DE4233035C1 - Temperature measurement appts. for cutting tool - contains channel for thermal radiation in cutting tool, diamond covered opening, thermal camera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperaturmeßeinrichtung für ein spanabhebendes Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der DD-PS 76 602 als bekannt hervorgeht.

Die DD-PS 76 602 bezieht sich auf einen Drehmeißel einer Dreh­ bank, der im Bereich seiner der Sekundärscherzone zugeordneten Spanfläche einen thermisch belastbaren und unter Wärmeeinwir­ kung optisch stabil bleibenden, massiven Lichtleiter aufweist. Der möglicherweise als Glasfaserkabel ausgebildete Lichtleiter ist in einem geradlinig ausgebildeten Kanal mechanisch fest­ haftend eingelassen und mit einer Thermokamera verbunden. Der Kanal des Lichtleiters ist in einer die Schneidplatte von oben klemmenden Klemmplatte angeordnet. Das vordere Ende des Licht­ leiters verläuft in einem sehr spitzen Winkel zur Spanfläche und ist oberhalb von ihr angeordnet; er endigt in einem ge­ wissen Abstand von der Werkstückoberfläche. Der Austritt des Lichtleiters befindet sich hierbei in einem Teil des Drehmei­ ßels, von dem aus der abrollende Span beobachtbar ist. Gün­ stiger wäre jedoch eine direkte Temperaturmessung an der Zer­ spanungsstelle, was jedoch nach den Aussagen dieser Schrift ohne eine Behinderung des Arbeitsvorganges nicht möglich ist.

Die DE-PS 3 59 477 betrifft einen Drehmeißel, der einen in dem Drehmeißel angeordneten Kanal aufweist. Der Kanal ist innerhalb des Drehmeißels angeordnet und mündet im Bereich der Freifläche des Drehmeißels aus. In dem Kanal ist ein Thermoelement angeordnet, dessen eines Ende in Zerspanrichtung unterhalb der Spanfläche des Drehmeißels angelötet ist. Mit dem Thermoelement kann damit die Temperatur der Spanfläche und der Freifläche gemessen werden. Bei Kenntnis der Temperatur und der zugehö­ rigen Maschinenparameter kann dann prinzipiell der Bearbei­ tungsprozeß den jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Eine Messung mittels eines Thermoelementes unterliegt jedoch - träg­ heitsbedingt - immer einer zeitlichen Verzögerung, womit nur eine zeitlich und örtlich gemittelte Temperatur erfaßt werden kann; eine Temperaturverteilung und kurzfristige Temperatur­ spitzen können damit nicht gemessen werden. Des weiteren ist eine eindeutige Zuordnung der gemessenen Temperatur zu einer der beiden das Werkstück berührenden und durch die Reibung er­ hitzten Berührungsflächen, also der Frei- und der Spanfläche, unmöglich.

Aus der DE-OS 30 42 211 ist ein Verfahren zur Überwachung der Schneidplatten von Werkzeugmaschinen bekannt, bei dem während des Einsatzes der Werkzeugmaschine mittels eines optischen Elementes u. a. die Temperatur der Schneidkante erfaßt werden soll. Anschließend wird der ermittelte Temperaturwert einer Auswerteeinheit übergeben, die die Werkzeugmaschine anhand des ermittelten Temperaturwertes steuert und bei Überschreitung einer maximal zulässigen Temperatur die Werkzeugmaschine ab­ schaltet. Wie die Ermittelung der Temperatur der bei der Bear­ beitung von dem Span verdeckten Schneidkante konkret erfolgt, ist dieser Schrift allerdings nicht zu entnehmen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die vorbekannte Temperatur­ meßeinrichtung für ein spanabhebendes Werkzeug dahingehend weiterzuentwickeln, daß dadurch der Arbeitsvorgang nicht be­ hindert wird, daß die Temperatur zumindest einer der beiden Berührungsflächen verzögerungsfrei meßbar und einer einzigen Berührungsfläche eindeutig zuordenbar ist, und daß die Messung einer örtlichen Temperaturverteilung zumindest einer der beiden Berührungsflächen überhaupt erst ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird bei einer Temperaturmeßeinrichtung für ein spanabhebendes Werkzeug erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die nun mögliche zeit­ lich trägheitsfreie Temperaturmessung an der Spanfläche und/oder der Freifläche des spanabhebenden Werkzeuges, können die Zerspanungsparameter wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Werkzeugschneidengeometrie und/oder Kühlung für einen konkreten Zerspanungsfall sehr rasch optimiert werden, da durch die Wär­ mestrahlung im Bereich der Span- und/oder Freifläche durch die für die Wärmestrahlung durchlässige Diamantschicht ohne ein Zuschmieren oder ein Verkratzen der Diamantschicht beobachtbar ist. Dabei kann die Temperaturmessung einer wechselnden Bela­ stung verzögerungsfrei folgen und eine Temperaturmessung ist einer einzelnen der Berührungsflächen eindeutig zuordenbar. Das Aufbringen der Diamant- bzw. diamantähnlichen Schicht auf das Werkzeug erfolgt mit einem der aus der Literatur bekannten Verfahren.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Un­ teransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine eine Ausschnittsvergrößerung eines Drehmeißels im spanenden Eingriff an einem Werkstück, wobei der Dreh­ meißel einen im Bereich seiner Spanfläche ausmündeten Kanal aufweist und

Fig. 2 einen weiteren Drehmeißel mit im Bereich der Freifläche ausmündenden Kanal, wobei an dem einen Ende des Kanals eine Beobachtungsoptik angeordnet ist.

In Fig. 1 ist ein Drehmeißel 3 dargestellt, der auf seiner Spanfläche 5 und auf seiner Freifläche 6 vollständig mit einer durchsichtigen Diamantschicht 4 belegt ist. Die Temperaturmeß­ einrichtung ist u. a. durch einen unter Wärmeeinwirkung optisch stabilen, massiven Lichtleiter 10, bspw. ein Glasfaserkabel gebildet, der in einem in dem Drehmeißel 33 angeordneten, ge­ radlinig ausgebildeten Kanal 1 mechanisch festhaftend einge­ lassen ist. Das spanflächenseitige Ende des etwa orthogonal zur Spanfläche 5 des Drehmeißels 3 ausmündenden Lichtleiters 10 ist im Bereich einer unterhalb der Diamantschicht 4 im Drehmeißel 3 eingelassenen Ansenkung 8 angeordnet, die mit der Diamant­ schicht 4, die hier breiter und damit mechanisch stabiler ist, ausgefüllt ist. Da die Ansenkung 8 breiter als die lichte Weite des Kanals 1 ist, liegt die die Ansenkung ausfüllende Diamant­ schicht 4 an dem Rand des Kanals auf, wodurch sie gegen die Belastung beim Bearbeiten eines Werkstückes 12 abgestützt ist. Durch diese Anordnung des Lichtleiters 10 im Drehmeißel 3 kann er im Falle einer Beschädigung einfach und preiswert ausge­ wechselt werden.

Durch die beschriebene Ausbildung des Drehmeißels 3 und die Anordnung des Lichtleiters 10 innerhalb des Drehmeißels 3 ist werkzeugseitig eine verzögerungsfreie äußere Beobachtung der Temperatur und der örtlichen Temperaturverteilung unmittelbar auf der Spanfläche 5 ermöglicht. Das andere Ende des Lichtlei­ ters 10 ist mit einer Thermokamera 2 verbunden, mittels der die über den Lichtleiter 10 von der Spanfläche 5 zugeleitete Wär­ mestrahlung, die eine Wellenlänge aus dem sichtbaren sowie aus dem angrenzenden Spektrum haben kann, aufgenommen wird. Durch die Thermokamera 2 wird die eingefallene Wärmestrahlung in elektrische Signale umgewandelt und diese Signale einer nach­ folgend angeordneten Auswerteeinheit 13 übergeben.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausgestaltung weist die Temperaturmeßeinrichtung ferner noch eine innerhalb des sichtbaren Lichtes wirksame optische Beobach­ tungseinheit auf, mittels der der abfließende Span 7 beobacht­ bar ist. Die Beobachtungseinheit kann hierbei durch eine Hochgeschwindigkeitskamera gebildet sein, die bspw. in der Thermokamera 2 integriert ist. Eine andere Möglichkeit ist es, die Beobachtungseinheit als eine separate Hochgeschwindig­ keitskamera auszubilden, der wie der Thermokamera 2 von dem Lichtleiter 10 die entsprechende Wärmestrahlung zugeleitet wird, wobei in gesonderten, außenseitig im Lichtleiter 10 an­ geordneten Fasern Beleuchtungslicht zur Beobachtungsstelle zu­ geführt werden kann.

Der funktionelle Zusammenhang einer Temperaturmeßeinrichtung nach Fig. 1 wird anhand des in der Fig. 1 dargestellten spa­ nenden Eingriffes des Drehmeißels 3 an dem Werkstück 12 be­ schrieben. Die durch die mechanische Umformung des Materials des Werkstückes 12 im Bereich der Scherzone 11 entstehende Reibungswärme wirkt zum Teil und die Reibungswärme aufgrund des Gleitens des Spanes 7 auf der Spanfläche 5 wirkt voll auf die Spanfläche 5 des Drehmeißels 3 ein. Die durch die gesamte Rei­ bungswärme erwärmte Spanfläche 3 sendet je Flächeneinheit und je nach Temperatur eine Wärmestrahlung bestimmter Wellenlänge aus, die von dem massiven Lichtleiter 10 zumindest teilweise aufgefangen und an die am anderen Ende des Lichtleiters 10 an­ geordnete Thermokamera 2 weitergeleitet wird. Diese Thermo­ kamera 2 nimmt aus dem einfallenden Lichtspektrum denjenigen Spektralanteil ortsabhängig auf, der mit der Temperatur an der Spanfläche 5 in direktem Zusammenhang steht, wandelt dieses in elektrische Signale um und übergibt diese Signale an die nach­ geschaltete Auswerteeinheit 13 weiter. Die Auswerteeinheit 13 wertet diese Signale aus und kann nun anhand dieser ausgewer­ teten Meßwerte den Arbeitsprozeß während des Prozesses steuern.

Durch die zeitlich trägheitsfreie Temperaturmessung der Zer­ spanstelle des Drehmeißels 3 über die von ihr abgestrahlte Wärmestrahlung sind die Zerspanungsparameter wie Schnittge­ schwindigkeit, Vorschub und/oder Kühlung für einen konkreten Zerspanungsfall sehr rasch und da­ mit während des Arbeitsvorganges optimierbar. Dabei kann die Temperaturmessung einer wechselnden Belastung verzögerungsfrei folgen. Von besonderem Vorteil ist hierbei, daß während der Messung der Arbeitsvorgang in keiner Weise behindert ist.

In Fig. 2 ist ein Drehmeißel 3′ dargestellt, der weitgehend analog zu dem vorher beschriebenen Drehmeißel 3 ausgebildet ist, weshalb hier nur noch auf deren Unterschiede eingegangen wird. Die Temperaturmeßeinrichtung dieses Drehmeißels 3′ weist u. a. einen luftgefüllten, geradlinig ausgebildeten Kanal 1′ auf, dessen eines Ende an der Freifläche 6 des Drehmeißels 3′ in einer mit der Diamantschicht 4 ausgefüllten Ansenkung 8′ ausmündet, wobei die Öffnung des Kanals 1′ vollständig von ei­ ner Diamantschicht bedeckt ist. Am anderen Ende des Kanals 1′ ist eine durch eine Linse dargestellte Beobachtungsoptik 9 an­ geordnet. Die Gegenstandsebene dieser Beobachtungsoptik 9 ist im Bereich dar Freifläche 6 angeordnet, während die Bildebene im Bereich der Thermokamera 2 angeordnet ist. Die Übertragung der der Temperatur der Freifläche 6 zuordenbaren Wärmestrahlung erfolgt damit über die Beobachtungsoptik 9 und über im Kanal 1′ befindliche Luft, wobei die Beobachtungsoptik 9 das "Tempera­ turbild" der Freifläche 6 auf die Thermokamera 2 abbildet. Die weitere Vorgehensweise entspricht der des ersten Beispieles; die Thermokamera 2 nimmt aus dem einfallenden Lichtspektrum denjenigen Spektralanteil ortsabhängig auf, der mit der Tempe­ ratur an der Freifläche 6 in direktem Zusammenhang steht, wan­ delt dieses in elektrische Signale um und übergibt diese Si­ gnale an die nachgeschaltete Auswerteeinheit 13 weiter. Die Auswerteeinheit 13 wertet wie oben diese Signale aus und kann nun anhand dieser ausgewerteten Meßwerte den Arbeitsprozeß "in Echtzeit" steuern.

Die Erfindung ist, obwohl sie ausschließlich anhand von Dreh­ meißeln 3, 3′ beschrieben wird, keineswegs beschränkt; vielmehr kann sie bei allen spanabhebenden Werkzeugen an­ gewendet werden. Des weiterem umfaßt die Erfindung auch Span­ abhebende Werkzeuge, die einen an der Spanfläche 5 und auch einen an der Freifläche 6 ausmündenden Kanal 1, 1′ aufweisen.

Claims (6)

1. Temperaturmeßeinrichtung für ein spanabhebendes Werkzeug, bei der das Werkzeug im Bereich des Spanes einen Kanal aufweist, der eine zur Temperaturmeßstelle hin gerichtete, werkstückseitige Öffnung aufweist und in dem eine von der Temperaturmeßstelle ausgehende Wärmestrahlung weiterleitbar ist, wobei die durch den Kanal weitergeleitete Wärmestrahlung zumindest mittelbar von einer Thermokamera erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die werkstückseitige Öffnung des Kanals (1, 1′) an der Spanfläche (5) und/oder an der Freifläche (6) des Werkzeuges angeordnet ist, und daß zumindest die werkstückseitige Öffnung des Kanals (1, 1′) vollständig mit einer zumindest für die Wär­ mestrahlung durchlässigen Diamant- bzw. diamantähnlichen Schicht (4) belegt ist.

2. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht für einen Wellenlängenbereich durchläs­ sig ist, der innerhalb eines Spektralbereiches angeordnet ist, der vom Ultravioletten bis hin zum Fernen Infraroten der elek­ tromagnetischen Strahlung reicht.

3. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spanabhebende Werkzeug im Bereich der Öffnung eine An­ senkung (8, 8′) aufweist, die mit der Diamant- bzw. diamantähn­ lichen Schicht (4) ausgefüllt ist.

4. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanal (1, 1′) ein massiver Lichtleiter (10) angeord­ net ist, dessen eines Ende zumindest mittelbar mit einer Ther­ mokamera (2) verbunden ist und dessen anderes Ende unterhalb der Diamant- bzw. diamantähnlichen Schicht (4) ausmündet.

5. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der massive Lichtleiter (10) ein Glasfaserkabel ist.

6. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (1, 1′) des massiven Lichtleiters (10) innerhalb des Werkzeuges (3, 3′) geradlinig ausgebildet ist und daß der Lichtleiter (10) im Kanal (1, 1′) mechanisch festhaftend angeordnet ist.