Fundamental Study and Pragmatic Enhancement of Single Point Diamond Turning through Embedded Thin Film Sensor Arrays
Production Automation and Assembly Technology
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG-Projektes wurden Dünnfilm-TEs in UP-Diamantwerkzeuge integriert und im UP-Drehprozess experimentell eingesetzt. Um das fehlende Mitwirken der US-Universitäten University Wisconsin-Madison und Northwestern University bestmöglich zu kompensieren, wurde am IWF intensiv an der Herstellung von Dünnfilm-TE gearbeitet. Dazu zählen sowohl das applikationsspezifische TE-Design als auch die Umsetzung und werkstoffabhängige Modifikation der Prozesskette. Zusätzlich wurden unterschiedliche Kombinationen von Substrat und TE-Leiterwerkstoffen hinsichtlich Ihrer Eignung für den UP-Prozess untersucht. Die vielversprechendste Kombination stellt hierbei der Einsatz von K-Typ-Dünnfilm-TE bestehend aus Ni und NiCr auf Diamantsubstraten dar. Mit zunehmender Zerspanzeit t ist anhand der Temperatur-Trendlinie zu erkennen, dass die Temperatur ϑ kontinuierlich steigt. Die durchgeführten Zerspanungsversuche mit 8-kanal-TE bestätigten, dass die außenliegenden TE eine größere Temperaturdifferenz Δϑ zeigen, als die mittig angeordneten TE. Der Kühleffekt der Druckluft hat einen wesentlichen Einfluss auf die Temperatur ϑ unmittelbar an der Diamantschneide und somit auf die Temperaturessdaten der TE. Bei den durchgeführten Zerspanungsversuchen konnten zwei wesentliche Effekte identifiziert werden. In Hinblick auf die Schnitttiefe ap konnte gezeigt werden, dass die Temperatur ϑ an den Dünnfilm-TE mit zunehmender Schnitttiefe ap steigt. Weiterhin konnte anhand der gemittelten Temperaturdaten für Schnitt Nr. 3 und 10 exemplarisch dargestellt werden, dass mit zunehmender Zerspanzeit t die Temperatur ϑ im Schneidteil ansteigt. Nach Durchführung der Zerspanungsversuche ist jedoch festzustellen, dass explizite Aussagen zur exakten Ermittlung des dreidimensionalen Temperaturfeldes sowie der Temperatur ϑ der Diamantoberfläche nicht möglich sind. Die hierfür notwendige thermische Isolation der Schneide konnte im Verlauf des Projektes nicht hergestellt werden. Zur Ermittlung der Maximaltemperaturen ϑmax an der Diamantschneide wurden daher Experimente sowie Simulationen durchgeführt. Die mittels Dünnfilm-TE gemessenen Temperaturwerte wurden dazu mit denen von konventionellen Draht-TE sowie mit den aus Simulationen ermittelten Werten verglichen. Ein vereinfachtes Temperaturmodell wurde aufgrund dieser Daten für die Kalkulation der Temperatur ϑ in der Wirkzone eingesetzt. Die für die Wirkzone ermittelten Temperaturen ϑ entsprechen weitgehend den für die Diamantzerspanung publizierten Werten. Der Verschleiß der Diamantschneiden wurde mittels mikroskopischer und ramanspektroskopischer Messung bewertet. Im Ramanspektrum verschlissener CVD-Diamantschneiden ist die Adhäsion von metallischem Werkstückwerkstoff, z. B. Aluminium, erkennbar. Die in starker Ausprägung als Aufbauschneiden in den Experimenten beobachteten chemischen Verschleißerscheinungen sind als Hintergrundrauschen im Ramanspektrum identifizierbar. Das durchgeführte Projekt prädestiniert Dünnfilm-TE in der Diamantzerspanung vornehmlich zur passiven Prozesskontrolle. Eine aktive Prozessregelung würde eine sichere Erfassung der Werkzeugtemperatur ϑW voraussetzen. Die während der klassischen Zerspanung mit Diamantwerkzeugen vorherrschenden Bedingungen lassen dieses nicht zu. Das im Rahmen des Projektes auf Basis von LabVIEW erstellte Programm nutzt das vereinfachte Temperaturmodell. Damit ist es möglich, Temperaturwarnungen an den Bediener auszugeben. Die Erhöhung der Temperatur ϑ im Schneidteil bei Kontakt von Werkzeug und Werkstück ist unmittelbar erfassbar. Dieses wird in dem erstellten Software-Werkzeug genutzt, um eine teilautomatisierte Nullpunktbestimmung vorzunehmen.
Publications
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Temperaturen beim Diamantdrehprozess - alles eine Frage der Messmethode. Ingenieurspiegel, Ausgabe Maschinenbau, 3, 2014, S. 72 – 73
Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Frenzel, S.
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Ultrapräzisionsbearbeitung: Temperatur direkt in der Diamantschneide messen. VDI-Z, Heft 11/2015, Springer VDI-Verlag, S. 51 – 53
Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Frenzel, S.
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Fundamental Study on Embedded Thin Film Temperature Sensor Arrays for Diamond Turning Processes. In: Orange County, California, USA; 11th International Conference on Micro Manufacturing, ICOMM 2016. 29th March – 31th March 2016. Paper#14
Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Frenzel, S.; Polte, J.; Hein, C.; Winker, I.
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Methode zur Erfassung von Temperaturen in der Diamantschneide. Diamond Business, Heft 60, 2017, S. 54 – 63
Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Frenzel, S., Polte, J.
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Measurement of Near Cutting Edge Temperatures in the Single Point Diamond Turning Process.
1st Conference on Thermal Issues in Machine Tools. Dresden, 21.03.2018 - 23.03.2018
Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Frenzel, S.
