Im Grenzbereich

Die Miniaturisierung der Werkzeug- und Schneidengrößen, zunehmende Bearbeitungsdrehzahlen und berührungssensitive Beschichtungen stellen eine ständig wachsende Herausforderung für die Werkzeugeinstellung dar. Auf Maschinen im Bereich der Mikrobearbeitung werden aus diesem Grund fast ausschließlich berührungslose Lasermesssysteme eingesetzt. Wichtig bei der Auswahl des richtigen Systems ist, dass auch innerhalb der rauen Bedingungen eines Bearbeitungszentrums eine möglichst hohe Absolutgenauigkeit vorweisen kann.

Die Genauigkeit eines Lasermess-Systems wird einerseits durch die reine Schaltpunkt-Wiederholgenauigkeit beschrieben, andererseits durch seine absolute Messgenauigkeit. Für den Anwender ist hierbei vor allem die Letztere von Bedeutung, da sie angibt, wie präzise die Messergebnisse sind, wenn Werkzeuge mit extrem variierenden Charakteristiken vermessen werden. Der Grund hierfür liegt im Funktionsprinzip der Systeme: Vereinfacht dargestellt ist ein Lasermess-System eine hochpräzise Lichtschranke. Unterbricht das rotierende Werkzeug den Strahl, wird bei einem bestimmten prozentualen Abschattungsgrad ein Schaltsignal erzeugt und an die Steuerung zur Erfassung der Achspostionen übermittelt. Eine in der Maschinensteuerung integrierte Standardsoftware verwendet den Messwert und einen Referenzwert für die Berechnung von Werkzeuglänge und -radius und trägt sie automatisch in den Werkzeugspeicher ein.

Absolute Messgenauigkeit ist ausschlaggebend

Werden Werkzeuge mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften vermessen, entstehen aufgrund des unterschiedlichen Abschattungsverhaltens vor allem bei einfach ausgestatteten Systemen Ungenauigkeiten. Bei der Vermessung kleinerer Werkzeuge wirkt sich in erster Linie der Einfluss der Schneidengeometrie auf das Messergebnis aus. Schließlich tauchen unterschiedliche Schneidengeometrien ungleich tief in den Strahl ein, bis die entsprechende prozentuale Abschattung erreicht wird. Dadurch ergibt sich für jede Schneide ein systematischer Abschattungsfehler, der umso kleiner ist, je größer das Verhältnis von Strahldurchmesser zu Schneidenradius. Der Relation folgend haben große Strahldurchmesser einen entsprechend großen Abschattungsfehler. Für den Bearbeitungsprozess bedeutet dies, dass bei Einsatz sehr unterschiedlicher Werkzeuge Maßabweichungen am Werkstück entstehen, da beispielsweise kleine Werkzeuge im Vergleich zu großen Werkzeugen zu lang gemessen werden.

Fokussierter Laserstrahl steht für präzise Messergebnisse

Um dem entgegenzuwirken arbeiten beispielsweise Lasermess-Systeme von Blum-Novotest mit Präzisionsoptiken zur Fokussierung des Laserstrahls und extrem hochwertigen Laserdioden. So kann ein sehr dünner und in seiner Lichtintensität äußerst homogener Strahl erzeugt werden, wodurch eine bestmögliche Präzision garantiert werden kann. Außerdem verfügen diese Systeme über die bewährte und patentierte NT-Technologie, wobei unter anderem ein Mikroprozessor das Schaltsignal erst erzeugt wenn die längste Schneide den Strahl verlassen hat. Für Spezialanwendungen werden die Geräte mit High-End-Komponenten ausgestattet.

Prozesssichere Fertigung

Was jedoch letztendlich bei der Zerspanung im Grenzbereich zählt, ist die erreichte Präzision am Werkstück. Hier gibt es viele Einflussgrößen die eine Rolle spielen. Schwankungen der Maschinen- und Umgebungstemperatur, Werkzeugverschleiß und die drehzahlbedingte Längenänderung der Maschinenspindel wirken sich im Hundertstelmillimeterbereich auf das Bearbeitungsergebnis aus. All diese Faktoren sind mit Lasermesssystemen, wie dem LaserControl NT von Blum-Novotest, durch die Vermessung bei Betriebsdrehzahl oder durch regelmäßige Kalibrierung einfach in den Griff zu bekommen. Wenn die Bearbeitungsmaschine aber nicht die entsprechende Positioniergenauigkeit vorweisen kann, stößt auch das präziseste Lasermess-System an seine Grenzen. Blum bietet daher eigens entwickelte Verfahren und Lösungen. Diese ermöglichen eine Überprüfung der tatsächlichen Maschinengenauigkeit am Werkstück und liefern einen Nachweis über die hohe Absolutgenauigkeit der Lasermess-Systeme.

Überprüfung der tatsächlichen Maschinengenauigkeit

Um die Positioniergenauigkeit einer Maschine zu überprüfen, wird an einem Werkstück ein horizontales (entlang der X-Achse), in Richtung -Y abfallendes Treppenprofil, gefräst. Der Höhenunterschied von Stufe zu Stufe (in der Z-Achse) beträgt 1 µm. Die eigentliche Überprüfung der Positioniergenauigkeit erfolgt durch Querfräsungen an den µm-Treppenstufen aus Richtung Y+ in Richtung Y-. Die Zustellung pro Schnitt beträgt jeweils 1 µm. Bei sehr hochwertigen Maschinen ist der erste qualifizierte Oberflächenkontakt des Werkzeugs exakt an der erwarteten µm-Stufe zu erkennen – natürlich nur unter dem Mikroskop. Bei einer exzellenten Maschine entsteht ein gleichmäßiges, diagonal versetztes Schnittprofil. Der Anwender erhält so eine µm-genaue Aussage über die Qualität der Positioniergenauigkeit der Maschine.

Absolutgenauigkeit des Messsystems wird nachgewiesen

Mit einem abgewandelten Versuch kann nun auch die Absolutgenauigkeit des Lasermess-Systems nachgewiesen werden. Grundvoraussetzung hierfür ist die vorangegangene Überprüfung der Maschinengenauigkeit. Bei diesem Test werden mehrere Werkzeuge mit sehr unterschiedlichen Charakteristiken (zum Beispiel Werkzeugdurchmesser/-form) direkt vor dem Zerspanungsprozess berührungslos mit dem Laser-System vermessen. Nach erfolgter Messung wird auf ein definiertes Z-Maß in der Mitte der Treppenstruktur gefräst (von Y+ in Richtung Y-). Abschließend wird wiederrum unter dem Mikroskop für jedes Werkzeug ermittelt, an welcher µm-Treppenstufe der erste qualifizierte Span erzeugt wurde. Die ermittelte Position des jeweils ersten Spans gibt µm-genau Antwort darauf, wie präzise ein Werkzeug vermessen wurde. Im Falle einer positiven Abweichung wurde das Werkzeug zu lang gemessen und umgekehrt. Die linke Spur zeigt dabei die Bestätigung der Null-Linie des Werkzeugs das die Treppenstruktur gefräst hat.

Absolutgenauigkeit liegt bei bemerkenswerten ± 0,5 µm

Innerhalb des Versuchs wurden jeweils vier Schaftfräser und vier Kugelfräser mit einem Durchmesser 0,1/0,3/1,0 und 6 mm vermessen. Die erreichten Messergebnisse sind beeindruckend. Wird ein Blum Standardsystem LaserControl Nano NT eingesetzt, liegt die Streuung der Messwerte bei gerade einmal ± 1 µm. Ist jedoch bei der Auswahl des Lasersystems bereits bekannt, dass ausschließlich Werkzeuge in mit ähnlichen Charakteristiken (z.B. Werkzeugdurchmesser) auf der Maschine verwendet werden ergibt sich eine Absolutgenauigkeit im Bereich von ± 0,5 µm.

Werkzeuge sind ab einem Durchmesser 5 µm messbar

Der minimal messbare Werkzeugdurchmesser ist prinzipiell abhängig von den Bedingungen in denen die Geräte eingesetzt werden. Blum-Systeme zum Beispiel sind standardmäßig so ausgelegt, dass eine prozesssichere und präzise Messung auch unter extremen Verhältnissen und in verschiedensten Maschinentypen immer gewährleistet ist. In Maschinen der Mikrobearbeitung herrschen jedoch grundlegend andere Verhältnisse als dies in Standardmaschinen der Fall ist. Daher gibt es für diese Messaufgaben und Umgebungen auch speziell angepasste Geräte. Sollen beispielsweise in Spezialanwendungen extrem kleine Werkzeuge gemessen werden, konfiguriert der Hersteller die Systeme vor der Auslieferung entsprechend der Kundenanforderung. Mit diesen kundenspezifischen Geräten ist es dann problemlos möglich, Werkzeuge ab einem Durchmesser von 5 µm präzise zu messen.

Letztendlich ist es immer ein Zusammenspiel zwischen Bearbeitungszentrum und Mess-System. Sollen Werkstücke höchster Präzision hergestellt werden, benötigt man einerseits eine sehr gute Maschine, andererseits eine möglichst genaue Möglichkeit die Werkzeuge in der realen Spannsituation und unter Arbeitsdrehzahl zu vermessen. Sollen nun noch Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht werden, führt kein Weg an einem Lasermess-System vorbei. W

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