DE19626879A1 - Verfahren zur Vermeidung von Überbeanspruchung des Werkstücks oder der Schleifscheibe beim Schleifen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dem Trend zu qualitativ hochwertigen Bauteilen mit immer höherer Präzision und Formgenauigkeit folgend, kommt dem Schleifen von Zahnrädern als Feinbearbeitungs­ verfahren eine immer größere Bedeutung zu.

Aufgabe des Schleifens ist zumeist, durch das Abnehmen von Härteverzügen, dem sogenannten Aufmaß, bei Zahnrädern die endgültige Form mit höchstens im Mikrometerbereich liegenden Abweichungen zu erzeugen. Dabei erfordern Wirtschaftlichkeitsüberlegungen eine Durchführung des Schleifvorgangs in möglichst kurzer Zeit. Die Erhöhung des bezogenen Zeitspanvolumens, d. h. die Erhöhung des abgenommenen Volumens an Werkstückmaterial pro Zeit und pro Schleifscheibenbreite und damit die eingebrachte Energie pro Zeit und Volumen Werkstückmaterials, wird begrenzt durch thermische Gefügeänderungen im Werkstück, dem sogenannten Schleifbrand oder Heißbrand, welche ab dem Erreichen bestimmter hoher lokaler und kurzfristiger Temperaturen entstehen.

Trotz optimaler Kühlung oder sehr guter Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes kann Schleifbrand auftreten, da ein großer Teil der von einem Schleifkorn eingebrachten Energie mittels Verformungsenergie in bis zu einigen Hundertstel Millimetern tief liegenden Schichten zugeführt wird. Selbstverständlich erhöht sich die Gefahr von Schleifbrand bei ungenügender Kühlung, bei niedriger Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien oder bei mit Abrieb zugesetzter Schleifscheibe. Des weiteren ist aus dem Profilschleifen bekannt, daß die Temperatur der Schleifscheibe während des Hubes ansteigt, so daß bei zunehmender Hublänge sich auch die Gefahr von Schleifbrand erhöht.

Des weiteren sind als Ursachen fehlerhafte Montage der Bauteile und des Werkstücks zu nennen sowie sonstige, auch im Toleranzbereich liegende Abweichungen.

Da die für die Schleifbrandüberwachung eingesetzten Verfahren, z. B. die Nitalätzung, aufwendig sind und erst nach dem Schleifvorgang durchgeführt werden können, ist es wünschenswert, ein Überwachungs- oder Regelsystem zu erarbeiten, das den Schleifbrand vermeidet.

Aus DE-PS 40 25 552 ist ein Verfahren bekannt, das - allerdings äußerst ungenau - die Temperaturerhöhung der Arbeitsfläche detektiert und mit einem Referenzwert vergleicht. Dieser Referenzwert wird zuvor aus Schleifversuchen mit auftretendem Schleifbrand ermittelt.

Ebenso ungenau, aufwendig und für den Einsatz in der industriellen Praxis ungeeignet sind Messungen der geometrischen Formänderung des Werkstückes.

Aus DE 43 18 102 A1 ist ein - allerdings integrales - Verfahren bekannt, das über die Bestimmung der Änderung der Winkelgeschwindigkeit der Schleifscheibe und eines Referenzwertes, welcher aus einem Schleifvorgang ermittelt wird, bei dem Schleifbrand aufgetreten ist, die Schleifbrandgefahr erkennt und den Vorschub herabregelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vermeidung von Überbeanspruchung des Werkstücks oder der Schleifscheibe beim Schleifen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, mit dem eine zuverlässige Erkennung von Schleifbrand unter Berücksichtigung des Zustandes der Schleifscheibe erreicht wird. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Der Lösung dieser Aufgabe liegt die Idee zugrunde, daß die von der Schleifscheibe ins Werkstück eingebrachte eingebrachte Energie mittels Ultraschalldetektion gemessen werden kann, wobei aber der Zustand der Schleifscheibe berücksichtigt werden muß.

Untersuchungen haben ergeben, daß bei Kontakt eines Schleifkorns der Schleifscheibe mit der Werkstückoberfläche Ultraschallsignale ausgesendet werden.

Verschiedene physikalische Prozesse wie Eintrittsstoß, plastische Verformung, Freiflächenreibung, Spanabhebung, Abnutzung und Ausbrechen eines Korns aus der Schleifscheibe bedingen dieses Aussenden von spezifischem Ultraschall bis zu einigen MHz. Die vom jeweiligen Prozeß eingebrachte Energie verursacht eine kurzfristige lokale Erwärmung des Werkstückes. Gute Kühlung mit Öl, der Verminderung der Reibung wegen besser als Kühlschmierstoff bezeichnet, verbessert das Abfließen der Wärme und vermindert das Körperschallgeräusch deutlich. Bei fehlender Kühlung hingegen ist der Schleifbrand schneller erreicht, da sich die entstandene Wärme aufstaut. Die in Bezug auf die eingebrachte Energie bedeutendsten Prozesse sind die bei der Spanabhebung auftretenden Freiflächenreibung, Verdrängung und Verformung.

Der entstandene Ultraschall breitet sich über das gesamte Werkstück in Form von Oberflächen- und Volumenwellen aus, wobei jeweils verschiedene, auch von der Seismik her bekannte Wellenformen sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausbreiten.

Das burst-artige Signal eines Schleifkorn-Kontakt-Ereignisses wird dabei durch Reflexionen und durch die Ausbreitung mit verschiedenen Geschwindigkeiten vervielfacht und durch Dispersion, Störstellen bzw. die Zahnradgeometrie verändert.

Verschieden starker Körperschall ergibt sich auch durch die Art des Korneinschlages ins Werkstück. Im Normalfall tangiert die Kreisbewegung des Korns die Werkstückoberfläche. Beim Profilschleifen oder Flachschleifen ist jedoch bekannt, daß beim Eintritt der Schleifscheibe ins Material eine deutliche Erhöhung des Körperschalls zu beobachten ist, die ihre Ursache in dem schlagartigen Eintreffen des Korns in die Stirnseite des Werkstücks hat.

Im Mittel geben diese Ultraschall-Bursts die mittlere eingebrachte Energie an. Allerdings treffen die Schleifkörner mit einer so hohen Frequenz auf die Werkstückoberfläche auf, daß die Ultraschallsignale überlagert werden. Da im hörbaren Frequenzbereich und auch bis 100 kHz störende Maschinengeräusche auftreten, muß der von den üblicherweise als Piezoelemente ausgeführten Sensoren detektierte Schall hochpaßgefiltert werden.

Des weiteren ist die Kennlinie dieser Piezoelemente nicht linear. Daher muß mit Hilfe einer Referenzmessung das Meßsignal korrigiert werden. Die Piezo-Sensoren sind in verschiedenen Bauformen - und auch mit berührungsloser Signalübertragung - erhältlich und können am Werkstück oder an der Schleifspindel eingebracht werden.

Das verstärkte, gefilterte, bzw. in verschiedene Frequenzbänder aufgespaltene, und korrigierte Signal wird einer Signal- und Datenverarbeitungsanlage zugeführt, die in der Lage ist, statistische Größen wie beispielsweise gleitende Mittelwerte und Standardabweichungen des Signals - auch für die verschiedenen Frequenzbänder - zu ermitteln und die momentanen geometrischen Positionen der Schleifscheibe kennt.

Ziel des Verfahrens ist, den Vorschub so zu steuern, daß er möglichst groß ist, aber kein Schleifbrand auftritt und darüber hinaus die Oberflächenfehler im gewünschten Hochpräzisionsbereich bleiben.

Die Signal- und Datenverarbeitungsanlage steuert den Vorschub mittels Beeinflussung der für die Wälzbewegung und den Hub der Schleifscheibe zuständigen Motoren. Zur Vermeidung von fehlerhaften Einflüssen der Netzschwankungen wird der Motorstrom der Antriebsspindel gemessen und der Meßwert der Signal- und Datenverarbeitungsanlage zugeführt.

Des weiteren ist es vorteilhaft, die geometrischen Positionen von der Maschinensteuerung der Signal- und Datenverarbeitungsanlage zuzuführen, da auf diese Weise z. B. das Regelsystem ausgeschaltet werden kann, wenn kein Kontakt von Schleifscheibe und Werkstück vorliegt, oder der Vorschub auf einen maximalen Wert begrenzt werden kann, wenn z. B. sehr wenig Ultraschall auftritt und deshalb die Regelung auf den maximal möglichen Vorschub regeln würde.

Dieser maximale Wert wird idealerweise abhängig von der geometrischen Position und dem Vorschub bestimmt, indem Größe und Lage der Berührfläche der Schleifscheibe theoretisch ermittelt werden und diese Werte in Zusammenhang mit der zugehörigen Ultraschallmenge, bzw. Intensität in den verschiedenen Frequenzbändern, gebracht werden.

Eine mit Abrieb zugesetzte Schleifscheibe kann jedoch das Auftreten des Schleifbrandes beschleunigen, da die eingebrachte Energie in Form von Wärme schlechter abfließen kann. Der diesbezügliche Zustand der Schleifscheibe kann durch die Signal- und Datenverarbeitungsanlage zusätzlich überwacht werden, wobei gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Sensor möglichst nahe an der Schleifscheibe, z. B. an der Schleifspindel angebracht wird. Bei zunehmender Zusetzung der Schleifscheibe mit Abrieb regelt die Signal- und Datenverarbeitungsanlage den Vorschub herunter, da ansonsten das Schleifbrandrisiko steigen würde.

Es gibt nun verschiedene Verfahren zur Durchführung des Schleifens bei Zahnrädern.

Besonders sind hierbei das Profilschleifverfahren und das Teilwälzschleifverfahren zu nennen, die beide als Einflanken- oder Zweiflankenverfahren ausgeführt werden können. Beim Einflankenverfahren besteht nur Berührung an einer Flanke bzw. an einem "Punkt", genauer: an einem kleinen Berührflächenelement.

Beim Zweiflankenverfahren besteht Berührung an beiden Flanken bzw. an zwei "Punkten" und es wird die von der Schleifscheibe eingebrachte Energie auf die rechte und linke Flanke verteilt; der Ultraschall von beiden Flanken wird jedoch überlagert.

Daher muß in diesem Fall der Signal- und Datenverarbeitungsanlage ein zusätzliches Meßsignal, das die Verteilung der Energie auf die beiden Flanken ermittelt, zugeführt werden.

Dieses zusätzliche Meßsignal kann man durch Messen des Drehmomentes des Teilapparates erhalten. Übliche Sensoren dafür sind Dehnungsmeßstreifen, die an der Oberfläche der Halterung aufgebracht werden oder eine Meßwelle für Drehmomente, die zwischen Halterung und Zahnrad angebracht wird.

Alternativ dazu kann auch der Strom des Teilapparates, der Lageregelung für das Zahnrad, bzw. der Strom der die Wälzbewegung antreibenden Motoren als Meßgröße verwendet werden.

In der Bearbeitungsmaschine arbeitet das Regelsystem folgendermaßen:

Zunächst wird ein neues Zahnrad eingelegt. Der einzustellende Vorschub wird deutlich unterhalb des kritischen Schwellwertes für Schleifbrand gewählt. Der Vorschub wird dann von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage auf eine solche Weise erhöht oder zurückgenommen, daß ein genügend großer Abstand zum kritischen Schwellwert für Schleifbrand bestehen bleibt, dabei aber der Vorschub möglichst groß ist, abhängig von der ins Werkstück abgegebenen Ultraschallemission und abhängig von den den Zustand der Schleifscheibe angebenden Kenngrößen der Ultraschallemission.

Gleichzeitig berücksichtigt diese Regelung im Falle des Zweiflankenverfahrens die unsymmetrische Kraft- und damit auch Energieverteilung mittels der durch die Dehnungsmeßstreifen, Drehmomentenmeßwelle oder die Stromerfassung des Teilapparates bzw. des die Wälzbewegung antreibenden Motors erfaßten Meßwerte.

Bei mit Abrieb zugesetzter Schleifscheibe kann auch eine Reinigungsphase gestartet werden, die aus einer Erniedrigung des Vorschubes für eine gewisse Zeit besteht. Danach wird der Vorschub wieder erhöht.

Durch das hier beschriebene Regelsystem werden die durch das sich ändernde Aufmaß bedingten Schwankungen der abgetragenen Menge an Werkstückmaterial verringert und somit auch die Schwankungen der eingebrachten Menge Energie pro Volumen Abtrag.

Daher kann der mittlere Vorschub größer gewählt werden als ohne das hier beschriebene Verfahren. Die oben beschriebene Berücksichtigung des Zustandes der Schleifscheibe ergibt einen zusätzlichen Zeitgewinn in der Fertigung.

Analog zur hier beschriebenen Vorschubregelung beim Schleifen eines Werkstückes kann auch beim Abrichten der Vorschub geregelt werden, wobei nicht die Gefahr des Schleifbrandes sondern die Gefahr der Überlastung des Abrichters, der meist aus Diamant besteht, besteht.

Der Körperschall ist in diesem Fall eine Funktion der Geometrie des Abrichters und der Schleifscheibe sowie der Geschwindigkeiten und des bezogenen Zerspanvolumens.

Anhand der Fig. 1 soll die Erfindung und ihr Einsatzbereich kurz dargestellt werden:

Es zeigt Fig. 1 eine Profilschleifmaschine mit Schleifscheibe 2, Abrichter und Werkstück 5 samt Werkstückaufnahme 6, die auch als Teilapparat bezeichnet wird. Beim dem hier beschriebenen Profilschleifen führt das Zahnrad 2 und die Werkstückaufnahme 6 eine Hubbewegung aus, so daß das Profil der Schleifscheibe auf das Werkstück aufgebracht wird.

Der Körperschall, der beim Schleifen des Zahnrades 2 entsteht, wird möglichst nahe am Entstehungsort und mit konstanter Entfernung von diesem aufgenommen, damit ein möglichst gutes Signal-Rauschverhältnis vorliegt. Der Körperschallsensor 3 sitzt im dargestellten Fall nahe auf dem drehenden Flansch. Üblicherweise wird er in einer kombinierten Anordnung zusammen mit dem Auswuchtgerät aufgebaut. Der Sender für die Körperschallmeßsignalübertragung wird gleichfalls dort 3 mitintegriert. Der Empfänger für die Körperschallmeßsignalübertragung 4 ist mit einer Halterung 1 am Schleifschlitten befestigt. Hier nicht geigt sind die Kabelführung und die Signal- und Datenverarbeitungsanlage, die den Vorschub errechnet und den einzustellenden Wert an die Steuerung der Maschine übergibt.

Die Erfindung erschöpft sich nicht in den hier aufgeführten Anordnungen. Sie beinhaltet auch alle dem Fachmann geläufigen Abwandlungen, die auf der grundsätzlichen Idee der Erfindung aufbauen.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Parameter lassen sich den dargestellten wesentlichen Bauteilen von Schleifmaschinen entweder auf den vorgeschlagenen Wegen oder mit dem Fachmann geläufigen Maßnahmen erzielen, ohne daß es dafür einer genaueren Darstellung in den Zeichnungen bedarf. Komponenten der Meßwertaufnahme wird der Fachmann so an den Maschinen anordnen, daß er unter Berücksichtigung der erwarteten und oben dargestellten Beanspruchungen plausible Meßgrößen erhält, die er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einsetzt.

Claims (20)

1. Verfahren zur Vermeidung von Überbeanspruchung des Werkstücks oder der Schleifscheibe beim Schleifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallemission am Werkstück oder an der Schleifspindel gemessen wird und daraus ein Maß für die instantane lokale Maximaltemperatur im Werkstück und für den Zustand der Schleifscheibe ermittelt wird, dieses Maß mit einem den Schleifbrand charakterisierenden Referenzwert verglichen wird und daraus ein Wert für die Einstellung des Vorschubes der Schleifmaschine.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Warneinrichtung Schleifbrand angezeigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Warneinrichtung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Warneinrichtung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine kombinierte, optisch akustische Warneinrichtung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallemission mit Sensoren, die nach dem Piezoeffekt arbeiten, ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallemission mit Sensoren, die nach optischen Prinzipien arbeiten, ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallemission mit Sensoren, die nach magnetischen Prinzipien arbeiten, ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallemission mit Sensoren, die nach elektrischen Prinzipien arbeiten, ermittelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Sensoren von einer Signal- und Datenverarbeitungsanlage ausgewertet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal- und Datenverarbeitungsanlage derart mit der Schleifmaschine verbunden ist, daß in die Vorschubregelung von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage eingegriffen werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Schwankungen der Netzspannung ermittelt werden und von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage bei der Regulierung berücksichtigt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal- und Datenverarbeitungsanlage die geometrischen Positionen der Schleifmaschine übermittelt werden und in der Regelung der Schleifmaschine berücksichtigt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Signal- und Datenverarbeitungsanlage die Werkstückdaten übermittelt werden und in der Regelung und in der Regelung der Schleifmaschine berücksichtigt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Vorschubes von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage so durchgeführt wird, daß auf einen Referenzwert hin geregelt wird und der für Schleifbrand charakteristische, gegebenenfalls um einen Sicherheitsfaktor veränderte, Schwellwert nicht überschritten wird.

16. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Schleifmaschine, die mit einem Zweiflankenschleifverfahren arbeitet, das aus dem Verdrehmoment des Teilapparates bzw. des die Wälzbewegung antreibenden Motors ein Maß für die Asymmetrie der Aufmaßverteilung einer Zahnlücke ermittelt wird und dieses Maß von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage zur Regelung des Vorschubes verwendet wird.

17. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Schleifmaschine, die mit einem Zweiflankenschleifverfahren arbeitet, das aus dem Verdrehmoment des Teilapparates bzw. des die Wälzbewegung antreibenden Motors ein Maß für die Asymmetrie der Abnutzung der Schleifscheibenseiten ermittelt wird und dieses Maß von der Signal- und Datenverarbeitungsanlage zur Regelung des Vorschubes verwendet wird.

18. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal- und Datenverarbeitungsanlage die Signale der Sensoren in verschiedene Frequenzbänder aufteilt und die in den verschiedenen Frequenzbändern auftretenden Intensitäten bei der Verwertung berücksichtigt.

19. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Signal- und Datenverarbeitungsanlage eine plötzliche Veränderung der Intensitätsverhältnisse der einzelnen Frequenzbänder zueinander bei der Verwertung berücksichtigt, wobei die Intensitätsverhältnisse der einzelnen Frequenzbänder als Differenz zu den Intensitätsverhältnissen der einzelnen Frequenzbänder bei der ohne Zustellung schleifenden Maschine genommen werden.

20. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Signal- und Datenverarbeitungsanlage die Intensitäten der einzelnen Frequenzbänder summierend berücksichtigt.