Gewindeformer („Fehlt“-Erkennung)

Hinterlegungsfräsen von Schiebemuffen (Brucherkennung)

Drehen von Guss und Schmiedeteilen im Erstschnitt (Werkzeugbrucherkennung)

Drehbearbeitung Kolbenfertigung (Bruchüberwachung, Überlastschutz)

Schlagdrehfräsen, Mehrkantdreheinheit zur Stirnnutenbearbeitung (Brucherkennung)

HPC-Hochleistungsfräser (Verschleißüberwachung)

Rundtaktzentrum (Ölwanne, Trägerriemenspanner) (Bruchüberwachung)

Wälzfräsen von Spiralverzahnungen (Werkzeugverschleißerkennung)

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„Fehlt“-Erkennung bei M6-Gewindeformer
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Anwendung bei VW Braunschweig
Maschine Licon Rundtaktmaschine Nr.4 in Linie, ein Mehrspindelkopf (6 Spindeln) je Station
Steuerung SIEMENS 840D
Bearbeitung Radträger VW-Passat, Aluminium, M6-Gewindeformer
Überwachungsaufgabe
Es sollte geprüft werden, ob mit einem Beschleunigungsaufnehmer der fehlende Schnitt eines M6-Gewindeformers in AL sicher erkannt werden kann.

Lösung/Systemaufbau

Es konnte anhand der aufgezeichneten Rohsignale und mit Hilfe von Filtertechniken, die das PROMOS-2-/MCI-System für Vibrationsauswertung bietet, eine Signalaufbereitung gefunden werden, die den Unterschied zwischen Leerschnitt und Bearbeitung eines M6-Gewindeformers genügend gut abbildet:

Es fällt auf, dass der Leerschnitt bereits im RMS-Signal einen um Faktor 2-3 höheren Schwinglevel aufweist, als der eigentliche Gewindeform-Prozess (in diesem Fall ist es offenbar so, dass das Schwingverhalten der Spindel durch den Prozess besser geführt und somit ruhiger wird). Denselben Effekt kann man bei der Auswertung des I2-Parameters erkennen. Dieser eignet sich offenbar sehr gut für eine sehr sichere Fehlt-Erkennung und wird auch im Moment des Ereignisses sehr empfindlich reagieren:

Fazit Die Erkennung eines Leerschnittes ist mit der angegebenen Überwachungs-Konfiguration und -Strategie auf sichere Weise möglich.

Anwendung bei GETRAG FORD Transmissions GmbH, Köln-Niehl, Deutschland
Maschine Präwema GmbH Synchro Form V (Abb. Präwema)

Werkstück Schiebemuffe

Material Stahl (Abb.: Schiebemuffe und Kombiwerkzeug, Quelle: Präwema)

Überwachungsaufgabe (Werkzeugbruch) In der Getriebeherstellung durchlaufen die so genannten Sleeves (Schiebemuffen) bis zu ihrer endgültigen Fertigstellung eine Reihe von Bearbeitungen. So wird u. a. an der Innenverzahnung der Schiebemuffe eine Hinterlegung mittels eines zweischneidigen Fräswerkzeugs vorgenommen.

In der Vergangenheit haben sich Fälle ereignet, in denen eine einzelne Schneide des Werkzeuges abbrach, was zu einer fehlerhaften Ausführung des Fräsprozesses und zur Produktion von Ausschussteilen führte. Ein späteres manuelles Auslesen der Teile über eine Sichtkontrolle ist aufgrund der Geringfügigkeit des Merkmals unmöglich und mit weiteren Unsicherheiten behaftet.
Der Kunde wünscht eine Einrichtung, die den Prozess hauptzeitparallel überwacht und im Falle des Abbrechens des Werkzeuges oder eines massiv auftretenden Schneidenschadens (Abplatzer) die Maschine stillsetzt, um somit eine weitere Produktion von Ausschussteilen zu vermeiden.

Fazit Die angewendete Messtechnik ist für die kontinuierliche Überwachung des Fräsprozesses bei der Herstellung der Sleeves sehr gut geeignet. In den Messsignalen bildet sich der Prozess deutlich und interpretierbar sowie mit einer sehr guten Wiederholgenauigkeit ab. Im Falle von Werkzeugbruch tritt eine deutliche Veränderung/ Reduzierung des Messsignals ein, sodass verschiedene Strategien sicher zur Anwendung gebracht werden können.

Ferner zeigte sich bei dem Zyklus Einstechen der Rastnuten, der ebenfalls mit demselben Kombiwerkzeug vorgenommen wird, ein erhöhter Verschleiß der Schneide. Dieser kann sicher mit der Vibrationsmesstechnik erkannt und überwacht werden.

Der Einsatz des PROMOS-2-Systems an den Maschinen der Firma Präwema bietet die gewünschte Prozesssicherheit und eine 100%-Kontrolle der Werkstücke zum Zeitpunkt ihrer Herstellung.

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über die dynamischen Limits

Werkzeugbruchüberwachung beim Drehen von Guss- und Schmiedeteilen im Erstschnitt

Die beste Lösung zur Erkennung von Werkzeugbruch beim Drehen von Guss- und Schmiedeteilen stellen die Dynamischen Limits von PROMETEC dar.

Das zu bearbeitende Teil - z.B. Bremsscheibe, Schwungrad, Zahnradrohling, Eisenbahnrad - ist unrund, weist eine hügelige Oberfläche mit deutlichen Härteschwankungen auf und ist oft nicht mittig im Futter spannbar. Der durch den Sensor aufgenommene Kraftsignal-Verlauf schwankt daher stark:

1. Starke Signalschwankungen

Die Animation zeigt die erheblichen, aber normalen Schwankungen im Kraftsignal:

Ab welcher Signalhöhe sollte ein Alarm (und damit eine Abschaltung) ausgelöst werden? (siehe folgender Abschnitt)

2. Statisches Limit: fehlerhafte Brucherkennung

Wird ein statisches Limit zur Brucherkennung bei z.B. 160% angelegt, kann es durch die natürlichen Signalschwankungen zu Falschalarmen und damit zum unnötigen Abschalten des Werkstückvorschubs kommen:

Wohin soll der Bediener das Limit also legen? Höher? Das würde eine schlechtere Brucherkennung bedeuten. Niedriger? Dann ergeben sich noch mehr Falschalarme. Die perfekte Lösung in diesem Fall heißt:

3. Dynamische Limits

Dynamische Limits (in Verbindung mit einem schnellen Kraftsensor) passen sich dem Messsignal ständig an und tolerieren daher stark dynamische Signalverläufe. Die Anpassung der Dynamischen Limits erfolgt im Takt weniger Millisekunden und damit vielmals innerhalb einer Werkstückumdrehung.

Der unerwartet extreme Signalausschlag (Pfeil) wird toleriert und es erfolgt keine falsche Meldung.
Die Bearbeitung wird nicht unterbrochen!

4. Dynamisches Limit im Bruchfall

Was passiert bei einem tatsächlichen Bruch? Eine bruchtypische, abrupte Signalveränderung verändert das Verhalten der Dynamischen Limits - sie werden durchschritten und „frieren sofort ein“, und zwar dort, wo sie gerade sind:

Eine blitzschnelle Analyse auf einen bruchtypischen Signalverlauf erfolgt: Nur bei einem tatsächlichen Werkzeugbruch wird der Werkstückvorschub der Maschine gestoppt, bei anderweitiger Analyse (wie Hartstelle, Schnittunterbrechung, etc.) erfolgt kein Stopp!

Fazit:

Die Dynamischen Limits erfordern einen äußerst geringen Bedienaufwand bei einer Brucherkennungsrate von >95% beim Drehen der Guss- bzw. Schmiedehaut. Es werden extrem wenige Falschalarme generiert (typisch 1 pro Schicht/Woche).
Durch die sehr kurze Reaktionszeit von 5 Millisekunden bleibt der Vorschub innerhalb einer Umdrehung nach Werkzeugbruch stehen, was den Werkzeughalter schützt.

Drehbearbeitung Kolbenfertigung
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Bruchüberwachung in Drehmaschinen bei der Kolbenfertigung (Aluminium)
Anwender KS Kolbenschmidt GmbH, Neckarsulm, Fertigung von PKW- und LKW-Kolben
Drehmaschine Weisser Vertor C-1R

Steuerungstechnik Sinumerik 840 D

Bearbeitung LKW- und PKW-Kolben

Material Aluminiumlegierung

Bearbeitung - Überwachungsaufgabe (Werkzeugbruch) Speziell beim Drehen der Bodenmulde kann es zu einem Spänestau kommen, der dann zum Werkzeugbruch führt. Die reine Softwarelösung PROSIN wird zur Bruchüberwachung und zum Schutz gegen statische Überlast eingesetzt.

Funktion der Überwachung Das überwachte Antriebsstromsignal überschreitet im Fall des erwähnten Spänestaus ein Überlastlimit – PROSIN schaltet die Maschine rechtzeitig ab und aktiviert über einen NC-Digitalausgang/PLC eine Warnlampe. Auf diese Weise kann der Bediener sofort reagieren und damit die Maschinenstillstandszeiten auf ein Minimum reduzieren. Des Weiteren werden durch PROSIN die Maschine sowie die Werkzeughalter vor Schäden geschützt.

Amortisation Wegen der äußerst geringen Kosten der Wendeschneidplatte ist eine durch Werkzeugbruch zerstörte Schneide eher unproblematisch. Allerdings führt ein nicht rechtzeitig erkannter Werkzeugbruch mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer nachfolgenden Beschädigung von Werkzeughalter und Revolverkopf. Die daraus resultierenden Reparaturkosten und der Produktionsausfall sorgen für eine Amortisation von PROSIN schon beim ersten Werkzeugbruch!

Bedienerakzeptanz Laut Aussage der Anwender bei Kolbenschmidt bietet PROSIN einen effektiven Nutzen, weil die Software durch ihr klares Konzept und die einfache Bedienbarkeit im vollen Umfang genutzt wird. Resümee Insbesondere durch die heutige Mehrmaschinenbedienung ist eine leistungsfähige und leicht zu bedienende quasi sich selbst erklärende Werkzeugüberwachung zwingend notwendig, um eine sichere und wirtschaftliche Produktion zu gewährleisten.

Quelle: KS Kolbenschmidt GmbH, Neckarsulm

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Schlagdrehfräsen, Mehrkantdreheinheit zur Stirnnutenbearbeitung
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Brucherkennung beim Schlagdrehfräsen

Anwenderdaten Wera Profilator, Wuppertal

Problemstellung Herstellung von Hohlrädern, die in Automatikgetrieben eingesetzt werden.

Werkzeug Mehrkantdreheinheit zur Stirnnutenbarbeitung. Bei diesem Produktionsverfahren wird ein mit fünf Hauptschneiden und fünf Innenräumern bestückter Messerkopf verwendet.


Bereits kleinere Beschädigungen an einzelnen Werkzeugen führen zu einem schlechten Bearbeitungsergebnis, einer unzureichenden Bauteilqualität sowie zu einem späteren Versagen des Bauteils im montierten Zustand.
Da bei der Bearbeitung der Stirnnuten sehr kleine Zerspanungsquerschnitte vorliegen, ist die Überwachung des Prozesses und der Werkzeuge ausschließlich mit einer mehr als hochauflösenden Überwachungstechnik möglich.

Besonderheit der Installation Zum Einsatz kommt hier ein Vibrationssensor und der Algorithmus Peak Analyser I2, der eine sichere und vollständige Überwachung von Brüchen und Ausbrüchen an den Wendeschneidplatten des Messerkopfes ermöglicht.

• Erkennung des Bruchs einer einzelnen Schneide
• Verhinderung von Folgebrüchen
• Keine Ausschussproduktion
• Keine Beschädigung des Werkzeughalters

Fazit Der Einsatz des PROMOS-2-Systems an den Maschinen der Firma Profilator bietet die gewünschte Prozesssicherheit und eine 100%-Kontrolle der Werkstücke auf Werkzeugbruch während der Bearbeitung.

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HPC-Hochleistungsfräser
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Verschleißüberwachung an HPC-Hochleistungsfräser, Ventil-Fertigung
Anwender Bürkert, Ingelfingen

Werkzeugmaschine Stama MC, 2 Spindeln
Steuerungstechnik SIEMENS, PCU50
Werkstück Ventil , Material: V4A
Überwachungsaufgabe Ziel der Untersuchung war es, ob mit der reinen Softwarelösung PROSIN PLUS (Arbeitswertüberwachung) eine Werkzeugverschleißüberwachung realisiert werden kann, die einerseits die
Werkzeugkosten verringert und zweitens eine Entzündung des dort eingesetzten Kühl- und Schmierstoffes verhindert, die durch ausgebrochene und in der Folge glühende Wendeplatten bzw. Späne hervorgerufen wird.

Aufbau der Überwachung In Zusammenarbeit mit der Fa. Bürkert (verantwortlich: Herr Hlawatschke) wurde ein Standzeitversuch mit einem HPC-Hochleistungsfräser (Gr. 25/3) 4 Schneiden
durchgeführt. Der Teach-In-Vorgang wurde mit zwei neuwertigen Werkzeugen durchgeführt. Der gelernte Wert betrug für beide Spindeln 5,48 A (Arbeitswert Spindel 1:39773 Arbeitswert Spindel 2: 41287). Nach einem weiteren Werkstück wurde in die Spindel 2 ein verschlissenes Werkzeug ohne Ausbrüche eingesetzt.
Die Überwachungsgrenzen wurden letztendlich auf ein Überlastlimit von 130% und ein Arbeitswertlimit von 120% eingesetzt. Dieses war nach Aussage des Einrichters noch i.O.,. Die weiteren Durchläufe sahen danach wie in dieser Tabelle dargestellt aus:

Im letzten Schnitt löste das Überlastlimit der Spindel 2 zum Anfang des Schnittes aus und stoppte die Maschine sofort, daher resultiert auch der geringe Arbeitswert auf beiden Spindeln. Das beigefügte Foto (Werkzeug Spindel 2) verdeutlicht den Zustand und war nach Meinung des Einrichters genau der richtige Zeitpunkt zum Abschalten der Anlage und Austauschen der Schneidplatten, um ein Glühen der Wendeplatten bzw. Späne zu verhindern. Erste Ausbrüche sind zu erkennen.

Resümee Eine Verschleißüberwachung konnte an diesem Werkzeug realisiert werden.
Die Entwicklung der Überwachungswerte steht in eindeutigem Verhältnis zum Zustand der Werkzeuge. Eine große Streuung der Werte bedingt durch die Verhältnisse im Werkstück bzw. durch den Werkstoff ist nicht zu erwarten, da die Schnittbedingungen sehr konstant sind.
Für die genaue Einstellung der Überwachungslimits ist nur geringes Know-How des Anwenders notwendig. Diese können, wie oben dargestellt, durch Standzeitversuche ermittelt werden. Wir empfehlen weiterhin die Auswertung der Überwachungsstrategie "Arbeitswert", die in PROSIN PLUS standardmäßig integriert ist.

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Rundtaktzentrum (Ölwanne, Trägerriemenspanner)
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Bruchüberwachung in Rundtaktzentren
Anwender Fa. Stöferle, Laupheim
Werkzeugmaschine Stöferle Rundtaktzentren RTZ-NC-22-500 (Planetendurchmesser 500, 22 NC-Achsen)

Steuerungstechnik SINUMERIK PCU 50

Bearbeitung Ölwanne Die reine Softwarelösung PROSIN wird sowohl zur Bohrerbruchüberwachung zum Schutz des Folgewerkzeuges als auch zur Überwachung der Fräsprozesse zum Überlastschutz eingesetzt.
Das Werkstück wird an 4 von 6 Stationen des Rundtaktzentrums bearbeitet. An Station 2 wird beim Bohrer (∅ 41mm) die PROSIN-Software zusätzlich zur Verschleissüberwachung eingesetzt. Das Werkzeug bohrt ins Vollmaterial, unterliegt vom Verschleiss her erheblichen Schwankungen und ist deshalb über eine alleinige Standzeitmengenkontrolle nicht ausreichend überwachbar.
Des weiteren ermöglicht PROSIN eine zusätzliche Detektierung von n.i.O.-Teilen, die durch eine fehlerhafte Aufspannung der Ölwanne entstehen können (Dreipunkt-Aufspannung). Infolgedessen gerät das Werkstück im Bearbeitungsraum zu weit nach vorne, sodass beim Fräsen der Auflagefläche des Schwallbleches zu viel Material abgetragen wird: Das Werkstück entspricht nicht mehr den geforderten Spezifikationen. PROSIN erkennt solche n.i.O.-Teile durch sein Überlastlimit.

Bearbeitung Trägerriemenspanner Bezüglich Bohrerbruchüberwachung und Schutz vor Überlast bei Fräsprozessen gilt hier das gleiche wie bei der Ölwanne.

Auch hier ermöglicht PROSIN eine zusätzliche Detektierung von n.i.O.-Teilen: Für den seltenen Fall, dass ein Rohteil verzogen ist, erkennt ein Fehlt-Limit die zu geringe Zerspanungsleistung. Daraufhin kann das n.i.O-Teil aussortiert werden.

Vorteil Bedienerakzeptanz Laut Aussage der Anwender bei Stöferle bietet PROSIN einen effektiven Nutzen, weil die Software durch ihr klares Konzept und die einfache Bedienbarkeit im vollen Umfang genutzt werden kann.

Resümee Insbesondere durch die heutige Mehrmaschinenbedienung ist eine leistungsfähige und leicht zu bedienende quasi sich selbst erklärende Werkzeugüberwachung zwingend notwendig, um eine sichere und wirtschaftliche Produktion zu gewährleisten.

Stöferle CNC-RTZ-320:
4 CNC-Einheiten unabhängig voneinander
6 Planetentische unabhängig 1° drehbar
24 bzw. 32 Werkzeugplätze
- HSK-63 Aufnahme
- Sonderköpfe für Gewinden usw. möglich

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Wälzfräsen von Spiralverzahnungen
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Werkzeugverschleißerkennung beim Wälzfräsen von Spiralverzahnungen nach dem Verfahren Gleason und Oerlikon
Anwendung bei Deutscher Automobilhersteller

Maschine Wälzfräsmaschine für spiralverzahnte Antriebsteile

Werkstück Spiralkegelrad, Stahl
(Abb.:Tellerrad und Kegelrad)

Werkzeug
(Abb.:Messerkopf)

Bearbeitung Mit der Anwendung sollte die Eignung des PROMOS 2 Real Time Compact Monitors (RTCM) mit Vibrationssensor VBS 50 von PROMETEC zur Überwachung von Wälzfräsprozessen intensiv untersucht und nach Möglichkeit deutlich bestätigt werden.
Die konkrete Aufgabenstellung bezog sich im Wesentlichen auf die rechtzeitigen Erkennung des Verschleißes der Messer des Messerkopfes und der sicheren Erkennung des Standzeitendes des Werkzeuges festgemacht.
Durch die rechtzeitige Meldung des Standzeitendes sollte eine von erhöhtem Messerverschleiß ausgehende Überbelastung des Werkzeugs bis hin zum so genannten „Totalabräumer“ und Riefenbildung bzw. Druckmarkenbildung auf den Zahnflanken vermieden werden.

Systemaufbau

Ergebnisse Im untenstehenden Bild sind die I2-Mean-Werte von 381 Bearbeitungen gezeigt.

Der I2-Wert zeigt sowohl einen deutlichen Verschleißtrend als auch einen erheblich verstärkten Anstieg im Falle nachlassender Werkstückqualität.
Einer Verschleißüberwachung mittels festgelegter Schwellen steht nichts im Wege.

Fazit Das PROMETEC PROMOS-2(RTCM)-System bietet ideale Möglichkeiten zur sicheren Erkennung des Standzeitendes von zum Wälzfräsen verwendeten Messerköpfen und bietet hierdurch bereits eine Reihe interessanter und auch quantifizierbarer wirtschaftlicher Vorteile.
So können durch die kontinuierliche Aufnahme der Prozesswerte Trendentwicklungen zum Verschleiß sichtbar gemacht und das Werkzeug gegen verschleißbedingte Überbelastungen geschützt werden. Der in das System integrierte Standzeitende-Melder gibt im Falle der Überschreitung der Standzeitende-Grenze eine Warnung aus und fordert das Bedienpersonal dazu auf, das Werkzeug auf vorhandene Verschleißmarken hin zu überprüfen.
Eine übermäßige Riefen- und Druckmarkenbildung auf der Oberfläche der Verzahnung oder insbesondere in ihrem Grund kann durch die kontinuierliche Kontrolle des Verschleißgrades des Werkzeugs vermieden werden, was zu einer erheblichen Reduzierung des Nachbearbeitungsaufwandes und der damit verbundenen Kosten führt.

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