DE19808565B4

DE19808565B4 - Verfahren zur Verschleißüberwachung eines Werkzeugs bei der Bearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE19808565B4
Application number: DE1998108565
Authority: DE
Inventors: Kai Dipl.-Ing. Tölle
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-02-28
Filing date: 1998-02-28
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2018-03-01
Also published as: DE19808565A1

Abstract

Verfahren zur Verschleißüberwachung eines Werkzeugs bei der Bearbeitung von Werkstücken, bei dem die Oberflächenqualität (R_Z) der Werkstücke überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubschubgeschwindigkeit (v) des Werkzeugs reduziert wird, wenn die Oberflächenqualität (R_Z) der Werkstücke einen vorgegebenen Grenzwert (R_Zmax) erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verschleißüberwachung eines Werkzeugs bei der Bearbeitung von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Normalerweise wird, z. B. bei der spanenden Bearbeitung der Gegenlauffläche von Radialwellendichtringen, eine Vielzahl von Werkstücken mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit bearbeitet. Aufgrund von Erfahrungswerten wird das Werkzeug nach einer bestimmten Anzahl von Werkstücken gewechselt, weil eine gewünschte Oberflächenqualität dann nicht mehr gewährleistet werden kann. Dabei werden die Standzeiten der teuren Werkzeuge nicht immer optimal ausgenutzt.

Aus der DD 284 833 A5 geht ein Verfahren zur Automatisierung des Werkzeugwechsels bei Werkzeugverschleiß an spanenden Verarbeitungsmaschinen hervor, bei dem eine Überwachung der Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Werkstückoberfläche vorgesehen ist. Wenn die ermittelte Oberflächenbeschaffenheit einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, erfolgt automatisch eine Nachstellung, das heißt eine Neupositionierung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück, um eine gewünschte Maßhaltigkeit des Werkstücks sicher zu stellen, oder das betreffende Werkzeug wird ausgewechselt.

Aus der DE 43 08 246 A1 geht ein Verfahren zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Bearbeitungsmaschinen hervor, bei dem unter Berücksichtigung einer gewünschten Oberflächenqualität der bearbeitenden Werkstücke die Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungswerkzeugs innerhalb der zulässigen dynamischen Grenzen der Bearbeitungsmaschine stets auf den maximal zulässigen Wert gesteigert wird. Ein Werkzeugwechsel wird erst dann vorgenommen, wenn der Verschleiß zu groß wird.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Verschleißüberwachung eines Werkzeugs bereitzustellen, bei dem die Standzeiten der Werkzeuge optimal ausgenutzt werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Verschleißüberwachung eines Werkzeugs bei der Bearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Das ansonsten auszutauschende Werkzeug kann mit der reduzierten Vorschubgeschwindigkeit noch die gewünschte Oberflächenqualität produzieren. Auf diese Art und Weise kann die stückzahlbezogene Stand-"zeit" der Werkzeuge, d.h. die mit einem Werkzeug einwandfrei bearbeitbare Anzahl von Werkstücken um 50 – 100 % gegenüber herkömmlichen Vergleichswerten verlängert werden.

Eine Einbuße in der Produktivität, d.h. in der insgesamt kumulierten Bearbeitungshauptzeit der Werkstücke, die mit einem bestimmten Werkzeug einwandfrei bearbeitet werden können, ist nicht zu befürchten, weil zunächst bei einem neu eingewechselten Werkzeug – in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung – mit einer deutlich erhöhten Vorschubgeschwindigkeit – z.B. 150 % – als bisher üblich (100 %) begonnen wird. Von diesem erhöhten Anfangswert wird dann die Vorschubgeschwindigkeit bedarfsweise in Stufen abgesenkt, bis sie schließlich einen Wert unterhalb – z.B. 75 % – des Üblichen erreicht.

Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindkeit des Werkzeugs jeweils um 15 bis 30 % reduziert wird, wenn die Oberflächenqualität der Werkstück den vorgegebenen Grenzwert erreicht. Beispielsweise kann die Vorschubgeschwindigkeit bei jeder Stufe um jeweils einen gleichbleibenden, in Millimeter Vorschub je Umdrehung gemessen Betrag, z.B. um 0,02 mm/U reduziert werden. In der Praxis hat sich dieser Wert als sinnvoll erwiesen. Allerdings lohnt es sich aus Gründen einer ausreichenden Produktivität nicht, die Vorschubgeschwindigkeit beliebig stark abzusenken. Wenn eine zu niedrige Vorschubgeschwindigkeit gewählt wird, werden die Bearbeitungszeiten unnötig verlängert.

Zweckmäßigerweise wird das Werkzeug gewechselt, wenn die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs nach mehrmalig reduzierter Absenkung einen vorgegebenen Grenzwert erreicht. Nach dem Wechsel des Werkzeugs werden die Werkstücke wieder mit der ursprünglichen Vorschubgeschwindigkeit bearbeitet. Wenn die Oberflächenqualität der bearbeiteten Werkstücke abnimmt, wird die Vorschubgeschwindigkeit, wie vorab beschrieben ist, reduziert. Auf diese Art und Weise werden z.B. die beim Hartdrehen als Werkzeug verwendeten Wendeschneidplatten optimal ausgenutzt. Zwischen der Oberflächenmessung und der Schnittdatenanpassung kann ein entsprechender Regelkreis vorgesehen werden.

Besonders vorteilhaft wird die Erfindung beim Hartfeindrehen einer gehärteten Gegenlauffläche eines Radialwellendichtrings eingesetzt. Bei der Drehbearbeitung von Wellenzapfen, die zur Aufnahme von Radialwellendichtringen dienen, darf eine bestimmte maximale Rautiefe nicht überschritten werden, weil es sonst infolge einer Drallstruktur in der Oberfläche zu einer unerwünschten Förderwirkung zwischen Zapfenoberfläche und Dichtlippe kommt. Durch Hartfeindrehen der Zapfenoberfläche unter Beachtung einer bestimmten maximal zulässigen Oberflächenrauheit können funktional einwandfreie Zapfenoberflächen erzeugt werden. Hier hat sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in sofern als besonders sinnvoll erwiesen, als die Standzeiten der Schneiden erhöht und somit die Schneidstoffkosten reduziert werden konnten.

Die Überwachung der Oberflächenqualität der Werkstücke kann laserunterstützt erfolgen. Bei Trockenzerspanung könnte diese Messung u.U. – insbesondere bei trockener und staubfreier Oberfläche – während der Bearbeitung in der Maschine vorgenommen werden. Aber auch nach der fertigen Bearbeitung des Werkstückes kann die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche außerhalb der Maschine in einer gesonderten Rauheitsmeßvorrichtung durchgeführt und das Meßergebnis in die Maschinensteuerung eingespeist werden. Mit Hilfe eines Lasers kann das Remissionsverhalten der Werkstückoberfläche berührungslos überwacht werden. Eine Überwachung des Remissionsverhaltens gibt Aufschluss beispielsweise über die Rautiefe der überwachten Werkstückoberfläche. Die Oberflächenqualität der Werkstücke kann alternativ auch durch eine Tastschnittmessung oder eine kapazitive Messung überwacht werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Ein Weg zum Ausführen der beanspruchten Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert.
1 zeigt ein Koordinatendiagramm, in dem die Rautiefe über der Stückzahl gemäß einem bekannten Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit äquidistanten Wechsel eines Werkzeugs aufgetragen ist;
2 zeigt ein vergleichbares Koordinatendiagramm, in dem die Rautiefe über der Stückzahl gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgetragen ist, bei dem die Wechselintervalle in Abhängigkeit von der überwachten Rauhtiefe und der stufenweise reduzierten Vorschubgeschwindigkeit variabel ausfallen.
In 1 ist die Rautiefe R_Z über der Stückzahl der bearbeiteten Werkstücke aufgetragen. Bei der Bearbeitung variiert die Rautiefe R_Z zwischen einer minimalen Rautiefe R_Zmin und einer maximalen Rautiefe R_Zmax. Unabhängig von der Rautiefe R_Z findet ein Werkzeugwechsel W immer dann statt, wenn eine bestimmte Stückzahl von Werkstücken bearbeitet worden ist. Bei der Bearbeitung sämtlicher Werkstücke wurde mit einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit v von beispielsweise etwa 0,08 mm/U gefahren. Es ist an dem Diagramm erkennbar, daß die Standzeiten der einzelnen Werkzeuge unterschiedlich sind und daß die Grenz rauheit teilweise gar nicht erreicht und das betreffende Werkzeug nicht voll ausgenutzt wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das in 2 dargestellt ist, variiert die Rautiefe R_Z ebenfalls zwischen einer minimalen Rautiefe R_Zmin und einer maximalen Rautiefe R_Zmax. Im Unterschied zum Stand der Technik wird die Rautiefe R_Z bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kontinuierlich überwacht. Wie in 2 dargestellt ist, werden die Werkstücke zunächst mit einer gegenüber der herkömmlichen Vorschubgeschwindigkeit um beispielsweise etwa 50 % erhöhten Wert v von 0,12 mm pro Umdrehung des Werkstücks bearbeitet. Anstatt jedoch das Werkzeug zu wechseln, wenn die Rautiefe bei t₁ den Wert R_Zmax erreicht, wird die Vorschubgeschwindigkeit v (um 0,02 mm/U oder um 16,6 %) auf 0,10 mm pro Umdrehung reduziert. Mit dieser reduzierten Vorschubgeschwindigkeit werden die Werkstücke dann so lange bearbeitet, bis die Rautiefe bei t₂ wiederum den Wert R_ZmaX erreicht. Daraufhin wird die Vorschubgeschwindigkeit v abermals reduziert, und zwar – wiederum um 0,02 mm/U oder ausgehend von dem geltenden Wert nun um 20 % – auf 0,08 mm pro Umdrehung. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei diesem Grenzwert der Werkzeugwechsel vorgesehen. Neuere Erfahrungen der Anmelderin haben gezeigt, daß eine Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit um eine weitere Stufe – wieder um 0,02 mm/U oder nun um 25 % vom Altwert – auf 0,06 mm/U möglich ist, ohne die insgesamt erzielbare Produktivität ungebührlich zu beeinträchtigen. Die Vorschubgeschwindigkeit v von 0,06 mm/U stellt nun einen Grenzwert dar, dessen Unterschreiten die Bearbeitungszeit unakzeptabel verlängern würde. Deshalb wird, wenn die Rautiefe R_Z bei der Bearbeitung der Werkstücke mit diesem Wert der Vorschubgeschwindigkeit den Wert R_Zmax erneut erreicht, ein Werkzeugwechsel W durchgeführt.
Mit dem neuen Werkzeug werden die Werkstücke dann zunächst wieder mit der ursprünglichen Vorschubgeschwindigkeit v von 0,12 mm pro Umdrehung bearbeitet. Wenn die Rautiefe R_Z bei t₃ und t₄ den Grenzwert R_Zmax erreicht, wird die Vorschubgeschwindigkeit v, wie vorab beschrieben ist, stufenweise reduziert. Dieser Zyklus wird mit dem neuen Werkzeug so lange wiederholt, bis bei der Grenz-Vorschubgeschwindigkeit die Grenzrauhigkeit R_Zmax erreicht ist. Erfahrungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren haben gezeigt, daß die Rauheit von Werkstück zu Werkstück bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten tendenziell rascher ansteigt als bei geringeren Vorschubwerten, was in 2 zeichnerisch nicht dargestellt ist. Je kleiner die Vorschubgeschwindigkeit, desto flacher steigt die "Rauheitslinie" tendenziell an.
Wie in 2 dargestellt ist, verlängert sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Standzeit S_neu gegenüber der mit dem bekannten Verfahren erzielten Standzeit S_alt um DS. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Standzeit der Werkzeuge um ein DS von 50 bis 100 % verlängert werden. Dadurch verringern sich die Werkzeugkosten erheblich.

Claims

Verfahren zur Verschleißüberwachung eines Werkzeugs bei der Bearbeitung von Werkstücken, bei dem die Oberflächenqualität (R_Z) der Werkstücke überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubschubgeschwindigkeit (v) des Werkzeugs reduziert wird, wenn die Oberflächenqualität (R_Z) der Werkstücke einen vorgegebenen Grenzwert (R_Zmax) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubschubgeschwindigkeit (v) des Werkzeugs stufenweise jedes Mal dann reduziert wird, wenn die Oberflächenqualität (R_Z) der Werkstücke einen vorgegebenen Grenzwert (R_Zmax) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug gewechselt wird, wenn die Vorschubgeschwindigkeit (v) des Werkzeugs einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit (v) des Werkzeugs um etwa 15 bis 30 % reduziert wird, wenn die Oberflächenqualität (R_Z) der Werkstücke den vorgegebenen Grenzwert (R_Zmax) erreicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es beim Hartfeindrehen einer zylindrischen Zapfenoberfläche als Gegenlauffläche eines Radialwellendichtrings eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberflächenqualität der Werkstücke die Oberflächenrauheit (R_Z) überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung der Oberflächenqualität (R_Z) der Werkstücke berührungslos durch eine Remissionsmessung eines an der bearbeiteten Oberfläche reflektierten Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls erfolgt.