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Sensorgestützte Überwachungssysteme

Auf dem Weg zur Null-Fehler-Zerspanung

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Bewertung der entstehenden Fehler

Die entscheidende Größe für die Qualität des Bearbeitungsprozesses ist die Auswirkung der Fremdkörper auf die Lage des Werkzeugs beziehungsweise des Tool Centre Point (TCP). In Abhängigkeit von den Abmessungen, der Form sowie der Lage der Fremdkörper entsteht ein Rundlauffehler des Werkzeugeingriffspunktes, der sowohl durch eine Verkippung als auch einen Achsversatz des Werkzeugs begründet sein kann (Bild 4) und der sich in einem messbaren Spalt zwischen den Anlagenflächen äußert. Die abstandsmessenden Systeme zur Überwachung der Werkzeugposition bedienen sich je nach Ausführung der Erfassung der Spaltbreite an beiden Anlageflächen oder ausschließlich der Plananlage.

Die Studie des Fraunhofer-IWU setzte auf eine simulationsgestützte Sensitivitätsanalyse der Einflussgrößen. Bild 5 zeigt die Abhängigkeit des Rundlauffehlers von der Dicke eines definierten Fremdkörpers an der Plananlage bei der Verwendung eines Bohrwerkzeugs HSK63A mit einer auskragenden Länge von 150 mm. Bild 6 zeigt beispielhaft für einen Fremdkörper mit einer Dicke von 50 µm die Verlagerung des Werkzeugs und Bild 7 den entstehenden Spalt an der Plananlage.

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Die Auswertung der Simulationsergebnisse ergaben, dass die Verkippung des Werkzeugs ungeachtet der Einflussfaktoren als dominanter Effekt wirkt und sich diese in einer relevanten Verlagerung des TCP über einen messbaren Spalt an der Plananlage äußert. Diese Erkenntnisse haben die Forscher verwendet, um eine optimale Anordnung der abstandsmessenden Sensorik zur Überwachung der Werkzeugposition in der Werkzeugschnittstelle zu bestimmen.

Lohnende Investition

Die Fraunhofer-Forscher bewerteten das System Planko zudem wirtschaftlich und technisch vor dem Hintergrund realer Anwendungsszenarien. Bestandteil dieser Untersuchung waren Prozessketten zur Feinbearbeitung von Zylinderbohrungen eines 4-Zylinder-Ottomotors sowie Prozessketten zur Komplettbearbeitung von Turbinenwellen und Turbinenscheiben im Flugzeugbau. Das Ergebnis: Wer in solche Überwachungssysteme investiert, arbeitet wesentlich wirtschaftlicher. Das gilt vor allem für den Bereich der hochautomatisierten Serienfertigung und bei hohen Genauigkeitsanforderungen. Die Wirtschaftlichkeit konnten die Fraunhofer-Forscher anhand einer Vorhersage der Amortisierungszeit aufzeigen: Je nach Anwendungsfall und System beträgt sie zwischen einem und fünf Jahren. In Einzelfällen kann sich die Investition aber bereits lohnen, wenn nur zwei Fehlteile vermieden werden. Analysen zum Marktpotenzial ergaben zudem ein breites Anwendungsgebiet von der Luftfahrtindustrie über den Automobilbau bis hin zum Werkzeugbau. MM

* Dipl.-Ing. Oliver Georgi ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Werkzeugmaschinen, Produktionssysteme und Zerspanungstechnik am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in 09126 Chemnitz, Dipl.-Ing. Josef Greif ist Leiter der Abteilung Entwicklung & Konstruktion bei der Ott-Jakob Spanntechnik GmbH in 87663 Lengenwang, Kontakt: Oliver Georgi Tel. (03 71) 53 97 14 57, oliver.georgi@iwu.fraunhofer.de

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