zur gezielten Herbeiführung von Materialveränderungen, z.B. Phasenumwandlungen, an der Werkstückoberfläche während der Bearbeitung dient und auf dieser Grundlage andererseits die sichere Kontrolle des Bearbeitungsprozesses hinsichtlich unerwünschter Abweichungen vom normalen Verlauf ermöglicht.for the targeted production of material changes, e.g. Phase transformations, on the workpiece surface during processing serves and on the other hand enables the reliable control of the machining process with regard to undesirable deviations from the normal course.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur gesicherten Anzeige von Abweichungen von normalen Zerspanungsprozessen mittels Schallemissionsanalyse, wobei die hochfrequenten Körperschallsignale mit einem Aufnehmer für Signale der akustischen Emission erfaßt und in analoge elektrische Signale umwandelt, anschließend verstärkt und gleichgerichtet werden, so daß der Effektivwert oder eine dem Effektivwert proportionale Größe entsteht, die während des Hauptversuches, d.h. des Bearbeitungsvorganges, mit einem ersten Schwellwert (Sollwert) der Schallemission für Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß verglichen wird, wobei die Überschreitung des ersten Schwellwertes angezeigt wird, dadurch gelöst, daß während einer Vorversuchsphase unter zweifelsfrei normalen Spannungsbedingungen stattfindende Materialveränderungen in der Werkstückoberfläche durch Überschreitung eines zweiten Schwellwertes (Sollwert) der Schallemission angezeigt werden, der für derartige Materialveränderungen charakteristisch ist und der durch an sich bekannte Kalibrierung unter Standardbedingungen ermittelt wurde.This object is achieved by a method for reliable display of deviations from normal Zerspanungsprozessen by means of acoustic emission analysis, wherein the high-frequency structure-borne sound signals detected by a transducer for acoustic emission signals and converted into analog electrical signals, then amplified and rectified, so that the effective value or a proportional to the RMS value that occurs during the main trial, ie of the machining process, with a first threshold (setpoint) of the acoustic emission for deviations from the normal voltage process is compared, wherein the exceeding of the first threshold is displayed, achieved in that takes place during a preliminary test phase under doubtless normal stress conditions occurring material changes in the workpiece surface by exceeding a second threshold (Setpoint) of the sound emission, which is characteristic of such material changes and which has been determined by calibration known per se under standard conditions.
Während des unter nicht zweifelsfrei normalen Zerspanungsbedingungen stattfindenden Hauptversuches wird nur dann auf reale Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß geschlossen, wenn der erste Schwellwert hierbei überschritten wurde, der zweite Schwellwert in der Vorversuchsphase aber nicht. Dabei werden die mit dem Aufnehmer aufgenommenen und im Wandler in elektrische Signale umgewandelten Schallemissionssignale einem Verstärker, der gleichzeitig als Bandpaß wirkt, vorzugsweise im Frequenzbereich 5kHz bis 1 MHz, um niederfrequente mechanische Störeinflüsse zu eliminieren, und danach einem Gleichrichter zugeführt, so daß der Effektivwert oder eine ihm proportionale Größe entsteht. Diese Meßgröße wird mit einem ersten Sollwert verglichen. Die Festlegung der Höhe dieses Sollwertes erfolgt aus Untersuchungen der Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß und ihrer Auswirkung auf das Schallemissionssignal, speziell dem Effektivwert bzw. einer ihm proportionalen Größe. Diese Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß, wie rascher Verschleißfortschritt, Schneidenausbrüche, Wirrspanbildung, führen zu einer Erhöhung des Momentanwertes je nach Grad der Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß. Durch die Festlegung der Höhe des ersten Sollwertes wird der Grad der technologisch erlaubten Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß bestimmt. Eine Überschreitung dieses ersten Sollwertes wird in der Signalisier- und Steuereinrichtung angezeigt und als unerlaubte Abweichung vom normalen Spanungsprozeß signalisiert. Gleichzeitig können geeignete Steuerbefehle für die Werkzeugmaschinensteuerung ausgelöst werden. Diese Überschreitung des ersten Sollwertes und damit die unerlaubten Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß werden nur dann als real anerkannt, wenn unter zweifelsfrei normalen Spanungsbedingungen die Meßgröße einem im Mikrorechner den jeweils vorliegenden Spanungsbedingungen zugeordneten zweiten Sollwert für die Entstehung von Materialveränderungen infolge der Bearbeitung, z. B. Phasenumwandlungen, wie Martensitbildung, nicht überschritten hat. Dieser zweite Sollwert wird aus Spanungsversuchen und Schallemissionsmessungen in einer Vorversuchsphase mit einem Standardwerkstück und einer Standardschneide sowie nachfolgendem metallografischen oder werkstoffkundlichen Untersuchungen gewonnen und kann für unterschiedliche Bearbeitungsbedingungen als Konstantenfeld dem Mikrorechner eingegeben werden. Materialveränderungen infolge des Spanungsprozesses sind stets mit einer wesentlichen Erhöhung des Momentanwertes der Meßgröße verbunden. Überschreitet die Meßgröße den für die jeweiligen Spanungsparameter zugeordneten, im Mikrorechner gespeicherten zweiten Sollwert, so werden über eine weitere Signalisier- und Steuereinrichtung die auftretenden Materialveränderungen angezeigt, die Überprüfung auf Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß unterbrochen und entweder durch Beibehaltung der Bearbeitungsparameter gewollt Materialveränderungen in der bearbeiteten Oberfläche, z. B. Aufhärtung durch Martensitbildung, erzeugt oder durch Veränderung der Bearbeitungsparameter solche Spanungsbedingungen eingestellt, daß die Meßgröße den für die neuen Bearbeitungsbedingungen geltenden zweiten Sollwert nicht mehr überschreitet, so daß unerwünschte Materialveränderungen vermieden werden. Unter den letztgenannten Bedingungen wird die Überprüfung auf Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß fortgesetzt.During the main test, which is not undoubtedly carried out under normal machining conditions, real deviations from the normal stressing process are only concluded if the first threshold value has been exceeded, but not the second threshold value in the preliminary test phase. In this case, the recorded with the transducer and converted into electrical signals in the transducer signals to an amplifier, which acts as a bandpass, preferably in the frequency range 5kHz to 1 MHz to eliminate low-frequency mechanical interference, and then fed to a rectifier, so that the rms value or a size proportional to it arises. This measurand is compared with a first setpoint. The determination of the height of this setpoint takes place from investigations of the deviations from the normal stressing process and their effect on the sound emission signal, especially the RMS value or a variable proportional to it. These deviations from the normal stressing process, such as rapid wear progress, cutting breakouts, chipping, result in an increase in the instantaneous value depending on the degree of deviations from the normal stressing process. By determining the height of the first setpoint, the degree of technologically allowed deviations from the normal stressing process is determined. Exceeding this first setpoint is displayed in the signaling and control device and signaled as unauthorized deviation from the normal voltage process. At the same time suitable control commands for machine tool control can be triggered. This exceedance of the first setpoint and thus the unauthorized deviations from the normal voltage process are only recognized as real, if undisturbed normal stress conditions, the measured variable in the microcomputer the respective present clamping conditions associated second setpoint for the emergence of material changes due to processing, eg. B. phase transformations, such as martensite has not exceeded. This second set point is obtained from stress tests and acoustic emission measurements in a preliminary test phase with a standard workpiece and a standard cutting edge and subsequent metallographic or material studies and can be entered as constant field for the microcomputer for different processing conditions. Material changes due to the chip process are always associated with a significant increase in the instantaneous value of the measured variable. If the measured variable exceeds the second setpoint value assigned to the respective chip parameters stored in the microcomputer, the material changes occurring are displayed via a further signaling and control device, the checking for deviations from the normal cutting process is interrupted and either by maintaining the machining parameters material changes in the machined surface , z. As hardening by martensite, generated or adjusted by changing the processing parameters such Spanungsbedingungen that the measurand no longer exceeds the applicable for the new processing conditions second setpoint, so that undesirable material changes are avoided. Under the latter conditions, the check for deviations from the normal stressing process is continued.
Ausführungsbeispielembodiment
Die oben dargelegte Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The above-described invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
An der Schaftseite eines Drehmeißels 2 oder am Werkstück 1 oder an einer Maschinenbaugruppe, die vom Werkzeug oder vom Werkstück aus eine hinreichende Körperschallausbreitung erlaubt, ist ein piezoelektrischer Aufnehmer 3 für Signale der akustischen Emission angebracht, der die im Spanungsprozeß erzeugten hochfrequenten Schwingungen in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt. Letzteres wird über einen Verstärker 4, der gleichzeitig als Bandpaß, vorzugsweise im Bereich von 5 kHz bis 1 M Hz wirkt, um niederfrequente mechanische Störeinflüsse zu eliminieren, einem Gleichrichter 5 zugeführt, so daß der Effektivwert bzw. eine ihm proportionale Größe entsteht. Diese Meßgröße wird in einer Signalisier- und Steuereinrichtung 8 fortlaufend mit einem ersten Sollwert verglichen und bei Überschreitung dieses ersten Sollwertes werden Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß signalisiert, wobei gleichzeitig der Maschine geeignete Steuerbefehle übermittelt werden können. Diese Überschreitungen werden jedoch nur dann als real anerkannt, wenn die Meßgröße die für die vorliegenden Bearbeitungsparameter im Mikrorechner gespeicherte zweite Grenze für das Auftreten von Materialveränderungen infolge der Bearbeitung nicht überschreitet. Das Verfahren zur gesicherten Anzeige von Abweichungen von normalen Spanungsprozessen mit Hilfe der Analyse des durch Materialveränderungen, Deformations- und Reibungsvorgängen hervorgerufenen hochfrequenten Körperschalles wird wie folgt durchgeführt:On the shaft side of a turning tool 2 or on the workpiece 1 or on a machine assembly, which allows a sufficient structure-borne sound propagation from the tool or the workpiece, a piezoelectric transducer 3 is mounted for acoustic emission signals, the high-frequency oscillations generated in the voltage process in an analog electrical Signal converted. The latter is supplied via an amplifier 4, which simultaneously acts as a bandpass filter, preferably in the range of 5 kHz to 1 M Hz to eliminate low-frequency mechanical interference, a rectifier 5, so that the RMS value or a proportional size arises. This measurand is continuously compared in a signaling and control device 8 with a first setpoint and when exceeding this first setpoint deviations from the normal Spanungsprozeß be signaled, at the same time the machine can be transmitted suitable control commands. However, these exceedances are only recognized as real if the measurand does not exceed the second limit for the occurrence of material changes as a result of processing stored in the microcomputer for the present processing parameters. The procedure for the reliable indication of deviations from normal stress processes by means of the analysis of the high-frequency structure-borne sound caused by material changes, deformation and friction processes is carried out as follows:
Durch die beim Spanen an der bearbeiteten Werkstückoberfläche unter Umständen auftretenden Materialveränderungen, z.B. Phasenumwandlungen, wie Martensitbildung, und Abweichung vom normalen Spanungsprozeß, wie z. B. Schneidenausbrüche, Wirrspanbildung, rascher Verschleißfortschritt, verändern sich die bei der Bearbeitung erzeugten hochfrequenten Schwingungen (Ultraschallbereich) in charakteristischer Weise, d. h. in diesen Fällen erhöht sich die in der Spanbildungszone freigesetzte Schalleistung. Mittels eines üblichen Aufnehmers für Signale der akustischen Emission werden diese hochfrequenten Schwingungen in analoge elektrische Signale umgewandelt. Nach Verstärkung dieser Signale, Filterung und Gleichrichtung entsteht ein Effektivwert bzw. eine ihm proportionale Größe. Zwischen der so aufbereiteten Meßgröße und derAs a result of the material changes occurring during machining on the machined workpiece surface, e.g. Phase transformations, such as martensite formation, and deviation from the normal stressing process, such. As cutting outbreaks, undulatory formation, rapid wear progress, the high-frequency vibrations generated during processing (ultrasonic range) change in a characteristic manner, d. H. In these cases, the sound power released in the chip formation zone increases. By means of a conventional transducer for acoustic emission signals, these high-frequency vibrations are converted into analog electrical signals. After amplification of these signals, filtering and rectification, an effective value or a variable proportional to it is produced. Between the so prepared measured variable and the
Schalleistung besteht ein bekannter und eindeutiger Zusammenhang. Diese Meßgröße wird in einer Signalisier- und Steuereinrichtung ständig mit einem ersten Sollwert verglichen. Dieser erste Sollwert wird an Hand vorauslaufender Spanungsversuche mit Schallemissionsmessung ermittelt. Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß wie rascher Verschleißfortschritt, Schneidenausbrüche, Wirrspanbildung, führen zu einer Erhöhung des Momentanwertes der Meßgröße, wobei die Erhöhung den Grad dertechnologischen Abweichung vom normalen Spanungsprozeß bestimmt. Damit erfolgt die Festlegung der Höhe des ersten Sollwertes nach dem Grad der technologisch zugelassenen Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß. Entsprechend den vorliegenden Erfahrungen liegt dieser erste Sollwert zwischen 150% und 400% bezogen auf die bei normalem Spanungsprozeß über annähernd konstante Bearbeitungsbedingungen gemittelte Meßgröße. Überschreitet die Meßgröße diesen ersten Sollwert, so werden unzulässige Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß signalisiert und gegebenenfalls geeignete Steuerbefehle der Werkzeugmaschine übermittelt. Diese Überschreitung des ersten Sollwertes und damit die Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß werden aber nurdannals real bewertet, wenn infolge der Bearbeitung keine Materialveränderungen in der bearbeiteten Oberfläche entstehen. Die Überprüfung, ob während der Bearbeitung Materialveränderungen in der bearbeiteten Oberfläche entstehen, erfolgt durch Vergleich der Meßgröße mit einem zweiten Sollwert, der im Mikrorechner für die jeweils zutreffenden Bearbeitungsparameter gespeichert ist. Dieser zweite Sollwert wird ebenfalls in einer Vorversuchsphase über Schallemissionsmessungen bei Spanungsversuchen mit Standardwerkstück und Standardschneide sowie nachfolgender metallografischer oder werkstoffkundlicher Untersuchungen gewonnen. Materialveränderungen in der bearbeiteten Oberfläche infolge des Spanungsvorganges sind stets mit einer wesentlichen Erhöhung des Momentanwertes der Meßgröße verbunden. Auf diese Weise kann für unterschiedliche Spanungsparameter jeweils ein zugehöriger Sollwert für das Einsetzen von Materialveränderungen ermittelt und als Konstantenfeld dem Mikrorechner eingegeben werden. Entsprechend den aktuellen Spanungsparametern wird der jeweils zugehörige zweite Sollwert als Vergleichswert ausgewählt. Überschreitet die Meßgröße den zugehörigen zweiten Sollwert, so werden über eine weitere Signalisier- und Steuereinrichtung auftretende Materialveränderungen angezeigt. In diesem Falle wird die Überprüfung auf Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß unterbrochen. Sind diese Materialveränderungen und damit unter Umständen Aufhärtung der bearbeiteten Oberfläche, erwünscht, so werden die eingestellten Bearbeitungsbedingungen beibehalten und die Bearbeitung erfolgt ohne Überwachung bzgl. Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß. Sind diese Materialveränderungen hingegen unerwünscht, so sind durch Veränderung der Bearbeitungsparameter diejenigen Spanungsbedingungen einzustellen, bei denen die Meßgröße den für die neuen Bearbeitungsparameter geltenden zweiten Sollwert nicht überschreitet. In diesem Falle wird die Überprüfung auf Abweichungen vom normalen Spanungsprozeß fortgesetzt.Sound performance is a known and unique relationship. This measurand is constantly compared in a signaling and control device with a first setpoint. This first setpoint is determined on the basis of preliminary stress tests with acoustic emission measurement. Deviations from the normal machining process such as rapid wear progress, cutting breakouts, chipping, result in an increase in the instantaneous value of the measurand, which increase determines the degree of technological deviation from the normal machining process. Thus, the determination of the height of the first setpoint value is made according to the degree of technologically permitted deviations from the normal stressing process. According to the present experience, this first setpoint is between 150% and 400%, based on the measured average over normal machining process over approximately constant machining conditions measured variable. If the measurand exceeds this first setpoint value, impermissible deviations from the normal spaning process are signaled and, if appropriate, suitable control commands are transmitted to the machine tool. However, this exceeding of the first setpoint value and thus the deviations from the normal stressing process are only evaluated as real if no material changes occur in the machined surface as a result of the processing. The check as to whether material changes occur in the machined surface during processing takes place by comparing the measured variable with a second setpoint, which is stored in the microcomputer for the respectively applicable processing parameters. This second set point is also obtained in a preliminary test phase by means of acoustic emission measurements during stress tests with standard workpiece and standard cutting edge as well as subsequent metallographic or materials science investigations. Material changes in the machined surface as a result of the chip process are always associated with a significant increase in the instantaneous value of the measured variable. In this way, an associated setpoint value for the onset of material changes can be determined in each case for different chip parameters and entered as a constant field into the microcomputer. In accordance with the current voltage parameters, the respectively associated second desired value is selected as comparison value. If the measured variable exceeds the associated second nominal value, material changes occurring via a further signaling and control device are displayed. In this case, the check for deviations from the normal voltage process is interrupted. If these material changes and thus possibly hardening of the machined surface are desired, then the set processing conditions are maintained and the processing takes place without monitoring with respect to deviations from the normal machining process. If these material changes are undesirable, however, by changing the machining parameters, those stress conditions are to be set in which the measured variable does not exceed the second nominal value applicable to the new machining parameters. In this case, the check for deviations from the normal chip process is continued.