DE102005008838B3 - Informationsmodul über Werkstückerwärmung bei spanender Trockenbearbeitung - Google Patents

Abstract

Die spanende Trockenbearbeitung führt über das Werkzeug und durch Kontakt mit hochtemperierten Spänen zu einem Wärmeeintrag in gehäuseförmigen und hohlstrukturierten Werkstücken und damit zu ungewollten unterschiedlichen Ausdehnungen und Verformungen. DOLLAR A Vorgeschlagen wird eine systematisierte, aus informationsverbundenen Bausteinen (1 bis 6) bestehende Funktionseinheit für den Informationstransfer von der Erfassung unterschiedlicher Temperaturmesswerte und davon abgeleiteter Daten von vielen Erfassungsstellen an Werkstücken (7), deren drahtlose Übertragung, Aufbereitung, Auswertung bis hin zu systematisiert durchgeführten, insbesondere räumlichen und geometrischen, Korrekturen an den Kontaktstellen (10) zwischen Trockenbearbeitungswerkzeug (9) und Werkstücken (7). DOLLAR A Die Anwendung erstreckt sich auf Werkzeugmaschinen, mit denen spanende Trockenbearbeitung realisiert wird.

Description

• Die Erfindung geht von dem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten Gegenstand aus.
• Spanende Trockenbearbeitung ist eine der Voraussetzungen für industrielle Hochleistungszerspanung von Werksücken, aus Stahl, Grauguss oder aus Aluminiumguss-Legierungen bestehend, auf Bohr-Fräs-Bearbeitungszentren.
• Dabei tritt, ausgehend von den Werkzeugschneiden, als Nebenwirkung eine deutliche Erwärmung der Werkstücke, der Funktionsbauteile und der Peripherie-Komponenten an den Bearbeitungszentren ein. Über die Kontaktstelle von Werkzeugschneiden und Werkstücken und über die auf den Werkstücken abgelagerten, nicht sofort von diesen ableitbaren, hochtemperierten Spänen erfolgt zunächst der Wärmeeintrag in das jeweils spanend gefertigte Werkstück. Dies führt zeitlich begrenzt zu wärmebedingten Ausdehnungen und zu Verformungen des Werkstückes insgesamt oder nur bestimmter anteiliger Formelemente am Werkstück.
• Problematisch ist dies insbesondere für gehäuseförmige, hohlstrukturierte und unregelmäßig geformte Werkstücke, wie sie beispielsweise als Motorengehäuse im Automobilbau üblich sind.
• Diese in der Regel unerwünschten, zeitweise oder dauerhaft eintretenden, Zustandsänderungen durch Wärmeeintrag bedürfen einer Reaktion oder auch Kompensation im spanenden Trockenbearbeitungsprozess auf den Bohr-Fräs-Bearbeitungszentren, um Qualitätsmängel, Fehlfunktionen sowie sicherheitsrelevante Negativwirkungen auf den Bediener auszuschließen.
• Stand der Technik ist, den Wärmeeintrag in Funktionskomponenten von spanenden Werkzeugmaschinen oder Bohr-Fräs-Bearbeitungszentren zu kompensieren. Von Messsystemen werden wärmeeintragsbedingte Lageänderungen der Funktionskomponenten ermittelt und durch spezifische Schnittstellenausbildungen, flexible Lageanordnungen oder nach einem maschineninternen Informationstransfer an die Steuerung der Werkzeugmaschine oder des Bearbeitungszentrums, durch diese aktorisch kompensiert. Das schließt ein, den durch spanende Trockenbearbeitung, industrielle Hochleistungszerspanung und Hartbearbeitung bedingten Wärmeeintrag, der von der Werkzeugschneide ausgeht und über die Bearbeitungsflächen in das Werkstück und in die Maschinenkomponenten eintritt, lediglich sensorisch an den Maschinenkomponenten und nicht direkt vom gehäuseförmigen, hohlstrukturierten Werkstück für eine wirksame Kompensation zu erfassen.
• Beispielhaft sei hier DE 19904472 A1 benannt. Zum Zwecke einer aktorischen Kompensation thermisch bedingter Verformungen von Maschinenkomponenten durch Regelkreise der Werkzeugmaschine sind Temperatursensoren am Gestell, am Ausleger und am Festlager der Werkzeugspindel angeordnet. Die durch Wärmeeintrag bedingten Veränderungen, Ausdehnung und Verformung, des möglicherweise direkt auf dem Maschinentisch positionierten und gespannten Werkstückes bleibt dabei unberücksichtigt. Die Informationen über die Wirkung des Wärmeeintrages in das Werkstück werden damit nur von der Werkzeugmaschine sensorisch mit erfasst.
• Nach DE 202 004 008 961 U1 sind die Wirkungen von Zustandsänderungen durch Wärmeeintrag in ein gehäuseförmiges hohlstrukturiertes Werkstück über die Spannwand nur indirekt mit erfasst. Das Werkstück ist an der Spannwand eines Aufspannkörpers einer Intelligenten Spannvorrichtung fixiert. An der Spannwand sind Sensoren für Temperaturmessung und für Erfassung spannkraft- sowie temperaturbedingter Verformungen an der Spannvorrichtung angeordnet. Diese Daten werden drahtfrei als Funkwellensignale von der Spannvorrichtung zur Werkzeugmaschinensteuerung hin gerichtet, übertragen.
• Eine direkte sensorische Erfassung des verfahrensbedingten Wärmeeintrages in ein Werkstück über die veränderte erhöhte Temperatur des Werkstückes mittels nur eines Temperaturfühlers am Werkstück ist durch DE 442 9654 A1 bekannt. Das Werkstück ist im Spannfutter einer Drehmaschine aufgenommen. Der Temperaturfühler ist mit der Werkzeugmaschinensteuerung informationsverbunden. Ein spezielles Programm ermittelt zu einer durch Werkstückerwärmung eingetretenen Maßänderung die Korrekturdaten für die Kompensation der Stellbewegungen der Werkzeuge. Für das flanschartige, einfach strukturierte Werkstück ist dabei ein Temperaturfühler ausreichend, um von einer Stirnseitenfläche die Werkstücktemperatur aufzunehmen. Die dadurch veranlasste Regelung der Stellbewegung des Werkzeuges ist mit einfachen Mitteln über die Maschinensteuerung realisierbar.
• Auch aus DE 198 00 033 B4 , DE 2631 199 C3 und EP 0349 783 B1 sind beispielhaft Lösungen bekannt, bei denen die durch Werkstückerwärmung bedingten Änderungen, Verlängerungen und Maßänderungen über Temperaturfühler oder Dehnungsmessmittel unmittelbar vom Werkstück abgenommen werden, um kompensierende Maßnahmen einzuleiten. Die Messwerterfassung erfolgt dabei nur an einer ausgewählten Fläche von Werkstücken, die als Zylinder, als Hohlzylinder mit Bund, als Welle und als rechkantiger Stab ausgebildet sind. Diese einfach strukturierten Werkstücke sind in der Regel mit einem Ende in eindeutiger Zentrumslage positioniert und gespannt. Die am freien Werkstückende durch Werkstückerwärmung eingetretenen Zustandsänderungen erfordern nur eine einfache Bausteinlösung für die sensorische Erfassung der Daten mittels jeweils nur eines Messwertaufnehmers.
• Die Bedingungen der spanenden Trockenbearbeitung von unregelmäßig geformten, gehäuseförmigen und hohlstrukturierten Werkstücken von nur begrenzter Steifigkeit, ein großvolumiger Anfall von hochtemperierten Spänen und die Notwendigkeit des Vorhandenseins mehrerer werkstückspezifisch angeordneter Positionier- und Spannelemente werden durch die genannten Beispiele des Standes der Technik funktionell und qualitativ nicht erfüllt.
• Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, durch ein geeignetes Informationsmodul unregelmäßig geformte, gehäuseförmige und hohlstrukturierte Werkstücke und die Ablagerung einer großvolumigen Menge hochtemperierter Späne den durch spanende Trockenbearbeitung bedingten Wärmeeintrag in das Werkstück und damit die durch Werkstückerwärmung entstehenden ungewollten Ausdehnungen und Verformungen durch eine notwendige große Anzahl von Messwertaufnehmern zu erfassen und aktorisch zu kompensieren.
• Das Problem wird durch die Merkmale gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
• Ein Informationsmodul wird als eine systematisierte Funktionseinheit aus sechs informationsverbundenen nacheinander angeordneten Bausteinen gebildet.
• Der erste Baustein umfasst die Mittel für die kontinuierliche und/oder zyklische Erfassung von mehreren Temperaturmesswerten und Daten in gleichbleibender oder in sich verändernder Größenordnung von nur in einer Nullpunkt- oder Zentralposition gespannten Werkstücken mittels Messwertaufnehmer und deren Anordnung.
• Der zweite Baustein umfasst die Mittel für die Verstärkung und Wandlung der Vielzahl unterschiedlicher Daten in eine digitalisierte oder analoge Form.
• Ein dritter Baustein beinhaltet die Mittel für die drahtfreie Datenübertragung mittels Funkwellen.
• Ein vierter Baustein beinhaltet die Mittel für die Aufbereitung der Daten für ihre Auswertung.
• Ein fünfter Baustein umfasst die Mittel für die Auswertung der Daten für Korrekturen der technologischen Vorgänge spanender Trockenbearbeitung.
• Der sechste Baustein umfasst die Mittel für systematisierte, alternativ oder summarisch, durchgeführten Korrekturen im Ablauf technologischer Vorgänge spanender Trockenbearbeitung mit Funktionselementen für
• – Kompensation räumlicher oder geometrischer Änderungen an der Kontaktstelle zwischen Trockenbearbeitungswerkzeug und Werkstück,
• – Änderungen der Zerspanungsleistung des Trockenbearbeitungswerkzeuges,
• – Änderung der Positionierung des Werkstückes
• – Änderung der Antriebs- und Bewegungsfunktionen sowie die
• – Bedienerinformation über Fehlfunktionen des Bohr-Fräs-Bearbeitungszentrums.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben.
• Für eine effiziente und qualitative sensorische Aufnahme der Messwerte und Daten wird eine zweckmäßige Art der Datenaufnahme und der Ausbildung der Messwertaufnehmer vorgeschlagen. Für die Anordnung neuer Bausteine sind an der Spannvorrichtung und an der Maschinenpalette die benötigten Freiräume vorhanden.
• Für einen umfassenden und qualitativen Informationstransfer aller Messwerte sind durch die werkstückabhängig angeordneten Messwertaufnehmer, durch die ausschließliche Werkstückspannung in einer Nullpunkt- und Zentralposition und durch die vorhandenen Freiräume auf der Spannvorrichtung oder auf der Maschinenpalette die Voraussetzungen geschaffen.
• Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel in den Fig. vereinfacht dargestellt und im folgenden Teil der Beschreibung näher erläutert:
• 1 eine Seitenansicht der Anordnung des Informationsmoduls an einem Bohr-Fräs-Bearbeitungszentrum
• 2 eine Seitenansicht des ersten Bausteins
• Das in 1 vereinfacht dargestellte Informationsmodul besteht aus den sechs nacheinander angeordneten Bausteinen 1 bis 6. Diese Bausteine sind um die in Spannstellung befindlichen Werkstücke 7 herum und in den Gestellbaugruppen und in der Steuerung des für spanende Trockenbearbeitung ausgerüsteten Bohr-Fräs-Bearbeitungszentrums 13 angeordnet. Zwei Werkstücke 7, beide als Motorengehäuse ausgebildet, sind beidseitig an der Spannwand der Spannvorrichtung 11, jeweils in der gleichen Nullpunkt- oder Zentralposition 16, mittig mit Positionier- und Spannelementen 15 gespannt.
• Die Freiräume sind so angeordnet, dass durch die Trockenbearbeitungswerkzeuge 9, jeweils ein Bohrer und ein Fräser, an den Kontaktstellen 10 zu den Werkstücken 7 die Bearbeitungsstellen 14 an den Werkstücken 7 in spanender Trockenbearbeitung industriell gefertigt werden können. Der Wärmeeintrag in die Werkstücke 7 erfolgt, von den Trockenbearbeitungswerkzeugen 9 ausgehend, über die Kontaktstellen 10 und durch hochtemperierte Späne, die zwischenzeitlich in den gefertigten Bohrungen und gefrästen flächigen Bearbeitungsstellen verblieben sind. Im ersten Baustein 1 sind als Mittel für eine zyklische Erfassung der Werkstückdaten, wie wärmebedingte Ausdehnung und Verformung der Werkstücke 7, an diesen kontaktierend, sechs Messwertaufnehmer 8 angeordnet. Für die Erfassung der wärmebedingten Zustandsänderungen ist jeder Messwertaufnehmer 8 mit mindestens einem Sensor 17 ausgestattet, der mit der Werkstückoberfläche eine ausreichend große Kontaktstelle 20 bildet.
• An der Spannvorrichtung 11 und an der Maschinenpalette 12 sind ebenfalls ausreichend Freiräume für die körperliche Einordnung des zweiten Bausteins 2 für Datenvorverarbeitung, des dritten Bausteins 3 für Datenübertragung und des sechsten Bausteins für die Korrektur und aktorische Kompensation technologischer Vorgänge vorhanden. Ausreichend Freiräume für den dritten und den sechsten Baustein 3 und 6 sowie für den vierten Baustein 4, zur Aufbereitung der Daten für ihre Auswertung, und den fünften Baustein 5, zur Auswertung der Daten für die Korrektur der technologischen Vorgänge spanender Trockenbearbeitung stehen auch im Bohr-Fräs-Bearbeitungszentrum 13 zur Verfügung.
• In 2 ist ein erster Baustein 1 dargestellt, wobei der Wärmeeintrag an zwei durch spanende Trockenbearbeitung gefrästen Bearbeitungsstellen 14 eines Werkstückes 7 durch zwei Messwertaufnehmer 8 erfasst wird. Das Werkstück 7, ein Motorenteil, ist in einer Nullpunkt- oder Zentralposition 16 mittels einem Positionier- und Spannelement 15, auf der Maschinenpalette 12 des Bohr-Fräs-Bearbeitungszentrums 13 flächig aufliegend gespannt. Jeder der Messwertaufnehmer 8 besteht aus einer werkstückspezifisch ausgebildeten und angeordneten Fühlerhalterung 19, die wiederholgenau in einem endlichen definierten Abstand zur Nullpunkt- oder Zentralposition 16 auf der Maschinenpalette 12 fixiert sind. In jeder der Fühlerhalterungen 19 ist mindestens ein Sensor 17 wärmeisoliert und stabil aufgenommen, wobei er jeweils über Kabel und kabelfrei mit den anderen Bausteinen 2 bis 6 des Informationsmoduls informationsverbunden ist. Die Fühlerhalterungen 19 gewährleisten, dass jeder Sensor 17, über den Fühler 18, eine oberflächige und wärmeaufnahmefähige Kontaktstelle 20 mit dem Werkstück bildet.
• Bezugszeichenliste

  

Claims (3)

1. Informationsmodul über Werkstück-Erwärmung bei spanender Trockenbearbeitung auf Bohr- und Fräs-Bearbeitungszentren, wobei der Wärmeeintrag in gehäuseförmige hohlstrukturierte Werkstücke über das Trockenbearbeitungswerkzeug und durch Kontakt mit hochtemperierten Spänen zu wärmebedingten Ausdehnungen und Verformungen führt und eine Kompensation erforderlich wird, wobei eine systematisierte Funktionseinheit für den Informationstransfer von Temperaturmesswerten und abgeleiteten Daten aus sechs miteinander informationsverbundenen nacheinander angeordneten Bausteinen (1 bis 6) vorgesehen ist mit Mitteln für – kontinuierliche und/oder zyklische Erfassung der Daten in gleichbleibender oder in sich ändernder Größenordnung von den jeweils nur in einer Nullpunkt- oder Zentralposition (16) gespannten Werkstücken (7) mittels Messwertaufnehmer (8) in dem ersten Baustein (1), wobei die Messwertaufnehmer (8) des Bausteins (1) in definierten Abständen von den in Nullpunkt- oder Zentralpositionen (16) der Werkstücke (7) befindlichen Positionier- und Spannelementen (15) einer Spannvorrichtung (11) oder einer Maschinenpalette (12) angeordnet sind, – Datenverarbeitung für eine Verstärkung und Wandlung der Daten in eine digitalisierte oder analoge Form in dem zweiten Baustein (2), – drahtlose Datenübertragung mittels Funkwellen in mindestens einem dritten Baustein (3), – Aufbereitung der Daten für ihre Auswertung in dem vierten Baustein (4) – Auswertung und Abgleich der Daten für Korrekturen der technologischen Vorgänge spanender Trockenbearbeitung in dem fünften Baustein (5), – systematisierte, alternativ oder summarisch durchgeführte Korrekturen im Ablauf technologischer Vorgänge spanender Trockenbearbeitung als ein sechster Baustein (6), in dem Funktionselemente für Kompensation räumlicher und geometrischer Änderungen an den Kontaktstellen (10) zwischen Trockenbearbeitungswerkzeug (9) und Werkstück (7), Änderungen der Zerspanungsleistung des Trockenbearbeitungswerkzeuges (9), Änderung der Positionierung des Werkstückes (7), Änderung der Antriebs- und Bewegungsfunktionen sowie die Bedienerinformation über Fehlfunktionen des Bohr- und Fräs-Bearbeitungszentrums (13) installiert sind, besteht.
2. Informationsmodul über Werkstück-Erwärmung bei spanender Trockenbearbeitung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass antastende Fühler (18) von Sensoren (17) in ihrer Fühlerhalterung (19) wärmeisoliert, stabil aufgenommen und die wärmeaufnehmende Kontaktstelle (20) am Werkstück (7) der Lage, Form und Kontur der Oberflächen und der Bearbeitungsstellen (14) des Werkstückes (7) angepasst ist.
3. Informationsmodul über Werkstück-Erwärmung bei spanender Trockenbearbeitung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Spannvorrichtungen (11) und an Maschinenpaletten (12), sowie an deren Schnittstellen zueinander, Freiräume für die Anordnung der Bausteine (1), (2) und für den Baustein (6) vorhanden sind.