechselstellung des Wirbelgerätes sequentiell Form- und/oder Oberflächenstruktur der Schneiden der im Wirbelgerät befindlichen Werkzeuge ermittelt.

Mit der DE 44 19 393 A1 ist eine Schneidplatte mit einem Sensor bekannt geworden. Bei dieser Schneidplatte können die Temperatur und/oder der Verschleiß ermittelt werden. Die ermittelten Daten hängen jedoch vom Ort des Sensors ab und sind deshalb ungenau.

Alle die oben genannten Vorrichtungen sind nicht geeignet, Messungen an einer Wendeschneidplatte durchzuführen, ohne dass die Wendeschneidplatte oder das Bearbeitungsverfahren des Werkstücks nachteilig beeinflusst werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Wendeschneidplatte der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Ort des Sensors auf der Schneidplatte keinen Einfluss auf die ermittelten Daten hat und die ermittelten Daten genauer sind.

Diese Aufgabe wird mit einer Wendeschneidplatte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Wird die Wendeschneidplatte mit einem Sensor für die Verschleißgrenze versehen, so wird der Vorteil erzielt, dass die erfindungsgemäße Wendeschneidplatte exakt bis an ihre Nutzungsgrenze eingesetzt werden kann. Das Erreichen der Verschleißgrenze wird vom Sensor erfasst und an geeignete Überwachungsgeräte, z. B. an einen Monitor oder an die Steuerung mitgeteilt. Mittels der Verschleißgrenzschicht kann der Zerspanungsvorgang auch bei unterschiedlicher Qualität der Verschleißschutzschicht, d. h. der Beschichtung der Wendeschneidplatten, immer bis zum vollständigen Verschleißen dieser Beschichtung durchgeführt werden. Eine Fortsetzung des Zerspanungsvorganges würde im allgemeinen zu Ausbrüchen an den Schneidkanten und dadurch zu einer Verschlechterung der Werkstücke führen. Die Wendeschneidplatte kann bei rechtzeitiger Erkennung der Verschleißgrenze gewechselt werden, so daß die Qualität der Werkstücke sichergestellt ist. Da der Grundschneidkörper der Wendeschneidplatte unbeschädigt bleibt, läßt er sich einer Wiederbeschichtung zuführen.

Ein weiterer Sensor kann für die Erfassung der Temperatur der Wendeschneidplatte vorgesehen sein, so daß der Zerspanungsvorgang bei optimaler Temperatur durchgeführt werden kann. Überhitzungen, die zu einem vorzeitigen Ausfall der Wendeschneidplatte und zu einer Verschlechterung der Arbeitsergebnisse führen, können frühzeitig erkannt werden. Durch die Anpassung der Schnittgeschwindigkeit oder durch die Zufuhr eines geeigneten Kühlmittels kann dem vorzeitigen Ausfall der Wendeschneidplatte rechtzeitig entgegengewirkt werden.

Durch einen Schnittkraftsensor wird die Ermittlung der Kräfte an der Schneidkante während des Zerspanungsvorgangs ermöglicht. Bei zu hohen Kräften, die zu einem vorzeitigen Ausfall des Werkzeugs führen, kann die Geschwindkeit angepaßt oder ein geeignetes Schmiermittel zugeführt werden. Das Zerspanungsvolumen kann optimiert werden, da die erfindungsgemäße Wendeschneidplatte nunmehr mit der maximal zulässigen Schnittkraft eingesetzt werden kann.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der erste Sensor für die Verschleißgrenze als flächiger elektrischer Leiter auf die Wendeschneidplatte aufgetragen und der Sensor ist von einer ersten Isolierschicht umgeben. Wird die die Außenschicht bildende Verschleißschutzschicht sowie die erste Isolierschicht, die z. B. aus Al₂O₃ besteht, beim Zerspanungsvorgang abgetragen, kommt es bei metallischen Werkstoffen zu einem elektrisch leitenden Kontakt zwischen der Verschleißgrenzschicht und dem Werkstück. Wird am ersten Sensor, d. h. an der Verschleißgrenzschicht, eine elektrische Spannung angelegt, so entsteht hierdurch ein Kurzschluß, der ein optisches oder akustisches Signal bewirken kann.

Eine Ausführungsform sieht vor, daß der zweite Sensor für die Plattentemperatur ein Thermoelement ist. Dabei kann der zweite Sensor aus einer Platinauflage auf einer Aluminiumschicht bestehen. Aus der Temperatur-Widerstandsbeziehung läßt sich über eine elektrische Kontaktstelle ein temperaturabhängiger Widerstand erfassen. Mit einer geeigneten Elektronik kann auch die Temperatur direkt angezeigt werden. Die Temperatursensorschicht ist von einer zweiten Isolierschicht, die z. B. aus Al₂O₃ besteht, umgeben.

Vorteilhaft ist der dritte Sensor für die Schnittkraft als Piezo-Element bzw. als Piezo-Widerstandselement ausgebildet. Als Schichtmaterial ist z. B. Silizium, Aluminiumnitrid (AIN) geeignet. Die elektrische Widerstandsänderung unter Einwirkung einer mechanischen Kraft kann über eine elektrische Kontaktstelle abgegriffen werden. Mit einer geeigneten Elektronik kann die Kraft direkt angezeigt werden. Auch der dritte Sensor ist von einer dritten Isolierschicht umgeben, die Al₂O₃ sein kann.

Vorteilhaft werden die Sensoren von jeweils einer Materialschicht gebildet, die eine Dicke von wenigen μm, insbesondere 0,5 μm bis 20 μm, vorzugsweise von 1 μm bis 10 μm aufweisen. Diese Sensoren sind mit Kontaktstellen verbunden, über die Sie mit einer Anzeige- und/oder Steuereinheit der Bearbeitungsmaschine verbindbar sind. Diese Kontaktstellen befinden sich vorzugsweise an der Auflagefläche der Wendeschneidplatte. Um einen optimalen Kontakt zu gewährleisten sind die Kontaktstellen vergoldet. Durch Abgriff der Sensorsignale über die Kontaktstellen lassen sich Steuerspannungen für die Antriebs- und/oder Vorschubeinheiten von Werkzeugmaschinen generieren.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Kontaktstellen als konzentrische-Ringe um das Wendezentrum der Wendeschneidplatte angeordnet. Auf diese Weise kann die Schneidplatte eine beliebige Wendeposition einnehmen und es ist stets gewährleistet, dass die Kontaktstellen mit entsprechenden Kontaktstiften am Halter in Verbindung stehen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass sie in einen Halter, der ein oder mehrere Kontaktstifte aufweist, eingesetzt ist, wobei die Kontaktstifte des Halters mit den Kontaktstellen der Wendeschneidplatte zusammenwirken. Mittels dieser Kontaktstifte werden die Sensorsignale abgegriffen und an andere Geräte oder an Steuerungen weitergeleitet.

Dabei sind die Kontakt vorteilhaft federbelastet und überragen die Auflagefläche für die Wendeschneidplatte um einige Zehntel Millimeter. Beim Befestigen der Wendeschneidplatte am zugehörigen Halter werden die Kontaktstifte mit den Kontaktflächen in Verbindung gebracht und es werden die Kontaktstifte über die Federn sicher an den Kontaktstellen gehalten. Somit ist eine optimale und fehlerfreie Signalübertragung gewährleistet.

Erfindungsgemäß sind die Kontaktstifte mit einem im oder am Halter geführten Anschlusskabel verbunden. Dieses Anschlusskabel dient zur Übertragung der Signale an weiterverarbeitende Vorrichtungen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen dargestellt ist.
In der Zeichnung zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wendeschneidplatte, den Schichtenaufbau der Sensoren- sowie der Isolierschichten schematisch zeigend;
2 einen in Längsrichtung aufgeschnittenen Halter für eine Wendeplatte gemäß 1.
Wendeplatten sind mit den unterschiedlichsten Formen bekannt. Die in der 1 stark vergrößert und schematisch dargestellte Wendeschneidplatte 1 gemäß der Erfindung besitzt den in der Zeichnung gezeigten Rechteckquerschnitt mit einer geeigneten Höhe. Die erfindungsgemäße Wendeschneidplatte 1 besitzt folgenden Aufbau: als Grundschneidplatte 2 dient eine Hartmetallwendeschneidplatte, die mit einer vierten Isolierschicht 3, z. B. Al₂O₃ überzogen ist. Über dieser vierten Isolierschicht 3 befindet sich als dritter Sensor 4 eine Kraftsensorschicht 5, die von einer piezoelektrischen Schicht, z. B. Silizium, Aluminiumnitrid (AIN) gebildet wird. Dieser dritte Sensor 4 besitzt eine dritte Kontaktstelle 6, die nach außen geführt ist. Um diesen dritten Sensor 4 ist eine dritte Isolierschicht 7 gelegt, die ebenfalls aus Al₂O₃ besteht. Auf dieser dritten Isolierschicht 7 befindet sich ein zweiter Sensor 8, der von einer Temperatursensorschicht 9 gebildet wird. Diese Temperatursensorschicht 9 wird von einer Thermowiderstandsschicht gebildet, die aus einer Aluminiumschicht 10 mit einer Platinauflage 11 gebildet wird. Der zweite Sensor 8 ist mit einer zweiten, nach außen führenden Kontaktstelle 12 verbunden. Außerdem ist der zweite Sensor 8 von einer zweiten Isolierschicht 13, die aus Al₂O₃ besteht, umgeben. Auf dieser zweiten Isolierschicht 13 ist ein erster Sensor 14 angebracht, der von einer Verschleißgrenzschicht gebildet wird. Die Verschleißgrenzschicht 15 wird z. B. von einer elektrisch leitenden Folie oder dergleichen elektrisch leitenden Schicht gebildet. Der erste Sensor 14 ist wiederum mit einer ersten Kontaktstelle 16, die nach außen führt, verbunden. Außerdem ist dieser erste Sensor 14 von einer ersten Isolierschicht 17, die z. B. aus Al₂O₃ besteht, umgeben. Die Außenschicht, mit der die erste Isolierschicht 17 umgeben ist, wird von einer Verschleißschutzschicht 18 gebildet.
Es sei noch angemerkt, daß die einzelnen Kontaktstellen 6, 12 und 16 lediglich mit ihren zugeordneten Sensoren 4, 8 und 14 in Verbindung stehen und gegenüber den anderen Sensoren isoliert sind.
Die Kontaktstellen 6, 12 und 16 sind vereinfacht dargestellt und ihre Lage in der bzw. an der Wendeschneidplatte 1 wird in der Regel von der Anzahl der Wendemöglichkeiten und dem Ort der Kontaktstifte 19 (siehe 2) bestimmt. Es ist auch denkbar, die Kontaktstellen 6, 12 und 16 als konzentrische Kreise um das Wendezentrum (nicht dargstellt) der Wendeschneidplatte 1 anzuordnen, so daß unabhängig von der Wendelage der Wendeschneidplatte 1 stets ein Kontakt des Kontaktstiftes 19 mit der zugehörigen Kontaktstelle 6, 12 oder 16 gewährleistet ist. Es sei noch angemerkt, daß entsprechend der Anzahl der Kontaktstellen (hier: drei) entsprechend viele Kontaktstifte 19, über die die Signale der Sensoren 4, 8 und 14 abgegriffen werden, vorgesehen sind.
In einem Halter 20 für die Wendeschneidplatte 1, der in 2 dargestellt ist, sind diese Kontaktstifte 19 derart befestigt, daß die jeweilige Kontaktspitze die Auflagefläche 21 geringfügig überragt. Außerdem wird die Kontaktspitze über eine Feder 22 an die an der Auflagefläche 21 anliegende Wendeschneidplatte 1, insbesondere an die zugehörige Kontaktstelle angedrückt. Das Signal wird über den Kontaktstift 19 abgegriffen und über ein Anschlußkabel 23, welches im Halter 20 geführt ist, an einen Monitor oder eine Steuerung oder sonstigen Auswerteeinheiten (nicht dargestellt) weitergeführt.
Beim Zerspanen eines Werkstücks werden nacheinander zuerst die Verschleißschutzschicht 18 und anschließend die erste Isolierschicht 17 abgetragen. Sobald der erste Sensor 14, der von der Verschleißgrenzschicht 15 gebildet wird, das metallische Werkstück berührt, wird, sofern an der ersten Kontaktstelle 16 eine Spannung angelegt wird, ein Kurzschluß erzeugt. Dieser Kurzschluß dient als Signal dafür, daß die Standzeit der Wendeschneidplatte 1 erreicht ist. Dies wird durch ein optisches und/oder akustisches Signal angezeigt. Außerdem kann dieses Signal an die Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden. Die erfindungsgemäße Wendeschneidplatte 1 kann nun gewendet werden, so daß mit einer neuen Schneidkante die Arbeit fortgesetzt werden kann. Sind alle Schneidkanten abgenutzt, kann der Grundschneidkörper 2 erneut beschichtet werden.
Der in der 1 dargestellte Schichtaufbau kann nicht nur an einer Wendeschneidplatte, sondern auch an einem anderen spanabhebenen Werkzeug vorgesehen sein, so daß dort ebenfalls die Verschleißgrenze, die Arbeitstemperatur sowie die Schnittkraft ermittelt werden können.

Claims

Wendeschneidplatte für die mechanische, materialabtragende Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere für Dreh-, Fräs-, Hobel-, Räum- und Bohrwerkzeuge, wobei die Wendeschneidplatte (1) mit wenigstens einem Sensor (4, 8, 14) für die Verschleißgrenze und/oder die Plattentemperatur und/oder die Schnittkraft versehen ist, wobei der wenigstens eine Sensor (4, 8, 14) als Materialschicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sensor (4, 8, 14) über die Schneidkante der Wendeschneidplatte (1) erstreckt.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sensor (14) für die Erkennung der Verschleißgrenze als flächiger elektrischer Leiter (15) auf die Wendeschneidplatte (1) aufgetragen ist und der erste Sensor (14) von einer ersten Isolierschicht (17) umgeben ist.
Wendeschneidplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Sensor (8) für die Erkennung der Plattentemperatur vorgesehen ist und von einer Thermowiderstandsschicht (9) gebildet wird.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (8) aus einer Platinauflage (11) auf einer Aluminiumschicht (10) besteht.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensor (8) von einer zweiten Isolierschicht (13) umgeben ist.
Wendeschneidplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Sensor (4) für die Ermittlung der Schnittkraft vorgesehen ist und von einer piezoelektrischen Schicht (5) gebildet wird.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (5) aus Silizium oder Aluminiumnitrid besteht.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Sensor (4) von einer dritten Isolierschicht (7) umgeben ist.
Wendeschneidplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4, 8, 14) eine Dicke von 0,5–20 μm aufweisen.
Wendeschneidplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (4, 8, 14) mit Kontaktstellen (6, 12, 16) verbunden sind, über die sie mit einer Anzeige- und/oder Steuereinheit einer Bearbeitungsmaschine verbindbar sind.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelle (6, 12, 16) sich an der Auflagefläche der Wendeschneidplatte (1) befinden.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (6, 12, 16) vergoldet sind.
Wendeschneidplatte nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (6, 12, 16) als konzentrische Ringe um das Wendezentrum der Wendeschneidplatte (1) angeordnet sind.
Wendeschneidplatte nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einen Halter (20), der ein oder mehrere Kontaktstifte (19) aufweist, eingesetzt ist, wobei die Kontaktstifte (19) des Halters (20) mit den Kontaktstellen (6, 12, 16) der Wendeschneidplatte (1) zusammenwirken.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (19) federbelastet sind und die Auflagefläche (21) für die Wendeschneidplatte (1) geringfügig, insbesondere um einige Zehntel Millimeter überragen.
Wendeschneidplatte nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstifte (19) mit einem in oder am Halter (20) geführten Anschlusskabel (23) verbunden sind.