KRATZ, Stephan (Waldstr. 114, Elsdorf, 50189, DE)
VESELOVAC, Drazen (Hohenstaufenallee 84, Aachen, 52074, DE)
FEIST, Wolf-Dieter (Dorfstrasse 30 a, Vierkirchen, 85256, DE)
KRATZ, Stephan (Waldstr. 114, Elsdorf, 50189, DE)
VESELOVAC, Drazen (Hohenstaufenallee 84, Aachen, 52074, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Anzeige von Veränderungen an einem Bohrwerkzeug, insbesondere zur 5 Erkennung von Schneidkantenausbrüchen am Bohrwerkzeug, bei der Herstellung von Bohrungen in einem metallischen oder keramischen Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Messung und/oder Bestimmung des Schnittmoments und/oder der benötigten Vorschub- o kraft des Bohrwerkzeugs bei mindestens zwei zeitlich nacheinander versetzt erfolgenden
Bohrungen mit dem Bohrwerkzeug;
b) Vergleich der gemäß Verfahrensschritt a) gemessenen Werte des Schnittmöments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung mit den Werten des Schnittmo- 5 ments und/oder der Vorschubkraft von mindestens einer der letzten Bohrung zeitlich vorhergehenden Bohrung; und
c) Anzeige einer Veränderung des Bohrwerkzeugs, insbesondere eines Schneidkantenausbruchs am Bohrwerkzeug, wenn der Vergleich gemäß Verfahrensschritt b) ergibt, dass die o Werte des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung um mindestens 15 % über den Werten des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft von mindestens einer der letzten Bohrung zeitlich vorhergehenden Bohrung bei einem Länge zu Durchmesser- Verhältnis der Bohrung von > 0,5 liegen.
5 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt a) die
Messung und/oder Bestimmung des Schnittmoments und/oder der benötigten Vorschubkraft des Bohrwerkzeugs bei jeweils drei zeitlich nacheinander erfolgenden Bohrungen erfolgt und im Verfahrensschritt b) ein Vergleich der gemessenen Werte des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung mit den Werten des Schnittmo- o ments und/oder der Vorschubkraft der ersten Bohrung erfolgt und eine Anzeige einer Veränderung des Bohrwerkzeugs gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt, wenn die Werte des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung um mindestens 15 %, insbesondere um mindestens 20 %, über den Werten des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der ersten Bohrung bei einem Länge zu Durchmesser- Verhältnis der Bohrung von > 0,5, insbesondere ca. 1,0, liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich gemäß Verfahrensschritt b) kontinuierlich erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige der Veränderung des Bohrwerkzeugs gemäß Verfahrensschritt c) optisch und/oder akustisch erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzeige der Veränderung des Bohrwerkzeugs gemäß Verfahrensschritt c) ein automati- scher Abbruch des aktuellen Bohrvorgangs erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein Bauteil eines Flugtriebwerks, eines Turbinengehäuses oder einer Gasturbine ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück aus einer Nickelbasislegierung oder einer Titanbasislegierung besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbasislegierung INCONEL 718 oder Udimet 720 ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrwerkzeug aus Hartmetall besteht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft gemäß Verfahrensschritt a) mit mindestens einem piezo-elektrischen Messwertaufhehmer oder einem auf Dehnmessstreifen (DMS) basierenden erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung und/oder Bestimmung des Schnittmoments gemäß Verfahrensschritt a) mit einem Messaufhehmer zur Detektion eines in das rotierende Bohrwerkzeug eingeleiteten Drehmoments erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Vorschubkraft gemäß Verfahrensschritt a) mit einem Kraftaufnehmer zur
Detektion einer auf das rotierende Bohrwerkzeug wirkenden Kraft erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Bestimmung des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft gemäß Verfahrens- schritt a) mittels einer Messung der von einem Spindelmotor einer das Bohrwerkzeug antreibenden Bohrmaschine aufgenommenen Wirkleistung erfolgt. |
Verfahren zur Anzeige von Veränderungen an einem Bohrwerkzeug
Beschreibung
5
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige von Veränderungen an einem Bohrwerkzeug, insbesondere zur Erkennung von Schneidkantenausbrüchen am Bohrwerkzeug, bei der Herstellung von Bohrungen in einem metallischen oder keramischen Werkstück. 0
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Werkzeug- und Prozessüberwachungs- systemen im Bereich der Metallbearbeitung, wie zum Beispiel bei der Herstellung von Bohrungen in einem metallischen oder auch keramischen Werkstück, bekannt. So sind zum Beispiel Werkzeugüberwachungssysteme mit einem oder mehreren Messaufhehmern be-5 kannt, die unter anderem das in das Bohrwerkzeug eingeleitete Drehmoment wie auch die aufzuwendende Vorschubkraft messen. Die Erkennung möglicher Veränderungen an einem Bohrwerkzeug, insbesondere das Auftreten eines Schneidkantenausbruchs am Bohrwerkzeug ist von entscheidender Bedeutung für die Qualität des zu bearbeitenden Bauteils. Eine nicht erkannte Veränderung am Bohrwerkzeug kann zu einer Schädigung des Bauteils mit o weitreichenden Folgen führen. Nachteilig an den bisher bekannten Prozessüberwachungs- systemen und
-verfahren ist jedoch, dass sich die genannten Veränderungen am Bohrwerkzeug, insbesondere Schneidkantenausbrüche, sich nicht zuverlässig als Einzelereignis ummittelbar nach dem erfolgten Ereignis erkennen lassen. 5
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Anzeige von Veränderungen an einem Bohrwerkzeug, insbesondere zur Erkennung von Schneidkantenausbrüchen am Bohrwerkzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches ein sicheres Anzeigen und Erkennen einer derartigen Veränderung, insbesondere eines derartigen o Schneidkantenausbruchs ummittelbar nach dem Ereignis bzw. Ausbruchsereignis gewährleistet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Anzeige von Veränderungen an einem Bohrwerkzeug, insbesondere zur Erkennung von Schneidkantenausbrüchen am Bohrwerkzeug bei der Herstellung von Bohrungen in einem metallischen oder keramischen Werkstück um- fasst folgende Schritte:
a) Messung und/oder Bestimmung des Schnittmoments und/oder der benötigten Vorschubkraft des Bohrwerkzeugs bei mindestens zwei zeitlich nacheinander versetzt erfolgenden Bohrungen mit dem Bohrwerkzeug;
b) Vergleich der gemäß Verfahrensschritt a) gemessenen Werte des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung mit den Werten des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft von mindestens einer der letzten Bohrung zeitlich vorhergehenden Bohrung; und
c) Anzeige einer Veränderung des Bohrwerkzeugs, insbesondere eines Schneidkantenausbruchs am Bohrwerkzeug, wenn der Vergleich gemäß Verfahrensschritt b) ergibt, dass die Werte des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung um mindestens 15 % über den Werten des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft von mindestens einer der letzten Bohrung zeitlich vorhergehenden Bohrung bei einem Länge zu Durchmesser- Verhältnis der Bohrung von mindestens 0,5 vorzugsweise > 0,75 liegen. Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Veränderungen an dem Bohrwerkzeug, insbesondere Schneidkantenausbrüche, im Verlauf des Bohrprozesses aufgrund des deutlich ansteigenden Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft zuverlässig erkennbar sind. Damit ist es möglich, das entsprechende Bohrwerkzeug rechtzeitig zu wechseln, so dass ein Bruch des Bohrwerkzeugs zuverlässig verhindert werden kann. Damit ist auch gewährleistet, dass es zudem zu keinen oder nur sehr geringen Beschädigungen des metallischen oder
keramischen Werkstücks durch den aufgetretenen Schneidkantenausbruch kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass ohne zusätzlichen Aufwand oder Eingriffe in das Fertigungsgeschehen die Entwicklung einer Schädigung eines Werkstücks, die äußerlich nicht bemerkt werden muss, aber die Lebensdauer des Werkstücks negativ beein- flussen kann, vermieden wird.
hi einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Verfahrensschritt a) die Messung und/oder Bestimmung des Schnittmoments und/oder der benötigten Vorschubkraft des Bohrwerkzeugs bei jeweils drei zeitlich nacheinander erfolgenden Bohrungen. Zudem erfolgt im Verfahrensschritt b) ein Vergleich der gemessenen Werte des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung mit den Werten des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der ersten Bohrung, wobei eine Anzeige einer Veränderung des Bohrwerkzeugs gemäß Verfahrensschritt c) dann erfolgt, wenn die Werte des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Boh- rang um mindestens 15 %, insbesondere um mindestens 20 %, über den Werten des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft der ersten Bohrung bei einem Länge zu Durchmesser- Verhältnis der Bohrung von 0,75 - 1,25, insbesondere ca. 1,0, liegen. Ein derartiger sequenzieller Vergleich von drei Bohrungen hat sich als besonders zuverlässig hinsichtlich der Anzeige und dem Erkennen einer Veränderung des Bohrwerkzeugs, insbe- sondere eines Schneidkantenausbruchs am Bohrwerkzeug erwiesen.
hi einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Vergleich gemäß Verfahrensschritt b) kontinuierlich. Damit ist es möglich, die Schneidkantenausbrüche direkt während der Herstellung der entsprechenden Bohrung zu detektieren und gegebenenfalls den Vorgang abzubrechen. Dabei kann bei einer Anzeige der Veränderung des Bohrwerkzeugs gemäß Verfahrensschritt c) ein automatischer Abbrach des aktuellen Bohrvorgangs erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Anzeige der Verän- derung des Bohrwerkzeugs gemäß Verfahrensschritt c) optisch und/oder akustisch. Damit wird dem Bediener des Bohrwerks vorteilhafterweise zeitnah und deutlich signalisiert, dass
es zu einer Veränderung des Bohrwerkzeugs und einer damit möglicherweise verbundenen Schädigung des zu bearbeitenden Werkstücks gekommen ist. Entsprechende Gegenmaßnahmen können dann vom Bediener unmittelbar durchgeführt werden.
5 In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das
Werkstück ein Bauteil eines Flugtriebwerks, eines Turbinengehäuses oder einer Gasturbine. Dabei können die Werkstücke insbesondere aus einer Nickelbasislegierung oder einer Titanbasislegierung bestehen. Bauteile von Flugtriebwerken bestehen insbesondere aus Nickelbasislegierungen, die unter den Handelsnamen INCONEL 718 oder Udimet 720 be-0 kannt sind. Zur Verwendung kommen bei derartigen Werkstücken und Bauteilen insbesondere Bohrwerkzeuge aus Hartmetall. Aber auch diamantbestückte Bohrwerkzeuge sind denkbar. Bei den genannten Bauteilen handelt es sich um so genannte kritische Bauteile, deren Fertigungsprozess höchsten Qualitätsanforderungen genügen muss. Durch das erfin- dungsgemäße Verfahren können zuverlässig mögliche Schädigungen derartiger Bauteile5 vermieden werden.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Messung des Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft gemäß Verfahrensschritt a) mit mindestens einem piezo-elektrischen Messwertaufnehmer oder einem auf Dehnmessstrei- o fen (DMS) basierenden Messwertaufnehmer. Es ist aber auch möglich, dass die Messung und/oder Bestimmung des Schnittmoments gemäß Verfahrensschritt a) mit einem Messaufnehmer zur Detektion eines in das rotierende Bohrwerkzeug eingeleiteten Drehmoments erfolgt. Des Weiteren ist es möglich, dass die Messung der Vorschubkraft gemäß Verfahrensschritt a) mit einem Kraftaufnehmer zur Detektion einer auf das rotierende Bohrwerk- 5 zeug wirkenden Kraft erfolgt. Des Weiteren ist es möglich, dass die Bestimmung des
Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft gemäß Verfahrensschritt a) indirekt mittels einer Messung der von einem Spindelmoter einer das Bohrwerkzeug antreibenden Bohrmaschine aufgenommenen Wirkleistung erfolgt. Die genannten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erlauben eine zuverlässige Messung und Bestimmung des o Schnittmoments und/oder der Vorschubkraft des Bohrwerkzeugs.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Ergebnisse einer Versuchsreihe mit sechs vergleichbaren Bohrwerkzeugen anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
Figur 1 einen Vergleich der gemessenen Schnittmomente von jeweils drei vergleichbaren Bohrwerkzeugen zweier unterschiedlicher Produktionschargen; und
Figur 2 einen Vergleich der gleichzeitig auftretenden Vorschubkräfte bei den zu vergleichenden Bohrwerkzeugen.
Figur 1 zeigt ein Diagramm mit einem Vergleich der gemessenen Schnittmomente von jeweils drei vergleichbaren Bohrwerkzeugen zweier unterschiedlicher Produktionschargen. Unter vergleichbaren Bohrwerkzeugen wird dabei verstanden, dass sowohl das Material des Bohrwerkzeugs wie auch dessen Durchmesser identisch oder vergleichbar ist. Bei der dargestellten Versuchsreihe wurde ein Bohrwerkzeug mit Durchmessern von 7,1 - 7,2 mm verwendet, wobei die Bohrwerkzeuge aus Hartmetall bestehen. Die Schnittgeschwindigkeit bei allen Bohrversuchen betrug 15 - 16 m/min, die Vorschubgeschwindigkeit 0,03 - 0,04 mm/min. Der ersten Bohrwerkzeugscharge werden die Bohrwerkzeuge mit den Nummern 3, 6 und 13_2, den Bohrwerkzeugen der zweiten Produktionscharge die Nummern 13, 18 und 20 gegenübergestellt. Die Zuordnung gilt auch für den in Figur 2 diagrammartig dargestellten Vergleich der gleichzeitig auftretenden Vorschubkräfte der jeweiligen Bohrwerkzeuge. An den Bohrwerkzeugen 3 und 6 erfolgte jeweils ein Vergleich der gemessenen Werte des Schnittmoments und der Vorschubkraft der dritten Bohrung mit den Werten des Schnittmoments und der Vorschubkraft der zeitlich vorhergehenden ersten Bohrung. Bei den Bohrwerkzeugen 13_2, 13 und 20 erfolgte ein Vergleich der gemessenen Werte des Schnittmoments und der Vorschubkraft der fünften Bohrung mit den Werten des Schnittmoments und der Vorschubkraft der zeitlich vorhergehenden ersten Bohrung. Bei dem Bohrwerkzeug 18 erfolgte der Vergleich des Schnittmoments und der Vorschubkraft der sechsten Bohrung mit denen der ersten Bohrung.
Aus den Figuren 1 und 2 wird deutlich, dass Schneidkantenausbrüche deutliche Schnittmoment- und Vorschubkrafterhöhungen verursachen. Insbesondere liegen die Werte des Schnittmoments und der Vorschubkraft der zuletzt erfolgten Bohrung um mindestens 15 % über den Werten des Schnittmoments und der Vorschubkraft von einer der letzten Bohrung zeitlich vorhergehenden Bohrung. Dabei liegt das Länge zu Durchmesser- Verhältnis der Bohrung in einem Bereich 0,5, vorzugsweise 0,75, insbesondere zwischen 0,75 und 1,25. Des Weiteren erkennt man, dass sich der Anstieg der Vorschubkraft und des Schnittmoments im Laufe der zeitlich nacheinander durchgeführten Bohrungen sich deutlich von der Entwicklung dieser Kräfte bei einem normalen abrasiven Verschleiß der Bohrwerkzeuge unterscheidet. Im rechten Bereich der Diagramme gemäß Figur 1 und Figur 2 wird dies deutlich. So beträgt bei einem normalen abrasiven Verschleiß der Unterschied im Schnittmoment zwischen der sechsten Bohrung und der ersten Bohrung bei dem Bohrwerkzeug 18 weniger als 10 %. Bei den Bohrwerkzeugen 13 und 20 ist dieser Unterschied noch geringer. Entsprechendes gilt für die Entwicklung der Vorschubkraft. Durch die mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren durchgeführte Versuchsreihe konnte dargelegt werden, dass die in einer Charge vermehrt auftretenden Schneidkantenausbrüche produktionsbedingt, z.B. Bohrer-Chargen bedingt sind.
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