WIRTZ, Guido (Lievergesberg 74, Köln, 50769, DE)
KAMPS, Sascha (Bicherrouxstraße 15, Herzogenrath, 52134, DE)
KLOCKE, Fritz (Heidweg 53, Aachen, 52076, DE)
WIRTZ, Guido (Lievergesberg 74, Köln, 50769, DE)
KAMPS, Sascha (Bicherrouxstraße 15, Herzogenrath, 52134, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Durchführung von Tiefbohrungen mit einem Einlippenbohrer (2), bei welchem Kühlschmierstoff (3) durch das Innere eines Einlippenbohrers (2) zu dessen Bohrkopf (4) zugeführt wird und der Kühlschmierstoff (3) als Flüssigkeitsstrahl zusammen mit Spänen (6), die vom Bohrlochgrund abgetragen werden, aus dem Bohrloch austritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl mit den Spänen (6) auf ein Prallelement (9) auftrifft und in diesem Prallelement (9) durch die auftreffende Flüssigkeit und die Späne (6) Körperschallwellen erzeugt werden, die sich im Prallelement (9) ausbreiten und mittels wenigstens eines am Prallelement (9) befestigten Körperschallsensors (11) erfasst und in ein elektrisches Signal gewandelt werden, insbesondere wobei in Abhängigkeit dieses Signals eine Bohrvorrichtung zum Antrieb des Einlippenbohrers (2) gesteuert und/oder geregelt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das Auftreffen der Späne (6) Körperschall zumindest überwiegend in einem ersten Frequenzbereich und durch den Kühlschmierstoff (3) Körperschall zumindest überwiegend in einem zweiten Frequenzbereich, insbesondere im Bereich kleinerer Frequenzen, erzeugt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die auftreffenden Späne (6) im Prallelement (9) insbesondere transversale Körperschallwellen mit einer Frequenz zumindest überwiegend in einem Bereich von 200 kHz bis 500 kHz erzeugt werden und/oder durch den auftreffenden Kühlschierstoff (3) im Prallelement (9) insbesondere transversale Körperschallwellen in einem Frequenzbereich kleiner gleich 150 kHz erzeugt werden. 4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem elektrischen Signal des Körperschallsensors (11) als Nutzsignal die Frequenzanteile in dem ersten Frequenzbereich verwendet werden, insbesondere Frequenzen kleiner 200 KHz, bevorzugt auch größer 500 kHz ausgefiltert und verworfen werden. 5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal gleichgerichtet, gemittelt und kontinuierlich, insbesondere mit einer Abtastrate von mehreren 10 kHz, bevorzugt 60 kHz, erfasst wird. 6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Höhe der Peaks im elektrischen Signal die Masse der auftreffenden Späne (6) ermittelt wird und/oder aus dem zeitlichen Abstand der Peaks die Spanfolgefrequenz ermittelt wird. 7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des elektrischen Signals und/oder daraus ermittelter Informationen eine Bohrvorrichtung gesteuert und/oder geregelt wird, insbesondere bei Über-/Unterschreiten von gespeicherten Grenzwerten die Bohrvorrichtung gestoppt wird. 8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die von dem Körperschallsensor (11) erfassten Signale gespeichert und statistisch ausgewertet werden, insbesondere im Anschluß an eine Bohrung. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der statistischen Auswertung Häufigkeitsverteilungen bzgl. der Spanmasse und/oder Amplitude des Signals und/oder der Spanfrequenz/Span-zu-Span- Zeit erstellt werden. 10. Spandetektor einer Einlippenbohrvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Prallelement (9) mit einer Ausnehmung (10) umfasst, durch welche ein Einlippenbohrer (2) hindurchführbar ist, mit einem Auftreffbereich (9a) für Bohrspäne (6) mitführendes Kühlschmiermittel (3), der um die Ausnehmung (10) angeordnet ist, wobei an dem Prallelement (9) beabstandet zur Ausnehmung (10) ein Körperschallsensor (11) befestigt ist, mit dem Körperschallwellen erfassbar und in ein elektrisches Signal wandelbar sind, die durch auftreffende Späne (6) und Kühlschmiermittel (3) im Prallelement (9) erzeugbar sind. 11. Spandetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallelement (9) als eine Platte aus Keramik oder Glas ausgebildet ist. 12. Spandetektor nach einem der vorherigen Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor (11) auf der Oberfläche des Prallelementes (9) montiert ist, insbesondere wobei der Körperschallsensor (11) durch ein Schutzelement (12) von Kühlschmiermittel (3) und/oder Spänen (6) abgeschirmt ist. 13. Spandetektor nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er im Spanraum (14) zwischen Werkstück (7) und Spannhülse (1), insbesondere zwischen einer Bohrbuchse (8) und Spannhülse (1) angeordnet ist. 14. Spandetektor nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallelement (9) durch eine Wandung des Spanraumes (14) ausgebildet ist. 15. Spandetektor nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Körperschallsensor (11 ) eine Elektronik zur Verarbeitung des aufgenommenen Signals nachgeordnet ist, insbesondere die ein Eingangssignal / eine Eingangsinformation bereitstellt für eine Steuerung / Regelung einer Einlippenbohrvorrichtung in Abhängigkeit dieses Eingangssignals / dieser Eingangsinformationen und/oder mit der statistische Auswertungen durchführbar sind. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Tiefbohrungen, insbesondere mit einem Einlippenbohrer, bei welchem Kühlschmierstoff, insbesondere durch das Innere eines Bohrers, beispielsweise eines Einlippenbohrers, zu dessen Bohrkopf zugeführt wird und der Kühlschmierstoff als Flüssigkeitsstrahl zusammen mit Spänen, die vom Bohrlochgrund abgetragen werden, aus dem Bohrloch austritt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Spandetektor einer Bohrvorrichtung, insbesondere einer Einlippenbohrvorrichtung.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Bohrungen und hier insbesondere auch Tiefbohrungen mit dafür vorgesehenen Bohrern, wie beispielsweise Einlippenbohrern, zu erzeugen. Dabei wird unter einer Tiefbohrung im Wesentlichen eine solche Bohrung verstanden, deren Bohrungstiefe den Durchmesser der Bohrung um wenigstens das Dreifache übertrifft, wie es den VDI-Richtlinien 3208 bis 3210 zu entnehmen ist.
Es ist bei der Durchführung von Bohrungen grundsätzliches Ziel, die Zerspanungsleistung von Werkzeugen zu erhöhen. Beispielsweise kann dies geschehen durch die Steigerung des Zeitspanvolumens, somit also des zerspanten Materialvolumens pro Zeiteinheit. Hierdurch ergibt sich gleichsam die Notwendigkeit, für die Erhöhung der Zerspanungsleistung immer mehr zerspantes Material pro Zeiteinheit aus einer Bohrung herauszufordern und gegebenenfalls abzutransportieren.
Gerade in der eingangs genannten Tiefbohrtechnik stellt dies eine besondere Herausforderung dar, da die eingesetzten Tieflochbohrer, wie beispielsweise Einlippenbohrer, lediglich einen begrenzten Spanraum aufweisen. Hierbei ist weiterhin zu berücksichtigen, dass Tiefbohrungen, wie eingangs genannt, ein sehr großes Längen zu Durchmesser-Verhältnis aufweisen, so dass Späne, ausgehend von einem sehr tiefliegenden Bohrungsgrund, über die gesamte Länge der Bohrung aus einem Werkstück sicher herausgefördert werden müssen.
Sofern dies nicht gewährleistet werden kann, besteht die Gefahr eines Spänestaus innerhalb der Tieflochbohrung durch ein Verklemmen der durch den Bohrprozess fortwährend erzeugten Späne zwischen Bohrer und Bohrungswand. Hierdurch kann der Bohrer, insbesondere ein Einlippenbohrer, überlastet werden und brechen. Dies wird als besonders nachteilig empfunden, da neben den hohen Werkzeugkosten für den Ersatz eines Bohrers auch ein hoher Aufwand erfolgen muss, um den abgebrochenen Bohrer aus einer Bohrung zu entfernen.
Darüber hinaus entstehen durch das Verklemmen und der damit einhergehenden Quetschvorgänge Rauhheitsspitzen an der Bohrungswand, die gerade bei sicherheitskritischen Bauteilen, z.B. Turbinenelementen, einen Ausgangspunkt für Risse bilden können und somit hinsichtlich der Sicherheit eines herzustellenden Elementes als maßgeblich anzusehen sind.
Im Stand der Technik ist es bekannt, zum Schutz vor Spänestaus an Tiefbohrmaschinen einen Drucksensor in der Kühlschmiermittelzufuhr vorzusehen. Mittels eines solchen Drucksensors kann der Druck im Kühlschmiermittel überwacht werden, so dass die Möglichkeit besteht, bei einem Überschreiten eines zulässigen Höchstdrucks durch eine Verstopfung des Spanraums innerhalb eines definierten Zeitintervalls die Bearbeitung des Werkstücks durch die Maschine zu unterbrechen und beispielsweise eine Fehlermeldung auszugeben.
Derartige Maßnahmen haben sich jedoch als wenig sensitiv und insbesondere nicht als vorausschauend genug erwiesen, um erfolgreich eingesetzt werden zu können. Darüber hinaus ist eine derartige Messung des Drucks im Kühlschmierstoff zur Indikation eines Spänestaus auch schon aufgrund der räumlichen Distanz zwischen der Störstelle und der Sensorstelle sehr träge. Insbesondere bei kleinsten Bohrdurchmessern, beispielsweise unterhalb von 4 mm, reicht die Dynamik eines solchen Messsystems nicht aus, um noch eine wirksame Reaktion auf einen drohenden Bohrerbruch einleiten zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und auch einen Spandetektor bereitzustellen, mit welchem sehr sensitiv und vor allem auch frühzeitig ein Spänestau bei Tiefbohrungen erkannt werden kann, um sodann rechtzeitig Maßnahmen zur Vermeidung eines Bohrerbruchs einleiten zu können. Dabei ist es insbesondere auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Spandetektor bereitzustellen, welche bei besonders kleinen Bohrungsdurchmessern von beispielsweise kleiner 4 mm eingesetzt werden können, welche also auch genügend sensitiv auf derart geringe Spanmassen reagieren, die bei diesen geringen Bohrungsdurchmessern entstehen.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem gattungsgemäßen, eingangs genannten Verfahren dadurch erreicht, dass der Flüssigkeitsstrahl mit den Spänen auf ein Prallelement auftrifft und in diesem Prallelement durch die auftreffende Flüssigkeit und die Späne Körperschallwellen erzeugt werden, die sich im Prallelement ausbreiten und mittels wenigstens eines am Prallelement befestigten Körperschallsensors erfasst und in ein elektrisches Signal gewandelt werden, insbesondere wobei in Abhängigkeit dieses Signals eine Bohrvorrichtung zum Antrieb des Bohrers, insbesondere Einlippenbohrers, gesteuert und/oder geregelt wird.
Durchgeführt werden kann dieses Verfahren beispielsweise durch einen Spandetektor, einer Bohr-, insbesondere einer Einlippenbohrvorrichtung, der ein Prallelement mit einer Ausnehmung umfasst, durch welche ein Bohrer, insbesondere Einlippenbohrer, hindurchführbar ist, mit einem Auftreffbereich für Bohrspäne mitführendes Kühlschmiermittel, der um die Ausnehmung herum angeordnet ist, wobei an dem Prallelement beabstandet zur Ausnehmung ein Körperschallsensor befestigt ist, mit dem Körperschallwellen erfassbar und in ein elektrisches Signal wandelbar sind, die durch die auftreffenden Späne und das Kühlschmiermittel im Prallelement erzeugbar sind.
Die Erfindung macht sich hier zunutze, dass bei Tiefbohrverfahren zum einen aufgrund der Tiefe der Bohrung und der geringen Austrag soff nung zwischen Bohrer und Bohrungswandung ein stark gerichteter Strahl von Kühlschmiermittel entsteht, der aus dem Bohrloch bzw. dem verbleibenden Querschnitt zwischen Bohrer und Bohrlochwand stark gerichtet austritt und die vom Bohrungsgrund abgetragenen Bohrspäne mitführt.
In Ausbreitungsrichtung dieses Strahls ist es demnach erfindungsgemäß vorgesehen, eine Prallplatte anzuordnen, auf weiche dieser Kühlschmiermittelstrahl mit den mitgeführten Bohrspänen auftrifft. Dabei beschreibt der Kühlschmiermittelstrahl zusammen mit den mitgeführten Bohrspänen im Wesentlichen eine Kreisbahn auf dem Prallelement, da durch die Rotation des Bohrers der effektive Austrittsquerschnitt um die Rotationsachse des Bohrers mitrotiert wird. Es ist daher besonders vorteilhaft, das Prallelement mit einer Bohrung zu versehen, durch welche der benutzte Bohrer, insbesondere Einlippenbohrer, während des Bohrens hindurchgeführt wird, so dass der Bereich um diese Ausnehmung einen Auftreffbereich für den Kühlschmiermittelstrahl ausbilden kann und kontinuierlich während des Bohrprozesses der Kühlschmiermittelstrahl zusammen mit den Spänen auf die Prallplatte auftreffen kann.
Erfindungsgemäß ist es hier vorgesehen, den Effekt auszunutzen, dass zum einen der Kühlschmiermittelstrahl lediglich mit seinen Flüssigkeitsanteilen und zum anderen auch die mitgeführten, vergleichsweise härteren Späne beim Auftreffen auf die Oberfläche des Prallelements in diesem durch die Impulsübertragung Körperschallwellen erzeugen, die sich in der Prallplatte im Wesentlichen in alle Richtungen und insbesondere als transversale Körperschallwellen ausbreiten. Demnach ist es erfindungsgemäß vorgesehen, in einem Abstand von dem Auftreffbereich einen Körperschallsensor vorzusehen, mittels welchem die Körperschallwellen, die von den Flüssigkeitsanteilen sowie auch von den Spänen erzeugt werden, aufzunehmen und in ein elektrisches Signal zu wandeln, insbesondere wofür kommerziell erhältliche Körperschallsensoren, wie beispielsweise von der Firma Kistler zur Verfügung stehen.
Grundsätzlich wäre es ebenso denkbar, mittels eines Prallelements, auf weiche die Flüssigkeit des Schmiermittels sowie auch die Späne auftreffen, andersartige Signale elektrischer Art zu erzeugen, wie beispielsweise durch Beschleunigungs-, Weg- oder Lagesensoren, die an einem solchen Prallelement angeordnet sein können. Hier hat es sich jedoch gezeigt, dass die Sensitivität, insbesondere das Signal-Rausch-Verhältnis des Nutzsignals, welches durch die Späne erzeugt wird, bezüglich des Untergrundsignals, welches durch den Kühlschmiermittelstoff erzeugt wird, nicht ausreichend hoch ist, was im Wesentlichen damit begründet werden kann, dass die Masse der Späne im Vergleich zur Masse des Kühlschmierstoffstrahls nicht ausreichend ist, urn eine genügend große Auslenkung, Beschleunigung oder Lageänderung einer Prallplatte hervorzurufen, um diese Änderung signifikant mit einem entsprechend dafür vorgesehenen Sensor erfassen zu können.
Es zeigt sich jedoch demgegenüber bei der Zugrundelegung einer Körperschallerfassung der besondere Vorteil, dass sich die mitgetragenen Späne von der Kühlflüssigkeit durch ihre Materialeigenschaften, nämlich ihre besondere Festigkeit /Härte im Vergleich zur Flüssigkeit unterscheiden und hierdurch signifikante Unterschiede bei der Erzeugung von Körperschall, einerseits durch die Späne und andererseits durch die Kühlschmiermittelflüssigkeit, entstehen, die zu einem genügend hohen Signalrauschverhältnis zwischen dem Körperschall beitragen, der durch die Späne einerseits und andererseits durch das Kühlschmiermittel erzeugt wird. So wird nämlich der Impuls der Flüssigkeitsanteile aufgrund der fluiden Eigenschaften über ein vergleichsweise langes Zeitintervall auf das Prallelement übertragen, hingegen der Impuls der Späne aufgrund der Festigkeit in einem sehr kurzen Zeitintervall, wodurch der Körperschall, der von Spänen erzeugt wird zum einen ein breiteres Frequenzspektrum und insgesamt höhere Frequenzen umfasst als der Körperschall, der von der Flüssigkeit erzeugt wird.
Es ist dabei erfindungsgemäß besonders bevorzugt vorgesehen, einen Körperschallsensor zu verwenden, der eine hohe Sensitivität im Körperschallfrequenzbereich bis zu 500 Kilohertz aufweist und das Verfahren und die Vorrichtung derart auszubilden, dass die auftreffenden Späne im Prallelement insbesondere transversale Körperschallwellen mit einer Frequenz zumindest überwiegend in einem Bereich von 200 Kilohertz bis 500 Kilohertz erzeugen und/oder durch den auftreffenden Kühlschmierstoff im Prallelement, insbesondere transversale Körperschallwellen in einem Frequenzbereich kleiner gleich 150 Kilohertz erzeugt werden.
Beispielsweise kann dies erzielt werden, wenn als Prallelement besonders bevorzugt eine Platte aus Keramik oder Glas eingesetzt wird. Bei dieser entsprechenden Kombination einerseits der metallischen Späne und des Kühlschmierstoffs sowie andererseits der eingangs genannten Plattenmaterialien können Frequenzbereiche der jeweils erzeugten Körperschallwellen durch die Späne und des Schmierstoffs erzielt werden, die genügend weit auseinanderliegen, um eine ausreichende Diskriminierung im elektrischen Signal vornehmen zu können.
So ist es allgemein gemäß der Erfindung bevorzugt vorgesehen, insbesondere die Materialien des Prallelementes sowie den auszuwählenden Körperschallsensor derart zu wählen, dass durch das Auftreffen der Späne insbesondere mit einer vergleichsweise hohen Wahrscheinlichkeit ein Körperschallwellensignalanteil in einem ersten Frequenzbereich und durch den Kühlschmierstoff Körperschallwellen in eine zweiten Frequenzbereich, insbesondere im Bereich kleinerer Frequenzen, erreicht wird, um im Zuge einer Signalverarbeitung der zur Verfügung gestellten Signale des Körperschallsensors eine Filterung von Frequenzanteilen vornehmen zu können, mit der die Frequenzanteile des ersten Frequenzbereichs, welcher auf die Späne zurückzuführen ist, ausgefiltert werden kann aus dem Gesamtsignal und hierbei bevorzugt Frequenzanteile, die in dem zweiten Bereich angeordnet sind und auf den Kühlschmierstoff zurückzuführen sind, unterdrückt werden können.
Beispielsweise kann dies durch eine Bandpassfilterung erzielt werden, welche die beiden Frequenzbereiche ausreichend diskriminiert und diejenigen Frequenzen des ersten Bereichs passieren lässt. Bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführung kann es demnach vorgesehen sein, aus dem elektrischen Signal des Körperschallsensors Frequenzanteile kleiner 200 Kilohertz und bevorzugt auch größer 500 Kilohertz auszufiltern und zu unterdrücken bzw. zu verwerfen, insoweit also in dem zwischenliegenden Frequenzbereich von 200 bis 500 Kilohertz das Signal der weiteren folgenden Signalverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Dabei kann es in der weiteren Verarbeitung vorgesehen sein, das elektrische Signal gleichzurichten, zu mittein und kontinuierlich mit einer Abtastrate zu erfassen, beispielsweise mit einer Abtastrate von mehreren 10 Kilohertz, besonders bevorzugt von 60 Kilohertz. Es besteht dabei erfindungsgemäß und vorteilhaft die Möglichkeit, aus der Höhe der Signalspitzen die Masse der auftreffenden Späne zu ermitteln und/oder aus dem zeitlichen Abstand der Signalspitzen die Spanfolgefrequenz bzw. Span-zu-Span-Zeit zu ermitteln.
So kann beispielsweise durch Beobachtung der Spanfolgefrequenz eine Information darüber gewonnen werden, ob ein kontinuierlicher und ausreichender Späneabtransport aus der Bohrung erzielt wird. Verringert sich die Spanfolgefrequenz, kann dies beispielsweise darauf zurückzuführen sein, dass sich ein Spänestau ankündigt, so dass in Abhängigkeit dieser Information eine Vorrichtung zum Antrieb des Bohrers, insbesondere des Einlippenbohrers, entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden kann, gegebenenfalls gestoppt werden kann. Insbesondere kann es allgemein vorgesehen sein, in Abhängigkeit des elektrischen Signals, welches der Körperschallsensor zur Verfügung stellt und/oder daraus ermittelter Informationen, eine Bohrvorrichtung zu steuern oder zu regeln und insbesondere bei einem Über- oder Unterschreiten von gespeicherten Grenzwerten die Bohrvorrichtung zu stoppen oder deren Geschwindigkeit zu reduzieren. Es besteht so während des Bohrvorgangs die Möglichkeit, den Späneabtransport elektronisch zu überwachen und bei eventuellen, sich abzeichnenden Fehlern oder problematischen Situationen aktiven Eingriff zu nehmen und die Bohrvorrichtung derart zu regeln oder zu stoppen, dass eine Gefahrensituation, insbesondere ein Bohrerbruch, vermieden wird.
Es kann in einer Weiterbildung des Verfahrens auch vorgesehen sein, die von dem Körperschallsensor erfassten Signale oder auch daraus ermittelter Informationen zu speichern und/oder statistisch auszuwerten, wobei eine solche Auswertung sowohl bereits während als auch besonders bevorzugt im Anschluss an eine Bohrung durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann in der statistischen Auswertung eine Häufigkeitsverteilung erstellt werden bezüglich der Spanmasse und/oder Amplitude des aufgenommenen Signals und/oder der Spanfrequenz bzw. Span-zu-Span-Zeit, um beispielsweise aus diesen statistischen Informationen, die beispielsweise aus einer Probebohrung resultieren, Grenzwerte für den Vergleich der aufgenommenen Signale oder daraus abgeleiteter Informationen bei zukünftigen Bohrungen bereitstellen zu können und anhand dieser sodann gespeicherten Werte, die aus diesen statistischen Informationen resultieren, eine Bohrvorrichtung zu steuern oder zu regeln bzw. zu stoppen.
Die Ermittlung der Spanmasse eines jeden einzelnen Spans, welcher auf ein Prallelement auftrifft, kann dabei beispielsweise aus der Höhe der Signalspitzen erfolgen, da Späne mit einer höheren Masse ein höheres elektrisches Signal, d.h. im Wesentlichen einen Körperschall mit höherer Amplitude erzeugen als Späne mit einer kleineren Masse. Eine tatsächliche Zuordnung der realen Masse zur Höhe des Signals ist dabei konkret durch eine Vergleichsmessung bzw. Eichmessung möglich.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Geschwindigkeit des Kühlschmiermittels bzw. auch der Späne auf dem Prallelement ermittelt wird aus dem an sich bekannten Durchfluss des Kühlschmiermittels, der durch die Bohrvorrichtung gegeben ist und dem bekannten Austrittsquerschnitt, der dem Kühlschmiermittel zusammen mit den Spänen zwischen dem Bohrer, insbesondere Einlippenbohrer und der Bohrungswandung zur Verfügung steht.
Bei einem Einlippenbohrer ergibt sich diese insbesondere aus dem Querschnitt der Sickenfläche, die sich über die gesamte Bohrlänge eines Einlippenbohrers auf dessen Oberfläche erstreckt. In Kenntnis der so berechneten Geschwindigkeit sowohl des Kühlschmiermittels als auch der damit mitgeführten Späne als auch einer Information über das gesamte, während einer Bohrung abgetragene Material, welches aus dem Bohrungsquerschnitt und der Bohrungstiefe anhand der Materialdichte ermittelt werden kann, besteht insoweit eine Eichungsmöglichkeit als dass während der gesamten Bohrzeit das elektrische Signal, welches auf die Späne zurückzuführen ist, aufintegriert wird und somit ein Signal für die während dieser Zeit übertragenen Impulse repräsentiert.
Da die Gesamtmasse und weiterhin aus der eingangs genannten ermittelten Information über die Geschwindigkeit die Höhe des Gesamtimpulses bekannt ist, der mit den Spänen übertragen wurde, kann somit aus dem Integral eines einzelnen Pulses und somit im Wesentlichen aus der Information seiner Höhe, da dessen Abfallzeit grundsätzlich bekannt ist, eine Information über den Impuls des jeweiligen auftreffenden Spans erhalten werden und damit aufgrund der bekannten Geschwindigkeit auch seiner Masse. Es besteht somit während des Bohrverfahrens die Möglichkeit, die Massen der einzelnen Späne zu registrieren und der eingangs genannten statistischen Auswertung zu unterziehen.
Um weiterhin zu erzielen, dass ein sauberes Signal am Körperschallsensor abgegriffen werden kann, kann es in einer bevorzugten Weiterbildung eines Spandetektors vorgesehen sein, dass der Körperschallsensor auf der Oberfläche des Prallelementes montiert ist, insbesondere in einem genügenden Abstand zur Auftrefffläche der Späne, um ein direktes Auftreffen von Spänen auf den Körperschallsensor zu vermeiden, wobei es weiterhin auch vorgesehen sein kann, den Körperschallsensor durch ein Schutzelement abzuschirmen, welches den Körperschallsensor sowohl vor direkt auftreffenden Spänen als auch vor auftreffenden Kühlschmiermittel schützt.
Bevorzugt ist es weiterhin vorgesehen, einen erfindungsgemäßen Spandetektor, der im Wesentlichen das Prallelement, insbesondere eine Prallplatte und den daran angeordneten Körperschallsensor umfasst, im Spanraum zwischen Werkstück und Spannhülse, insbesondere zwischen einer Bohrbuchse und Spannhülse, anzuordnen. Hierbei kann es grundsätzlich in einer Ausführungsform auch vorgesehen sein, ein Prallelement nicht durch ein separates einzusetzendes Element auszubilden, sondern durch eine Wandung des Spanraums, die ohnehin in einer Bohrvorrichtung vorhanden ist.
Eine Elektronik zur Durchführung beispielsweise der eingangs genannten Filterungen, gegebenenfalls auch Verstärkungen, der Abtastung sowie auch Speicherung und gegebenenfalls auch der statistischen Auswertung, kann dem Körperschallsensor des Spandetektors nachgeordnet sein und beispielsweise in einer Datenverarbeitungsanlage realisiert sein. Es besteht hier die Möglichkeit, mit dieser Elektronik das Eingangssignal des Körperschallsensors, z.B. in Zeitschlitzen zu erfassen und aufzubereiten und hierbei unmittelbar dieses Signal oder daraus gewonnene Informationen bereitzustellen für eine Steuerung oder Regelung einer Bohrvorrichtung und insbesondere einer Einlippenbohrvorrichtung, um somit eine Steuerung oder Regelung in Abhängigkeit dieser Signale oder Informationen durchführen zu können.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine Bohrvorrichtung mit einem Spandetektor der erfindungsgemäßen Art zur Durchführung des Verfahrens Figur 2 eine beispielhafte Signaldarstellung der elektrischen Signale, die bei der Durchführung des Verfahrens gewonnen werden Figur 3 eine statistische Verteilung der Span-zu-Span-Zeit bzw. der
Spanfolgefrequenz Figur 4 eine statistische Verteilung der Signalamplituden und damit der
Impulse bzw. Massen der erfassten Späne
Die Figur 1 zeigt in der Übersicht eine Vorrichtung, umfassend einen erfindungsgemäßen Spandetektor, wobei hier zu erkennen ist, dass in einer Spannhülse 1 einer ansonsten nicht weiter gezeigten Bohrvorrichtung, ein Einlippenbohrer 2 eingespannt ist, wobei in Pfeilrichtung Tiefbohröl 3 bzw. allgemein Kühlschmiermittel durch die Spannhülse und durch das Innere des Einlippenbohrers 2 zu dessen Bohrkopf 4 zugeführt wird. Das Kühlschmiermittel kann an der Austrittsöffnung im Bohrkopf austreten und somit für eine ausreichende Schmierung und Kühlung des Bohrgrundes und des Einlippenbohrers 2 beitragen. Geführt über die auf der Oberfläche des Einlippenbohrers 2 dargestellte sickenförmige Vertiefung 5 kann das Kühlschmiermittel 3 zusammen mit Spänen 6 austreten und die Bohrung im Werkstück 7 verlassen.
Dabei ist hier eine Ausführung gezeigt, bei der der Einlippenbohrer 2 durch eine Anbohrbuchse 8 an das Werkstück 7 angesetzt wird, um den Bohrer 2 zu führen beim ersten Anbohren. Alternativ ist es hier ebenso möglich, zunächst eine Pilotbohrung zu setzen und dann erst den Bohrvorgang mit einem Einlippenbohrer fortzuführen. In einem solchen Fall kann die hier dargestellte Anbohrbuchse 8 auch entfallen.
Erfindungsgemäß ist es hier vorgesehen, dass um den Einlippenbohrer 2 in dem hiergezeigten Spänekasten 14 ein Prallelement 9 angeordnet ist, welches eine Bohrung 10 aufweist, durch die der Einlippenbohrer 2 hindurchgeführt ist. Die Ausschnittsdarstellung Figur 1a zeigt dabei schematisch das Auftreffen von Spänen und Kühlschmiermittel in einem im Wesentlichen kreisförmigen Bereich 9a des Prallelementes 9, der um den Einlippenbohrer 2 herum angeordnet ist. Durch das Auftreffen sowohl des Kühlschmiermittels 3 als auch der Späne 6, die mit diesem mitgeführt werden, wird ein jeweiliger Impuls auf das Prallelement 9 übertragen, welches beispielsweise keramisch oder aus Glas ausgebildet sein kann, so dass in dem Prallelement Körperschallwellen entstehen, die sich wie durch die Pfeile in der Figur 1a dargestellt ausbreiten.
Der Körperschall erreicht daraufhin einen Körperschallsensor 11 , der in einem Abstand zu der Auftreffregion 9a an dem Prallelement, insbesondere auf dessen Oberfläche befestigt ist und den empfangenen Körperschall in ein elektrisches Signal wandelt. Beispielsweise durch einen Kabelanschluss, welcher hier nicht näher dargestellt ist, kann das elektrische Signal vom Körperschallsensor 11 abgenommen und z.B. mit einer Datenverarbeitungsanlage einer weiteren Aufbereitung / Auswertung zugeführt werden, wie beispielsweise der im allgemeinen Teil der Beschreibung beschriebenen Filterung, gegebenenfalls Verstärkung statistischer Auswertungen sowie Steuerung oder Regelung der Bohrvorrichtung.
Es ist hier weiterhin erkennbar, dass ein Spritzschutz 12 vorgesehen ist, der verhindert, dass sowohl Kühlschmiermittel als auch Späne 6 auf direktem Wege an den Körperschallsensor 11 anschlagen und hierdurch gegebenenfalls das Messergebnis verfälschen. Der Spandetektor, der hier im Wesentlichen durch das flächige Prallelement 9 (Prallplatte) und den daran angeordneten Körperschallsensor 11 ausgebildet ist, kann hier beispielsweise mittels eines Befestigungsbleches 13 in dem sogenannten Spänekasten 14 einer Tiefbohrvorrichtung angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die hier dargestellte Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens hat den besonderen Vorteil, dass aufgrund der Impulsübertragung, die dem Verfahren zugrunde liegt und der damit einhergehenden Körperschallerzeugung, ein hochempfindliches Verfahren bereitgestellt wird, mit dem auch Späne kleinster Massen detektiert werden können und somit auch besonders kleine Bohrungen von Durchmessern kleiner 4mm kontinuierlich überwacht werden können.
Das Verfahren hat unter Einsatz der hier dargestellten Vorrichtung darüber hinaus auch den Vorteil, dass nicht nur die Span-zu-Span-Zeiten überwacht werden können, sondern insbesondere auch die Spanmassen selbst durch eine vorherige Kalibrierung, wie im allgemeinen Teil beschrieben, um auch ungünstige Spanformen / Spanmassen während des Bohrprozesses erkennen zu können und so einen sich ankündigenden Spänestau zu vermeiden. Das Verfahren trägt somit in Verbindung mit der Vorrichtung dazu bei, sichere Tiefbohrungen durchzuführen und damit eine hohe Oberflächenqualität der Bohrwandungen zu erzielen, da sich ankündigende Spänestaus sicher erkannt und vermieden werden können. So kann z.B. die Signalhöhe als Maß für die Spanmasse überwacht werden und bei einem Überschreiten und/oder Unterschreiten eines gespeicherten Grenzwertes die Vorrichtung in Abhängigkeit hiervon gesteuert / geregelt werden.
Die Figur 2 zeigt in der Übersicht das elektrische Signal, welches durch den Körperschallsensor bereitgestellt wird und welches den jeweiligen Körperschallwellen entspricht, die durch die Späne bzw. das Kühlschmiermittel erzeugt werden. Erkennbar ist hier, dass auf einem Untergrundrauschen, welches im Wesentlichen durch die Schmiermittelflüssigkeit gegeben ist, sich deutliche Signalspitzen abzeichnen von unterschiedlicher Höhe, wobei diese Signalspitzen jeweiligen auftreffenden Spänen und die damit einhergehenden Körperschallsignale repräsentieren. Die verschiedenen Höhen entsprechen dabei verschieden starken Amplituden des Körperschalls und damit unterschiedlichen übertragenen Impulsen, insoweit also unmittelbar, da die Geschwindigkeit der Späne im Kühlschmiermittel konstant ist, die Masse der Späne. Der Abstand der Späne repräsentiert hier die Span-zu-Span-Zeit bzw. die Spanfrequenz und kann darüber hinaus ebenso Aufschluss geben über sich ankündigende Spänestaus.
Figur 3 zeigt beispielhaft eine Auswertung der Span-zu-Span-Zeit und deren zeitliche Verteilung in einem Histogramm. Auch aus einem solchen Histogramm kann eine Information über die Bohrgüte gewonnen werden, bzw. können auch Vergleichwerte ermittelt und gespeichert werden, die einem späteren Bohrprozess zum Zweck der Steuerung / Regelung zugrunde gelegt werden, beipielsweise durch Ermittelung von Maximum und/oder Minumun und/oder Mittelwert.
Figur 4 zeigt darüber hinaus eine statistische Verteilung und damit ein Histogramm der entstehenden Amplituden bei den Körperschallsignalen. Dieses Histogramm repräsentiert damit gleichsam die Verteilung der Spänemassen, die während des Bohrprozesses entstanden sind. Auch hieraus können Vergleichwerte ermittelt und gespeichert werden, die einem späteren Bohrprozess zum Zweck der Steuerung / Regelung zugrunde gelegt werden, beipielsweise durch Ermittelung von Maximum und/oder Minumun und/oder Mittelwert.
Die Histogramme, wie sie beispielsweise den Figuren 3 und 4 zu entnehmen sind, können dabei die Grundlage bieten für Schwellwerte, die einer Steuerung oder Regelung einer Bohrvorrichtung zugrunde gelegt werden können. Beispielsweise kann aus der Signalspitze oder allgemein aus der Verteilung der Span-zu-Span- Zeit, wie sie in der Figur 3 erkennbar ist, eine mittlere gewünschte Spanfolgezeit abgeleitet werden, um sodann bei einem Überschreiten einer so festgelegten Spanfolgezeit auf einen Spänestau rückschließen zu können.