Echtzeit-Schneidkraftüberwachung steigert Präzision & Effizienz in der Zerspanung

Abbildung 1. Schneidkräfte in der Zerspanung können indirekt mit hoher Genauigkeit gemessen werden, indem piezoelektrische Dehnungssensoren wie der 9232A von Kistler eingesetzt werden. (Bild: Kistler Group)

Maschinenüberwachung mit PE-Dehnungssensoren

Hohe Produktivität, niedrige Fertigungskosten und hohe Werkstückqualität: Dies sind die Schlüsselfaktoren, die Nachhaltigkeit, Rentabilität und Wettbewerbsvorteil für industrielle Hersteller liefern. Zuverlässige Maschinenüberwachung liefert wertvolle Echtzeit-Einblicke in laufende Prozesse; sie ist die Basis für zuverlässige, produktive und reproduzierbare Fertigung und unterstützt Maschinenbediener bei fundierten Entscheidungen für kurz- und langfristige Verbesserungen. Diese Technologie kann sogar Anomalien in hochdynamischen Zerspanungsprozessen erfassen, sodass Nutzer sofort reagieren können, um hohe Produktivität zu sichern, Ausschussraten zu senken und Werkzeugstandzeiten zu verlängern. Angesichts all dieser Vorteile ist die kontinuierliche Maschinen- und Prozessüberwachung auf Basis geeigneter Sensortechnologie ein kritischer Erfolgsfaktor in der heutigen Fertigungsindustrie.

Maschinenüberwachungslösungen der Kistler Group, Winterthur, Schweiz, umfassen Sensoren, die in die mechanische und elektrische Umgebung einer Maschine integriert werden können. Allerdings werden nur jene Sensoren an definierten Positionen in der Maschine installiert, die tatsächlich notwendig sind. Dieser Ansatz minimiert sowohl Komplexität als auch Kosten des Maschinenüberwachungssystems, obwohl die Integration der Sensoren in die mechanischen und elektrischen Strukturen der Maschine weiterhin anspruchsvoll sein kann.

Sensortyp und -position sind kritische Erfolgsfaktoren, um hochdynamische Prozesse mit maximaler Genauigkeit zu erfassen. Der Sensor muss nahe am Schneidpunkt so platziert werden, dass er den Zerspanungsprozess nicht stört, gleichzeitig aber keinen Einflüssen außer der tatsächlichen Schneidkraft ausgesetzt ist. Die Überwachung von Schneidkräften spielt eine Schlüsselrolle für stabile Zerspanungsoperationen, die zur Fertigung von engtoleranten Bauteilen nötig sind. Anwender, die sich für solche Maschinenüberwachungslösungen entscheiden, können auch in Richtung autonomes Zerspanen voranschreiten und ihre Gesamtzerspanungskosten dabei senken.

Indirekte Schneidkraftmessung nahe der Schneide

Abbildung 2. Der Stößel der Maschine, an dem die Schneidwerkzeughalter gespannt sind. (Bild: Kistler Group)

Eine Möglichkeit, Schneidkräfte zu erfassen, ist die Messung der Verformungskräfte, die auf die Maschinenstruktur wirken. Dies kann mit piezoelektrischen Oberflächendehnungssensoren erreicht werden, die an der Maschinenstruktur angebracht oder in diese integriert sind. In einem kürzlichen Projekt mit MINGANTI GLOBAL AB, Lidköping, Schweden, wurden Vertikaldrehmaschinen mit einem integrierten Kistler PE-Oberflächendehnungssensor 9232A ausgestattet, der die hohe Empfindlichkeit bietet, um sowohl Zug- als auch Druckdehnungen auf einer Oberfläche zu messen – dank eines Messbereichs von ±600 Mikrodehnung (µε).

Dieses Maschinenüberwachungssystem dient der Erkennung von hohem Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch sowie dem Stoppen der Maschine bei Kollisionen. Zudem kann, sobald Kraftregelung auf Basis präziser Messdaten etabliert ist, diese zur Überwachung und Verbesserung der Profilgenauigkeit genutzt werden. Die großen Radialkräfte, die beim Hartdrehen auftreten, verursachen elastische Verformung des Stößels, der die Schneidwerkzeughalter trägt. Die Verformung ist sehr klein und kann teilweise von der Maschinensteuerung kompensiert werden. Doch selbst dann ist sie noch groß genug, um von einem Dehnungssensor mit guter Genauigkeit sehr nahe an der Schneide erfasst zu werden.

Maschinenüberwachung kann auch auf Maschinensignalen basieren, doch in dieser Anwendung hängt die Qualität sowohl vom Maschinentyp als auch vom Verschleißzustand ab. Maschinensignale zeigen manchmal Abweichungen, die nichts mit dem Zerspanungsprozess zu tun haben, weshalb sie für ein Maschinensteuerungssystem, das auf Werkzeugverschleiß oder Produktqualität zielt, nicht ausreichend sind.

Minganti und Kistler entschieden sich, einen zweiten Sensor zu installieren, um die Maschinenüberwachungslösung zu vervollständigen. Dies bietet eine gewisse Redundanz und berücksichtigt auch die hohen Kosten der Bauteile. Zu diesem Zweck wurde zusätzlich ein 8274A einachsiger piezoelektrischer Beschleunigungssensor von Kistler in den Stößel integriert. Er ergänzt die Kraft- (Dehnungs-) Messungen durch höherfrequente Messungen, sodass plötzliche Prozessänderungen detektiert werden können. Beide Sensoreingänge werden mit einem digitalen Ladungsverstärker verarbeitet, der über PROFINET mit der Maschinensteuerung verbunden ist. Ein Hauptvorteil dieses Ladungsverstärkers ist, dass seine Nutzer automatisch Tief- und Hochpassfilterung durchführen können, was es leicht macht, sich auf den hochdynamischen Teil des Signals zu fokussieren.

Hohe Profilgenauigkeit ohne Mehraufwand

Abbildung 3. Das Diagramm zeigt gute Korrelation zwischen dem Kraft- (Dehnungs-) Signal des Kistler-Dehnungssensors (oberer Plot) und der Oberflächenprofilmessung nach dem Schneiden (unterer Plot). (Bild: Kistler Group)

Das erweiterte Maschinenüberwachungssystem wird genutzt, um Werkzeugverschleiß zu überwachen, Werkzeugbruch zu detektieren und Maschinenkollisionen zu erkennen und zu steuern. Es lernt automatisch die regulären Signalpegel und überwacht dann Änderungen, um Abweichungen zu detektieren. Dies ermöglicht Bedienern, notwendige Aktionen wie Werkzeugwechsel, Maschinenstopps und andere einzuleiten. Werkzeugausfälle (Brüche, Schneidkantenausbrüche etc.) können durch verschiedene Gründe verursacht werden, darunter falsche Schneiddaten in der numerischen Steuerung, schlechte Schneidkantenqualität, falscher Kühlmitteldruck oder zu ovale Ringe, die zu großen Änderungen der Schnitttiefe pro Rotation führen. Wenn solche Ausfälle auftreten, ist ihr Effekt sowohl im Kraft- als auch im Vibrationssignal deutlich sichtbar.

Einer der wichtigsten Qualitätsparameter für Wälzlagerkomponenten ist die Profilgenauigkeit („Geradheit“) der Oberflächen. Dieser Parameter beeinflusst die Reibung zwischen Wälzkörpern und Ringen in einem Lager. Enge Toleranzen (3–6 µm) an einem großdimensionierten Ring (1 bis 2 Meter Durchmesser) einzuhalten, ist eine Herausforderung beim Hartdrehen, weshalb viele Lagerhersteller Schleifen oder Honen als zusätzlichen Schritt durchführen. Das Kistler-Maschinenüberwachungssystem kann die Dehnung (Durchbiegung) des Werkzeugs indirekt messen, sodass die Profilgenauigkeit (Formabweichung) deutlich im Dehnungs- (indirekten Kraft-) Signal sichtbar ist. Das Kraftsignal kann direkt während des Drehvorgangs genutzt werden, um Schneidbedingungen mittels geschlossenem Regelkreis zu ändern, sodass Durchbiegungen kompensiert werden können.

Wichtigkeit präziser Maschinenüberwachung für präzises Zerspanen

Obwohl die Überwachung von Maschinensignalen Informationen über Betriebsbedingungen liefern kann, könnte sie Probleme anzeigen, die nicht direkt mit der Genauigkeit der eigentlichen Zerspanung zusammenhängen. Wie in diesem Artikel beschrieben, hat Kistler jedoch Methoden wie Dehnungsmessstreifen und Beschleunigungssensoren, die den Zerspanungsprozess direkt überwachen. Die Überwachung von Schneidkräften spielt eine Schlüsselrolle für die stabilen Zerspanungsoperationen, die zur Fertigung engtoleranter Bauteile nötig sind. Genaues Messen von Schneidkräften ist ein wichtiger Schritt zur Erhaltung der Profilgenauigkeit, sagte Marcus Caldana, Präsident von Minganti Global AB.

Dieser Artikel wurde von Buelent Tasdelen, Business Development Manager bei Kistler, verfasst. Weitere Informationen hier.