DE4008249A1 - Verfahren und vorrichtung zum definierten abrichten von cbn-schleifscheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum definierten Abrichten von CBN-Schleifschei­ ben gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Oberbegriff des Anspruchs 3.

Seit einigen Jahren wird neben den Korundschleif­ stoffen kubisch kristallines Bornitrid in keramischer Bin­ dung (CBN) eingesetzt. Dieser Schleifstoff weist nahezu die Härte von Diamant auf. Er ist gegenüber dem Korund um den Faktor 300-500 teurer. Dieses bedeutet, daß bei 3,- DM Kosten einer Korundschleifscheibe die vergleichbare CBN- Schleifscheibe Kosten in Höhe von ca. 1000,- DM verursacht.

CBN-Schleifscheiben sind dennoch wirtschaftlich einsetzbar, da der Verschleiß sehr gering ist und die für das Abrichten erforderlichen Nebenzeiten entfallen. Diese Scheiben werden erst nach der Bearbeitung von ca. 700-1000 Werkstücken abgerichtet. Betrug das Abrichtintervall bei Korund 30 Sekunden, so wird die CBN-Scheibe nach ca. 5-8 Stunden abgerichtet. Trotz dieser langen Intervalle müssen nur wenige Mikrometer von der Scheibenoberfläche abgetragen werden, um die Makrogeometrie wiederherzustellen.

Hierdurch entsteht ein Problem: Die gesamte Schleifmaschine verformt sich durch thermische Einflüsse (Einschalten, Ausschalten, Öffnen eines Hallentores), so daß eine vor mehreren Stunden angefahrene Position nicht mehr ohne Positionierungsfehler erreicht werden kann. Veränderun­ gen der Abrichtposition von +/-25 µm sind durchaus reali­ stisch. Ein gezieltes Abrichten mit a _d = 2 µm und wenigen Abrichthüben ist somit aus zwei Gründen nicht mög­ lich. Entweder wird bereits beim ersten Hub ein unzulässig großer Betrag abgerichtet (z. B. 20 µmm), oder es erfolgt trotz 10 Abrichthüben mit jeweils a _d = 2 µm kein Kontakt.

Beide Fälle sind unerwünscht, da kostenintensives CBN abgerichtet wird bzw. keinerlei Abrichten erfolgt. In der Fertigung kann das ordnungsgemäße Abrichten erst durch eine Qualitätsprüfung der geschliffenen Werkstücke erfolgen. Die Überwachung des Abrichtvorganges ist also zeitaufwendig und problematisch. Dieses Problem existiert beim Abrichten von Korundschleifscheiben aufgrund der kurzen Abrichtinter­ valle und der wesentlich größeren Abrichtbeträge nicht.

Diese Abrichtproblematik ist auch dafür verant­ wortlich, daß sich der Schleifstoff CBN nur langsam in der Industrie durchsetzen kann.

Beim Abrichten von CBN-Schleifscheiben mit Dia­ mant-Topfscheiben ist es bekannt, eine Zustellung in kleinen Beträgen (2 bis 10 µm) auf einer Seite der Schleifscheibe (Zustellung je Doppelhub) oder auf beiden Seiten der Schleifscheibe (je Hub) durchzuführen. Anschließend wird die Schleifscheibe durch Verfahren einer Maschinenachse in axialer Richtung zur Schleifscheibe abgerichtet.

Das Abrichten beginnt bei der Position, die beim letzten Abrichten erreicht war, zuzüglich des gewünschten Abrichtbetrages. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die vor längerer Zeit beim Abrichten erreichte Position genau wie­ dergefunden werden kann, was sich aber in der Praxis als problematisch erweist. Dieses Problem ist durch das Verfah­ ren nach der DD-PS 1 04 746 dadurch gelöst worden, daß das Erreichen der alten und letzten Abrichtposition durch Dreh­ zahlmessungen festgestellt wird. Bei diesem bekannten Ver­ fahren nach der DD-PS 1 04 746 wird zur Ermittlung des Zeit­ punktes der Berührung des Abrichtwerkzeuges mit der Schleif­ scheibe die Beeinflussung des Abrichtwerkzeuges ausgewertet, indem die Wirkleistung zwischen Elektromotor und Abricht­ werkzeug oder das Drehmoment oder die Drehzahl des Elektro­ motors gemessen wird. Die Messung dieser Größen stellt eine starke Einschränkung dar, da häufig Abrichtspindeln mit Druckluftantrieb verwendet werden. Die Messung der Drehzahl erfordert konstruktive Änderungen, da z. B. auf der Welle ein Tachogenerator angebracht werden muß. Größte Probleme bereitet hierbei die Abdichtung, um das Eindringen von stark abbrasiv wirkenden festen Teilchen (Körner oder Teile davon durch Abrichten der Schleifscheibe) sowie aggressiven Kühl­ schmiermitteln zu verhindern. Diese Einflüsse führen schnell zum Versagen der Spindellagerung. Alle Schleif- und Abricht­ spindeln werden daher in der Regel mit Druckluft beauf­ schlagt, auch wenn dieses Medium nicht für den Antrieb verwendet wird. Der Überdruck im Spindelgehäuse verhindert dabei das Eintreten von Stoffen. Bei Abrichtspindeln muß die Druckluft immer eingeschaltet sein, auch wenn diese nicht im Betrieb sind.

Aus der VDI-Zeitschrift 130 (1988), Seiten 66 ff. und aus der EP-OS 2 57 381 ist eine Anordnung von Schleif­ scheibe und Abrichter beim CBN-Abrichten bekannt, bei der die Richtung der Umfangsgeschwindigkeit der beiden rotieren­ den Teile, also von Schleifscheibe und Abrichtwerkzeug, gleich oder genau entgegengesetzt ist. Das Abrichten erfolgt somit im Gleichlauf bzw. im Gegenlauf. Bei dem durch diese Druckschriften bekannten Verfahren wird ein Piezostellele­ ment in den Kraftfluß zwischen Abrichtwerkzeug und Zustell­ schlitten eingebaut, um ein System zu schaffen, das einer­ seits zur Erfassung von Abrichtkräften und andererseits für die Realisierung kleinster Abrichtbeträge geeignet ist. Zu Beginn eines Abrichtvorganges wird der Abrichter über die Achse der Maschine in die unmittelbare Nähe der Schleif­ scheibe gebracht, wobei eine Berührung sicher vermieden werden muß. Anschließend wird über die Achsen der Maschine abgerichtet. Nach einigen Luftabrichtvorgängen kommt es zur ersten Berührung. Diese wird über das Piezostellelement erkannt, woraufhin der Abrichtvorgang unterbrochen wird. Der Zustellschlitten wird anschließend blockiert. Der Abricht­ vorgang wird dann über das Piezostellelement fortgesetzt. Dabei wird das Piezostellelement durch eine externe Span­ nungsquelle angesteuert. Auf diese Weise sollen sich Abrichtzustellungen von weniger als 0,1 µm mit hoher Repro­ duzierbarkeit erzeugen lassen. Nachteilig ist, daß dabei Hochspannungen von einigen tausend Volt angewendet werden müssen, deren Erzeugung schwierig und kostenaufwendig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein geeignetes Verfahren und eine geeignete Vorrich­ tung zum definierten Abrichten von CBN-Schleifscheiben anzugeben, die die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht aufweisen.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Leh­ re gemäß Anspruch 1 und vorrichtungsmäßig durch die Lehre gemäß Anspruch 3 gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der Erfindung lassen sich CBN-Schleifscheiben definiert abrichten. Die Gefahr eines unzulässig großen Abrichtbetrages ist vermieden, ebenso die Gefahr, daß über­ haupt kein Kontakt zwischen Abrichtwerkzeug und Schleif­ scheibe zustandekommt. Das erfindungsgemäß angewendete Meßverfahren der Impulszählung ist bei jeder Abrichtwerk­ zeug-Spindel in einfachster Weise - auch nachträglich - installierbar, unabhängig von der Antriebsart (elektrisch oder pneumatisch), ist vollkommen unempfindlich gegen flüs­ sige und feste Stoffe, da der Initiator vollständig abge­ dichtet ist, verursacht äußerst geringe Kosten, ermöglicht eine hochgenaue Messung durch die hohe Taktfrequenz eines Quarzoszillators (z. B. 4 MHz) und ist aufgrund der rein digitalen Meßdaten nicht mit Störungen behaftet, was eine wesentliche Vorausetzung für die Erkennung kleinster Abwei­ chungen im Promillebereich ist. Die Verwendung von Hochspan­ nung ist nicht mehr notwendig.

Um den verschiedensten Störeinflüssen zu begeg­ nen, die auch ohne den Kontakt von Abrichter und Schleif­ scheibe Drehzahlschwankungen herbeiführen, ist erfindungsge­ mäß die Durchführung von Referenzmessungen durch Leerhübe vor jedem Abrichten vorgesehen. Hierzu wird von einer Ma­ schinensteuerung ein Startsignal geliefert; erst danach wird mit dem Axialvorschub (Abrichten) begonnen und nach Beendi­ gung des Abrichtens ein Stoppsignal gegeben. Die Maschinen­ steuerung gibt also ein Meßfenster vor, in dem das Abrichten stattfindet. Jeder Meßwert einer Spindelumdrehung läßt sich somit der axialen Position auf der Scheibe zuordnen.

Vor jedem Abrichten werden eine oder mehrere re­ produzierbare Referenzmessungen mit Leerhüben durchgeführt, bei denen der Abrichter bereits dicht vor der Scheibe steht, diese aber nicht berührt. Beim anschließenden Überwachen des Abrichtvorganges wird jede Abrichthubmessung mit der Refe­ renzmessung verglichen, so daß sowohl die erste Berührung als auch das erste Abtragen auf der gesamten Scheibenbreite im Werkstück-Eingriffsbereich sicher erkannt werden kann. Hieraus läßt sich auch die Verschleißform in axialer Rich­ tung der Scheibe ableiten.

Störeinflüsse im Leerlauf entstehen hauptsächlich durch Kühlschmiermittel, das mit hohem Druck aus einer Düse auf die Wirkstelle fließt bzw. gespritzt wird. Beim CBN- Schleifen wird meist Öl als Kühlschmiermittel verwendet, um den Verschleiß der Scheibe zu minimieren. Durch Temperatur­ einflüsse ändert sich die Viskosität des Öles und somit auch der Störeinfluß. Weiterhin ändern sich Störeinflüsse durch eine evtl. Verstellung der Düsen oder durch Änderung der Schleifscheibendurchmesser infolge Abrichtens. Um auch diesen Störeinflüssen zu begegnen, ist vor jedem Abrichten die Referenzmessung vorgesehen.

Die Störungen wirken unterschiedlich. Das Öl al­ lein bewirkt zunächst ein Abbremsen der Abrichtspindel. Beim Gleichlauf und höherer Umfangsgeschwindigkeit der Schleif­ scheibe erhöht sich aber die Drehzahl des Abrichters durch den Einfluß, da das Öl zwischen Abrichter und Schleifscheibe die Abrichtspindel mitreißt. Bei höherer Abrichtspindel-Um­ fangsgeschwindigkeit wird die Abrichtspindel aber zusätzlich abgebremst. Beim Gegenlauf wird sie dagegen stets, dafür aber in stärkerem Maße, abgebremst. All diese nur schwer kalkulierbaren Störeinflüsse und die Tatsache, daß das Nutzsignal beim ersten Anschnitt ähnliche Amplitudenänderun­ gen hervorruft wie die Störungen, sind kompensierbar durch die erfindungsgemäße Referenzmessung.

Das einfache Setzen von Schwellwerten, wie dies bei dem Verfahren nach der DD-PS 1 04 746 vorgesehen ist, ermöglicht nicht die Erkennung des Anschnittes bei der CBN-Schleiftechnologie. Unter den Randbedingungen des Ab­ richtens von Korundschleifscheiben gemäß dieser Druckschrift war das Nutzsignal/Störsignalverhältnis um mehr als eine Zehnerpotenz größer als dies vorliegend der Fall ist, weil um den Faktor 10 bis 20 größere Zustellbeträge je Hub einge­ stellt wurden und in der Regel trocken abgerichtet wurde. Auch heute werden noch Korundschleifstoffe mit diesen Ein­ stellbedingungen abgerichtet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1a, Fig. 1b schematisch den im Stand der Technik bekannten Abrichtvor­ gang an einer Schleifscheibe mit Hilfe eines Abrichtwerkzeuges,

Fig. 2 bis 8 Darstellungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vor­ richtung; es zeigt dabei

Fig. 2 die Vorgehensweise zum Auffinden der korrekten Abrichtposition,

Fig. 3 und 4 eine Meßanordnung zur Er­ mittlung der Umfangsgeschwindigkeit des Abrichtwerkzeuges, wobei

Fig. 4 einen Schnitt A-B der Anordnung nach Fig. 3 darstellt,

Fig. 5 eine grafische Darstellung zur näheren Erläuterung der Messung der Umfangsgeschwindigkeit,

Fig. 6 Meßergebnisse bei Referenzhub­ messungen in Abhängigkeit von der Spindelumdrehung,

Fig. 7 Meßergebnisse bei Abrichthüben in Abhängigkeit von der Spindelumdre­ hung, wobei die Meßergebnisse bei vier Leerhüben und drei nachfolgenden Hüben mit Kontakt zwischen Abrichtwerkzeug und Schleifscheibe dargestellt sind, und

Fig. 8 übereinander dargestellte Meßer­ gebnisse von Referenzhub und mehreren Abrichthüben.

Aufgrund von thermischen Einflüssen kann eine Verformung der Abrichtmaschine hervorgerufen werden, wodurch sich die Abrichtposition erheblich, beispielsweise um +/- 25 µm verändern kann (Positionierungsfehler F). Um dies zu kompensieren, wird beim vorliegenden Abrichtverfah­ ren jeder Abrichtvorgang 6 aus einer Anfangsposition 8 gestartet, die wenigstens um den erwähnten Positionierungs­ fehler von der abzurichtenden Schleifscheibe 10 bzw. der alten Abrichtposition entfernt ist. Es wird also bei einer Position begonnen, die den Kontakt von Abrichtwerkzeug und Schleifscheibe während des ersten Hubes ausschließt.

Aus dieser Anfangsposition wird mit Hilfe einer schrittweisen Zustellung 12, beispielsweise a _d = 1-2 µm je Abrichthub und eines Anschnittsensors 14 (siehe Fig. 3 und 4) der Kontakt bzw. der Anschnitt von Abricht­ werkzeug 6 und Schleifscheibe 10 bzw. der aktuelle Schleif­ scheibendurchmessr erkannt.

Der Anschnittsensor 14 umfaßt einen Drehgeber, beispielsweise einen induktiven Geber 16, der einen oder mehrere Anflächungen 18 auf dem Umfang der Abrichtspindel 20 abtastet und der Zahl der Anflächungen entsprechende Impulse pro Umdrehung der Spindel liefert, beispielsweise zwei Impulse 22 bei Vorliegen von zwei Anflächungen, vgl. Fig. 5.

Um eine Umfangsgeschwindigkeit mit hoher Auflö­ sung zu erhalten, werden in die Dauer zwischen zwei anstei­ genden oder fallenden Flanken der Impule 22 Zählimpulse hoher Frequenz, beispielsweise von 4 MHz, in einen Zähler 24 eingezählt, vgl. Fig. 4.

Bei einer Drehzahl von 500 U/min liefert der in­ duktive Geber 1000 Impulse/Sekunde, so daß bei der Taktfre­ quenz von 4 MHz jede Zählung bis zu einem Wert von 4000 läuft. Somit ist die Messung der Drehzahl mit einer von 12 Bit (4095) und einer Frequenz von 1 kHz möglich. Mit einer derartigen Ausbildung können geringste Drehzahlände­ rungen erfaßt werden.

Mit den Daten gemäß Fig. 5 kann berechnet werden, daß sich die Schleifscheibe mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 40 m/s und die Abricht-Topfscheibe mit ca. 15 m/s dreht. Treten Schleifscheibe und Abrichtwerkzeug bzw. Abrichttopf­ scheibe in Kontakt, so erfährt die Abrichtspindel eine Umfangsgeschwindigkeitserhöhung. Diese Geschwindigkeitserhö­ hung, die über den Drehgeber 6 und den erwähnten Zähler 24 erfaßt wird, dient zur Anschnitterkennung.

Die Fig. 6 zeigt Meßkurven 30 bis 36 für mehrere, hier sieben Referenzhubmessungen, und die Fig. 7 zeigt Meßkurven 37 bis 40 von vier Leerhüben und sich anschließen­ de Meßkurven 41 bis 43 von drei nachfolgenden Hüben mit Kontakt zwischen Abrichtwerkzeug und Schleifscheibe. Die Meßergebnisse der Leerhübe entsprechen natürlich denen der Referenzhübe.

Die Fig. 8 zeigt eine vorzugsweise gemittelte Referenz-Meßkurve 44 aus den Referenzhubmesungen und vier schematische Meßkurven 45, 46, 47 und 48 von Abrichthüben übereinander dargestellt, wobei in diese Figur zum besseren Verständnis oberhalb der Meßkurven das Schleifscheibenprofil 51 und ein Werkstück 50 schematisch eingezeichnet sind. Mit dem Bezugszeichen 49 ist der abgetragene Teil der Schleif­ scheibe (Eingriffsbreite) bezeichnet, der mit den bearbeite­ ten Werkstücken 50 in Eingriff stand. Für den Abrichtvorgang ist von Bedeutung, daß ein Anschnitt über die genannte Eingriffsbreite 49 erfolgt. Die seitlichen nicht im Eingriff mit dem Werkstück befindlichen Bereiche sind ohne Bedeutung; sie erschweren die Anschnitterkennung, wenn keine Referenz­ messungen und Vergleiche hiermit durchgeführt werden.

Man erkennt, daß bei den Abrichthüben 45 und 48 ein über die Breite des Schleifscheibenprofils zunehmender Anschnitt im Bereich der Eingriffsbreite durch das Abricht­ werkzeug festzustellen ist. Beim Abrichthub 48 erfolgt der Anschnitt über die gesamte Breite der Schleifscheibe, was erkennbar ist durch die deutliche Erhöhung der Zählimpuls­ zahl (Zählerstand) über den gesamten Bereich des der Ein­ griffsbreite 49 der Schleifscheibe zugeordneten Meßkurvenbe­ reichs.

Aus der Fig. 8 ist auch erkennbar, daß durch das Schleifen vieler Werkstücke ein konischer Verschleiß der Schleifscheibe im Bereich 49 eintreten kann durch Durchbie­ gen der Schleifspindel.

Mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung bzw. des beschriebenen Verfahrens läßt sich der erste Anschnitt im Eingriffsbereich erkennen. Bei Anschnitterkennung kann ein entsprechendes Schaltsignal zur Steuerung des weiteren Abrichtens erzeugt werden. Darüber hinaus kann erkannt und signalisiert werden, wann erstmals ein Eingriff auf der gesamten Breite der Schleifscheibe stattgefunden hat, vgl. Fig. 8. Aus der Fig. 8 ist dies zumindest beim Hub 48 der Fall, weil sich die Zählergebnisse über der gesamten Schleifscheibenbreite deutlich vom Referenzkurvenverlauf 44 abheben. Bei einem ungleichförmigen Verschleiß der Schleif­ scheibe, z. B. bei einem konischen Verschleiß, ist das Erkennen dieses Eingriffes auf der gesamten Breite der Schleifscheibe von besonderem Interesse.

Claims (4)

1. Verfahren zum definierten Abrichten von CBN-Schleif­ scheiben mit Hilfe eines hubweise zustellbaren und in Axial­ richtung der Schleifscheibe hin- und herbewegbaren, rotie­ renden Abrichtwerkzeuges, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Messen und Speichern von in die Dauer einer Periode der Umdrehung des Abrichtwerkzeuges fallenden Zählim­ pulsen bei wenigstens einem Leerhub mit oder ohne Zustellung ohne Anschnitt in Abhängigkeit vom Weg in Axialrichtung zur Festlegung eines Referenzverlaufs der Periodendauer,
• b) Messen und Speichern von in die Dauer einer Periode der Umdrehung des Abrichtwerkzeuges fallenden Zählim­ pulsen in Abhängigkeit vom Weg in Axialrichtung zur Schleifscheibe und von den Abrichthüben zur Ermittlung des IST-Verlaufs der Periodendauer, wobei für diese Messung das gleiche Meßfenster (Meßbeginn und Meßende pro Hub werden zeitlich gleich gesteuert) gewählt wird wie für die Referenzmessung zur Festlegung einer gleichen Meßzeit für die Leerhübe und sämtliche Ab­ richthübe,
• c) Vergleich der Meßergebnisse jedes Abrichthubes mit dem aus den Leerhubmesssungen gewonnenen Referenzmeßergeb­ nis zur Feststellung einer Differenz der Meßergebnisse (Zählerstände), die aus unterschiedlichen Umfangsge­ schwindigkeiten des Abrichtwerkzeuges beim Leerhub (Referenzhub) und bei den Abrichthüben resultiert, und damit zum Erkennen einer Berührung (eines Anschnittes) zwischen Abrichtwerkzeug und Schleifscheibe über wenigstens einen Teil der Schleifscheibenbreite sowie zum Ermitteln des Schleifscheibenprofils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellung einer Zählergebnisdifferenz Schaltsig­ nale erzeugt werden, die einer Steuereinrichtung zum Beenden oder zum Fortsetzen des Abrichtens mit einer vorbestimmten Anzahl von Abrichthüben zugeführt werden.

3. Vorrichtung zum definierten Abrichten von CBN-Schleif­ scheiben mit einem Abrichtwerkzeug, wobei die CBN-Schleif­ scheibe und das Abrichtwerkzeug mit vorbestimmter Drehzahl angetrieben sind, das Abrichtwerkzeug hubweise auf die Schleifscheibe zustellbar und in Axialrichtung der Schleif­ scheibe hin- und herbewegbar ist, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (14, 24) zur laufenden Messung der Periodendauer der Umdrehungen des Abrichtwerkzeuges (6) bei Leerhüben (Referenzhüben) und Abrichthüben, deren Meßsignale einer Auswerteeinrichtung (24) zugeführt werden zur Fest­ stellung von Beginn und Ende einer Berührung (eines An­ schnittes) zwischen Abrichtwerkzeug und Schleifscheibe anzeigenden Differenz der Zählergebnisse zwischen Referenz­ hub- und Abrichthubmeßweg und zur Ausgabe von Schaltsignalen für eine Abricht-Steuereinrichtung beim Erkennen solcher Änderungen zum Beenden des Abrichtens oder zum Fortsetzen des Abrichtens mit einer vorbestimmten Anzahl von Abrichthü­ ben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Markierungen (18) der Spindel (20) des Abrichtwerkzeuges (6) abtastenden Drehgeber (16) aufweist, dessen Ausgangssignale eine Zähleinrichtung (24) steuern, die in die Dauer der Periode der aufeinanderfolgen­ den Drehgeber-Ausgangssignale fallende Zählimpulse zählt und deren jeweiliger Zählerstand ein Maß für die jeweilige Drehzahl des Abrichtwerkzeuges ist.