DE19918771A1

DE19918771A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Überwachung der Schneidkante eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE19918771A1
Application number: DE1999118771
Authority: DE
Inventors: Michael Schulz
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 1999-04-24
Filing date: 1999-04-24
Publication date: 2000-11-02
Also published as: WO2000064629A1

Abstract

Zur optischen Überwachung der Schneidkante (9) eines zur spanenden Bearbeitung verwendbaren Werkzeugs (6) aus einem für optische Strahlung durchsichtigen Material, die auch während des Bearbeitungsvorganges möglich ist, wird ein Beobachtungsstrahlengang (10, 12) in das Innere des Werkzeugs (6) eingekoppelt und dort auf die Schneidkante (9) gerichtet und von der Schneidkante (9) ausgehende Strahlung außerhalb des Werkzeugs detektiert und ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Über wachung der Schneidkante eines zur spanenden Bearbeitung verwendbaren Werkzeugs aus einem für optische Strahlung durchsichtigen Material. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die spanende Bearbeitung von Werkstücken wird dadurch durch geführt, daß eine relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erzeugt wird und das Werkzeug während dieser rela tiven Bewegung in das Werkstück spanabhebend eingreift. Die am einfachsten zu realisierende relative Bewegung besteht in einer Drehbewegung des Werkstücks bei einem feststehenden Werkzeug. Die Standzeit des Werkzeugs hängt von zahlreichen Parametern ab, insbesondere von dem Verhältnis der Härte des Werkzeugs gegenüber der Härte des zu bearbeitenden Werk stücks. Eine präzise Fertigung erfordert, daß das Werkzeug an seiner Schneidkante nicht merkbar abgenutzt ist.

Die Standzeit, während der ein Werkzeug mit den gestellten Anforderungen an das Bearbeitungsergebnis verwendbar ist, kann nach Erfahrungswerten gewählt werden. Will man dabei jedoch einen vorzeitigen Werkzeugwechsel vermeiden, entsteht aufgrund der zahlreichen weiteren Einflußparameter das Ri siko, daß am Ende der Standzeit mit einem nicht mehr ein wandfreien Werkzeug gearbeitet wird, wodurch unter Umständen die Produktion von Ausschußteilen verursacht wird.

Insbesondere für eine Ultrapräzisionsfertigung werden mono kristalline Diamantwerkzeuge zur Bearbeitung von Aluminium, Kupfer, diversen Kunststoffen und stromlos abgeschiedenem Nickel verwendet. Das Diamantwerkzeug wird dabei regelmäßig auf eine Schneidplatte als Träger aufgeklebt oder aufgelö tet.

Es ist bekannt, die Schneidkanten von Schneidwerkzeugen zu überwachen, indem Schnittkraftmessungen oder akustische Mes sungen durchgeführt werden. Ferner ist es möglich, nach Un terbrechung des Schneidprozesses die Schneidkante zu analy sieren. Die erstgenannten Verfahren sind relativ ungenau, während das letztgenannte Verfahren zeitaufwendig und daher nur in Ausnahmefällen praktikabel ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, die Schneidkante eines Werkzeugs mit hoher Ge nauigkeit überwachen zu können, ohne hierfür aufwendige Un terbrechungen der Bearbeitung vornehmen zu müssen.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß ein Beobachungsstrahlengang in das Innere des Werkzeugs eingekoppelt und dort auf die Schneidkante gerichtet wird und daß von der Schneidkante ausgehende Strahlung außerhalb des Werkzeugs detektiert und ausgewertet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Kerngedanke zugrunde, die Überwachung der Schneidkante aus dem Innern des Werk zeugs heraus durchzuführen, also einen Beobachtungsstrahlen gang in das Innere des Werkzeugs einzukoppeln und von der Schneidkante ausgehende Strahlung durch das Innere des Werk zeugs hindurch zu detektieren. Auf diese Weise wird die Überwachung der Schneidkante nicht durch das an die Schneidkante herangeführte Werkstück, durch Kühlmittel o. ä. beeinträchtigt. Demgemäß ist die Überwachung grundsätzlich auch während des Bearbeitungsvorgangs möglich. Die Überwa chung erfolgt erfindungsgemäß mit optischen Mitteln, wenn das Werkzeug für optische Strahlung durchlässig ist, wie dies bei einem Diamantwerkzeug der Fall ist.

Ein Diamantwerkzeug mit seinem hohen Brechungsindex begün stigt die Ausbildung einer Totalreflexion an der Werkzeug oberfläche, so daß als zurückkehrende Strahlung vorzugsweise von der Schneidkante totalreflektierte Strahlen verwendet werden können. Die Detektion kann mit einem Interferometer zur relativen Phasenverschiebung zwischen in das Werkzeug hineingeführten und den totalreflektierten Strahlen oder mit einem Mikroskop vorgenommen werden, um die Form der Schneid kante zu überwachen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht darüber hinaus die Überwachung weiterer Parameter der Schneidkante, beispiels weise der Arbeitstemperatur der Schneidkante. In diesem Fall wird als Beobachtungsstrahlengang eine Strahlung mit einer lumineszenzanregenden Wellenlänge verwendet und als zurück kehrende Strahlung Lumineszenzstrahlung detektiert und aus gewertet. Die Lumineszenzstrahlung ist temperaturabhängig, so daß es auf diese Weise möglich ist, die Schneidkante ei nes Diamantwerkzeugs auf einer für die Bearbeitung optimalen Temperatur zu halten, die größer als 542°C liegen muß, wenn Silicium-Waver duktil zerspant werden sollen, allerdings 600°C nicht überschreiten darf, da oberhalb dieser Tempera tur irreversible Graffitisierungsprozesse im Diamanten ein setzen (black coating), die die Eignung des Diamanten als Werkzeug zerstören.

Für die Auswertung der Lunineszenzstrahlung ist es besonders zweckmäßig, wenn ein 2-Photonen-Übergang für die Lumineszenz angeregt wird, beispielsweise ein N3-N4-Übergang beim Dia manten, da in diesem Fall die Lumineszenzstrahlung definier te andere Wellenlängen aufweist als die Anregungsstrahlung und durch entsprechende Filter Streulichtprobleme vollstän dig beseitigt werden können.

Ausgehend von der oben erwähnten Problemstellung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine auf das Werkzeug aufgebrachte Einkoppeleinrichtung und durch einen über die Einkoppeleinrichtung auf die Schneidkante gerichte ten Detektor zur Detektion von von der Schneidkante ausge henden Strahlen. Als Einkoppeleinrichtung eignet sich in einfachster Weise ein auf das Werkzeug aufgesetztes Prisma.

Die Ausrichtung von Strahlenquelle und Detektor erfolgt zweckmäßigerweise so, daß die Strahlen der optischen Strah lenquelle mit den zurückkommenden Strahlen koinzidieren, wie dies bei der Verwendung eines Interferometers als Detektor notwendig und bei der Verwendung eines Mikroskops als Detek tors durch eine entsprechende Einkopplung der Beleuchtungs strahlen zweckmäßig ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu tert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer rotieren den Werkstückhalterung und einer ortsfesten Werkzeughalterung mit einem auf das Werkzeug aufgesetzten Interferometer

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines vom In terferometer ausgehenden Strahlengangs inner halb des Werkzeugs zur Überwachung der Schneidkante des Werkzeugs

Fig. 2a ein typisches Interferogramm, wie es vom In terferometer aufgenommen wird

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Beobach tungsstrahlengangs für ein Mikroskop

Fig. 3a ein typisches Mikroskopbild für eine einwand freie Schneidkante.

Fig. 1 läßt eine Drehhalterung 1 erkennen, an deren Stirn seite ein Werkstück 2 gehalten wird, so daß es mit der Dreh halterung 1 in Rotation versetzt wird.

Auf einem Grundträger 3 und von einer stabilen, aufrechtste henden Halteplatte 4 wird eine Schneidplatte 5 gehalten, die als im wesentlichen rechteckige Platte ausgebildet ist. An einer vorderen Kante der Schneidplatte 5 ist ein Schneid werkzeug 6 befestigt, das über die vordere Kante der Schneidplatte 5 etwas vorsteht. Die Halterung 3, 4 der Schneidplatte 5 oder die Drehhalterung 1 ist axial verstell bar ausgebildet, so daß das Werkstück 2 relativ zu dem Schneidwerkzeug 6 zugestellt werden kann.

Auch das Schneidwerkzeug 6 ist ein Interferometer 7 mit ei nem Lichtleiteransatz 8 gerichtet. Das Interferometer 7 ist über ein elektrisches Kabel 8 mit einer (nicht dargestell ten) Auswertungseinrichtung verbunden.

Fig. 2 verdeutlicht, daß das Werkzeug 6 in dem dargestell ten Ausführungsbeispiel eine rechteckige Kontur aufweist und daß eine vordere obere Kante als Schneidkante 9 ausgebildet ist. Das Interferometer sendet einen Beobachtungsstrahl 10 aus, der von einer Laserlichtquelle mit einer hinreichenden Kohärenzlänge erzeugt wird. Der Beobachtungsstrahl 10 wird mit Hilfe eines mit der Oberfläche des Werkzeugs 6 bei spielsweise durch Klebung verbundenen Einkoppelprismas 11 in das Innere des Werkzeugs 6 eingekoppelt. In dem dargestell ten Ausführungsbeispiel wird der Beobachtungsstrahl 10 da durch auf den Bereich der Schneidkante 9 gerichtet, daß der Beobachtungsstrahl 10 an einer unteren Oberfläche des Werk zeugs 6 einmal total reflektiert wird. Eine Totalreflexion erfolgt ferner an den beiden Begrenzungsflächen der Schneid kante 9, woraus ein totalreflektierter zurücklaufender Strahl 12 resultiert, der aufgrund der ausreichenden Kohä renzlänge mit dem Beobachtungsstrahl 10 interferiert und ein Interferenzmuster bildet, wie es beispielhaft in Fig. 2a dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt eine Beobachtung der Schneidkante 9 des Werk zeugs 6 mit einem Mikroskop 13, das unter Ausnutzung einer Totalreflexion auf die Schneidkante 9 fokussiert ist. Die erforderliche Beleuchtung der Schneidkante 9 kann durch ei nen eingekoppelten Beleuchtungsstrahlengang erfolgen, sich aber auch durch die normale Umgebungsbeleuchtung ergeben.

Fig. 3a zeigt ein typisches Mikroskopbild für eine intakte Schneidkante 9, wobei ein dunkler Streifen 14 einen im Mikroskopbild hellen Streifen wiedergibt, der bei einer Ab nutzung der Schneidkante 9 ausgefranste Ränder bekommt und somit an Konturschärfe verliert.

Das Einkoppelprisma 11 dient dazu, eintretende bzw. austre tende Strahlen durch eine im wesentlichen senkrechte Grenz fläche 11a hindurchtreten zu lassen, um Grenzflächenrefle xionen zu minimieren. Die Kontaktfläche zwischen dem Einkop pelprisma 11 und dem Werkzeug 6 kann in üblicher Weise durch einen optischen Kit überbrückt sein, so daß zwischen Einkop pelprisma 11 und Werkzeug 6 keine Brechungsindexsprünge auf treten.

Die Kontur des Werkzeugs 6 in Draufsicht ist im allgemeinen so ausgebildet, daß aufgrund einer abgerundeten Vorderkante des Werkzeugs 6 die Schneidkante 9 nur über eine geringe Länge in das Werkstück 2 eindringt. Der Beobachtungsstrah lengang 10 wird punktförmig auf diese Stelle der Schneidkan te 9 gerichtet. Für den Strahlenverlauf innerhalb des Werk zeugs 6 ist die in der Darstellung der Fig. 2 und 3 rechteckige Formgebung in der Seitenansicht relevant.

Selbstverständlich ist es möglich, von dieser rechteckigen Formgebung abzuweichen und den Strahlengang der Strahlen 10, 12 entsprechend anzupassen.

Claims

1. Verfahren zur optischen Überwachung der Schneidkante (9) eines zur spanenden Bearbeitung verwendbaren Werk zeugs (6) aus einem für optische Strahlung durchsichti gen Material, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beobach tungsstrahlengang (10, 12) in das Innere des Werkzeugs (6) eingekoppelt und dort auf die Schneidkante (9) ge richtet wird und daß von der Schneidkante (9) ausgehen de Strahlung außerhalb des Werkzeugs detektiert und ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als von der Schneidkante (9) ausgehende Strahlung total reflektierte Strahlen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Detektion der von der Schneidkante (9) ausgehenden Strahlung mit einem Interferometer (7) vor genommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektion der von der Schneidkante (9) ausgehenden Strahlung mit einem Mikroskop (13) vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beobachtungsstrahlung eine Strahlung mit einer lu mineszenzanregenden Wellenlänge verwendet wird und daß als von der Schneidkante (9) ausgehende Strahlung Lumi neszenzstrahlung detektiert und ausgewertet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Lumineszenzstrahlung zur Feststel lung der Temperatur der Schneidkante (9) vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Anregung und Auswertung eines 2-Photonen-Übergangs des Materials des Werkzeugs (6).

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine auf das Werkzeug (6) aufgebrachte Einkoppeleinrichtung (11) und durch einen über die Einkoppeleinrichtung (11) auf die Schneidkante (9) gerichteten Detektor zur Detektion von von der Schneidkante (9) ausgehenden Strahlen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein auf das Werkzeug (6) aufgebrachtes Prisma (11) als Ein koppeleinrichtung.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine optische Strahlenquelle zur Aussendung op tischer Strahlen, die mit den von der Schneidkante (9) ausgehenden Strahlen (12) koinzidieren.