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Case study

Messung des Schneidkantenradius einer Schneidplatte

Case study, Micro-manufacturing, Werkzeugbau
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Die UTILIS AG ist einer der weltweit führenden Anbieter von Präzisionswerkzeugen für die metallverarbeitende Industrie. Seit 100 Jahren entwickeln, fertigen und distribuieren wir hochwertige und präzise Zerspanungswerkzeuge insbesondere für die Mikromechanik, die Uhren- und Medizinaltechnik. Mit modernsten, fortschrittlichen Technologien und umfassendem Know-how zur Herstellung von Zerspanungswerkzeugen positionieren wir uns als Spezialist und einer der Marktführer der Metallzerspanungsbranche.

Mit dem S neox Five Axis ist alles möglich. Steile Winkel und sehr kleine Schneidkantenmessungen von wenigen Mikrometern sind für die optische 3D-Profilierung kein Problem mehr

Schneidplatten dienen zur Herstellung von Gewinden. Der Schneidvorgang ist komplex, denn die Schneidplatte weist zahlreiche unterschiedliche Winkel auf (Steigungswinkel, Spanwinkel, Freiwinkel) (Abb. 1a). können Schneidplatten über bis zu drei Zähne verfügen. Das macht das Vermessen von Schneidplatten zur Herausforderung.
Bisher war man zur Qualitätsbeurteilung auf einfache optische Geräte zur Beurteilung der Maßhaltigkeit und auf Tastschnittgeräte zur Messung der Rauheit angewiesen. Die Aussagekraft solcher Messungen ist jedoch sehr begrenzt. Außerdem mussten die Teile zur Messung der gewünschten Größe nicht selten zerstört werden. Um die Qualität unserer Werkzeuge ständig zu verbessern, wird ein flexibles Gerät benötigt, mit dem sowohl die kritischen Abmessungen als auch die Oberflächenrauheit von Schneidwerkzeugen gemessen und bewertet werden können.

Ziel dieser Fallstudie ist es, den Schneidkantenradius einer Schneidplatte mit einem optischen 3D-Profiler zu messen und die Rauheitsparameter entlang der Kante des Schneidwerkzeugs zu ermitteln. Eine schematische Darstellung der zu messenden Schneidplatte enthält Abb. 1b.

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Abb. 1.a) Einige der Parameter, die für ein Schneidwerkzeug von Interesse sind. b) Zeichnung des gemessenen Einsatzes. Die rote Linie zeigt das Schneidenprofil, das in dieser Fallstudie untersucht wird.

Der Schneidkantenradius ist sehr wichtig für eine gute Lebensdauer des Werkzeugs. Für diese spezielle Anwendung haben wir das Optische S neox Five Axis 3D-Profilometer im HDR-Fokusvariationsmodus (Sensofar) in Verbindung mit einer 100-fachen Objektivvergrößerung verwendet, um die 3D-Schneidkanten-Topografie einer Schneidplatte zu erfassen (Abb. 2).

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Abb. 2. 3D-Topografie einer abgerundeten Schneidkante, gemessen mit 100X Ai HDR-Fokusvariation. Unten das transversale Profil, rechts die Draufsicht.

Die Schneidplatte wurde, wie in Abb. 3  dargestellt, mit einem Elevationswinkel von 63,5º gehalten.

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Abb. 3. Positionierung der Schneidplatte unter dem optischen 3D-Profiler S neox Five Axis

Nach der Erfassung der Topografie wurden die Daten zur automatischen Datenanalyse an das SensoPRO Software -Plug-in „Edge“ gesendet. Dieses Softwaremodul kann automatisch die Ausrichtung der Schneidkante erkennen und berechnet eine bestimmte Anzahl von Profilen, die quer zur Kante verlaufen. Für dieses spezielle Beispiel wählten wir bis zu 30 Profile aus, aus denen der Schneidkantenradius neben vielen anderen Parametern, die in Abb. Abb. 4aufgeführt sind, errechnet wurde.

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Abb. 4. Liste der für jedes Profil quer zur Schneidkante berechneten Parameter. Zusätzlich zu diesen Parametern berechnet die Software auch die Rauheit (z.B. Ra, Rq oder Rz u.a.) entlang der Schneidkante.

Die SensoPRO-Software ermöglicht die Visualisierung der einzelnen Parameter und liefert einige statistische Angaben zu jedem Parameter (Mittelwert, Standardabweichung, Minimum und Maximum). Wie in Abb. 5dargestellt, beträgt der durchschnittliche Radius von 30 Profilen 5,14 µm mit einer Standardabweichung von ±0,35 µm. Die Software bietet die Möglichkeit, einen Toleranzbereich festzulegen und die Ergebnisse in einem Pass- oder Fail-Reportzu exportieren. In unserem Fall haben wir einen minimalen und einen maximalen Schneidkantenradius von 4,7 bzw. 5,7 µm festgelegt, die im Diagramm in Abb. 5 (im orangefarbenen Bereich) zu sehen sind.

Ein letzter Parameter, der von Interesse ist, ist die Rauheit an der Kante des Schneidwerkzeugs. Diese Information wird von der Software automatisch in Form vieler gängiger Standardparameter, wie Ra, Rz und Rqbereitgestellt. In diesem speziellen Fall hatte die Schneidkante einen Ra von 0,05 µm.

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Abb. 5. Ergebnisse des SensoPRO „Edge“ Plug-Ins. a) Liste der Schneidwerkzeugparameter. b) Eines der 15 Querprofile mit den entsprechenden Schneidkantenradien, Freiräumen und Spanwinkeln. c) Der Bereich außerhalb der Toleranz (orange dargestellt) in einem Diagramm von Schneidkantenradius (y-Achse) gegenüber jeder Profilnummer von 1 bis 30 (x-Achse). d) Beispiel einer Schneidkanten-Topographie mit den Querprofilen.

Das optische 3D-Profilometer S neox Five Axis ermöglicht es, schnell und flexibel die für die kontinuierliche Verbesserung unserer Werkzeuge notwendigen Schlüsselparameter wie Schneidkantenradius, Freiwinkel, Spanwinkel und die Rauheit der Schneide zu ermitteln.
In dieser speziellen Fallstudie haben wir erfolgreich einen durchschnittlichen Schneidkantenradius von 5,14 µm und einen Rauheitswert Ra von 0,05 µm an der Kante des Schneidwerkzeugs gemessen. Die mühelose Ermittlung dieser Informationen erfolgte mit der Ai Fokusvariationstechnologie, einer 100-fachen Objektivvergrößerung und der anwendungsspezifischen Software SensoPRO (Plug-in „Edge“).

Die Tatsache, dass drei Messmethoden in einem Sensorkopf vorhanden sind (Konfokal, Ai Focus Variation und Interferometrie), ermöglicht eine sehr flexible Messung verschiedener Parameter an unterschiedlichen Teilen. Von sehr glatten und glänzenden bis hin zu stark texturierten, rauen Oberflächen: Mit dem S neox Five Axis ist alles möglich. Steile Winkel und sehr kleine Schneidkantenmessungen von wenigen Mikrometern sind für die optische 3D-Profilierung kein Problem mehr.

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