Sensorischer Werkzeughalter

Werkzeughalter initiiert Werkzeugwechsel

| Autor / Redakteur: Lennart Riehle / Andrea Gillhuber

Funktionsprinzip des sensorischen Werkzeughalters Spike von pro-micron.
Funktionsprinzip des sensorischen Werkzeughalters Spike von pro-micron. (Bild: pro-micron)

Hat mein Werkzeug das Standzeitende wirklich schon erreicht? Diese Frage stellen sich Maschinenbediener und Prozessingenieure täglich, auch beim Gewindefräsen. Ein sensorischer Werkzeughalter verspricht Antworten.

Hat das Werkzeug seine Standzeit schon erreicht? Um sicher zu sein, wird bei qualitätssensiblen Werkstücken der laufende Zerspanungsprozess häufig unterbrochen, um Werkzeug und Werkstück zu vermessen. Das ist zeitaufwendig und unterbricht den Fertigungsprozess auf Kosten der Produktivität.

Werkzeugstand entscheidend für die Qualität

So auch im folgenden Gewindefräsprozess, bei dem der Werkzeugzustand entscheidend für die Qualität der einzelnen Gewinde im Werkstück ist. Das Bauteil selbst wird in einer Vielzahl von Bearbeitungsschritten gefertigt und jede einzelne Gewindefräsung entscheidet über die Qualität des ganzen Werkstücks: Kann es verwendet werden oder ist es Ausschuss? Vor allem bei Zerspanungsprozessen bei der Herstellung von hochwertigen Werkstücken, beispielsweise Motorblöcken oder Getrieben, ist die Qualität von entscheidender Bedeutung. Das oben beschriebene Werkstück wird im Dreischichtbetrieb ganzjährig gefertigt; insgesamt werden Stückzahlen im fünfstelligen Bereich hergestellt. Für den Prozess wird ein 7-schneidiger Gewindefräser mit 13 Zähnen pro Schneide eingesetzt.

Kraftmessung während der Bearbeitung

Im Versuch hat sich pro-micron die Aufgabe gestellt, den Werkzeugwechsel anhand des tatsächlich erfolgten Verschleisses zu initialisieren, und dafür anstelle des gewöhnlichen Werkzeughalters HSK-50 PG25 den sensorischen Werkzeughalter Spike in der Variante HSK 50 PG 25 eingesetzt. So konnten die am Werkstück entstehenden Kräfte – die Axialkraft, das Drehmoment, das Biegemoment in X- und Y-Richtung, die Temperatur – während des Bearbeitungsprozesses gemessen werden.

Über die Maschinenschnittstelle ist das Überwachungstool Spike-easyinline angeschlossen. Durch das in die Maschinensteuerung integrierte System konnte mittels eines M-Befehls im Maschinenprogramm die Messung zum vordefinierten Zeitpunkt initialisiert und mitgeschrieben werden. Die Prozessanalyse sowie die Datenverwaltung findet online statt.

Das Biegemoment in X- und Y-Richtung wird in Polarplotform dargestellt.
Das Biegemoment in X- und Y-Richtung wird in Polarplotform dargestellt. (Bild: pro-micron)

Die ermittelten Daten – in diesem Fall die als Biegemoment in X- und Y-Richtung ermittelten und in Form des Spike-Polarplots dargestellten Kraftpunkte (Bild links) – zeigen, wie mit zunehmendem Einsatz des Werkzeugs die Fläche des Polarplots im Koordinatensystem zunimmt. Deutlich sieht man im Inneren die in Blau dargestellten sieben Schneiden des neuwertigen Werkzeugzustands und wie der Polarplotumfang mit zunehmendem Verschleiss – dargestellt in den Farben Braun, Lila, Türkis, Grün, Gelb und Violett – den Kraftzuwachs darstellt.

Parallel wurden bereits eingesetzte Werkzeuge verschleissbezogen vermessen und der jeweils erreichten Anzahl von Fräsungen zugeordnet. Deutlich erkennbar ist, dass die einzelnen Werkzeuge keine Korrelation zwischen dem in Millimeter gemessenen Verschleiss und der Anzahl der Fräsungen aufweisen.

Möchte man auf der sicheren Seite sein, muss also weiterhin jedes Werkzeug und Werkstück im Prozess vermessen werden oder die geringste Anzahl Fräsungen als Werkzeugtauschinitiator verwendet werden. Auf diese Weise wird jedoch in den meisten Fällen die Standzeit des Werkzeugs nicht voll ausgeschöpft werden.

Um einen alternativen Weg zu beschreiten, wurden nun die mit dem Spike erzeugten Polarplots in Spike-KPIs (Key Performance Indikator) der Flächenkennzahl umgerechnet und auf der X-Achse im Bild unten dem tatsächlich gemessenem Werkzeugverschleiss auf der Y-Achse gegenübergestellt.

Korrelation zwischen der Flächenkennzahl und dem Verschleiß des Werkzeugs.
Korrelation zwischen der Flächenkennzahl und dem Verschleiß des Werkzeugs. (Bild: pro-micron)

Dynamischer Werkzeugwechsel

Schnell wird die Korrelation zwischen der Flächenkennzahl und dem Verschleiss deutlich. Nun bietet es sich an, den Werkzeugwechsel durch den Biegemoment-basierten Spike-KPI an der orangen Linie bei 4300 zu veranlassen, weil das der Zeitpunkt ist, an dem das Werkzeug noch nachgeschliffen werden kann. Oder man nimmt das Werkzeug komplett aus dem Verkehr, wenn die für den Prozess erlaubte maximale Verschleissgrenze bei einem Spike-KPI der blauen Linie von 20.800 erreicht ist. Voraussetzung für die richtige prozessspezifische Festlegung der KPI-Schwellwerte ist die Erfahrung, welche tatsächlich gemessenen Verschleisszustände die Fertigung von IO-Teilen erlauben.

Mit dem sensorischen Werkzeughalter Spike von pro-micron mit Überwachungsfunktion und Maschinenschnittstelle können so im Dauerbetrieb tatsächliche wirkende Kräfte zu Qualitätszwecken dokumentiert und für den dynamischen Werkzeugwechsel genutzt werden. Die Werkzeugperformance kann so anhand von archivierten Messdaten statistisch ausgewertet werden und damit die optimale Werkzeugbeschaffenheit zu bestimmen helfen. Die so erhobenen Daten bieten sich als Prozess-KPI innerhalb der Firmencloud für Maschinenübergreifende Daten an und könnten sich in maschinenperformanceanalysen gewinnbringend einreihen. Die Umsetzung von Industrie-4.0-Ansätzen mit dem sensorischen Werkzeughalter Spike liegt nahe. Das Unternehmen pro-micron wird über sein „Tool Control Center“ zahlreiche Applikationen in der Serienzerspanung anhand von KPIs analysieren und überwachen können.

Dieser Beitrag ist zuerst auf unseren Partnerportal maschinenparkt.vogel.de erschienen

* Lennart Riehle arbeitet im Vertrieb bei pro-micron GmbH & Co. KG in 87600 Kaufbeuren, Tel. (0 83 41) 91 64-10, www.pro-micron.de

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