Ziel der Entwicklung

Ziel des Projektes war es, ein neuartiges Messkonzept zur Erfassung der Schneidenabdrängung bei lang auskragenden Bohrstangen zu entwickeln.
Das Verhältnis von max. Bohrungstiefe zu -durchmesser, speziell in Kombination mit engen Toleranzen und in anspruchsvollen Werkstoffen, stellt einen kritischen Faktor bei der prozesssicheren Herstellung hochpräziser Bohrungsgeometrien dar und beeinflusst die Auswahl der einsetzbaren Werkzeuge. Tiefe Bohrungen mit kleinen Durchmessern erfordern lang auskragende Bohrstangen (L) mit entsprechend kleinem Durchmesser (D). Große L/D-Verhältnisse führen infolge der im Prozess wirkenden Zerspankraft aber zu einer entsprechend starken Hebelwirkung, die entscheidenden Einfluss auf die Prozesssicherheit und die Performance der Werkzeuge hat.
Infolge der Krafteinwirkung bei der Zerspanung wird die Schneide zunehmend aus dem Werkstückeingriff gedrängt, was im Ergebnis zu Abweichungen beim zu fertigenden Durchmesser führt. Weiterhin sind solche lang auskragenden Systeme anfälliger für auftretende Schwingungen, die wiederum die Oberflächenqualität und Formgenauigkeit des Werkstücks negativ beeinflussen und die Standzeit der Werkzeuge bzw. Schneidenelemente deutlich reduzieren.
Um diese negativen Effekte zielgerichtet beeinflussen zu können, ist es erforderlich, überhaupt erst einmal mögliche Einflüsse auf den Zerspanprozess objektiv zu erkennen und mit hinreichender Genauigkeit zu erfassen. Erst mit dieser Grundlage lassen sich dann weitere Optimierungsschritte, wie angepasste Schnittparameter, durchführen. Hierfür bedarf es geeigneter Messkonzepte, mit denen sich solche Daten sicher und präzise ermitteln und auswerten lassen.
Ziel des Projektes war es, durch ein neuartiges Werkzeugkonzept eine In-Prozess-Detektion der Schneidenlage zu ermöglichen, um die genannten Nachteile beim Einsatz lang auskragender Bohrungen zielgerichtet kompensieren zu können. Hierfür sollte ein laseroptisches Messsystem genutzt werden, um den effektiven, radialen Werkzeugversatz in Echtzeit ermitteln zu können.
Das System besteht dabei im Wesentlichen aus 2 Kernkomponenten, einer Lasereinheit zur Erzeugung des Laserstrahls und einer Bilderfassung in Form eines optischen Sensors (CMOS) zur Erfassung des Laserstrahls. Bei Biegung der Bohrstange infolge der wirkenden Zerspankräfte verschiebt sich der CMOS-Sensor mit der Biegelinie des Werkzeugkörpers, während der Laserstrahl weiterhin geradlinig in der ursprünglichen, neutralen Werkzeugachse verbleibt.
Somit „wandert“ der Laserpunkt durch die radiale Abdrängung auf der Sensoroberfläche, und diese Bewegung bzw. die sich mit der Bewegung ändernde Strahlintensität kann bei entsprechend genauer Pixelauflösung hochgenau erfasst und ausgewertet werden. Auf Basis der ermittelten Werte können dann aktive Handlungsmaßnahmen eingeleitet werden, um die Schneiden-abdrängung bestmöglich kompensieren zu können.

Vorteile und Lösungen

In dem Projekt wurden geeignete Lösungsansätze für ein sensorisches Werkzeugkonzept erarbeitet und in praktischen Versuchsreihen sowie konstruktionsbegleitenden Simulationen untersucht und bewertet.
Ein wesentlicher Projektschritt war die Entwicklung und Implementierung eines geeigneten Bildsensor-Laser-Konzepts in ein einsatzfähiges Bohrstangenwerkzeug, inklusive aller notwendigen Aktivelemente wie Kühlschmierstoffversorgung und Schneidenelemente. Zu den technischen Anforderungen an die eingesetzte CMOS-Bildsensorik zählten vor allem eine entsprechend hohe Auflösung/Pixeldichte und ein möglichst geringer Bauraum, der auch die konstruktiven Randbedingungen für die Gestaltung des eigentlichen Werkzeugkonzepts mit beeinflusst.
In ersten Versuchsreihen wurden zunächst verschiedene Laser-/Sensoranordnungen getestet, um den Einfluss verschiedener Auslenkwinkel und Abstände auf die Funktion und Genauigkeit des geplanten Messkonzepts zu untersuchen. Hierfür wurde ein vereinfachter Prüfaufbau realisiert, mit dem sich die Funktionsweise der geplanten Versatzmessung bei verschiedenen Parametereinstellungen testen lässt.
Auf Basis der Versuchsergebnisse wurde ein Werkzeugkonzept für eine lang auskragende Bohrstange konzipiert, die über ein integriertes Messsystem, bestehend aus CMOS-Sensor und korrespondierender Laserdiode, in relativer Nähe zur Werkzeugschneide die Abdrängung des Werkzeuges im Eingriff erfassen kann. Weiterhin wurde eine innere Kühlschmierstoffversorgung realisiert, die gleichzeitig als Temperaturregulierung für den Laser fungiert.
Es wurden notwendige Algorithmen zur Auswertung der erfassten Daten und Logiken zur aktiven Regelung / Kompensation der Schneidenabdrängung definiert. Zur robusten und wiederholbaren Bestimmung des Mittelpunktes wurden verschiedene Kriterien getestet, u. a. Mittelung der Koordinaten aller Pixel der Region des Laserspots sowie Fitting von Ellipse und Kreis an die Region. Als stabilste Lösung hat sich im Ergebnis die Annährung eines Innkreises an die Bildregion des Laserspots erwiesen.
Es wurde stellvertretend für weitere Werkzeugvarianten eine Version mit integriertem Dämpfersystem (Hilfsmassedämpfer) entwickelt, wobei funktionsbedingt ein erhöhter Abstand zwischen Schneide und Bildsensor eingehalten werden musste. Das reduziert wiederum die erreichbare Messgenauigkeit bei der Erfassung des Laserversatzes und hat somit Einfluss auf den minimal detektierbaren Schneidenversatz und damit die Einsatzmöglichkeiten des Messsystems.
Im Ergebnis des Forschungsprojektes wurde ein Werkzeugkonzept für langauskragende Bohrstangen mit integrierter Versatzmessung erarbeitet und in einem funktionsfähigen Versuchswerkzeug umgesetzt. Somit sind laseroptische Messsysteme für den Einsatz im Bereich der Zerspanungswerkzeuge grundsätzlich zur Erhöhung der Prozesssicherheit bzw. allgemein zur Schaffung „intelligenter“ Werkzeugsysteme für eine automatisierte und zukunftsfähige Fertigungsumgebung geeignet.

Zielgruppe und Zielmarkt

Mit dem im Rahmen des Projektes entwickelten sensorischen Werkzeugkonzept für ein überwachtes Bohrstangenwerkzeug wurde ein Beitrag zu einem wachsenden Bedarf der Kunden nach erhöhter Prozesssicherheit, Fertigungsqualität und Automatisierungslösungen geschaffen.
In vielen Funktionsbauteilen, die in Hochtechnologiebereichen wie dem Automobil- oder Maschinenbau eingesetzt werden müssen oft präzise Bohrungen eingebracht werden, um beispielsweise hochgenaue Pass- und Führungssysteme realisieren zu können. An solche Bohrungsprofile werden hohe Anforderungen an die zulässige Maß- und Formhaltigkeit sowie Oberflächengüte gestellt, um die geforderte Funktionalität im Einsatz gewährleisten zu können. Durch die Möglichkeit einer in situ Versatzkompensation sind Anwender in der Lage, solche Operationen mit einer erhöhten Prozesssicherheit und ‑genauigkeit umzusetzen.
Als Reaktion auf die Erfassung solcher Echtzeit-Daten können aktive, automatische Handlungsmaßnahmen realisiert werden, die perspektivisch eine erhöht prozesssichere, automatisierbare Steuerung und Verbesserung von Fertigungsprozessen ermöglicht. So können beispielsweise durch die vorhandenen Daten auch Schnittparameter effizienter genutzt und somit Fertigungsabläufe beschleunigt und Kosten reduziert werden.
Die Vermarktung der Ergebnisse erfolgt vorrangig durch Transfer der Erkenntnisse an interessierte Kunden aus den Bereichen der werkzeugherstellenden bzw. –anwendenden Industrie. Weiterhin wird die GFE Schmalkalden e.V. interessierten Kunden die entwickelten Variantenkonzepte und das gewonnene Knowhow zur Applikation des Werkzeugkonzeptes auf ähnliche Anwendungsfälle zur Verfügung stellen. Zusätzlich sind regelmäßige Workshops geplant, mit denen neue Lösungen praxisnah vorgestellt werden können. Mit den realisierten Prototypen stehen interessierten Kunden zudem funktionsfähige Testmuster zur Verfügung, die für praxisnahe Vorführungen im Versuchsfeld der GFE oder beim Kunden genutzt werden können.