DE102011016324A1

DE102011016324A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schleifen einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102011016324A1
Application number: DE201110016324
Authority: DE
Inventors: Heinrich Mushardt
Original assignee: BLOHM JUNG GmbH
Current assignee: BLOHM JUNG GmbH
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2012-10-04
Also published as: EP2505305A3; EP2505305A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und zum Schleifen von einer gekrümmten Oberfläche (4) eines Werkstücks (6) mittels eines rotationssymmetrischen Rotationsschleifwerkzeugs (8) mit mindestens zwei unterschiedlichen Schleifwerkzeugradien (R1, R2), wobei das Rotationsschleifwerkzeug (8) entlang einer Oberflächenzeile (12) des Werkstücks (6) relativ geführt wird, während sich das Rotationsschleifwerkzeug (8) um eine Rotationsachse (D1) dreht, das sich dadurch auszeichnet, dass das Rotationsschleifwerkzeug (8) und das Werkstück (6) relativ zueinander während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen (K1, K2, W1, W2) aktiv gesteuert gekippt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen von einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstückes mittels eines Rotationsschleifwerkzeugs mit mindestens zwei unterschiedlichen Schleifwerkzeugradien, wobei das Rotationsschleifwerkzeug entlang einer Oberflächenzeile des Werkstücks relativ geführt wird, während sich das Rotationsschleifwerkzeug um eine Rotationsachse dreht.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schleifmaschine zum Schleifen einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstücks, mit einem Rotationsschleifwerkzeug, das mindestens zwei unterschiedliche Schleifwerkzeugradien aufweist, mit einem Rotationsantrieb, mit einem Vorschubantrieb zum relativen Führen des Rotationsschleifwerkzeugs entlang einer Oberflächenzeile des Werkstücks, während sich das Rotationsschleifwerkzeug angetrieben durch den Rotationsantrieb um eine Rotationsachse dreht, und mit einer Steuereinheit.
Verfahren bzw. Schleifmaschinen zum Schleifen einer gekrümmten Oberfläche eines Werkstückes sind aus dem Stand der Technik bekannt. Einer derartigen Schleifmaschine ist in der Regel ein Werkstückträger zugeordnet, der zum Aufnehmen und Befestigen des zu bearbeitenden Werkstücks ausgestaltet ist. Zur absoluten Ausrichtung des Werkstücks weist der Werkstückträger Schnellverstellungsmittel auf, die das Werkstück in Längs-, Quer- und/oder Hochrichtung verstellen können. Mittels der Schnellverspannungsmittel kann das Werkstück in einen Arbeitsbereich des Rotationsschleifwerkzeuges positioniert werden. Angetrieben durch den Rotationsantrieb dreht sich das Rotationsschleifwerkzeug um eine Rotationsachse. Das Rotationsschleifwerkzeug ist also ein rotierendes Schleifwerkzeug, das bevorzugt rotationssymmetrisch ausgestaltet ist. Eine entsprechende Verwirklichung wird in der Praxis oftmals als Spindel bezeichnet. Hierbei handelt es sich um eine gelagerte Welle, an deren einem Ende das Rotationsschleifwerkzeug befestigt ist und an deren anderem Ende zumeist ein Motor oder eine anders geartete Antriebseinheit, beispielsweise ein Riemenantrieb, angeordnet ist, der die Welle und das Rotationsschleifwerkzeug antreibt. Das Rotationsschleifwerkzeug als solches weist mindestens zwei unterschiedliche Schleifwerkzeugradien auf. Ein solches Rotationsschleifwerkzeug ist beispielsweise torusförmig. Der erste Schleifwerkzeugradius entspricht hierbei dem Radius des torusförmigen Rotationsschleifwerkzeugs um die Rotationsachse. Der zweite Schleifradius bestimmt sich aus dem Profil des torusförmigen Rotationsschleifwerkzeuges. Grundsätzlich können deshalb mindestens ein Schleifwerkzeugradius durch den Außenradius, insbesondere in einer Rotationsebene, und mindestens ein weiterer Schleifwerkzeugradius durch den Profilradius bestimmt sein. Abgesehen von dem beispielhaft genannten torusförmigen Rotationsschleifwerkzeug sind auch andersartig ausgestalteter Rotationsschleifwerkzeuge denkbar sowie aus der Praxis bekannt. Im Allgemeinen weist ein Schleifwerkzeug statistisch verteilte und geometrisch undefinierte Schneiden auf. Ein Abrichten eines Schleifwerkzeugs auf eine bestimmte Form ist mittels eines Diamanten möglich.
Um die Oberfläche eines Werkstückes zu schleifen, wird diese in der Praxis oftmals in Oberflächenzeilen unterteilt. Bei dieser Teilung handelt es sich jedoch nicht um eine physische, sondern um eine gedankliche bzw. um eine virtuelle Teilung der Oberfläche. Jede Oberflächenzeile des Werkstückes wird separat durch das Rotationsschleifwerkzeug geschliffen. Dazu wird das Rotationsschleifwerkzeug entlang der Oberflächenzeile, umgekehrt oder zusammen relativ zueinander geführt. Bei dem Führen handelt es sich also um ein relatives Führen. Dabei können das Rotationsschleifwerkzeug oder das Werkstück oder das Rotationsschleifwerkzeug und das Werkstück geführt werden. Um diese Führung zu ermöglichen, weist die Schleifmaschine eine entsprechende Steuereinheit auf.
Bei vielen Werkstücken müssen die Oberflächen genau bearbeitet werden. Besonders hohe Anforderungen werden hierbei an die Oberflächen von Turbinenschaufeln, Formwerkzeugen oder an Elemente aus der Medizin- oder Dentaltechnik gestellt. Die Bearbeitung solcher Oberflächen erfolgt zumeist in zwei Schritten. In einem ersten Schritt erfolgt eine spanabhebende Bearbeitung der Oberfläche durch ein Fräswerkzeug. Eine durch ein Fräswerkzeug bearbeitete Oberfläche weist jedoch eine Vielzahl von Wellen und/oder Unebenheiten auf. Diese Wellen und/oder Unebenheiten werden in einem zweiten Schritt, nämlich dem Schleifen, im Wesentlichen beseitigt. Der Schleifaufwand richtet sich stark nach der Kontur der Oberfläche des Werkstücks. So kann eine im Wesentlichen plane Oberfläche eines Werkstückes mit einem zylindrischen Rotationsschleifwerkzeug in einer relativ kurzen Zeit bearbeitet werden. Hingegen trifft dies nicht auf eine kompliziert geformte Oberfläche eines Werkstücks, beispielsweise mit einem Übergang von einer konvexen in eine konkave Oberflächenkontur, zu. Derartige Werkstücke zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Oberfläche gekrümmt ist. Bei einem Übergang von einer konvexen in eine konkave Oberflächenkontur ist die Krümmung nicht konstant, sondern verändert sich mit der jeweiligen Position auf der Oberfläche des Werkstücks. Die Oberfläche eines Werkstückes wird im Allgemeinen in gleich breite Oberflächenzeilen unterteilt, um diese ”Zeile für Zeile” zu schleifen. Bei kompliziert geformten Oberflächen weisen derartige Oberflächenzeilen in Querrichtung jedoch keine konstante Krümmung auf. Vielmehr kann die Krümmung am Anfang der Oberflächenzeile besonders klein und am Ende der Oberflächenzeile sehr groß sein. Zum Schleifen der Oberflächenzeile ist aus dem Stand der Technik zu entnehmen, dass ein Rotationsschleifwerkzeug zeilenweise entlang einer Oberflächenzeile geführt wird, so dass der Eingriff des Rotationsschleifwerkzeugs bevorzugt eine konstante Breite, nämlich die der Oberflächenzeile, aufweist. Hierbei wird jedoch nicht berücksichtigt, dass sich die Krümmung in Querrichtung entlang der Oberflächenzeile ändert. Mit dem Begriff Krümmung ist im Folgenden deshalb bevorzugt die Krümmung in Querrichtung gemeint. Aufgrund der sich ändernden Krümmung ist der Eingriff des Rotationsschleifwerkzeugs in die Oberfläche des Werkstücks unterschiedlich tief. Eine mit dieser Schleifmethode bearbeitete Oberfläche weist eine unter Umständen nicht zu vernachlässigende Welligkeit auf, denn das Rotationsschleifwerkzeug greift an verschiedenen Punkten der Oberfläche unterschiedlich tief in das Werkstück ein. Um die Extreme eines besonders tiefen Eingriffs oder eines besonders flachen Eingriffs des Rotationsschleifwerkzeugs zu vermeiden, wird die Breite der Oberflächenzeilen besonders schmal gewählt. Schmale Zeilen haben den Vorteil, dass sich die Welligkeit der Oberfläche reduziert und die Formgenauigkeit der Oberfläche steigert. Jedoch weisen besonders schmale Oberflächenzeilen den Nachteil auf, dass die Gesamtoberfläche in besonders viele Oberflächenzeilen unterteilt werden muss und somit der zeitliche Gesamtzeitaufwand zum Schleifen der Oberfläche des Werkstücks steigt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum möglichst zeiteffizienten sowie formgenauen Schleifen gekrümmter Oberflächen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Rotationsschleifwerkzeug und Werkstück relativ zueinander während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen aktiv gesteuert gekippt werden.
Damit wird auf überraschend einfache und sichere Weise ein Verfahren geschaffen, das ein besonders zeiteffizientes sowie formgenaues Schleifen gekrümmter Werkstückoberflächen ermöglicht. Bei dem Kippen handelt es sich um ein relatives Kippen. Das Kippen kann dabei durch das Rotationsschleifwerkzeug oder das Werkstück oder durch das Rotationsschleifwerkzeug und das Werkstück erfolgen. Durch das Kippen des Rotationsschleifwerkzeuges und Werkstücks relativ zueinander um die mindestens zwei Kippachsen sind mit ein und demselben Rotationsschleifwerkzeug sowohl die Breite des Eingriffs als auch die Tiefe des Eingriffs und/oder der effektive Schleifradius gleichzeitig einstellbar. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Kippachsen um Werkzeugkippachsen. Bei den Kippachsen kann es aber auch um Werkstückkippachsen handeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist also den Vorteil auf, dass sich das Rotationsschleifwerkzeug besonders gut an die Oberfläche des Werkstücks anschmiegen kann, indem der effektive Schleifradius an die Krümmung der Oberfläche angepasst werden kann. Da das Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander während des Schleifens erfolgt, ist eine kontinuierliche Anpassung des effektiven Schleifradius an die Krümmung der Oberfläche des Werkstücks möglich. Eine entsprechende Anpassung kann auch in diskreten Schritten erfolgen, die bevorzugt den jeweiligen Oberflächenpunkten zugeordnet sind. Auf diese Weise kann die Gesamtoberfläche des Werkstückes besonders formgenau geschliffen werden.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders zeiteffektiv. Denn auch die Breite des Schleifeingriffs kann während des Schleifens durch das Kippen verändert werden. Somit kann der Schleifeingriff an eine sich ändernde Breite einer Oberflächenzeileangepasst werden. Insbesondere in Oberflächenbereichen des Werkstückes mit einem großen Krümmungsradius können die entsprechenden Oberflächenzeilen besonders breit ausgestaltet sein. Ein Rotationsschleifwerkzeug, das entlang einer solchen Oberflächenzeile relativ geführt wird, bearbeitet gleichzeitig auch eine entsprechend große Fläche des Werkstücks.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Breite und die Tiefe eines Eingriffs des Rotationsschleifwerkzeugs voneinander entkoppelt eingestellt werden kann. So ist die Breite beispielsweise durch ein Kippen eines torusförmigen Rotationsschleifwerkzeugs um eine Hochachse unabhängig von der Tiefe des Eingriffs veränderbar, wobei die Hochachse normal zu einer eingreifenden Schleifoberfläche des Schleifwerkzeugs ausgerichtet ist. Durch ein Kippen um die Hochachse kann von einem Längsschleifen zu einem Querschleifen gewechselt werden. Ein ähnlicher Sachverhalt gilt auch für eine Drehung um eine Querachse des torusförmigen Rotationsschleifwerkzeugs. Die Querachse ist bevorzugt senkrecht zu der Rotationsachse sowie zu der Hochachse ausgerichtet. Durch ein Kippen des torusförmigen Rotationsschleifwerkzeugs um eine Querachse ist die Tiefe unabhängig von der Breite des Eingriffs veränderbar, sofern die Querachse in der Ebene der Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist. Damit können auf überraschend einfache und sichere Weise gekrümmte Oberflächen eines Werkstücks besonders zeiteffizient und formgenau geschliffen werden. Bevorzugt schneidet deshalb mindestens eine der Kippachsen eine Kontaktfläche zwischen dem Rotationsschleifwerkzeug und dem Werkstück. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass mindestens eine weitere der Kippachsen in der Kontaktfläche oder in einer Tangentialebene zu der Kontaktfläche angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass um zwei der Kippachsen gekippt wird, wobei diese Kippachsen und die Rotationsachse des Rotationsschleifwerkzeugs linear unabhängig voneinander sind. Die lineare Unabhängigkeit ist hierbei im mathematischen Sinne zu verstehen. Aufgrund der linearen Unabhängigkeit dieser Achsen kann das Rotationsschleifwerkzeug um jeden beliebigen Winkel verdreht bzw. gekippt sein. Damit kann sich das Rotationsschleifwerkzeug jeglicher Krümmung der Oberfläche des Werkstückes anpassen, sofern die entsprechenden Krümmungsradien in einem Intervall zwischen dem kleinsten und dem größten Schleifwerkzeugradius liegen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zu den Kippachsen jeweils ein Verdrehwinkel einer, insbesondere dem Rotationsschleifwerkzeug und/oder dem Werkstück zugeordneten, Steuereinheit vorgegeben werden, wobei das Rotationsschleifwerkzeug und Werkstück relativ zueinander entsprechend den Verdrehwinkeln mittels der Steuereinheit gesteuert gekippt wird. Der Verdrehwinkel bestimmt dabei den Winkel, um den das Rotationsschleifwerkzeug und/oder das Werkstück um die entsprechende Kippachse gekippt werden soll. Da zu jeder Kippachse jeweils ein Verdrehwinkel vorgebbar ist, kann das Rotationsschleifwerkzeug und/oder das Werkstück besonders präzise gekippt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit ein Sollschleifradius vorgegeben wird, und dass die Steuereinheit den effektiven Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs entsprechend dem Sollschleifradius durch das Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander um die Kippachsen steuert. Mit anderen Worten ist der Sollschleifradius die Vorgabe für den effektiven Schleifradius, den die Steuereinheit durch das Kippen umsetzt. Der effektive Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeuges ist der Radius, der durch das Schleifen der Oberfläche des Werkstückes entsteht. Mit anderen Worten ist der effektive Schleifradius der Radius des Eingriffs des Rotationsschleifwerkzeugs in die Oberfläche des Werkstücks. Dadurch, dass der effektive Schleifradius mittels der Steuereinheit und des Sollschleifradius steuerbar ist, kann sich das Rotationsschleifwerkzeug besonders gut an die gekrümmte Oberfläche des Werkstückes anschmiegen. Die tatsächliche Differenz zwischen dem Krümmungsradius der Oberfläche im Eingriffsort und dem effektiven Schleifradius entspricht dabei der Güte der Anschmiegung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit die Krümmung der Oberfläche des Werkstücks und ein entsprechender Welligkeitsparameter und/oder eine Welligkeitstiefe vorgegeben werden, und dass die Steuereinheit aus der Krümmung und dem Welligkeitsparameter den Sollschleifradius ermittelt. Die Welligkeitstiefe ist dabei die Differenz zwischen einer Wellenspitze und eine Wellental, dass durch einen zeilenweisen Eingriff des Rotationsscheifwerkzeugs auf der Oberfläche des Werkstücks entsteht. Der Welligkeitsparameter ist ein vorgebbares Maß dafür, wie weit der Radius der Krümmung der Oberfläche im Eingriffsort und der entsprechende effektive Schleifradius voneinander entfernt sein sollen. Bei konkav gekrümmten Oberflächen eines Werkstückes sollte der effektive Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs kleiner gewählt werden als der Krümmungsradius der konkav gekrümmten Oberfläche des Werkstückes, damit das Rotationswerkzeug die Form des Werkstücks nicht verletzt. Ein Hinterschneiden der gewünschten Form des Werkstücks wird damit verhindert. Des Weiteren kann mit dem Welligkeitsparameter besonders einfach die Güte der Oberfläche des Schleifverfahrens verändert werden. Ist es beispielsweise erforderlich, dass die Oberfläche eine besonders geringe Welligkeit aufweist, so ist der Welligkeitsparameter so einzustellen, dass die Differenz zwischen dem effektiven Schleifradius und dem Radius der Krümmung der Oberfläche des Werkstücks möglichst gering ist. Ist es erforderlich, dass die Oberfläche des Werkstücks eine gewisse Mindestwelligkeit aufweist, kann der Welligkeitsparameter so gewählt werden, dass sich die zuvor genannten Radien so weit unterscheiden, dass es der erforderlichen Welligkeit entspricht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit Geometriedaten des Werkstücks für einen gezielten Eingriffsort des Rotationsschleifwerkzeugs und der Umgebung des Eingriffsorts vorgegeben werden, und dass die Steuereinheit mittels der Geometriedaten zu mindestens einem der Versdrehwinkel entsprechende Grenzwinkel für einen kollisionsfreien Eingriff ermittelt, so dass das Rotationsschleifwerkzeug nur am gezielten Eingriffsort in die Oberfläche des Werkstücks eingreift. Damit wird auf besonders einfache und effektive Weise verhindert, dass das Rotationsschleifwerkzeug das Werkstück an Oberflächenteilen schleift, die gar nicht geschliffen oder zumindest nicht in der Art geschliffen werden sollen. Insbesondere wird damit ein Hinterschneiden verhindert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mittels des gesteuerten Kippens ein eingreifender Profilabschnitt des Rotationsschleifwerkzeugs verändert wird, wobei das Rotationsschleifwerkzeug mehrere Profilabschnitte und stetigen Profilübergängen zwischen einander angrenzenden Profilabschnitten aufweist, wobei mindestens zwei der Profilabschnitte unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Die Profilabschnitte können dabei jeweils einem Profilradius des Rotationsschleifwerkzeugs zugeordnet sein. Dabei kann ein Rotationsschleifwerkzeug als ein Schleifwerkzeugradius mindestens einen Profilradius und/oder mindestens einen (Gesamt-)Umfangsradius aufweisen. Damit wird es auf besonders einfache Weise gewährleistet, dass sich der effektive Schleifradius, entsprechend den tatsächlichen Anforderungen durch die Krümmung, die Wellentiefe, die Wellenbreite und/oder den Zeilenabstand, anpassen lässt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Rotationsschleifwerkzeug und das Werkstück relativ zueinander derart gekippt werden, dass der eingreifende Profilabschnitt während des Schleifens wechselt. Durch einen Wechsel zwischen den Profilradien und/oder den Profilabschnitten ist es auf besonders einfache Weise möglich, den effektiven Schleifradius an den geforderten Sollschleifradius anzupassen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit ein Sturzwinkel und ein Verschränkungswinkel vorgegeben werden, wobei der Sturzwinkel dem Schnittwinkel eines Normalenvektors der Oberfläche des Werkstücks am Eingriffsort des Rotationsschleifwerkzeugs zu einer Rotationsebene des Rotationsschleifwerkzeugs entspricht und wobei der Verschränkungswinkel einer Querstellung der Rotationsebene relativ zu einer Längsrichtung der Oberflächenzeile am Eingriffsort entspricht, und dass das Rotationsschleifwerkzeug mittels der Steuereinheit entsprechend dem Sturzwinkel und dem Verschränkungswinkel aktiv gesteuert gekippt wird. Die Rotationsebene ist eine Werkzeugebene des Rotationsschleifwerkzeugs, die senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet ist. Die Längsrichtung entspricht der Vorschubrichtung des Rotationsschleifwerkzeugs, da das Rotationsschleifwerkzeug entlang der Längsrichtung der Oberflächenzeile des Werkstücks relativ geführt wird. Durch die Vorgabe des Verschränkungswinkels kann auf besonders einfache Art und Weise bestimmt werden, ob es sich bei dem Schleifen um ein Längsschleifen, ein Querschleifen oder einer Mischform aus den soeben genannten Schleifrichtungen handelt. Mit dem Sturzwinkel kann auf besonders einfache und vorteilhafte Weise bestimmt werden, welche Fläche des Rotationsschleifkörpers im Eingriff mit der Oberfläche des Werkstücks steht. So kann beispielsweise mit dem Sturzwinkel bestimmt werden, ob es sich hierbei um ein Umfangsschleifen, ein Seitenschleifen oder ein Schleifen mit einer Mischform der soeben genannten Schleifflächen handelt. Sowohl die Schleifrichtung als auch die wirksame Schleiffläche ändern den effektiven Schleifradius. Mit dem Sturzwinkel und dem Verschränkungswinkel können somit besonders verständliche und nachvollziehbare Werte vorgegeben werden, um den Eingriff des Rotationsschleifwerkzeugs besonders einfach zu gestalten.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch eine Schleifmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Schleifmaschine mindestens ein Kippmittel und mindestens einen steuerbaren Kippantrieb aufweist, die dazu eingerichtet und ausgebildet sind, das Rotationsschleifwerkzeug und das Werkstück relativ zueinander während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen mittels der Steuereinheit aktiv gesteuert zu kippen. Über das Kippmittel sind das Rotationsschleifwerkzeug und/oder das Werkstück drehbar an der Schleifmaschine befestigt. Das Kippen als solches wird dabei durch den Kippantrieb verursacht, der mittels der Steuereinheit aktiv gesteuert wird. Die bereits zuvor erläuterten Vorteile zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gelten in analoger Weise für die erindungsgemäße Schleifmaschine.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schleifmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass zwei der Kippachsen und die Rotationsachse des Rotationsschleifwerkzeugs linear unabhängig voneinander sind. Die lineare Unabhängigkeit ist hier im mathematischen Sinne gemeint. Da diese Achsen voneinander linear unabhängig sind, gilt Entsprechendes für die Dreh- bzw. Kippbewegungen um die Achsen.
Weitere vorteilhafte und/oder zweckmäßige Merkmale und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Schleifmaschine,
2 eine weitere schematische Darstellung der Schleifmaschine,
3 ein Querschnittsprofil des Rotationsschleifwerkzeugs in unterschiedlichen Eingriffen,
4 eine perspektische Darstellung eines Ringausschnitts des Rotationsschleifwerkzeugs an einem Werkstück,
5 ein Querschnittsprofil eines Werkstücks nach mehreren zeilenweisen Eingriffen,
6 eine perspektivische Darstellung mehrerer Ringausschnitte des Rotationsschleifwerkzuges an einem Werkstück, und
7a, 7b verschiedene Kippstellungen des Rotationsschleifwerkzeugs an einem weiteren Werkstück.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schleifmaschine 2 zum Schleifen einer gekrümmten Oberfläche 4 eines Werkstückes 6 mit einem Rotationsschleifwerkzeug 8, das mindestens zwei unterschiedliche Schleifwerkzeugradien R1, R2, R3, R4 aufweist, mit einem Rotationsantrieb 10, mit einem Vorschubantrieb 11 zum relativen Führen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 entlang einer Oberflächenzeile 12 des Werkstücks 6, während sich das Rotationsschleifwerkzeug 8, angetrieben durch den Rotationsantrieb 10, um eine Rotationsachse D1 dreht, und mit einer Steuereinheit (nicht dargestellt), wobei die Schleifmaschine 2 mindestens ein Kippmittel 14 und mindestens einen steuerbaren Kippantrieb 16 aufweist, die dazu eingerichtet und ausgebildet sind, um das Rotationsschleifwerkzeug 8 und das Werkstück zueinander während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen K1, K2 mittels der Steuereinheit aktiv gesteuert zu kippen. Damit wird auf überraschend einfache und sichere Weise eine Schleifmaschine 2 geschaffen, die zum zeiteffizienten sowie formgenauen Schleifen gekrümmter Oberflächen 4 eines Werkstücks 6 geeignet ist. Das Rotationswerkzeug 8 wird dazu entlang der Oberflächenzeile 12 des Werkstücks 6, umgekehrt oder zusammen relativ zueinander geführt. Bei dem Führen handelt es sich also um ein relatives Führen. Dabei können das Rotationsschleifwerkzeug oder das Werkstück oder das Rotationsschleifwerkzeug und das Werkstück geführt werden. Die Kontur der Oberflächenzeile 12 richtet sich dabei nach der Kontur der gekrümmten Oberfläche 4 des Werkstücks 6. In der Praxis sind derartige Oberflächen 4 zumeist kompliziert geformt.
Beispielhaft ist in 1 eine Oberfläche 4 dargestellt, die einen Übergang von einer konvexen in eine konkave Oberflächenkontur zeigt. Von einem Ende der Oberflächenzeile 12 zu dem anderen Ende (Längsrichtung) verändert sich die Krümmung 18 in Querrichtung fortlaufend. Werden der Oberflächenzeile 12 mehrere Oberflächenpunkte 22 zugeordnet, so kann zu jedem der Oberflächenpunkte 22 eine jeweilige Krümmung 18 bestimmt und/oder ermittelt werden. Ein entsprechender Datensatz, der die geometrische Position der Oberflächenzeile 12 bzw. der Oberflächenpunkte 22 und die jeweiligen Krümmungswerte 18 bzw. 20 aufweist, ist in der Steuereinheit bzw. in der Schleifmaschine 2 speicherbar.
Eine besonders gute Anschmiegung des Rotationsschleifwerkzeugs 8 an die gekrümmte Oberfläche 4 des Werkstücks 6 zeichnet sich dadurch aus, dass der effektive Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs 8 nur wenig von dem entsprechenden Krümmungsradius 20 der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 abweicht. Für jeden der Oberflächenpunkte 22 der Oberflächenzeile 12 kann eine Einstellung des Rotationsschleifwerkzeugs 8 gefunden werden, in der sich das Rotationsschleifwerkzeug 8 besonders gut an die entsprechende Oberfläche 4 in dem Bereich des Oberflächenpunkts 22 anschmiegt. Da die Krümmung 18 bzw. der Krümmungsradius 20 nicht konstant ist, sondern sich entlang der Oberflächenzeile 12 verändert, gibt es nicht eine, sondern eine Vielzahl möglicher Einstellungen für das Rotationsschleifwerkzeug 8 und/oder das Werkstück. Um mit einer besonders guten Anschmiegung entlang der Oberflächenzeile 12 des Werkstücks 6 geführt zu werden, muss sich das Rotationsschleifwerkzeug 8 kontinuierlich oder in diskreten Zeitschritten oder Distanzschritten der Oberflächenkontur anpassen können. Erfindungsgemäß wird das Rotationsschleifwerkzeug 8 und/oder das Werkstück während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen K1, K2 aktiv gesteuert gekippt. Diese aktiv gesteuerte Kippbewegung des Rotationsschleifwerkzeugs 8 erfolgt dabei in der Weise, dass sich das Rotationsschleifwerkzeug 8 immer besonders gut an die gekrümmte Oberfläche 4 des Werkstücks 6 anschmiegt. Diese besonders gute Anschmiegung ist jedoch erst dadurch möglich, dass das Rotationsschleifwerkzeug 8 mindestens zwei unterschiedliche Schleifwerkzeugradien R1, R2, R3, R4 aufweist und ein Kippen um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen K1, K2 aktiv gesteuert durchführbar ist.
Durch ein Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 um die Kippachsen K1, K2 kann kontinuierlich und während des Schleifeingriffs von einem Längsschleifen zu einem Querschleifen bzw. von einem Umfangsschleifen zu einem Seitenschleifen gewechselt werden, wobei jede Zwischenposition einnehmbar ist. Bei einem Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 um die Kippachse K2, wie sie in 1 dargestellt ist, kann sich der effektive Schleifradius von dem Radius R3 kontinuierlich zu dem Radius R2, danach zum Radius R1 und letztlich zum Radius R4 verändern. Dabei erfolgt ein Übergang von einem Seitenschleifen mit dem Radius R3 zu einem Umfangsschleifen mit dem Radius R2, gefolgt von einem Umfangsschleifen mit dem Radius R1 und letztendlich wieder zu einem Seitenschleifen mit dem Radius R4. Eine Kippbewegung um die Kippachse K1 hat einen ähnlichen Effekt, wobei sich der effektive Schleifeingriff von einem Längsschleifen zu einem Querschleifen oder umgekehrt verändert. Der Rotationsschleifkörper 8 kann auch um beide Kippachsen K1, K2 gleichzeitig und insbesondere um jeweils unterschiedliche Verdrehwinkel gekippt werden. Somit ist auch eine Mischform eines Schleifens aus einem Längsschleifen, Querschleifen, Umfangsschleifen und/oder Seitenschleifen möglich.
Um das Kippen um die Kippachsen K1, K2 zu ermöglichen, weist die Schleifmaschine 2 mindestens ein Kippmittel 14 und mindestens einen steuerbaren Kippantrieb 16 auf. Das Kippmittel 14 und der Kippantrieb 16 sind in 1 schematisch wiedergegeben. Entsprechende Mittel bzw. Antriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei dem Kippmittel kann es sich um eine rotatorisch verdrehbare und/oder translatorisch bewegbare Gelenkeinheit handeln. Eine solche Gelenkeinheit kann beispielsweise ein Roboterarm sein. Die entsprechenden Bewegungen werden durch den mindestens einen steuerbaren Kippantrieb verursacht. Vorzugsweise kann jedes Gelenk einen Antrieb oder mehrere solcher Antriebe aufweisen. Um den Vorschub zum Führen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 entlang der Oberflächenzeile 12 des Werkstücks 6 zu ermöglichen, weist die Schleifmaschine 2 einen Vorschubantrieb 11 auf. Auch ein solcher Vorschubantrieb 11 ist aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei handelt es sich für gewöhnlich um einen in Längs-, Quer-, und/oder Höhenrichtung verstellbaren Antrieb.
Bereits erläutert wurde, dass die Werkstückoberfläche 4 des Werkstücks 6 in eine Mehrzahl von Oberflächenzeilen 12 aufteilbar ist, die jeweils eine Vielzahl von Oberflächenpunkten 22 entlang der Oberflächenzeile aufweisen. Zur Steuerung der Schleifmaschine 2 mittels der (nicht dargestellten) Steuerung werden in der Schleifmaschine 2 bzw. in der Steuerung zu jedem der Oberflächenpunkte 22 eine Vielzahl von Daten in einem Datensatz gespeichert. Dieser Datensatz kann beispielsweise die Absolutposition des Oberflächenpunktes 22, die jeweilige Krümmung 18 bzw. den jeweiligen Krümmungsradius 20 und/oder weitere Werkstückparameter zu dem jeweiligen Oberflächenpunkt 22 aufweisen. Anhand dieser Datensätze kann das Rotationsschleifwerkzeug 8 entlang der Oberflächenzeile 12 relativ geführt werden. Bei den Oberflächenpunkten 22 kann es sich um tatsächliche und/oder um interpolierte und/oder um extrapolierte Oberflächenpunkte 22 handeln. Das gesteuerte Kippen kann somit kontinuierlich, quasi kontinuierlich oder in diskreten Schritten, insbesondere in Zeit- oder Distanzschritten, erfolgen. Damit ist es auf besonders einfache Weise möglich, dass das Rotationsschleifwerkzeug 8 und das Werkstück 6 relativ zueinander auch während des Schleifens um die Kippachsen K1, K2 aktiv gesteuert gekippt werden. Wie bereits erwähnt, handelt es sich hierbei um ein aktiv gesteuertes Kippen, das dem allgemeinen Erfordernis einer zu erreichenden Anschmiegung Sorge trägt.
In 2 ist eine weitere Schleifmaschine 2 schematisch dargestellt. Dabei ist der Schleifmaschine 2 ein Werkstückträger 28 zugeordnet, der zum Aufnehmen und Befestigen des Werkstücks 6 eingerichtet und ausgebildet ist. Außerdem weist die Schleifmaschine 2 einen Werkstückträgerfuß 30 auf. Der Werkstückträger 28 bzw. das Werkstück 6 ist mittels mindestens einem der Kippmittel 14, vorzugsweise einem Werkstückkippmittel 32, und mittels mindestens einem der steuerbaren Kippantriebe 16, vorzugsweise mittels mindestens einem Werkstückkippantrieb 34, mit dem Werkstückträgerfuß 30 in der Art verbunden und/oder gekoppelt, um das Werkstück 6 während des Schleifens um mindestens eine, vorzugsweise zwei oder mehrere unterschiedliche Werkstückkippachsen W1, W2 mittels der Steuereinheit aktiv gesteuert zu kippen. Im Ergebnis haben ein Kippen des Werkstücks 6 um die Werkstückkippachsen W1, W2 und ein Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 um die Kippachsen K1, K2 den gleichen Effekt. Das Rotationsschleifwerkzeug 8 wird relativ zu dem Werkstück 6 (und/oder umgekehrt) gekippt. Im Sinne der Erfindung ist deshalb ein aktiv gesteuertes Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen K1, K2 als entsprechend zu einem aktiv gesteuerten Kippen des Werkstücks 6 während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Werkstückkippachsen W1, W2 anzusehen. Entsprechendes gilt, wenn das Kippen um eine der Kippachsen K1, K2 durch das Kippen um mindestens eine der Werkstückkippachsen W1, W2 ersetzt wird. Die in dem Zusammenhang mit den Kippachsen K1, K2 genannten Eigenschaften der Schleifmaschine 2 bzw. des entsprechenden Verfahrens gelten deshalb bevorzugt in analoger Weise auch für die Eigenschaften im Zusammenhang mit den Werkstückkippachsen W1, W2.
In der bevorzugten Ausgestaltung zeichnet sich die Schleifmaschine 2 dadurch aus, dass zwei der Kippachsen K1, K2 und die Rotationsachse D1 des Rotationsschleifwerkzeugs 8 linear unabhängig voneinander sind. Mit der linearen Unabhängigkeit ist in diesem Sinne die mathematische Auslegung gemeint. Aufgrund der linearen Unabhängigkeit der Rotationsachse D1 und der Kippachsen K1, K2 sind auch die dazu entsprechenden Rotations- bzw. Kippbewegungen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 unabhängig voneinander möglich. Damit kann das Rotationsschleifwerkzeug 8 und das Werkstück 6 relativ zueinander besonders einfach jede beliebige Kipp- bzw. Verdrehstellung einnehmen, die gegebenenfalls notwendig ist, um eine besonders gute Anschmiegung zwischen dem Rotationsschleifwerkzeug 8 und der gekrümmten Oberfläche 4 des Werkstücks 6 zu erreichen. Besonders bevorzugt sind die Kippachsen K1, K2 jeweils senkrecht zueinander und/oder zu der Rotationsachse D1 ausgerichtet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Schleifmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit zu den Kippachsen K1, K2 jeweils ein Verdrehwinkel α, β vorgebbar ist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, um das Rotationsschleifwerkzeug 8 und das Werkstück relativ zueinander entsprechend den vorgebbaren Verdrehwinkeln α, β gesteuert zu kippen. Dieser Sachverhalt soll beispielhaft anhand von 5 erläutert werden.
Die 3 zeigt eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Ringausschnittes 36 des Rotationsschleifwerkzeugs 8 an einem Werkstück 6. Zum besseren Verständnis sind mehrere Oberflächenzeilen 12 dargestellt. Entlang dieser Oberflächenzeilen soll das Rotationsschleifwerkzeug 8 relativ zum Werkstück 6 geführt werden. Dabei steht das Rotationsschleifwerkzeug 8 im Eingriff mit der Oberfläche 4 des Werkstücks 6. Der Eingriffsort 38 bestimmt hierbei den Punkt an der Kontaktfläche zwischen der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 und dem Rotationsschleifwerkzeug 8. Das Rotationsschleifwerkzeug 8 dreht sich um die Rotationsachse D1. Durch die Rotation des Rotationssschleifwerkzeugs 8 um die Rotationsachse D1 kann an dem Eingriffsort 38 ein sogenannter Schnittgeschwindigkeitsvektor V_C definiert werden. Dieser Schnittgeschwindigkeitsvektor V_C entspricht der Richtung des Schnittes an dem Eingriffsort 38, wobei dieser Eingriffsort 38 vorzugsweise durch eine infinitesimale kleine Fläche bestimmt sein kann. Mit anderen Worten bildet der Schnittgeschwindigkeitsvektor V_C eine Tangente auf dem Ringausschnitt 36 am Eingriffsort 38. Der Schnittgeschwindigkeitsvektor VC entspricht jedoch nicht zwangsläufig der Richtung, in der der Vorschub des Rotationsschleifwerkzeugs 8 erfolgt. Diese Richtung wird auch als Vorschubrichtung V_f bezeichnet. In dem vorliegenden Beispiel sind das Rotationsschleifwerkzeug 8 und das Werkstück 6 relativ zueinander in der Weise gekippt, dass zwischen der Vorschubrichtung V_f und dem Schnittgeschwindigkeitsvektor V_C ein Winkel β liegt. Eine Projektion des Rotationsschleifwerkzeugs 8 in Richtung des Schnittgeschwindigkeitsvektors V_C wäre ein Werkzeugprofil mit einem entsprechenden Profilradius. Eine Projektion des Rotationsschleifwerkzeugs 8 in Richtung der Vorschubrichtung V_f wäre eine Ellipse. Diese entsprechende elliptische Form kann in der Umgebung des Eingriffsorts 38 als ein Kontaktpunkt mit einem Krümmungsradius 20 angenähert werden.
In 4 ist ein Querschnittsprofil des Werkstücks 6 gezeigt. Die Oberfläche 4 des Werkstückes 6 wurde dabei bereits an drei nebeneinander angeordneten Zeilen bearbeitet. Das Resultat der zeilenweisen Bearbeitung lässt sich anhand der angedeuteten effektiven Schleifradien R_eff der 4 entnehmen. Durch das Rotationsschleifwerkzeug 8 wird ein Bearbeitungsaufmaß 42 des Werkstücks 6 zerspant. Diese Zerspanung erfolgt, wie bereits zuvor erläutert, zeilenweise. Da das Rotationsschleifwerkzeug 8 kreisförmig oder elliptisch in die Oberfläche 4 des Werkstücks 6 eingreift, entstehen zwischen den Eingriffen Wellenspitzen 44, die gegenüber dem tiefsten Eingriff an der Position 46 um eine Distanz 48, nämlich die Wellenhöhe 48, über den tiefsten Punkt 46 hinausragen. Der tiefste Punkt des Eingriffs wird auch als Wellental 46 bezeichnet. Treten eine Vielzahl dieser Wellspitzen 44 und Wellentäler 46 auf, so wird von einer Welligkeit der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 gesprochen.
Die Größe der Kontaktfläche zwischen dem Rotationsschleifwerkzeug 8 und dem Werkstück 6 ergibt sich dabei aus dem Bearbeitungsmaß 42, welches durch das Rotationsschleifwerkzeug 8 zerspant werden soll, und dem Abstand 54 zwei aneinandergrenzender Oberflächenzeilen 12. Die Form der Kontaktfläche 48 hängt dabei sowohl von dem Bearbeitungsaufmaß 42 als auch von der Krümmung 18 des Werkstücks 6, den Verdrehwinkeln K1, K2 bzw. W1, W2 sowie von den Schleifwerkzeugradien R1, R2, R3, R4 ab.
Der Sollschleifradius ist bevorzugt die Vorgabe für den effektiven Schleifradius R_eff, der im Profil für die Querwelligkeit an der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 verantwortlich ist. Der effektive Schleifradius R_eff entspricht dabei bevorzugt dem Radius des Rotationsschleifwerkzeugs 8 am Eingriffsort 38.
Ein Abstand von zwei nebeneinander angeordneten Zeilen 12 (Zeilenabstand 54) orientiert sich in der Praxis an der Wellentiefe 52, insbesondere an der größten Wellentiefe 52. Durch die Steuerung des Kippens entsprechend der Verdrehwinkel K1, K2 bzw. W1, W2 entlang der Oberflächenzeile 12 kann es gewährleistet werden, den effektiven Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs 8 gemessen in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung V_f zu vergrößern, und dadurch auch den Bahnenabstand 54 größer zu wählen. Mit größeren Bahnenabständen 54 kann in einer gleichen Zeiteinheit eine größere Oberfläche 4 des Werkstücks 6 bearbeitet werden. Anders ausgedrückt kann die gleiche Oberfläche 4 des Werkstücks 6 in kürzerer Zeit bearbeitet werden.
Die Projektion der Kontaktfläche 48 in Vorschubrichtung V_F multipliziert mit der Vorschubgeschwindigkeit des Rotationsschleifwerkzeugs 8 ergibt das zerspante Volumen je Zeiteinheit. Das zerspante Volumen je Zeiteinheit ist eine aus dem Stand der Technik bekannte schleiftechnische Kenngröße für die Belastung des Rotationsschleifwerkzeugs.
Sie hat, in Verbindung mit der Kontaktfläche, insbesondere mit der Ausdehnung der Kontaktfläche, auch einen erheblichen Einfluss auf die zwischen dem Rotationsschleifwerkzeug und dem Werkstück wirkenden Schleifkräfte, Schwingungsanregungen des Werkstücks und/oder des Rotationsschleifwerkzeugs 8 sowie auf die thermische Belastung und/oder Beanspruchung der Werkstückoberfläche und/oder des Rotationsschleifwerkzeugs 8.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein vektorielles Produkt aus der Kontaktfläche 48 mit der Vorschubgeschwindigkeit V_f berechnet wird, und dass aus dem Produkt die einzustellende Vorschubgeschwindigkeit umgekehrt proportional während des Schleifens eingestellt wird. Dieses Einstellen kann durch die Steuerung erfolgen. Ein entsprechender Stelleingriff kann auch im Sinne einer Regelung erfolgen.
Das Schleifen der Oberflächenzeilen 12 kann auch mit interaktiven Optimierungsschritten erfolgen. Dazu wird zunächst eine Oberflächenzeile 12 mittels des Rotationsschleifwerkzeugs 8 geschliffen. Daraufhin wird die an diese geschliffene Zeile 12 angrenzende, ungeschliffene Oberfläche 4 des Werkstücks 6 analysiert. Bei dieser Analyse werden insbesondere die Geometriedaten der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 berücksichtigt. Zu diesen Geometriedaten zählen das Bearbeitungsaufmaß 42, die zu erzielende Wellentiefe 52, der Welligkeitsparameter, die Krümmung 18 und/oder der Krümmungsradius 20. Außerdem wird berücksichtigt, welche effektiven Schleifradien R_eff, insbesondere welcher minimale effektive Schleifradius und welcher maximale effektive Schleifradius, mittels des Rotationsschleifwerkzeugs 8 möglich sind. Mittels der zuletzt genannten Geometriedaten und der möglichen Schleifradien des Rotationsschleifwerkzeugs 8 kann der Zeilenabstand 54 zu der bereits geschliffenen Zeile ermittelt werden. Der Zeilenabstand 54 kann in Längsrichtung der Zeile 12 kontinuierlich und/oder in diskreten Schritten variieren. Diese Variation hängt von den zuvor genannten geometrischen Daten und/oder den möglichen Schleifradien des Rotationsschleifwerkzeugs 8 ab. Anstatt des Zeilenabstands 54 kann auch die Breite einer Zeile ermittelt werden. Die Breite der Zeile kann in analoger Weise zu dem Zeilenabstand 54 in Längsrichtung variieren. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerung dazu eingerichtet und/oder ausgebildet ist, um den Zeilenabstand 54 benachbarter Zeilen und/oder die Breite einer zu schleifenden Zeile anhand der Geometriedaten der Oberfläche eines Werkstücks 6 und/oder der möglichen effektiven Schleifradien des Rotationsschleifwerkzeugs 8 zu ermitteln. Damit wird es auf überraschend einfache und sichere Weise möglich, dass in einer gleichen Zeiteinheit mittels der erfindungsgemäßen Schleifmaschine und/oder mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine deutlich größere Oberfläche 4 des Werkstücks 6 geschliffen wird. Dabei müssen keine Einbußen hinsichtlich der Oberflächenwelligkeit hingenommen werden. Vielmehr ist es durch die Erfindung möglich, dass die Oberflächenwelligkeit immer in den geforderten Bereichen liegt. Mit anderen Worten ist es bei gleich hohen Qualitätsanforderungen möglich, die gleiche Oberfläche 4 eines Werkstücks 6 in deutlich kürzerer Zeit zu schleifen.
5 zeigt in Verbindung mit den 1 und 2 das Querschnittsprofil einer Oberflächenzeile 12. Die Oberflächenzeile 12 weist drei Oberflächenpunkte 22', 22'' sowie 22''' auf, an denen das Rotationsschleifwerkzeug 8 zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit dem Werkstück im Eingriff steht. An dem Oberflächenpunkt 22' ist das Rotationswerkzeug um den Verdrehwinkel α' um die Rotationsachse K2 gekippt. Mit fortlaufendem Vorschub des Rotationsschleifwerkzeugs erhöht sich der Verdrehwinkel, bis dieser den Wert α'' an dem Oberflächenpunkt 22'' erreicht. Die Veränderung ist notwendig, damit sich das Rotationsschleifwerkzeug 8 besonders gut an die Oberfläche 4 des Werkstücks 6 anschmiegt. Um auch an dem Oberflächenpunkt 22'' in einen möglichst guten Eingriff zu stehen, wird das Rotationsschleifwerkzeug 8 um den Verdrehwinkel α''' um die Kippachse K2 gekippt. Der Verdrehwinkel α ist in 5 beispielhaft anhand eines Koordinatensystems x, y dargestellt.
Die Wirkung eines Kippens des Rotationsschleifwerkzeugs 8 und des Werkstücks relativ zueinander um die mindestens eine zweite Kippachse K1 lässt sich der 6 entnehmen. 6 ist eine perspektivische Darstellung eines Ringausschnittes 36 des Rotationsschleifwerkzeugs 8 an einem Werkstück 6. Das Rotationsschleifwerkzeug 8 steht dabei mit einem Werkstück 6 an dem Oberflächenpunkt 22' der Oberflächenzeile 12 im Eingriff. Die Breite des Eingriffs entspricht dabei der jeweiligen Breite 38 der Oberflächenzeile 12. Wie in der 6 dargestellt, erhöht sich die Breite 38 fächerförmig. Die Breite des effektiven Eingriffs des Rotationsschleifwerkzeugs 8 in das Werkstück 6 kann dabei durch das aktiv gesteuerte Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 und/oder des Werkstücks angepasst werden. Dazu kann das Rotationsschleifwerkzeug 8 beispielsweise um die Kippachse K1 – insbesondere eine Hochachse des Rotationsschleifwerkzeugs 8 – gekippt werden. Ein entsprechendes Resultat lässt sich der 6 entnehmen. Zur besseren Darstellung soll dieses anhand eines zweiten Ringausschnittes 36'' des Rotationsschleifwerkzeugs 8 dargestellt werden. Der Ringausschnitt 36'' ist zu einer ortsfesten Achse z sowie gegenüber dem Ringausschnitt 36' um die Kippachse K1 um den Winkel β' gekippt. Entsprechendes gilt selbstverständlich auch für das gesamte Rotationsschleifwerkzeug 8 relativ zu dem Werkstück 6. Wird der Steuereinheit zu zwei der Kippachsen K1, K2 jeweils ein abweichender Verdrehwinkel α, β vorgegeben, so wird das Rotationsschleifwerkzeug 8 relativ zum Werkstück, oder umgekehrt, mittels der Steuereinheit entsprechend den Verdrehwinkeln α, β gesteuert gekippt.
Ein entsprechendes Resultat zeigt ein dritter Ringausschnitt 36''' des Rotationsschleifwerkzeugs 8. Gegenüber den zuvor genannten Ringausschnitten 36' und 36'' wurde der Ringausschnitt 36'' um zwei der Kippachsen K1, K2 gekippt. Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn sich nicht nur die Breite 38 der Oberflächenzeile 12 ändert, sondern wenn sich gleichzeitig auch die Krümmung 18 bzw. der Krümmungsradius 20 der Oberflächenzeile ändert. Denn durch das Kippen um zwei unterschiedliche Kippachsen K1, K2 kann sowohl die Breite des Schleifeingriffs als auch der effektive Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs 8 eingestellt werden. So ist der Schleifeingriff im Bereich des Oberflächenpunktes 22'' deutlich breiter als der entsprechende Schleifeingriff im Bereich des Oberflächenpunktes 22'. Darüber hinaus ist der Schleifeingriff im Bereich des Oberflächenpunktes 22'' nicht nur breiter, sondern aufgrund der Kippung um die zweite Kippachse auch in seinem effektiven Schleifradius vergrößert worden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit der Sollschleifradius vorgebbar ist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, um einen effektiven Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs 8 entsprechend dem Sollschleifradius durch ein gesteuertes Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 und des Werkstücks relativ zueinander einzustellen. Der effektive Schleifradius ist dabei der Radius, der durch den Eingriff des Rotationsschleifwerkzeugs in dem Werkstück 6 verursacht wird. Der Sollschleifradius ist die Vorgabe bzw. Referenzgröße für den effektiven Schleifradius.
Der Sollschleifradius kann in entsprechender Weise auch durch drei Punkte auf einem zu dem Sollschleifradius korrespondierenden Kreis vorgegeben werden. Diese drei Punkte können durch zwei die Breite einer Oberflächenzeile und einen die entsprechende Tiefe eines Eingriffs bestimmende Punkte vorgegeben werden. Alternativ können diese Punkte auch durch die Wellenlänge und die Wellentiefe vorgegeben werden. Die folgenden Ausführungen zu dem Sollschleifradius gelten deshalb analog zu den zuvor genannten Punkten auf dem korrespondierenden Kreis bzw. genannten Längen. Der Sollschleifradius kann der Steuereinheit kontinuierlich oder in diskreten Schritten vorgebbar sein. Insbesondere kann zu jedem Oberflächenpunkt 22 ein entsprechender Soll-schleifradius vorgebbar sein. Auch ist es möglich, dass der jeweilige Sollschleifradius zusammen mit den anderen Werkzeugparametern zu dem jeweiligen Oberflächenpunkt 22 in einem Datensatz gespeichert ist. Ein kontinuierlicher Sollschleifradius kann aus mehreren der Sollschleifradien zu den einzelnen Oberflächenpunkten 22 interpoliert und/oder extrapoliert werden. Durch die Vorgabe des Sollschleifradius und der entsprechenden Umsetzung mittels der Steuereinheit in den effektiven Schleifradius ist es besonders einfach möglich, dass sich das Rotationsschleifwerkzeug 8 auch während des Schleifens und beim Führen entlang einer Oberflächenzeile 12 besonders gut an die entsprechende Oberfläche 4 des Werkstücks 6 anschmiegt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit die Krümmung 18 des Werkstücks 6 und ein entsprechender Welligkeitsparameter und/oder eine Welligkeitstiefe vorgebbar sind, wobei die Steuereinheit zum Ermitteln des Sollschleifradius aus der Krümmung 18 und dem Welligkeitsparameter und/oder der Welligkeitstiefe eingerichtet und ausgebildet ist. Die Krümmung 18 kann vorteilhafterweise durch den Krümmungsradius 20 ersetzt werden. Sowohl die Krümmung 18 als auch der Krümmungsradius 20 beziehen sich jeweils bevorzugt auf eine Richtung quer zur Längsrichtung der Oberflächenzeile. Der Welligkeitsparameter bestimmt das Verhältnis der Krümmung 18 bzw. des Krümmungsradius 20 zu dem Sollschleifradius. In diesem Fall kann der Sollschleifradius aus dem Produkt der Krümmung 18 bzw. des Krümmungsradius 20 und dem Welligkeitsparameter ermittelt werden. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Welligkeitsparameter auch ein Differenzwert sein. In diesem Fall ermittelt sich der Sollschleifradius durch Subtraktion des Welligkeitsparameters von der Krümmung 18 bzw. des Krümmungsradius 20. Mittels des Welligkeitsparameters ist die Rauheit und/oder die Welligkeit der geschliffenen Oberfläche 4 des Werkstücks 6 vorbestimmbar.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schleifmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das Rotationsschleifwerkzeug mehrere Profilabschnitte und stetige Profilübergängen zwischen einander angrenzenden Profilabschnitten aufweist, wobei mindestens zwei der Profilabschnitte unterschiedliche Krümmungen aufweisen, und wobei die Steuereinheit zum Wechsel eines eingreifenden Profilabschnitts des Rotationsschleifwerkzeugs mittels des gesteuerten Kippens eingerichtet und ausgebildet ist. Durch einen Wechsel zwischen den Profilradien und/oder den Profilabschnitten ist es auf besonders einfache Weise möglich, den effektiven Schleifradius an den geforderten Sollschleifradius anzupassen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schleifmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das Rotationsschleifwerkzeug mindestens einen konkaven Profilabschnitt und/oder mindestens einen konvexen Profilabschnitt aufweist, wobei mindestens zwei der Profilabschnitte unterschiedliche Krümmungen aufweisen. Damit wird es auf besonders einfache Weise gewährleistet, dass sich der effektive Schleifradius entsprechend den tatsächlichen Anforderungen durch die Krümmung, die Wellentiefe, die Wellenbreite und/oder den Zeilenabstand anpassen lässt.
Die 7a und 7b zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Rotationsschleifwerkzeugs 8 im Verhältnis zu der Oberfläche 4 des Werkstücks 6. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Steuereinheit ein Sturzwinkel γ und ein Verschränkungswinkel δ vorgebbar sind, wobei der Sturzwinkel γ dem Schnittwinkel eines Normalenvektors N der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 am Eingriffsort 38 des Rotationsschleifwerkzeugs 8 zu einer Rotationsebene 40 des Rotationsschleifwerkzeugs 8 entspricht und wobei der Verschränkungswinkel δ einer Querstellung der Rotationsebene 40 relativ zu einer Längsrichtung D_F der Oberflächenzeile 12 am Eingriffsort 38 entspricht, und dass die Steuereinheit zum aktiv gesteuerten Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs 8 und des Werkstücks relativ zueinander entsprechend dem Sturzwinkel γ und dem Verschränkungswinkel δ eingerichtet und ausgebildet ist. Damit lässt sich auf besonders einfache und sichere Weise die Winkelstellung des Rotationsschleifwerkzeugs 8 relativ zu der Oberflächenkontur einstellen. Mit dieser Einstellmöglichkeit lässt sich der effektive Schleifradius besonders einfach und sicher an die Krümmung 18 bzw. an den Krümmungsradius 20 der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 anpassen. Der Sturzwinkel γ und der Verschränkungswinkel δ sind jeweils Winkel, die sich auf den Normalenvektor am Eingriffsort 38 bzw. auf die Längsrichtung D_F der Oberflächenzeile 12 richten. Die Längsrichtung D_F der Oberflächenzeile 12 ist dabei senkrecht zu dem Normalenvektor. Die Tangentialebene (T_Z, T_X) wird in 7b durch die tangentialen Vektoren T_Z und T_X aufgespannt. Die Längsrichtung D_F liegt dabei in der Tangentialebene (T_Z, T_X) des Eingriffspunkts 38. Dies gilt auch für die Richtung (auch Schnittgeschwindigkeitsvektor genannt) V_C der Schnittgeschwindigkeit im Eingriffsort 38. Der Vorschub des Rotationsschleifwerkzeugs 8 erfolgt dabei in Richtung der Längsrichtung D_F der Oberflächenzeile 12. Die Längsrichtung D_F ist somit auch die Richtung, in der sich das Rotationsschleifwerkzeug 8 translatorisch bewegt. Somit können die Längsrichtung D_F und der Schnittgeschwindigkeitsvektor V_C in der Tangentialebene (T_Z, T_X) winkelig zueinander angeordnet sein. Der Eingriffsort 38 ist im Mittelpunkt einer Kontaktfläche zwischen dem Rotationsschleifwerkzeug 8 und der Oberfläche 4 des Werkstücks 6. Die Rotationsebene 40 erstreckt sich senkrecht zu der Rotationsachse D1 des Rotationsschleifwerkzeugs 8. Des Weiteren führt die Rotationsebene 40 durch den Eingriffsort 38. Somit ist es auf besonders einfache und zeiteffiziente Weise möglich, dass das Rotationsschleifwerkzeug 8 und/oder das Werkstück mittels der Steuereinheit entsprechend dem Sturzwinkel γ und dem Verschränkungswinkel δ aktiv gesteuert gekippt werden, so dass sich das Rotationsschleifwerkzeug 8 besonders gut an die Oberfläche 4 des Werkstücks 6 anschmiegt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Verdrehwinkel α, β und/oder der Sturzwinkel γ und der Verschränkungswinkel δ aus der Krümmung 18 und/oder dem Sollschleifradius und den Schleifwerkzeugradien R1, R2, R3, R4 ermittelt werden. Die Grenzen des tatsächlich erreichbaren effektiven Schleifradius sind durch die Schleifwerkzeugradien R1 bis R4 bestimmt. Der kleinste effektive Schleifradius entspricht dabei dem kleinsten Schleifwerkzeugradius R2. Der größte effektive Schleifradius entspricht dabei dem größten Schleifwerkzeugradius R3. Aus der Krümmung 18 der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 und dem Welligkeitsparameter ist der Sollschleifradius ermittelbar. Liegt der Sollschleifradius zwischen dem kleinsten Schleifwerkzeugradius R4 und dem größten Schleifwerkzeugradius R3, so kann mittels der Steuereinheit der Verdrehwinkel ermittelt werden, um dessen Wert das Rotationsschleifwerkzeug während des Schleifens um die entsprechenden Kippachsen K1, K2 gesteuert gekippt wird. Alternativ lasst sich aus dem Sollschleifradius auch ein entsprechender Sturzwinkel γ und Verschränkungswinkel δ für das Rotationsschleifwerkzeug 8 relativ zur Oberfläche 4 des Werkstücks 6 ermitteln.

Claims

Verfahren zum Schleifen von einer gekrümmten Oberfläche (4) eines Werkstücks (6) mittels eines Rotationsschleifwerkzeugs (8) mit mindestens zwei unterschiedlichen Schleifwerkzeugradien (R1, R2), wobei das Rotationsschleifwerkzeug (8) entlang einer Oberflächenzeile (12) des Werkstücks (6) relativ geführt wird, während sich das Rotationsschleifwerkzeug (8) um eine Rotationsachse (D1) dreht, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationsschleifwerkzeug (8) und das Werkstück (6) relativ zueinander während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen (K1, K2, W1, W2) aktiv gesteuert gekippt werden.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass um zwei der Kippachsen (K1, K2, W1, W2) gekippt wird, wobei diese Kippachsen (K1, K2, W1, W2) und die Rotationsachse (D1) des Rotationsschleifwerkzeugs (8) linear unabhängig voneinander sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Kippachsen (K1, K2, W1, W2) jeweils ein Verdrehwinkel (α, β) einer Steuereinheit vorgegeben werden, wobei das Rotationsschleifwerkzeug (8) und das Werkstück (6) relativ zueinander entsprechend den Verdrehwinkeln (α, β) mittels der Steuereinheit gesteuert gekippt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit ein Sollschleifradius vorgegeben wird, und dass die Steuereinheit den effektiven Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs (8) entsprechend dem Sollschleifradius durch das Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs (8) und des Werkstücks (6) relativ zueinander um die Kippachsen (K1, K2, W1, W2) steuert.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit die Krümmung (18) der Oberfläche (4) des Werkstücks (6) und ein entsprechender Welligkeitsparameter vorgegeben werden, und dass die Steuereinheit aus der Krümmung (18) und dem Welligkeitsparameter den Sollschleifradius ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit Geometriedaten des Werkstücks (6) für einen gezielten Eingriffsort (38) des Rotationsschleifwerkzeugs (8) und der Umgebung des Eingriffsorts (38) vorgegeben werden, und dass die Steuereinheit mittels der Geometriedaten zu mindestens einem der Verdrehwinkel (α, β) entsprechende Grenzwinkel für einen kollisionsfreien Eingriff ermittelt, so dass das Rotationsschleifwerkzeug (8) nur am gezielten Eingriffsort in die Oberfläche (4) des Werkstücks (6) eingreift.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des gesteuerten Kippens ein eingreifender Profilabschnitt des Rotationsschleifwerkzeugs (8) verändert wird, wobei das Rotationsschleifwerkzeug (8) mehrere Profilabschnitte und stetige Profilübergänge zwischen einander angrenzenden Profilabschnitten aufweist, und wobei mindestens zwei der Profilabschnitte unterschiedliche Krümmungen aufweisen.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationsschleifwerkzeug (8) und das Werkstück (6) relativ zueinander derart gekippt werden, dass der eingreifende Profilabschnitt während des Schleifens wechselt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit ein Sturzwinkel (γ) und ein Verschränkungswinkel (δ) vorgegeben werden, wobei der Sturzwinkel (γ) dem Schnittwinkel eines Normalenvektors (N) der Oberfläche (4) des Werkstücks (6) am Eingriffsort (38) des Rotationsschleifwerkzeugs (8) zu einer Rotationsebene (40) des Rotationsschleifwerkzeugs (8) entspricht und wobei der Verschränkungswinkel (δ) einer Querstellung der Rotationsebene (40) relativ zu einer Längsrichtung (D_F) der Oberflächenzeile (12) am Eingriffsort (38) entspricht, und dass das Rotationsschleifwerkzeug (8) und das Werkstück relativ zueinander mittels der Steuereinheit entsprechend dem Sturzwinkel (γ) und dem Verschränkungswinkel (δ) aktiv gesteuert gekippt werden.
Schleifmaschine zum Schleifen einer gekrümmten Oberfläche (4) eines Werkstücks (6), mit einem Rotationsschleifwerkzeug (8), das mindestens zwei unterschiedliche Schleifwerkzeugradien (R1, R2) aufweist, mit einem Rotationsantrieb (10), mit einem Vorschubantrieb (11) zum relativen Führen des Rotationsschleifwerkzeugs (8) entlang einer Oberflächenzeile (12) des Werkstücks, während sich das Rotationsschleifwerkzeug (8) angetrieben durch den Rotationsantrieb (10) um eine Rotationsachse (D1) dreht, und mit einer Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifmaschine mindestens ein Kippmittel (14) und mindestens einen steuerbaren Kippantrieb (16) aufweist, die dazu eingerichtet und ausgebildet sind, das Rotationsschleifwerkzeug (8) und das Werkstück (6) relativ zueinander während des Schleifens um mindestens zwei unterschiedliche Kippachsen (K1, K2, W1, W2) mittels der Steuereinheit aktiv gesteuert zu kippen.
Schleifmaschine nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Kippachsen (K1, K2, W1, W2) und die Rotationsachse (D1) des Rotationsschleifwerkzeugs (8) linear unabhängig voneinander sind.
Schleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit zu den Kippachsen (K1, K2, W1, W2) jeweils ein Verdrehwinkel (α, β) vorgebbar ist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, das Rotationsschleifwerkzeug (8) und das Werkstück (6) relativ zueinander entsprechend den vorgebbaren Verdrehwinkeln (α, β) gesteuert zu kippen.
Schleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit ein Sollschleifradius vorgebbar ist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet und ausgebildet ist, um einen effektiven Schleifradius des Rotationsschleifwerkzeugs (8) entsprechend dem Sollschleifradius durch ein gesteuertes Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs (8) und des Werkstücks relativ zueinander einzustellen.
Schleifmaschine nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit die Krümmung (18) des Werkstücks (6) und ein entsprechender Welligkeitsparameter vorgebbar sind, wobei die Steuereinheit zum Ermitteln des Sollschleifradius aus der Krümmung (18) und dem Welligkeitsparameter eingerichtet und ausgebildet ist.
Schleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationsschleifwerkzeug (8) mehrere Profilabschnitte und stetige Profilübergänge zwischen einander angrenzenden Profilabschnitten aufweist, wobei mindestens zwei der Profilabschnitte unterschiedliche Krümmungen aufweisen, und wobei die Steuereinheit zum Wechsel eines eingreifenden Profilabschnitts des Rotationsschleifwerkzeugs (8) mittels des gesteuerten Kippens eingerichtet und ausgebildet ist.
Schleifmaschine nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationsschleifwerkzeug (8) mindestens einen konkaven Profilabschnitt und/oder mindestens einen konvexen Profilabschnitt aufweist, und wobei mindestens zwei der Profilabschnitte unterschiedliche Krümmungen aufweisen.
Schleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereinheit ein Sturzwinkel (γ) und ein Verschränkungswinkel (δ) vorgebbar sind, wobei der Sturzwinkel (γ) dem Schnittwinkel eines Normalenvektors (N) der Oberfläche (4) des Werkstücks (6) am Eingriffsort (38) des Rotationsschleifwerkzeugs (8) zu einer Rotationsebene (40) des Rotationsschleifwerkzeugs (8) entspricht und wobei der Verschränkungswinkel (δ) einer Querstellung der Rotationsebene (40) relativ zu einer Längsrichtung (D_F) der Oberflächenzeile (12) am Eingriffsort (38) entspricht, und dass die Steuereinheit zum aktiv gesteuerten Kippen des Rotationsschleifwerkzeugs (8) und des Werkstücks relativ zueinander entsprechend dem Sturzwinkel (y) und dem Verschränkungswinkel (δ) eingerichtet und ausgebildet ist.