Intelligentes Zerspanungswerkzeug detektiert selbsttätig Verschleiß

SPANENDE FERTIGUNGIntelligentes Zerspanungswerkzeugdetektiert selbsttätig VerschleißSeit Anfang der 80er Jahrewerden Zerspanungswerkzeugemithilfe von Kraft, Wirkleistungoder Körperschall erfolgreichüberwacht. Es gibtallerdings Fertigungsprozesse,die mit solchen indirektenMethoden nicht überwachbarsind. In diesem Fall schafft eineMethode Abhilfe, die prozessbegleitendden Schneidenverschleißüber Dünnschichtsensorenunter derVerschleißschutzschicht direktund geometrisch definiertüberwacht.KLAUS NORDMANNEin Übriges taten neu entwickelte Sensoren,mit denen die Messwerte besondersnah am Zerspanungsprozess gewonnenwerden konnten. Hierzu zähltzum Beispiel das so genannte Schallemissions-Hydrophon,das die Körperschallwellendes Zerspanungsvorgangsüber einen Kühlschmierstoffstrahl alsSchallwellenleiter unmittelbar vomWerkzeug oder vom Werkstück aufnimmt.Schnitttiefenschwankungverfälscht MesswerteTrotz hervorragender Messwerte ist esin gewissen Situationen nicht möglich,den Verschleiß eines Werkzeuges mitden oben genannten Messgrößen zu erkennen.Es handelt sich speziell um folgendeFälle: Zerspanung unter sehr großen Schnitttiefenschwankungen, Zerspanung eines Werkstoffes mitstark variierender Härte, Arbeiten mit Formdrehmeißeln, derenverschleißbedingte Veränderung vonKraft- oder Körperschallsignalen im Gesamtsignalder breiten Schneide untergeht,wenn nur kleine Schneidenbereichevom Verschleiß oder vom Ausbruch betroffensind, sowie Vorhandensein einzelner Schneiden inMesserköpfen, Räumwerkzeugen oderSägeblättern, deren Einzelkräfte ebensoim Gesamtsignal verschwinden, wennmehrere Schneiden gleichzeitig im Eingriffsind.An einer Lösung dieser Problematikarbeitet zur Zeit ein Verbund aus mehrerenUnternehmen und Instituten. DieMaschinenmarkt · 25/2000MMWirksame und erfolgreiche Werkzeugüberwachungssystemesind nicht erst seitBeginn des Internet-Zeitalters „online“,sondern sie überwachen nunmehr schonseit ungefähr 20 Jahren die Zerspanungswerkzeugewährend der Werkstückbearbeitung.Dabei handelt es sichum Systeme, die nach den so genanntenprozessbegleitenden Methoden arbeiten.Diese Methoden basieren auf einerindirekten Kontrolle des Werkzeugzustandesüber eine Messung der Zerspanungskräfte,der elektrischen Wirkleistungder Antriebsmotoren oder desbei der Zerspanung entstehenden Körperschalls.Anfangs war die Zuverlässigkeit der indirektwirkenden Überwachungssystemeeher mäßig, weil der Maschinenbedienerim Falle eines falschen Alarms nurunzureichende Mittel hatte, der Ursachedes Fehlalarms auf den Grund zu gehen.Das änderte sich mit der Einführung vonGrafikdisplays, welche die Messwerte alsKurvenverläufe zusammen mit denGrenzwerten anzeigten. Vor allem grafischveränderbare Hüllkurven waren imFall eines falschen Alarms dem Messwertverlaufleicht anzupassen.Dr.-Ing. Klaus Nordmann ist Geschäftsführer der NordmannGmbH & Co. KG in 50354 Hürth bei Köln, Tel.(0 22 33) 96 88-0, Fax (0 22 33) 96 88-22, Internet:www.nordmann-online.de.42Werkzeuge sicherauf Bruch undVerschleiß zuüberwachen istvor allem beifortschrittlichenZerspantechnikenwie dem Hartdrehenvon Bedeutung.

Projektleitung liegt bei der NordmannGmbH & Co. KG (Projektleiter: Dr.-Ing.Klaus Nordmann), die sich seit Jahren mitder Entwicklung und Herstellung vonWerkzeugüberwachungssystemen beschäftigt,und dem Fraunhofer-Institut fürSchicht- und Oberflächentechnik inBraunschweig (Projektverantwortlicher:Dipl.-Ing. Holger Lüthje). Weitere Projektpartnersind das Werkzeugmaschinenlaborder RWTH Aachen, ICR-Materialsin Jena, die LPKF Laser & ElectronicsAG in Garbsen, die Wolf-BeschichtungstechnologieGmbH in Bruchmühlbach,die KMW Engineering GmbH in Klingenthalund die Robert Bosch GmbH inStuttgart.Sensorische Leiterbahnenauf der Freifläche angeordnetDer Verbund mit der BezeichnungIDEE (intelligenter Drehmeißel) wirdvom Bundesforschungsministerium innerhalbdes Mikrosystemtechnik-Programmsgefördert. Die „Idee“ für diesesProjekt basiert auf dem Vorprojekt „Ingwer“,das sich mit der Entwicklung ersterDünnschichtsensoren zur Werkzeugverschleißkontrollebefasste. Diese Sensorensind in Form hauchdünner Leiterbah-Bild: RWTH Aachennen unter der Verschleißschutzschicht derSpanfläche angeordnet und werden infolgedes Schneidenverschleißes durchtrennt.Die Bilder 1 und 2 illustrieren diesenZusammenhang.Im Rahmen des Ingwer-Projektes erfolgtenTests zur Beschichtungstechnikund zur Haltbarkeit der Sensoren aufHartmetall-Wendeschneidplatten, diemit Zerspanungstests am Werkzeugmaschinenlaborder RWTH Aachen ergänztwurden. Im Zuge der Untersuchungenergab sich, dass die Kontaktierung derLeiterbahnen noch nicht zufriedenstellendgelöst war, weil sie auf der Spanflächeerfolgte und zu viele Kontakte einschloss.Im Rahmen des IDEE-Vorhabens werdendie Leiterbahnen nun auf der Freiflächeder Wendeschneidplatte angeordnet.Die Kontaktierung erfolgt mit einemfedernden Kontaktstift aus einer imWerkzeughalter geschützt liegendenBohrung. Außerdem hat es sich das imProjekt federführende Unternehmen zurAufgabe gemacht, die Informationenüber den Zustand der Leiterbahnendrahtlos und ohne eine Batterie übereine Entfernung von mehreren Meternzu übertragen.Es ist beabsichtigt, im Rahmen des ForschungsprojektesIDEE eine besonderswiderstandsfähige Verschleißschutzschichtin Verbindung mit den Dünnschichtsensorenzu entwickeln. Dennwichtig für den Anwender ist die Gewissheit,dass die Standzeit der Schneidedurch den Auftrag zusätzlicher Beschichtungennicht beeinträchtigt wird.Das ist der Grund dafür, dass die Beschichtungnur mit einer Dicke von wenigenMikrometern mit großer Genauigkeitan der Stelle der Freifläche aufgebrachtwird, die erst bei Überschreitender tolerierten Verschleißmarkenbreite„angekratzt“ wird. Der Werkzeuganwendersollte eine besonders widerstandsfähigeVerschleißschutzschicht erhalten,denn das Aufbringen und Abdeckender Dünnschichtsensoren erfolgtbesonders sorgfältig.Die in Bild 3 gezeigten Wendeschneidplattenwurden beschichtet undsind zur Zeit Gegenstand von Zerspanungstests.Die weißen Keramikplattenwerden bei einem norddeutschen Herstellervon Zylinderlaufbuchsen für Großdieselmotorenzum spanenden Bearbeitenvon Zylinderlaufbuchsen aus Graugussverwendet. Bei dieser Fertigungsaufgabesah sich das Unternehmen mitder Schwierigkeit konfrontiert, dass wegengroßer Schnitttiefen- und Härteunterschiedein der Randzone der Graugussteileeine Werkzeugüberwachungmit konventionellen Methoden sehrBild 1: Die Wendeschneidplatte des intelligentenDrehmeißels „spürt“ denVerschleiß selbst.Bild 2: Bei einem früheren Forschungsprojektbefanden sich die Dünnschichtsensorennoch auf der Spanfläche. Nunsind sie auf der Freifläche angeordnet.schwierig ist, denn die Messwerteschwanken stark. Der intelligente Drehmeißelist dagegen unabhängig von derinhomogenen Randzonenstruktur desWerkstückes.Erst jetzt volle Nutzungaller acht SchneideneckenEs wird angestrebt, dass die Wendeschneidplattemit der zusätzlichen Beschichtungweniger als doppelt so vielkostet wie konventionelle Ausführungen.Trotz des dennoch deutlich höherenPreises verspricht man sich einen Vorteil,weil mit der innovativen Überwachungsmethodealle acht Ecken der quadratischenWendeschneidplatte genutzt werdenkönnen. Bisher konnten die Plattenschon vor dem ersten Wenden aufgrundvon Totalbruch nach übermäßigem Verschleißder ersten Schneidenecke unbrauchbarwerden (Bild 4). Außerdem43Maschinenmarkt · 25/2000MM

SPANENDE FERTIGUNGBilder: VerfasserMaschinenmarkt · 25/2000MM44Bild 3: Beispiele für Schneidplatten, diemit Dünnschichtsensoren versehen werden:links TiN-beschichtete HM-Platte,Mitte Keramikplatte, rechts TiAlN-beschichteteHM-Formplatte.Bild 4: Solche Brüche, die eine vollständigeAusnutzung aller acht Schneideneckenverhindern, lassen sich mitDünnschichtsensoren auf der Freiflächevermeiden.kann der Bediener die Werkzeugmaschineendlich sich selbst überlassen, ohneständig mit der Hand am Stopp-Knopfauszuharren. Die Mehrmaschinenbedienungwird dadurch möglich.Zur Kontrolle des Hauptfreiflächenverschleißesteilt der Anwender dem Anbieterdes Werkzeugüberwachungssystemsdie tolerierte Verschleißmarkenbreitemit. Die Techniker bestimmen daraufhindie geometrische Lage der Leiterbahnenund lassen die Platten entsprechendden Anforderungen beschichten.Der Halter der Wendeschneidplatte wirdmit einem Kontaktstift und der Funkübertragungversehen. Auf die Funkübertragungkann verzichtet werden, wenn essich nicht um rotierende Werkzeuge oderWerkzeuge für rotierende Werkzeugrevolverhandelt.Die neue Überwachungstechnik ermöglichtnicht nur die Kontrolledes Hauptfreiflächenverschleißes, umBrüche zu vermeiden, sondern man kannauch den Verschleiß der SchneideneckeBild 5: Dieser Tool-Monitor SEM-Modulwertet parallel zu Kraft, Wirkleistungoder Körperschall Informationen der intelligentenWendeschneidplatte aus.an ihrem Übergang zur Nebenfreiflächeüberwachen, um die Maßhaltigkeit derWerkstücke sicherzustellen. Des Weiterenist es mit dieser Methode möglich,Kraft, Wirkleistung oder Körperschallgemeinsam mit den Informationen derintelligenten Wendeschneidplatte zuverarbeiten (Bild 5).Von einem namhaften deutschenWälzlagerhersteller werden Formdrehmeißelzur Beschichtung und Erprobungzur Verfügung gestellt. Wie von Mitarbeiternder Abteilung Technologieentwicklungdieses Herstellers verlautet, istdie erläuterte Verfahrensweise eine vielversprechendeMöglichkeit zur Überwachungvon Formdrehmeißeln, weil derVerschleiß oder kleine Ausbrüche einzelnerSchneidenbereiche im Gesamt-Kraftsignalnicht erkennbar sind. Auf dieseWeise würde der Verschleiß genau zumrichtigen Zeitpunkt erkannt, nämlich beiErreichen einer definierten Verschleißmarkenbreite.Schnittwertoptimierungals weiterer VorteilDie unter der Verschleißschutzschichtangeordneten Dünnschichtsensoren erlaubendas parallele Messen derSchneidkantentemperatur, um zum Beispielbeim Hartdrehen Werkstoffbeeinflussungenam Werkstück wie Aufhärtungenoder Eigenspannungen zu vermeiden.Weil die thermische Belastbarkeitder Schneidstoffe aus Keramik, CBNoder Hartmetall bekannt ist, lassen sichhiermit auch Schnittwerte optimierenund regeln hinsichtlich kürzestmöglicherProduktionszeit.Mit dieser innovativen Methode wirdendlich die einfache, sichere und allumfassendeÜberwachung von Werkzeugenbei der Einzelteilfertigung oder unterschwankenden Schnitttiefen und Werkstoffhärtenbei allen Zerspanungsprozessenermöglicht. Auf der MetallbearbeitungsmesseMetav in Düsseldorf wirddiese Technik vorgestellt. MM