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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel an einer Maschine zum Schleifen von Außenkonturen auf einen Schleifkörper gemäß dem Oberbegriff nach Patentanspruch 1 und einer Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel an einer Maschine zum Schleifen von Außenkonturen auf einen Schleifkörper gemäß Patentanspruch 6.
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Die Einrichtung umfasst ein Kühlmittelzuführsystem, das eine Kühlmittelflüssigkeit einem Schneidwerkzeug, z.B. einer Schleifscheibe zuführt, um das Werkzeug zu kühlen, die Kontaktzone zwischen Werkzeug und Bauteil zu schmieren und Spänereste aus dem Schleifkörperbelag zu entfernen sowie diese aus der Schleifmaschine abzutransportieren.
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Systeme zum Zuführen von Kühl- und Schmiermitteln, z.B. Wasser, Öl oder Kombinationen daraus sind in der Technik bekannt. Derartige Systeme führen das Kühlmittel üblicherweise über eine oder mehrere Düsen zu, die in unmittelbarer Nähe des Schleifkörpers angeordnet ist. Eine Pumpe zieht das flüssige Kühlmittel aus einem Behälter ab und beaufschlagt dieses Kühlmittel mit Druck, bevor es durch eine geeignet positionierte Düse abgegeben wird. Das Kühlmittel kann sowohl den Schleifprozess kühlen, den Schleifkörper reinigen, Schleifrückstände oder Späne, die sich zwischen Schleifkörper und Werkstück ansammeln, mitnehmen. Außerdem ist schon beschrieben worden, dass die Führung des Kühlmittels an eine geeignete Stelle des rotierenden Schleifkörpers dazu dient, das von dem Schleifkörper mitgerissene Luftpolster zu beseitigen.
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Die Schleiftechnik - wie auch jede andere industrielle Technik - steht zukünftig vor neuen Anwendungsgebieten. Eine zukünftig bedeutende Anwendung ist das Schleifen von Komponenten der Elektromotoren für Fortbewegungsmittel. Dies sind meist ungehärtete ferromagnetische Läuferwellen aus bspw. 42CrMo4. Die hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit und die Oberflächengüte müssen von der Schleiftechnik bedient werden können. Die mit einer mittleren Härte von 32 HRC als weich zu beschreibende Grundhärte des Werkstoffes 42CrMo4 weist im unbehandelten Zustand ein langspanendes Schleifverhalten auf. Dies führt zu Zusetzungen des Schleifkörpers. Diese wiederum verstopfen damit freie Porenräume der Schleifkörper, die für die Aufnahme von Spänen und Kühlmittel vorgesehen sind. Dadurch wird der Kühlmittel-Transport in die Bearbeitungszone stark behindert. Dies führt zu einer Überhitzung der Bearbeitungszone mit dem Resultat einer thermischen Randzonenschädigung der bearbeiteten Bauteile. Diese thermische Schädigung kann zu mechanischem Bauteilversagen in der späteren Anwendung führen.
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Einer erste Einrichtung zum Reinigen und Kühlen von Schleifscheiben an einer Schleifmaschine ist in der
DE 16 52 003 A1 gezeigt, bei der mehrere Kühlmitteldüsen sich in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.
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In einem weiteren Dokument (
DE 60 2005 002 261 T2 ) wird ein mehrstufiges Schleifverfahren dargelegt, wobei ein sogenanntes starkes Schleifen mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit und ein sogenanntes leichtes Schleifen mit einer geringen Vorschubgeschwindigkeit betrieben wird. Einzelne Schleifschritte werden in Abhängigkeit der erreichten Schliffdurchmesser vollzogen.
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In der
GB 2 391 188 A wird eine Schleifeinrichtung gezeigt mit mehreren Kühlmitteldüsen. Die einzelnen Schleifparamter können manuell vorgegeben werden oder in einem programmartigen Ablauf über einen Mikrocontroller gesteuert werden.
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Es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Einrichtung und ein Verfahren zum Zuführen von Kühlmittel an einen Schleifkörper zu schaffen, um die Mengen des verwendeten Kühlmittels beim Bearbeiten unter Sicherstellung einer ausreichenden Kühlwirkung zu optimieren, vorzugsweise ist eine vollautomatische Regelung der Kühlmittelzufuhr gefordert.
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Ausgehend von einem Verfahren zur Regelung und einer Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel an einer Maschine zum Schleifen von Außenkonturen auf einen Schleifkörper der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während den zugeordneten Unteransprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
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Der Kern der Erfindung umfasst eine Einrichtung und eine entsprechende Regelung zum Zuführen von Kühlmittel an einer Maschine zum Schleifen von Außenkonturen auf einen Schleifkörper, mit folgenden in mindestens einem Gehäuse untergebrachten Kühlmitteldüsen: eine erste Kühlmitteldüse als Luftpolster-Abschirmdüse; eine zweite als Schleifkörper-Reinigungsdüse; eine dritte als Schleifkörper-Tränkungsdüse und eine vierte als Schleifspalt-Kühlungsdüse, wobei die Kühlmitteldüsen von einer zentralen Kühlmittel-Versorgungsleitung beaufschlagt sind, und deren Kühlmittelströme über mindestens ein aus der Maschine abgeleitetes Regelsignal geregelt werden; weiter ist für jede Kühlmitteldüse ein Ventil mit geeigneter Ventiltechnik vorhanden zur Steuerung der jeweiligen Drücke und die Kühlmittelströme werden über mindestens ein aus der Maschine abgeleitetes erstes Regelsignal in Abhängigkeit einer Umfangsgeschwindigkeit des Schleifkörpers geregelt.
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Die Einrichtung ist derart ausgebildet, das während des Betriebs der Maschine mindestens eine erste Kühlmitteldüse zur Luftpolsterabtrennung und mindestens eine vierte Kühlmitteldüse zur Kontaktzonenkühlung mit Kühlmittel beaufschlagt werden und mindestens eine zweite Kühlmitteldüse zum Reinigen der Schleifkörperoberfläche und mindestens eine dritte Kühlmitteldüse zum Tränken der Schleifkörperoberfläche während des Betriebs der Maschine zuschaltbar vorhanden sind.
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Vorgeschlagen wird die vollautomatische Regelung der Kühlmittel-Zuführbedingungen über Maschinensignale. Als Regelsignale können die elektrische Wirkleistung der Schleifspindel, die Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit und/oder ein Acoustic Emission Signal abgegriffen werden.
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Über die Regelung werden die Kühlmitteldüsen je nach Veränderung der Schleifkräfte angesteuert, so dass Schleifbrand beim Schleifen von zusetzungsgefährdeten Werkstoffen vermieden wird.
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Vorzugsweise werden über ein erstes Regelsignal die Kühlmittelströme der vier Kühlmitteldüsen in Abhängigkeit einer Umfangsgeschwindigkeit des Schleifkörpers geregelt werden.
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Zum zweiten Regelsignale wird ausgeführt, dass als zweites Regelsignal entweder eine an einer Schleifspindel abgegriffenene Wirkleistung oder ein an der Maschine abgegriffenes akustisches Emissionssignal eingesetzt wird.
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Damit ist der Vorteil der Erfindung verbunden, dass so viel wie nötig, aber nicht soviel wie möglich Kühlmittel verbraucht wird.
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Die genannten mindestens vier Kühlmitteldüsen sind in Rotationsrichtung des Schleifkörpers betrachtet in folgender Reihenfolge angeordnet: die mindestens erste Kühlmitteldüse als Luftpolster-Abschirmdüse, die mindestens zweite Kühlmitteldüse als Schleifscheiben-Reinigungsdüse, die mindestens dritte Kühlmitteldüse als Schleifscheiben-Tränkungsdüse und die mindestens vierte Kühlmitteldüse als Kontaktzonen-Kühlungsdüse.
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Im weiteren Zusammenhang gilt, dass mindestens je eine entsprechende Kühlmitteldüse in einer Düsenkammer vorhanden ist. Von der Größe des Schleifkörpers abhängig sollen eine oder mehrere Kühlmitteldüsen in den jeweiligen Düsenkammern angeordnet sein.
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Im Weiteren werden vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt.
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Bei Überschreiten einer vorgegebenen Schaltschwelle des zweite Regelsignals werden die Schleifscheiben-Reinigungsdüse und mit Zeitversatz dazu die Schleifscheiben-Tränkungsdüse in Abhängigkeit der Reaktion, bzw. des Verhaltens des zweiten Regelsignals mit Kühlmittel beaufschlagt. Der vorgenannte Zeitversatz kann im Bereich von 3 bis 10 sec eingestellt sein, vorzugsweise bei 5 sec.
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Die Schleifscheiben-Reinigungsdüse und die Schleifscheiben-Tränkungsdüse sollten solange mit Kühlmittel beaufschlagt werden, bis das zweite Regelsignal die Schaltschwelle wieder unterschreitet. Wird allerdings nach einem vorgegebenem Zeitraum eine Unregelmäßigkeit des zweiten Regelsignals festgestellt, wird ein Fehlersignal von der Steuereinheit der Düse an die zugehörige Maschinensteuerung ausgegeben.
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Vorzugsweise wird die Schaltschwelle im Bereich zwischen 2 bis 5 % einer Zunahme des zweiten Regelsignals eingestellt.
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Die Beaufschlagung von Schleifscheiben-Reinigungsdüse oder Schleifscheiben-Tränkungsdüse oder von beiden kann automatisch nach einer der jeweiligen Düse zugeordneten Kennlinie erfolgen. Hierbei werden für Standard-Schleifmaschinen, die regelmäßig eingesetzt werden und bestimmten Werkstücken zugeordnet sind, in einer Steuereinheit der Düsen die Prozessgrößen programmiert, unter Zugrundelegung von mindestens folgenden Parametern: Schaltschwelle und Zeitversatz, Rotationsgeschwindigkeit des Schleifkörpers, die zugehörigen Drücke unmittelbar vor der(n) Kühlmitteldüse(n), was mit dem Begriff einer Kennlinie ausgesagt werden soll.
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Die Rotationsgeschwindigkeit des Schleifkörpers und die Zustellung sind fest hinterlegte Daten der Maschinensteuerung. Mit den Parametern wird besonders die Versorgungssituation jeder einzelnen Kammer über Kühlmittel-Druck, bzw. -Volumenstrom angepasst.
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Vorzugsweise ist der Kühlmittelstrom der Schleifscheiben-Reinigungsdüse und der der Schleifscheiben-Tränkungsdüse als jeweils scharf gebündelter Strahl im Wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche des Schleifkörpers gerichtet. In der weiter unten folgenden Darstellung eines Beispiels der Erfindung können übrige Einzelheiten hierzu entnommen werden.
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Die Kühlmittel-Austrittsgeschwindigkeit (und damit der Kühlmittel-Volumenstrom) kann der Umfangsgeschwindigkeit des Schleifkörpers über frequenzgeregelte Pumpen vorzugsweise proportional angepasst sein, wobei die Arbeit der vier Kühlmitteldüsen über eine geeignete Ventiltechnik unabhängig voneinander geregelt wird.
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Der Abstand einer oder aller Düsenkammern von der Oberfläche des Schleifkörpers wird mittels eines Laserabstandsmessanordnung überwacht, welches manuell oder automatisch geschehen kann.
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Schleifscheiben-Reinigungsdüse und Schleifscheiben-Tränkungsdüse werden automatisch abgeschaltet, wenn das zweiten Regelsignal im getränkten Schleifprozess stark alterniert, das heißt beispielsweise durch dauernde Ab- und Zunahme des oberhalb der Schaltschwelle liegenden zweiten Regelsignals. Das kann damit zusammenhängen, dass eine Normalkraftzunahme im Schleifspalt aufgrund eines „Aqua Planing Effektes“ auftritt. Es wird zu viel Kühlmittel in den Schleifspalt gefördert und es bildet sich ein zu starker Kühlmittel-Film zwischen Schleifscheibe und Bauteil (Werkstück). Das Bauteil wird abgedrängt. Es entstehen Geometriefehler auf dem zu schleifenden Bauteil.
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Es kann daher vorgesehen sein, dass bei unregelmäßiger Reaktion des zweiten Regelsignals, ein Fehler- oder Alarmsignal ausgegeben wird und/oder die Maschine abgestellt wird.
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Der Druck an der Reinigungs-Düse wird in Druckbereichen von 10 bis 25 bar über das erste Regelsignal (proportional der Umfangsgeschwindigkeit) gesteuert. Im System wird dieser Druck von 10 bar an gestartet und sukzessive erhöht bis das zweite Regelsignal stabil (über einen Messzeitraum von 30 s) unter die Schaltschwelle absinkt.
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Bei der Tränkungsdüse wird der Druck ebenso gesteuert, dann arbeitet das System im Druckbereich zwischen 10 bis 20 bar. Die Druckeinstellung passt sich der Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe an, somit kann je Zeiteinheit die gleiche Schleifscheibenoberfläche getränkt werden (Kühlmittel-Tränkvolumenkonstanz pro cm2 Scheibenoberfläche).
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Im Betrieb der Maschine unterhalb der Schaltschwelle des zweiten Regelsignals wird die Funktion der Maschine als „normal‟ betrachtet. Der Schleifprozess arbeitet ohne Beanstandung zufriedenstellend in puncto Schleifbrand und Bauteilegeometrie, bzw. Bauteiloberfläche.
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Wenn das zweite Regelsignal trotz Aktion aller Düsen weiterhin zunimmt (beispielsweise nach 10 Bauteilen), dann können (als programmierte Bedieneinstellung) alle Düsen abgeschaltet und eine Fehlermeldung ausgegeben werden, welche die Maschine zum Stillstand bringt.
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Der Schleifprozess der Maschine kann auch iterativ betrieben werden. Wenn alle vier Düsen aktiv sind, kann dies zu einem Anstieg des zweiten Regelsignals (z.B. Zunahme der Wirkleistung) führen. Um zu erfahren, wie sich das zweite Regelsignal ohne Betrieb der Düsen verhält, kann der Prozess (bspw. 2 sec lang) ohne Düseneinwirkung gefahren werden. Danach findet eine Prüfung statt, ob das zweite Regelsignal wieder in Ordnung ist. Der Prozess wiederholt sich, bis das um die Düseneinwirkung bereinigte zweite Regelsignal unter die Schaltschwelle abgenommen hat.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
- 1: Schnittdarstellung senkrecht auf die Rotationsachse und
- 2: Schnittdarstellung parallel zur Rotationsachse.
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Die 1. zeigt die Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel KS an einer Maschine zum Umfangschleifen von Außenkonturen auf einen Schleifkörper 12, mit in mindestens einem Gehäuse 10 untergebrachten - in je einer Kammer K1, .. K4 vorhandenen - Kühlmitteldüsen D1,..D4. Die vier Kühlmitteldüsen werden von einer zentralen Kühlmittel-Versorgungsleitung beaufschlagt, wobei vor jeder Kühlmitteldüse ein Ventil vorhanden ist zur Steuerung der jeweiligen Drücke (p1,...p4). Die Kühlmittel-Austrittsgeschwindigkeit (so auch die Menge Q1,..Q4 des Kühlmittels) ist der Umfangsgeschwindigkeit des Schleifkörpers über eine geeignete Ventiltechnik und über frequenzgeregelte Pumpen proportional angepasst. Die Anpassung erfolgt über das erste Regelsignal, welches von der Umfangsgeschwindigkeit des Schleifkörpers abgegriffen wird.
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Als Kühlmitteldüsen sind in Rotationsrichtung 14 des Schleifkörpers 12 betrachtet vorhanden: eine erste Kühlmitteldüse D1 als Luftpolster-Abschirmdüse, eine zweite Kühlmitteldüse D2 als Schleifscheiben-Reinigungsdüse, eine dritte Kühlmitteldüse D3 als Schleifscheiben-Tränkungsdüse und eine vierte Kühlmitteldüse D4 als Schleifspalt-Kühlungsdüse. Besonders die Ränder der an die Oberfläche des Schleifkörpers angrenzenden Düsenkammern K2 und K3 sind seitlich eng an die Schleifscheibenoberfläche heruntergezogen. Damit wird bezweckt, dass Kühlmittel der zuerst beaufschlagten Kammer nicht in die nächstliegende Kammer eingetragen wird.
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Hohe Schnittgeschwindigkeiten 14 des Schleifkörpers 12 führen zur Bildung eines Luftpolsters um den Schleifkörper. Das mitrotierende Luftpolster kann zu einer Ablenkung des Kühlmittelstrahls (Q4) führen, was die Kühlung negativ beeinflusst. Die Abschirmung des mitrotierenden Luftpolsters erfolgt durch die erste Kühlmitteldüse (Abschirmdüse D1).
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Beim Schleifvorgang wird der Werkstückstoff in Form von Spänen durch die Schleifkörner abgetragen. Je nach Schleifprozess und zu zerspanendem Werkstoff setzen sich die Späne in den Spanräumen fest, sodass sie diese dauerhaft verstopfen. Durch das Zusetzen und/oder ein zu hohes Spanungsvolumen wird der Transport (Q4) des Kühlmittels in die Kontaktzone 16 (Schleifspalt) erschwert und die Schnittfähigkeit des Schleifkörpers wird reduziert. Diese verändert die tribologischen Verhältnisse in der Schleifkontaktzone nachhaltig. Die Prozesskräfte und -temperaturen nehmen zu. Oberflächenrauheit und das Schleifbrandrisiko steigen, sowie die Maßgenauigkeit geht verloren.
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Durch eine Tränkung des Schleifkörpers über die Tränkungsdüse D3 kurz vor der Kontaktzone 16 kann das zugeführte Kühlmittel KS (Q3) durch die Poren des Schleifkörpers genau im Kontaktbereich 16 zwischen Schleifkörper und Werkstück durch die Fliehkraft ausgeschleudert werden.
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Es werden allesamt Flachstrahldüsen verschiedener geometrischer Merkmale verwendet.
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Die bedarfsgerechte Ansteuerung der einzelnen Kühlmitteldüsen erfolgt über die erfindungemäße Regelung. Diese modifiziert die Kühlmittel-Zufuhrparameter (Druck und Volumenstrom) so, dass für den vorliegenden Schleifprozess die optimale Kühlung und Schmierung erreicht wird. Basis bildet eine je Düsenkörper in Form einer Kennlinie angelegte in-prozess Überwachung mit den Parametern Schleifscheibenporenzusetzung, sowie Schnittfreudigkeit der Schleifscheibe.
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Bei Überschreiten einer durch das zweite Regelsignal angezeigten zuvor eingegebenen Schaltschwelle beginnt das Regelungssystem. Die Schaltschwelle verweist auf die zunehmende Zusetzung der Schleifporen auf der Schleifkörperoberfläche. Die Schleifporen werden über die Schleifscheiben-Reinigungsdüse D2 gesäubert und mittels der nächstfolgenden Tränkungsdüse D3 wieder mit Kühlmittel gefüllt. Die Erfindung ermöglicht eine automatisiert optimierte Kühlmittel-Zufuhr.
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Die Strahlrichtungen jeder Kühlmitteldüse D1,...D4 sind in der 1 mit den Winkeln α, β, γ und δ dargestellt. Die Winkel können je nach Einstellung der Maschine folgende Winkelbereiche überstreichen, wobei die Winkel β und γ in der Regel 90° sind, mit möglichen positiven oder negativen Einstellungen zur Senkrechten mit +/- 30°. Der Winkel α kann ebenfalls senkrecht (90°) zur Scheibenoberfläche betragen, wobei auch schräge Einstellungen - gegen die Rotationsrichtung - mit Winkeln ab 30° bis 90° eingestellt sein können. Der Winkel δ - gemessen zur Tangente 20 an den Schleifkörper 12 im Punkt der Kontaktzone 16 - kann Werte zwischen -30° und +30° einnehmen.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung parallel zur Rotationsachse. In dieser Figur wird gezeigt, dass der flache, stark gebündelte Spülstrahl KS quer zur Rotation des Schleifkörpers 12 aufgefächert ist. Die den Düsen D1 (K1), D2 (K2) und D3 (K3) zugeordneten Kühlmittelauslässe 30 sind so groß bemessen, dass die jeweiligen Kühlmittelströme Q1 ... Q3 der Kammern - ohne Rückstau - restlos abgeführt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen.
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Die Erfindung kann zusammenfassend wie folgt beschrieben werden: Sie umfasst ein Verfahren zur Regelung einer Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel KS an einer Maschine zum Schleifen von Außenkonturen auf einen Schleifkörper 12 mit in mindestens einem Gehäuse 10 in je einer Kammer K1, .. K4 untergebrachten Kühlmitteldüsen D1, .. D4, wobei vier von einem zentralen Kühlmittelzuführsystem (als Versorgungsleitung) beaufschlagbare Kühlmitteldüsen D1, .. D4 vorhanden sind, deren Kühlmittelströme Q1, .. Q4 über mindestens ein aus der Maschine abgeleitetes Regelsignal geregelt werden; mit einer ersten Kühlmitteldüse D1 als Luftpolster-Abschirmdüse und einer vierter Kühlmitteldüse D4 als Schleifspalt-Kühlungsdüse. Das Verfahren wird umgesetzt in einer Einrichtung zum Zuführen von Kühlmittel KS an einer Maschine gemäß einem der beanspruchten Verfahren. Vorzugsweise werden über ein erstes Regelsignal die Kühlmittelströme Q1, ... Q4 der vier Kühlmitteldüsen D1, ... D4 in Abhängigkeit einer Umfangsgeschwindigkeit des Schleifkörpers 12 geregelt. Über ein mit einer Schaltschwelle eingestelltes zweites Regelsignal kann der Kühlmittelstrom Q2 der Schleifkörper-Reinigungsdüse D2 und der Kühlmittelstrom Q3 der Schleifkörper-Tränkungsdüse D3 eingeschaltet werden, wenn das zweite Regelsignal die Schaltschwelle überschreitet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Düsengehäuse
- 12
- Schleifkörper (-scheibe)
- 14
- Rotation (Geschwindigkeit)
- 16
- Kontaktzone (Schleifspalt)
- 20
- Tangente an Kontaktzone
- 30
- Kühlmittel-Auslaß
- KS
- Kühlmittel
- D1 ... D4
- Kühlmitteldüsen (1 bis 4)
- K1 ... K4
- Kammern (1 bis 4)
- Q1 ... Q4
- Volumenströme (1 bis 4)
- p1 ... p4
- Drücke (1 bis 4)
- α β γ δ
- Strahlwinkel
