EP0293673A2 - Verfahren und Vorrichtung zum mechanischen Schleifen von Werkstücken mittels elektrisch leitfähiger Schleifwerkzeuge - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Schleifen von Werkstücken mittels elektrisch leitfähiger Schleifwerkzeuge, wobei zunächst ein Antasten des Schleifwerkzeugs an das Werkstück oder einen Meßfühler erfolgt und anschliessend von dieser Taststellung aus bestimmte Zustell- und Vorschubbewegungen ausgeführt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
- Bei mechanischen Schleifverfahren, mit denen sich die vorliegende Erfindung befaßt, wird bisher, wenn die Lage der zu schleifenden Fläche im Raum und/oder der Schleifscheibendurchmesser nicht genau vorgegeben sind, das Schleifwerkzeug von der Bedienungsperson bis gerade zur Berührung an das Werkstück herangefahren, d.h. es wird angetastet, und anschließend werden die vorgesehenen Zustell- und Vorschubbewegungen nach einem bestimmten Steuerprogramm ausgeführt. Das Antasten erfolgt somit manuell gesteuert, wobei sich die Bedienungsperson nach dem bei einsetzender Berührung entstehenden Geräusch und dem Ausmaß der Bildung von Schleiffunken richtet. Sind z.B. in einer Aufspannung eines Werkstücks oder einer Gruppe von Werkstücken eine Vielzahl von unterschiedlich abgenutzten Werkzeugschneiden nachzuschleifen, z.B. die Zähne eines Sägeblatts, die Schneiden eines Fräsers oder einer Anzahl von gemeinsam in eine Spannvorrichtung eingesetzten Drehmeißeln, muß vor Beginn des Nachschleifens einer jeden Schneide erneut manuell angetastet werden. Man kann nicht alle Schneiden hintereinander automatisch bearbeiten. Gleiches gilt für Schleifverfahren im Fertigungsprozeß, wenn die vorgefertigten Werkstücke unterschiedliche Ausgangsmaße haben, Unterschiede bei der Werkstückeinspannung auftreten oder der Schleifscheibendurchmesser nicht ständig kontrolliert wird.
- Bei elektroerosiven Bearbeitungsverfahren, auch dem sogenannten Funkenschleifen bzw. Erodierschleifen gemäß z.B. EP-A1-0076 997 , bei dem der Materialabtrag im wesentlichen berührungslos durch die zwischen Werkzeug und Werkstück überschlagenden Funken erfolgt, wird mindestens am Anfang mit einem bestimmten Funkenspalt gearbeitet, dessen Einhaltung in Abhängigkeit vom Funkenstrom geregelt wird. Selbst wenn bei Werkstücken, die elektrisch nichtleitende Materialien, z.B. Diamant, in einer elektrisch leitenden metallischen Matrix enthalten, auch ein mechanischer Abtrag der elektrisch nichtleitenden Bestandteile stattfindet, so geschieht dies erst nach funkenerosivem Abtrag der metallischen Matrix, bei dem die elektrisch nichtleitenden Bestandteile weitgehend freigelegt werden, so daß sie von dem funkenerosiv wirkenden Werkzeug leicht abgeschlagen werden können. Die in Abhängigkeit vom Funkenstrom gesteuerte Steuerschaltung hat also bisher prinzipiell die Funktion, von Anfang an für den zum berührungslosen funkenerosiven Abtrag des elektrisch leitenden Materials notwendigen Abstand (= Funkenspalt) zum Werkstück zu sorgen. Eine anfänglich absichtlich herbeigeführte Berührung mit weiterhin hauptsächlich mechanischem Materialabtrag gibt es bei Funkenerosionsverfahren nicht.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte mechanische Schleifverfahren dahingehend zu verbessern, daß es sich automatisch und schneller ausführen läßt, und vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Antasten eine elektrische Funkenspannung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück oder Meßfühler angelegt und die Taststellung durch den Funkenstrom bestimmt wird, und daß anschließend für den Schleifvorgang die Funkenspannung abgeschaltet oder auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß im wesentlichen ein mechanischer Materialabtrag erfolgt.
- Die größte Bedeutung kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der funkenstromgesteuerten Antastung vor der materialabtragenden Bearbeitung zu, wobei mit Vorteil die an sich bekannte, aber bisher bei einem anderen Abtragsverfahren zu einem anderen Zweck, nämlich der Abstandsregelung während der elektroerosiven Bearbeitung, eingesetzte Steuerschaltung mit Funkengenerator Anwendung finden kann. Von dem Funkengenerator braucht allerdings kein Arbeitsstrom für Abtragsleistung gefordert zu werden, da der Funkenstrom ausschließlich der Ansteuerung einer bestimmten Berührungsstellung dient, während das Abtragen des Materials im wesentlichen mechanisch erfolgt.
- Die elektrisch nicht leitende Körnung der Schleifscheibe sorgt auch während der Berührung und des mechanischen Abtragens von elektrisch leitendem Material eines Werkstücks für einen gewissen Abstand zwischen diesem und der metallischen Matrix der Schleifscheibe, so daß erfindungsgemäß auch die Möglichkeit besteht, noch nach dem elektrisch gesteuerten Antasten weiterhin eine Funkenspannung zwischen Werkzeug und Werkstück anliegen zu lassen und in Abhängigkeit von einem schwachen Funkenstrom, der für den Metallabtrag keine Bedeutung hat, kontinuierlich eine bestimmte Berührungsstellung der Schleifscheibe für mechanischen Abtrag des elektrisch leitenden Materials des Werkstücks zu regeln.
- Sollen mit bestimmten Relativstellungen zueinander angeordnete Flächen, z.B. Schneiden eines Fräsers, geschliffen werden, kann in einer bevorzugten praktischen Ausführung der Erfindung vor und/oder nach dem Schleifen einer der Flächen an dieser mittels Funkenstrom angetastet werden, und es können entsprechend dieser Taststellung die anderen Flächen geschliffen oder Zustellbewegungen zur Kompensation der Schleifscheibenabnutzung vorgenommen werden. Anstatt eine bestimmte Fläche an einem Werkstück als Referenz für das automatische Schleifen anderer Flächen zu verwenden, kann auch eine Modellfläche oder ein Meßfühler mit dem Schleifwerkzeug angetastet und als Referenz für alle zu schleifenden Flächen benutzt werden.
- Einen besonders großen Vorteil bietet das neue Verfahren, wenn in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung das Werkstück zunächst mit einem ersten Werkzeug funkenerosiv oder erodierschleifend und dann in derselben Aufspannung mit einer mittels Funkenstrom in die Antaststellung gebrachten Schleifscheibe mechanisch abtragend bearbeitet wird. Bei dieser Ausführungsvariante erfolgt nicht nur das Antasten schnell und automatisch, sondern es wird auch zusätzlich die Genauigkeit gefördert, indem bei beiden nacheinander ausgeführten unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen das Werkstück in derselben Aufspannung bleibt und die Relativstellungen zu beiden Werkzeugen in gleicher Weise gesteuert werden.
- Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem rotierend antreibbaren, elektrisch leitfähigen Schleifwerkzeug, einer Werkstück-Spanneinrichtung und einem steuerbaren Bewegungsantrieb zur Veränderung der Relativstellung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug und das Werkstück oder ein Meßfühler an einen Funkengenerator anschließbar sind und der Bewegungsantrieb beim Antasten durch eine vom Funkenstrom beeinflußte Steuerschaltung steuerbar ist, welche während des mechanischen Schleifvorgangs durch ein Steuerprogramm und/oder einen nur als Steuerstrom bemessenen Funkenstrom steuerbar ist.
- Besonders einfach und kostengünstig läßt sich die neue Vorrichtung dadurch realisieren, daß das Schleifwerkzeug an den Funkengenerator und die Steuerschaltung eines in derselben Werkstückaufspannung einsetzbaren, funkenerosiv wirksamen Werkzeugs anschließbar ist, welches in bevorzugter Ausführung als erodierende Scheibe auf derselben Welle wie das mechanisch wirksame Schleifwerkzeug angeordnet ist.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
- Die Zeichnung zeigt schematisch ein Werkstück 10, z.B. ein Sägeblatt, welches auf einem Kreuzschlitten 12 aufgespannt ist und dadurch in Richtung von zwei senkrecht aufeinanderstehenden Koordinaten x und y verfahren werden kann. Ein Drehantrieb 14, dessen Drehwinkel α gesteuert werden kann, dient zur Drehwinkelverstellung bzw. zum Weiterschalten des Sägeblatts von einer zu bearbeitenden Schneide zur nächsten.
- Zur Bearbeitung des Werkstücks 10 sind zwei Werkzeuge 16 und 18 vorgesehen. Bei dem Werkzeug 16 handelt es sich um eine rotierend antreibbare Scheibe, z.B. aus Graphit, Kupfer oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material, ggf. auch mit eingeschlossenen Schleifkörnern aus elektrisch nicht leitfähigem Material, z.B. Diamantkorn. Mit diesem Werkzeug wird das Sägeblatt 10 oder ein anderes Werkstück, z.B. auch ein an seinen Schneiden, die z.B. aus Hartmetall oder polykristallinem Diamant bestehen können, zu bearbeitender Fräser oder ein anderes ähnliches Werkzeug funkenerosiv oder erodierschleifend bearbeitet.
- Das zweite Werkzeug 18 ist eine elektrisch leitfähige, also z.B. metallgebundene Schleifscheibe mit beispielsweise Diamantkörnung. Beide Werkzeuge 16 und 18 sitzen auf derselben Antriebswelle 20 und können durch einen Werkzeugschlitten 22 in Richtung einer senkrecht auf den x- und y-Koordinaten stehenden z-Koordinate verfahren werden. Außerdem ist die Winkelgeschwindigkeit ω der durch einen Antriebsmotor 24 angetriebenen Welle 20 steuerbar.
- Ein Funkengenerator 26 ist über Leitungen 28 und 30 an das Werkstück 10 und das jeweils zum Ansatz gebrachte Werkzeug 16 bzw. 18 angeschlossen. In üblicher Weise wird zwischen das Werkstück 10 und das jeweilige Werkzeug 16 bzw. 18 ein Dielektrikum eingespült, so daß sie untereinander isoliert sind und Funken zwischen ihnen überspringen können, wenn sich das Erodierwerkzeug 16 mit dem Zwischenabstand des für die Funkenerosion notwendigen Funkenspalts in Arbeitsstellung befindet bzw. wenn mit dem Schleifwerkzeug 18 am Werkstück 10 angetastet wird.
- Mit Hilfe einer Steuerschaltung 32 können die im Einzelfall vorgesehenen Zustellungen, Vorschubbewegungen und Sollwerteinstellungen vorgenommen werden. Die Vorgaben für die Steuerschaltung können entweder von Hand über eine nicht gezeigte Tastatur oder durch einen Programmspeicher 34 in die Steuerschaltung eingegeben werden. Diese kann dann über eine Leitung 36 und einen Signalumsetzer 38 den Kreuzschlitten 12 eine Bewegung in Richtung der x-Koordinate ausführen lassen, wodurch z.B. der Funkenspalt zwischen Werkstück 10 und Werkzeug 16 beeinflußt wird. Zum Ansteuern und Nachregeln eines bestimmten Funkenspalts können die Änderungen der elektrischen Spannung Us am Funkenspalt über eine Meßvorrichtung 40 und alternativ oder gleichzeitig eine Spaltstromänderung Is über eine Meßvorrichtung 42 abgegriffen und der Steuerschaltung 32 zur Auswertung zugeleitet werden. Parallel zur Funkenstrecke zwischen Werkstück und Werkzeug ist eine stufenweise einstell bare Kapazität 44 vorhanden, wie sie aus der Metallbearbeitung bekannt ist, um Anpassungen vorzunehmen.
- Das Zustellen des Werkzeuges kann in Abhängigkeit des bei 42 gemessenen Stroms Is geregelt werden. Der einem Strom zur Größe des Funkenspalts proportionale Wert kann einem Komparator zugeführt werden, in dem mit einem einstellbaren Sollwert verglichen wird.
- Über eine Steuerleitung 46 und einen Signalumsetzer 48 wird die Bewegung des Kreuzschlittens 12 in Richtung der y-Koordinate gesteuert. Dies kann z.B. eine hin- und hergehende Bewegung des Werkstücks beim Bearbeiten von geraden Schneiden sein. Das Ausmaß der hin- und hergehenden Bewegung kann durch den Programmspeicher 34 oder auch eine einfache Umsteuerung durch Endschalter vorgegeben werden.
- Über eine Leitung 50 und einen Signalumsetzer 52 wird der Werkzeugschlitten 22 in Richtung der z-Koordinate gesteuert, um z.B. eine Höhenverstellung des Werkzeugs 16 bzw. 18 vorzunehmen.
- Die Drehzahl des Antriebsmotors 24 wird durch die Steuerschaltung 32 über eine Steuerleitung 54 und einen Signalumsetzer 56 gesteuert. Um schließlich im Beispielsfall das Werkstück 10 nach jeder Bearbeitungsstufe mit einer Drehschaltbewegung zur Bearbeitung eines weiteren Zahns in eine andere Drehwinkelstellung zu bringen, wird von der Steuerschaltung 32 aus über eine Steuerleitung 58 und einen Signalumsetzer 60 ein entsprechendes Signal an den Drehantrieb 14 des Werkstücks 10 geleitet. Bei einer anderen Bearbeitungsaufgabe kann der Drehantrieb 14 aber auch ein ständig drehender Motor sein, wenn ein Werkstück als Rotationskörper bearbeitet werden soll, während er bei der Bearbeitung um seine Achse rotiert.
- Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung eignet sich grundsätzlich zur Bearbeitung metallischer Werkstücke, und zwar vor allem zur Herstellung und zum Nachschleifen von Werkzeugen, insbesondere mit sehr harten Schneiden, z.B. aus polykristallinem Material. Die Schneiden des Werkstücks können dabei zunächst mit Hilfe des Werkzeugs 16 durch Funkenerosion oder erodierschleifend bearbeitet werden. Die bei diesem Bearbeitungsverfahren entstehenden, noch verhältnismäßig rauhen Flächen können dann in derselben Aufspannung des Werkstücks 10 und unter Zuhilfenahme derselben Steuerschaltung mittels des Schleifwerkzeugs 18 fertig bearbeitet werden. Dabei besteht die Möglichkeit, entweder Zahn für Zahn bzw. Schneide für Schneide des Werkstücks 10 jeweils unmittelbar nacheinander erst mit dem Erodierwerkzeug 16 und dann mit dem Schleifwerkzeug 18 zu bearbeiten, oder zunächst alle Zähne bzw. Schneiden mit dem Erodierwerkzeug 16 und anschließend wiederum sämtliche Zähne bzw. Schneiden nacheinander mit dem Schleifwerkzeug 18 zu bearbeiten. In der zweiten Bearbeitungsstufe unter Einsatz des Schleifwerkzeugs 18 wird der Funkenstrom Is, anders als bei dem vorangegangenen Erodierverfahren, nicht mehr zum Materialabtrag, sondern nur noch zur Steuerung der Relativstellung zwischen dem Werkstück 10 und dem Schleifwerkzeug 18 gebraucht. Damit kann das Werkstück 10 schnell und automatisch sehr genau bis auf einen ganz bestimmten Abstand oder bis zur Berührung der Schleifkörner an das Schleifwerkzeug 18 - oder umgekehrt dieses an das Werkstück 10 - herangefahren werden, um anzutasten. Die gewünschte Ausgangsstellung für den Schleifvorgang, sei es in Berührung oder noch mit einem ganz bestimmten Zwischenabstand zwischen Werkstück und Werkzeug, läßt sich auf die beschrieben Weise sehr genau einstellen, weil jeder Funkenstrecke zwischen Werkzeug und Werkstück auch im Falle des elektrisch leitenden Schleifwerkzeugs 18 ein bestimmter Funkenstrom Is zugeordnet ist, dessen Wert an die Steuerschaltung 32 geleitet und dort mit einem bestimmten Sollwert für die Ausgangsstellung bzw. Antaststellung verglichen wird. Auch während des mechanischen Schleifvorgangs mittels der Schleifscheibe 18 kann die Funkenspannung Us aufrecht erhalten bleiben, um einen Funkenstrom Is im Ausmaß eines Meß- bzw. Steuerstroms zu erzeugen und auf diese Weise die mechanisch schleifende Berührung zwischen der Schleifscheibe 18 und dem Werkstück 10 zu kontrollieren. Die erodierende Wirkung der Funken wird in dieser Bearbeitungsstufe minimal gehalten, um den glättenden Effekt des mechanischen Schleifvorgangs nicht zu beeinträchtigen.
- Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Verbindung mit einer Steuerung des Schleifscheibenvorschubs in Abhängigkeit vom Drehmoment oder der davon beeinflußten Drehzahl Anwendung finden. Eine solche Steuerung sorgt dafür, daß immer dann, wenn der Andruck der Schleifscheibe gegen das Werkstück zu groß wird, die Schleifscheibe vom Werkstück zurückgezogen wird. Dann erfolgt ein erneutes Heranfahren an das Werkstück. Die Erfindung eröffnet in diesem Fall die Möglichkeit, daß beim Zurückziehen der Schleifscheibe vom Werkstück die elektrische Spannung zwischen diesen beiden Teilen eingeschaltet und der Funkenstrom gemessen wird. Dieser wird dann mit zunehmendem Abstand der Schleifscheibe vom Werkstück kleiner, und bei einem bestimmten Grenzwert des Funkenstroms wird die Rückzugsbewegung der Schleifscheibe angehalten und wieder auf Vorschub umgeschaltet. Dann kann auch die Funkenspannung wieder abgeschaltet werden, bis beim nächsten Mal die Schleifscheibe wieder zu stark gegen das Werkstück drückt, ihre Drehzahl unter einen bestimmten Grenzwert sinkt und sie deshalb erneut vom Werkstück zurückgezogen werden muß.
- Das zuletzt geschilderte Verfahren zeigt, daß das erfindungsgemäße Antasten der Schleifscheibe an das Werkstück mittels Funkenstrom nicht nur bei einer Annäherung, sondern auch bei einer Rückzugsbewegung erfolgen kann.
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