DE4004378A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des verschleisses eines rotierenden schleifwerkzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Verschleißes eines rotierenden Schleifwerkzeugs.

Außer vom Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstücks hängt der Verschleiß von Schleifwerkzeugen von den verwendeten Schleifmitteln sowie den Schnittbedingungen beim Schleifvorgang ab und kann dementsprechend unterschiedliche Werte annehmen.

Beispielsweise sind die Standzeiten von Schleifwerkzeugen mit hochfesten Schleifmitteln, wie Diamant oder kubischem Bornitrid, sehr hoch, so daß häufig mehrere hundert Werkstücke bearbeitet werden können, bevor ein Abziehen oder Abrichten des Schleifwerkzeuges erforderlich ist. Der Verschleiß bei diesen Schleifmitteln erfolgt weitgehend über die Bindung; diese apert aus und legt die Schleifkörner zunehmend frei, bis sie ausbrechen.

Die Standzeiten von Schleifwerkzeugen mit Karborund-Schleifmitteln (Al₂O₃) sind vergleichsweise erheblich geringer und stark von den Schnittbedingungen abhängig. Beispielsweise ist der Verschleiß bei der Innenrundbearbeitung von Fe100Cr6 so groß, daß meist nach jedem Werkstück abgerichtet werden muß. Bei der Außenrundbearbeitung im Einstechverfahren oder mit Kurzhuboszillationen können mehrere Werkstücke nacheinander bearbeitet werden, bevor das Abrichten erforderlich ist. Der Verschleiß des Karborunds erfolgt im Korn, wodurch das Schleifwerkzeug stumpf wird und sich in seinen Abmessungen verringert.

Der Verschleiß erfolgt nicht immer gleichmäßig, sondern kann insbesondere bei unterschiedlichen Schnittbedingungen, wie beispielsweise Kühlschmiermittel etc., ungleichmäßig sein. Gleichmäßiger Verschleiß läßt sich häufig durch entsprechende Zustellung des Schleifwerkzeuges zum Werkstück kompensieren. Diese Möglichkeit entfällt jedoch bei ungleichmäßigem Verschleiß, der sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung des Schleifwerkzeuges auftreten und selbst durch Oszillationsbewegungen des Schleifwerkzeuges in axialer Richtung nicht ausgeglichen werden kann.

Beim Formschleifen von Präzisionsteilen mit profilierten Schleifwerkzeugen kann ungleichmäßiger Verschleiß von nur Bruchteilen eines Mikrometers, insbesondere wenn er in axialer Richtung auftritt, Ausschußqualität produzieren. Dies zu vermeiden und gleichzeitig zwecks optimierter Prozeßführung die Abrichtintervalle möglichst groß zu halten, erfordert genaue Verschleißmessungen, die mit hohem Aufwand verbunden sind, da zuerst das Werkstück ausgespannt werden muß, bevor die Messungen, wie aus der Praxis bekannt ist, mittels Meßuhren manuell oder automatisch durchgeführt werden können.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen genaue Verschleißmessungen an Schleifwerkzeugen in einfacher und schneller Weise durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Zur Durchführung der Verschleißmessung ist es nunmehr nicht mehr erforderlich, das Werkstück auszuspannen und das Schleifwerkzeug mittels Meßuhren manuell zu vermessen. Vielmehr wird das bereits vorhandene Abrichtwerkzeug mit dem rotierenden Schleifwerkzeug in Berührung gebracht und von der dabei auftretenden Reibung, gemessen durch wenigstens eine dieselbe anzeigende physikalische Größe, auf die Art und/oder die Größe des Verschleißes des Schleifwerkzeuges geschlossen. Diese Messung ist schnell, einfach und jederzeit während des Abrichtens und auch zwischen den Abrichtvorgängen durchzuführen. Auf diese Weise kann der Verschleiß in sehr kurzen Zeitabständen und bei Einsatz einer beispielsweise computerisierten Vergleichseinrichtung sogar kontinuierlich ermittelt und somit der zur optimierten Prozeßführung erforderliche Zeitpunkt für das Abrichten genau bestimmt werden. Bei optimierter Prozeßführung wird das Abrichten des Schleifwerkzeuges vorzugsweise dann durchgeführt, wenn gleichmäßiger Verschleiß nicht mehr durch Werkzeug- oder Werkstückzustellung kompensiert werden kann, oder wenn im Falle ungleichmäßigen Verschleißes die geforderte Maßhaltigkeit des Werkstückes nicht mehr gewährleistet ist. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlauben die Bestimmung sowohl gleichmäßigen als auch ungleichmäßigen Verschleißes nicht nur hinsichtlich der Größe, sondern auch hinsichtlich der Verschleißart und auf diese Weise eine Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit des Schleifwerkzeuges und folglich auch des Werkstückes. Vorzugsweise wird die Oberflächenbeschaffenheit ebenfalls bei der Bestimmung des Abrichtzeitpunktes im Sinne optimierter Prozeßführung berücksichtigt.

Bei Vorliegen entsprechender Daten, die die Eigenschaften des mit dem Schleifwerkzeug zu bearbeitenden Werkstücks kennzeichnen, kann erfindungsgemäß aus dem Verschleiß des Schleifwerkzeuges auf die zu erwartende Maßhaltigkeit und/oder Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks geschlossen werden. Interessant bei diesem Verfahrensschritt ist die Möglichkeit, bei festgestellten Formabweichungen des Werkstücks das Schleifwerkzeug so abzurichten, daß es eine zur vorherigen Form gegensinnige Form erhält, so daß die Formabweichungen des Werkstücks kompensiert werden können. Dies gewährleistet eine längere Standzeit des Schleifwerkzeugs.

Zum Anzeigen der Reibung zwischen beiden Werkzeugen stehen u. a. physikalische Größen der durch die Reibung hervorgerufenen elastischen Schwingungen zur Auswahl. Frequenzmessungen können zur Ermittlung der Oberflächenbeschaffenheit herangezogenen und bei der Optimierung der Prozeßführung berücksichtigt werden. Vorzugsweise werden die im Abrichtwerkzeug und/oder im Schleifwerkzeug auftretenden Körperschallschwingungen gemessen, beispielsweise deren Intensität mittels eines als Körperschallmikrofons ausgebildeten Sensors. Vorzugsweise werden feststehende Abrichtwerkzeuge, die mit Diamantschneiden ausgerüstet sind, mit einem solchen Körperschallmikrofon ausgerüstet. Bei rotierenden Abrichtwerkzeugen, beispielsweise in Form von Diamantscheiben, ist es vorteilhaft, die infolge der Berührung mit dem Schleifwerkzeug auftretende Drehzahländerung mittels eines Drehzahlmeßgerätes zu messen. Bei gegenläufiger Drehung tritt ein Drehzahlabfall auf, während bei gleichsinniger Drehung je nach Drehzahl ein Drehzahlanstieg oder ein Drehzahlabfall zu verzeichnen ist. Bei elektromotorisch angetriebenem Abrichtwerkzeug wird vorzugsweise als physikalische Größe die Leistungsaufnahme gemessen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines unbenutzten Schleifwerkzeuges und eines nicht bearbeiteten Werkstückes, beide im Axialschnitt,

Fig. 2 einen Axialschnitt des in Fig. 1 gezeigten Schleifwerkzeugs am Ende der Standzeit mit in Radialrichtung gedehntem Verschleißprofil,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zum Messen des Verschleißes des Schleifwerkzeugs nach Fig. 2, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung des in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Schleifwerkzeugs im abgezogenen Zustand mit in Radialrichtung gedehntem balligen Profil.

Fig. 1 zeigt ein hohlzylindrisches, unbearbeitetes Werkstück 1, das auf einer nicht gezeigten Aufspanneinrichtung aufgespannt ist und Durchgangsbohrungen 2 in seinen Stirnwänden 3 aufweist. Ein Schleifwerkzeug 4 in Form eines vollzylindrischen Schleifkörpers ist auf einer drehbaren Antriebswelle 5 aufgespannt und im Inneren des Werkstücks 1 zwecks Bearbeitung des Werkstück-Innenumfangs 6 angeordnet. Der Werkstück-Innenumfang 6 ist ungleichmäßig, beispielsweise ballig, und der Außenumfang 7 des Schleifkörpers 4 gleichmäßig zylindrisch mit verschleißfreier Oberfläche ausgebildet.

Der Schleifvorgang beginnt, nachdem das Schleifwerkzeug 4 in Rotation versetzt und an den Innenumfang 6 des rotierenden Werkstücks 1 an- und zugestellt wurde. Während des Schleifvorganges vollführt das Schleifwerkzeug 4 zusätzlich zu einer möglichen weiteren Zustellbewegung kurzhubige Oszillationen in Axialrichtung, um einen möglichst gleichmäßig zylindrischen Werkstück-Innenumfang 6 zu erzielen. Sobald das Werkstück 1 die erforderliche Form innerhalb der Toleranzen aufweist, wird der Schleifvorgang beendet; das Werkstück 1 wird aus der Aufspanneinrichtung gelöst und von dem durch die rechte Durchgangsbohrung 2 hindurchtretenden Schleifwerkzeug 4 entfernt.

Fig. 2 zeigt das Schleifwerkzeug 4 im Verschleißzustand nach Ablauf der beispielsweise vom Hersteller angegebenen Standzeit. Insbesondere aufgrund der geringeren Wärmeabgabe weist der mittlere Bereich einen stärkeren Verschleiß als die Randbereiche des Schleifwerkzeugs 4 auf, so daß sich das dargestellte Verschleißprofil mit konkavem Verlauf ergibt.

Zum Messen des Verschleißes des Schleifwerkzeugs 4 wird die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung verwendet. Sie umfaßt ein lediglich angedeutetes Abrichtwerkzeug 8 und ein in dasselbe eingebautes Körperschallmikrofon 9, an das ein Verstärker 10, eine Vergleichseinrichtung 11 und eine Anzeigeeinrichtung 12 angeschlossen sind. Das Abrichtwerkzeug 8 weist eine feststehende Diamantschneide 13 auf und ist in radialer und axialer Richtung relativ zum Schleifwerkzeug 4 verschiebbar.

Die Vergleichseinrichtung 11 umfaßt eine Auswertschaltung und einen Datenspeicher, in den Eigenschaften des Schleifwerkzeuges 4 und des Abrichtwerkzeuges 8 sowie gegebenenfalls des Werkstückes 1 kennzeichnende und die Schnittbedingungen betreffende Daten eingespeichert sind.

Zur Bestimmung des Verschleißes des Schleifwerkzeugs 4 wird das Abrichtwerkzeug 8 aus der in Fig. 3 gezeichneten Stellung in radialer und axialer Richtung, gekennzeichnet durch die Pfeile A bzw. B, bis zum Radius X an den Schleifkörper 4 an- bzw. zugestellt. Der Radius X markiert den maximal zulässigen Verschleiß des Schleifwerkzeuges, der den vorgegebenen Toleranzgrenzen des Werkstücks entspricht.

Sodann wird bei rotierendem Schleifkörper 4 das Abrichtwerkzeug 8 entlang dem Radius X in der ebenfalls durch den Pfeil B angedeuteten Vorschubrichtung vorgeschoben, wobei die Diamantschneide 13 einen geringen Betrag im Mikrometerbereich vom Schleifkörper 4, diesen abrichtend, abträgt. Die dabei durch die Reibung zwischen den beiden Werkzeugen 1, 4 verursachten Schwingungen im Abrichtwerkzeug 8 werden vom Körperschallmikrofon 9 aufgenommen, welches den Schalldruck mißt. Die entsprechenden Signale werden über den Verstärker 10 der Vergleichseinrichtung 11 zugeführt, in welcher durch Vergleich mit den eingespeicherten Daten eine Auswertung erfolgt, deren Ergebnis in Form eines Verschleißprofils des Schleifkörpers 4 in der Anzeigeeinrichtung 12 wiedergegeben wird.

Das während des Abrichtens entlang dem Radius X gewonnene Verschleißprofil weist eine übermäßigen Verschleiß anzeigende Unterbrechung in dem Bereich zwischen den Punkten P1-P2 auf. Diese Unterbrechung deutet darauf hin, daß die Standzeit des Schleifwerkzeuges 4 kürzer als spezifiziert ist. Da zu erwarten ist, daß die anderen, aus der gleichen Lieferung stammenden Werkzeuge ebenfalls kürzere Standzeiten aufweisen, ist es erforderlich, die Abrichtintervalle zu verkürzen und damit die Prozeßführung zu optimieren.

Dazu wird ein weiterer Abrichtvorgang entlang dem Radius Y durchgeführt. Das aus den dabei gemessenen Schalldruckwerten ermittelte Verschleißprofil mit ununterbrochenem Verlauf über die gesamte axiale Breite des Schleifwerkzeugs 4 zeigt an, daß letzteres wieder die zur Herstellung formtreuer Werkstücke erforderliche Form aufweist, und erlaubt es, die Größe des Verschleißes an jedem gewünschten axialen Punkt des Schleifwerkzeuges 4 zu ermitteln. Außerdem ist es auf der Grundlage wenigstens dieser beiden ermittelten Verschleißprofile möglich, die Entwicklung des Verschleißes über der Zeit und damit den für die optimierte Prozeßführung erforderlichen Abrichtzeitpunkt zu bestimmen, bei dessen Überschreitung die Maßhaltigkeit der hergestellten Werkstücke nicht mehr gewährleistet ist.

Zur Erhöhung der Standzeit des Schleifwerkzeugs 4 wird ein weiterer, in Fig. 3 nicht gezeigter Abrichtvorgang derart durchgeführt, daß das Schleifwerkzeug 4 innerhalb der vorgegebenen Verschleißtoleranz ballig ausgebildet ist, d.h. einen in axialer Richtung konvexen Oberflächenverlauf und somit eine zu der dem Verschleißzustand nach Fig. 2 entsprechenden Form gegensinnige Form aufweist. Auf diese Weise wird die Standzeit des Schleifkörpers 4 entsprechend der Differenz zwischen dessen größtem und kleinstem Durchmesser verlängert.

Sollte sich bei der Durchführung des ersten Abrichtvorganges entlang dem Radius X herausstellen, daß die Formtreue des Schleifwerkzeuges 4 noch gewährleistet ist, können zur Optimierung der Prozeßführung die Abrichtintervalle entsprechend vergrößert werden.

Claims (21)

1. Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes eines rotierenden Schleifwerkzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (4) mit einem zu dessen Nachprofilierung dienenden Abrichtwerkzeug (8) in Kontakt gebracht, die dabei zwischen beiden Werkzeugen (1, 4) auftretende Reibung mittels wenigstens einer dieselbe anzeigenden physikalischen Größe gemessen und aus den Meßwerten dieser Größe auf die Art und/oder Größe des Verschleißes des Schleifwerkzeuges (4) geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als physikalische Größe die Amplitude und/oder die Frequenz und/oder die Intensität und/oder die Schnelle und/oder die Druckamplitude von durch die Reibung erzeugten elastischen Schwingungen gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elastische Schwingungen Schallschwingungen gemessen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Abrichtwerkzeug (8) und/oder im Schleifwerkzeug (4) auftretenden Körperschallschwingungen gemessen werden.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als physikalische Größe die durch Reibungswärme in wenigstens einem der Werkzeuge erzeugte Temperatur gemessen wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als physikalische Größe die von wenigstens einem der Werkzeuge aufgebrachte Reibungsleistung gemessen wird.

7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als physikalische Größe die bei Aufrechterhaltung einer konstanten Drehzahl sich ergebende Drehmomentzunahme wenigstens eines der Werkzeuge gemessen wird.

8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als physikalische Größe die bei Aufrechterhaltung eines konstanten Drehmoments sich ergebende Drehzahländerung wenigstens eines der Werkzeuge gemessen wird.

9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verschleiß des Schleifwerkzeuges (4) auf die zu erwartende Maßhaltigkeit und/oder Oberflächenbeschaffenheit eines mit dem Schleifwerkzeug (4) zu bearbeitenden Werkstücks (1) geschlossen wird.

10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte der physikalischen Größe(n) über die axiale Breite des Schleifwerkzeugs (4) erstellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte der physikalischen Größe(n) aufeinanderfolgend über die axiale Breite des Schleifwerkzeugs (4) erstellt werden.

12. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten der physikalischen Größe(n) ein sich über die axiale Breite und/oder den Umfang des Schleifwerkzeugs (4) erstreckendes Verschleißprofil erstellt wird.

13. Vorrichtung zum Bestimmen des Verschleißes eines rotierenden Schleifwerkzeugs nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zum Nachprofilieren des Schleifwerkzeuges (4) dienendes Abrichtwerkzeug (8) durch wenigstens eine Meßeinrichtung (9) zum Erstellen von Meßwerten wenigstens einer physikalischen Größe, die die bei Kontakt zwischen beiden Werkzeugen (1, 4) auftretende Reibung anzeigt, und durch eine Vergleichseinrichtung (11) zum Vergleichen der Meßwerte der physikalischen Größe mit wenigstens Eigenschaften der Werkzeuge (1, 4) kennzeichnenden Daten zwecks Erstellung eines der Reibungsintensität über die axiale Breite des Schleifwerkzeuges (4) entsprechenden Verschleißprofils.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten auch Eigenschaften des mit dem Schleifwerkzeug (4) zu bearbeitenden Werkstücks (1) kennzeichnende Daten umfassen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (9) als Sensor zum Messen der durch die Reibung zwischen beiden Werkzeugen (1, 4) erzeugten Schallschwingungen ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) im Abrichtwerkzeug (8) zum Messen des in letzterem auftretenden Körperschalls enthalten ist.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zum Messen der von wenigstens einem der Werkzeuge aufgebrachten Reibungsleistung ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zum Messen der bei Aufrechterhaltung einer konstanten Drehzahl sich ergebenden Drehmomentzunahme wenigstens einer der Werkzeuge ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zum Messen der sich bei Aufrechterhaltung eines konstanten Drehmomentes ergebenden Drehzahländerung wenigstens einer der Werkzeuge ausgebildet ist.

20. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (11) eine Auswertschaltung und einen Datenspeicher umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichseinrichtung (11) eine Anzeigeeinrichtung (12) zur Darstellung der mit der Auswertschaltung ausgewerteten Meßwerte der physikalischen Größe(n) nachgeschaltet ist.