Mess- und Analysesystem Kraft in allen Richtungen – messen und dokumentieren

Autor / Redakteur: Mariangela Bettini, Marposs, und Nadja Hofer, Blaser Swisslube / Anne Richter

Das Mess- und Analysesystem Artis 4k-Wisy von Marposs misst Drehmoment, Vorschubkräfte und Biegemomente. Blaser Swisslube nutzt das System mit dem Ziel, den jeweils am besten geeigneten Kühlschmierstoff für den Zerspanungsprozess zu finden.

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Technologiecenter von Blaser Swisslube: Das Technologiecenter von Blaser Swisslube ist eine in der Branche einzigartige Einrichtung. Hier werden die Kühlschmierstoffe unter verschiedensten Bedingungen getestet. Im Technologiecenter von Blaser Swisslube am Firmensitz in Hasle-Rüegsau sind bislang zwei Artis-4k-Wisy-​Systeme im Einsatz.
Technologiecenter von Blaser Swisslube: Das Technologiecenter von Blaser Swisslube ist eine in der Branche einzigartige Einrichtung. Hier werden die Kühlschmierstoffe unter verschiedensten Bedingungen getestet. Im Technologiecenter von Blaser Swisslube am Firmensitz in Hasle-Rüegsau sind bislang zwei Artis-4k-Wisy-​Systeme im Einsatz.
(Bild: Blaser Swisslube)

Um heutzutage mit hoher Qualität, effektiv und wirtschaftlich fertigen zu können, sind eine Vielzahl von Randbedingungen zu berücksichtigen. So ist ein wichtiges Element die detaillierte Kenntnis der zu Grunde liegenden Fertigungsprozesse, um die Einstellparameter so zu adaptieren, dass eine optimale Prozessführung erreicht wird. Dies wiederum ist nur möglich, wenn ausreichend Wissen über den Prozess vorhanden ist. Dafür ist es unabdingbar, hoch entwickelte Messtechnik einzusetzen, um die relevanten Prozesskenngrössen zu erfassen. Aber auch der gemessene Wert wird erst mit der richtigen Interpretation zu einer wertvollen Kenngrösse.

Um zum Beispiel beim Einsatz von rotierenden Werkzeugen den Zerspanprozess und das Verschleissverhalten sicher zu beurteilen, werden mit dem Artis 4k-Wisy von Marposs Drehmoment, Vorschubkräfte und Biegemomente gemessen. Das System verbindet eine hochauflösende Messung mit der Darstellung und Analyse von Kräften und Momenten, die auf das Werkzeug wirken und die den Verschleiss und damit die Lebensdauer und Lebenszykluskosten beeinflussen. Im Einsatz ist das Artis 4k-Wisy zum Beispiel bei der Blaser Swisslube AG, Hersteller von hochspezialisierten Kühlschmierstofflösungen. Im hauseigenen Technologiecenter wird der Einfluss des Kühlschmierstoffes auf den gesamten Zerspanungsprozess eingehend beleuchtet. Mit solchen Systemen können gesicherte Erkenntnisse über die Mechanismen und Wirkzusammenhänge der Produktionsprozesse erlangt werden.

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Jahrelange Erfahrung mit rotierenden Dreh­momentmesssystemen

Für die richtige Interpretation dieser so gewonnenen Daten braucht es darüber hinaus aber die Erfahrung, die gemessenen Daten richtig zu bewerten. So hat jede Werkzeugmaschine im Betrieb eine Vielzahl von Einflussgrössen, die auf die Prozesse wirken. Diese können oftmals über die Prozesskräfte sichtbar gemacht werden und die Wirkzusammenhänge detailliert analysiert werden. Marposs AG hat auf Basis jahrelanger Erfahrung mit rotierenden Drehmomentmesssystemen das Artis 4k-Wisy als 4-Komponenten-Messsystem zur Erfassung, Darstellung und Analyse der Messdaten von rotierenden Werkzeugen entwickelt. Das Einsatzgebiet von Artis 4k-Wisy ist die Optimierung von Werkzeugen durch die Analyse der Einflüsse von Beschichtungen, Geometrien oder Schleifscheibengeometrien. Die Anwender solcher Systeme sind Werkzeughersteller, Maschinenhersteller, Prozessingenieure, Versuchslabore, Universitäten und – wie im erwähnten Beispiel – ein fortschrittlicher Kühlschmierstoffhersteller. Neben der Messung von Drehmoment und Vorschubkraft werden auch die Biegekräfte in 2 Kraftrichtungen erfasst. Damit wird durch das Messsystem ein grosses Anwendungsspektrum erschlossen, sodass zum Beispiel auch Fräsprozesse besser analysiert werden können.

Nun gibt es mit Artis 4k-Wisy eine Lösung, die speziell auf die Anforderungen der Werkzeugoptimierung zugeschnitten ist. Erster Anwender des Artis 4k-Wisy ist die Blaser Swisslube AG. Seit knapp zehn Jahren untersucht Blaser Swisslube das Verhalten und die Einflüsse der eingesetzten Kühlschmierstoffe im Zerspanungsprozess mit Methoden aus der Werkzeug- und Prozessüberwachung. Mit Artis 4k-Wisy wird der Schwerpunkt der Betrachtung mehr auf die Analyse der Kräfte als auf einen Soll-/Ist-Abgleich im Prozess gelegt.

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Deutlicher Mehrwert im Vergleich zu reinen Datenerfassungsgeräten

Das Artis 4k-Wisy besteht aus einer robusten Mess­elektronik, die in den Werkzeughalter integriert wird, einem Antennenmodul, das die per Funk übertragenen Daten empfängt, der Ladeeinheit sowie der Visualisierung. Gerade bei rotierenden Werkzeugen ist die berührungslose Datenübertragung von Vorteil, da die Sensorik so in direkter Nähe der Schneide und des Bearbeitungsprozesses untergebracht werden kann, was nur kabellos möglich ist. Die Interpretation der so erfassten Daten ist anspruchsvoll, da diese den einzelnen Prozessphasen und Einflussgrössen zugeordnet werden müssen. Hier kommt die Erfahrung mit Artis-Marposs-Prozessüberwachungssystemen ins Spiel. Bereits seit geraumer Zeit sind Sensorsysteme mit direkt am Werkzeughalter angebrachten Sensoren verfügbar und es existiert die jahrelange Erfahrung, wie der Aufbau geschützt wird, wie eine sichere Signalübertragung und die Verbindung von Sensor und Werkzeug im Allgemeinen gewährleistet werden kann. Die ausgereiften Signalverarbeitungsalgorithmen aus der Prozessüberwachung finden auch in dem Artis 4k-Wisy Verwendung und bilden einen deutlichen Mehrwert im Vergleich zu reinen Datenerfassungsgeräten.

Messzeit von acht Stunden und Visualisierungssoftware als Teil des Systems

Die Messelektronik mit den Dehnungsmessstreifen wird so appliziert, dass eine grosse Anzahl verschiedenster Werkzeughalter ausgestattet werden können. Eine Batterie ist ebenfalls in den Werkzeughalter integriert, um eine Messzeit von acht Stunden und mehr zu gewährleisten. Es sind separate Messbereiche für Drehmoment, Vorschub und Biegemomente anwählbar, um die optimale Auflösung für die Messaufgabe sicherzustellen.

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Das Antennenmodul empfängt die per Funk übertragenen Messdaten und überträgt sie über eine USB-Schnittstelle an einen angeschlossenen PC. Entsprechend dem internationalen Funkstandard beträgt die Frequenz 2,4 GHz. Artis 4k-Wisy ist in Europa, den USA und Kanada zertifiziert, weitere Länder folgen in Kürze. Das Modul kann an einer beliebigen Stelle an oder auf der Werkzeugmaschine positioniert sein; die Reichweite der Datenübertragung aus dem Rotor beträgt ca. fünf Meter. Da der Werkzeughalter in der Regel kundenspezifisch ist, wird der Rotor des Artis 4k-Wisy individuell auf Basis verschiedener Standardmodelle und -grös­sen angepasst.

Zur Darstellung der Messergebnisse nutzt das Artis 4k-Wisy einen Standard-­PC oder ein Laptop. Die Visualisierungssoftware ist Teil des Systems. Sie hat vier frei konfigurierbare Fenster zur Verfügung, die gleichzeitig verschiedene Parameter anzeigen. So sind einzelne Messergebnisse und Trendanalysen möglich.

Wertvolle Informationen über den Einfluss von Kühlschmierstoff

Die Blaser Swisslube AG hat in ihrem Technologiecenter am Firmensitz in Hasle-Rüegsau bislang zwei Artis-4k-Wisy-Systeme im Einsatz. Diese werden genutzt, um verschiedene Standardtests mit den Kühlschmierstoffen vorzunehmen. Ziel der Versuche ist es, mit dem am besten geeigneten Kühlschmierstoff für die entsprechende Zerspanungsoperation einen effektiven Mehrwert hinsichtlich Produktivität, Werkstückqualität und Prozessstabilität zu generieren. Für die Fachleute bei Blaser Swisslube wird dank dem Artis 4k-Wisy nachvollziehbar, welche Kräfte in der Bearbeitung wirken – und welche Auswirkungen dies auf das Resultat hat. Blaser Swisslube betrachtet den Kühlschmierstoff als einen massgebenden Faktor, welcher beim Zerspanungsprozess mit Material, Maschine und Werkzeug gleichzusetzen ist. Der Kühlschmierstoff macht lediglich 0,5 Prozent der Fertigungskosten eines produzierten Werkstücks aus, hat aber auf bis zu 99,5 Prozent der Fertigungskosten Einfluss.

Getestet werden bei Blaser Swisslube Fräsvorgänge mit allen Materialien, und das Artis 4k-Wisy dient laut Christoph Wüthrich, dem Leiter des Technologiecenters, dazu, «die Tests breit abzustützen. Beim Testen ergibt sich eine deutliche Vereinfachung und Zeitersparnis.»

Ein Vorteil ist, dass der Wechsel von Maschine zu Mikroskop entfällt, weil die Messung im laufenden Prozess vorgenommen wird. Der Verlauf des Werkzeugverschleisses ist entsprechend schneller sichtbar. Oft zeigt sich beim Verschleiss von Wendeplatten, welche Kräfte genau wirken und was der Grund für den Verschleiss ist. Durch die unmittelbar ersichtlichen Abläufe ist es möglich, bei Auffälligkeiten sofort einzugreifen. Fazit: Viele Vorgänge im Umfeld der Produktentwicklung werden durch Artis 4k-Wisy beschleunigt und vereinfacht, etwa durch die Testberichte, die das System ausgibt und dank derer bereits eine Interpretation der Daten vorliegt. SMM

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