DE69106351T2 - Werkzeugabnützungsdetektor. - Google Patents
Werkzeugabnützungsdetektor.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft die Erfassung von Verschleiß an einem Werkzeug. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Erfassung des Verschleißgrades eines Schneidwerkzeugs basierend auf dem Verlauf der Wärme- und der zeitlichen Beanspruchung, der es in den hauptsächlichen Verschleißzonen ausgesetzt war.
- Beim Einsatz von Werkzeugen, insbesondere von Einwegschneidwerkzeugen bzw. Wendeschneidplatten, ist es wünschenswert, daß jede Schneidkante des Werkzeugs mittels eines Sensors überwacht wird, der eine Werkzeugabnutzung oder die verbleibende Werkzeugstandzeit erfassen könnte.
- Es sind verschiedene Vorschläge gemacht worden, den Werkzeugverschleiß zu messen durch Anbringen von Widerständen beispielsweise auf der Freifläche eines Schneidwerkzeugs und durch Überwachen des Widerstands solcher Widerstände. Eine gute Zusammenfassung bekannter Systeme ist in dem Aufsatz mit dem Titel 'A Study on Throw-Away Tool Equipped with a Sensor to Detect Flank Wear' von Aoyama und anderen im Bulletin der Japan Society for Precision Engineering, Band 21, Nr. 3, September 1987, Seiten 203 bis 208, enthalten.
- Die verschiedenen in diesem Aufsatz beschriebenen Sensoren sind Dünnfilmwiderstände, die auf die Freifläche eines Werkzeugs aufgebracht werden. Die Autoren schlagen eine andere Form eines Widerstands vor, die unabhängig vom Werkstück betrieben werden kann, d.h. das Werkstück bildet keinen Teil des Stromkreises zum Widerstand, so daß der Widerstand sowohl an der Maschine als auch separat von ihr gemessen werden kann.
- Alle der in dem Aufsatz von Aoyama u.a. offenbarten Systeme erzielen eine Widerstandsänderung des verwendeten Widerstands nur durch eine Materialabtragung. d.h. die Größe des stromleitenden Pfads wird während des Schneidvorgangs des Werkzeugs durch Abtragen eines Teils des Widerstands geändert, wodurch eine bleibende Aufzeichnung des Verschleißes erhalten wird, dem das Werkzeug unterworfen war. In allen Systemen außer dem von den Autoren des Aufsatzes vorgeschlagenen kann der Widerstand nur gemessen oder eine Abschätzung des Werkzeugverschleißes nur erhalten werden, wenn das Werkzeug sich im Einsatz und das zu schneidende Teil sich in Stellung befindet, da das Teil einen Teil des elektrischen Stromkreises bildet, der zum Messen des Widerstands erforderlich ist.
- Dickfilmwiderstände sind bekannt und es ist herausgefunden worden, daß gewisse Probleme im Hinblick auf die sich mit der Zeit ändernde Genauigkeit der Widerstände auftreten, wenn sie hohen Temperaturen, einer thermischen Beanspruchung oder sehr feuchten Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden. Diese Eigenschaft bestimmter Dickfilmwiderstände wurde untersucht und in einem Aufsatz von Sinnadurai u.a. anläßlich der Europäischen Tagung für Hybridmikroelektronik im Jahr 1979 berichtet. Es wurde gefunden, daß der Widerstand bestimmter Dickfilme sich bleibend ändert, wenn sie über eine gewisse Zeit erhöhten Temperaturen oder anderen Bedingungen wie beispielsweise sehr feuchten Umgebungsbedingungen ausgesetzt wurden und daß der Grad der Widerstandsveränderung oder die Art, in der sich der Widerstand der verschiedenen Dickfilme änderte, abhängig war von der verwendeten Tinte, dem Widerstandswert (d.h. hoher oder niedriger Widerstand) und der Art und Weise, auf die der Widerstand gekapselt war.
- Es ist auch bekannt, daß die Abnutzungsgeschwindigkeit um so höher und damit die zu erwartende Werkzeugstandzeit um so kürzer ist, je höher die Werkzeugtemperatur ist (siehe im trans. A.S.M.E. Journal of Engineering for Industry, Band 85 (1963) Seite 33).
- Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verschleißindikator für ein Werkzeug, insbesondere ein Einwegwerkzeug, bereitzustellen.
- Im weiteren Sinne betrifft die vorliegende Erfindung ein Schneidwerkzeug mit einem Werkzeugkörper, der eine Schneidkante, die durch ein sich Kreuzen einer Freifläche und einer Spanfläche des Werkzeugkörpers gebildet ist, und einen Widerstand aufweist, dessen Widerstand bleibend in Abhängigkeit von den Temperaturbedingungen und der Zeitdauer geändert wird, denen er ausgesetzt ist, der auf wärmeleitende Weise am Werkzeugkörper so befestigt ist, daß der Widerstand zu jeder gegebenen Zeit Temperaturen proportional zur Werkzeugtemperatur eines ausgewählten Bereichs des Werkzeugs ausgesetzt wird, wodurch der Widerstand thermischen Beanspruchungen unterworfen ist, die proportional zu den Zeit-/Temperaturbedingungen sind, denen der ausgewählte Bereich des Werkzeugs ausgesetzt war.
- Bevorzugt ist der Widerstand ein Dickfilmwiderstand. Besonders bevorzugt wird der Dickfilmwiderstand auf den Werkzeugkörper mit dem größeren Anteil einer leitenden Phase des Dickfilmwiderstands benachbart zu einer Grenzfläche mit dem Werkzeugkörper aufgebracht.
- Bevorzugt wird der Widerstand auf eine Freifläche des Werkzeugkörpers aufgebracht und besonders bevorzugt ist der Widerstand ein geradliniger Widerstand mit einem im wesentlichen zur Schneidkante parallelen Rand, die durch die Freifläche gebildet ist, auf die der Widerstand aufgebracht ist.
- Bevorzugt erstreckt sich der Widerstand um eine Ecke, die durch ein Paar angrenzender Freiflächen des Werkzeugs gebildet ist.
- Bevorzugt wird der Widerstand angrenzend an die Freifläche angeordnet, auf die er aufgebracht wird und ist in eine Schutzschicht gekapselt.
- Es ist auch möglich, den Widerstand in die Spanfläche des Werkzeugs einzubetten.
- Bevorzugt wird der Widerstand benachbart zur Schneidkante an einer Stelle angeordnet, die einem Verschleiß unterworfen ist, wenn die Kante sich um ein bestimmtes Maß abnutzt, um den Stromleitpfad des Widerstands zu verringern und dadurch den Widerstand des Widerstands zum Anzeigen von Verschleiß an der Schneidkante zu erhöhen.
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein auch ein Verfahren zum Messen der verbleibenden Standzeit eines Werkzeugs umfassend das Aufbringen eines Widerstands, dessen Widerstand in Abhängigkeit einer Zeit-/Temperaturbeziehung bleibend geändert wird, in wärmeleitender Weise auf das Werkzeug und Überwachen des Widerstands über die Zeit, um eine Anzeige der thermischen Beanspruchung bereitzustellen, der das Werkzeug unterworfen war, und damit eine Anzeige der verbleibenden Werkzeugstandzeit zu liefern.
- Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen:
- Fig. 1 eine isometrische Darstellung eines Schneidwerkzeugs ist, das mit einem erfindungsgemäßen Überwachungswiderstand ausgerüstet ist,
- Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1 ist, der einen auf einer Freifläche angebrachten und in eine Schutzschicht gekapselten Dickfilmwiderstand zeigt (und einen in die Spanfläche eingebetteten Widerstand),
- Fig. 3 eine Seitenansicht eines zweischneidigen Werkzeugs mit Ecken-Überwachungswiderständen für jede der Schneidkanten ist,
- Fig. 4 eine Temperatur-Widerstandskurve eines für die vorliegende Erfindung geeigneten Widerstands ist.
- Das in Fig. 1 dargestellte Werkzeug 10 hat eine Spanfläche 12 und mehrere Freiflächen 14, 16, 18 und 20 und hat eine Schneidkante 22, die durch ein sich Kreuzen der Spanfläche 12 mit den verschiedenen Freiflächen 14, 16, 18 und 20 gebildet ist. Im allgemeinen wird das Werkzeug aus einem Material bestehen, das die beim Schneiden erzeugte Wärme nicht gleichmäßig verteilt, sondern die Temperatur des Werkzeugs direkt angrenzend an den die Bearbeitung durchführenden Bereich der Schneidkante ist allgemein deutlich höher als die mittlere Temperatur des Werkzeugkörpers.
- Um jede der Ecken 26, die durch Kreuzen der Paare aneinander angrenzender Flächen 14, 16, 18 und 20 gebildet sind, erstreckt sich ein Ecken-Dickfilmwiderstand 24 und ist auf den Flächen 14, 16, 18 oder 20 angebracht. Bevorzugt wird ein Paar von Dickfilmwiderständen 28 und 30 auf jeder der Flächen 14, 16, 18 und 20 zwischen den Enden der Ecken-Widerstände 24 angebracht, die auf jede der Flächen aufgebracht sind.
- Jeder der Widerstände 24, 28 und 30 ist durch Leitungen 32 und 34 mit einem Leitungssystem 36 verbunden, das jeden Widerstand 24, 28 und 30 einzeln mit seinen entsprechenden Anschlüssen 38 auf einer Fläche 14, 16, 18 oder 20 verbindet, die eine andere als die Fläche ist, auf der der Widerstand angebracht ist (siehe Fig. 3 bzgl. einer typischen Verdrahtungsanordnung). Die beiden Leitungen 32 und 34 der Ecken-Widerstände 24 sind je mit Anschlüssen auf derselben Fläche 14, 16, 18 oder 20 verbunden, z.B. kann der sich um die durch die Kreuzung der Flächen 14 und 20 gebildete Ecke erstreckende Ecken-Widerstand 24 (ausgewählter Widerstand 24) mit deren entsprechenden Anschlüssen auf der Fläche 16 verbunden sein. Entsprechend haben die anderen Widerstände 28 und 30, die gleichzeitig mit dem ausgewählten Widerstand 24 überwacht werden sollen, ihre Anschlüsse 38 auf derselben Fläche 16 wie die Anschlüsse 38 des ausgewählten Widerstands 24. Ein Anschluß der Widerstände an Anschlüsse 38 auf einer angrenzenden Freifläche erleichtert ein Verbinden der Widerstände mit einem Überwachungssystem, wenn das Werkzeug sich in der Maschine in Schneidstellung befindet.
- Die Widerstände 24, 28 und 30 werden bevorzugt mit ihren oberen Kanten 40, d.h. mit der Kante 40, benachbart und im wesentlichen parallel zum angrenzenden Abschnitt der Schneidkante 22 des Werkzeugs angeordnet. Durch eine derartige Anordnung jeder der Kanten 40 können die Widerstände 24, 28 oder 30 einem Verschleiß unterworfen werden, wenn das Werkzeug abgenutzt wird, um die Breite w des Widerstands 24, 28 oder 30 zu verringern, was den Widerstand des Widerstands durch Vermindern der Breite des Stromleitpfades erhöht, der, wie deutlich werden wird, von der Breite und Dicke des Dickfilmwiderstands 24 abhängt.
- Der Dickfilmwiderstand 24 ist bevorzugt ein stromleitender Streifen im wesentlichen gleichmäßiger Dicke und gleichmäßiger Breite, der sich in einer geraden Linie längs der Freifläche des Schneidwerkzeugs erstreckt, wie beispielsweise längs der in Fig. 1 dargestellten Freiflächen 14, 16 (oder entsprechender Flächen 14A und 16A in Fig. 3). Im allgemeinen haben die Widerstände 24, 28 und 30 (oder 124, 224, 324, 124A, 224A und 324A in Fig. 3) eine Breite w von 200 bis 400 um, eine Dicke von 10 bis 20 um und haben von der Schneidkante 22 (oder 22A oder 22B in Fig. 3) einen Abstand von etwa 400 bis 800 um.
- In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, den Widerstand auf die Spanfläche 12 aufzubringen. In diesem Fall ist es bevorzugt, den Widerstand in die Oberfläche des Werkzeugs einzubetten, so daß der Widerstand nicht aus der Fläche hervorragt (siehe den Widerstand 42 aus Fig. 2, der in Fig. 1 mit gepunkteten Linien dargestellt ist). Selbstverständlich ist der Widerstand 42 zum Messen des Widerstands mit geeigneten, nicht gezeigten Anschlüssen verbunden.
- Auch die Widerstände 24, 28 und 30 können in der derselbe Weise wie der Widerstand 42, jedoch in den Freiflächen, eingebettet sein, es ist jedoch bevorzugt, die Dickfilmwiderstände unmittelbar auf die Oberfläche der Freiflächen zu drucken und dann in eine geeignete dielektrische Schicht 44 zu kapseln, die durch Drucken und anschließendes Härten aufgebracht wird. Die Leitungen 32 und 34 und die Leitung 36 werden auf ähnliche Weise aufgebracht und gekapselt. Das Kapselmaterial ist normalerweise ein wie gewünscht geeignet geladenes Glasmaterial.
- Die Widerstände und ihre kapselnden Schichten können auf die Flächen 14, 16, 18 und 20 beispielsweise mittels Siebdruck aufgebracht werden.
- Beim Drucken muß selbstverständlich darauf geachtet werden, daß eine gute Anhaftung der den Dickfilmwiderstand auf der Fläche des Werkzeugs bildenden Tinte gewährleistet ist. Dies kann keramische Beschichtungen auf dem Werkzeug oder gewisse Abwandlungen des Bindersystems erfordern, das zum Aufbringen und Befestigen der Tinte am Ort verwendet wird. Letzteres ist besonders wichtig, wenn das Werkzeug aus Sintercarbid oder aus Schnelldrehstahl besteht.
- Bevorzugt ist die zum Bilden des Dickfilmwiderstands 24 eingesetzte Tinte so zusammengesetzt, daß sichergestellt ist, daß die leitende Phase des Widerstands zur Grenzfläche zwischen dem Widerstand und dem Werkzeugkörper wandert, da eine solche Anordnung des leitenden Bereiches 46 des Widerstands (siehe Fig. 2) den Widerstand besser vor abrasivem Verschleiß schützt.
- Ebenfalls ist es bevorzugt, den Dickfilmwiderstand 24 durch ein geeignetes Umhüllungsmaterial 44 (siehe Fig. 2) zu schützen, Widerstand 34 aufgedruckt und anschließend gehärtet werden kann. Wichtig ist, daß der Dickfilmwiderstand die geforderten Eigenschaften aufweist, insbesonders daß, wenn er erhöhten Temperaturen (im Bereich von 300 bis 500ºC) ausgesetzt ist, der Widerstand des Widerstands sich mit der Zeit deutlich ändert und daß diese Änderungen bleibende Änderungen sind, so daß der Widerstand des Widerstands 24 zu jeder Zeit entweder an der Maschine oder von ihr getrennt gemessen werden kann, um das Maß an thermischer Beanspruchung festzustellen, dem das Werkzeug ausgesetzt war und dadurch eine Anzeige der verbleibenden Werkzeugstandzeit zu liefern.
- Fig. 3 zeigt ein doppelseitiges Werkzeug 10A mit zwei Spanflächen 12a und 12B, die an ihren Kreuzungen mit Freiflächen 14A, 16A (und nicht gezeigten 18A und 20A) je Schneidkanten 22A und 22B bilden. Ecken-Widerstände 124 und 124A (ähnlich dem Widerstand 24 in Fig. 1) erstrecken sich um die lunksäußere Ecke 26A benachbart den Kanten 22B bzw. 22A, während ähnliche Widerstände 224 und 224A sich um die mittlere Ecke 26A und Widerstände 324 und 423A sich um die rechtsäußere Ecke 26A benachbart den Kanten 22B bzw. 22A des Werkzeugs 10A erstrecken. Jeder der Widerstände 124, 224, 324, 124A, 224A und 324A ist auf dieselbe Weise mit seinen Überwachungsanschlüssen T verbunden, die den Anschlüssen 38 aus Fig. 1 entsprechen. Beispielsweise ist der Widerstand 124 durch Leitungen 132 und 134, die sich über die Fläche 14A erstrecken, mit Anschlüssen T&sub2; verbunden, die um die mittlere Ecke 26A herum und auf der Fläche 16A angeordnet sind. Der Widerstand 124A ist in entsprechender Weise durch Leitungen 132A und 134A mit Anschlüssen T2A auf der Fläche 16A verbunden. Die Widerstände 224 und 224A sind durch Leitungen 232, 234 bzw. 232A und 234A mit Anschlüssen (auf einer nicht gezeigten Flasche 18A), die Widerstände 324 und 324A mit weiteren Anschlüssen (auf einer nicht gezeigten Fläche 20A) und die um die der mittleren Ecke 26A gegenüberliegenden Ecke des Werkzeugs 10A geführten Widerstände sind mit Anschlüssen T&sub1; und T1A verbunden.
- Um einen ausgewählten Abschnitt der Schneidkante 22 (22A oder 22B) zu überwachen, wird der Widerstand des benachbarten Widerstands gemessen, indem die Anschlüsse 38 (oder T) entweder wenn das Werkzeug sich an der Maschine im Einsatz befindet oder wenn das Werkzeug von der Maschine entfernt worden ist, abgegriffen werden.
- Fig. 4 zeigt eine typische Kurve eines Widerstands über der Temperatur. Die Kreise zeigen eine zunehmende Temperatur und die Vierecke zeigen abnehmende Temperaturen an. Es ist somit ersichtlich, daß dann, wenn der Widerstand einer erheblichen Temperatur (450ºC im dargestellten Beispiel) ausgesetzt war, der Widerstand sich deutlich geändert hat, so daß dann, wenn der Widerstand zu einem beliebigen Zeitpunkt entweder im Betrieb oder nach dem Abkühlen gemessen wird, er eine sehr deutliche Anzeige des Maßes an thermischer Beanspruchung, der das Werkzeug ausgesetzt war, liefert und damit eine Anzeige der verbleibenden Werkzeugstandzeit.
- Selbstverständlich muß die Zusammensetzung des Dickfilmwiderstands für die Temperaturbedingungen passend ausgewählt werden, die zu überwachen sind.
- Im Betrieb wird der Widerstand 24, 124, 124A, 224, 224A usw. an der Schneidecke überwacht, um einen Verschleiß usw. zu erfassen. Die Widerstände 28 und 30 nicht zwingend notwendig; sind sie jedoch vorhanden, ist es bevorzugt die Widerstände 28 und 30 auf gegenüberliegenden Seiten des Ecken-Widerstands 24 zu überwachen, der gemessen wird (ist beispielsweise der ausgewählte Ecken-Widerstand 24 derjenige auf der linken Seite in Fig. 1, so würden der Widerstand 28 auf der Fläche 14 und der Widerstand 30 auf der Fläche 20 (nicht gezeigt) überwacht werden). Es ist auch möglich, gleichzeitig den Widerstand 30 auf der Fläche 14 zu überwachen oder nur die Widerstände 28 und 30 auf der Fläche 14 und nicht den Widerstand 30 auf der Fläche 20 zu überwachen (unter Annahme, daß die Fläche 14 die vorauseilende Fläche ist).
- Während die Werkzeugkante 22 oder 22A oder 22B verschleißt, nimmt die durch die spanende Wirkung des Werkzeugs erzeugte Hitze zu und setzt dadurch den angrenzenden Widerstand der höheren Temperatur aus, die die Alterung des Widerstands (Zunahme des Widerstands der Widerstands) beschleunigt und damit die Anzeige des Maßes an Abnutzung der überwachten Schneidkante erhöht.
- Nach der Beschreibung der Erfindung werden Abwandlungen den Fachleuten auf dem Gebiet klar sein ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie der in den beigefügten Ansprüchen angegeben ist.
Claims (12)
1. Ein Werkzeug mit einem Werkzeugkörper, der eine Schneidkante
(22), die durch ein sich Kreuzen einer Freifläche (14, 16, 18,
20) und einer Spanfläche (12) des Werkzeugkörpers gebildet ist,
und einen am Werkzeugkörper befestigten Widerstand (24)
aufweist, gekennzeichnet durch
Befestigen des Widerstands (24) auf wärmeleitende Weise am
Werkzeugkörper an einer Stelle des Werkzeugkörpers, die
erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, die proportional zu
erhöhten Temperaturen sind, denen ein Abschnitt der zu
überwachenden Schneidkante (22) ausgesetzt ist, wobei der
Widerstand (24) ein Widerstand der Art ist, dessen
Widerstand sich bleibend im Verhältnis zu den
Temperaturbedingungen und der Zeitdauer ändert, während der der
Widerstand den Temperaturbedingungen ausgesetzt ist.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, bei dem der Widerstand ein
Dickfilmwiderstand ist.
3. Werkzeug nach Anspruch 2, bei dem der Dickfilmwiderstand auf
den Werkzeugkörper aufgebracht ist mit dem größeren Anteil
einer leitenden Phase des Dickfilmwiderstands benachbart zu
einer Grenzfläche des Widerstands und des Werkzeugkörpers.
4. Werkzeug nach Anspruch 2, bei dem der Widerstand auf eine
Freifläche des Werkzeugkörpers aufgebracht ist.
5. Werkzeug nach Anspruch 4, bei dem der Widerstand ein
geradliniger Widerstand mit einem im wesentlichen zur Schneidkante
parallelen Rand ist, die durch die Freifläche gebildet ist, auf
die der Widerstand aufgebracht ist.
6. Werkzeug nach Anspruch 4, bei dem der Widerstand sich um
eine Ecke erstreckt, die durch ein Paar angrenzender
Freiflächen des Werkzeugs gebildet ist.
7. Werkzeug nach Anspruch 4, bei dem eine leitende Phase des
Widerstands angrenzend an die Freif1äche angeordnet ist, auf
die er aufgebracht ist, und bei dem der Widerstand in eine
Schutzschicht gekapselt ist.
8. Werkzeug nach Anspruch 4, bei dem der Widerstand angrenzend
an die Schneidkante an einer Stelle angeordnet ist, die
verschleißt, wenn die Kante ein bestimmtes Maß verschleißt, um
den Stromleitpfad des Widerstands zu verringern und dadurch den
Widerstand des Widerstands zum Anzeigen von Verschleiß an der
Schneidkante zu erhöhen.
9. Werkzeug nach Anspruch 7, bei dem der Widerstand angrenzend
an die Schneidkante an einer Stelle angeordnet ist, die
verschleißt, wenn die Kante ein bestimmtes Maß verschleißt, um
den Stromleitpfad des Widerstands zu verringern und dadurch den
Widerstand des Widerstands zum Anzeigen von Verschleiß an der
Schneidkante zu erhöhen.
10. Werkzeug nach Anspruch 2, bei dem der Widerstand in eine
ausgewählte Fläche des Werkzeugs eingebettet ist.
11. Verfahren zur Messung des Verschleißes eines Werkzeugs
umfassend Aufbringen eines Widerstands auf den Körper des Werkzeugs
und Messen des Widerstands des Widerstands, um eine Anzeige des
Verschleißes zu liefern, dem ein überwachter Abschnitt der
Schneidkante ausgesetzt worden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das
Aufbringen den Widerstand in wärmeleitender Weise angrenzend an
den zu überwachenden Abschnitt aufbringt, so daß der Widerstand
Temperaturbedingungen ausgesetzt ist, die proportional zu denen
sind, denen der Abschnitt ausgesetzt ist, und wobei der Widerstand
ein Widerstand der Art ist, dessen Widerstand im Verhältnis zu
den erhöhten Temperaturbedingungen und der Zeitdauer bleibend
geändert wird, während der der Widerstand den erhöhten
Temperaturbedingungen ausgesetzt ist, so daß das Messen des Widerstands
des Widerstands eine Anzeige der Temperaturbedingungen, denen
der Abschnitt ausgesetzt war, und der Zeitdauer, in der der
Abschnitt den erhöhten Temperaturbedingungen ausgesetzt war,
und somit ein Maß für die verbleibende Werkzeugstandzeit in
diesem Abschnitt liefert.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei der Widerstand ein
Dickfilmwiderstand ist.
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