EP2268449A1 - Schleifverfahren und schleifvorrichtung - Google Patents

Schleifverfahren und schleifvorrichtung

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Publication number
EP2268449A1
EP2268449A1 EP09771486A EP09771486A EP2268449A1 EP 2268449 A1 EP2268449 A1 EP 2268449A1 EP 09771486 A EP09771486 A EP 09771486A EP 09771486 A EP09771486 A EP 09771486A EP 2268449 A1 EP2268449 A1 EP 2268449A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
movement
workpiece
grinding tool
grinding
oscillatory
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09771486A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mark Geisel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
MTU Aero Engines AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH, MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2268449A1 publication Critical patent/EP2268449A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B19/00Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group
    • B24B19/14Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group for grinding turbine blades, propeller blades or the like
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24BMACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B35/00Machines or devices designed for superfinishing surfaces on work, i.e. by means of abrading blocks reciprocating with high frequency

Definitions

  • the present invention relates to a grinding method and a grinding apparatus.
  • An object of the present invention is to provide an improved method of grinding, an improved computer program, improved control for a grinding apparatus, and improved grinding apparatus.
  • Various embodiments of the present invention are based on the idea of superimposing an oscillatory movement 5 on a basic movement of a rotation axis of a grinding tool. Due to the oscillatory movement, the grinding tool can be periodically at least partially separated from the workpiece, so that a cooling lubricant can penetrate into a gap between the grinding tool and the workpiece and cool the interaction zone.
  • the Zeitspanvolumen can thereby be increased considerably.
  • a relative movement of a rotation axis of a rotating grinding tool and the workpiece is generated, wherein the relative movement of the rotation axis is a superposition of a basic movement in a direction parallel to a surface of the workpiece to be generated and an oscillatory movement Surface of the workpiece is generated with a Oberflä-5 chenabêt of the grinding tool at or near the periphery of the grinding tool.
  • the basic movement is in many applications, at least in sections, a largely uniform movement with a substantially constant or only slowly o varied speed along a smooth curve.
  • the oscillatory motion may be along a curve that is in a plane, for example, a plane that is not parallel to the surface to be generated.
  • the surface may be parallel or at least local or momentarily parallel to the direction of the basic movement.
  • the surface may be orthogonal to the surface to be generated.
  • the curve along which the oscillation movement takes place can be parallel to the basic movement or at least locally or momentarily parallel to the basic movement or not parallel to the basic movement.
  • a relative movement of a rotational axis of a rotating grinding tool and of the workpiece is produced, whereby in the case of the relative movement of the axis of rotation a superposition of a basic movement in a direction parallel to a surface of the workpiece to be produced and an Os zillationsterrorism, wherein the oscillatory movement takes place along a curve which lies in an area which is not parallel to the surface to be generated.
  • the oscillation movement can take place along a straight line 5, which can be orthogonal, parallel or at any angle to the basic movement.
  • the oscillatory motion may be along an ellipse or other curve that includes a surface.
  • the basic movement may be a linear basic movement 0 along a straight line or a curve parallel to the surface of the workpiece to be produced.
  • the axis of rotation may be parallel or substantially parallel to the surface of the workpiece to be produced.
  • the present invention is implementable as a method or computer program with program code for performing or controlling such a method when the computer program runs on a computer or processor.
  • the invention is as a computer program product with on a machine-readable carrier (for example, a ROM, PROM, EPROM, EEPROM or Flash memory, a CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blue-Ray DVD , Floppy disk or hard disk) or program code stored in the form of firmware for implementing one of said methods when the computer program product runs on a computer, computer or processor.
  • the present invention can be used as a digital storage medium (for example, ROM, PROM, EPROM, EEPROM or flash memory, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blu-Ray DVD, floppy disk or hard disk) with electronically readable Control signals that may interact with a programmable computer or processor system to execute any of the described methods.
  • the present invention may be implemented as a controller, wherein the controller is configured to execute one of the described methods, or wherein the controller comprises a computer program, a computer program product or a digital storage medium, as described in US Pat preceding paragraph.
  • the present invention can be implemented as a grinding apparatus for grinding a workpiece.
  • the grinding apparatus comprises a grinding tool or a holder for a grinding tool, a rotating device for rotating the grinding tool or the holder about a rotation axis to produce a surface on the workpiece with a surface portion of the grinding tool at or near the periphery of the grinding tool.
  • the grinding device comprises a movement device for generating a relative movement of the rotation axis and the workpiece.
  • the movement device is designed such that the relative movement is a superimposition of a basic movement parallel to the surface to be generated and an oscillatory movement.
  • the grinding device described may be at least either designed to carry out one of the methods described above or comprise the control o described above.
  • Figure 1 is a schematic representation of a workpiece and a grinding tool
  • Figure 2 is a schematic representation of an oscillatory motion
  • Figure 3 is a schematic representation of an oscillatory motion
  • Figure 4 is a schematic representation of an oscillatory movement
  • Figure 5 is a schematic representation of the workpiece and the grinding tool of Figure 1;
  • Figure 6 is a schematic representation of the workpiece and the grinding tool of Figure 1;
  • Figure 7 is a schematic representation of the workpiece and the grinding tool of Figure 1;
  • Figure 8 is a schematic representation of a workpiece and a grinding tool
  • Figure 9 is a schematic representation of the workpiece and the grinding tool of Figure 8.
  • Figure 10 is a schematic representation of a relative movement
  • Figure 11 is a schematic representation of a relative movement
  • Figure 12 is a schematic representation of a relative movement
  • Figure 13 is a schematic representation of a relative movement
  • Figure 14 is a schematic representation of a relative movement
  • Figure 15 is a schematic representation of a workpiece and a Schleiftechnik- tool
  • Figure 16 is a schematic representation of a workpiece and a grinding tool
  • Figure 17 is a schematic representation of the workpiece and the grinding tool of Figure 16;
  • Figure 18 is a schematic representation of the workpiece and the grinding tool of Figure 16;
  • Figure 19 is a schematic representation of the workpiece and the grinding tool of Figure 16;
  • Figure 20 is a schematic representation of a relative movement
  • Figure 21 is another schematic representation of the movement of Figure 20;
  • Figure 22 is a schematic representation of a workpiece and a grinding tool
  • Figure 23 is a schematic representation of a workpiece and a grinding tool
  • Figure 24 is a schematic representation of degrees of freedom of a grinding device.
  • Figure 25 is a schematic representation of a grinding device.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a workpiece 30 with an original
  • a grinding tool 40 having a rotation axis 42 generates a surface 34 with its circumference 44 or a surface portion near the circumference 44 of the workpiece 30. For this purpose, a relative movement of the workpiece 30 and the rotation axis 42 of the grinding tool 40 is generated.
  • the movement of the workpiece 30 relative to the rotation axis 42 of the grinding tool 40 or the movement of the rotation axis 42 relative to the workpiece 30 is composed of a basic movement 52 and an oscillation movement 54.
  • the basic movement 52 takes place parallel to the surface 34 of the workpiece 30 to be produced. Depending on the shape of the surface 34 to be produced, the basic movement 52 takes place, for example, along a straight line or along an arbitrary curve which is predetermined by the shape of the surface 34 to be produced.
  • the oscillation movement in this example is along a straight line that is orthogonal to the direction of the base movement 52 and the surface 34 of the workpiece 30 to be generated. Deviating from this, however, the oscillation movement 54 can also take place along a straight line at an arbitrary angle to the direction of the basic movement 52 and at an arbitrary angle to the surface 34 of the workpiece 30 to be produced. Further, the oscillatory motion 54 may occur along any curve in a plane, on a spherical surface, or in any curved surface, which surface may be complete or on a line or point parallel to the basic motion 52.
  • the relative movement of the workpiece 30 and the axis of rotation 42 of the grinding tool 40 can be generated exclusively by a corresponding movement of the rotation axis 42 or with a stationary rotation axis 42 exclusively by a corresponding movement of the workpiece 30 when the workpiece 30 is at rest.
  • the relative movement may be a superposition of a movement of the workpiece 30 and a movement of the rotation axis 42.
  • the movement of the workpiece 30 corresponds to the basic movement 52
  • the movement of the rotation axis 42 corresponds to the oscillation movement 54.
  • FIGS. 2 to 4 each show a schematic time diagram of the oscillatory movement 54.
  • the abscissa is in each case assigned the time t, the ordinate in each case being assigned the coordinate y of the oscillatory movement.
  • This coordinate y is, for example, a Cartesian coordinate.
  • the surface 34 of the workpiece 30 to be generated is a plane parallel to the x-axis and to the z-axis of a Cartesian coordinate system.
  • the axis of rotation 42 of the grinding tool 40 is parallel to the z-axis
  • the basic movement 52 is parallel to the x-axis
  • the oscillatory movement 54 is parallel to the y-axis.
  • the coordinate y is, for example, an angular coordinate (see the embodiments described below with reference to Figures 22 and 23) or any coordinate along a curved curve.
  • the coordinate y oscillates between two limits y m j n and y max .
  • the oscillation movement 54 is composed of sections at constant velocity.
  • the oscillatory movements 54 shown in FIGS. 2 to 4 can have different advantages and disadvantages for different applications.
  • the oscillatory movement 54 shown in FIG. 2 In the oscillatory movement illustrated in FIG. 2, no acceleration peaks occur.
  • the oscillatory movement 54 shown in FIG. 3 is particularly easy to program, at least neglecting mass inertia.
  • At the reversal points at y min and y max particularly high acceleration peaks occur.
  • the magnitude of the speed of the oscillation movement near the lower reversal point y mm is small.
  • the thermal load on the workpiece 30 near the surface 34 to be produced may be lower than near the original surface 32
  • a higher thermal load is accepted than near the surface 34 to be produced. This simultaneously achieves an improvement in the throughput and a high quality of the surface 34 to be produced.
  • FIGs 5 to 7 each show a schematic representation of the workpiece 30 and the grinding tool 40, which have already been shown above with reference to Figure 1, in different phases of the oscillatory motion 54. Furthermore, a coolant coolant stream 60 is shown.
  • the terms “top” and “bottom” used below refer exclusively to the illustrations and do not exclude any arrangement of workpiece 30 and grinding tool 40 in the gravitational field.
  • the situation illustrated in FIG. 5 corresponds to the situation described above with reference to FIG.
  • the rotation axis 42 is located at its (lower) reversal point (y m i n ), the periphery 44 of the grinding tool 40 contacts the surface 34 to be generated.
  • the arrow 54 indicates that the rotation axis 42 starts from the position shown in FIG is removed from the workpiece.
  • FIG. 6 The result is the situation illustrated in FIG. 6, which is present for example at or close to the upper reversal point (y max ) of the oscillation.
  • the circumference 44 of the grinding tool 40 is no longer in contact with the workpiece 30.
  • a cooling lubricant stream 60 can pass, which cools the interaction zone 36.
  • the cooling lubricant flow 60 in the gap 62 is promoted by the rotation of the grinding tool 40.
  • a reverse flow of cooling lubricant may be beneficial.
  • FIG. 7 shows the situation during the downward movement of the rotation axis 42 indicated by the arrow 54. Material is removed in the interaction zone 36 between the circumference 44 of the grinding tool 40 and the workpiece 30.
  • FIGS. 8 and 9 show schematic illustrations of a further example of a relative movement of a workpiece 30 and a grinding tool 40. This example differs from the example described above with reference to FIGS. 1 to 7 in that an oscillatory movement 54 is parallel or substantially parallel to the basic movement 52 he follows. The maximum amount of the speed of the oscillation movement is higher than the (for example, constant) amount of the speed of the basic movement.
  • Figure 8 shows a phase of relative motion in which the magnitude of the velocity of the oscillatory motion is less than the magnitude of the velocity of the fundamental motion or the oscillatory motion and the fundamental motion are the same direction.
  • the abrasive tool 40 abuts the interaction zone 36 on the workpiece and material is removed in the interaction zone 36.
  • FIG. 9 shows a phase of the relative movement in which no material is removed, but a gap 62 is present between the workpiece 30 and the grinding tool 40. This has opened in a previous time interval in which the magnitude of the velocity of the oscillatory motion is greater than the magnitude of the velocity of the fundamental motion and the oscillatory motion and the fundamental motion have the opposite directions.
  • a coolant lubricant stream 60 may enter the gap 62 and cool the interaction zone 36 on the workpiece 30.
  • FIGS. 10 to 14 each show schematic diagrams of examples of the relative movement 50 during an oscillatory movement parallel to the basic movement, as described above with reference to FIGS. 8 and 9.
  • the abscissa is in each case assigned the time t, and the ordinate is assigned a coordinate x in each case.
  • the coordinate x is here a coordinate along a curve or a path of the relative movement of
  • the coordinate x may be a coordinate of a correspondingly oriented Cartesian coordinate system.
  • FIG. 10 shows an example of a relative movement 50 in which the coordinate x first increases monotonically from a value X 0 to a value x m a ⁇ during a time interval from a time t 0 to a time t 1.
  • the coordinate x of x max monotonously falls to a value x min , which is, however, greater than x 0 .
  • the coordinate x increases from x min to a value Xmax + Xmin-Xö-
  • the relative movement in the time interval between the times t 2 and t 3 thus corresponds to that around Xmm-Xo shifted relative movement in the time interval between the times to and ti.
  • a continuation for times t> t 3 is obvious.
  • FIG. 11 shows a relative movement 50 similar to that shown above with reference to FIG. 10, in which, however, a constant relative speed is present in each case between the times to, t 1 , t 2 , t 3 .
  • FIG. 12 shows a relative movement 50, which differs from that illustrated in FIG. 11 in that, in the time interval between the times U and t 2, the relative movement does not run in the opposite direction to the relative movement in the time interval between the times t 0 and t 1 , but rather the relative speed 0 is.
  • FIG. 13 shows a relative movement 50 in which the speed within the time interval between the times t 0 and t 2 is continuous, but discontinuous at the times t 0 , t 2 .
  • FIG. 14 shows a relative movement 50 in which the relative speed is continuous at all times. In contrast to the examples shown in FIGS. 10 to 13, the relative speed is also 0 at the time t 0 '.
  • the grinding tool 40 thus begins the material removal in each period of the oscillatory movement with an (at least approximately) vanishing removal rate.
  • the gap 62 shown in FIG. 9 opens at the interaction zone 60 and enables its cooling.
  • the relative movement, the material removal and thus the development of heat in the interaction zone 60 in the time interval between times tj and t 2 are each 0.
  • the thermal load of the workpiece 30 is in the interaction zone is greatly reduced.
  • the relative movement shown in FIG. 12 may be expedient, for example, if oscillation with a greater amplitude would stimulate vibrations which could cause damage or other disadvantages.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of a workpiece 30 and a grinding tool 40, which execute a relative movement 50.
  • the relative movement 50 is here in the simplest case, a superposition of a constant velocity movement along a straight line and a movement at a constant speed or at a constant angular velocity along a circle, an ellipse or other closed curve. Similar to the above mentioned in connection with Figure 1, the relative movement can be generated in several different ways. In a simple example, a constant velocity basic motion along a straight line is realized by a corresponding movement 52 of the workpiece 30, while the rotation axis 42 of the grinding tool 40 performs an oscillatory motion on an elliptical path. The amplitude of the oscillatory movement is exaggerated in FIG. 15 in relation to the size of the grinding tool 40.
  • FIGS 16 to 19 show schematic representations of the workpiece 30 and the
  • FIG. 16 shows the situation in which the axis of rotation 42 of the grinding tool 40 moves near the lower reversal point counter to the direction of the basic movement 52.
  • the periphery 44 of the grinding tool 40 is close to the surface 34 to be produced.
  • material is removed and heat is generated.
  • the axis of rotation 42 of the grinding tool 40 moves substantially perpendicular to the basic movement 52.
  • the grinding tool 40 lifts off from the workpiece 30.
  • a gap 62 is formed between the workpiece 30 and the grinding tool 44.
  • a cooling lubricant stream 60 which cools the workpiece 30 in the region of the interaction zone 36, flows through the resulting gap 62.
  • the rotation axis 42 of the grinding tool 40 is at its upper reversal point relative to the workpiece 30 and moves approximately parallel to the basic movement 52.
  • the gap 62 between the workpiece 30 and the grinding tool 40 has approximately its maximum width reached.
  • the coolant lubricant stream 60 in the gap 62 cools the workpiece 30 in the region of the interaction zone 36.
  • FIG. 20 shows two schematic diagrams of a partial movement 56 in the x-direction and a partial movement 58 in the y-direction, the superimposition of which forms an oscillatory movement in the x-y plane.
  • the abscissa is in each case assigned the time t, the ordinate is assigned the coordinate x or the coordinate y.
  • the coordinates x, y refer to a Cartesian coordinate system whose x-axis is parallel and whose y-axis is orthogonal to the surface 34 of a workpiece 30 to be generated.
  • the partial movements 56, 58 each resemble a sine or a cosine. However, the partial movement 58 in the y-direction differs from a cosine, inter alia in that, at the lower reversal point y m j n, the speed in the y-direction always disappears for a short time interval.
  • FIG. 21 shows a schematic illustration of a relative movement 50, which is produced by a superimposition of the partial movements 56, 58 in the x-direction and y-direction shown in FIG. 20 and a basic movement in the x-direction. It can be seen that the relative movement 50 runs near the lower reversal point y m i n of the partial movement 58 along straight sections which lie on a straight line and adjoin or overlap one another. This results in a surface 34 without residual ripple.
  • Both the basic movement 52 and the oscillatory movement 54 or their two partial movements 56, 58 can be generated by electric, hydraulic or other linear drives in the examples described above with reference to FIGS. 1 to 21. Alternatively, however, they may also be generated by pivoting the workpiece 30 and / or the grinding tool 40 about one or more axes.
  • FIG. 22 shows a schematic representation of a workpiece 30 and a grinding tool 40 having a rotation axis 42 and a circumference 44. witnesses a groove in the workpiece 30.
  • the rotation axis 42 is pivotable about a pivot axis 72.
  • the pivot axis 72 is, for example, perpendicular to the rotation axis 42 and to the plane of the drawing of FIG. 22 and intersects the axis of rotation 42.
  • the grinding tool 40 has a radius Rs.
  • a pivoting of the rotation axis 42 about the pivot axis 72 leads to a change in the flank or sidewall of the groove 40 produced by the grinding tool 40 in the workpiece.
  • d
  • FIG. 23 shows a schematic representation of another example of a workpiece 30 and a grinding tool 40.
  • This example differs from the example described above with reference to FIG. 22 in that, instead of the axis of rotation 42 of the grinding tool 40, the workpiece 30 is pivotable about a pivot axis 76.
  • the illustrated angle ⁇ , ß correspond to the above with reference to Figure 22 shown angles.
  • FIG. 24 shows a schematic illustration of two non-parallel pivot axes 72, 76 and an oscillatory movement 54 that can be generated by superposing two partial movements, the partial movements being pivotal movements about the first pivot axis 72 and the second pivot axis 76, respectively.
  • the pivot axes 72, 76 may be pivot axes of the grinding tool 40 and / or pivot axes of the workpiece 30.
  • the two pivot axes 72, 76 do not have to intersect.
  • FIG. 25 shows a schematic representation of a grinding device 100 and a workpiece 30.
  • the grinding device 100 comprises a grinding tool 40 with a rotary device 48 for generating a rotation of the grinding tool 40 about a rotation axis 42.
  • drives 74, 78 for example linear drives, are used Moving the workpiece 30 and the grinding tool 40 is provided.
  • a controller 80 is with the drives 74, 78 coupled to control a relative movement of the workpiece 30 and the grinding tool 40, which, as in the examples shown above with reference to Figures 1 to 24 is a superposition of a basic movement and an oscillatory movement.
  • the described methods and grinding devices are suitable both for reverse grinding and for synchronous grinding. Furthermore, they are suitable both for deep grinding (also called creeper grinding or full cut grinding) and for pendulum grinding (also referred to as surface grinding).
  • the described methods and apparatus are suitable for producing concave and convex surfaces, for example in bow grinding operations, for grinding grooves and for profile grinding.
  • the described relative movement as a superposition of a basic movement and an oscillatory movement both by a movement of the rotational axis of the grinding tool relative to the stationary workpiece and by a movement of the workpiece relative to the stationary axis of rotation of the grinding tool or by a superposition of the movement of the workpiece and a Movement of the axis of rotation of the grinding workpiece are generated.
  • the oscillatory movement can thereby run along a straight or curved curve, the curve lying in one plane or being curved three-dimensionally.
  • a curved curve can form a multi-connected manifold.
  • the oscillatory movement can for example be charged directly into the movement sequence of the workpiece and / or the axis of rotation of the grinding tool.
  • the relative movement or the movement sequence is integrated via a 2-channel control.
  • the basic movement is programmed in the first channel and the oscillation movement in the second channel.
  • the movement of the workpiece and the movement of the axis of rotation of the grinding tool can each be almost arbitrarily complex in order to achieve the described relative movement. to generate conditions.
  • the described methods and devices are therefore also suitable, inter alia, for a pendulum stroke grinding of stator or rotor blades for gas turbines or jet engines or crankshafts of reciprocating internal combustion engines.
  • the axis of rotation of the grinding tool can each be approximately parallel to the surface to be produced. Alternatively, however, the axis of rotation may also have any other acute angle to the surface to be generated.
  • the parameters of the oscillation movement can be adapted to boundary conditions of the respective application. These boundary conditions include the thermal load capacity, hardness, elasticity and other properties of the workpiece, properties of the cooling lubricant and the grinding device.
  • boundary conditions include the thermal load capacity, hardness, elasticity and other properties of the workpiece, properties of the cooling lubricant and the grinding device.
  • the surface to be produced of the workpiece can be generated by a lateral surface of a circular cylindrical grinding tool.
  • the surface to be produced may also be created by an arbitrarily shaped surface portion of the grinding tool at or near the periphery of the grinding tool.
  • the described methods and devices are thus suitable, for example, for profile grinding.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zum Schleifen eines Werkstücks (30) wird eine Relativbewegung (50) einer Rotationsachse (42) eines rotierenden Schleifwerkzeugs (40) und des Werkstücks (30) erzeugt. Die Relativbewegung (50) ist eine Überlagerung einer Grundbewegung (52) in einer Richtung parallel zu einer zu erzeugenden Oberfläche (34) des Werkstücks (30) und einer Oszillationsbewegung (54). Durch die Oszillationsbewegung (54) kann das Schleifwerkzeug (40) periodisch zumindest teilweise vom Werkstück (30) getrennt werden, so dass ein Kühl Schmiermittel (60) in den Spalt (62) zwischen Schleifwerkzeug (40) und Werkstück (30) eindringen und die Wechselwirkungszone (36) kühlen kann. Die zu erzeugende Oberfläche (34) des Werkstücks (30) wird mit einem Oberflächenabschnitt des Schleifwerkzeugs (40) an oder nahe beim Umfang (44) des Schleifwerkzeugs (40) erzeugt.

Description

Beschreibung
Schleifverfahren und Schleifvorrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schleifverfahren und eine Schleifvorrich- tung.
Eine Oberflächenbearbeitung durch Schleifen stellt einen wichtigen Bearbeitungsschritt in vielen Fertigungsverfahren dar. Unter anderem aufgrund einer immer weiter verbesserten Sensorik und immer höherer Rechenleistungen der verwendeten Steuerungen steigt die Leistungsfähigkeit von Schleifmaschinen bzw. Schleifvorrichtungen immer weiter an. Dadurch sind auch komplexe Bewegungsabläufe von Werkstück und/oder Schleifwerkzeug möglich, beispielsweise beim Pendelhubschleifen von Kurbelwellen für Hubkolben- Brennkraftmaschinen oder von Schaufeln für Gasturbinen oder Strahltriebwerke. Dadurch wird die für die Bearbeitung eines Werkstücks erforderliche Zeit kürzer und die Anzahl der Werkstücke, die mit einer Schleifvorrichtung innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer bearbeitet werden können, größer. Entsprechend sinken die Kosten pro Werkstück.
Je schneller ein Schleifvorgang abläuft, desto höher ist die thermische Leistung, die in der Wechselwirkungszone zwischen Werkzeug und Werkstück frei wird. Diese thermische Leistung muss abgeführt werden, um Schäden an Schleifwerkzeug und Werkstück zu vermeiden. Dies geschieht oft durch ein Kühlschmiermittel, mit dem Schleifwerkzeug und Werkstück gespült werden. Die durch Spülen mit einem Kühlschmiermittel erreichbare Kühlleistung wird aber dadurch beschränkt, dass die Wechselwirkungszone zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück vom Kühlschmiermittelstrom nicht erreicht wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Schleifen, ein verbessertes Computer-Programm, eine verbesserte Steuerung für eine Schleifvorrichtung und eine verbesserte Schleifvorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, einer Grundbewegung einer Rotationsachse eines Schleifwerkzeugs eine Oszillationsbewegung 5 zu überlagern. Durch die Oszillationsbewegung kann das Schleifwerkzeug periodisch zumindest teilweise vom Werkstück getrennt werden, so dass ein Kühlschmiermittel in einen Spalt zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück eindringen und die Wechselwirkungszone kühlen kann. Das Zeitspanvolumen kann dadurch beträchtlich erhöht werden. 0 Bei einem Verfahren zum Schleifen eines Werkstücks wird eine Relativbewegung einer Rotationsachse eines rotierenden Schleifwerkzeugs und des Werkstücks erzeugt, wobei die Relativbewegung der Rotationsachse eine Überlagerung einer Grundbewegung in einer Richtung parallel zu einer zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks und einer Oszillationsbewegung ist, wobei die zu erzeugende Oberfläche des Werkstücks mit einem Oberflä-5 chenabschnitt des Schleifwerkzeugs an oder nahe beim Umfang des Schleifwerkzeugs erzeugt wird.
Die Grundbewegung ist bei vielen Anwendungen zumindest abschnittsweise eine weitgehend gleichmäßige Bewegung mit einer im Wesentlichen konstanten oder nur langsam o variierten Geschwindigkeit entlang einer glatten Kurve. Die Oszillationsbewegung kann entlang einer Kurve erfolgen, die in einer Fläche, beispielsweise einer Ebene, liegt, die nicht parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche ist. Die Fläche kann parallel oder zumindest lokal bzw. momentan parallel zur Richtung der Grundbewegung sein. Ferner kann die Fläche orthogonal zu der zu erzeugenden Oberfläche sein. Die Kurve, entlang derer die 5 Oszillationsbewegung erfolgt, kann parallel zur Grundbewegung oder zumindest lokal bzw. momentan parallel zur Grundbewegung oder nicht parallel zur Grundbewegung sein.
Bei einem weiteren Verfahren zum Schleifen eines Werkstücks wird eine Relativbewegung einer Rotationsachse eines rotierenden Schleifwerkzeugs und des Werkstücks erzeugt, wo- o bei die Relativbewegung der Rotationsachse eine Überlagerung einer Grundbewegung in einer Richtung parallel zu einer zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks und einer Os- zillationsbewegung ist, wobei die Oszillationsbewegung entlang einer Kurve erfolgt, die in einer Fläche liegt, die nicht parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche ist.
Bei den beschriebenen Verfahren kann die Oszillationsbewegung entlang einer Geraden 5 erfolgen, die orthogonal, parallel oder in einem beliebigen Winkel zur Grundbewegung liegen kann. Alternativ kann die Oszillationsbewegung beispielsweise entlang einer Ellipse oder einer anderen Kurve erfolgen, die eine Fläche einschließt.
Bei allen beschriebenen Verfahren kann die Grundbewegung eine lineare Grundbewegung0 entlang einer Geraden oder einer Kurve, die parallel zur zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks liegt, sein. Die Rotationsachse kann parallel oder im Wesentlichen parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche des Werkstücks angeordnet sein. Durch eine der beschriebenen Oszillationsbewegungen kann das Schleifwerkzeug bei jeder Periode der Oszillationsbewegung von dem Werkstück teilweise oder vollständig abgehoben werden, so dass5 im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück ein Spalt entsteht, in den Kühlschmiermittel eintreten oder durch den ein Kühlschmiermittelstrom hindurch fließen kann.
Die vorliegende Erfindung ist als Verfahren oder als Computer-Programm mit Programm- o code zur Durchführung oder Steuerung eines solchen Verfahrens, wenn das Computer- Programm auf einem Computer oder einem Prozessor abläuft, implementierbar. Ferner ist die Erfindung als Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger (beispielsweise einem ROM-, PROM-, EPROM-, EEPROM- oder Flash-Speicher, einer CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blue-Ray-DVD, Diskette oder Festplatte) oder in Form von 5 Firmware gespeichertem Programmcode zur Durchführung von einem der genannten Verfahren, wenn das Computer-Programm-Produkt auf einem Computer, Rechner oder Prozessor abläuft, implementierbar. Ferner kann die vorliegende Erfindung als digitales Speichermedium (beispielsweise ROM-, PROM-, EPROM-, EEPROM- oder Flash-Speicher, CD-ROM, DVD, HD-DVD, Blue-Ray-DVD, Diskette oder Festplatte) mit elektronisch o auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem programmierbaren Computer- oder Prozessor-System zusammenwirken können, dass eines der beschriebenen Verfahren ausgeführt wird, implementiert werden. Femer kann die vorliegende Erfindung als Steuerung implementiert werden, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um eines der beschriebenen Verfahren auszuführen, oder wobei die Steuerung ein Computer-Programm, ein Computer-Programm-Produkt oder ein digita- 5 les Speichermedium umfasst, wie sie im vorangehenden Absatz beschrieben wurden.
Ferner kann die vorliegende Erfindung als Schleifvorrichtung zum Schleifen eines Werkstücks implementiert werden. Die Schleifvorrichtung umfasst ein Schleifwerkzeug oder eine Aufnahme für ein Schleifwerkzeug, eine Rotationseinrichtung zum Drehen des0 Schleifwerkzeugs oder der Aufnahme um eine Rotationsachse, um mit einem Oberflächenabschnitt des Schleifwerkzeugs an oder nahe beim Umfang des Schleifwerkzeugs eine O- berfläche an dem Werkstück zu erzeugen. Ferner umfasst die Schleifvorrichtung eine Bewegungseinrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung der Rotationsachse und des Werkstücks. Die Bewegungseinrichtung ist so ausgebildet, dass die Relativbewegung eine5 Überlagerung einer Grundbewegung parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche und einer Oszillationsbewegung ist.
Die beschriebene Schleifvorrichtung kann zumindest entweder zur Ausführung von einem der oben beschriebenen Verfahren ausgebildet sein oder die oben beschriebene Steuerung o umfassen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. 5 Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Werkstücks und eines Schleifwerkzeugs;
o Figur 2 eine schematische Darstellung einer Oszillationsbewegung;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Oszillationsbewegung; Figur 4 eine schematische Darstellung einer Oszillationsbewegung;
Figur 5 eine schematische Darstellung des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs aus Figur 1 ;
Figur 6 eine schematische Darstellung des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs aus Figur 1 ;
Figur 7 eine schematische Darstellung des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs aus Figur 1 ;
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Werkstücks und eines Schleifwerkzeugs;
Figur 9 eine schematische Darstellung des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs aus Figur 8;
Figur 10 eine schematische Darstellung einer Relativbewegung;
Figur 11 eine schematische Darstellung einer Relativbewegung;
Figur 12 eine schematische Darstellung einer Relativbewegung;
Figur 13 eine schematische Darstellung einer Relativbewegung;
Figur 14 eine schematische Darstellung einer Relativbewegung;
Figur 15 eine schematische Darstellung eines Werkstücks und eines Schleifwerk- zeugs; Figur 16 eine schematische Darstellung eines Werkstücks und eines Schleifwerkzeugs;
Figur 17 eine schematische Darstellung des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs aus Figur 16;
Figur 18 eine schematische Darstellung des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs aus Figur 16;
Figur 19 eine schematische Darstellung des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs aus Figur 16;
Figur 20 eine schematische Darstellung einer Relativbewegung;
Figur 21 eine andere schematische Darstellung der Bewegung aus Figur 20;
Figur 22 eine schematische Darstellung eines Werkstücks und eines Schleifwerkzeugs;
Figur 23 eine schematische Darstellung eines Werkstücks und eines Schleifwerkzeugs;
Figur 24 eine schematische Darstellung von Freiheitsgraden einer Schleifvorrichtung; und
Figur 25 eine schematische Darstellung einer Schleifvorrichtung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkstücks 30 mit einer ursprünglichen
Oberfläche 32. Ein Schleifwerkzeug 40 mit einer Rotationsachse 42 erzeugt mit seinem Umfang 44 oder einem dem Umfang 44 nahen Oberflächenabschnitt eine Oberfläche 34 des Werkstücks 30. Dazu wird eine Relativbewegung des Werkstücks 30 und der Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 erzeugt. Die Bewegung des Werkstücks 30 relativ zur Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 bzw. die Bewegung der Rotationsachse 42 relativ zum Werkstück 30 setzt sich aus einer Grundbewegung 52 und einer Oszillations- bewegung 54 zusammen.
Die Grundbewegung 52 erfolgt parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche 34 des Werkstücks 30. Abhängig von der Form der zu erzeugenden Oberfläche 34 erfolgt die Grundbewegung 52 beispielsweise entlang einer Geraden oder entlang einer beliebigen Kurve, die durch die Form der zu erzeugenden Oberfläche 34 vorbestimmt ist.
Die Oszillationsbewegung erfolgt in diesem Beispiel entlang einer Geraden, die zur Richtung der Grundbewegung 52 und zur zu erzeugenden Oberfläche 34 des Werkstücks 30 orthogonal ist. Abweichend davon kann die Oszillationsbewegung 54 jedoch auch entlang einer Geraden in einem beliebigen Winkel zur Richtung der Grundbewegung 52 und in einem beliebigen Winkel zur zu erzeugenden Oberfläche 34 des Werkstücks 30 erfolgen. Ferner kann die Oszillationsbewegung 54 entlang einer beliebigen Kurve in einer Ebene, auf einer Kugeloberfläche oder in einer beliebigen gekrümmten Fläche erfolgen, wobei diese Fläche vollständig oder auf einer Linie oder in einem Punkt parallel zu der Grundbe- wegung 52 sein kann.
Die Relativbewegung des Werkstücks 30 und der Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 kann bei ruhendem Werkstück 30 ausschließlich durch eine entsprechende Bewegung der Rotationsachse 42 oder bei ruhender Rotationsachse 42 ausschließlich durch eine ent- sprechende Bewegung des Werkstücks 30 erzeugt werden. Ferner kann die Relativbewegung eine Überlagerung einer Bewegung des Werkstücks 30 und einer Bewegung der Rotationsachse 42 sein. Beispielsweise entspricht die Bewegung des Werkstücks 30 der Grundbewegung 52, und die Bewegung der Rotationsachse 42 entspricht der Oszillationsbewegung 54.
Bei der Relativbewegung des Werkstücks 30 und der Rotationsachse 42 erfolgt ein Materialabtrag im Bereich einer Wechselwirkungszone 36. Dabei wird Wärme frei, die das Werkstück 30 und das Schleifwerkzeug 40 zunächst lokal an der Wechselwirkungszone 36 erwärmt.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen je ein schematisches Zeitdiagramm der Oszillationsbewegung 54. Der Abszisse ist jeweils die Zeit t zugeordnet, der Ordinate ist jeweils die Koordinate y der Oszillationsbewegung zugeordnet. Diese Koordinate y ist beispielsweise eine kartesi- sche Koordinate. In einem besonders einfachen Fall ist die zu erzeugende Oberfläche 34 des Werkstücks 30 eine Ebene parallel zur x- Achse und zur z- Achse eines kartesischen Koordinatensystems. Die Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 ist parallel zur z- Achse, die Grundbewegung 52 erfolgt parallel zur x- Achse und die Oszillationsbewegung 54 erfolgt parallel zur y- Achse. Alternativ ist die Koordinate y beispielsweise eine Winkelkoordinate (vgl. die unten mit Bezug auf die Figuren 22 und 23 beschriebenen Ausführungsbeispiele) oder eine beliebige Koordinate entlang einer gekrümmten Kurve.
Bei jeder der in den Figuren 2 bis 4 schematisch dargestellten Oszillationsbewegungen 54 oszilliert die Koordinate y zwischen zwei Grenzen ymjn und ymax. Bei dem in Figur 2 dargestellten Beispiel ist die Koordinate y als Funktion der Zeit t sinusförmig oder näherungsweise sinusförmig, (y(t) = (ymax + ymm)/2 + (ymaχ-ymiπ)/2-sin(ft/2π)). Bei dem in Figur 3 dargestellten Beispiel setzt sich die Oszillationsbewegung 54 aus Abschnitten mit konstan- ter Geschwindigkeit zusammen. Bei dem in Figur 4 dargestellten Beispiel ist die Oszillationsbewegung 54 näherungsweise darstellbar als y(t) = ymax + (ymin - ymax)"abs(cos(ft/2π)).
Die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Oszillationsbewegungen 54 können für verschiedene Anwendungen verschiedene Vor- und Nachteile aufweisen. Bei der in Figur 2 darge- stellten Oszillationsbewegung treten keine Beschleunigungsspitzen auf. Die in Figur 3 dargestellte Oszillationsbewegung 54 ist - zumindest bei Vernachlässigung von Massenträgheit - besonders einfach programmierbar. Bei den Umkehrpunkten bei ymin und ymax treten besonders hohe Beschleunigungsspitzen auf. Bei der in Figur 4 dargestellten Oszillationsbewegung 54 ist der Betrag der Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung nahe dem un- teren Umkehrpunkt ymm gering. Dadurch kann beispielsweise bei der oben anhand der Figur 1 dargestellten Geometrie die thermische Belastung des Werkstücks 30 nahe der zu erzeugenden Oberfläche 34 geringer sein als nahe der ursprünglichen Oberfläche 32. Es wird also in Bereichen nahe der ursprünglichen Oberfläche 32, die nachfolgend ohnehin zerspant werden, eine höhere thermische Belastung in Kauf genommen als nahe der zu erzeugenden Oberfläche 34. Damit ist gleichzeitig eine Verbesserung des Durchsatzes und eine hohe Qualität der zu erzeugenden Oberfläche 34 erzielbar.
Die Figuren 5 bis 7 zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Werkstücks 30 und des Schleifwerkzeugs 40, die bereits oben anhand der Figur 1 dargestellt wurden, in verschiedenen Phasen der Oszillationsbewegung 54. Ferner ist ein Kühlschmiermittelstrom 60 dargestellt. Die nachfolgend verwendeten Bezeichnungen „oben" und „unten" beziehen sich ausschließlich auf die Darstellungen und schließen eine beliebige Anordnung von Werkstück 30 und Schleifwerkzeug 40 im Gravitationsfeld nicht aus.
Die in Figur 5 dargestellte Situation entspricht der oben anhand der Figur 1 dargestellten Situation. Die Rotationsachse 42 befindet sich an ihrem (unteren) Umkehrpunkt (ymin), der Umfang 44 des Schleifwerkzeugs 40 berührt die zu erzeugende Oberfläche 34. Mit dem Pfeil 54 wird angedeutet, dass die Rotationsachse 42 ausgehend von der in Figur 5 dargestellten Lage von dem Werkstück entfernt wird.
Es resultiert die in Figur 6 dargestellte Situation, die beispielsweise am oder nahe bei dem oberen Umkehrpunkt (ymax) der Oszillation vorliegt. Der Umfang 44 des Schleifwerkzeugs 40 ist nicht mehr in Kontakt mit dem Werkstück 30. Durch einen Spalte 62 zwischen dem Werkstück 30 und dem Schleifwerkzeug 40 kann ein Kühlschmiermittelstrom 60 hindurch treten, der die Wechselwirkungszone 36 kühlt. In dem Fall von Gegenlaufschleifen wird der Kühlschmiermittelstrom 60 im Spalt 62 durch die Rotation des Schleifwerkzeugs 40 gefördert. Im Fall von Gleichlaufschleifen kann ein Kühlschmiermittelstrom in umgekehrter Richtung vorteilhaft sein.
Figur 7 zeigt die Situation während der durch den Pfeil 54 angedeuteten Abwärtsbewegung der Rotationsachse 42. In der Wechselwirkungszone 36 zwischen dem Umfang 44 des Schleifwerkzeugs 40 und dem Werkstück 30 wird Material abgetragen. Die Figuren 8 und 9 zeigen schematische Darstellungen eines weiteren Beispiels einer Relativbewegung eines Werkstücks 30 und eines Schleifwerkzeugs 40. Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem oben anhand der Figuren 1 bis 7 dargestellten Beispiel dadurch, dass eine Oszillationsbewegung 54 parallel oder im Wesentlichen parallel zur Grundbewegung 52 erfolgt. Der maximale Betrag der Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung ist dabei höher als der (beispielsweise konstante) Betrag der Geschwindigkeit der Grundbewegung.
Figur 8 zeigt eine Phase der Relativbewegung, in welcher der Betrag der Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung kleiner als der Betrag der Geschwindigkeit der Grundbewegung oder die Oszillationsbewegung und die Grundbewegung die gleiche Richtung haben. Das Schleifwerkzeug 40 liegt in der Wechselwirkungszone 36 am Werkstück an, und in der Wechselwirkungszone 36 wird Material abgetragen. Figur 9 zeigt eine Phase der Relativbewegung, in der kein Material abgetragen wird, sondern ein Spalt 62 zwischen dem Werkstück 30 und dem Schleifwerkzeug 40 vorliegt. Dieser hat sich in einem vorausge- henden Zeitintervall geöffnet, in dem der Betrag der Geschwindigkeit der Oszillationsbewegung größer als der Betrag der Geschwindigkeit der Grundbewegung ist und die Oszillationsbewegung und die Grundbewegung die entgegengesetzte Richtungen haben. Ein Kühlschmiermittelstrom 60 kann in den Spalt 62 eindringen und die Wechselwirkungszone 36 am Werkstück 30 kühlen.
Die Figuren 10 bis 14 zeigen jeweils schematische Diagramme von Beispielen der Relativbewegung 50 bei einer Oszillationsbewegung parallel zur Grundbewegung, wie sie oben anhand der Figuren 8 und 9 beschrieben wurde. Der Abszisse ist jeweils die Zeit t zugeordnet, und der Ordinate ist jeweils eine Koordinate x zugeordnet. Die Koordinate x ist hier eine Koordinate entlang einer Kurve bzw. eines Pfads der Relativbewegung von
Werkstück 30 und Schleifwerkzeug 40. Bei dem einfachen Beispiel einer ebenen zu erzeugenden Oberfläche 34 kann die Koordinate x eine Koordinate eines entsprechend ausgerichteten kartesischen Koordinatensystems sein.
Figur 10 zeigt ein Beispiel einer Relativbewegung 50, bei dem die Koordinate x zunächst während eines Zeitintervalls von einem Zeitpunkt to bis zu einem Zeitpunkt ti von einem Wert X0 bis zu einem Wert xmaχ monoton ansteigt. In einem nachfolgenden Zeitintervall vom Zeitpunkt ti bis zu einem Zeitpunkt t2 fallt die Koordinate x von xmax monoton auf einen Wert xmin, der jedoch größer ist als x0. In einem weiteren Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t2 und einem Zeitpunkt t3 wächst die Koordinate x von xmin bis zu einem Wert Xmax+Xmin-Xö- Die Relativbewegung im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 entspricht damit der um Xmm-Xo verschobenen Relativbewegung im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten to und ti. Eine Fortsetzung für Zeiten t>t3 ist offensichtlich. Die Relativbewegung 50 kann beispielsweise näherungsweise als x(t) = a + b sin(ft) + e t dargestellt werden.
Figur 11 zeigt eine Relativbewegung 50 ähnlich der oben anhand der Figur 10 dargestellten, bei der jedoch zwischen den Zeitpunkten to, ti, t2, t3 jeweils eine konstante Relativgeschwindigkeit vorliegt.
Figur 12 zeigt eine Relativbewegung 50, die sich von der in Figur 11 dargestellten dadurch unterscheidet, dass im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten U und t2 die Relativbewegung nicht in umgekehrter Richtung zu der Relativbewegung im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten to und ti verläuft, sondern die Relativgeschwindigkeit 0 ist.
Figur 13 zeigt eine Relativbewegung 50, bei der die Geschwindigkeit innerhalb des Zeitin- tervalls zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 stetig, jedoch in den Zeitpunkten to, t2 unstetig ist. Die Relativbewegung 50 kann beispielsweise näherungsweise als x(t) = a + b-abs(sin(ft)) + c-t dargestellt werden.
Figur 14 zeigt eine Relativbewegung 50, bei der die Relativgeschwindigkeit zu allen Zeit- punkten stetig ist. Im Gegensatz zu den in den Figuren 10 bis 13 dargestellten Beispielen ist außerdem zum Zeitpunkt t0' die Relativgeschwindigkeit gleich 0. Das Schleifwerkzeug 40 beginnt den Materialabtrag somit in jeder Periode der Oszillationsbewegung mit einer (zumindest näherungsweise) verschwindenden Abtragsrate.
Eine gegenüber den in den Figuren 10 und 14 gezeigten Relativbewegung verallgemeinerte Relativbewegung kann mit den Randbedingungen x(to) = Xo, x'(to) = 0, x(ti) = xmax, x'(ti) = 0, x(t2) = xmin, x'(t2) = 0, x(t3) = xmax + (xmm - X0), x'(t3) = 0, ... beschrieben werden. Hinzu können weitere Randbedingungen kommen, beispielsweise x"(to) = x"(t2). Die in Figur 14 gezeigte Relativbewegung erfüllt ferner die Randbedingung x'(to) = x'(to') = 0.
Bei jedem der in den Figuren 10, 11, 13 und 14 dargestellten Beispiele öffnet sich zum Zeitpunkt ti der in Figur 9 dargestellte Spalt 62 an der Wechselwirkungszone 60 und ermöglicht deren Kühlung.
Bei dem in Figur 12 dargestellten Beispiel sind die Relativbewegung, der Abtrag und damit die Wärmeentwicklung in der Wechselwirkungszone 60 im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten tj und t2 jeweils 0. In diesem Zeitinterfall ist die thermische Belastung des Werkstücks 30 in der Wechselwirkungszone stark verringert. Gleichzeitig erfolgt eine Kühlung durch Kühlschmiermittel, das an der Oberfläche des Schleifwerkzeugs 40 mitgenommen wird. Die in Figur 12 dargestellte Relativbewegung kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn eine Oszillation mit größerer Amplitude Vibrationen anregen würde, die Schä- den oder andere Nachteile verursachen könnten.
Figur 15 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkstücks 30 und eines Schleifwerkzeugs 40, die eine Relativbewegung 50 ausführen. Die Relativbewegung 50 ist hier im einfachsten Fall eine Überlagerung aus einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit entlang einer Geraden und einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit oder auch mit konstanter Winkelgeschwindigkeit entlang eines Kreises, einer Ellipse oder einer anderen geschlossenen Kurve. Ähnlich wie bereits oben in Zusammenhang mit Figur 1 erwähnt, kann die Relativbewegung auf mehrere verschiedene Weisen erzeugt werden. Bei einem einfachen Beispiel wird eine Grundbewegung mit konstanter Geschwindigkeit entlang ei- ner Geraden durch eine entsprechende Bewegung 52 des Werkstücks 30 realisiert, während die Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 eine Oszillationsbewegung auf einer elliptischen Bahn ausführt. Die Amplitude der Oszillationsbewegung ist in Figur 15 im Verhältnis zur Größe des Schleifwerkzeugs 40 übertrieben dargestellt.
Die Figuren 16 bis 19 zeigen schematische Darstellungen des Werkstücks 30 und des
Schleifwerkzeugs 40 in verschiedenen Phasen der oben anhand der Figur 15 beschriebenen Bewegung. Die nachfolgend verwendeten Orts- bzw. Richtungs- Angaben „links", „rechts", „oben", „unten" beziehen sich ausschließlich auf die Darstellungen in den Figuren 16 bis 19 und schließen eine andere Anordnung, eine andere Orientierung im Gravitationsfeld oder eine Spiegelung nicht aus.
In Figur 16 ist die Situation dargestellt, in der die Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 sich nahe dem unteren Umkehrpunkt entgegen der Richtung der Grundbewegung 52 bewegt. Der Umfang 44 des Schleifwerkzeugs 40 liegt nahe der zu erzeugenden Oberfläche 34. An der Wechselwirkungszone 36 wird Material abgetragen und Wärme erzeugt.
Bei der in Figur 17 dargestellten Situation bewegt sich die Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 im Wesentlichen senkrecht zur Grundbewegung 52. Das Schleifwerkzeug 40 hebt vom Werkstück 30 ab. Im Bereich der Wechselwirkungszone 36 entsteht zwischen dem Werkstück 30 und dem Schleifwerkzeug 44 ein Spalt 62. Durch den entstehenden Spalt 62 fließt ein Kühlschmiermittelstrom 60, der das Werkstück 30 im Bereich der Wechselwirkungszone 36 kühlt.
Bei der in Figur 18 dargestellten Situation befindet sich die Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 relativ zum Werkstück 30 in ihrem oberen Umkehrpunkt und bewegt sich näherungsweise parallel zur Grundbewegung 52. Der Spalt 62 zwischen dem Werk- stück 30 und dem Schleifwerkzeug 40 hat näherungsweise seine maximale Breite erreicht. Der Kühlschmiermittelstrom 60 im Spalt 62 kühlt das Werkstück 30 im Bereich der Wechselwirkungszone 36.
Bei der in Figur 19 dargestellten Situation nähert sich die Rotationsachse 42 des Schleif- Werkzeugs 40 wieder dem Werkstück 30. Die Breite des Spalts 62 nimmt ab, und der Kühlschmiermittelstrom 60 zwischen dem Werkstück 30 und dem Schleifwerkzeug 40 wird abgeschnürt.
Bei den oben anhand der Figuren 1 bis 7 und 15 bis 19 dargestellten Beispielen kann auf- grund der Oszillationsbewegung eine Restwelligkeit an der zu erzeugenden Oberfläche 34 des Werkstücks 30 verbleiben. Diese kann beispielsweise bei einem anschließenden Schlichtvorgang beseitigt werden. Bei den oben anhand der Figuren 8 bis 14 dargestellten Beispielen erzeugt die Oszillationsbewegung parallel zur Grundbewegung keine oder nur eine geringe Restwelligkeit. Außerdem kann ein Schlichten während des Rückzugs der Rotationsachse 42 im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten ti und t2 sowie unmittelbar anschließend erfolgen.
Die Figur 20 zeigt zwei schematische Diagramme einer Teilbewegung 56 in x-Richtung und einer Teilbewegung 58 in y-Richtung, deren Überlagerung eine Oszillationsbewegung in der x-y-Ebene bildet. Der Abszisse ist jeweils die Zeit t zugeordnet, der Ordinate ist die Koordinate x bzw. die Koordinate y zugeordnet. Beispielsweise beziehen sich die Koordi- naten x, y auf ein kartesisches Koordinatensystem, dessen x- Achse parallel und dessen y- Achse orthogonal zur zu erzeugenden Oberfläche 34 eines Werkstücks 30 sind.
Die Teilbewegungen 56, 58 ähneln jeweils einem Sinus- bzw. einem Kosinus. Die Teilbewegung 58 in y-Richtung unterscheidet sich von einem Kosinus jedoch u.a. darin, dass bei dem unteren Umkehrpunkt ymjn die Geschwindigkeit in y-Richtung jeweils für ein kurzes Zeitintervall verschwindet.
Figur 21 zeigt eine schematische Darstellung einer Relativbewegung 50, die durch eine Überlagerung der in Figur 20 dargestellten Teilbewegungen 56, 58 in x-Richtung und y- Richtung sowie einer Grundbewegung in x-Richtung entsteht. Es ist erkennbar, dass die Relativbewegung 50 nahe dem unteren Umkehrpunkt ymin der Teilbewegung 58 entlang gerader Abschnitte verläuft, die auf einer Geraden liegen und an einander angrenzen oder einander überlappen. Es resultiert eine Oberfläche 34 ohne Restwelligkeit.
Sowohl die Grundbewegung 52 als auch die Oszillationsbewegung 54 bzw. deren beide Teilbewegungen 56, 58 können bei den oben anhand der Figuren 1 bis 21 dargestellten Beispielen durch elektrische, hydraulische oder andere Linearantriebe erzeugt werden. Alternativ können sie jedoch auch durch Schwenken des Werkstücks 30 und/oder des Schleifwerkzeugs 40 um eine oder mehrere Achsen erzeugt werden.
Figur 22 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkstücks 30 und eines Schleifwerkzeugs 40 mit einer Rotationsachse 42 und einem Umfang 44. Das Schleifwerkzeug 40 er- zeugt im Werkstück 30 eine Nut. Die Rotationsachse 42 ist um eine Schwenkachse 72 schwenkbar. Die Schwenkachse 72 ist beispielsweise senkrecht zur Rotationsachse 42 und zur Zeichenebene der Figur 22 und schneidet die Rotationsachse 42. Das Schleifwerkzeug 40 hat einen Radius Rs. Der Abstand zwischen der Ebene, die durch die von der Schwenk- achse 72 abgewandten Kante des Umfangs 44 des Schleifwerkzeugs 40 definiert ist, von der Schwenkachse 72 beträgt L. Der Abstand der von der Schwenkachse 72 abgewandten Kante des Umfangs 44 des Schleifwerkzeugs 40 vom Schnittpunkt der Schwenkachse 72 und der Rotationsachse 42 beträgt Leff = sqrt(L • L + R5 Rs). Ferner wird ein Winkel ß=arctan(Rs/L) definiert.
Ein Schwenken der Rotationsachse 42 um die Schwenkachse 72 führt zu einer Veränderung der Flanke bzw. Seitenwand der vom Schleifwerkzeug 40 im Werkstück 30 erzeugten Nut. Als Maß für die durch ein Schwenken der Rotationsachse 42 um einen Winkel α um die Schwenkachse 72 erzeugte Formabweichung kann d = |Leff cos(ß-α) - Leff- cos(ß)| = |Lefr(cos(ß-α) - cos(ß))| ~ |Leff α-sin(ß)| berechnet werden. Je kleiner α ist und je kleiner ß ist, desto geringer ist die Formabweichung d. Bei vielen Anwendungen ist es jedoch vorteilhaft, die Amplitude α der Oszillationsbewegung zumindest so groß zu wählen, dass das Schleifkorn vollständig von dem Werkstück abgehoben wird, so dass sich zwischen dem Werkstück 30 und dem Schleifwerkzeug 40 ein Kühlschmiermittelstrom ausbilden kann.
Bei einer Korngröße k = 250 μm und L = 250 mm muss α = arctan(k/L) = arc- tan(0,250/250) = 0,056° betragen. Bei einem Radius R5 des Schleifwerkzeugs 40 Rs = 50 mm betragen ß = 11,5° und d = 50 μm. Bei entsprechend negativer Vorpositionierung des Schleifwerkzeugs 40 kann dann eine Toleranz von etwa +/- 25 μm eingehalten werden. Dies reicht zur Anfertigung fertigungstechnisch anspruchsvoller Bauteile.
Figur 23 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels eines Werkstücks 30 und eines Schleifwerkzeugs 40. Dieses Beispiel unterscheidet sich von dem oben anhand der Figur 22 dargestellten Beispiel dadurch, dass anstelle der Rotationsachse 42 des Schleifwerkzeugs 40 das Werkstück 30 um eine Schwenkachse 76 schwenkbar ist. Die dargestellten Winkel α, ß entsprechen den oben anhand der Figur 22 dargestellten Winkeln.
Wenn der Abstand zwischen der Rotationsachse 42 und der Schwenkachse 76 Rs beträgt, gilt ß = 0, Leff = L und die Formabweichung liegt bei den oben angegebenen Parametern bei d < 1 μm. Damit wird die Wiederholgenauigkeit vieler marktüblicher Werkzeugmaschinen bereits deutlich unterschritten. Die hier beschriebene Überlagerung der Grundbewegung durch eine zu dieser orthogonale oder zumindest teilweise orthogonale Oszillation hat dann keine wirksamen Nachteile bezüglich der Formgenauigkeit mehr zur Folge.
Bei den anhand der Figuren 22 und 23 dargestellten Beispielen spielt es keine Rolle, ob das Werkstück 30 gegenüber dem Schleifwerkzeug 40 bewegt wird, oder ob das Schleifwerkzeug 40 gegenüber dem Werkstück 30 bewegt wird. Kinematisch sind beide Szenarien äquivalent. Entscheidend ist lediglich die Lage der Schwenkachse der Relativbewegung. Eine das Schleifwerkzeug berührende Fläche (bei den anhand der Figuren 22 und 23 dargestellten Beispielen die Seitenwände der im Werkstück 30 erzeugten Nut) wird an einem vorbestimmten Punkt durch die Oszillationsbewegung in erster Näherung nicht beeinträchtigt, wenn die Normale der Fläche in dem vorbestimmten Punkt die Schwenkachse schneidet.
Figur 24 zeigt eine schematische Darstellung zweier nicht paralleler Schwenkachsen 72, 76 und einer Oszillationsbewegung 54, die durch Überlagerung zweier Teilbewegungen erzeugt werden kann, wobei die Teilbewegungen Schwenkbewegungen um die erste Schwenkachse 72 bzw. die zweite Schwenkachse 76 sind. Die Schwenkachsen 72, 76 kön- nen Schwenkachsen des Schleifwerkzeugs 40 und/oder Schwenkachsen des Werkstücks 30 sein. Die beiden Schwenkachsen 72, 76 müssen sich nicht schneiden.
Figur 25 zeigt eine schematische Darstellung einer Schleifvorrichtung 100 und eines Werkstücks 30. Die Schleifvorrichtung 100 umfasst ein Schleifwerkzeug 40 mit einer Ro- tationseinrichtung 48 zum Erzeugen einer Rotation des Schleifwerkzeugs 40 um eine Rotationsachse 42. Ferner sind Antriebe 74, 78, beispielsweise Linearantriebe, zum Bewegen des Werkstücks 30 und des Schleifwerkzeugs 40 vorgesehen. Eine Steuerung 80 ist mit den Antrieben 74, 78 gekoppelt, um eine Relativbewegung des Werkstücks 30 und des Schleifwerkzeugs 40 zu steuern, die wie bei den oben anhand der Figuren 1 bis 24 dargestellten Beispielen eine Überlagerung einer Grundbewegung und einer Oszillationsbewegung ist.
Die beschriebenen Verfahren und Schleifvorrichtungen sind sowohl für ein Gegenlauf- schleifen als auch für ein Gleichlaufschleifen geeignet. Ferner sind sie sowohl zum Tiefschleifen (auch als Kriechgangschleifen oder Vollschnittschleifen bezeichnet) als auch zum Pendelschleifen (auch als Flachschleifen bezeichnet) geeignet. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind zur Erzeugung konkaver und konvexer Oberflächen, beispielsweise in Bogenschleifoperationen, zum Schleifen von Nuten und zum Profil- schleifen geeignet.
Wie bereits erwähnt kann die beschriebene Relativbewegung als Überlagerung einer Grundbewegung und einer Oszillationsbewegung sowohl durch eine Bewegung der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs gegenüber dem ruhenden Werkstück als auch durch eine Bewegung des Werkstücks gegenüber der ruhenden Rotationsachse des Schleifwerkzeugs oder auch durch eine Überlagerung der Bewegung des Werkstücks und eine Bewegung der Rotationsachse des Schleifwerkstücks erzeugt werden.
Die Oszillationsbewegung kann dabei entlang einer geraden oder gekrümmten Kurve verlaufen, wobei die Kurve in einer Ebene liegen oder dreidimensional gekrümmt sein kann. Eine gekrümmte Kurve kann eine mehrfach zusammenhängende Mannigfaltigkeit bilden.
Die Oszillationsbewegung kann beispielsweise direkt in den Bewegungsablauf des Werkstücks und/oder der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs verrechnet werden. Alternativ wird die Relativbewegung bzw. der Bewegungsablauf über eine 2-Kanalsteuerung integriert. Dabei werden im ersten Kanal die Grundbewegung und im zweiten Kanal die Oszillationsbewegung programmiert.
Die Bewegung des Werkstücks und die Bewegung der Rotationsachse des Schleifwerkzeugs können jeweils nahezu beliebig komplex sein, um die beschriebenen Relativbewe- gungen zu erzeugen. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen sind deshalb unter anderem auch für ein Pendelhubschleifen von Stator- oder Rotorschaufeln für Gasturbinen oder Strahltriebwerke oder von Kurbelwellen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen geeignet.
Bei den oben anhand der Figuren dargestellten Beispielen kann die Rotationsachse des Schleifwerkzeugs jeweils näherungsweise parallel zur zu erzeugenden Oberfläche sein. Alternativ kann die Rotationsachse jedoch auch einen beliebigen anderen spitzen Winkel zur zu erzeugenden Oberfläche aufweisen.
Die Parameter der Oszillationsbewegung können an Randbedingungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Zu diesen Randbedingungen zählen die thermische Belastbarkeit, die Härte, die Elastizität und andere Eigenschaften des Werkstücks, Eigenschaften des Kühlschmiermittels und der Schleifvorrichtung. Bei den oben anhand der Figuren darge- stellten Beispielen sind Oszillationsfrequenzen von bis zu 10 Hz, auf besonders leistungsfähigen oder für diese Verfahren optimierten Schleifvorrichtungen auch bis zu 50 Hz und darüber erreichbar.
Bei den oben anhand der Figuren dargestellten Beispielen kann die zu erzeugenden Ober- fläche des Werkstücks durch eine Mantelfläche eines kreiszylindrischen Schleifwerkzeugs erzeugt werden. Alternativ kann die zu erzeugende Oberfläche jedoch auch durch einen beliebig geformten Oberflächenabschnitt des Schleifwerkzeugs an oder nahe beim Umfang des Schleifwerkzeugs erzeugt werden. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen eignen sich damit beispielsweise auch für ein Profilschleifen.
Bezugszeichenliste
30 Werkstück
32 ursprüngliche Oberfläche des Werkstücks 30
34 zu erzeugende Oberfläche des Werkstücks 30
36 Wechselwirkungszone
40 Schleifwerkzeug
42 Rotationsachse des Schleifwerkzeugs 40
44 Umfang des Schleifwerkzeugs 40
48 Rotationseinrichtung
50 Relativbewegung von Rotationsachse 42 und Werkstück 30
52 Grundbewegung der Rotationsachse 42
54 Oszillationsbewegung
56 Teilbewegung in x-Richtung
58 Teilbewegung in y-Richtung
60 Kühlschmiermittelstrom
62 Spalt
72 Schwenkachse
74 Antrieb
76 Schwenkachse
78 Antrieb
80 Steuerung
100 Schleifvorrichtung

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zum Schleifen eines Werkstücks (30), mit folgendem Schritt:
5 Erzeugen einer Relativbewegung (50) einer Rotationsachse (42) eines rotierenden
Schleifwerkzeugs (40) und des Werkstücks (30), wobei die Relativbewegung (50) eine Überlagerung einer Grundbewegung (52) in einer Richtung parallel zu einer zu erzeugenden Oberfläche (34) des Werkstücks (30) und einer Oszillationsbewegung (54) ist, 0 wobei die zu erzeugende Oberfläche (34) des Werkstücks (30) mit einem Oberflächenabschnitt des Schleifwerkzeugs (40) an oder nahe beim Umfang (44) des Schleifwerkzeugs (40) erzeugt wird. 5
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oszillationsbewegung (54) entlang einer
Kurve erfolgt, die in einer Fläche liegt, die nicht parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche (34) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Oszillationsbewegung (54) entlang einer o Kurve erfolgt, die in einer Ebene liegt, die nicht parallel zu der zu erzeugenden
Oberfläche (34) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oszillationsbewegung (54) entlang einer Kurve erfolgt, die in einer Fläche liegt, die zumindest lokal parallel zur Richtung 5 der Grundbewegung (52) und orthogonal zu der zu erzeugenden Oberfläche (34) ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Oszillationsbewegung (54) entlang einer Kurve erfolgt, die nicht parallel zur Grundbewegung0 (52) ist.
6. Verfahren zum Schleifen eines Werkstücks (30), mit folgendem Schritt:
Erzeugen einer Relativbewegung (50) einer Rotationsachse (42) eines rotierenden Schleifwerkzeugs (40) und des Werkstücks (30), wobei die Relativbewegung (50) 5 eine Überlagerung einer Grundbewegung (52) in einer Richtung parallel zu einer zu erzeugenden Oberfläche (34) des Werkstücks (30) und einer Oszillationsbewegung (54) ist,
wobei die Oszillationsbewegung (54) entlang einer Kurve erfolgt, die in einer Flä-0 che liegt, die nicht parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche (34) ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Oszillationsbewegung (54) entlang einer Geraden erfolgt. 5
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Oszillationsbewegung (54) entlang einer Geraden orthogonal zur Grundbewegung (52) erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oszillationsbewegung (54) entlang einer 0 Geraden parallel zur Grundbewegung (52) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Oszillationsbewegung (54) entlang einer Ellipse erfolgt.
5 11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Grundbewegung (52) eine lineare Grundbewegung ist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Rotationsachse (42) im Wesentlichen parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche (34) des Werk- o Stücks (30) angeordnet ist.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Schleifwerkzeug (40) bei jeder Periode der Oszillationsbewegung (54) von dem Werkstück (30) abgehoben wird.
14. Computer-Programm mit Programmcode zur Durchführung oder Steuerung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wenn das Computer- Programm auf einem Computer oder einem Prozessor abläuft.
15. Steuerung (80) für eine Schleifvorrichtung (100) zum Schleifen eines Werkstücks (30), wobei die Steuerung (80) ausgebildet, um eine Schleifvorrichtung (100) entsprechend einem Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche zu steuern.
16. Schleifvorrichtung (100) zum Schleifen eines Werkstücks (30), mit: einem Schleifwerkzeug (40) oder einer Aufnahme für ein Schleifwerkzeug (40);
einer Rotationseinrichtung (48) zum Drehen des Schleifwerkzeugs oder der Aufnahme um eine Rotationsachse (42), um mit einem Oberflächenabschnitt des Schleifwerkzeugs (40) an oder nahe beim Umfang (44) des Schleifwerkzeugs (40) eine Oberfläche (34) an dem Werkstück (30) zu erzeugen;
einer Bewegungseinrichtung (74, 78) zur Erzeugung einer Relativbewegung (50) der Rotationsachse (42) und des Werkstücks (30),
wobei die Bewegungseinrichtung (74, 78) so ausgebildet ist, dass die Relativbewegung eine Überlagerung einer Grundbewegung (52) parallel zu der zu erzeugenden Oberfläche (34) und einer Oszillationsbewegung (54) ist.
17. Schleifvorrichtung (100) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Schleif- Vorrichtung (100) zumindest entweder zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist oder eine Steuerung (80) nach Anspruch 15 umfasst.
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