Verschleißerfassung Verschleiß an Zerspanwerkzeugen erfassen

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Mikron Switzerland AG, Division Tool

Mit dem arbeitsraumintegrierten Messsystem Cutting Tool lässt sich erstmals mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit die Verschleißmarkenbreite an Zerspanwerkzeugen direkt in der Maschine ermitteln.

Heute geschieht die Verschleißerfassung an den während der Bearbeitung eingesetzten Werkzeugen mittels unterschiedlicher Verfahren. Die Strommessung der Bearbeitungsspindel oder der Vorschubantriebe ist kostengünstig, birgt aber den Nachteil einer relativ geringen Auflösung. Die mit speziellen Werkzeughaltern mögliche direkte Drehmomentmessung ist deutlich genauer, kann aber kostenbedingt nur bei kritischen Bearbeitungsoperationen oder im Labor eingesetzt werden. Die Messung des Durchmessers der Werkzeuge auf taktile oder durchstrahlende Weise misst punktuell oder scannend entlang der Schneidkante den Durchmesser, der aber nur bedingt Aussagen über den Verschleiß zulässt. Die 3D-Vermessung der Werkzeugschneide ist nur außerhalb der Werkzeugmaschine mit erheblichem Aufwand auf teuren Messmaschinen möglich. Anhand dieser Zusammenstellung ist ersichtlich, dass eine zuverlässige, schnelle und kostengünstige Erfassung des Werkzeugverschleißes während der Bearbeitung heute noch nicht möglich ist.

Entwicklung von Cutting Tool

Für die Entwicklung eines arbeitsraumintegrierten Messsystems wurde die Erfassung des Verschleißes an der Freifläche des Werkzeuges als maßgeblicher Messparameter definiert. Damit lassen sich die Verschleißmarkenbreite, Schartenverschleiß, Ausbröckelungen und Eckenausbruch detektieren. Die Entwicklung des Messsystems Cutting Tool basiert auf der Nutzung einer industrietauglichen Kamera mit einem Objektiv und einer geeigneten Beleuchtung. Die Komponenten sind durch ein Gehäuse und Druckluft geschützt, sodass ein zuverlässiger Schutz gegen Späne und Kühlschmierstoff vorhanden ist. Ebenso sind spezielle Düsen für die Reinigung der zu vermessenden Werkzeuge integriert. Die Positionierung des Sensorsystems ist auf die jeweiligen Verhältnisse der verwendeten Maschine anzupassen. Eventuell ist zur Verhinderung von Kollisionen während der Bearbeitung eine spezielle Einrichtung erforderlich (z. B. Wegklappen analog Abrichter bei Schleifmaschinen). Die Positionierung des Systems zum Werkzeug geschieht mit den Maschinenachsen. In Abhängigkeit der verwendeten und zu vermessenden Werkzeuge sind bis zu 5 Achsen / Bewegungen erforderlich. Damit lässt sich sowohl der Verschleiß am Umfang als auch Stirn aller Schneiden erfassen. Im Rahmen der Entwicklung wurden die typischen Zerspanwerkzeuge in drei Klassen geclustert:

• Schaft- und Eckfräser: Verschleiß an der Ecke / Schneidkante Umfang

• Spiralbohrer / Planfräser: Verschleiß an einer winkligen Schneide

• Vollradius-/Rundplattenfräser: Verschleiß an gebogener Schneidkante

Das System Cutting Tool zeigt die Abbildung 2. Kamera und Beleuchtung sind mit einem digitalen Eingang mit der NC-Steuerung der Maschine gekoppelt. Diese Schnittstelle triggert die Aufnahmen und steuert über das NC-Programm die Positionierung und Orientierung der Werkzeuge vor der Kamera. Die Aufnahme der jeweils 4 Bilder einer Schneide an einem Werkzeug mit 4 Schneiden dauert insgesamt unter 7 Sekunden. Die Datenübertrag der aufgenommenen Bilder geschieht über eine Gig-E-Vision-Schnittstelle zu einem separaten leistungsfähigen PC. Die Rechenleistung des PC beeinflusst die über Node-Red durchgeführte Datenverarbeitung. Die Auswertung des Verschleißes an den Schneidkanten geschieht mittels einer in die Elunic-Software AI-SEE integrierten KI-Engine.

Abbildung 3 zeigt den mit zunehmendem Standweg fortschreitenden Verschleiß. Bei der Auswertung wird die Verschleißmarkenbreite an 50 gleichmäßig über der im Messfenster liegenden Schneidkante ermittelt. Die Ermittlung geschieht von einer an der Spanfläche definierten Referenzlinie. Dabei wird sowohl jeder Einzelwert, als auch der Mittelwert und die Verteilung dargestellt. Am Anfang kann aufgrund des Verschleißes im Bereich der gewollten Verrundung / Phase die Auswertung nur bedingt erfolgen. Erst bei Überschreiten des Betrages der Verrundung / Phase tritt eine auswertbare Verschleißmarkenbreite an der Freifläche auf. Diese zeigt über dem Standweg einen stetigen Anstieg.

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Mittels des entwickelten Systems lässt sich erstmals mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit die Verschleißmarkenbreite an Zerspanwerkzeugen direkt in der Maschine ermitteln. Dadurch lässt sich der Zustand der Werkzeuge mit unterschiedlichen Strategien in Abhängigkeit der Verschleißgeschwindigkeit und Einsatzdauer ermitteln. Gegenüber indi-rekten Methoden (z. B. Schnittkrafterfassung) erfasst CuttingTool die qualitätsbeeinflus-senden Parameter. Ziel ist die Integration des Systems in Bearbeitungszentren, die Erwei-terung des Werkzeugportfolios und die Nutzung ebenfalls in Drehzentren.

* Prof. Dr.-Ing. Helmut Nebeling (Professur Werkzeugmaschinen, Steuerungstechnik, Produktionsanlagen), M. Sc. Max Burghardt (wissenschaftlicher Mitarbeiter), Forschungsgruppe Werkzeugmaschinen am RRI Reutlingen Research Institut, Hochschule Reutlingen, Alteburgstraße 150, 72762 Reutlingen, helmut.nebeling@reutlingen-university.de, 07121 271 7051

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