Körperschall überwacht Qualität im Fertigungsprozess

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Im konkreten Fall wurde das Rohsignal in Abschnitte von 2048 Werten unterteilt, für die jeweils eine Fast-Fourier-Transformation durchgeführt wurde. Anschließend können die Messdaten so aufgetragen werden, dass das Verhalten der verschiedenen Amplituden in den verschiedenen Frequenzbereichen über der Prozesszeit betrachtet werden kann, wie es in Bild 2 für einen Drehprozess dargestellt ist.

Um die Charakteristika, die bei einem Serienprozess mit einer größeren Anzahl von Werkstücken auftreten, besser darstellen und beurteilen zu können, wurden die Amplituden in allen Frequenzbereichen eines Durchlaufs oder Werkstücks aufsummiert und für die verschiedenen Werkstücke hintereinander aufgetragen.

Charakteristische Merkmale spiegeln den Prozesszustand wider

In einer Versuchsreihe wurden Hartdrehversuche zur Prozessüberwachung durchgeführt. Für diese Versuche wurde eine Hembrug-Maschine Slantbed Microturn 100 CNC verwendet, die speziell für das Hartdrehen konzipiert wurde.

Bei den Versuchen wurde ein zylindrisches Bauteil aus 100Cr6 und einer Härte von 62 HRC mit einer CBN-Schneide längs bearbeitet. Die Schnittgeschwindigkeit betrug dabei 180 m/min bei einem Vorschub von 140 µm pro Umdrehung und einer Zustellung von 0,1 mm.

Frequenzspektren zeigen verändertes Körperschallsignal beim Hartdrehen

Die gemessenen Frequenzspektren sind in Bild 3 dargestellt. Anhand der Frequenzspektren lässt sich eine Veränderung des Körperschallsignals über der Anzahl der Durchläufe feststellen.

Auffällig ist, dass das Signal zu Beginn sehr homogen ist. Mit zunehmender Bearbeitungsdauer treten höhere Amplituden in anderen Frequenzbereichen auf.

Zudem weist das Signal an bestimmten Frequenzen Schwankungen der Amplitude auf. Diese charakteristischen Merkmale des Körperschallsignals weisen auf eine zunehmende Verschlechterung des Prozesszustands hin.

Amplitude beim Schleifen wesentlich geringer als beim Hartdrehen

Zur Aufnahme der Charakteristika weiterer Bearbeitungsprozesse wurden Verschleißuntersuchungen beim Schleifen durchgeführt. Die Versuche dazu wurden auf einer Außenrundschleifmaschine MS 128011 der Johann Modler GmbH durchgeführt. Im Gegensatz zum Drehen ist die Amplitude beim Schleifen über den gesamten Frequenzbereich wesentlich geringer.

Die beim Drehen auftretenden Amplitudenerhöhungen in scharf begrenzten Frequenzbändern lassen sich beim Schleifen nicht beobachten. Bei diesem Prozess sind die Unterschiede in der Amplitude der verschiedenen Frequenzbänder wesentlich geringer, sodass sich ein verschwommeneres Muster im Frequenzspektrum ergibt.

Körperschall-Überwachung erfordert beim Schleifen wesentlich empfindlichere Sensoren

Weiterhin zeigt sich, dass die Amplitudenerhöhungen im unteren Frequenzband bis 50 kHz und im oberen Frequenzband ab 250 kHz auftreten. Auf Basis dieser Erkenntnisse lässt sich schlussfolgern, dass zur Überwachung eines Schleifprozesses wesentlich empfindlichere Körperschallsensoren benötigt werden als zur Überwachung eines Drehprozesses.

Analog zu den Verschleißuntersuchungen beim Drehen wurden diese Untersuchungen auch bei dem beschriebenen Schleifprozess durchgeführt. Dabei wurde das Werkstück mit einer Zustellung von 30 µm bis zum Standzeitende der Schleifscheibe überschliffen.

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