Development of thin-film based sensors for temperature and tool wear monitoring during machining = Entwicklung von Dünnschichtsensoren zur Überwachung von Temperatur und Werkzeugverschleiß während der Zerspanung

Die Entwicklung von Dünnschichtsensoren zur Temperatur- und Verschleißmessung in der Zerspanung wird in diesem Artikel präsentiert. Ein funktionales Dünnschichtsystem, bestehend aus einer Al$_{2}$O$_{3}$-Isolationsschicht, einer mittels Photolithographie strukturierten Chrom-Sensorschicht sowie einer Al$_{2}$O$_{3}$-Verschleiß- und Isolationsschutzschicht, wird per physikalischer Gasphasenabscheidung (engl. physical vapor deposition, PVD) auf der Oberfläche von Hartmetall-Wendeschneidplatten abgeschieden. Erste Proben konnten mit Sensoren gefertigt werden und in Labor- sowie Zerspanversuchen hinsichtlich ihrer Funktionalität getestet werden. ... mehrDie werkzeugintegrierten Sensoren können zur In-process Messung der Temperaturen auf der Spanfläche im oder in der Nähe des Werkzeug-Span-Kontakts sowie zur Bestimmung der Verschleißmarkenbreite eingesetzt werden. Die Kenntnis dieser wichtigen Prozesskenngrößen bietet die Möglichkeit neuartige In-Process-Regelungsmechanismen zu entwickeln, welche eine gezielte Einstellung der Surface Integrity und damit eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer des Bauteils ermöglichen.

The development of thin-film sensors for temperature and wear measurement in machining operations is presented in this work. A functional thin-film system, consisting of an Al$_{2}$O$_{3}$ insulation layer, a chromium sensor layer structured by photolithography and an Al$_{2}$O$_{3}$ wear-protection and insulation layer, is deposited by physical vapor deposition (PVD) processes onto the surface of cemented carbide cutting inserts. First specimen of the sensors are successfully fabricated and tested in laboratory experiments as well as in machining operations to demonstrate their functionality. ... mehrThese tool-integrated sensors can be used as an in-process monitoring device to determine the temperatures on the rake face at or close to the tool-chip contact area and to measure the progress of the flank-wear land width. The knowledge of these important process parameters opens up the possibility to develop new in-process control mechanisms in order to modify and improve the surface integrity of manufactured components. Thereby, their performance and lifetime can be enhanced.