Berührungsloser Temperatur- und Verschleißsensor für magnetisch funktionalisierte Hartstoffschichten

Thede, Claas

Werkzeuge zur spanenden Bearbeitung werden vielfach mit einer Hartstoffbeschichtung versehen, die die Werkzeugoberfläche vor Verschleiß schützt. Die bisher vorhandene Messverfahren für den Verschleißgrad und die Temperatur weisen Einschränkungen hinsichtlich ihrer Nutzung auf. So existieren beispielsweise zahlreiche Methoden, die lediglich bei Unterbrechung des Bearbeitungsprozesses angewandt werden können. Verfahren, die im laufenden Prozess Messwerte erfassen können, erfordern hingegen oftmals besondere Randbedingungen. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Messverfahrens, das eine berührungslose Erfassung des Verschleißzustands und der Temperatur einer magnetisch funktionalisierten Hartstoffschicht erlaubt. Die Basis dieses Verfahrens bildet die Methode der Frequenzmischung, bei der zwei magnetische Wechselfelder zur Anregung des Sensormaterials verwendet werden. Das Antwortsignal des Sensormaterials enthält die sogenannten Frequenzmischkomponenten, die für die Auswertung genutzt werden. Als Indikator für den Verschleiß der Schutzschicht dient die Menge des in der Schicht vorhandenen magnetischen Materials. Das für diese Messung entwickelte Frequenzmischverfahren ist in der Lage, aus der Amplitude der Frequenzmischkomponenten einen Wert zu extrahieren, der in gewissen Grenzen vom Abstand zwischen dem Sensormaterial und den verwendeten Spulen unabhängig ist und der sich gleichzeitig als Maß für die magnetische Materialmenge eignet. Bei dem Verfahren zur Temperaturmessung wiederum werden nicht die Amplituden, sondern die Phasenwinkel der Frequenzmischkomponenten ausgewertet, die eine starke Temperaturabhängigkeit aufweisen. Die Arbeit stellt die Ergebnisse aus der Entwicklung und den Referenzmessungen dieser und weiterer Messverfahren auf Basis der Frequenzmischung dar. Zusätzlich wird die Kombination der verschiedenen Verfahren mit den Ziel einer parallelen Erfassung der Messgrößen diskutiert.

Machining tools are in many cases coated with a hard material in order to protect the tool surface from wear and the tool itself from premature failure. Current procedures for measuring the degree of wear and the temperature of coated tools are limited with respect to their application. There are for example numerous methods which can only be used after stopping the machining process. Other methods have capabilities for measurement while machining, but most of them have special requirements. The aim of this work was the development of a measurement technique for contact-less readout of the degree of wear and the temperature of magnetically functionalized hard coatings. It is based on the frequency mixing technique, which uses two alternating magnetic fields to excite the sensor material. Due to frequency mixing, the response of the material includes additional frequencies. They are called mixing components and are used for evaluation of the measured signal. The amount of magnetic material in the protective coating is used as an indicator for the coating's degradation. The measurement technique designed for this task detects the amplitudes of the mixing components and uses them to compute a value which is -within certain limits- independent from the distance between the sensor material and the coil assembly used in the setup, and at the same time serves as a measure for the amount of magnetic material. On the other hand, the technique for temperature measurement does not utilize the amplitudes, but rather the phase angles of the mixing components, which is strongly influenced by temperature. This study illustrates the results obtained during the development and basic measurements of these and other measurement techniques based on frequency mixing. Additionally, the combination of different techniques with the aim of parallel measurement of multiple variables is discussed.

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Thede, Claas: Berührungsloser Temperatur- und Verschleißsensor für magnetisch funktionalisierte Hartstoffschichten. 2016.

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