DE19903497A1 - Device for thermographic examination of coatings for cutting tools has window which is transparent to thermal radiation, with hard metal plate placed over it - Google Patents

Device for thermographic examination of coatings for cutting tools has window which is transparent to thermal radiation, with hard metal plate placed over it

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Abstract

The tool has a channel (11) arranged in the cutting region. The channel has an opening facing the coating (15) to be examined. Thermal radiation emitted from the coating is passed into the channel and detected by a temperature measuring device (3). The opening in the channel is covered by a window (12) which is transparent to the thermal radiation. A hard metal plate is fixed over the window. The coating (15) to be examined is applied on the hard metal plate. An Independent claim is included for a method of thermographic examination of coatings.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen und einfachen thermographischen Untersuchung von Beschichtungen für spanabhebende Werkzeuge gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8. Eine solche Vorrichtung ist bereits aus [1] bekannt.The invention relates to a device and a method for quick and simple thermographic examination of coatings for cutting tools according to the preamble of claims 1 and 8. Such a device is already known from [1].

Die Optimierung spanabhebender Fertigungsprozesse und der zugehörigen Werkzeuge ist Gegenstand intensiver Forschungs- und Entwicklungsbemühungen. Besonderes Interesse findet hier die Temperaturmessung im Arbeitsbereich während des Arbeits­ prozesses. Sie erlaubt die in situ Bestimmung der Belastung und des Verschleiß­ zustandes des Werkzeuges. Immer neue Anforderungen an die Werkzeuge bedingen höhere Belastungen und erfordern leistungsfähigere neue Materialien für diese Werk­ zeuge. Üblicherweise werden diese neuen Materialien in Form von Beschichtungen auf die Werkzeuge aufgebracht. The optimization of cutting manufacturing processes and the associated tools is the subject of intensive research and development efforts. Special The temperature measurement in the work area during work is of interest here process. It allows the load and wear to be determined in situ condition of the tool. Always new requirements for the tools higher loads and require more powerful new materials for this plant witness. Usually, these new materials come in the form of coatings applied the tools.  

In [2] wird zur Bestimmung der Temperatur der Spanfläche und der Freifläche eines spanabhebenden Werkzeuges vorgeschlagen, z. B. ein Thermoelement in das Werkzeug zu integrieren. Die Messung mittels eines Thermoelementes oder einer anderen punk­ tuellen Meßeinrichtung ermöglicht jedoch nur die Erfassung eines zeitlich und räumlich gemittelten Temperaturwertes. Die Temperaturverteilung kann nicht bestimmt werden und auch Temperaturmaxima können nicht erfaßt werden. Weiterhin ist mit der Integration eines Thermoelementes in ein Werkzeug keine hohe Meßdynamik zu erzielen.In [2] one is used to determine the temperature of the rake face and the free face cutting tool proposed, z. B. a thermocouple in the tool to integrate. The measurement using a thermocouple or another punk However, the current measuring device only enables the detection of a temporally and spatially averaged temperature value. The temperature distribution cannot be determined and also temperature maxima cannot be recorded. Furthermore, with the Integration of a thermocouple in a tool does not achieve high measurement dynamics.

In [3] wird zur Bestimmung der Temperatur der Spanfläche und der Freifläche eines beschichteten spanabhebenden Werkzeuges vorgeschlagen, einen Dünnfilmsensor in die Werkzeugbeschichtung zu integrieren. Dies erfordert eine hohen Aufwand und hohe Kosten. Die Bestimmung der Temperaturverteilung wäre hier nur mit einer Vielzahl von Sensoren möglich und würde noch mehr Aufwand und Kosten erfordern.In [3] one is used to determine the temperature of the rake face and the free face coated cutting tool proposed a thin film sensor in to integrate the tool coating. This requires a lot of effort and high Costs. The determination of the temperature distribution would only be with a large number of Sensors possible and would require even more effort and costs.

In [1] wird zur Bestimmung der Temperatur der Spanfläche und der Freifläche eines beschichteten spanabhebenden Werkzeuges vorgeschlagen, das Werkzeug mit einem Kanal zu versehen, dessen werkstückseitige Öffnung mit einer zumindest infrarotdurch­ lässigen Diamant- oder diamantähnlichen Schicht belegt ist, und durch diesen Kanal die von der Temperaturmeßstelle ausgehende Wärmestrahlung zu einer Thermokamera zu leiten. Für infrarotundurchlässige Schichten ist dieser Vorschlag jedoch nicht anwendbar.In [1] one is used to determine the temperature of the rake face and the free face coated cutting tool suggested the tool with a To provide channel, the workpiece-side opening with an at least infrared casual diamond or diamond-like layer is occupied, and through this channel the heat radiation from the temperature measuring point to a thermal camera conduct. However, this proposal cannot be used for infrared-opaque layers.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die vorbekannte Vor­ richtung zur thermographischen Untersuchung von Beschichtungen für spanabhebende Werkzeuge dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie auch die Untersuchung von infra­ rotundurchlässigen Schichten erlaubt, ohne dadurch den Arbeitsvorgang zu behindern und ohne Aufwand und Kosten zu erhöhen sowie ein Verfahren mit den gleichen Vor­ teilen zu entwickeln.The object of the present invention is therefore to provide the previously known Direction for the thermographic examination of coatings for metal cutting To further develop tools in such a way that they also investigate infra permeable layers without impeding the work process and without increasing effort and costs as well as a procedure with the same pre develop share.

Die Erfindung ist in Bezug auf die zu schaffende Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus­ gestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Patentan­ sprüche 2 bis 7) sowie das zu schaffende Verfahren (Patentanspruch 8). Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der Patentanspruch 9. The invention is related to the device to be created by the features of Claim 1 reproduced. The other claims contain advantageous Aus designs and developments of the device according to the invention (Patentan Proverbs 2 to 7) and the process to be created (claim 8). An advantageous one Further development of the method according to the invention is contained in claim 9.  

Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur thermographischen Untersuchung von Beschichtungen für spanabhebende Werkzeuge derart gestaltet ist,
With regard to the device to be created, the object is achieved according to the invention in that the device for the thermographic examination of coatings for cutting tools is designed in such a way that

  • - daß das Werkzeug im Bereich des Spanes einen Kanal aufweist,That the tool has a channel in the area of the chip,
  • - der eine zu der zu untersuchenden Beschichtung hin gerichtete, werkstückseitige Öffnung aufweist,The one directed towards the coating to be examined, has opening on the workpiece side,
  • - die an der Spanseite oder- those on the chip side or
  • - an der Freifläche des Werkzeuges angeordnet ist, und- on the open space the tool is arranged, and
  • - in dem eine von der zu untersuchenden Beschichtung ausgehende Wärmestrahlung weiterleitbar ist,- In one of the coating to be examined outgoing heat radiation can be passed on,
  • - wobei die durch den Kanal weitergeleitete Wärmestrahlung zumindest mittelbar von einer Temperaturmeßeinrichtung erfaßbar ist, und- where the forwarded through the channel Heat radiation at least indirectly from a temperature measuring device is detectable and
  • - daß die werkstückseitige Öffnung des Kanals mit einem Fenster belegt ist, welches für die Wärmestrahlung durchlässig ist,- that the opening of the duct on the workpiece side is occupied by a window, which is permeable to heat radiation,
  • - daß über dem Fenster eine Hartmetallplatte befestigt ist,- that a hard metal plate is attached over the window,
  • - daß auf die Hartmetallplatte die zu untersuchende Beschichtung aufgebracht ist.- That the coating to be examined is applied to the hard metal plate.

Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die benötigte Temperaturverteilung der Beschichtung vom Ort ihrer Entstehung aus zuerst mittels Wärmeleitung und erst danach mittels Wärmestrahlung in Richtung zu einer Tempera­ turmeßeinrichtung weitergeführt wird. Dies birgt mehrere Vorteile:
Zum einen ist so - im Gegensatz zu dem genannten Stand der Technik - die behinderungs- und verzögerungsfreie Ermittlung von Temperaturen und Temperatur­ verteilungen auf den beanspruchten Flächen einer im Eingriff befindlichen Werkzeug­ schneide bei Verwendung einer beliebigen Beschichtung - also auch einer IR-undurch­ lässigen Beschichtung - möglich. Die Einsatzgrenze für eine beliebige definierte Beschichtung läßt sich so unter realen Anwendungsbedingungen ermitteln. The basic principle of the device according to the invention is that the required temperature distribution of the coating from the place of its formation is first carried out by means of heat conduction and only then by means of heat radiation in the direction of a temperature measuring device. This has several advantages:
On the one hand - in contrast to the prior art mentioned - the unobstructed and instantaneous determination of temperatures and temperature distributions on the stressed surfaces of a tool cutting edge when using any coating - including an IR-impermeable coating - possible. The application limit for any defined coating can thus be determined under real application conditions.

Zum anderen ist die Hartmetallplatte leicht auswechselbar und kann unabhängig vom Rest des Werkzeuges oder der Meßeinrichtung beschichtet werden. Dies führt zu einer Zeit- und Kostenersparnis und ermöglicht unmittelbar vergleichende Messungen mit einer Grundvorrichtung. Mittels vergleichender Messungen kann in Optimierungs­ schleifen iterativ eine optimal bedarfsangepaßte Beschichtung für jeden Anwendungs­ fall der Zerspanungstechnik entwickelt werden.On the other hand, the hard metal plate is easily replaceable and can be used independently of Rest of the tool or the measuring device are coated. This leads to a Time and cost savings and enables direct comparative measurements a basic device. By means of comparative measurements, optimization iteratively grind an optimally tailored coating for every application case of machining technology.

Darüber hinaus läßt sich eine Hartmetallplatte mit für die Zerspanungstechnik interes­ santen Materialien wesentlich besser und haftfester beschichten als die meisten anderen Oberflächen, die den Belastungen während eines Zerspanungsprozesses standhalten können, beispielsweise eine Diamantoberfläche, auf der wegen des kova­ lenten Bindungscharakters keine ausreichende Haftung erzielt wird. Eine ausreichende Haftung ist jedoch Voraussetzung für Temperaturmessungen über längere Zeiträume während des Zerspanungsprozesses, ohne daß es zum Abplatzen der Beschichtung kommt. Dies ermöglicht Standzeitversuche der Zerspanungsvorrichtung mit paralleler Temperaturmessung.In addition, a hard metal plate can be used for machining technology Coat sant materials much better and more firmly than most other surfaces that can withstand the stresses during a machining process can withstand, for example, a diamond surface on which due to the kova sufficient bond character is not sufficient liability. Adequate However, liability is a prerequisite for temperature measurements over longer periods during the machining process without causing the coating to flake off is coming. This enables tool life tests of the cutting device with parallel Temperature measurement.

Das unter der Hartmetallplatte befindliche Fenster stützt diese flächig ab und verhin­ dert so eine Deformation oder das Zerbrechen der Platte aufgrund der Beanspruchung während des Zerspanungsprozesses.The window located under the hard metal plate supports it flatly and prevents it such a deformation or breaking of the plate due to the stress during the machining process.

Bei dieser Vorrichtung wird aufgrund der Wärmeleitung durch die Hartmetallplatte tatsächlich eine thermographische Untersuchung einer beliebigen Beschichtung - also sowohl einer IR-durchlässigen als auch einer IR-undurchlässigen - durchgeführt. Im Gegensatz dazu wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik [1], die nur mit einer IR-durchlässigen Beschichtung funktionstüchtig ist, durch die IR-durchlässige Beschichtung hindurch die Temperaturverteilung des abscherenden Spans untersucht.This device is due to the heat conduction through the hard metal plate actually a thermographic examination of any coating - that is both an IR-transmissive and an IR-impermeable one. in the In contrast, with a device according to the prior art [1] that only with an IR-permeable coating is functional, through the IR-permeable Coating examined the temperature distribution of the shearing chip.

In einer vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung sind das Material und die Dicke der Hartmetallplatte derart gewählt, daß das Abbild der Temperaturverteilung der Unterseite der Beschichtung, welches mittels Wärmeleitung durch die Hartmetallplatte hindurchgeführt wird, in Querrichtung zu dieser beabsichtigten Abbildungsrichtung nicht über einen definierten Grenzwert hinaus verfälscht wird.In an advantageous embodiment of this device, the material and the Thickness of the hard metal plate chosen such that the image of the temperature distribution of the Underside of the coating, which is by means of heat conduction through the hard metal plate  is passed in the transverse direction to this intended imaging direction is not falsified beyond a defined limit.

Da die Wärmeleitung durch die Hartmetallplatte nicht nur in der gewünschten Richtung sondern auch quer dazu stattfindet, wird die Temperaturverteilung, die an der Unter­ seite der Hartmetallplatte vorliegt, gegenüber der Temperaturverteilung, die an der Unterseite der Beschichtung vorliegt, leicht verschmiert oder geglättet sein. Um den Einfluß einer bestimmten Hartmetallplatte ermitteln zu können, muß die Temperatur­ verteilung mit und ohne Hartmetallplatte gemessen werden. Dies kann mit IR-durch­ lässigen Schichten leicht durchgeführt werden. Durch Untersuchung von Platten verschiedener Materialien und Dicke können beide Werte so iterativ optimiert werden hinsichtlich einer maximalen Abweichung der gemessenen und der tatsächlichen Temperaturverteilung in der Beschichtung. Eine derart optimierte Hartmetallplatte kann dann für die thermographische Untersuchung beliebiger Beschichtungen eingesetzt werden.Because the heat conduction through the hard metal plate not only in the desired direction but also across it takes place the temperature distribution that is at the bottom side of the hard metal plate compared to the temperature distribution on the Underside of the coating is present, slightly smeared or smoothed. To the The temperature must be able to determine the influence of a certain hard metal plate distribution can be measured with and without hard metal plate. This can be done with IR casual layers can be done easily. By examining plates different materials and thickness, both values can be optimized iteratively with regard to a maximum deviation of the measured and the actual Temperature distribution in the coating. A carbide plate optimized in this way can then used for the thermographic examination of any coating become.

Versuchsergebnisse haben gezeigt, daß die Abweichung der gemessenen und der tatsächlichen Temperaturverteilung in der Beschichtung vernachlässigbar ist, wenn die Hartmetallplatte auf Wolfram-Carbid-Basis oder Titan-Carbid-Basis aufgebaut ist und eine Dicke von nicht mehr als 100 µm aufweist.Test results have shown that the deviation of the measured and the actual temperature distribution in the coating is negligible if the Tungsten carbide or titanium carbide-based hard metal plate is constructed and has a thickness of not more than 100 µm.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung ist die Hartmetall­ platte durch Aufkleben befestigt. Diese Befestigungsmethode erlaubt eine flächige und damit gleichmäßigere Befestigung als beispielsweise mittels Schrauben oder eine Klemmverbindung. Während des Zerspanungsprozesses ist die Hartmetallplatte Bela­ stungen unterzogen, die bei ungleichmäßiger Befestigung eher zu inneren Spannungen führen können und dadurch die mittels Wärmeleitung transportierte Abbildung der Temperaturverteilung der Beschichtung verfälschen können. Darüber hinaus können Schraubenköpfe oder Klemmbefestigungen aufgrund der geringen Dicke der Hart­ metallplatte kaum in ihr versenkt werden, wodurch die Möglichkeiten für ihre Anord­ nung stark eingeschränkt werden, da sie den Zerspanungsprozeß möglichst wenig beeinträchtigen sollen. In a further advantageous embodiment of this device, the hard metal plate attached by gluing. This fastening method allows a flat and thus more uniform fastening than, for example, using screws or a Clamp connection. The carbide plate is Bela during the machining process subjected to stresses that tend to lead to internal stresses when the fastening is uneven can lead and thereby the image of the transported by heat conduction Can distort the temperature distribution of the coating. In addition, you can Screw heads or clamps due to the Hart's small thickness metal plate can hardly be sunk in it, increasing the possibilities for your arrangement voltage are severely restricted, since they minimize the machining process should affect.  

Geeignete Kleber sind beispielsweise handelsübliche Zwei-Komponenten-Kleber, die für die Wärmestrahlung durchlässig sind und die kurzfristige Temperaturspitzen von bis zu 500 Grad Celsius und Dauertemperaturen von bis zu 200 Grad Celsius ohne wesent­ liche Beeinträchtigung der Haftung überstehen. Dies ist ausreichend, da das beschichte Werkzeug während des Zerspanungsprozesses keiner kontinuierlichen Belastung unter­ liegt, sondern die Späne sehr schnell (unter 1 Sekunde) abbröckeln.Suitable adhesives are, for example, commercially available two-component adhesives that are suitable for the heat radiation is permeable and the short-term temperature peaks of up to 500 degrees Celsius and permanent temperatures of up to 200 degrees Celsius without essential survive impairment of liability. This is sufficient as this will coat Tool under no continuous load during the cutting process but the chips crumble very quickly (under 1 second).

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung ist das Fenster aus einem Material aufgebaut, welches eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit besitzt wie die Hartmetallplatte. Dadurch wird eine Wärmestau an der Unterseite der Hartmetallplatte vermieden, der die thermographische Untersuchung verfälschen würde.In a further advantageous embodiment of this device, the window is off constructed of a material that has a similar thermal conductivity to that Carbide plate. This will cause heat to build up on the underside of the hard metal plate avoided, which would distort the thermographic examination.

Besonders geeignet ist ein Diamant- oder Germanium-Fenster. Deren Vorteil besteht darin, daß diese Materialien einerseits eine gute Durchlässigkeit für Wärmestrahlung besitzen und so das Abbild der Temperaturverteilung gut weiterleiten. Andererseits besitzen sie eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit um die Wärme von der Unterseite der Hartmetallplatte abzuleiten und so einen Wärmestau zu vermeiden.A diamond or germanium window is particularly suitable. Their advantage is there in that these materials have a good permeability to heat radiation own and thus pass on the image of the temperature distribution well. On the other hand they have sufficient thermal conductivity around the heat from the bottom dissipate the hard metal plate and thus avoid heat build-up.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung ist in dem Kanal mindestens ein IR-Spiegel angeordnet, zur Weiterleitung der werkstückseitig in den Kanal eintretenden Wärmestrahlung in Richtung auf die Temperaturmeßeinrichtung. Viele Zerspanungswerkzeuge ermöglichen aufgrund ihrer Bauform und ihrer Anordnung während des Zerspanungsprozesses keine gerade Führung des Kanals in ihrem Inneren. In solchen Fällen ermöglichen ein oder mehrere IR-Spiegel die Weiterleitung des Abbildes der Temperaturverteilung hin zur Temperaturmeßeinrichtung.In a further advantageous embodiment of this device is in the channel at least one IR mirror arranged for forwarding the workpiece side in the Channel entering heat radiation in the direction of the temperature measuring device. Many cutting tools allow due to their design and arrangement no straight guidance of the channel inside them during the machining process. In such cases, one or more IR mirrors allow the transmission of the Image of the temperature distribution to the temperature measuring device.

In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung ist in dem Kanal ein Lichtleiter angeordnet, zur Weiterleitung der werkstückseitig in den Kanal eintreten­ den Wärmestrahlung in Richtung auf die Temperaturmeßeinrichtung. Auch über einen Lichtleiter kann das Abbild der Temperaturverteilung durch einen ungeraden Kanal hin zur Temperaturmeßeinrichtung weitergeleitet werden. In an alternative advantageous embodiment of this device is in the channel a light guide arranged to enter the channel on the workpiece side the heat radiation in the direction of the temperature measuring device. Even over one Optical fibers can map the temperature distribution through an odd channel be forwarded to the temperature measuring device.  

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung enthält die Tem­ peraturmeßeinrichtung eine Thermokamera. Deren Vorteil besteht darin, daß sie die Untersuchung der Temperaturverteilung auf einfache und sehr schnelle Weise ermög­ licht und zwar sowohl zu einem ausgewählten Zeitpunkt (Einzelbild) als auch deren Entwicklung während eines längeren Zeitraumes (Folge von Einzelbildern).In a further advantageous embodiment of this device, the tem temperature measuring device a thermal camera. Their advantage is that they are Examination of the temperature distribution in a simple and very fast way possible light both at a selected point in time (single image) as well as their Development over a long period of time (sequence of single images).

In einer spezielleren vorteilhaften Ausführungsform dieser Vorrichtung enthält diese zusätzlich eine Auswerteeinheit zur Kompensation von IR-Verlusten. Sowohl das Fenster als auch die meist vorhandene Klebeschicht besitzen keine 100-prozentige Durchlässigkeit für Wärmestrahlung. Dieser Verlustfaktor kann unabhängig von der thermographischen Untersuchung des Zerspanungsprozesses bestimmt werden und dann während der Untersuchung des Zerspanungsprozesses (oder auch danach) mittels der Auswerteeinheit rechnerisch kompensiert werden. Entsprechendes gilt für weitere meßbare und regelmäßig (nicht zufällig) auftretende Einflußparameter.In a more special advantageous embodiment of this device, it contains additionally an evaluation unit to compensate for IR losses. Both that Windows and the mostly existing adhesive layer do not have 100 percent Permeability to heat radiation. This loss factor can be independent of the thermographic examination of the cutting process can be determined and then during the investigation of the machining process (or afterwards) by means of the evaluation unit can be compensated arithmetically. The same applies to others measurable and regular (not accidental) influencing parameters.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur thermographischen Untersuchung von Beschichtungen für spanabhebende Werkzeuge erfindungsgemäß dadurch gelöst,
With regard to the method to be created for the thermographic examination of coatings for cutting tools, the object is achieved according to the invention by

  • - daß die thermographische Untersuchung der Beschichtung während eines spanabhebenden Prozesses erfolgt, und- That the thermographic examination of the coating takes place during a machining process, and
  • - daß die Beschichtung auf einer Hartmetallplatte aufgebracht wird, und- That the coating is applied to a hard metal plate, and
  • - daß die Hartmetallplatte auf dem Werkzeug aufgebracht wird- That the hard metal plate is applied to the tool
  • - auf dessen Spanseite oder auf dessen Freifläche,- on its chip side or on its open space,
  • - über einem für Wärmestrahlung durchlässigen Fenster, welches einen Kanal abdeckt,- over a window permeable to heat radiation, which covers a channel
  • - der zu einer Temperaturmeßeinheit führt, und- Which leads to a temperature measuring unit, and
  • - daß das Abbild der bei dem spanabhebenden Prozeß in der Beschichtung sich einstellenden Wärmeverteilung durch die Hartmetallplatte geleitet und durch das Fenster und den Kanal zu der Temperaturmeßeinheit mittels Wärmestrahlung geführt wird.- That the image of the process in the coating in the coating resulting heat distribution passed through the hard metal plate and through the window and channel to the temperature measurement unit is carried out by means of heat radiation.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die gleichen, die bereits als Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgezählt wurden.The advantages of the method according to the invention are the same as those already mentioned Advantages of the device according to the invention have been listed.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Verfahrens werden auf dem Weg von der Beschichtung bis zur Temperaturmeßeinheit auftretende Wärmeverluste rechnerisch kompensiert. Auf diesem Weg treten zwangsläufig IR-Wärmeverluste auf. Dieser Verlustfaktor kann unabhängig von der thermographischen Untersuchung des Zerspanungsprozesses bestimmt werden und dann während der Untersuchung des Zerspanungsprozesses (oder auch danach) rechnerisch kompensiert werden.In an advantageous embodiment of this method, on the way from Coating up to the temperature measuring unit arises heat losses compensated. IR heat losses inevitably occur in this way. This Loss factor can be independent of the thermographic examination of the Machining process can be determined and then during the investigation of the Machining process (or afterwards) can be compensated for by calculation.

Eine vorteilhafte Methode zur Bestimmung und Kompensation des Verlustfaktors besteht darin, daß thermographische Untersuchungen an IR-durchlässigen Schichten jeweils mit und ohne Hartmetallplatte und Fenster durchgeführt werden, und daß anhand dieser Untersuchungsergebnisse eine Eichkurve berechnet wird, und daß anhand dieser Eichkurve die Wärmeverluste bei der thermographischen Untersuchung mit Hartmetallplatte und Fenster (von beliebigen, also IR-durchlässigen oder IR- undurchlässigen Schichten) rechnerisch kompensiert werden.An advantageous method for determining and compensating the loss factor is that thermographic studies on IR-transmissive layers be carried out with and without hard metal plate and window, and that a calibration curve is calculated on the basis of these test results, and that on the basis of this calibration curve the heat losses during the thermographic examination with hard metal plate and window (from any, i.e. IR-transparent or IR- impermeable layers) can be compensated computationally.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels und der Fig. 1 die erfindungs­ gemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Dabei zeigtThe device and method according to the invention are explained in more detail below using an exemplary embodiment and FIG. 1. It shows

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer realen Anwendungsumgebung, d. h. während eines Zerspanungsprozesses. Fig. 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention in a real application environment, ie during a machining process.

Die Fig. 1 stellt schematisch und nicht maßstabsgerecht eine Vorrichtung zur thermo­ graphischen Untersuchung von Beschichtungen für spanabhebende Werkzeuge dar, bestehend aus einem Werkzeug 1 (hier ein ausschnittweise dargestellter Drehmeisel), das im Bereich des Spanes 2 einen von dem Span 2 weggerichteten, durch das Werk­ zeug 1 hindurch verlaufenden Kanal 11 aufweist. Die werkstückseitige Öffnung des Kanals 11 ist mit einem Fenster 12 belegt. Das Fenster 12 ist in das Werkzeug 1 (den Drehmeisel) so eingepaßt, daß es mit der Oberfläche der Schneidplatte bündig abschließt und so eine ebene Auflage- und Stützfläche für die darüber befestigte Hartmetallplatte 14 bietet. Die Befestigung ist ausgeführt in Form einer Klebeschicht 13 zwischen Hartmetallplatte 14 und Fenster 12 bzw. Oberseite des Werkzeugs 1. Auf der Hartmetallplatte 14 ist die zu untersuchende Beschichtung 15 aufgebracht. Fig. 1 shows schematically and not to scale a device for thermographic investigation of coatings for cutting tools is composed of a tool 1 (here a fragmentary illustrated turning tool) which is directed away in the area of the chip 2 a of the chip 2, through the Tool 1 has channel 11 extending therethrough. The opening of the channel 11 on the workpiece side is occupied by a window 12 . The window 12 is fitted into the tool 1 (the turning chisel) in such a way that it is flush with the surface of the cutting plate and thus offers a flat support and support surface for the hard metal plate 14 fastened thereover. The attachment is carried out in the form of an adhesive layer 13 between the hard metal plate 14 and the window 12 or top of the tool 1 . The coating 15 to be examined is applied to the hard metal plate 14 .

Außerdem zeigt Fig. 1 in dem Kanal 11 einen Lichtleiter 111, der zu einer Temperatur­ meßeinrichtung 3 führt, hier einer Thermokamera. An diese Temperaturmeßeinrichtung 3 ist eine Auswerteeinheit 4 angekoppelt - hier ein spezieller Meßrechner. Das Abbild der Temperaturverteilung von der Unterseite der Beschichtung 15 wird mittels Wärme­ leitung durch die Hartmetallplatte 14 zur Oberseite der Klebeschicht 13 geführt, von dort mittels Wärmestrahlung durch die Kleberschicht 13 und durch das Fenster 12 und dann durch den Lichtleiter 111 bis zur Temperaturmeßeinrichtung 3. Das von der Temperaturmeßeinrichtung 3 (Thermokamera) aufgenommene Abbild der Temperatur­ verteilung von der Unterseite der Beschichtung 15 wird in der Auswerteeinheit 4 rechnerisch derart modifiziert, daß auf dem Weg von der Beschichtung 15 bis zur Temperaturmeßeinheit 3 auftretende Wärmeverluste kompensiert werden.In addition, FIG. 1 shows in the channel 11 an optical fiber 111, the measuring device 3 performs a temperature, here a thermal camera. At this temperature measuring device 3, an evaluation unit 4 is coupled - here a special measuring computer. The image of the temperature distribution of the bottom of the coating 15 is by means of heat conduction out to the upper side of the adhesive layer 13, and from there by means of heat radiation through the adhesive layer 13 and through the window 12 and then through the optical fiber 111 to the temperature sensing device 3 through the hard metal plate fourteenth The image of the temperature distribution from the bottom of the coating 15 recorded by the temperature measuring device 3 (thermal camera) is modified in the evaluation unit 4 in such a way that heat losses occurring on the way from the coating 15 to the temperature measuring unit 3 are compensated.

Ferner zeigt Fig. 1 den sich vom Werkstück abscherenden Span 2 und verdeutlicht so die Durchführung der thermographischen Untersuchung der Beschichtung 15 eines spanabhebenden Werkzeuges 1 während des Zerspanungsprozesses.Furthermore, FIG. 1 shows the chip 2 shearing off the workpiece and thus illustrates how the thermographic examination of the coating 15 of a cutting tool 1 is carried out during the machining process.

In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Hartmetallplatte 14 aus Wolfram-Carbid mit einer Beimischung von 6 Prozent Kobalt und weist eine Dicke von 100 µm sowie eine Länge und Breite von jeweils 9,5 mm auf. Vergleichende Zerspanungsversuche mit und ohne Hartmetallplatte 14 ergeben eine Abweichung des Gradienten zwischen Maximal­ wert und Durchschnittswert der Temperaturverteilung von circa 10 Prozent.In this exemplary embodiment, the hard metal plate 14 consists of tungsten carbide with an admixture of 6 percent cobalt and has a thickness of 100 μm and a length and width of 9.5 mm in each case. Comparative machining tests with and without hard metal plate 14 result in a deviation of the gradient between the maximum value and the average value of the temperature distribution of approximately 10 percent.

Das Fenster 12 besteht aus CVD-Diamant und ist kreisförmig aufgebaut mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Dicke von 250 µm. The window 12 consists of CVD diamond and has a circular structure with a diameter of 2 mm and a thickness of 250 μm.

Die Hartmetallplatte 14 ist auf dem Fenster 12 und der Oberfläche des Werkzeugs 1 mittels einer Klebeschicht 13 aus handelsüblichem, IR-durchlässigem Zwei-Kompo­ nenten-Kleber befestigt. Zerspanungsversuche haben gezeigt, daß diese Befestigung kurzfristige Temperaturspitzen (≈ 1 Sekunde) bis circa 500 Grad Celsius und Dauer­ belastungen (≈ 20 Sekunden) bis circa 200 Grad Celsius ohne wesentliche Beeinträch­ tigung der Haftung übersteht.The carbide plate 14 is on the window 12 and the surface of the tool 1 by means of an adhesive layer 13 from commercially available, IR-transparent two-compo nents adhesive attached. Machining tests have shown that this attachment can withstand short-term temperature peaks (≈ 1 second) up to approximately 500 degrees Celsius and permanent loads (≈ 20 seconds) up to approximately 200 degrees Celsius without significant impairment of liability.

In diesem Ausführungsbeispiel wird eine typische Beschichtung 15 - Titan-Nitrid in einer Dicke von 5 µm - thermographisch in situ während der Zerspanung untersucht:
Dazu wird sie mittels üblicher Abscheide-Methoden auf die Hartmetallplatte 14 aufge­ bracht und dann wird die Hartmetallplatte 14 mittels der Klebeschicht 13 auf dem Werkzeug 1 - einem Drehmeisel - über dem Diamant-Fenster 12 befestigt. Danach wird das Werkzeug 1 eingesetzt, d. h. der Drehmeisel zerspant die Oberfläche eines Werkstückes. Infolgedessen bildet sich in der Beschichtung 15 eine charakteristische Temperaturverteilung aus, die Aussagen über die Belastung und den Verschleißzustand der Beschichtung 15 erlaubt. Das Abbild dieser Temperaturverteilung wird mittels Wärmeleitung durch die Hartmetallplatte 14 und mittels Wärmestrahlung durch die Kleberschicht 13, das Diamant-Fenster 12 und den Lichtleiter 111 zu der Thermokamera 3 geführt. Das von der Thermokamera 3 aufgenommene Abbild der Temperaturverteilung wird zu der Auswerteeinheit 4 in Form eines Meßrechners weitergeleitet, dort werden Wärmeverluste, die auf dem Weg von der Beschichtung 15 bis zu der Thermokamera 3 auftreten, rechnerisch kompensiert und weitere Auswer­ tungen vorgenommen.In this exemplary embodiment, a typical coating 15 - titanium nitride with a thickness of 5 µm - is examined thermographically in situ during the machining:
For this purpose, it is by means of conventional deposition methods to the hard metal plate 14 be applied and then the hard metal plate 14 is on the tool 1 by means of adhesive layer 13 - mounted above the diamond window 12 - a turning tool. Then the tool 1 is used, ie the turning tool cuts the surface of a workpiece. As a result, a characteristic temperature distribution forms in the coating 15 , which allows statements to be made about the load and the state of wear of the coating 15 . The image of this temperature distribution is conducted to the thermal camera 3 by means of heat conduction through the hard metal plate 14 and by means of heat radiation through the adhesive layer 13 , the diamond window 12 and the light guide 111 . The image of the temperature distribution recorded by the thermal camera 3 is forwarded to the evaluation unit 4 in the form of a measuring computer, where heat losses that occur on the way from the coating 15 to the thermal camera 3 are compensated for and further evaluations are made.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die schnelle und einfache thermograpische Untersuchung beliebiger Beschichtungen für spanabhebende Werkzeuge unter der Zielsetzung der Optimierung des Verschleiß- und des Zerspanungsverhaltens der eingesetzten Werkzeuge. The device according to the invention and the method according to the invention prove to be effective as special in the embodiments of the example described above suitable for the quick and easy thermographic examination of any Coatings for cutting tools with the objective of optimization the wear and cutting behavior of the tools used.  

Die Erfindung ist nicht nur auf das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.The invention is not only limited to the exemplary embodiment described above, but rather transferable to others.

So ist zum Beispiel denkbar, die Vorrichtung und das Verfahren nicht nur zur Auswahl einer optimalen Beschichtung für einen bestimmten Zerspanungsprozeß für beliebige Werkstückstoffe einzusetzen, sondern auch den Zerspanungsprozeß selbst für eine gegebene Beschichtung zu optimieren hinsichtlich Prozeßparametern wie beispiels­ weise Werkzeugvorschub, Schnittgeschwindigkeit und/oder Kühlung oder hinsichtlich Prozeßhilfsstoffen wie beispielsweise verschiedener Kühlschmierstoffe in Überflutung oder mit Minimalmengenschmierung oder ganz trocken. Eine solche Prozeßoptimierung könnte mittels einer geeigneten Auswerteeinheit mit genügend hoher Rechenleistung, kontinuierlich in Echtzeit während des Zerspanungsprozesses ablaufen.For example, it is conceivable that the device and the method are not only available for selection an optimal coating for a specific machining process for any To use workpiece materials, but also the cutting process itself for one to optimize the given coating with regard to process parameters such as as tool feed, cutting speed and / or cooling or in terms Process auxiliaries such as various cooling lubricants flooded or with minimal quantity lubrication or completely dry. Such process optimization could use a suitable evaluation unit with sufficiently high computing power, run continuously in real time during the machining process.

Außerdem ist es vorstellbar auf den Lichtleiter zu verzichten und die Wärmestrahlung einfach durch den luftgefüllten Kanal zu leiten. Sollte der Kanal aus bautechnischen Gründen Krümmungen aufweisen, die einen geradlinigen Strahlengang behindern, so kann dem mittels IR-Spiegeln abgeholfen werden, welche die Wärmestrahlung in den Krümmungen umlenken.It is also conceivable to do without the light guide and the heat radiation easy to guide through the air-filled duct. Should the sewer be of constructional Reasons have curvatures that hinder a straight-line beam path, so can be remedied by means of IR mirrors, which emit heat radiation in the Redirect curvatures.

Desweiteren wird betont, daß die Erfindung außer für den gemäß Ausführungsbeispiel beschriebenen Drehmeisel auch für ein beliebiges anderes spanabhebendes Werkzeug anwendbar ist.Furthermore, it is emphasized that the invention except for the embodiment described turning chisel also for any other cutting tool is applicable.

Literaturliterature

[1] DE 42 33 035 C1
[2] DE 3 59 477 C1
[3] EP 6 85 297 A1[1] DE 42 33 035 C1
[2] DE 3 59 477 C1
[3] EP 6 85 297 A1

Claims (9)

1. Vorrichtung zur thermographischen Untersuchung von Beschichtungen (15) für spanabhebende Werkzeuge (1),
  • - bei der das Werkzeug (1) im Bereich des Spanes (2) einen Kanal (11) aufweist,
  • - der eine zu der zu untersuchenden Beschichtung (15) hin gerichtete, werkstückseitige Öffnung aufweist,
  • - die an der Spanseite oder
  • - an der Freifläche des Werkzeuges (1) angeordnet ist, und
  • - in dem eine von der zu untersuchenden Beschichtung (15) ausgehende Wärmestrahlung weiterleitbar ist,
  • - wobei die durch den Kanal (11) weitergeleitete Wärmestrahlung zumindest mittelbar von einer Temperaturmeßeinrichtung (3) erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die werkstückseitige Öffnung des Kanals mit einem Fenster (12) belegt ist, welches für die Wärmestrahlung durchlässig ist,
  • - daß über dem Fenster (12) eine Hartmetallplatte (14) befestigt ist,
  • - daß auf die Hartmetallplatte (14) die zu untersuchende Beschichtung (15) aufgebracht ist.
1. Device for the thermographic examination of coatings ( 15 ) for cutting tools ( 1 ),
  • - in which the tool ( 1 ) has a channel ( 11 ) in the area of the chip ( 2 ),
  • - which has a workpiece-side opening facing the coating ( 15 ) to be examined,
  • - those on the chip side or
  • - Is arranged on the free surface of the tool ( 1 ), and
  • - in which heat radiation emanating from the coating ( 15 ) to be examined can be passed on,
  • the thermal radiation transmitted through the channel ( 11 ) being at least indirectly detectable by a temperature measuring device ( 3 ), characterized in that
  • - That the opening on the workpiece side of the channel is occupied by a window ( 12 ) which is permeable to the heat radiation,
  • - That a hard metal plate ( 14 ) is attached over the window ( 12 ),
  • - That the coating ( 15 ) to be examined is applied to the hard metal plate ( 14 ).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Material und die Dicke der Hartmetallplatte (14) derart gewählt sind, daß das Abbild der Temperaturverteilung der Unterseite der Beschichtung (15), welches mittels Wärmeleitung durch die Hartmetallplatte (14) hindurchgeführt wird, in Querrichtung zu dieser beabsichtigten Abbildungsrichtung nicht über einen definierten Grenzwert hinaus verfälscht wird,
  • - vorzugsweise daß das Material, aus dem die Hartmetallplatte (14) besteht, auf Wolfram-Carbid-Basis oder Titan-Carbid-Basis aufgebaut ist, und/oder
  • - vorzugsweise daß die Dicke der Hartmetallplatte (14) nicht mehr als 100 µm beträgt.
2. Device according to claim 1, characterized in that
  • - That the material and the thickness of the hard metal plate ( 14 ) are selected such that the image of the temperature distribution of the underside of the coating ( 15 ), which is passed through the hard metal plate ( 14 ) by means of heat conduction, does not have a transverse direction to this intended direction of imaging defined limit is falsified,
  • - Preferably that the material from which the hard metal plate ( 14 ) is made of a tungsten carbide or titanium carbide base, and / or
  • - Preferably that the thickness of the hard metal plate ( 14 ) is not more than 100 microns.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Hartmetallplatte (14) durch Aufkleben befestigt ist,
  • - vorzugsweise mit einer Klebeschicht (13) aus Zwei-Komponenten-Kleber,
  • - die für die Wärmestrahlung durchlässig ist, und
  • - die kurzfristige Temperaturspitzen von bis zu 500 Grad Celsius und Dauertemperaturen von bis zu 200 Grad Celsius ohne wesentliche Beeinträchtigung der Haftung übersteht.
3. Device according to one of the preceding claims, characterized in
  • - That the hard metal plate ( 14 ) is attached by gluing,
  • - preferably with an adhesive layer ( 13 ) made of two-component adhesive,
  • - which is permeable to heat radiation, and
  • - Withstands short-term temperature peaks of up to 500 degrees Celsius and continuous temperatures of up to 200 degrees Celsius without significantly affecting liability.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Fenster (12) aus einem Material aufgebaut ist, welches eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit besitzt wie die Hartmetallplatte,
  • - vorzugsweise aus Diamant- oder Germanium aufgebaut ist.
4. Device according to one of the preceding claims, characterized in
  • - That the window ( 12 ) is made of a material which has a similar thermal conductivity as the hard metal plate,
  • - is preferably constructed from diamond or germanium.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in dem Kanal (11) mindestens ein IR-Spiegel angeordnet ist, zur Weiterleitung der werkstückseitig in den Kanal (11) eintretenden Wärmestrahlung in Richtung auf die Temperaturmeßeinrichtung (3).
5. Device according to one of the preceding claims, characterized in
  • - That in the channel ( 11 ) at least one IR mirror is arranged for forwarding the workpiece radiation in the channel ( 11 ) entering heat radiation in the direction of the temperature measuring device ( 3 ).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in dem Kanal (11) ein Lichtleiter (111) angeordnet ist, zur Weiterleitung der werkstückseitig in den Kanal (11) eintretenden Wärmestrahlung in Richtung auf die Temperaturmeßeinrichtung (3).
6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in
  • - That in the channel ( 11 ), a light guide ( 111 ) is arranged for forwarding the workpiece radiation in the channel ( 11 ) entering heat radiation in the direction of the temperature measuring device ( 3 ).
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Temperaturmeßeinrichtung (3) eine Thermokamera enthält, und
  • - vorzugsweise die Vorrichtung zusätzlich eine Auswerteeinheit (4) enthält zur Kompensation von IR-Verlusten.
7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that
  • - That the temperature measuring device ( 3 ) contains a thermal camera, and
  • - Preferably the device additionally contains an evaluation unit ( 4 ) for compensation of IR losses.
8. Verfahren zur thermographischen Untersuchung von Beschichtungen (15) für spanabhebende Werkzeuge (1),
  • - wobei die thermographische Untersuchung der Beschichtung (15) während eines spanabhebenden Prozesses erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Beschichtung (15) auf einer Hartmetallplatte (14) aufgebracht wird,
  • - und daß die Hartmetallplatte (14) auf dem Werkzeug (1) aufgebracht wird
  • - auf dessen Spanseite oder auf dessen Freifläche,
  • - über einem für Wärmestrahlung durchlässigen Fenster (12), welches einen Kanal (11) abdeckt,
  • - der zu einer Temperaturmeßeinheit (3) führt, und
  • - daß das Abbild der bei dem spanabhebenden Prozeß in der Beschichtung (15) sich einstellenden Wärmeverteilung durch die Hartmetallplatte (14) geleitet und durch das Fenster (12) und den Kanal (11) zu der Temperaturmeßeinheit (3) mittels Wärmestrahlung geführt wird.
8. Method for the thermographic examination of coatings ( 15 ) for cutting tools ( 1 ),
  • the thermographic examination of the coating ( 15 ) takes place during a machining process, characterized in that
  • - That the coating ( 15 ) is applied to a hard metal plate ( 14 ),
  • - And that the hard metal plate ( 14 ) is applied to the tool ( 1 )
  • - on its chip side or on its open space,
  • - over a window ( 12 ) which is permeable to heat radiation and which covers a channel ( 11 ),
  • - Which leads to a temperature measuring unit ( 3 ), and
  • - That the image of the heat distribution during the machining process in the coating ( 15 ) is passed through the hard metal plate ( 14 ) and through the window ( 12 ) and the channel ( 11 ) to the temperature measuring unit ( 3 ) by means of heat radiation.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß auf dem Weg von der Beschichtung (15) bis zur Temperaturmeßeinheit (3) auftretende Wärmeverluste rechnerisch kompensiert werden, vorzugsweise derart,
  • - daß thermographische Untersuchungen an IR-durchlässigen Schichten jeweils mit und ohne Hartmetallplatte (14) und Fenster (12) durchgeführt werden,
  • - daß anhand dieser Untersuchungsergebnisse eine Eichkurve berechnet wird,
  • - daß anhand dieser Eichkurve die Wärmeverluste bei der thermo­ graphischen Untersuchung mit Hartmetallplatte (14) und Fenster (12) kompensiert werden.
9. The method according to claim 8, characterized in
  • - That heat losses occurring on the way from the coating ( 15 ) to the temperature measuring unit ( 3 ) are computationally compensated, preferably in such a way
  • - That thermographic studies on IR-transmissive layers are carried out with and without hard metal plate ( 14 ) and window ( 12 ),
  • - that a calibration curve is calculated on the basis of these test results,
  • - That on the basis of this calibration curve, the heat losses in the thermographic examination with hard metal plate ( 14 ) and window ( 12 ) are compensated.
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