Entwicklung und Einsatz eines temperatursensorischen Beschichtungssystems für Zerspanwerkzeuge
Creators: name: Pantke, Klaus
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2012
Subjects: subject: Beschichtungstechnik
subject: Werkzeugentwicklung
subject: Zerspanung
subject: 620
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description: Der Erfassung von Temperatureinflüssen auf die Werkzeugschneide und das Werkstück in Zerspanprozessen kommt eine stetig wachsende Bedeutung zu. Zur Auslegung von Zerspanprozessen sowie der anforderungsgerechten Schneidstoff- und Beschichtungsauswahl ist die Kenntnis der auftretenden Temperaturen unerlässlich. Die Nutzung des thermoelektrischen Effektes auf der Basis verschiedenartiger Beschichtungssysteme erlaubt es, Temperaturen wirkstellennah am Werkzeug zu erfassen und zu analysieren. Insbesondere der bei handelsüblichen Thermoelementen bekannte Seebeck-Effekt liefert beim Einsatz thermoelektrisch wirkender Beschichtungspaarungen genaue Kenntnisse über die während des Zerspanvorgangs auftretenden Temperaturen. Das Ziel des dieser Arbeit ist es daher, sowohl die Beschichtungstechnologie hinsichtlich der Abscheidung von Thermoelektrizitäts- Beschichtungen weiter zu entwickeln als auch eine Einsatzqualifizierung dieser Schichtsysteme im Zerspanprozess vorzunehmen. Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, dass es in direkter Nähe zur Wirkzone die Temperaturen zuverlässig erfassen kann. Dies ist durch eine zusätzliche Verschleißschutzschicht aus Aluminiumoxyd zu gewährleisten. In dieser Arbeit erfolgen die Erfassung der Werkzeugtemperaturen mit einem sensorischen Beschichtungssystem sowie der Vergleich mit etablierten Verfahren. Hierfür kommen die Videothermografie sowie konventionelle Thermoelemente zu Anwendung. Aufbauend auf den gewonnen Daten des Sensorsystems erfolgt eine Berechnung der Temperatur im Bereich der Werkzeugspitze durch die Methode der Finiten Elemente, durch thermodynamische Berechnungen sowie eine nichtlineare Regression. Grundsätzlich zeigt sich, dass mit dem entwickelten Sensorsystem die Erfassung der thermischen Werkzeugbelastung während des Bearbeitungsprozesses zuverlässig realisierbar ist. Aufbauend auf den so ermittelten Daten k onnen die eingesetzten analytischen Berechnungsmethoden die Temperatur im Bereich derWerkzeugspitze bestimmen. Ein Vergleich dieser analytischen Verfahren konnte deutlich machen, dass eine FE-Berechnung, basierend auf den gewonnenen Sensordaten die zuverlässigstenWerkzeugtemperaturen liefert. Durch die Kombination einer analytischen Berechnungsmethode mit den gewonnen Sensordaten ist es somit m oglich, die Temperatur im Bereich der Werkzeugspitze zuverlässig zu ermitteln. Diese Methode stellt somit für zukünftige Untersuchungen ein zuverlässiges Hilfsmittel zur Prozessüberwachung zur Verfügung.
description: High temperatures in cutting processes can increase the tool wear and result into insufficient workpiece qualities. This is the reason why the exact knowledge of tool temperatures in cutting processes is an essential factor for tool- and process design. Currently, the in-process measurement of the tool temperature is usually carried out by thermographic pictures or embedded standard thermocouples. A new method to improve the temperature measurement for cutting processes is the application of sensor coatings directly on tools. Based on the Seebeck-effect, it is possible to coat cutting tools with Ni and NiCr conduction paths. At the joining point of these two metallic conductors, an electric potential difference is resulted due to the temperature imposed. An additional Aluminumoxide protection layer enables the measurement of the temperature gradient direct on the rake face during the cutting process. In this thesis, the development of the sensor system, the resulting measurement data in turning and the evaluation of the data are presented. To deposit a thermocouple on the cutting inserts, a newly developed mask technique was used, which covered the cutting insert with steel masks. Three conductive paths with contact points were generated by a micro milling process. In a first step, the measured temperature by the sensor system is compared with two conventional temperature measurement methods. The resulting temperature data by the sensor system is in the same range than the data measured by embedded standard thermocouples and thermography systems. With the data, measured by the sensor system, a calculation of the temperature on the tool tip is done by finite elements method, thermodynamic calculation and nonlinear regression. In comparison of these calculation methods, the finite elements method enables the best result. Based on the measured temperature data with the sensor system, the finite elements method is possible to calculate a certain temperature for the tool tip. Further investigations can use the developed sensor system in combination with finite elements calculation as method for process monitoring system.
description: Schriftenreihe des ISF;64