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Prozessüberwachung

Schnittparameter beim Drehen online anpassen

| Autor/ Redakteur: Eckart Uhlmann und Tobias Holznagel / Mag. Victoria Sonnenberg

Während der Drehbearbeitung sind Zerspanwerkzeuge starkem Materialverlust durch Werkzeugmikrobrüche, Kolk- und Freiflächenverschleiß oder Schneidkantenversatz unterworfen. Eine Möglichkeit, die genannten Qualitätsfehler von vornherein zu minimieren, ist die Onlineanpassung der Schnittparameter.

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Bild 1: Onlinemessung und -regelung während der Drehbearbeitung.
Bild 1: Onlinemessung und -regelung während der Drehbearbeitung.
(Bild: TU Berlin)

Die Onlinemessung von Werkzeugverschleiß und Oberflächenrauheit beziehungsweise die geometrische adaptive Regelung zur Kompensation von Störgrößeneinflüssen auf die Oberflächenrauheit und die Werkstückgeometrie sind in der Vergangenheit ausführlich untersucht worden [5, 7]. Oftmals wurden zur Online-Rauheits- und Geometriemessung Ultraschallsensoren [2] oder Körperschallsensoren [4] eingesetzt. Auch optische Messmittel während der Trockenbearbeitung in Kombination mit einfachen Regelalgorithmen standen im Fokus der Forschungen [1].

Anfälligkeit der Sensorsysteme durch Spanflug und Kühlschmierstoff

Weiterhin konnten indirekte Werkzeugverschleißmessungen über die Aufzeichnung von Werkzeugvibrations- [8] oder Zerspankraftsignalen [3, 6] in Forschungsprojekten realisiert werden. Hauptnachteil der genannten Ansätze ist die Anfälligkeit der Sensorsysteme in der durch Spanflug und Kühlschmierstoff rauen Umgebung der Werkzeugmaschine sowie die Notwendigkeit, jeweils Messsignale für spezifische Werkstoff/Schneidstoff-Kombinationen neu zu kalibrieren. Am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin konnte nun erstmals ein Lasertriangulationssensor für die Onlinemessung in Betrieb genommen werden, der werkstoffunabhängig exakte Messdaten liefert sowie in der Lage ist, Höhenprofile und Geometrieabweichungen prozessnah und -sicher während der Nasszerspanung aufzuzeichnen. Mittels geeigneter Online-Schnittwertanpassung von Werkzeugvorschub f und Werkzeugposition in X-Richtung konnte in einem zweiten Schritt eine geometrische adaptive Regelung zur Erhöhung der Werkstückqualität realisiert werden.

Plexiglaseinhausung schützt Laser

Zur Umsetzung der Onlinemessung und -regelung der Oberflächenrauheit und der Werkstückgeometrie wird ein Laser- interferometer Typ LK-H082 der Firma Keyence Corporation, Osaka (Japan), auf den dem Werkzeug gegenüberliegenden Revolverkopf einer Drehmaschine Traub TNX 85 der Firma Traub Drehmaschinen GmbH, Oberesslingen, montiert. Der Laser wird zum Schutz vor Spänen und Kühlschmierstoff in einer mit Silikon abgedichteten Plexiglaseinhausung verbaut. Die Signalkabel werden vom Arbeitsbereich durch eine Durchführung in der Maschi- neneinhausung nach außen geführt. Für exakte Messwerte wird der Laserstrahl radial zum Werkstück ausgerichtet. Zur prozesssicheren Messung während der Nasszerspanung wird der Lichtpunkt des Lasers auf dem Werkstück mit 8 bar Druckluft von Kühlschmierstoff freigehalten. Der Aufbau und die Ausrichtung des Laserstrahls, die notwendige Plexiglaseinhausung sowie der Druckluftanschluss ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Messaufbau in der Werkzeugmaschine.
Bild 2: Messaufbau in der Werkzeugmaschine.
(Bild: TU Berlin)

Die Verarbeitung des Rohsignals und die Konfiguration des Lasers erfolgt dabei über ein Steuergerät LK G5001-PV der Firma Keyence Corporation. Die Aufzeichnung und Digitalisierung wird über eine 2-Kanal-Analogeingangsklemme EL3602 der Beckhoff Automation GmbH abgewickelt. Die weitere Verarbeitung und Berechnung der Rauheitskenngrößen erfolgt dann in Beckhoff Twincat3. Für eine optimale Messung wird zunächst die Sensitivität des Lasers an die Gegebenheiten im Arbeitsraum der Maschine und die optischen Materialeigenschaften des Werkstoffes angepasst. Weiterhin wird eine Abtastrate von 1 kHz eingestellt. Der Signalweg der Lasermesssignale ist in Bild 3 dargestellt.

Bild 3: Datenaufzeich- nung und -verarbeitung während der Onlinemessung [IWF].
Bild 3: Datenaufzeich- nung und -verarbeitung während der Onlinemessung [IWF].
(Bild: TU Berlin)

Der Abstand des Lasers zum Werkstück wird während der Bearbeitung stets konstant gehalten. Zur Aufzeichnung der Oberflächenrauheit während der Zerspanung ist es von Vorteil, die Vorschubgeschwindigkeit des Lasers doppelt so hoch zu wählen wie die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs. Um Oberflächenkennwerte und Geometriekennwerte prozessnah aufzeichnen zu können, verweilt der Revolverkopf mit dem Laser daher jeweils zur Messung des Wellendurchmessers, um dann mit doppelter Werkzeugvorschubgeschwindigkeit zum Werkzeug aufzuschließen. Ein so aufgezeichnetes Höhenprofil ist in Bild 4 dargestellt.

Bild 4: Während der Drehbearbeitung online aufgezeichnetes Höhenprofil.
Bild 4: Während der Drehbearbeitung online aufgezeichnetes Höhenprofil.
(Bild: TU Berlin)

Mit der so konfigurierten Lasermessung lässt sich eine Onlineüberwachung der Oberflächenrauheit sowie der Werkstückdimension realisieren. Somit kann die Qualitätssicherung direkt in den Bearbeitungsprozess integriert werden, Messdaten lassen sich automatisiert speichern und auf Qualitätsprüfungen im Anschluss an den Bearbeitungsprozess kann verzichtet werden. Ist der Einfluss der Aufbauschneidenbildung, mangelhafter Achsparallelität, passivkraftbedingter Maßabweichung sowie der thermischen Ausdehnung von Werkstoff und Werkzeug auf die Messung vernachlässigbar klein, kann aus der Messung der Bauteilgeometrie indirekt auf den Schneidkantenversatz des Drehwerkzeugs geschlossen werden. So lassen sich Werkstück- beziehungsweise Schneidkantenversatz-Werte festlegen, bei denen ein Werkzeugwechsel notwendig ist.

Auch ein Werkzeugwechsel, welcher aufgrund von nicht mehr akzeptablen Oberflächenrauheiten erfolgen muss, kann realisiert werden. Die Ergebnisse der Onlineüberwachung der Oberflächenrauheit Rz,Online sind für einen Wellenabschnitt in Bild 5 im Vergleich zu offline mit einem taktilen Rauheitsmessgerät ETAMIC W5 der Firma Jenoptik, Jena, aufgezeichneten Rauheitskennwerten Rz,Offline sowie der kinematischen Rauheit Rth dargestellt.

Bild 5: Online und offline aufgezeichnete Rauheitskennwerte im Vergleich zur kinematischen Rauheit.
Bild 5: Online und offline aufgezeichnete Rauheitskennwerte im Vergleich zur kinematischen Rauheit.
(Bild: TU Berlin)

Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung der mit den unterschiedlichen Messsystemen aufgezeichneten Rauheitskennwerte. Anhand der theoretisch zu erzielenden kinematischen Rauheit Rthim Vergleich mit den tatsächlich resultierenden Rauheiten lassen sich weiterhin die Einflüsse von Störgrößen auf die Oberflächenrauheit ablesen.

Die so aufgezeichneten Messwerte können zur Prozessregelung verwendet werden. Hierzu wird über eine Anbindung an die Werkzeugmaschinensteuerung der Werkzeugvorschub f verringert, wenn die Rauheitskennwerte höher als gewünscht gemessen werden. In gleichem Maße wird der Werkzeugvorschub erhöht, wenn die Oberflächenrauheit besser als gewünscht ausfällt, um das Zeitspanvolumen nicht unnötig zu verringern.

Oberflächenrauheit auf Werkstücken definiert einstellen

Auf gleiche Weise wird die Zustellung der Werkzeugposition in X-Richtung verringert, sobald durch den Laser ein Werkstückaufmaß detektiert wird. Die mittels geometrisch adaptiver Regelung erzielbaren Oberflächenrauheiten und Durchmesserabweichungen im Vergleich zur konventionellen Zerspanung sind in Bild 6 dargestellt.

Bild 6: Ergebnisse der Zerspanung mit geometrischer adaptiver Regelung zur Kompensation der Störgrößeneinflüsse auf die Oberflächenrauheit und die Werkstückgeometrie.
Bild 6: Ergebnisse der Zerspanung mit geometrischer adaptiver Regelung zur Kompensation der Störgrößeneinflüsse auf die Oberflächenrauheit und die Werkstückgeometrie.
(Bild: TU Berlin)

Es zeigt sich eine deutlich geringere Abweichung zur kinematischen Rauheit Rthfür die adaptive Zerspanung im Gegensatz zur konventionellen Zerspanung mit konstantem Vorschub f. Somit kann die Oberflächenrauheit auf Werkstücken definiert eingestellt beziehungsweise die Standzeit eines Werkzeugs deutlich erhöht werden, da gewünschte Werkstückqualitäten auch noch mit verschlissener Schneide prozesssicher erreicht werden können. Auch zeigen sich deutlich geringere Durchmesserabweichungen für die adaptive Zerspanung, da Störgrößeneinflüsse, wie unter anderem der Werkzeugverschleiß, robust kompensiert werden können.

Für die Drehbearbeitung mit Kühlschmierstoff konnte gezeigt werden, dass eine geometrische adaptive Regelung in der Lage ist, die Qualitätskenngrößen Oberflächenrauheit und Durchmesserabweichung definiert einzustellen und Einflüsse von Störgrößen prozesssicher zu kompensieren. In weiterführenden Arbeiten sind die Anpassung weiterer Schnittparameter während der Zerspanung zur Prozessoptimierung sowie die automatisierte Schnittwertanpassung zur Vermeidung von regenerativem Rattern und Fließspan geplant.

Literatur

[1] Choudhury, S. K.; Jain, V. K.; Rama Krishna, S.: On-Line Monitoring of Tool Wear and Control of Dimensional Inaccuracy in Turning. Journal of Manufacturing Science Engineering 123 (2001) 1, S. 10.[2] Coker, S. A.; Shin, Y. C.: In-process control of surface roughness due to tool wear using a new ultrasonic system. International Journal of Machine Tools and Manufacture 36 (1996) 3, S. 411-422.[3] Cus, F.; Zuperl, U.; Kiker, E.; Milfelner, M.: Adaptive controller design for feedrate maximization of machining process. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 17 (2006) 1 - 2, S. 237-240.[4] Dimla, D. E.: Sensor signals for tool-wear monitoring in metal cutting operations. International Journal of Machine Tools & Manufacture 40 (1999) S. 1073-1098.[5] Ijaz, F.; Mehmood, N.; Jamil, M.; Ayaz, Y.: Developments in Adaptive Control Techniques for Machine Tools. International Conference on Robotics and Emerging Allied Technologies in Engineering (2014) S. 186-191.[6] Suksawat, B.: Development of In-process Surface Roughness Evaluation System for Cast Nylon 6 Turning Operation. Procedia Engineering 15 (2011) S. 4841-4846.[7] Wang, L.; Gao, R. X.: Condition monitoring and control for intelligent manufacturing. London: Springer, 2006.[8] Zhang, J. Z.; Chen, J. C.; Kirby, E. D.: The development of an in-process surface roughness adaptive control system in turning operations. Journal of Intelligent Manufacturing 18 (2007) 3, S. 301-311.

* Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann ist Leiter des Fachgebiets Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, Tobias Holznagel M. Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, beide an der Technischen Universität Berlin in 10587 Berlin, Tel. (0 30) 31 42 39 98, tobias.holznagel@iwf.tu-berlin.de

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