DE102014018541B4

DE102014018541B4 - Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstückoberflächen

Info

Publication number: DE102014018541B4
Application number: DE102014018541.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Goldau; Ronny Stolze
Original assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL
Current assignee: HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2034-12-13
Also published as: WO2016091248A1; EP3230007B1; DE102014018541A1; EP3230007A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstückoberflächen mit einem relativ zur Werkstückoberfläche bewegten Werkzeug mit einer Vielzahl geometrisch unbestimmter Schneiden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Planfinishen von Werkstückoberflächen mit einer rotierender Topfschleifscheibe. Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung einer Werkzeugmaschine durchgeführt, die mindestens Mittel zur Aufnahme und zur Bewegung des Werkzeuges und mindestens eine Werkstückspanneinrichtung zur Aufnahme des Werkstückes sowie Mittel zur Bewegung der Werkstückspanneinrichtung aufweist, wobei mindestens drei technologische Stellgrößen, wie Vorschubgeschwindigkeit vf, Schnittgeschwindigkeit vc und Werkstückgeschwindigkeit vws, erzeugbar und steuerbar sind und bei der mindestens die Andruckkraft FA zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfassbar ist. Die Finishbearbeitung erfolgt mit einer konstanten Andruckkraft FA, die über die vorgenannten technologischen Stellgrößen realisiert wird. Die Werte der technologischen Stellgrößen zur Realisierung der konstanten Andruckkraft FA wird durch Vorversuche ermittelt. Bei den Vorversuchen werden jeweils zwei technologische Stellgrößen konstant gehalten und die dritte technologische Stellgröße schrittweise variiert, wobei sie jeweils über einen Zeitabschnitt zwischen 2 s bis 20 s ebenfalls konstant gehalten wird. Die Andruckkraft FA wird als Funktion der Zeit mit der variierten technologischen Stellgröße als Parameter ermittelt. Aus der ermittelten Funktion der Andruckkraft FA wird die technologische Stellgröße bestimmt, indem derjenige Zeitabschnitt ermittelt wird, während dem der Verlauf der Andruckkraft FA mindestens über 30% konstant ist. Die Vorversuche werden zur Ermittlung jeder technologischen Stellgröße wie vorstehend beschrieben durchgeführt. Die Finishbearbeitung erfolgt dann mit den ermittelten technologischen Stellgrößen. Eine Finischbearbeitung mit erfindungsgemäß ermittelten Werten für die technologischen Stellgrößen erbringt eine Werkstückoberfläche mit geringer Rautiefe, hoher Maßhaltigkeit und Formgenauigkeit des Werkstückes und bei einem geringen Werkzeugverschleiß in einer optimal kurzen Berabeitungszeit. Es erfolgt eine kontinuierliche „Selbstaufschärfung” des Werkzeuges, so dass ein gleichbleibend hoher Materialabtrag erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstückoberflächen mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Planfinishen von Werkstückoberflächen mit einer rotierenden Topfschleifscheibe.
Unter Finishbearbeitung, nachfolgend kurz Finishen genannt, wird ein spanendes Bearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide verstanden. Dabei wird ein vielschneidiges Finishwerkzeug mit einer Andruckkraft gegen die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gedrückt und zwischen dem Finishwerkzeug und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche eine Schnittbewegung realisiert. Der bei der Finishbearbeitung erzielte Materialabtrag ist neben spezifischen Eigenschaften des Finishwerkzeuges, wie dem Schleifkorn, der Bindung sowie der Pore, materialspezifischen Eigenschaften des Werkstückes, wie der Härte und der Zähigkeit, dem Zerspanungshilfsstoff sowie den geometrischen Gegebenheiten des Finishwerkzeuges und des Werkstückes im Einzelfall abhängig von der Andruckkraft zwischen dem Finishwerkzeug und dem Werkstück und der Relativgeschwindigkeit zwischen der im Eingriff mit der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche stehenden Fläche des Finishwerkzeuges und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche. Technologisch betrachtet ergeben sich diese Parameter Andruckkraft und Relativgeschwindigkeit aus den technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws, wobei anstelle der Vorschubgeschwindigkeit v_f auch der Vorschub verwendet werden kann. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, entsprechend der konkreten Aufgabe und Werkzeugmaschine die jeweiligen geeigneten technologischen Stellgrößen zu wählen.
Bekannt sind aus dem Stand der Technik Verfahren und Vorrichtungen zum Schleifen mit konstanten Kraft zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Werkstück. Die DE 10 2005 047 114 A1 offenbart beispielsweise ein solches Verfahren und eine soche Vorrichtung. Derartige Verfahren sind jedoch wenig effizient.
Aus der DE 39 30 457 A1 ist ein Verfahren zur materialabhebenden Fein- oder Feinstbearbeitung einer insbesondere bewegten Werkstückoberfläche mittels eines relativ dazu bewegten Werkzeuges mit einer Vielzahl von geometrisch unbestimmten Schneiden bekannt, bei dem die vom Werkstück auf das Werkzeug als Gegenkraft auf den Anpressdruck des Werkzeuges auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche ausgeübte Reaktionskraft kontinuierlich gemessen und der Anpressdruck stufenweise auf einen vorbestimmten maximalen Grenzwert nachgeregelt wird, bei dem ein optimaler Materialabtrag erfolgt. Unter Bezugnahme auf die DE 35 33 082 A1 wird zu dem Zusammenhang zwischen dem Anpressdruck und dem erzielten Materialabtrag vom Werkstück erläutert, dass bei einem nur geringen Anpressdruck der Materialabtrag ebenfalls nur gering ist und im Wesentlichen nur eine Glättung der Werkstückoberfläche erfolgt. Es kommt zu einem sogenannten „Ausklinkeffekt”. Die glatte Werkstückoberfläche ist nicht mehr in der Lage, stumpfgewordenes Korn aus dem Steingefüge des Werkzeuges auszubrechen. Begünstigt wird dies durch einen sich zwischen dem Werkzeug und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ausbildenden Spülmittelfilm, der letztlich das Werkzeug von der Werkstückoberfläche trennt. Wird der Anpressdruck wesentlich erhöht, so wird ein kontinuierlicher Eingriff des Werkzeuges mit dem Werkstück erzwungen. Es kommt zu einer kontinuierlichen „Selbstaufschärfung” des Werkzeuges, indem kontinuierlich stumpfgewordenes Korn aus dem Steingefüge des Werkzeuges ausgebrochen wird. Ein Anpressdruck zwischen den beiden vorgenannten Werten führt zu einem labilen Verhalten, bei dem sich „Ausklinken” und „Selbstaufschärfen” intermittierend abwechseln. Gemäß der Lehre der DE 39 30 457 A1 wird zur Erzielung eines optimalen Materialabtrages zunächst der Anpressdruck stufenweise auf einen vorbestimmten maximalen Grenzwert erhöht und erst dann nachgeregelt, wenn der Anpressdruck infolge des Materialabtrages auf einen ebenfalls vorbestimmten minimalen Grenzwert abgesunken ist.
Zur Optimierung der Finishbearbeitung von Werkstückoberflächen, und zwar sowohl im Hinblick auf die zu erzielende Oberflächenqualität als auch im Hinblick auf einen hohen Materialabtrag, hat sich die Andruckkraft als eine wichtige Größe herauskristallisiert. Sie ist während der Finishbearbeitung mit vertretbarem Aufwand und hinreichender Genauigkeit messbar und über die Vorschubgeschwindigkeit gut stell- bzw. regelbar. Problematisch ist jedoch die Bestimmung einer geeigneten Andruckkraft, mit der im Einzelfall für eine konkrete Bearbeitungsaufgabe das gewünschte Bearbeitungergebnis erzielt werden kann. Dabei spielt im industriellen Fertigungsprozess eine kurze Bearbeitungszeit eine wichtige Rolle, d. h. es wird bei Einhaltung der gewünschten Oberflächenqualität (Maßhaltigkeit, Formgenauigkeit, Rauheit) ein möglichst großer Materialabtrag angestrebt. Andererseits ist es natürlich von ebenso großer Bedeutung, trotz des angestrebten großen Materialabtrages einen möglichst geringen Werkzeugverschleiß zu realisieren.
Stand der Technik zur Bestimmung einer geeigneten Andruckkraft für eine konkrete Bearbeitungsaufgabe sind nach wie vor Vorversuche, die je nach Erfahrung des Maschinenbedieners mehr oder weniger umfangreich und aufwendig sind. So wird in der DE 690 09 890 T2 auf die Notwendigkeit der Durchführung von Vorversuchen zur Ermittlung der Maximal- und Minimalwerte für einen Korridor der Anpresskraft, der eine Finishbearbeitung zwischen „Ausklinken” und „Selbstaufschärfen” ermöglicht, verwiesen. Auch in der DE 199 52 805 A1 wird darauf hingewiesen, dass der Kraftvorgabewert zur Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Finishbearbeitung von Werkstücken im Hinblick auf die Erreichung der erforderlichen Oberflächengüte bei kürzest möglicher Bearbeitungszeit anhand orientierender Vorversuche zu bestimmen ist. In der DE 10 2006 011 304 A1 wird ebenfalls beschrieben, dass die Vorgabewerte für die Schnittkraft anhand weniger orientierender Vorversuche ermittelt werden. Dabei impliziert der Hinweis auf „wenige” Vorversuche immer, dass der Bearbeiter über umfangreiche Erfahrungen bei der Ermittlung geeigneter Parameter zur Finishbearbeitung eines Werkstückes verfügt. Sind solche umfangreichen Erfahrungen nichtvorhanden, sind meist für jede konkrete Aufgabe zur Finishbearbeitung eine Vielzahl von Vorversuchen erforderlich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstückoberflächen mit einem relativ zur Werkstückoberfläche bewegten Werkzeug mit einer Vielzahl geometrisch unbestimmter Schneiden bereitzustellen, bei dem bei der Bestimmung der Bearbeitungsparameter für die Erreichung einer definierten Oberfläche bezüglich Maßhaltigkeit, Formgenauigkeit und Rauheit bei einem möglichst großen Materialabtrag und bei einem möglichst geringen Werkzeugverschleiß auf umfangreiche Erfahrungen des Bearbeiters weitgehend verzichtet werden kann. Dazu besteht die Aufgabe, ein gattungsgemäßes Verfahren zu entwickeln, bei dem die Bestimmung der Bearbeitungsparameter auf der Grundlage weniger systematischer Vorversuche erfolgt, deren Durchführung keine umfangreichen Erfahrungen des Bearbeiters erfordern.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. In den Ansprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstückoberflächen mit einem relativ zur Werkstückoberfläche bewegten Werkzeug mit einer Vielzahl geometrisch unbestimmter Schneiden wird unter Verwendung einer Werkzeugmaschine durchgeführt, die mindestens Mittel zur Aufnahme und zur Bewegung des Werkzeuges und mindestens eine Werkstückspanneinrichtung zur Aufnahme des Werkstückes sowie Mittel zur Bewegung der Werkstückspanneinrichtung und somit zur Bewegung des Werkstückes aufweist, wobei das Werkzeug relativ zu der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche bewegbar ist, wobei mindestens drei technologische Stellgrößen, wie Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws, erzeugbar und steuerbar sind und bei der mindestens eine Erfassung der Andruckkraft F_A zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfolgt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Finishbearbeitung mit einer konstanten Andruckkraft F_A erfolgt, die über technologische Stellgrößen, wie Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Schnitttiefe a_p, realisiert wird. Die Werte der technologischen Stellgrößen zur Realisierung der konstanten Andruckkraft F_A werden anhand von Vorversuchen wie folgt ermittelt:

a) Ausgehend von der konkreten Bearbeitungaufgabe werden die Schleifkorngröße des Werkzeuges und Wertebereiche für die technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_fmin ≤ v_f ≤ v_fmax, Schnittgeschwindigkeit v_cmin ≤ v_c ≤ v_cmax und Werkstückgeschwindigkeit v_wsmin ≤ v_ws ≤ v_wsmax vorgewählt.
b) Eine erste und eine zweite der technologischen Stellgrößen werden als konstant mit jeweils einem Wert aus dem im Schritt a) vorgewählten jeweiligen Wertebereich, gewählt.
c) Aus dem vorgewählten Wertebereich der dritten technologischen Stellgröße werden eine Anzahl n gleichmäßig über den vorgewählten Wertebereich verteilte konstante Werte für die dritte technologische Stellgröße mit 5 ≤ n ≤ 20 bestimmt.
d) Danach wird ein Vorversuch mit den gemäß den Schritten b) und c) gewählten bzw. bestimmten Werten für die genannten technologischen Stellgrößen durchgeführt, wobei die gemäß dem Schritt c) bestimmten Werte für die dritte technologische Stellgröße nacheinander erzeugt und gesteuert jeweils für einen Zeitabschnitt Δt konstant gehalten werden und derart die Andruckkraft F_A als Funktion der Zeit und den gemäß dem Schritt c) bestimmten Werten für die dritte technologische Stellgröße als Parameter ermittelt wird.
e) Aus der gemäß dem Schritt d) ermittelten Funktion wird der oder die Werte für die dritte technologische Stellgröße ermittelt, für die der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist. Für den Fall, dass anhand der gemäß dem Schritt d) ermittelten Funktion kein Wert für die dritte technologische Stellgröße ermittelbar ist, für den der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, wird der gemäß dem Schritt b) gewählte Wert für die erste oder die zweite technologische Stellgröße derart neu gewählt, dass er sich innerhalb des gemäß dem Schritt a) vorgewählten Wertebereiches für diese technologische Stellgröße von dem zuvor gewählten Wert unterscheidet und der Schritt d) wiederholt. Die beschriebene Wahl eines neuen Wertes für die erste oder die zweite technologische Stellgröße, gefolgt von einer erneuten Durchführung des Schrittes d) wird so oft wiederholt, bis aus der ermittelten Funktion für die Andruckkraft F_A ein Wert für die dritte technologische Stellgröße ermittelbar ist, bei dem der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist. Für den Fall, dass anhand der gemäß dem Schritt d) ermittelten Funktion mehrere Werte für die dritte technologische Stellgröße ermittelt werden, für die der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während der entsprechenden zugehörigen Zeitabschnitte Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, wird aus den ermittelten Werten derjenige Wert für die dritte technologische Stellgröße gewählt, für den die Andruckkraft F_A den kleinsten Wert während des konstanten zeitlichen Verlaufes aufweist. Der ermittelte Wert für die dritte technologische Stellgröße wird gespeichert.
f) Nach der Ermittlung und Speicherung eines Wertes für die dritte technologische Stellgröße gemäß Schritt e) wird zu Schritt b) zurückgekehrt, jedoch mit der Maßgabe, dass die dritte technologische Stellgröße, deren ermittelter Wert gespeicherte wurde, und die erste oder die zweite technologische Stellgröße als konstant gewählt werden, wobei als Wert für die dritte technologische Stellgröße der gespeicherte ermittelte Wert und für die erste oder die zweite technologische Stellgröße die bereits zuvor gewählten Werte gewählt werden und dann im Schritt c) gemäß der Vorgabe von Schritt c) eine Anzahl n Werte für diejenige technologische Stellgröße bestimmt werden, die vorstehend nicht gewählt wurde. Dann werden die Schritte d) und e) mit den Werten für die, wie vorstehend erläutert, gewählten konstanten technologischen Stellgrößen und den gemäß der Vorgabe von Schritt c) bestimmten Werten für die andere technologische Stellgröße durchgeführt. Der gemäß dem Schritt e) ermittelte Wert für die andere technologische Stellgröße, für den der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, wird als ermittelter Wert für die andere technologische Stellgröße gespeichert.
g) Danach wird erneut zu Schritt b) zurückgekehrt, jedoch diesmal mit der Maßgabe, dass die beiden technologischen Stellgrößen, deren ermittelte Werte gespeicherte wurden, als konstant gewählt werden, wobei als Wert für diese beiden technologischen Stellgrößen die gespeicherten ermittelten Werte gewählt werden. Nachfolgend werden im Schritt c) gemäß der Vorgabe von Schritt c) eine Anazhl n Werte für die verbliebene technologische Stellgröße bestimmt und die Schritte d) und e) mit den ermittelten Werten für die, wie vorstehend erläutert, gewählten konstanten technologischen Stellgrößen und den gemäß der Vorgabe von Schritt c) bestimmten Werten für die verbliebene technologische Stellgröße durchgeführt und der ermittelte Wert für die verbliebene technologische Stellgröße, für den die Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, als ermittelter Wert für diese verbliebene technologische Stellgröße gespeichert.
h) Schließlich wird die Finishbearbeitung der Werkstückoberfläche mit den ermittelten Werten für die technologischen Stellgrößen durchgeführt.

Der Zeitabschnitt Δt, während dessen eine technologische Stellgröße jeweils konstant gehalten wird, beträgt 2 s bis 20 s, bevorzugt 5 s bis 10 s.
Wird das Verfahren unter Verwendung einer Werkzeugmaschine, die zusätzlich Mittel zur Regelung der Andruckkraft F_A umfasst, durchgeführt, so wird bei den Vorversuchen der Wert der konstanten Andruckkraft F_A, die durch die ermittelten und gespeicherten technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werstückgeschwindigkeit v_ws realisiert wird, ebenfalls ermittelt und gespeichert. Das ist jener Wert der Andruckkraft F_A, der sich bei der Ermittlung der letzten Stellgröße als zu dieser Stellgröße zugehörige Andruckkraft F_A ergibt, das heißt, der während des Zeitabschnittes Δt über den die Stellgröße konstant gehalten wird, mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist. Die Finishbearbeitung der Werkstückoberfläche erfolgt dann zunächst kraftgeregelt mit dem gespeicherten Wert der Andruckkraft F_A als Führungsgröße und nach Erreichen des gespeicherten Wertes der Andruckkraft F_A gesteuert mit den ermittelten und gespeicherten Werten für die technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werstückgeschwindigkeit v_ws als Stellgrößen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
1: eine Prinzipdarstellung der Werkzeug-Werstückanordnung zum Planfinishen einer Werkstückoberfläche mit einer rotierenden Topfschleifscheibe, in
2: einen zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Vorschubgeschwindigkeit v_f, in
3: einen zweiten zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Vorschubgeschwindigkeit v_f, in
4: einen dritten zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Vorschubgeschwindigkeit v_f, in
5: einen zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Schnittgeschwindigkeit v_c, in
6: einen zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Werstückgeschwindigkeit v_ws und in
7: einen zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A bei der Finishbearbeitung der Werkstückoberfläche.
Die in 1 dargestellte prinzipielle Anordnung zeigt eine mittels einer Werkstückspanneinrichtung 1 gespannte Scheibe 2, deren Oberfläche mittels einer Topfschleifscheibe 3 bearbeitet werden soll. Die Finishbearbeitung, im vorliegenden Beispiel das Planfinishen mit einer rotierenden Topfschleifscheibe 3, erfolgt unter Verwendung einer nicht dargestellten Werkzeugmaschine, die eine Spindel 4 zur Aufnahme des Werkzeuges 3 und eine Werstückspanneinrichtung 1 zur Aufnahme des Werkstückes 2 sowie Mittel zur Bewegung der Spindel 4 und der Werstückspanneinrichtung 1 umfasst. Sowohl das Werkstück, die Scheibe 2, als auch das Werkzeug, die Topfschleifscheibe 3, sind jeweils in Richtung der Pfeile 5, 6 drehbar um die zugehörigen Drehachsen 7, 8 angeordnet. Die Topfschleifscheibe 3 ist außerdem entlang der Koordinaten x, y und z bewegbar. Die Drehzahl n_ws der Scheibe 2, die Werkstückdrehzahl, und die Drehzahl n_wz der Topfschleifscheibe 3, die Werkzeugdrehzahl, sind steuerbar. Ebenso ist die Bewegung der Topfschleifscheibe 3 entlang der Koordinaten x, y und z steuerbar. Die technologischen Stellgrößen zur Finishbearbeitung der Oberfläche der Scheibe 2 sind die Vorschubgeschwindigkeit v_f, die Schnittgeschwindigkeit v_c und die Werkstückgeschwindigkeit v_ws. Sie sind über die Drehzahl n_ws der Scheibe 2, die Drehzahl n_wz der Topfschleifscheibe 3 und die Bewegung der Topfschleifscheibe 3 entlang der Koordinaten x, y und z steuerbar. Die Werkzugmaschine ermöglicht die Erfassung der Andruckkraft F_A zwischen den im Eingriff stehenden Flächen der Scheibe 2 und der Topfschleifscheibe 3.
Die Scheibe 2 besteht aus Chromstahl 100Cr6 mit einer Härte von 60 HRC. Der Durchmesser d_a der Scheibe beträgt d_a = 16 mm. Die Oberfläche soll eine gemittelte Rautiefe < 1,0 μm aufweisen. Dazu soll eine Finishbearbeitung durchgeführt werden, wobei die Finishbearbeitung bei einem möglichst großen Materialabtrag und bei einem möglichst geringem Werkzeugverschleiß erfolgen soll.
Ausgehend vom Material der zu bearbeitenden Scheibe 2 und der im Ergebnis der Finishbearbeitung geforderten gemittelte Rautiefe < 1,0 μm wird als Werkzeug eine Topfschleifscheibe 3 mit Schleifkörnern aus Siliziumkarbid und eine Schleifkorngröße von 600 mesh in keramischer Bindung geschwefelt ausgewählt. Bei dem gegebenen Werkstück, der Scheibe 2 und dem ausgewählten Werkzeug, der Topfschleifscheibe 3 werden die Wertebereiche für die technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws wie folgt gewählt:

Vorschubgeschwindigkeit v_f: 0,30 mm/min ≤ v_f ≤ 1,50 mm/min,

Schnittgeschwindigkeit v_c: 2 m/s ≤ v_c ≤ 8 m/s und

Werkstückgeschwindigkeit v_ws: 0,25 m/s ≤ v_ws ≤ 1,15 m/s.
Zur Ermittlung des Wertes für die Vorschubgeschwindigkeit v_f für die Finishbearbeitung werden für die technologischen Stellgrößen Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws jeweils ein konstanter Wert innerhalb der gewählten Wertebereiche gewählt, und zwar etwa der Mittelwert des gewählten Wertebereiches. Dementsprechend wird für die Schnittgeschwindigkeit v_c ein konstanter Wert v_c = 5 m/s und für die Werkstückgeschwindigkeit v_ws ein konstanter Wert v_ws = 0,7 m/s gewählt. Für die Vorschubgeschwindigkeit v_f werden 5 repräsentative Werte aus dem gewählten Wertebereich gewählt. Zweckmäßig wird dazu der gewählte Wertebereich in 4 gleiche Abschnitte unterteilt und die jeweiligen Grenzwerte zwischen den Abschnitten als konstante Werte gewählt. Folglich werden für die Vorschubgeschwindigkeit v_f die Werte v_f1 = 0,3 mm/min, v_f2 = 0,6 mm/min, v_f3 = 0,9 mm/min, v_f4 = 1,2 mm/min und v_f5 = 1,5 mm/min gewählt. Ein erster Vorversuch zur Finishbearbeitung wird mit einer Schnittgeschwindigkeit v_c = 5 m/s = konstant gesteuert, einer Werkstückgeschwindigkeit v_ws = 0,7 m/s = konstant gesteuert und mit jeweils über einen Zeitabschnitt Δt = 5 s konstanter gesteuerter Vorschubgeschwindigkeit v_f1 = 0,3 mm/min, v_f2 = 0,6 mm/min, v_f3 = 0,9 mm/min, v_f4 = 1,2 mm/min und v_f5 = 1,5 mm/min durchgeführt. Die Andruckkraft F_A wird als Funktion der Zeit t ermittelt. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über 5 Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Vorschubgeschwindigkeit v_f1 bis v_f5. Im Verlaufe keines der 5 Zeitabschnitte Δt = 5 s ist der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant. Somit kann anhand dieses Vorversuches kein Wert für die Vorschubgeschwindigkeit v_f ermittelt werden. Nachfolgend wird der Wert der als konstant gewählten Stellgröße Schnittgeschwindigkeit v_c innerhalb des gewählten Wertebereiches verändert, und zwar auf einen Wert v_c = 2 m/s. Die zweite als konstant gewählte Stellgröße, die Werkstückgeschwindigkeit v_ws, bleibt unverändert. Ebenso bleiben alle anderen Parameter und Werte unverändert. Ein zweiter Vorversuch zur Finishbearbeitung wird mit einer Schnittgeschwindigkeit v_c = 2 m/s = konstant gesteuert, einer Werkstückgeschwindigkeit v_ws = 0,7 m/s = konstant gesteuert und mit jeweils über einen Zeitabschnitt Δt = 5 s konstanter gesteuerter Vorschubgeschwindigkeit v_f1 = 0,3 mm/min, v_f2 = 0,6 mm/min, v_f3 = 0,9 mm/min, v_f4 = 1,2 mm/min und v_f5 = 1,5 mm/min durchgeführt und der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A ermittelt. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über 5 Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Vorschubgeschwindigkeit v_f1 bis v_f5. Wiederum ist der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A innerhalb keines der 5 Zeitabschnitte Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant. Folglich kann auch anhand des zweiten Vorversuches kein Wert für die Vorschubgeschwindigkeit v_f ermittelt werden. Der Wert der als konstant gewählten Stellgröße Schnittgeschwindigkeit v_c wird innerhalb des gewählten Wertebereiches nochmals verändert, und zwar auf einen Wert v_c = 8 m/s. Alle übrigen Parameter und Werte der Stellgrößen bleiben unverändert. Es wird ein dritter Vorversuch zur Finishbearbeitung mit einer Schnittgeschwindigkeit v_c = 8 m/s = konstant gesteuert, einer Werkstückgeschwindigkeit v_ws = 0,7 m/s = konstant gesteuert und mit jeweils über einen Zeitabschnitt Δt = 5 s konstanter gesteuerter Vorschubgeschwindigkeit v_f1 = 0,3 mm/min, v_f2 = 0,6 mm/min, v_f3 = 0,9 mm/min, v_f4 = 1,2 mm/min und v_f5 = 1,5 mm/min durchgeführt und der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A ermittelt. Den ermittelten zeitlichen Verlauf Andruckkraft F_A mit über 5 Zeitabschnitte Δt = 5 s konstanter Vorschubgeschwindigkeit v_f1 bis v_f5 zeigt 4. Während des ersten Zeitabschnittes Δt (t = 0 s bis 5 s) ist der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A zusammenhängend während mehr als 30% des Zeitabschnittes Δt konstant, in 4 durch einen senkrecht gerichteten Pfeil gekennzeichnet. Während dieses ersten Zeitabschnittes Δt, t = 0 s bis 5 s betrug die Vorschubgeschwindigkeit v_f = 0,30 mm/min. Dieser Wert der Vorschubgeschwindigkeit v_f wird als ermittelter Wert der Vorschubgeschwindigkeit v_f gespeichert.
Zur Ermittlung des Wertes für die Schnittgeschwindigkeit v_c wird für die technologische Stellgröße Vorschubgeschwindigkeit v_f der ermittelte und gespeicherte Wert v_f = 0,30 mm/min angesetzt und für die technologische Stellgröße Werkstückgeschwindigkeit v_ws ein konstanter Wert innerhalb des gewählten Wertebereiches gewählt und zwar etwa der Mittelwert des gewählten Wertebereiches, also ein konstanter Wert v_ws = 0,7 m/s gewählt. Für die Schnittgeschwindigkeit v_c werden 7 repräsentative Werte aus dem gewählten Wertebereich gewählt. Dazu wird der gewählte Wertebereich in 6 gleiche Abschnitte unterteilt und die jeweiligen Grenzwerte zwischen den Abschnitten als konstante Werte gewählt. Es werden für die Schnittgeschwindigkeit v_c die Werte v_c1 = 2 m/s, v_c2 = 3 m/s, v_c3 = 4 m/s, v_c4 = 5 m/s, v_c5 = 6 m/s, v_c6 = 7 m/s und v_c7 = 8 m/s gewählt. Ein vierter Vorversuch zur Finishbearbeitung wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit v_f = 0,30 mm/min = konstant gesteuert, einer Werkstückgeschwindigkeit v_ws = 0,7 m/s = konstant gesteuert und mit jeweils über einen Zeitabschnitt Δt = 10 s konstanter gesteuerter Schnittgeschwindigkeit v_c1 = 2 m/s, v_c2 = 3 m/s, v_c3 = 4 m/s, v_c4 = 5 m/s, v_c5 = 6 m/s, v_c6 = 7 m/s und v_c7 = 8 m/s durchgeführt. Die Andruckkraft F_A wird als Funktion der Zeit t ermittelt. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über 7 Zeitabschnitte Δt = 10 s konstanter Schnittgeschwindigkeit v_c1 bis v_c7. Während des dritten bis siebenten Zeitabschnittes Δt (t = 20 s bis 30 s, t = 30 s bis 40 s, t = 40 s bis 50 s, t = 50 s bis 60 s und t = 60 s bis 70 s) ist der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A zusammenhängend während mehr als 30% des Zeitabschnittes Δt konstant. Den kleinsten Wert während des konstanten zeitlichen Verlaufes von mehr als 30% des Zeitabschnittes Δt weist die Andruckkraft F_A während des letzten Zeitabschnittes Δt, t = 60 s bis 70 s, auf, in 5 durch einen senkrecht gerichteten Pfeil gekennzeichnet. Während dieses letzten Zeitabschnittes Δt, t = 60 s bis 70 s, betrug die Schnittgeschwindigkeit v_c = 8 m/s. Dieser Wert der Schnittgeschwindigkeit v_c wird als ermittelter Wert der Schnittgeschwindigkeit v_c gespeichert.
Schließlich wird zur Ermittlung des Wertes für die dritte technologische Stellgröße, die Werkstückgeschwindigkeit v_ws, für die technologische Stellgröße Vorschubgeschwindigkeit v_f der ermittelte und gespeicherte Wert v_f = 0,30 mm/min und für die technologische Stellgröße Schnittgeschwindigkeit v_c der ermittelte und gespeicherte Wert v_c = 8 m/s angesetzt. Für die Werkstückgeschwindigkeit v_ws werden wiederum 7 repräsentative Werte aus dem gewählten Wertebereich gewählt. Der gewählte Wertebereich wird in 6 gleiche Abschnitte unterteilt und die jeweiligen Grenzwerte zwischen den Abschnitten werden als konstante Werte gewählt. Es werden für die Werkstückgeschwindigkeit v_ws die Werte v_ws1 = 0,25 m/s, v_ws2 = 0,40 m/s, v_ws3 = 0,55 m/s, v_ws4 = 0,70 m/s, v_ws5 = 0,85 m/s, v_ws6 = 1,00 m/s und v_ws7 = 1,15 m/s gewählt. Ein fünfter Vorversuch zur Finishbearbeitung wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit v_f = 0,30 mm/min = konstant gesteuert, einer Schnittgeschwindigkeit v_c = 8 m/s = konstant gesteuert und mit jeweils über einen Zeitabschnitt Δt = 10 s konstanter gesteuerter Werkstückgeschwindigkeit v_ws1 = 0,25 m/s, v_ws2 = 0,40 m/s, v_ws3 = 0,55 m/s, v_ws4 = 0,70 m/s, v_ws5 = 0,85 m/s, v_ws6 = 1,00 m/s und v_ws7 = 1,15 m/s durchgeführt. Die Andruckkraft F_A wird als Funktion der Zeit t ermittelt. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf der Andruckkraft F_A mit über 7 Zeitabschnitte Δt = 10 s konstanter Werstückgeschwindigkeit v_ws1 bis v_ws7. Während des dritten bis siebenten Zeitabschnittes Δt (t = 20 s bis 30 s, t = 30 s bis 40 s, t = 40 s bis 50 s, t = 50 s bis 60 s und t = 60 s bis 70 s) ist der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A zusammenhängend während mehr als 30% des Zeitabschnittes Δt konstant. Den kleinsten Wert während des konstanten zeitlichen Verlaufes von mehr als 30% des Zeitabschnittes Δt weist die Andruckkraft F_A während des letzten Zeitabschnittes Δt, t = 60 s bis 70 s, auf, in 6 durch einen senkrecht gerichteten Pfeil gekennzeichnet. Während dieses letzten Zeitabschnittes Δt, t = 60 s bis 70 s, betrug die Werkstückgeschwindigkeit v_ws = 1,15 m/s. Dieser Wert der Werkstückgeschwindigkeit v_ws wird als ermittelter Wert der Werkstückgeschwindigkeit v_ws gespeichert. Der Wert der Andruckkraft F_A, die während mehr als 30% dieses Zeitabschnittes Δt, t = 60 s bis 70 s, einen konstanten zeitlichen Verlauf aufwies, betrug F_A = 77 N. Dieser Wert wird als konstante Andruckkraft F_A gespeichert. Die Ermittlung der technologischen Parameter zur Finishbearbeitung der Scheibe 2 mit der ausgewählten Topfschleifscheibe 3 ist damit abgeschlossen. Nachfolgend erfolgt die Finischbearbeitung. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Andruckkraft während der Finishbearbeitung. Nach dem Anfunken erfolgt während der ersten Bearbeitungsphase 0,5 s bis 1,5 s die Finishbearbeitung kraftgeregelt, bis die Andruckkraft F_A den gespeicherten Wert der konstanten Andruckkraft F_A = 77 N erreicht hat. Danach wird die Finshbearbeitung mit den gespeicherten technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_f = 0,30 mm/min, Schnittgeschwindigkeit v_c = 8 m/s und Werkstückgeschwindigkeit v_ws = 1,15 m/s konstant gesteuert weitergeführt. Die Andruckkraft F_A nimmt während dieser Bearbeitungsphase etwa den zuvor ermittelten Wert F_A ≈ 77 N an. Schließlich wird nach 10,4 s die Finishbearbeitung beendet. Während der letzten Bearbeitungsphase werden die technologischen Stellgrößen sukzessive auf Null zurückgefahren. Eine wie vorstehend beschrieben durchgeführte Finishbearbeitung mit den erfindungsgemäß ermittelten Werten für die technologischen Stellgrößen erbringt die geforderte Rautiefe der gefinishten Werkstückoberfläche mit hoher Maßhaltigkeit und Formgenauigkeit des Werkstückes und bei einem geringen Werkzeugverschleiß in einer optimal kurzen Bearbeitungszeit. Es erfolgt eine kontinuierliche „Selbstaufschärfung” der Topfschleifscheibe, so dass ein gleichbleibend hoher Materialabtrag erfolgt. Es ist selbstverständlich, dass eine Serie gleicher Werkstücke 2 mit den einmal ermittelten technologischen Stellgrößen bearbeitet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Werkstückspanneinrichtung
2: Werkstück, Scheibe
3: Werkzeug, Topfschleifscheibe
4: Spindel
5: Pfeil, Drehrichtung der Scheibe
6: Pfeil, Drehrichtung der Topfschleifscheibe
7: Drehachse der Scheibe
8: Drehachse der Topfschleifscheibe
n: Anzahl von Werten
n_ws: Werkstückdrehzahl
n_wz: Werkzeugdrehzahl
F_A: Andruckkraft
t: Zeit
Δt: Zeitabschnitt
v_c: Schnittgeschwindigkeit
v_f: Vorschubgeschwindigkeit
v_ws: Werkstückgeschwindigkeit

Claims

Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstückoberflächen mit einem relativ zur Werkstückoberfläche bewegten Werkzeug (3) mit einer Vielzahl geometrisch unbestimmter Schneiden, – unter Verwendung einer Werkzeugmaschine, die mindestens Mittel zur Aufnahme und zur Bewegung des Werkzeuges (3) und mindestens eine Werkstückspanneinrichtung (1) zur Aufnahme des Werkstückes (2) sowie Mittel zur Bewegung der Werkstückspanneinrichtung (1) aufweist, derart, dass das Werkzeug (3) relativ zu der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche bewegbar ist, wobei mindestens drei technologische Stellgrößen, wie Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws, erzeugbar und steuerbar sind und – bei der mindestens die Andruckkraft F_A zwischen dem Werkzeug (3) und dem Werkstück (2) erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Finishbearbeitung mit einer konstanten Andruckkraft F_A erfolgt, die über technologische Stellgrößen wie Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws realisiert wird, und die Werte der technologischen Stellgrößen zur Realisierung der konstanten Andruckkraft F_A durch Vorversuche ermittelt werden, wobei a) die Schleifkorngröße des Werkzeuges (3) und Wertebereiche für die technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_fmin ≤ v_f ≤ v_fmax, Schnittgeschwindigkeit v_cmin ≤ v_c ≤ v_cmax und Werkstückgeschwindigkeit v_wsmin ≤ v_ws ≤ v_wsmax vorgewählt werden, b) nachfolgend eine erste und eine zweite der technologischen Stellgrößen als konstant mit jeweils einem Wert aus dem im Schritt a) vorgewählten jeweiligem Wertebereich gewählt wird, c) aus dem vorgewählten Wertebereich der dritten technologischen Stellgröße eine Anzahl n gleichmäßig über den vorgewählten Wertebereich verteilte konstante Werte für die dritte technologische Stellgröße mit 5 ≤ n ≤ 20 bestimmt werden, d) ein Vorversuch mit den gemäß den Schritten b) und c) gewählten bzw. bestimmten Werten für die genannten technologischen Stellgrößen durchgeführt wird, wobei die gemäß dem Schritt c) bestimmten Werte für die dritte technologische Stellgröße nacheinander erzeugt und gesteuert jeweils für einen Zeitabschnitt Δt konstant gehalten werden und derart die Andruckkraft F_A als Funktion der Zeit und den gemäß dem Schritt c) bestimmten Werten für die dritte technologische Stellgröße als Parameter ermittelt wird, e) aus der gemäß dem Schritt d) ermittelten Funktion der oder die Werte für die dritte technologische Stellgröße ermittelt werden, für die der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, wobei für den Fall, dass anhand der gemäß dem Schritt d) ermittelten Funktion kein Wert für die dritte technologische Stellgröße ermittelbar ist, für den der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, der gemäß dem Schritt b) gewählte Wert für die erste oder die zweite technologische Stellgröße derart neu gewählt wird, dass er sich innerhalb des gemäß dem Schritt a) vorgewählten Wertebereiches für diese technologische Stellgröße von dem zuvor gewählten Wert unterscheidet und der Schritt d) wiederholt wird, wobei die beschriebene Wahl eines neuen Wertes für die erste oder die zweite technologische Stellgröße, gefolgt von einer erneuten Durchführung des Schrittes d) so oft wiederholt wird, bis aus der ermittelten Funktion für die Andruckkraft F_A ein Wert für die dritte technologische Stellgröße ermittelbar ist, bei dem der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist oder wobei für den Fall, dass anhand der gemäß dem Schritt d) ermittelten Funktion mehrere Werte für die dritte technologische Stellgröße ermittelt werden, für die der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während der entsprechenden zugehörigen Zeitabschnitte Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, aus den ermittelten Werten derjenige Wert für die dritte technologische Stellgröße gewählt wird, für den die Andruckkraft F_A den kleinsten Wert während des konstanten zeitlichen Verlaufes aufweist, und der ermittelte Wert für die dritte technologische Stellgröße gespeichert wird, f) zu Schritt b) zurückgekehrt wird, jedoch mit der Maßgabe, dass die dritte technologische Stellgröße, deren bestimmter Wert gespeicherte wurde, und die erste oder die zweite technologische Stellgröße als konstant gewählt werden, wobei als Wert für die dritte technologische Stellgröße der gespeicherte bestimmte Wert und für die erste oder die zweite technologische Stellgröße die bereits zuvor gewählten Werte gewählt werden und dann im Schritt c) gemäß der Vorgabe von Schritt c) eine Anzahl n Werte für diejenige technologische Stellgröße bestimmt werden, die vorstehend nicht gewählt wurde, und die Schritte d) und e) mit den Werten für die, wie vorstehend erläutert, gewählten konstanten technologischen Stellgrößen und den gemäß der Vorgabe von Schritt c) bestimmten Werten für die andere technologische Stellgröße durchgeführt werden und der bestimmte Wert für die andere technologische Stellgröße, für den der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, als ermittelter Wert für die andere technologische Stellgröße gespeichert wird, g) nachfolgend erneut zu Schritt b) zurückgekehrt wird, jedoch mit der Maßgabe, dass die beiden technologischen Stellgrößen, deren ermittelte Werte gespeicherte wurden, als konstant gewählt werden, wobei als Wert für diese beiden technologischen Stellgrößen die gespeicherten ermittelten Werte gewählt werden und nachfolgend im Schritt c) gemäß der Vorgabe von Schritt c) eine Anzahl n Werte für die verbliebene technologische Stellgröße bestimmt werden und die Schritte d) und e) mit den ermittelten Werten für die, wie vorstehend erläutert, gewählten konstanten technologischen Stellgrößen und den gemäß der Vorgabe von Schritt c) bestimmten Werten für die verbliebene technologische Stellgröße durchgeführt werden und der bestimmte Wert für die verbliebene technologische Stellgröße, für den der zeitliche Verlauf der Andruckkraft F_A während des zugehörigen Zeitabschnittes Δt mindestens zusammenhängend während 30% des Zeitabschnittes Δt konstant ist, als ermittelter Wert für diese verbliebene technologische Stellgröße gespeichert wird und die Finishbearbeitung mit den ermittelten Werten für die technologischen Stellgrößen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitabschnitt Δt, während dessen eine technologische Stellgröße jeweils konstant gehalten wird, 2 s bis 20 s, bevorzugt 5 s bis 10 s, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 unter Verwendung einer Werkzeugmaschine, die zusätzlich Mittel zur Regelung der Andruckkraft F_A umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Vorversuchen der Wert der konstanten Andruckkraft F_A, die durch die ermittelten und gespeicherten Werte der technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws realisiert wird, ermittelt und gespeichert wird, die Finishbearbeitung kraftgeregelt mit dem gespeicherten Wert der Andruckkraft F_A als Führungsgröße startet und bei Erreichen des gespeicherten Wertes der Andruckkraft F_A die Finishbearbeitung gesteuert mit den ermittelten und gespeicherten Werten für die technologischen Stellgrößen Vorschubgeschwindigkeit v_f, Schnittgeschwindigkeit v_c und Werkstückgeschwindigkeit v_ws als Stellgrößen durchgeführt wird.