-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustandes eines Werkzeugs, insbesondere eines Werkzeugs auf Hartmetallbasis, und eine Vorrichtung hierfür. Dabei weist das Werkzeug eine Schneide auf, deren Verschleißzustand mittels des Verfahrens bestimmt wird. Ist das Werkzeug ein mehrschneidiges Werkzeug, so wird der Verschleißzustand zumindest einer Schneide oder mehrerer Schneiden bestimmt, welche aktuell in einer einsatzbereiten Einstellung oder Position ist.
-
Stand der Technik
-
Zur Werkstückbearbeitung werden unter anderem Fräsprozesse mit Werkzeugen auf Hartmetallbasis eingesetzt. Bei Fräsprozessen im industriellen Umfeld wird mit einer definierten Schneide des Werkzeugs auf Hartmetallbasis im spanabhebenden Verfahren das Werkstück zerspant. Dabei wird ein geometrisch definierter Span bei der Zerspanung des Werkstücks erzeugt.
-
Die eingesetzten Werkzeuge als auch die zu zerspanenden Werkstücke können dabei durchaus aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
-
Entsprechend entsteht eine Materialpaarung, die je nach Material des Werkzeugs und des Materials des Werkstücks stark variieren kann. Daraus resultieren verschiedene physikalische Größen, wie unter anderem für die Abnutzung des Werkzeugs relevante Größen.
-
Die wirtschaftliche und technische Nutzungsdauer, auch als Standzeit bekannt, der Werkzeuge aus einem Schneidwerkstoff wird durch den Abnutzungsgrad des Schneidwerkstoffes bestimmt.
-
Daher ist es beim Einsatz eines Werkzeugs grundsätzlich das Ziel des Benutzers, die technische Nutzungsdauer der Schneidwerkstoffe des Werkzeugs möglichst voll auszunutzen, da die als Werkzeuge eingesetzten Schneidwerkstoffe kostenintensiv sind.
-
Ausgehend davon existieren eine ganze Reihe von Bestrebungen, den Abnutzungsgrad der Werkzeuge zu bestimmen, um einerseits die technische Lebensdauer möglichst ausnutzen zu können, andererseits jedoch einen drohenden Werkzeugbruch sicher vermeiden zu können. Bei einem Werkzeugbruch droht im schlimmsten Fall die Zerstörung des Werkstückes, was in jedem Fall zu verhindern ist.
-
Im Stand der Technik sind beispielsweise optische Überwachungsverfahren bekannt, bei welchen die Schneide des Werkzeugs mittels einer Kamera beobachtet wird. Dabei wird die Kontur der Schneide mit vorgegebenen Mustern oder Maßen verglichen, um einen maximalen Verschleißzustand zu erkennen. Wird ein Erreichen des maximalen Verschleißzustandes detektiert, so wird ein Wechsel des Werkzeugs durch die Ausgabe eines entsprechenden Signals bzw. einer diesbezüglichen Information veranlasst. Ist das Werkzeug ein mehrschneidiges Werkzeug, so wird ein Wechsel der Schneide veranlasst.
-
Auch ist es bekannt, die Temperatur an der Schneide zu messen, um Rückschlüsse auf den Abnutzungsgrad der Schneide herzuleiten. Auch ist es bekannt, dass Kraft- oder Drehmomentmessungen stattfinden.
-
Bei einer Analyse der wichtigen Versagensarten einer Schneide eines Werkzeugs zeigt sich, dass die Auswirkungen der Versagensarten auf das Werkzeug sehr unterschiedlich sein können. Die wesentlichen Versagensarten sind dabei der Freiflächenverschleiß, der Kolkverschleiß, der Schneidenbruch, der Aufbauverschleiß und die Rissbildung.
-
Bei den bekannten Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Schneide eines Werkzeugs liegt das Problem vor, dass die Auswirkungen aller möglichen anstehenden Versagensarten in ihrer Summe betrachtet werden und aus den Ergebnissen der Überwachung kein Rückschluss auf die einzelne Versagensart möglich ist.
-
Da die Auswirkungen eines sich anbahnenden Verschleißes durch einen Freiflächenverschleiß mit einer sich erhöhenden Schnittkraft sich jedoch im Wesentlichen mit den Auswirkungen eines sich zunehmenden Kolkverschleißes mit einer Abnahme der Schnittkraft aufheben kann und zusätzlich durch einen oszillierenden Kraftverlauf durch eine Rissbildung im Schneidwerkstoff überlagert werden kann, können bei den bekannten Verfahren keine zuverlässigen, detaillierten Aussagen zu einer sich anbahnenden Versagensart abgeleitet werden.
-
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren haben entsprechend den Nachteil, dass der Verlauf des Verschleißes insgesamt nur ungenau vorhergesagt werden kann, was dazu führt, dass das Werkzeug typischerweise vor seinem maximalen Verschleißzustand gewechselt wird, weil nicht riskiert werden soll, dass ein noch nicht erwarteter Werkzeugbruch dennoch stattfindet und dabei das in der Regel teure Werkstück beschädigt wird und dadurch unbrauchbar wird.
-
Dies hat zur Folge, dass die kostspieligen Werkzeuge und/oder die kostspieligen Schneiden früher als nötig ausgetauscht werden, was insgesamt für die Bearbeitungskosten eines Werkstücks die Kosten unnötig erhöht.
-
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustandes eines Werkzeugs, insbesondere eines Werkzeugs auf Hartmetallbasis, zu schaffen, das eine detailliertere Betrachtung einzelner Verschleißarten erlaubt, so dass der Verschleißzustand eines Werkzeugs verbessert abgeschätzt werden kann. Auch ist es die Aufgabe, eine Vorrichtung zur verbesserten Bestimmung des Verschleißzustands eines Werkzeugs zu schaffen.
-
Die Aufgabe zu dem Verfahren wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs und/oder zumindest einer Schneide, insbesondere eines Werkzeugs, welches/welche zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks dient, wobei in einem Neuzustand oder in einem gebrauchten Zustand des Werkzeugs oder der zumindest einen Schneide an zumindest einem Opferwerkstück eine Testmessung mit einer Testbearbeitung durchgeführt wird, wobei mittels zumindest einer Messeinrichtung mit zumindest einem Sensor die Testbearbeitung überwacht wird und Messwerte der Testmessung in einem Speicher speicherbar sind, wobei nach einer definierten Bearbeitung von Werkstücken mittels des Werkzeugs oder mittels der zumindest einen Schneide zumindest eine weitere Testmessung mit einer Testbearbeitung an dem Opferwerkstück durchgeführt wird, welche ebenso von der Messeinrichtung mit dem zumindest einen Sensor überwacht wird und Messwerte der Testmessung speicherbar sind, wobei anhand der ermittelten Messwerte ein Verschleißzustand des Werkzeugs und/oder der zumindest einen Schneide bestimmt wird, wobei die Testbearbeitung eine spanabhebende Bearbeitung des Opferwerkstücks ist, wobei das Werkzeug in einer vordefinierten Vorschubrichtung in einer vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück verfahren wird, wobei der Sensor eine von dem Werkzeug auf das Opferwerkstück ausgeübte Kraft aufnimmt, wobei die Richtung der aufgenommenen Kraft in einem vordefinierten Winkel zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. So kann aus einem Vergleich von gespeicherten Messwerten von dem Neuzustand oder von einem gebrauchten Zustand mit Messwerten von einem aktuellen Zustand nach einer Bearbeitung von Werkstücken ein Verschleißzustand des Werkzeugs bestimmt werden. Die Verwendung einer Kraft in dem vordefinierten Winkel, insbesondere in einem Winkel von 90° zur Vorschubrichtung, bewirkt eine Sensierung des Einflusses der Schneide bzw. des Werkzeugs auf das Opferwerkstück, insbesondere möglichst frei von störenden Einflüssen. So kann grundsätzlich jedes Werkzeug als Ausgangszustand der Bestimmung des Verschleißzustandes herangezogen werden, egal ob es ein Werkzeug im Neuzustand ist oder ein Werkzeug in einem gebrauchten Zustand, welches weiter benutzt werden soll. Dabei wird der Winkel, insbesondere von 90° zur Vorschubrichtung, in einer Ebene gemessen, in welcher die Testbearbeitung vorgenommen wird, wobei der Winkel zur Vorschubrichtung bestimmt wird.
-
Dabei wird nach einer Testmessung und nach einer definierten Bearbeitung von Werkstücken mittels des Werkzeugs oder mittels der zumindest einen Schneide zumindest eine weitere Testmessung mit einer Testbearbeitung an dem Opferwerkstück durchgeführt werden. Dabei wird das Werkzeug für eine definierte Bearbeitung von Werkstücken benutzt, wobei eine definierte Bearbeitung nach einem definierten vorgenommenen Werkzeugvorschub in mm bzw. in m bei der Bearbeitung oder nach einem definierten abgetragenen Volumen in mm3 oder in m3 bestimmt wird.
-
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn die Testbearbeitung eine Fräsbearbeitung eines Opferwerkstücks mittels eines Werkzeugs als Fräswerkzeug ist, insbesondere mit einer Schneide oder mit einer Mehrzahl von Schneiden. Dadurch kann eine standardisierte Bearbeitung vorgenommen werden, die immer wieder gleich reproduziert werden kann, um den Einfluss des Verschleißes und des Verschleißzustands ermitteln zu können.
-
Auch ist es zweckmäßig, wenn das Werkzeug während der Testbearbeitung geradlinig in der vordefinierten Vorschubrichtung in der vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück verfahren wird. Damit wird aufgrund des geradlinigen Verlaufs ein störender Einfluss aufgrund von Richtungswechseln reduziert bzw. vermieden.
-
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Winkel im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. Bei einem solchen Winkel ist der störende Einfluss zweckfremder Einwirkungen reduziert, insbesondere bei einem Winkel von 90°.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sensor ein Kraft- oder Drucksensor ist, welcher derart angeordnet ist, dass auf ihn nur eine Kraft oder ein Druck wirkt, welche in einem Winkel im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. Damit kann eine Kraft in einer reproduzierbaren Richtung ermittelt und ausgewertet werden, was die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse und deren Messbedingungen erleichtert.
-
Die Messung der Kraft wird dabei hochaufgelöst aufgenommen, so dass für jede Schneide des Werkzeugs zumindest ein Kraftwert oder ein Kraftverlauf mit mehreren Kraftwerten zugeordnet werden kann. Bei einer Umdrehung des Werkzeugs werden daher für jede vorgesehene Schneide beispielsweise zumindest ein Kraftverlauf, insbesondere mit einem Maximum, gemessen. Aus dem Wert des Maximums des Kraftverlaufs kann dann der jeweiligen Schneide ein maximaler Kraftwert zugeordnet werden. Aus diesen Kraftwerten oder aus den maximalen Kraftwerten kann über eine oder über mehrere Umdrehungen des Werkzeugs ein Mittelwert ermittelt werden, welcher zur Ermittlung des Verschleißzustands herangezogen werden kann.
-
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Verschleißzustand unterschieden wird nach zumindest einem Verschleißzustand der nachfolgenden Verschleiß-/Versagensarten: Freiflächenverschleiß, Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder Schneidenbruch. Entsprechend wird der Verschleißzustand den wahrscheinlichsten Verschleiß-/Versagensarten spezifisch zugeordnet, so dass der weitere Verlauf des Verschleißes bei weiterer Benutzung des Werkzeugs besser abgeschätzt werden kann.
-
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Verschleißzustand bestimmt wird aus einem jeweiligen Verschleißzustand aus zumindest einem Freiflächenverschleiß, einem Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder einem Schneidenbruch. Entsprechend wird ein individueller Verschleißzustand gemäß der genannten Verschleißarten bzw. Versagensarten zusammengeführt, um einen allgemeinen Verschleißzustand zu ermitteln, welcher die betrachteten Verschleiß-/Versagensarten gesamthaft berücksichtigt.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Testmessung mit der Testbearbeitung für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart gesondert durchgeführt wird oder dass eine Testmessung mit einer Testbearbeitung oder mehrere Testmessungen mit jeweils einer Testbearbeitung durchgeführt werden und daraus eine Verschleiß-/Versagensart ermittelt wird. Entsprechend werden bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel einzelne oder verschiedene Testmessungen mit Testbearbeitungen an Opfermaterialien oder an unterschiedlichen Opfermaterialien zu unterschiedlichen Bearbeitungsparametern durchgeführt. Dabei sind die Bearbeitungsparameter der jeweiligen Testbearbeitung auf die zu detektierende Verschleiß-/Versagensart angepasst. So kann spezifisch auf die jeweilige Verschleiß-/Versagensart in ihrem Verhalten Rücksicht genommen werden.
-
Entsprechend wird die Testmessung mit der Testbearbeitung für eine oder für mehrere oder für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart an einem dafür vorgesehenen Opferwerkstück durchgeführt. So kann spezifisch auf die jeweilige Verschleiß-/Versagensart in ihrem Verhalten Rücksicht genommen werden.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Testmessung mit der Testbearbeitung für eine oder für mehrere oder für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart mit dafür jeweils vorgesehenen Bearbeitungsparametern durchgeführt wird. So kann spezifisch auf die jeweilige Verschleiß-/Versagensart in ihrem Verhalten Rücksicht genommen werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bestimmung des Verschleißzustands durch einen Vergleich von gespeicherten Messwerten und/oder gespeicherten bearbeiteten Messwerten von Testmessungen an zumindest einem Opferwerkstück oder an mehreren Opferwerkstücken erfolgt. Damit kann eine zuverlässige Bestimmung des Verschleißzustandes erfolgen.
-
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn bearbeitete Messwerte zeitliche erste Ableitungen und/oder zweite Ableitungen von Messwertverläufen aufweisen oder sind. So lassen sich auch geringe Abweichungen besser erkennen.
-
Vorteilhaft ist es auch, wenn aus dem ermittelten Verschleißzustand oder aus den ermittelten Verschleißzuständen eine Empfehlung für die weitere Nutzung oder den Austausch des Werkzeugs und/oder der Schneide und/oder der Schneiden erfolgt. Dabei kann die Empfehlung sein, dass die Bearbeitung unverändert durchgeführt wird, dass die Bearbeitung mit anderen Parametern durchgeführt wird oder dass die Bearbeitung beendet wird. Eine Bearbeitung mit veränderten Parametern kann beispielsweise eine Bearbeitung mit verringerter Vorschubgeschwindigkeit sein.
-
Die Aufgabe zu der Vorrichtung wird mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs und/oder zumindest einer Schneide, insbesondere eines Werkzeugs, welches/welche zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks dient, mit einem Werkzeug mit zumindest einer Schneide zur Bearbeitung eines Werkstücks, mit einer Messeinrichtung mit zumindest einem Sensor zur Überwachung einer Testmessung mit Testbearbeitung und mit zumindest einem Opferwerkstück zur Durchführung der Testmessung mit Testbearbeitung an dem Opferwerkstück, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn eine erste Aufnahme für das Opferwerkstück vorgesehen ist und eine zweite Aufnahme für den Sensor vorgesehen ist, wobei das Opferwerkstück derart mit dem Sensor gekoppelt ist, dass bei einer Testbearbeitung des Opferwerkstücks eine Kraft von dem Opferwerkstück auf den Sensor übertragbar ist. Dadurch wird eine einfache Anordnung geschaffen, welche eine reproduzierbare Aufnahme von Messwerten erlaubt, so dass vergleichbare Messwerte unter vergleichbaren Bedingungen aufgenommen werden können, so dass auch nur geringfügige Verschleißerscheinungen ermittelbar sind.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Grundkörper vorgesehen ist, welcher die zweite Aufnahme für den Sensor ausbildet, wobei ein Träger vorgesehen ist, welcher relativ zu dem Grundkörper in einer Richtung verlagerbar geführt ist, wobei der Träger die erste Aufnahme ausbildet und der Sensor zwischen der zweiten Aufnahme und dem Träger angeordnet ist und kraftbeaufschlagt wird. Dadurch wird erreicht, dass die Kraftwirkung auf den Sensor in der Richtung der Verlagerbarkeit des Trägers zum Grundkörper erfolgt, was ebenso der Reproduzierbarkeit exakter Bedingungen genügt.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Kraftspeicher vorgesehen ist, welcher den Träger hin zu dem Sensor vorspannt. Dadurch wird vermieden, dass undefinierte Zustände vermieden werden können und der Sensor zumindest eine Minimalkraft aufgrund der Vorspannung erfährt. Vorteilhaft ist auch, wenn die Vorspannung einstellbar ist, insbesondere mittels einer Einstellschraube oder Ähnliches.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Träger und dem Sensor ein Übertragungselement angeordnet ist, insbesondere ein Kugelelement als Übertragungselement. Dadurch wird die Kraftwirkung noch einmal in eine Richtung auf den Sensor konzentriert, so dass Störungen weitgehend ausgeschlossen werden können.
-
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch zweckmäßig, wenn ein Opferwerkstück vorgesehen ist, welches auf dem Träger angeordnet ist oder dass eine vordefinierte Anzahl von Opferwerkstücken vorgesehen ist, wobei die Opferwerkstücke auf dem Träger angeordnet sind. Dadurch kann die Bearbeitung des zumindest einen Opferwerkstücks auf dem Träger angeordnet erfolgen, so dass die zu beobachtende Kraft während des Bearbeitungsprozesses der Testbearbeitung von dem Sensor aufgenommen werden kann.
-
Auch ist es zweckmäßig, wenn das zumindest eine Opferwerkstück vorgesehen und bearbeitbar ist zur Bestimmung zumindest eines Verschleißzustandes oder mehrerer Verschleißzustände oder dass die einzelnen Opferwerkstücke jeweils zur Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einer spezifischen Verschleiß-/Versagensart vorgesehen und bearbeitbar sind. Dadurch ist eine einfache Überwachung des Werkzeugs bzw. der zumindest einen Schneide möglich, insbesondere auch hinsichtlich einzelner Verschleißzustände.
-
Vorteilhaft ist es, wenn eine vordefinierte Anzahl von Opferwerkstücken vorgesehen ist, wobei die einzelnen Opferwerkstücke jeweils zur Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einer spezifischen Verschleiß-/Versagensart bearbeitbar sind.
-
Auch ist es zweckmäßig, wenn mehrere Opferwerkstücke, insbesondere zwei oder drei Opferwerkstücke, aus unterschiedlichen Opfermaterialien vorgesehen sind für die Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einem Freiflächenverschleiß, einem Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder einem Schneidenbruch. Dabei kann auch ein kombiniertes Opferwerkstück vorgesehen sein, welches mehrere Opfermaterialien aufweist.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht unterstützend auch die Möglichkeit, eine Verschleiß-/Versagensartbestimmung durch eine zusätzliche optische Überprüfung, beispielsweise mittels eines Kamerasystems, zu unterstützen. Beispielsweise könnte es sein, dass die Zerspanungskräfte konstant bleiben, obwohl mit dem Werkzeug bereits ein hohes Zerspanungsvolumen geleistet wurde, was ausgehend davon eine Zunahme der Zerspanungskräfte erwarten lassen würde. Daher wird in dieser Betriebssituation des Werkzeugs erwartet, dass gleichzeitig eine Kolkbildung und ein Freiflächenverschleiß auftreten würde. Durch den erwarteten Freiflächenverschleiß sollten die Zerspanungskräfte ansteigen, wobei durch den erwarteten Kolkverschleiß die Zerspanungskräfte abnehmen sollten, was zu einem gegenläufigen Effekt bezüglich der Zerspanungskräfte führen würde, so dass im Extremfall sich kompensierender Zerspanungskraftverläufe zu einer gleichbleibenden Zerspanungskraft führen würde, obgleich sowohl der Flächenverschleiß als auch der Kolkverschleiß zunehmen würden.
-
In dieser Betriebssituation kann daher neben dem Freiflächenverschleiß auch ein Kolkverschleiß vorliegen, der den Spanwinkel verkleinert, wodurch die Zerspanungskräfte sinken würden, wobei dadurch die Gefahr eines Bruches des Werkzeugs deutlich vergrößert wird. Ein zusätzlicher Überprüfungsprozess des Werkzeugs mit optischen Mitteln, beispielsweise mit einer Kamera, könnte besseren Aufschluss über den aktuell vorliegenden Betriebszustand geben bzw. diesbezüglich unterstützen.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibungen und durch die Unteransprüche beschrieben.
-
Figurenliste
-
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Testbearbeitung,
- 4 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 5 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
-
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 mit einem Werkzeug 2 mit zumindest einer Schneide 3, insbesondere mit mehreren Schneiden 3, welche zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks 4 eingesetzt wird, insbesondere zum Fräsen des Werkstücks 4.
-
Dabei ist zumindest ein erster Antrieb 5 vorgesehen, um das Werkzeug 2 mit seiner zumindest einen Schneide 3 oder mit seinen mehreren Schneiden 3 in Rotation zu versetzen, um die für den Fräsvorgang benötigte Drehzahl des Werkzeugs 2 vorsehen zu können. Dabei ist die Drehzahl des Werkzeugs 2 mittels des ersten Antriebs 5 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Drehzahl nMax1.
-
Weiterhin ist zumindest ein erster Aktuator 6 vorgesehen, um das Werkzeug 2 mit seiner zumindest einen Schneide 3 oder mit seinen mehreren Schneiden 3 relativ zu dem Werkstück 4 verlagern zu können. Dabei ist es sinnvoll, wenn das Werkzeug 2 insbesondere um zumindest drei Achsen beweglich verschwenkbar und/oder verfahrbar ist. Dabei ist die Verschwenkgeschwindigkeit und/oder die Verfahrgeschwindigkeit mittels des zumindest einen ersten Aktuators 6 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Verschwenkgeschwindigkeit und/oder einer maximalen Verfahrgeschwindigkeit bzw. auch Schnittgeschwindigkeit oder Vorschubgeschwindigkeit genannt.
-
Das Werkzeug 2 wird dabei in einem Werkzeughalter austauschbar gehalten, welcher mittels des zumindest einen ersten Antriebs 5 und/oder des zumindest einen ersten Aktuators 6 drehantreibbar und/oder verschwenkbar und/oder verfahrbar ist, so dass das Werkzeug 2 entsprechend verdrehbar, verschwenkbar und/oder verfahrbar ist.
-
Das Werkstück 4 wird in einem Werkstückhalter 7 gehalten. Dabei kann das Werkstück 4 und/oder der Werkstückhalter 7 mit dem Werkstück 4 optional mittels eines zweiten Antriebs 8 drehantreibbar sein und/oder mittels zumindest eines zweiten Aktuators 9 verschwenkbar und/oder verfahrbar sein. Entsprechend kann optional zumindest ein zweiter Antrieb 8 vorgesehen sein, um das Werkstück 4 in Rotation versetzen zu können. Dabei ist die Drehzahl des Werkstücks 4 mittels des zweiten Antriebs 8 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Drehzahl nMax2.
-
Weiterhin kann auch optional zumindest ein zweiter Aktuator 9 vorgesehen sein, um das Werkstück 4 relativ zu dem Werkzeug 2 verlagern zu können. Dabei ist es sinnvoll, wenn das Werkstück 4 zumindest um drei Achsen beweglich verschwenkbar und/oder verfahrbar ist. Dabei ist die Verschwenkgeschwindigkeit und/oder die Verfahrgeschwindigkeit mittels des zumindest einen zweiten Aktuators 8 steuerbar, insbesondere zwischen Null und einer maximalen Verschwenkgeschwindigkeit und/oder Verfahrgeschwindigkeit.
-
Weiterhin ist eine Haltevorrichtung 10 vorgesehen, mittels welcher ein Opferwerkstück 11 gehalten werden kann. Das Opferwerkstück 11 dient dazu, dass das Werkzeug 2 mit der zumindest einen Schneide 3 das Opferwerkstück 11 bearbeitet, um diese Testbearbeitung mittels Sensoren 12 zu überwachen. Die Daten der Sensoren 12 bezüglich der Testbearbeitung werden beispielsweise in einem Speicher 13 einer die Steuerung übernehmenden Steuereinheit 14 gespeichert und mit weiteren Testmessungen verglichen, um einen Verschleißzustand des Werkzeugs 2 und/oder der zumindest einen Schneide 3 oder der Schneiden 3 zu bestimmen.
-
Der Verschleißzustand eines Werkzeugs 2 oder einer Schneide 3 oder der Schneiden 3 wird beispielsweise im direkten Vergleich zum Neuzustand des Werkzeugs 2, der Schneide 3 oder der Schneiden 3 ermittelt. Dabei kann der Verschleißzustand jeweils in Bezug zur spezifischen Verschleiß-/Versagensart bestimmt werden.
-
Daher werden zur Feststellung des Neuzustands des Werkzeugs 2 und/oder der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 als Ausgangszustand für die spätere Bestimmung des Verschleißzustands testweise Bearbeitungsschritte als Testfräsungen an dem Opferwerkstück 11 durchgeführt. Die dabei mittels des oder der Sensoren 12 ermittelten Messwerte physikalischer Größen dieses Neuzustandes werden als Referenzmuster für den Neuzustand gespeichert.
-
Zu einem späteren Zeitpunkt wird oder werden nach Bearbeitungen von Werkstücken erneut eine Testmessung oder Testmessungen durchgeführt, die an dem Opferwerkstück 11 durchgeführt wird oder werden. Bei diesen erneuten Testmessungen werden wieder Messwerte durch den Sensor 12 oder die Sensoren 12 aufgenommen, um sie mit den Messwerten des Neuzustandes zu vergleichen. Dabei wird bei den Messwerten explizit nicht nur auf die Absolutwerte der Messwerte bei der Auswertung geachtet, sondern es kann auch der zeitliche Verlauf der Messwerte berücksichtigt werden. Dabei kann sowohl der Absolutwert von Messewerten und/oder der zeitliche Verlauf von Messwerten zur Auswertung herangezogen werden. So kann beispielsweise eine Entwicklung und/oder eine sich anbahnende Versagenswahrscheinlichkeit ermittelt werden bzw. darauf geschlossen werden.
-
Bei wiederholten Testmessungen am Opferwerkstück 11 werden entsprechend wiederholt Messwerte genommen, die der jeweiligen Testmessung zugeordnet werden. Solche Testmessungen können in regelmäßigen und/oder in unregelmäßigen Abständen und/oder ereignisabhängig aufgenommen werden, um den jeweiligen Verschleißzustand des Werkzeugs 2 und/oder der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 zum Zeitpunkt der Testmessung zu bestimmen.
-
Dabei wird, wie oben ausgeführt, ein Vergleich zwischen den Messwerten der entsprechenden Testmessung mit den Messwerten der Testmessung im Neuzustand durchgeführt. So kann ein Verschleißzustand ermittelt werden. Dabei kann auch eine zeitliche Entwicklung von Verschleißzuständen ermittelt werden, wenn Daten von verschiedenen Testmessungen ausgewertet werden. Vorteilhaft kann optional auch ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Testmessungen untereinander durchgeführt werden, um eine Entwicklung von Verschleißzuständen zu erkennen.
-
Entsprechend kann eine Testmessung im Neuzustand mit Testmessungen zu einem aktuellen Verschleißzustand durchgeführt werden, wobei diese Testmessungen entsprechend mit einem Werkzeug durchgeführt werden, welches sich im aktuellen Einsatz bei der Bearbeitung von Werkstücken 4 befindet. Dabei ist neben dem tatsächlichen Wert des Verschleißzustands auch der Werteverlauf in Abhängigkeit der Einsatzdauer des Werkzeugs vorteilhaft, um eine qualifizierte Aussage über den Verschleißzustand des Werkzeugs 2, der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 ableiten zu können. Für die Bestimmung des Verschleißzustands bezüglich der jeweiligen betrachteten einzelnen Verschleiß-/Versagensarten werden spezifische Werkstoffe und/oder spezifische Prozessparameter und/oder spezifische Fräsverfahren eingesetzt, bei welchen die Messwerte an dem Opferwerkstück 11 aufgenommen werden.
-
Die spezifischen Fräsverfahren können bei einer definierten Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, bei einem Gegenlauf-/Mitlauffräsen und/oder Gegen-/Gleichlauffräsen eingesetzt werden, um den jeweiligen spezifischen Verschleißzustand zu bestimmen.
-
Es zeigt sich, dass die als Opferwerkstück 11 eingesetzten Werkstoffe und die bei den Testmessungen verwendeten Prozessparameter und/oder Fräsverfahren für die optimale Bestimmung des jeweiligen Verschleißzustandes bezüglich der betrachteten Verschleiß-/Versagensart unterschiedlich ausfallen können, so dass es vorteilhaft ist, wenn je nach betrachteter Verschleiß-/Versagensart ein unterschiedliches oder angepasstes Opferwerkstück 11 verwendet wird und unterschiedliche oder angepasste Prozessparameter und/oder Fräsverfahren eingesetzt werden.
-
Vorteilhaft ist es daher, wenn für das erfindungsgemäße Verfahren optional ein Verfahren zu Bestimmung eines Verschleißzustandes definiert wird, bei welchem beim Einsatz eines neuen Werkzeugs 2 als Zerspanungswerkzeug für jede betrachtete Verschleiß-/Versagensart eine entsprechende Messung als Referenzschnitt durchgeführt wird. Werden beispielsweise drei Verschleiß-/Versagensarten betrachtet, so werden drei Testmessungen im Neuzustand als Referenzschnitte, jeweils einen Referenzschnitt für jede mögliche betrachtete Versagensart, mit jeweils spezifischen Parametern und/oder spezifischem Fräsverfahren an jeweils einem spezifischen Opferwerkstück 11 durchgeführt.
-
Dabei werden jeweils Messwerte mittels zumindest eines Sensors 12 aufgenommen, wobei insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Messwerts während der Testmessung aufgenommen wird und somit die absoluten Werte der Messwerte ermittelt werden. Dazu kann optional auch zusätzlich oder alternativ die zeitliche Veränderung des Verlaufs des Messwerts, die erste Ableitung als Funktion der Zeit ermittelt werden und/oder auch die zweite Ableitung des Messwerts als Funktion der Zeit ermittelt werden.
-
In vordefinierten Abständen, wie beispielsweise in vordefinierten zeitlichen Abständen und/oder ereignisabhängig, können Testmessungen bei Bearbeitungen, wie bei Fräsungen, an den einzelnen verfügbaren Opfermaterialien mit den jeweils festgelegten Rahmenbedingungen, wie bei der ersten Testmessung im Neuzustand, aufgenommen, verglichen und den Verlauf oder die Verläufe der Messwerte im Sinne einer Historie ermittelt bzw. fortgeschrieben werden.
-
Die Testmessungen, auch als Referenzschnitte bezeichnet, werden dabei je nach den betrachteten Verschleiß-/Versagensarten jeweils an spezifischen Opfermaterialien durchgeführt.
-
Die eingesetzten Opfermaterialien können dabei auf der gleichen Messeinrichtung mit den vorgesehenen Sensoren 12 angeordnet sein, sofern vergleichbare Signale/physikalische Größen zur Ermittlung des spezifischen Verschleißzustandes herangezogen werden. Werden mehrere unterschiedliche Signale/physikalische Größen benötigt, so können auch mehrere Messeinrichtungen mit entsprechenden Sensoren 12 eingesetzt werden.
-
Vorteilhaft wäre dabei auch eine multifunktionale Messeinrichtung mit verschiedenen Sensoren 12 zur Ermittlung von unterschiedlichen Signalen/physikalischen Größen, welche zur Bestimmung des Verschleißzustandes herangezogen werden.
-
Über eine vorgesehene Auswerteeinheit 15, welche beispielsweise als die Steuereinheit 14 ausgebildet sein kann oder welche auch als separate Auswerteeinheit 15 vorgesehen sein kann, ist es möglich, anhand der ermittelten Messwerte und deren zeitlichen Verläufe, erste Ableitungen und/oder zweite Ableitungen als Werte und/oder deren zeitliche Verläufe den jeweiligen Werkzeugzustand bzw. Verschleißzustand in Abhängigkeit der spezifischen Verschleiß-/Versagensart und/oder der spezifischen Versagenswahrscheinlichkeit zu erkennen.
-
Ebenso kann der Gesamtzustand des Werkzeugs sowie die Ausfallwahrscheinlichkeit durch definierte Algorithmen erkannt werden. Hierzu werden die unterschiedlichen Messwerte und/oder Verschleißzustände pro Verschleiß-/Versagensart miteinander verarbeitet und in Abhängigkeit des Gesamtergebnisses dieser Verarbeitung kann basierend auf den Einzelergebnissen pro Verschleiß-/Versagensart eine Empfehlung für die Restnutzung und/oder weitere Nutzung des Werkzeugs, der Schneide 3 und/oder der Schneiden 3 ausgegeben werden.
-
So kann beispielsweise eine Empfehlung gegeben werden, nach welcher die Schnittgeschwindigkeit zu reduzieren wäre, der Vorschub zu erhöhen wäre oder ein sofortiger Werkzeugwechsel oder Schneidenwechsel durchzuführen wäre.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die vorgesehene Messeinrichtung mit dem zumindest einen Sensor 12 mit den aufgespannten Opfermaterialien für jede Verschleiß-/Versagensart einzeln ausgeführt wird. Dabei können die Messeinrichtungen auch eine gerätetechnische Einheit ausbilden.
-
Alternativ kann die Messeinrichtung mit den angeordneten oder aufgespannten Opfermaterialien auch als multifunktionales Element ausgeführt sein und eine gerätetechnische Einheit ausbilden.
-
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es optional auch vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung mit dem angeordneten bzw. aufgespannten Opfermaterial oder mit den angeordneten oder aufgespannten Opfermaterialien als eigenständige, insbesondere vormontierbare, Einheit in einem Bearbeitungsraum einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken, wie beispielsweise einer Werkzeugmaschine, angeordnet werden kann.
-
Beispielsweise kann die Messeinrichtung auf einen Maschinentisch der Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken angeordnet werden oder in den Maschinentisch integriert sein.
-
Vorteilhaft ist es bei einem Ausführungsbeispiel, wenn die Sensoren für die Funktion des Messens der Signale und/oder physikalischen Größen bei der testweisen Bearbeitung des Opferwerkstücks 11 aus dem Opfermaterial, also die Messeinrichtung, und das Aufspannen des Opferwerkstücks 11 oder der Opferwerkstücke 11 aus dem Opfermaterial oder aus den Opfermaterialien in einer Anordnung oder in zwei getrennten Anordnungen bzw. Einheiten untergebracht sind. Die Messeinrichtung kann beispielsweise zwischen dem Werkzeug und einer Antriebseinheit, wie Antriebsspindel, angeordnet sein.
-
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann durch die Verwendung zumindest eines Sensors 12 ein Werkzeug 2 mit zumindest einer Schneide 3 identifiziert werden und es kann der Verschleißzustand bzw. die Verschleißzustände je Verschleißart individuell abgespeichert werden, was insbesondere bei nur temporär genutzten Werkzeugen 2 vorteilhaft ist.
-
Der Sensor 12 könnte alternativ oder zusätzlich auch im Antriebstrang angeordnet werden, insbesondere zwischen dem Antrieb 5 und dem Aktuator 6.
-
Das erfindungsgemäße Werkzeug 2 ist insbesondere ein mehrschneidiges Fräswerkzeug, wobei die Schneiden 3 auf einer Hartmetallbasis beruhen.
-
Vorteilhaft ist das Werkzeug und/oder sind die Schneiden austauschbar ausgebildet.
-
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Werkzeuge hochpositive Werkzeuge sind. Dabei bedeutet die Verwendung von hochpositiven Werkzeugen die Nutzung von Werkzeugen mit abnehmendem Spanwinkel bzw. mit verkleinertem Spanwinkel gegenüber üblichen Werkzeugen mit üblichen Spanwinkeln. Die Entwicklung zu hochpositiven Werkzeugen, also mit abnehmendem Spanwinkel, bedeutet, dass unterschiedliche Vorteile beim Zerspanen unter der Nutzung von hochpositiven Werkzeugen genutzt werden können. Diese Vorteile sind vor allem deutlich reduzierte Zerspanungskräfte. Durch den geringeren Zerspanungswiderstand infolge des reduzierten Winkels wird auch ein geringerer Energieumsatz beim Zerspanen erzeugt, der eine deutlich reduzierte Wärmeaufnahme am zu zerspanenden Werkstück und auch am Werkzeug zur Folge hat. Dadurch ist als Folge die Wärmeausdehnung geringer und die Genauigkeit des Verfahrens nimmt zu. Bei Schruppprozessen kann daher bei vergleichbarer Wärmeaufnahme am Werkstück mit einem deutlich höheren Zerspanungsvolumen pro Zeiteinheit gerechnet werden. Ebenso wird weniger Antriebsenergie in vorteilhafter Weise benötigt.
-
Die geschilderten Vorteile von hochpositiven Werkzeugen werden allerdings mit einer stärkeren Neigung der hochpositiven Werkzeuge zum Werkzeugbruch erkauft. Durch den verkleinerten Spanwinkel steigt die Versagenswahrscheinlichkeit speziell bei stoßartiger Belastung, speziell zum Ende der Standzeit, stark an.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs bietet daher die Möglichkeit, die Verwendung insbesondere auch von hochpositiven Werkzeugen besser zu überwachen und deren Verschleiß bzw. Versagen vor einem eintretenden Schaden am Werkstück vorherzusagen bzw. abzuschätzen. Dies hat den Vorteil, dass die Marktdurchdringung von hochpositiven Werkzeugen mit den genannten Vorteilen beschleunigt werden kann.
-
Die möglichen betrachteten Versagensarten bzw. Verschleißarten sind beispielsweise der Schneidkantenbruch, der Freiflächenverschleiß, der Kolkverschleiß, die Aufbauschneidenbildung und/oder die Rissbildung. Diese Verschleiß- bzw. Versagensarten werden im Nachfolgenden näher betrachtet.
-
Schneidenbruch:
-
Ein Schneidenbruch tritt auf, wenn das Werkzeug unter einer zu hohen mechanischen Belastung steht. Diese Verschleißart kann auch als Folge anderer Verschleißarten auftreten. Kolkverschleiß, Aufbauschneidenbildung, ein hoher Freiflächenverschleiß und/oder andere prozessbeeinflussende Elemente, wie beispielsweise Vibrationen oder falsch gewählte Schnittparameter, können zu einem Schneidenbruch führen. Außerdem kann eine Inhomogenität des Hartmetalls zu lokalen Ausbrüchen führen. Zum Beispiel kann es bei abrasiven Werkstoffen durch einen zu geringen Co-Gehalt im Hartmetall zu Ausbrüchen an der Schneidkante der Schneide kommen.
-
Um einen Schneidenbruch zu vermeiden, sollte eine angemessene Gegenmaßnahme ergriffen werden. Ein Werkzeug, beispielsweise eine Wendeschneidplatte, mit einer definierten Schneidgeometrie kann nicht für alle Materialien gleich gut eingesetzt werden. Der Schneidenbruch ist das Resultat einer zu stark belastenden Schneide und kann bei allen folgenden Verschleißsorten als letzte Instanz gesehen werden. Der Schneidenbruch ist bei allen Bearbeitungen zu vermeiden. Dafür sind die Schnittparameter maßgebend. Diese sollten bei einsetzendem Verschleiß rechtzeitig angepasst werden.
-
Zur Durchführung der Testmessung an einem Opfermaterial als Opferwerkstück kommt ein spröder Werkstoff mit guter Übertragung des Körperschalls in Frage. Dabei kann beispielhaft ein Gleichlauffräsen vorgenommen werden, was eine ausgeprägte Signalspitze beim Eintritt der Fräserschneide in das Werkstück erzeugt. Es können normale Vorschubwerte und für das Opfermaterial spezifische Schnittgeschwindigkeiten genutzt werden. Zur Sensierung kann beispielsweise eine Körperschallmessung, also eine Schwingungsmessung und/oder eine Körperschallmessung in Kombination mit einer Kraftmessung und/oder auch in Kombination mit einer optischen Überwachung, beispielsweise mittels eines Kamerasystems, durchgeführt werden.
-
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit AlSi2 geprüft werden.
-
Freiflächenverschleiß:
- Der Freiflächenverschleiß ist eine der häufigsten Verschleißarten in der Zerspanung. Diese Verschleißart tritt meist bei zu geringem tatsächlichem Freiwinkel, bei abrasiven Werkstoffen oder bei zu hoch gewählter Schnittgeschwindigkeit auf. Freiflächenverschleiß kommt sehr häufig beim Schlichten vor, da beim Schlichten die Schnittgeschwindigkeit hoch und der Vorschub gering ist. Durch die hohe Schnittgeschwindigkeit erhöht sich die Temperatur und dadurch lösen sich Mikropartikel des Hartmetalls im Schneidstoff. Zudem erhöht sich die Reibung zwischen Schneide und Werkstoff, da sich das Werkzeug durch die niedrige Vorschubgeschwindigkeit eine längere Zeit im Eingriff befindet.
-
Lösung und Beispiel ist die Verringerung der Schnittgeschwindigkeit. Beim Zerspanen des Materials GGG60 oder GGG70 ist ein frühzeitiger Freiflächenverschleiß erkennbar. Um diesem Freiflächenverschleiß entgegenzuwirken, wird beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit reduziert. Dabei kann beispielsweise die Schnittgeschwindigkeit von 240 m/min auf 210 m/min reduziert werden. Durch diese Optimierung kann die Standzeit um 25% gesteigert werden.
-
Als Opfermaterial kommt ein duktiler/weicher Werkstoff als Opferwerkstoff in Frage, eventuell auch ein Kunststoffverbundwerkstoff. Dabei kann ein Gegenlaufverfahren, beispielsweise mit einem sanften Eintritt mit Zunahme der Spandicke und der Zerspankräfte vorgenommen werden. Bei zunehmendem Freiflächenverschleiß neigt das Material zum „Wegschmieren“.
-
Die Grenze kann mit weichem Material deutlich besser detektiert werden. Dabei können sehr geringe Vorschubwerte genutzt werden. Eine geringe Schnittgeschwindigkeit und eventuell auch das Durchfahren einer Geschwindigkeitsskala kann genutzt werden. Es kann eine Kraftmessung durchgeführt werden.
-
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit GGG60 oder GGG70 geprüft werden.
-
Kolkverschleiß:
-
Kolkverschleiß ist eine thermische Diffusion, die durch mechanischen Abrieb zwischen Werkstück und dem Werkzeug auf der Spanfläche auftritt. Diese Verschleißart ist ein Anzeichen für eine zu hoch gewählte Schnittgeschwindigkeit eines ungünstigen Schneidstoffs und/oder einer unzureichenden Kühlung und Schmierung während des Zerspanprozesses.
-
Durch Optimierung der Werkzeugkühlung und Verringerung der Schnittgeschwindigkeit kann der Kolkverschleiß meist reduziert oder vermieden werden. Die Bearbeitung eines Flanschs aus dem Material Stahl 1.4301 mit einer gewählten Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min erzeugt einen frühzeitigen Kolkverschleiß. Die Zugabe von Kühlschmierstoff und die Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit auf 120 m/min eliminiert den Kolkverschleiß und steigerte die Standzeit um 30%.
-
Es kann ein zäher Werkstoff als Opfermaterial eingesetzt werden. Es kann ein Gegenlaufverfahren eingesetzt werden, beispielsweise mit einem sanften Eintritt mit Zunahme der Spandicke und der Zerspankräfte. Dabei können normale Vorschubwerte eingesetzt werde. Es können spezifische Schnittgeschwindigkeiten je nach Opfermaterial eingesetzt werden. Es kann eine Kraftmessung oder optional eine Kraftmessung in Kombination mit einer optischen Überwachung eingesetzt werden.
-
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit Stahl 1.4301 oder 1.2738 geprüft werden.
-
Aufbauschneidenbildung:
- Eine zu geringe Schnittgeschwindigkeit oder ein zu geringer Zahnvorschub kann zu einer Aufbauschneide führen. Hierbei kommt es zu Materialaufklebungen auf der Spanfläche des Werkzeugs. Vor allem bei zähen Materialien, wie bei rostfreien Stählen, Aluminium und Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, kann es zu der Aufbauschneidenbildung kommen.
-
Der Aufbauschneidenbildung kann mit Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit und präziserer Kühlschmierstoffzuführung entgegengewirkt werden. Die Schruppbearbeitung eines Schmiedegesenks aus Stahl 1.2738 brachte folgendes Problem zum Vorschein. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min kam es nach kurzer Einsatzzeit zu erheblichen Materialaufklebungen auf der Spanfläche des Werkzeugs, also einer Wendeschneidplatte. Dies führte nach ca. 66 m Standweg pro Schneide zu einem unvorhersehbaren Schneidkantenbruch. Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit auf 210 m/min brachte einen um 15% gestiegenen Standweg. Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit Stahl 1.4301 oder 1.2738 geprüft werden.
-
Als Opfermaterial kann ein zäher Werkstoff im Gegenlaufverfahren oder im Gleichlaufverfahren eingesetzt werden. Es können normale Vorschubwerte eingesetzt werden, beispielsweise für das Opfermaterial spezifische normale Schnittgeschwindigkeiten. Es kann eine Kraftmessung oder optional eine Kraftmessung in Kombination mit einer optischen Überwachung eingesetzt werden.
-
Rissbildung:
- Dabei wird die Rissbildung des Werkzeugs während der Zerspanung betrachtet.
-
Je härter das Hartmetall des Werkzeugs ist, desto geringer ist die Zähigkeit des Materials des Werkzeugs. Eine Rissbildung ist wegen der hohen dynamischen und thermischen Belastungen an der Hartmetallschneidkante sehr häufig. Das Verhalten einer Rissbildung im Hartmetall ist nur schwer vorherzusehen. Eine Rissausbreitung kann sehr schnell das Werkzeug, beispielsweise eine Wendeschneidplatte, zum Versagen bringen, so dass das Werkzeug nicht mehr weiterverwendet werden kann.
-
Ein Riss in einem Werkzeug neigt dazu, sich auf der Freifläche auszuweiten. Nach dem Risswachstum ist weder die Schneidkante noch die Anlagefläche funktionsfähig. Die Aufbauschneidenbildung ist eine der üblichsten Ursachen für eine Rissbildung während des Zerspanprozesses. Die angeklebten Späne an der Schneidkante nehmen die Zerspankräfte auf und speichern gleichzeitig die hohe Wärme in sich. Entsprechend verursachen sie die Ausbröckelungen an der Schneidkante. Die Späne dringen in die Rissspalten ein und erzeugen unbestimmte Spannungen, die den Verlauf der Rissbildung weiter beeinflussen. Starke Temperaturwechsel und das ständige Ein- und Ausschneiden beim Fräsen haben eine so genannte Kammrissbildung an der Schneidkante zur Folge.
-
Um Riss- und Kammrissbildung entgegenzuwirken, können folgende Maßnahmen ergriffen werden: Bei Rissbildung wegen hohen mechanischen Belastungen sollte der Zahnvorschub verringert werden, damit die Dauerfestigkeit des Schneidstoffes gegeben bleibt. Bei Rissbildung wegen Aufbauschneiden sind die Gegenmaßnahmen für Vermeidung von Aufbauschneiden anzuwenden, siehe oben bei dem Thema Aufbauschneidenbildung. Bei Kammrissbildung können Maßnahmen gegen Temperaturschwankungen ergriffen werden. Trockenbearbeitung oder ausreichende Kühlschmierstoffzuführung sowie eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit können Abhilfe schaffen.
-
Bei Planfräsen eines Schmiedegesenks aus dem Material 1.2738 kam es bei einer Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min zur deutlichen Aufbauschneidenbildung. Dies hatte ein Standzeitende durch Schneidkantenbruch bei 66 m/Schneide zur Folge. Um einen Schneidkantenbruch zu vermeiden, ist die Schnittgeschwindigkeit auf 240 m/min erhöht worden. Diese Maßnahme verlängerte den Standweg auf 74 m/Schneide. Der daraus resultierende Temperaturanstieg im Fräsprozess definierte das neue Standzeitende durch Kolkverschleiß.
-
Zielführend war letztlich eine mittlere Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min. Das neue Standzeitende konnte auf 81 m/Schneide durch einen prozesssicheren Freiflächenverschleiß angehoben werden.
-
Es kann als Opfermaterial ein spröder Werkstoff mit guter Übertragung des Körperschalls genutzt werden. Es kann ein Gegenlauffräsen eingesetzt werden. Insbesondere können geringe Vorschubwerte eingesetzt werden, die für das gewählte Opfermaterial spezifisch sind. Es kann eine Körperschallmessung, wie eine Schwingungsmessung, durchgeführt werden.
-
Dies kann beispielsweise an einem Opferwerkstück aus einem Opfermaterial mit Stahl 1.4301 oder 1.2738 geprüft werden.
-
Zur Durchführung des Verfahrens zur Analyse verschiedener Versagensarten oder Verschleißarten des Werkzeugs hat es sich daher beispielhaft als vorteilhaft erwiesen, wenn als Opferwerkstück Materialien mit Stahl 1.4301 oder Stahl 1.2738, GGG60 oder GGG70 und AlSi2 oder ähnliche Materialien als Opfermaterialien eingesetzt werden.
-
Entsprechend kann zur Analyse der entsprechenden Verschleiß- oder Versagensart eine Testbearbeitung an den entsprechenden Opfermaterialien unter den angegebenen Verfahrensbedingungen durchgeführt werden.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel insbesondere vor, dass die Testbearbeitung eine spanabhebende Bearbeitung des Opferwerkstücks ist, wobei das Werkzeug in einer vordefinierten Vorschubrichtung in einer vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück verfahren wird, wobei der Sensor eine von dem Werkzeug auf das Opferwerkstück ausgeübte Kraft aufnimmt, wobei die Richtung der aufgenommenen Kraft in einem vordefinierten Winkel zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist.
-
Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgenäßen Vorrichtung zur Durchführung einer Testbearbeitung und einer Testmessung.
-
Dabei kann als Testbearbeitung eine Fräsbearbeitung eines Opferwerkstücks mittels eines Werkzeugs als Fräswerkzeug durchgeführt werden, insbesondere mit einer Schneide oder mit einer Mehrzahl von Schneiden.
-
Die 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung eines Verschleißzustands eines Werkzeugs 2 und/oder zumindest einer Schneide 3, insbesondere eines Werkzeugs 2 gemäß 1, wobei eine Haltevorrichtung 10 vorgesehen ist mit einer ersten Aufnahme 20 für zumindest ein Opferwerkstück 21. Dabei sind in 2 verschiedene Opferwerkstücke 21 schematisch angedeutet, die abgestuft aufeinander angeordnet sind. Auch kann eine anderweitige Anordnung vorgesehen sein, beispielsweise auch nur ein Opferwerkstück 21.
-
Weiterhin ist eine zweite Aufnahme 22 für den Sensor 12 vorgesehen, an welcher der Sensor 12 angeordnet ist. Dabei ist das zumindest eine Opferwerkstück 21 derart mit dem Sensor 12 gekoppelt, dass bei einer Testbearbeitung des Opferwerkstücks 21 eine Kraft von dem Opferwerkstück 21 auf den Sensor 12 übertragbar ist.
-
Dazu weist die Haltevorrichtung 10 einen Grundkörper 23 auf, welcher beispielsweise an einem Maschinentisch 24 der Bearbeitungsmaschine, wie beispielsweise der Fräsmaschine, angeordnet ist.
-
Der Grundkörper 23 bildet die zweite Aufnahme 22 für den Sensor 12 aus.
-
Weiterhin ist ein Träger 25 vorgesehen, welcher relativ zu dem Grundkörper 23 in einer Richtung verlagerbar geführt ist. Der Träger 25 bildet die erste Aufnahme 20 für das Opferwerkstück 21 aus.
-
Der Sensor 12 ist zwischen der zweiten Aufnahme 22 und dem Träger 25 angeordnet und wird von dem Träger 25 kraftbeaufschlagt.
-
Optional ist ein Kraftspeicher 26, wie ein Federelement, vorgesehen, welcher sich einerseits an dem Grundkörper 23 und andererseits an dem Träger 25 abstützt. Dadurch wird eine Kraftbeaufschlagung des Trägers 25 gegen den Sensor 12 beaufschlagt. So wird der Sensor 12 vorgespannt und in einen definierten Zustand versetzt. Dabei stützt sich der Kraftspeicher 26 an dem Grundkörper 23 vorteilhaft an einer Anlagefläche einer Einstellschraube 27 ab, so dass die Vorspannung des Kraftspeichers 26 einstellbar ist.
-
Auch ist es bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass zwischen dem Träger 25 und dem Sensor 12 ein Übertragungselement 28 angeordnet ist, um die Einleitung der Kraft auf den Sensor in seiner Richtung ausrichten und/oder definieren zu können. Vorteilhaft ist dabei, dass dadurch erreicht werden kann, dass mit einer beispielsweisen Punktberührung aufgrund des kugelförmigen Übertragungselements 28 nur Druckkräfte in der Normalenrichtung übertragen werden können, so dass Störeinflüsse reduziert werden können.
-
Der Träger 25 ist mittels einer Führung 29 in dem Grundkörper 23 derart geführt, dass der Träger 25 relativ zum Grundkörper 23 in einer definierten Richtung verlagerbar gelagert ist. Dazu weist der Grundkörper 23 zumindest eine Führungssäule 30 auf, welche durch eine Führungsbuchse 31 geführt ist, so dass der Träger 25 nur in Längsrichtung der Führungssäule 30 verlagerbar ist.
-
Auf dem Träger 25 ist zumindest ein Opferwerkstück 21 vorgesehen, welches auf dem Träger 25 befestigt angeordnet ist. Alternativ ist eine vordefinierte Anzahl von Opferwerkstücken 21 vorgesehen. Beispielsweise ist ein Opferwerkstück 21 vorgesehen oder es sind zwei oder drei Opferwerkstücke 21 aus unterschiedlichen Opfermaterialien vorgesehen für die Bestimmung eines Verschleißzustandes gemäß einem Freiflächenverschleiß, einem Kolkverschleiß, Aufbauschneide, Rissbildung und/oder einem Schneidenbruch.
-
Zu dem Verfahren wird das Werkzeug 2 während der Testbearbeitung geradlinig in der vordefinierten Vorschubrichtung 33 in der vordefinierten Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem Opferwerkstück 21 verfahren. Dabei wird die Kraft in einer Kraftrichtung 34, welche der Sensor 12 detektiert, in einem definierten Winkel α zur Vorschubrichtung 32 gemessen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Winkel α im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, wie 90°, zur Vorschubrichtung 32 ausgerichtet ist, siehe 2.
-
Der Sensor 12 ist ein Kraft- oder Drucksensor, welcher derart angeordnet ist, dass auf ihn nur eine Kraft wirkt, deren Kraftrichtung 34 in einem Winkel α im Bereich von 60° bis 120°, insbesondere etwa 90°, zur Vorschubrichtung 32 ausgerichtet ist.
-
Bei einer Testbearbeitung erfolgt ein Fräsen des Opferwerkstücks 21 entlang der Vorschubrichtung 32 des Werkzeugs 2 mit der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 2 mittels des Werkzeugs 2, insbesondere in einer geradlinigen Richtung. Die detektierte Kraft steht mit ihrer Kraftrichtung 34 auf der Vorschubrichtung 32 im Wesentlichen senkrecht. Dadurch können Störeinflüsse reduziert werden.
-
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann für die unterschiedlichen Werkzeuge 2, wie unterschiedliche Fräsertypen, eine spezifische „Werkzeug/Opfermaterial Referenzkurve“ erzeugt werden, siehe 4. Diese Referenzkurve gemäß 4 kann dadurch erzeugt werden, dass mit einem neuen Werkzeug 2 die Kräfte Fy am definierten Opferwerkstück 21 gemessen werden. Dabei werden sowohl der Kraftverlauf als Funktion der Zeit, wie auch die Spitzenwerte der auftretenden Kräfte je Schneide 3 ermittelt, siehe 5. In 5 ist ein beispielsweiser Verlauf der Kraft Fy als Funktion der Zeit während einer Testbearbeitung dargestellt.
-
Nach der Testmessung mit diesem neuen Werkzeug 2 an einem Opferwerkstück 21 wird im weiteren Verlauf der Nutzung des Werkzeugs 2 an üblichen Werkstücken das Werkzeug 2 an einem zu zerspanenden Werkstück eingesetzt und damit abgenutzt.
-
In einem sich wiederholenden Prozess, wie beispielsweise einem iterativen Prozess, werden mittels weiterer Testbearbeitungen nach definierten Nutzungszeiten des Werkzeugs 2 weitere Stützpunkte der Referenzkurve der 4 generiert, in dem in zu definierenden Abständen am Opferwerkstück 21 unter optional gleichen Prozessbedingungen Späne abgetragen und die sich ergebenden Kräfte/Kraftverläufe Fy gemessen werden.
-
Durch die Aneinanderreihung der Kraftwerte der einzelnen Messungen lässt sich die Referenzkurve der 4 in Abhängigkeit des Abnutzungsgrades der Schneiden 3 bzw. des Werkzeugs 2 bestimmen.
-
Der Abnutzungsgrad sowie die zulässigen Grenzen der Abnutzung des Werkzeugs oder der Schneiden 3 werden visuell definiert. Der Kraftwert, der bei der gerade noch zulässigen Abnutzung vorliegt, wird als Grenzwert hinterlegt und kann später als „Abschalt-ZWarnpunkt“ hinterlegt werden.
-
Zur Testbearbeitung kann neben der Erfassung der auftretenden Kraft Fy bei definierten Schnittparametern auch der Schnittkraftverlauf gemäß 5 ermittelt und aufgezeichnet werden. Dieser Verlauf entspricht einem „so zusagen genetischen“ Fingerabdruck des eingesetzten Werkzeugs 2, wie beispielsweise Fräswerkzeugs, und jeder einzelnen Schneide 3. Bei jedem iterativen Prozess, bei dem der aktuelle Verschleißzustand über die anliegende Kraft Fy im Vergleich zur hinterlegten Referenzkurve erfasst und verglichen wird, wird auch der zeitliche Kraftverlauf jedes Werkzeugs 2 oder jeder einzelnen Schneide 3 mit dem ursprünglichen Kraftverlauf des Neuwerkzeugs bzw. des Neufräsers verglichen. Dieser Vergleich zeigt, ob neben dem „normalen“ Verschleiß ein besonderes Ereignis wie z.B. ein Kantenbruch oder ein Kolkverschleiß vorliegt.
-
Vorteilhaft ist dabei, dass zur Beurteilung der momentanen Verschleißsituation des Werkzeugs 2 oder der Schneiden 3 lediglich der Kraftverlauf einer Fräserumdrehung benötigt wird. Somit kann von einem minimalen Materialverbrauch des Opfermaterials ausgegangen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Werkzeug
- 3
- Schneide
- 4
- Werkstück
- 5
- erster Antrieb
- 6
- erster Aktuator
- 7
- Werkstückhalter
- 8
- zweiter Antrieb
- 9
- zweiter Aktuator
- 10
- Haltevorrichtung
- 11
- Opferwerkstück
- 12
- Sensor
- 13
- Speicher
- 14
- Steuereinheit
- 15
- Auswerteeinheit
- 20
- erste Aufnahme
- 21
- Opferwerkstück
- 22
- zweite Aufnahme
- 23
- Grundkörper
- 24
- Maschinentisch
- 25
- Träger
- 26
- Kraftspeicher
- 27
- Einstellschraube
- 28
- Übertragungselement
- 29
- Führung
- 30
- Führungssäule
- 31
- Führungsbuchse
- 32
- Vorschubrichtung
- 34
- Kraftrichtung