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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben von Schleifprozessen eines Schleifsystems zum Schleifen von Werkstücken, mit Zuführung eines Kühlmittelvolumenstroms (kurz „Kühlmittelstrom“) zur Schmierung des Schleifprozesses mit mindestens einer Kühlmitteldüse in die Kontaktzone.
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Häufige Probleme bei Schleifprozessen liegen darin, dass Schwingungen (Rattern, Vibrieren) des Schleifsystems auftreten, die zu Maß- und Formungenauigkeiten am Werkstück führen. Schwingungen des Schleifsystems rühren von Bewegung (Rotation) verschiedener Elemente her: Rotation der Schleifscheibe, Schnittqualität der Schleifscheibe (Zahl kinematischer Schneiden auf der Schleifscheibe), Antrieb der Schleifscheibe usw., wobei ebenso Oberschwingungen und/oder Resonanzen der vorhandenen Schwingungen auftreten.
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Nach der
DE 19626879 A1 wird vorgeschlagen, zur Verbesserung der Schleifqualität den Vorschub der Schleifscheibe abhängig vom Körperschall zu verändern.
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In einer weiteren Schrift (
DE 102016125803 A1 ) wird angegeben, den Betriebszustand eines Schleifsystems über einen Körperschall erfassenden Sensor zu verarbeiten; oder in der
DE 202008014792 U1 wird eine Schwingungsanalyse des Körperschalls vorgenommen zur Auswertung von Betriebszuständen.
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In der
JP 110775532 A (zitiert in
DE 60 2004 010849 T3 ) wird Schleifen ohne Rattern diskutiert durch Überwachen des Körperschalls mit Anpassung der Rollen- und/oder Scheibenrotation.
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Gemäß der
US 2008-0076339 A1 besteht beim Stoppen und beim Wieder-Anfahren das Risiko der Unwucht der Schleifscheibe durch restliches, auf die Schleifscheibe tropfendes Kühlmittel. Restliches Kühlmittel im Kühlsystem wird vor dem Wieder-Anfahren über ein Auslaufsystem mit schwenkbarer Kühlmitteldüse ausgeblasen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, durch Überwachung des Schwingungsverhalten des Schleifsystems eine Maßnahme abzuleiten, um störende oder kritische Schwingungen zu minimieren oder auszuschalten.
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Ausgehend von einem eingangs genannten Stand der Technik wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.
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Es wird angestrebt, durch Veränderung/Regelung, insbesondere Verringerung des Kühlmittelstroms eine Minimierung von dynamischen Effekten und davon herrührende Schwingungen beim Schleifen zu erzielen. Es hat sich herausgestellt, dass die Qualität des geschliffenen Werkstücks durch die von der Stärke des Kühlmittelstroms herrührenden, dynamischen Schwingungen bestimmend sein kann. Je nach Schleifprozess und Schleifscheibe wirken sich die Schwingungen stärker und weniger stark aus.
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Der Kern der Erfindung liegt darin, dass mindestens ein Schwingungen im Bereich unterhalb von 40 kHz erfassender Sensor eingesetzt wird, und dass bei Auftreten von „untypischen“ (kritischen) Schwingungen des Schleifsystems unterhalb von 40 kHz (vorzugsweise zwischen 20 und 40 kHz) der Kühlmittelstrom variiert (erhöht oder reduziert) wird, derart, dass eine Einstellung erreicht wird, in der die Sensorsignalstärke auf ein Minimum gesunken ist.
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Die Variation des Kühlmittelstroms kann als Regelungsvorgang betrieben werden, oder auch als Steuerung des Kühlmittelstroms (geschlossener und offener Regelungskreis) eingesetzt werden. Bei Überschreiten einer durch ein Regelsignal erfassten Sensorsignalstärke beginnt das Regelungssystem. Die Erfindung ermöglicht einen automatisiert optimierten Kühlmittelstrom.
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Eine für eine Regelung des Kühlmittelstroms genutzte Sensorsignalstärke kann über einen vorgegebenen Zeitraum aus einem Mittelwert der von dem mindestens einen Sensor erfassten Schwingungsamplituden gebildet werden. Ein Regelzyklus kann nur wenige Sekunden andauern, auch wenn das erfindungsgemäße Verfahren ohne Unterbrechung in Betrieb ist.
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Im Betrieb des Schleifsystems unterhalb der Schaltschwelle des Regelsignals wird die Funktion des Schleifsystems als ,normal' betrachtet. Der Schleifprozess arbeitet ohne Beanstandung zufriedenstellend in puncto Schleifbrand und Bauteilegeometrie, bzw. Bauteiloberfläche.
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Mit der Sicherstellung des Mindestzulaufs des Kühlmittelstroms wird eine ausreichende Kühlung eingestellt. Die Kühlschmiermittelzufuhr erfolgt effizient und ökologisch. Es wird ein sicherer, stabiler und qualitativ hochwertiger Schleifprozess sichergestellt. Kühlmittel kann so viel wie nötig, muss aber nicht so viel wie möglich verwendet werden.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Veränderung des Kühlmittelstroms hat eine Veränderung des Schnittkraftverhältnisses zur Folge und beeinflusst die Werkstückgüte. Insbesondere verändert sich die Oberflächengüte bei Zunahme des Kühlmittelstroms. Es wird daher angestrebt, den Volumenstrom so zu steuern (regeln), dass er an einer unteren möglichen Grenze bleibt, ohne dass die Werkstückgüte negativ beeinflusst wird.
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Erhöhung des Kühlmittelstroms im Rahmen der Variation kommt in Betracht und ist sinnvoll, wenn durch Resonanzen und Oberschwingungen Schwingungen vorhanden sind, die bei (geringer) Zunahme des Kühlmittelstroms sich verringern oder zu einem Minimum kommen. Es kann eine verbesserte Kühlung auch oberhalb des Mindestzulaufs stattfinden.
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Weiterhin kann über das eingesetzte Verfahren der Schallüberwachung ein fehlerhafter (übermäßiger) Zustrom des Kühlmittels in die Kontaktzone durch ungünstige Einstellung der Kühlmittelzuführelemente (Düseneinstellung, Kühlmitteldüse, Druckregelventil) und zunehmender Scheibenverschleiß festgestellt werden.
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Erfindungsgemäß sollte die Variation des Kühlmittelstroms nicht unter die genannte Mindestmenge des Kühlmittelzulaufs erfolgen. Das Ziel ist, einen möglichst schwingungsarmen Prozess zu erzielen, bei dem der Kühlmittelstrom keine (störenden) zusätzlichen Schwingungen verursacht. Nach wie vor sollte der Anwender auf eine Begutachtung der Werkstückqualität (nach dem Schliff) nicht verzichten. Tritt bei dem eingestellten Mindestzulauf eine Qualitätsminderung (Schleifbrand) auf, so liegt es beim Anwender, den Kühlmittelstrom langsam etwas höher zu regeln. So müsste er zwar eingreifen, hätte aber einen guten Ausgangspunkt und er weiß, welche Schwingungen vorhanden bzw. unvermeidbar sind.
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Ausführungsformen
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Eine technologisch sinnvolle Mindestmenge des Kühlmittelstroms kann anhand von Kontaktlänge, Kontaktbreite, dem bezogenen Zeitspanungsvolumen (Produkt aus Vorschubgeschwindigkeit und Zustellung) und evtl. Körnung der Schleifscheibe festgelegt werden.
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Der Mindestzulauf des Kühlmittelstroms sollte größer oder gleich dem folgenden Produkt sein: 0,4 * Scheibenumfangsgeschwindigkeit * Querschnitt der mindestens einen Kühlmitteldüse.
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Die Kühlmittel-Austrittsgeschwindigkeit (und damit der Volumenstrom) kann der Umfangsgeschwindigkeit des Schleifkörpers über frequenzgeregelte Pumpen vorzugsweise proportional angepasst sein, wobei die Menge an Kühlmittel der mindestens einen Kühlmitteldüse über eine geeignete Ventiltechnik unabhängig voneinander geregelt wird. Zu beachten ist, dass auch der anliegende Kühlmitteldruck mit dem Volumenstrom über die Düsengeometrie zusammenhängt.
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Die Zuführung des Kühlmittelstroms ist nicht beschränkt auf eine bestimmte Art von Kühlmittel-Düsen.
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Für die Variation des Kühlmittelstroms über Pumpenleistung und/oder Kühlmitteldruck kann mindestens ein Proportionalventil eingesetzt werden. Die Variation über ein Proportionalregelventil begünstigt die notwendige Regelfeinheit. Eine typische Regelgüte für das erfindungsgemäße Verfahren kann bei 100 mllmin liegen.
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Zur Variation des Kühlmittelstroms kann automatisch nach einer dem Schleifsystem bzw. dem Schleifprozess zugeordneten Kennlinie erfolgen. Hierbei werden für die eingesetzten Schleifmaschinen die Prozessgrößen programmiert. Dabei werden mindestens die Parametern Schaltschwelle und Zeitversatz, Rotationsgeschwindigkeit der Schleifscheibe und die Drücke an der/den Kühlmitteldüsel(n) zugrunde gelegt.
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Vorzugsweise kann bei Rundschleifprozessen der Mittelwert aus Schwingungsamplituden über einen Zeitraum von 500 msec festgelegt werden.
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Bei Flachschleifprozessen kann zur Bildung des Mittelwerts der Zeitraum (je nach Bauteilgröße) aus einer Zahl einzelner Überläufe der Schleifscheibe genutzt werden. Typische Drehfrequenzen der Schleifscheiben sind etwa 20 pro Sekunde. Das entspricht einer Periodendauer von 50 msec. Für die Mittelwertbildung ist es sinnvoll, 5 bis 10 Schwingungen zugrunde zu legen. Höher drehende Schleifscheiben (also höhere Schnittgeschwindigkeiten) sind für die Bildung der Mittelwerte günstiger, da hier kürzere Messzeiten zugrunde gelegt werden können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin derart ausgeführt werden, dass Daten mindestens des Kühlmittelstroms, der Sensorsignalstärke und/oder Ventilstellung des Zuführventils über eine gewisse Zeit abgespeichert werden. Passende Zeiten zur Erfassung abzuspeichernder Daten könnte der Zeitraum zur Bildung der Mittelwerte der Schwingungsamplituden sein; vorzugsweise 5 bis 10 Schwingungen. Oder ein Zeitraum von mehreren vorbestimmten Regelungszyklen; vorzugsweise 1 bis 3 Regelzyklen.
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So können auch problematische Chargen anhand der abgespeicherten Daten im Nachgang analysiert werden.
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Als Sensoren können folgende Mittel eingesetzt werden: Kraftmessdosen/- plattformen, Akustiksensoren, Schallemissionssensoren, mikro-elektromechanische Systeme, Beschleunigungsaufnehmer oder Wuchtsensoren oder eine Kombination davon, wobei mindestens einer der Sensoren am Spindelgehäuse des Schleifsystems angeordnet sein kann.
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Vorzugsweise können Beschleunigungsaufnehmer als dynamische Kräfte erfassende Sensoren am Spindelgehäuse und/oder am Schleifspindelstock installiert sein.
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Weitere Sensoren können am Werkstücktisch oder an der Spindel angeordnet sein.
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Sofern der Schleifscheibendurchmesser verschleißbedingt abnimmt, kann die Kühlmitteldüse maschinenseitig radial nachgeführt werden. Hierzu ist das Schleifsystem mit einer automatische Nachführung ausgerüstet.
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Als erfindungsgemäße Anordnung wird formuliert, dass das Schleifsystem mit mindestens einem in einem der Verfahrensansprüche definierten Prozess betreibbar ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, bzw. Schleifverfahren, wie z.B. Plan-, Rund-, Unrund-, Profil-, Verzahnungs- und Werkzeugschleifen unter Anwendung von Umfangs- und Seitenschleifen oder die Kombination dieser beschränkt.
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Die Merkmale der Erfindung können einzeln oder gemeinsam in verschiedenen Weiterbildungen ausgebildet sein.
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Die vorliegende Erfindung umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen.
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Die Erfindung wird in Figuren näher erläutert. Es zeigen die Figuren:
- 1 - Verhalten der dynamischen Normal-Kräfte bei einer feinporigen und einer offenporigen Schleifscheibe und
- 2 - ein Regelungskreis.
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Die Bedeutung der auftretenden dynamischen Kräfte und ihr Effekt auf den Kühlmittelvolumenstrom wird in einer ersten Figur dargestellt.
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Die 1 zeigt die Zunahme der dynamischen Normalkraft F (als Maß der von der Stärke des Kühlmittelstroms herrührenden, dynamischen Schwingung) bei einer sehr dichten, feinen Schleifscheibe und bei einer offenporigen, groben Schleifscheibe.
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Bei einer Steigerung des Volumenstroms V von 14 auf 28 l/min nimmt die bezogene dynamische Normalkraft F bei einer groben, offenporigen Scheibe von 20 auf ca. 30 N/mm zu und hat damit negativere Ausmaße auf die Werkstückqualität. Die gröbere Scheibe in der Figur mit gefülltem Quadrat ■. Eine offenporigere, gröbere Scheibe kann mehr Volumenstrom aufnehmen und verursacht so verstärkt dynamische Kräfte im Eingriff.
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Eine dichtere Scheibe mit kleinerer Körnung (höherer Anzahl an kinetischen Schneiden) neigt weniger zu Schwingungen, welche durch einen Volumenstrom verursacht werden. Es nimmt die dynamische Normalkraft bei Verdoppelung des Volumenstroms nur geringfügig zu. Die dichtere Scheibe in der Figur mit offenem Quadrat □.
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In 2 ist schematisch ein Regelkreis dargestellt. Folgende Bezugszeichen werden verwendet:
- 100 = Regler; 200 = Regelstrecke
- w(t) - Führungsgröße: Sensorsignalstärke, bei einem Ausgangszustand der Austrittsgeschwindigkeit einer Zuführdüse
- u(t) - Stellgröße - Ventilstellung eines Zuführventils
- e(t) - Rückführung
- d(t) - Störgrößen, beispielsweise Luftpolster; Maschinengeräusch, Unwucht, Scheibenverschleiß
- y(t) - Regelgröße: Kühlmittelstrom
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Als Eingangssignal bzw. Führungsgröße eines Regelkreises kann ein Beschleunigungs-, Schwingungs- oder Kraftsignal des Sensors verwendet werden. Dieses Sensorsignal wird, wie zuvor beschrieben, in bestimmten Zeitabschnitten als Mittelwert ausgegeben. Die Regelgröße ist der Kühlmittelstrom, welcher über z.B. ein Druckregelventil gesteuert wird. Hier wird eine hinterlegte Düsenkennlinie verwendet, damit aus dem Druck der Volumenstrom berechnet werden kann. Aus einem zunächst relativ hoch eingestellten Volumenstrom (z.B. 100 %) wird dieser heruntergeregelt bis zu dem Punkt, an dem sich die Schwingung nicht mehr reduzieren lässt; oder einem hinterlegten Minimalwert (z.B. Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittelstroms bei 40 % oder 50 % der Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe). Geeignete Werte werden jeweils zu unterschiedlichen Schleifprozessen und Schleifscheiben verwendet. Am Anfang könnte der Prozess absichtlich mit Kühlmittelstrom-Überflutung gefahren werden. Z.B. mit maximalem Volumenstrom. Dann kann das System diese starken Schwingungen in kürze auf ein Minimum reduzieren und der Anwender hätte im besten Fall die Minimalmenge an Kühlmittelstrom.
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Bisherige Erfahrungen von Versuchen und Literaturangaben besagen, dass mindestens ca. 40 bis 50 % der Scheibenumfangsgeschwindigkeit die Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels sein sollte; gültig für laminare Strömung. Dies ist bei einem jeweiligen Düsenquerschnitt auf den Volumenstrom zurückzuführen. Hier sollte spätestens die Regelung aufhören, den Volumenstrom herunter zu regeln. Trotzdem hätte der Anwender durch die Regelung einen möglichst schwingungsarmen Prozess, sprich durch die Kühlmittelzufuhr werden keine weiteren Schwingungen verursacht. Tritt trotzdem noch Schleifbrand auf, so könnte der Anwender den Volumenstrom langsam etwas höher regeln. So müsste er zwar eingreifen, hätte aber einen guten Ausgangspunkt und er weiß, welche Schwingungen vorhanden bzw. unvermeidbar sind.
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Wenn das Regelsignal weiterhin zunimmt (beispielsweise nach 10 Werkstücken), dann kann (als programmierte Bedieneinstellung) der Kühlmittelstrom abgeschaltet und eine Fehlermeldung ausgegeben werden, welche das Schleifsystem zum Stillstand bringt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann für mehrere Verfahrensvarianten von Schleifprozessen verallgemeinert werden, da die Störeffekte überall auftreten. Beispielsweise können beim Einsatz profilierter Schleifscheiben (z.B. Zahnflankenschleifen oder Profilschleifen) die Beschleunigungskräfte in mehrere Richtungen von einem Sensor erfasst und ausgewertet werden. Dazu werden entweder mehrere Sensoren eingesetzt oder ein Sensor wird eingesetzt, der in drei Koordinaten messen kann. Es besteht somit die Möglichkeit, auch in Tangential- und/oder Passivrichtung Schwingungen zu erfassen.
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Zusammenfassend kann die Erfindung wie folgt beschrieben werden:
- Die Erfindung geht aus von einem Verfahren (und einer Anordnung) zum Betreiben von Schleifprozessen eines Schleifsystems zum Schleifen von Werkstücken, mit Zuführung eines Kühlmittelstroms zur Schmierung des Schleifprozesses mit mindestens einer Kühlmitteldüse in die Kontaktzone, wobei mindestens ein Schwingungen im Bereich unterhalb von 40 kHz erfassender Sensor eingesetzt wird, und wobei bei Auftreten von Schwingungen des Schleifsystems unterhalb von 40 kHz (vorzugsweise zwischen 20 und 40 kHz) der Kühlmittelstrom (V) variiert (erhöht oder reduziert) wird, derart, dass eine Einstellung erreicht wird, in der die Sensorsignalstärke auf ein Minimum gesunken ist. Der Kühlmittelstrom (V) sollte nicht unter einen Mindestzulauf des Kühlmittelstroms reduziert werden.
