CN106457503A - 研磨工件的方法以及用于确定过程参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于研磨非圆形工件的研磨方法，以改进所得工件的生产率和质量。所述方法包括第一和第二阶段。第一阶段中的工件转速曲线被控制以维持所述第一阶段期间的工件的预选最大表面温度，以及在所述第二阶段中研磨工件在控制所述第二阶段的研磨度的同时执行，以便实现预期最终表面质量。本公开还涉及一种用于确定这种研磨方法的过程参数的方法，其中迭代研磨方法的第一和第二阶段，从而确定导致研磨之后的工件的高生产率和期望质量的过程参数。

Description

研磨工件的方法以及用于确定过程参数的方法
技术领域
本公开总体上涉及借助于基本上旋转对称的研磨轮研磨工件、诸如非圆形工件的方法。本公开还涉及确定这种研磨方法的过程参数的方法。
背景技术
借助于研磨轮研磨非圆形工件(在本领域中还称为非圆工件)、诸如凸轮凸角，带来在旋转对称工件的研磨操作中无法发现的困难。工件与研磨轮之间的接触区域在研磨轮围绕工件的外周/圆周经过时持续地改变。例如在凸轮凸角的情况下，接触区域在侧翼部分中与在鼻部分或基圆部分中相比相当大。因此，将用于非圆形工件的研磨方法优化带来多种难处并且成功通常很大程度上取决于操作者的经验。通常需要多次研磨迭代以实现期望结果。
在现今使用的大多数CNC柱形磨床上，研磨轮利用与工件转速同步的给送速度(进给和退回)水平地移动以实现所需工具路径。如果工件利用恒定工件转速旋转，则瞬时研磨条件由于工件的非圆形几何形状而在工件转一圈期间急剧改变。因此，工件的工件瞬时转速在工件转一圈期间适当地改变以控制和减少瞬时研磨条件中的改变的效果。
已提出不同策略用于将凸轮凸角研磨方法优化。这些策略包括恒定切削速率或恒定主轴功率，上述两种策略现今在产业中广泛使用。
US 6808438B1公开了一种方法，其中部件在最终研磨步骤期间仅旋转一圈，并且切削深度和头架速度在单一旋转期间被控制，以便维持研磨轮主轴驱动电机上的基本恒定载荷。部件速度在每转一圈期间从一点更改到另一点，以便维持恒定载荷。
US 715394B2公开了一种研磨部件、诸如凸轮的方法，包括将部件在最终研磨步骤期间仅旋转一圈，并且在转一圈期间控制切削深度和部件转速，以便在最终研磨步骤期间维持基本恒定的比金属去除率。切削深度能够是恒定的，而工件转速在最终研磨步骤期间更改以适应工件的任何非旋转特征，以便维持恒定比去除率。
在上文中描述的方法与利用工件的恒定工件转速的常规研磨相比改进生产率。然而，实现恒定切削速率或恒定主轴功率的研磨方法不考虑工件表面温度。因此，这些方法均不提供任何控制热损伤的手段，所述热损伤是研磨方法就生产率和质量而言的主要限制。在发生热损伤的情况下，由过程规划者制订的总体策略是减小轮给送增量或减少工件转速，上述两种策略都会导致无法被充分优化的研磨方法，产生比所需更长的循环时间。过程规划者仅使用在上文中描述的优化方法计算工件转速，用于实现恒定切削速率或恒定主轴功率。然而，确定增量数量以及用于每个增量的切削深度仍基于试错并且由机械稳健主观地选择。
用于将非圆形工件的外周柱形研磨优化的新策略在《CIRP年鉴-制造技术62(2013)》347-350页中由Krajnik等著的《经由可适应恒定温度过程将外周非圆柱形研磨优化》一文中提出。依照这种策略，研磨以在避免对工件造成热损伤的情况下减少研磨循环时间为目的通过基于用于实现工件的恒定最大表面温度的热模型而选择过程参数来优化。
在2014年4月13日在线可用的《CIRP年鉴-制造技术》中由Krajnik等著的《凸轮凸角研磨中以高生产率为目的的循环优化》一文中公开了对于基于热模型将研磨过程优化的策略的进一步改进。这篇文章公开了例如能够实现与恒定切削量和恒定主轴功率的过程相比相当低的每凸轮凸角研磨时间。所述文章还公开了进入工件中的瞬时比能量取决于研磨度。此外，所述文章公开了将研磨方法的每凸轮凸角研磨时间最小化需要利用最优数量的给送增量，所述给送增量取决于设定温度和机械限制。
虽然很清楚所提出的以维持工件的恒定最大表面温度为目的的控制过程参数的策略克服与热损伤有关的问题，但是并不清楚所述策略能够如何在产业上实施。此外，利用所提出的以维持恒定的工件最大表面温度为目的的控制过程参数的策略的研磨方法不一定导致在研磨之后可接受的工件质量。事实上，并未教导如何控制工件表面的质量。因此需要进一步开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种工件、诸如非圆形工件的研磨方法，导致工件的高生产率和始终如一的质量，以及所述研磨方法能够在产业上实施。为了能够具有完全控制工件质量的稳健方法，操作员或过程规划者的主观作用必须去除、或至少被最小化。
所述目的通过根据独立权利要求1所述的研磨方法以及根据权利要求10所述的用于确定研磨方法的过程参数的方法来实现。实施方式通过从属权利要求来限定。
本研磨方法导致由与通过控制过程参数来将研磨方法优化以便维持恒定切削速率或恒定主轴功率相比更低的总研磨时间引起的相当高的生产率，同时获得期望产生的工件表面质量。此外，所述研磨方法消除工件在研磨方法期间受到热损伤的风险。此外，本发明导致完全控制工件质量的稳健研磨方法。从而，在利用本方法时不必在生产率与质量之间妥协。此外，所述方法消除研磨循环设计中的机械稳健的主观作用，从而使得过程更加稳健，因为过程参数能够在开始研磨之前确定。
本研磨方法基于以维持工件的预选最大表面温度为目的控制研磨方法的策略，所述温度小于对工件材料造成热损伤的阈值温度，并且本研磨方法被控制以使得所述策略在研磨循环期间尽可能多地利用。研磨方法包括适于将待去除切削量中的大部分从工件中去除的第一阶段，即所谓的粗加工阶段，以及适于获得具有预期质量的工件最终预期几何形状的第二阶段，即所谓的精加工阶段。上述两个阶段基于控制过程参数的理论，以便维持工件的基本恒定表面温度。然而，研磨方法的过程参数事实上仅被控制以使得工件的表面温度在第一阶段中被控制，以及第二阶段利用与第一阶段中相同的工件转速曲线进行但具有更小的切削深度，导致第二阶段中更少的研磨并且从而导致工件更低的表面温度。更具体地，第二阶段中的研磨度被控制意味着工件的表面温度被间接地控制。由于在第二阶段中利用的研磨度总会小于在第一阶段中利用的研磨度(因为其用于以实验性确定的研磨最佳点为目标)，工件的表面温度在第二阶段中也会更低。
尽管研磨方法被控制以在研磨方法的每个阶段期间维持工件的基本恒定表面温度，事实上过程受到机械限制影响。这些机械限制可能导致取决于工件的几何形状对于某些旋转角度而言降低表面温度(这还在2014年4月13日在线可用的《CIRP年鉴-制造技术》中由Krajnik等著的《凸轮凸角研磨中以高生产率为目的的循环优化》一文中示出)。然而，由于研磨方法被控制以达到最大表面温度，所述温度从未被超过从而在研磨期间不存在热损伤的风险。
此外，与被控制以实现恒定切削速率或恒定主轴功率的研磨方法相比，根据本公开的研磨方法对于同一几何形状而言、特别是在工件的非圆形区段中能够利用更高的切削速率。
本研磨方法主要开发用于借助于基本上旋转对称的研磨轮来研磨具有非圆形横截面的工件轴向延伸表面，但还能够用于研磨具有圆形横截面的工件、即圆柱形工件。研磨方法和用于确定研磨方法的过程参数的所述方法非常适于在研磨例如凸轮凸角时使用，因为这些凸轮凸角通常具有复杂的几何形状。其他非圆形工件的实施例可以例如包括具有方形、矩形、椭圆形等横截面形状或不规则形状的工件。本研磨方法事实上能够在研磨具有任意几何横截面的工件时使用。
与在《CIRP年鉴-制造技术62(2013)》347-350页中由Krajnik等著的《经由可适应恒定温度过程将外周非圆柱形研磨优化》一文中以及在2014年4月13日在线可用的《CIRP年鉴-制造技术》中由Krajnik等著的《凸轮凸角研磨中以高生产率为目的的循环优化》公开的策略相比，本研磨方法不仅被控制以维持恒定最大表面温度，而且被分隔成相关的两个单独的阶段。在研磨方法的两个阶段中，过程参数基于控制所述方法的策略被控制以维持工件的恒定表面温度。然而，两个阶段适于实现不同目的，第一阶段主要以最高可能生产率为目标，以及第二阶段主要以所得工件的最高质量为目标。事实上，根据本公开的研磨方法被开发以在第一研磨阶段期间控制预选最大表面温度，而在第二研磨阶段中，所述方法被控制以通过控制研磨度来实现工件的期望表面质量。然而，研磨方法的两个阶段利用同一工件转速。此外，本研磨方法不仅被开发以将研磨分隔成两个单独的阶段，即粗加工阶段和精加工阶段，而且相应阶段相对于彼此被优化以实现在研磨之后具有期望始终如一的所得工件质量的最短研磨循环时间。本方法还能够分别确定第一和第二阶段中的每个的切削量，以便将研磨方法充分优化。
根据本发明的一方面，提供借助于围绕旋转轴线旋转的基本上旋转对称的研磨轮研磨工件、诸如非圆形工件的所述方法，以及所述方法包括在第一阶段和第二阶段中研磨工件，其中所述第一阶段中的工件转速曲线被控制以在所述第一阶段期间维持工件的预选最大表面温度，工件在第二阶段中的工件转速曲线被控制以与工件在第一阶段中的工件转速曲线相同，以及其中工件在所述第二阶段中的研磨通过控制所述第二阶段的研磨度来执行，以便通过所述第二阶段中的预选数量的增量来实现预期最终表面质量。
出于实际原因，优选的是，切削深度在第一阶段期间对于工件每转一圈而言保持恒定。此外，优选的是，切削深度在第二阶段期间对于工件每转一圈而言保持恒定。
第二阶段中的研磨度可以通过控制所述第二阶段中的切削深度来适当地控制。通过控制切削深度来控制研磨度与例如控制轮速以实现同一目的相比容易得多。
第一阶段中的切削深度和增量数量可以被适当地控制，以便基于工件的预选最大表面温度以及计算出的工件转速曲线而将研磨时间最小化。
用于第一阶段和第二阶段的工件转速曲线、第一阶段中的增量数量、第一阶段期间的用于每个增量的切削深度以及第二阶段中的用于每个增量的切削深度可以通过利用用于第一阶段的工件的预选最大表面温度、第二阶段期间的预选期望数量的增量以及为实现研磨最佳点而实验性确定的研磨度迭代第一和第二阶段来适当地确定。
本研磨方法可以用于柱形研磨机，其中研磨轮适于围绕旋转轴线旋转，所述旋转轴线基本上与工件的旋转轴线平行并且从而与研磨机的头架平行。
鉴于机械动力学，为了容易地控制研磨方法，研磨轮的转速可以适当地对于第一和对于第二阶段而言相同。因此，工件与研磨轮之间的相对速度通过控制工件瞬时转速来控制。
根据本发明的一方面，提供一种确定如上文所公开的研磨方法的过程参数的方法。确定过程参数的所述方法包括通过以下步骤来迭代研磨方法的第一和第二阶段：
a.选择将要从工件中去除的总切削量作为在第一阶段中去除的切削量；
b.利用第一阶段中的每个增量的对应切削深度计算第一阶段中的增量数量，以实现在第一阶段中去除的切削量，同时控制工件瞬时转速，以维持预先选择的工件最大表面温度；
c.根据在步骤b中获得的第一阶段中的增量数量以及工件瞬时转速计算研磨循环时间；
d.在步骤c中获得的研磨循环时间等于或小于在第一阶段中研磨循环少包括一个增量所实现的研磨时间的情况下，重复步骤b和c以进行多包括一个附加增量的研磨循环，直到所获得的研磨时间大于用于少包括一个增量的研磨循环的研磨时间，从而获得计算出的用于第一阶段的工件瞬时转速、计算出的用于第一阶段的增量数量以及计算出的用于第一阶段中的每个增量的切削深度；
e.利用从步骤d中获得的计算出的工件瞬时转速、第二阶段中的预选数量的增量以及预先确定的与第二阶段期间的切削深度对应的第二阶段的研磨度来计算第二阶段的切削量；
f.通过从工件中的总切削量中减去第二阶段中的切削量来计算第一阶段中的切削量；
g.利用在步骤f中获得的第一阶段的切削量重复步骤b至f，直到与第一和第二阶段的先前迭代中相同的用于第一阶段的切削量在步骤f中得以实现；
由此确定工件瞬时转速、第一阶段中的增量数量(n1)、第一阶段中的每个增量中的切削深度(ae1)以及第二阶段中的每个增量中的切削深度(ae2)。
被确定的工件瞬时转速、第一阶段中的增量数量(n1)、第一阶段中的每个增量中的切削深度(ae1)以及第二阶段中的每个增量中的切削深度(ae2)可以接下来被编制到研磨机的电子控制单元中，从而使得电子控制单元能够控制研磨机的操作以实现如上文所公开的研磨方法。鉴于以下事实，过程参数能够如上文描述地确定，研磨机的操作员无需依赖他的经验或多次测试以将研磨方法优化。因此，具有期望的所得工件质量的高生产率能够容易地获得。
在上文中所公开的迭代优选地利用用于第一和第二阶段的研磨轮的恒定轮速进行，即包括第一和第二阶段的总研磨循环期间的轮速优选地保持恒定。
在上文中所公开的迭代优选地利用用于第一阶段期间的每个增量的恒定切削深度进行。在上文中所公开的迭代优选地利用用于第二阶段期间的每个增量的恒定切削深度进行。然而，第二阶段期间的切削深度优选地小于第一阶段期间的切削深度。
根据本发明的一方面，提供一种用于确定研磨方法的过程参数的计算机程序，所述计算机程序包括程序代码，所述程序代码用于执行如上文所公开的用于确定过程参数的所述方法的所述方法步骤。
根据本发明的一方面，提供一种用于确定研磨方法的过程参数的计算机程序，所述计算机程序包括存储在计算机可读介质上的程序代码，所述程序代码用于执行如上文所公开的用于确定过程参数的所述方法的所述方法步骤。计算机程序还可以设置成将确定的过程参数提供给电子控制单元或连接到电子控制单元或适于与电子控制单元通信的另一计算机。
电子控制单元能够例如是研磨机的电子控制单元，所述电子控制单元适于控制参数诸如研磨轮的速度、研磨轮的进给以及适于将工件旋转的头架的瞬时转速、以及增量数量。
根据本发明的一方面，提供一种计算机程序制品，所述计算机程序制品包含存储在计算机可读介质上的程序代码，所述程序代码用于当所述计算机程序在电子控制单元或连接到电子控制单元或适于与电子控制单元通信的另一计算机上运行时执行确定如上文所公开的研磨方法的过程参数的所述方法。
附图说明
图1示意性地展示凸轮凸角的横截面图，
图2示意性地展示凸轮凸角和研磨轮在研磨方法期间的横截面图，
图3示意性地展示优化算法的流程图，示出研磨方法的第一和第二阶段的迭代，
图4展示用于进入工件中的比能量的特征曲线以及用于研磨方法的第一和第二阶段的工件表面温度曲线相对于对应研磨度的一个实施例，以及
图5示意性地展示包括根据实施方式的计算机程序的装置。
具体实施方式
在下文中，研磨方法将会参照附图详细描述。然而，研磨方法不受限于所公开和所讨论的实施方式，而是可以利用所附权利要求的范围改变。此外，附图不应被认为按比例绘制，因为某些特征可能被夸张，以便更清晰地展示所述特征。
本发明涉及研磨工件的轴向延伸的径向外表面。尽管其可以用于具有任何类型形状的工件，例如圆形横截面，但其主要被开发用于研磨包含非圆形横截面的工件，即形状不是圆柱形的部件。在这方面而言，非圆形横截面意味着工件的半径在工件的不同旋转角度之间改变。然而，工件可以具有圆形的部分并且因此在所述部分中具有恒定半径，但工件包括半径与其他部分的半径不同的至少一部分。工件的几何形状因此是非旋转对称的。这些类型的工件几何形状在本领域中通常被称为非圆。
图1展示这种工件的一个实施例的横截面图，所述工件具有呈凸轮凸角1形式的非圆形横截面。在所展示的实施例中，凸轮凸角1包括根部处的基圆部分2，两个侧翼部分3和鼻部分4。在基圆部分中，半径恒定。然而，侧翼部分3具有与基圆部分不同的半径并且甚至可以基本上笔直或实质上凹进。凸轮凸角的几何横截面形状与在实施例中展示的相比能够复杂得多。例如，其可以包括一个以上鼻部分或可以包括凹入部分。
图2示意性地展示研磨轮5的一部分以及凸轮凸角1的一部分在研磨期间的横截面图。在所展示的实施例中，工件的旋转轴线1a与研磨轮5的旋转轴线5a平行，以及工件和研磨轮相对于彼此沿相反方向旋转。借助于工件的旋转，研磨轮能够利用水平进给控制并且无需围绕工件旋转。研磨轮的进给被调节到如图所示的切削深度ae。
尽管在图2展示的实施例中，研磨通过研磨轮的径向外周执行，但其也可以在背离本发明的情况下利用轮侧面执行。
依照本研磨方法，工件瞬时转速被控制以实现特定目的，即在第一研磨阶段期间实现工件的恒定最大表面温度。工件转速对于工件的所有旋转而言、即对于所有增量而言是相同的，但在特定旋转内瞬时改变以适应工件与研磨轮之间的接触区域的改变的几何形状。这意味着在工件转一圈期间，工件转速在一点与另一点之间不同。工件瞬时转速因此涉及一个特定点中的工件转速并且在研磨方法期间适应研磨条件中的差别。用于工件的每个旋转角度的工件瞬时转速因此形成工件转速曲线。
此外，依照本研磨方法，工件瞬时转速在第一阶段中与在第二阶段中相同。这被认为意味着在与研磨轮接触时，工件转速对于工件的同一旋转角度而言将会基本上相同。也就是说，在工件的特定点经过研磨轮时，工件转速将会在每转一圈中相同。因此，工件转速曲线将会在研磨方法的第一和第二阶段中相同。
尽管第二研磨阶段利用同一工件转速执行，但研磨在控制研磨度以指向研磨最佳点的同时执行。第二阶段中的研磨度从而将会小于第一阶段的研磨度，因为第一阶段的主要目的是在避免对工件造成热损伤的同时在尽可能短的时间中去除尽可能多的切削量。由于第二阶段在研磨度更小的同时利用维持恒定表面温度的同一策略执行，工件的表面温度与第一阶段相比在第二阶段中也将会更低。因此，不存在对工件造成热损伤的风险。
依照本研磨方法，第二阶段的研磨度被控制，以便指向研磨最佳点。优选的是，如将会在下文中描述的，研磨度通过控制第二阶段中的切削深度来控制。关键的是在第二阶段中选择适当研磨度用于实现期望的所得质量。例如，如果将会在第二阶段期间利用能够将研磨偏移到最佳点下方的过小切削深度，则可能存在进入材料中的比能量过高的风险，这继而可能导致对材料造成热损伤并且从而导致低劣的质量(继而导致生产率降低，因为工件质量将会不可接受)。这例如能够在将空间留给操作员或过程规划员以利用他的经验来确定任何过程参数的研磨方法中产生风险。考虑一种假设案例，其中研磨方法将会利用的粗加工阶段，其中将会使用由Krajnik等提出的恒定温度策略，随后是将会受到由操作员或过程规划员设计影响的精加工阶段，这种研磨方法将不会产生可重复且始终如一的工件质量并且与本发明相比可能导致生产率的损失。如上文描述的，其还可能在将会由操作员选择过小的切削深度的情况下受到热损伤风险影响。然而，依照用于研磨以及确定过程参数的本方法，操作员或过程规划员的主观作用得以去除。因此，本发明确保实现始终如一的期望质量。
鉴于以下事实，即研磨方法的第二阶段中的研磨度被控制，以便指向预期表面质量，即研磨最佳点，本研磨方法确保稳健且高能力且可重复的过程。这是因为研磨总是在最佳点或接近最佳点执行，导致工件表面质量的偏差非常小。这继而导致非常高过程能力指数(cpk)。
在本文中所公开的研磨方法通过如上文所公开的研磨工件来执行。因此，其涉及研磨工件的外周表面，其中工件借助于头架围绕旋转轴线旋转。研磨轮围绕例如可以基本上与工件的旋转轴线平行的旋转轴线旋转。过程被分隔成两个单独然而相关的阶段，其中第一阶段适于在指向最高可能生产率的同时将待去除的切削量中的大部分从工件中去除，以及第二阶段适于仅去除总切削量的一小部分并且适于以工件的预期表面质量、例如表面粗糙度为目标。
在下文中，将会描述研磨方法的控制背后的理论思考。所涉及的技术基于在2014年4月13日在线可用的《CIRP年鉴-制造技术》中由Krajnik等著的《凸轮凸角研磨中以高生产率为目的的循环优化》一文中给出的信息，所述文章以其全文通过引用结合在本文中。然而Krajnik等并未公开利用研磨过程的第一和第二阶段，以及这些阶段中的每个应当被如何控制。
就工件的复杂几何形状而言，工件的外周形态应当被确定并且可以适当地被定义为连续函数。实际上，几何形状能够经由围绕工件圆周的跟随器中心路径利用升降台确定。所使用的离散数据点由双变量对组成，所述双变量对包括跟随器中心角度以及工件与为工件旋转角度的每一度限定的跟随器中心之间的距离。从而，360个输入参数能够用于将几何形状建模。
在研磨期间，由于工件的非圆形形式，工件与研磨轮的接触区域的几何形状与工件旋转角度一起改变。接触区域的几何形状可以就瞬时接触长度lc,i而言表达为：
其中rs是研磨轮的半径，以及ae是切削深度。
考虑到切削深度ae在研磨方法的一个阶段中对于每个给送增量而言是恒定的，所述切削深度实际上能够通过将所述阶段中的总切削量δ除以给送增量n来计算，所述给送增量就是对于研磨方法的阶段而言工件为达到预期工件形态的转圈数量。工件的曲率半径R0,i用于每个第i次接触点中的工件几何形状的圆形近似。
研磨动能的主要参数是瞬时相对工件速度vw,i，其被定义为：
其中dws,i是研磨轮的旋转中心与工件之间的距离，ψ0,i是接触角度，以及ωi是工件角速度。所得瞬时单位切削速率Q'w,i接下来能够被计算为：
Q'w,i＝aevw,i
热建模(基于具有三角形热通量的移动热源理论)适于研磨非圆形工件，其中最大表面温度θm,i：
其中k是导热系数，ρ是密度，cp是工件材料的单位热。进入工件中的瞬时比能量ew取决于研磨度aggri(还能够参照通过引用结合到本文中的《CIRP年鉴-制造技术，58(1)，2009》第307-310页由Badger著的《在研磨中影响轮磨损的因素》)：
由于aggri的值较小，恒定Caggr可以适当地在生产中利用以给出更实用的值。利用106的Caggr给出更实用的值，通常为10至120左右。
研磨度aggr是无量纲的并且与最大切削厚度成正比。然而，其避免估算通常难以确定的切割点密度和切削形状因子。此外，其优点在于仅取决于能够在用于研磨方法的机械上更改的参数(例如研磨轮的速度vs)。因此，研磨度适于在工业实施中利用。用于比能量ew的特征曲线就研磨度aggri而言给出：
其中ew0是进入工件中的比能量的不变量，Cw是恒定的，以及μ是指数。这些值以及从而用于进入工件中的比能量的特征曲线被实验性并且取决于工件的材料以及所使用的研磨轮确定。《CIRP年鉴-制造技术62(2013)》第347-350页由Krajnik等著的《经由适当的恒定温度过程优化外周非圆柱形研磨》中公开了如何执行这种实验性测试，以及其因此将不会在本公开中被进一步描述。用于比能量的特征曲线有助于确定研磨最佳点并且从而确定适于研磨方法的第二阶段的研磨度。
被实验性确定的进入工件中的比能量的特征曲线用于确定研磨最佳点并且从而确定用于研磨方法的第二阶段的研磨度。基于这个特征曲线，研磨最佳点研磨度aggrgss被计算为：
为工件表面温度给出最小值，无论所利用的切削深度(如图4所示)。
用于确定进入工件中的比能量的特征曲线的试验性测试仅是为了准确校准依照本研磨方法的研磨方法所需的试验性测试。这种试验性测试对于工件材料以及所选定的研磨轮的每个组合而言仅需进行一次。因此，机械的操作员无需依赖他的经验以进一步设计研磨方法以便优化所述研磨方法，而是能够使用如将会在下文中描述的迭代结果以操作研磨机。
工件θ*的恒定设定表面温度的计算通过下式给出：
其中aggr*＝aggr*(θ*,n)是维持工件θ*的设定表面温度所需的研磨度。基于在上文中给出的研磨度的定义，工件为实现θ*的角速度ωi能够被计算为：
其中对应工件转速nw,i＝30ωi/π。这个速度是理想的，并且不考虑机械限制。对于本领域中的技术人员而言显然的是，在实际生产中，nw,i的实现受到与头架(包括最大角速度ωmax、最大角加速度αmax、以及最大角急动度jmax)和轮头部(最大进给vfa,max，最大加速度αfa,max和最大急动度jfa,max)有关的诸多机械限制影响。急动度限制加速度方面的改变并且使速度曲线更平滑。
此外，鉴于机械限制，尽管本研磨方法的第一阶段中的研磨被控制以维持恒定设定最大表面温度，但工件的表面温度可能会在工件转一圈的一小部分期间低于设定温度。然而，工件的表面温度绝不会高于设定最大表面温度并且从而不存在对工件造成热损伤的风险。
尽管控制研磨以便对于整个研磨循环而言维持工件的设定最大表面温度的策略将会给出较短的循环时间并且因此给出较高的生产率，但工件的表面质量对于工件的多种应用而言可能会是不可接受的。因此，需要在两个阶段中执行研磨，第一研磨阶段适于去除大部分切削量，以及第二阶段适于实现工件的期望精加工质量。本研磨方法从而被开发以包括两个研磨阶段，粗加工阶段和精加工阶段。先前已知利用适于维持恒定切削速率或恒定主轴功率的研磨方法在两个阶段中执行研磨。然而，如先前所公开的，这些方法不考虑工件的表面温度。此外，这些现有技术的方法不考虑优化增量数量(以及每个增量中的对应切削深度)。现有技术的方法从而未被完全优化，以及研磨循环受到由操作员设计特定量的循环影响。与此相反，本研磨方法是完全稳健的并且不依赖于操作员的经验，而是允许增量的最优数量在不进行试错测试的情况下被确定。研磨方法能够通过确定增量的最优数量来优化，所述增量的最优数量是根据现有技术在设计研磨循环时通常被忽略的参数。如将会在下文中进一步公开，过程参数通过用于确定过程参数的方法来确定。本研磨方法还克服与热损伤有关的问题并且导致工件的高生产率以及高质量。
本研磨方法的第一研磨阶段被控制以维持工件的预选(设定)最大表面温度。这种预选最大表面温度基于工件材料的属性设定并且自然地低于材料的热损伤阈值(通常与工件材料的回火温度有关)。以维持预选最大表面温度为目的控制第一阶段中的研磨通过控制工件每转一圈期间的工件瞬时转速来实现。工件每转一圈(即每个增量)期间的切削深度在第一研磨阶段期间在每个增量期间以及在不同增量之间是恒定的。
理论上，可以在第一与第二阶段之间包括第三阶段，所述第三阶段利用与第一阶段的研磨度相比较低但与第二阶段的研磨度相比较高的研磨度执行。然而，这种过程将会非常难以实施，因为用于每个阶段的增量数量都要被确定并且被优化，以便实现总研磨循环中的最高可能生产率以及最高工件质量。因此，在研磨方法的第一阶段之后并且在第二阶段之间包括附加阶段是不实际的。
本研磨方法的第二研磨阶段适于指向研磨最佳点，以及用于第二阶段的研磨度从而由此被选择。在第二研磨阶段期间，工件瞬时转速被选择为与在第一研磨阶段中相同。尽管理论上可以通过从与将工件瞬时转速在第一研磨阶段中保持为与在第二研磨阶段中相同相比不同的角度而言将过程优化来实现相同期望结果，这是从机械角度而言唯一可行的解决方案，因为研磨机的常规CNC***被设计以利用用于每个增量的同一工件转速。依照本研磨方法，对于第二阶段而言与第一阶段相比减少的研磨度通过与第一阶段相比在第二阶段中减少切削深度来实现，诸如以实现用于指向研磨最佳点的期望研磨度。第二阶段中减少的研磨度可以替代地通过改变研磨轮转速来实现。然而，实际上这将会是非常困难的，因为研磨方法是非常迅速的过程，以及研磨机具有特定限制。因此，为了能够在产业上实施研磨方法，研磨轮转速对于第一和第二研磨阶段而言保持恒定。
借助于本研磨方法将每个工件的总研磨时间最小化能够通过利用最优给送增量数量来实现。所述最优给送增量数量取决于预选最大表面温度以及用于执行研磨的机械的机械限制。例如，用于第一研磨阶段的最优增量数量的随着将设定最大表面温度增大而减小。最优增量数量还取决于工件的几何形状。为此，给送增量数量对于每个特定情况而言、即对于将会被研磨的工件以及所利用的研磨轮的每个组合而言被确定。如将会在下文中描述的，可以通过基于上文中给出的理论迭代两个研磨阶段来确定给送增量数量。
实际上，研磨方法的参数能够参照图3中示出的流程图通过迭代如在下文中公开的研磨方法的第一阶段和第二阶段来确定。
在开始迭代研磨方法的第一和第二阶段之前，选择工件的期望最大表面温度。这个最大温度被设定成低于工件材料的热阈值。此外，用于进入工件中的比能量的特征曲线被实验性确定，以及研磨最佳点根据所述曲线确定，从而给出用于第二阶段的研磨度。此外，期望的精加工增量数量被选择。通常，精加工增量数量，即第二阶段中的增量数量，出于实际原因将会是一个、两个或三个。应当注意到的是，相应阶段中的切削量不是预选的，而是将会通过迭代第一和第二阶段来确定，诸如以在研磨之后实现期望的工件质量的同时提供最高生产率。
接下来，第一和第二阶段的过程参数通过迭代(迭代研磨方法的第一和第二阶段)来确定。
在初始迭代中(迭代指数m＝0)，在研磨循环期间将要从工件中去除的总切削量δ(输入)被作为在第一阶段中去除的切削量δ1 (0)。
研磨方法的第一阶段的迭代接下来基于工件的预选恒定最大表面温度的策略进行，以便将用于总研磨循环的时间最小化。更具体地，计算用于第一阶段的增量数量n1(输出)和对应切削深度ae1(输出)，以便实现最小研磨时间，同时控制工件每转一圈期间的工件瞬时转速(输出)(即工件转速曲线)，以维持预选恒定最大表面温度(输入)。
此后，用于第一阶段的研磨时间循环tj在第一阶段中的增量数量n1＝j的情况下计算，以及如果等于或小于在少一个增量的情况下的研磨时间tj-1，则用于第一阶段的迭代利用一个附加增量重复。在计算出的用于j个增量的研磨时间不等于或小于用于j-1个增量的研磨时间的情况下，迭代研磨方法的第二阶段。
通过第一研磨阶段的迭代计算出的工件转速接下来被用来计算用于实现预选最佳点研磨度(输入)所必需的研磨方法的第二阶段的切削深度ae2(输出)。因此，研磨方法的第二阶段适于在利用与研磨方法的第一阶段相同的工件瞬时转速的情况下执行。
在此应当注意到的是，与最佳点有关的研磨度总是小于第一阶段中的研磨度。因此，工件的表面温度在第二阶段中将会总是小于在第一阶段中。
接下来，基于第二阶段中的预选数量的增量以及计算出的用于第二阶段的切削深度ae2，用于第二阶段总切削量δ2得以确定。
基于所获得的δ2值，用于第一阶段的切削量δ1通过从总切削量δ中减去δ2来确定。
第一研磨阶段和第二研磨阶段的迭代接下来重复直到所获得的用于第(m+1)次迭代的δ1等于第m次迭代的δ1。
鉴于以下事实，增量数量必须总是整数(因为工件的整个表面将被研磨)，迭代方法在第(m+1)次迭代中实现与在第m次迭代中相同的用于第一阶段的增量数量n1时终止。
图4展示用于进入工件中的比能量的特征曲线的实施例，所述工件在这种情况下是凸轮凸角。在图4中示出的结果通过CBN轮以及常规使用的用于凸轮凸角的材料来获得。曲线用来确定研磨最佳点以及用于研磨方法的第二阶段的对应研磨度(在这种情况下约40)。所述研磨度接下来用来进行在上文中规定的迭代。图4还展示工件表面温度相对于第一阶段的研磨度以及第二阶段的研磨度。
因此，用于确定研磨方法的过程参数的方法包括通过以下步骤来迭代研磨方法的第一和第二阶段：
a.选择将要从工件中去除的总切削量(δ)作为在第一阶段中去除的切削量(δ1)(S1)；
b.利用第一阶段中的每个增量的对应切削深度(ae1)计算第一阶段中的增量数量(n1)，以实现在第一阶段中去除的切削量(δ1)，同时控制工件瞬时转速，以维持工件的预选最大表面温度(θ*)(S2)；
c.根据在步骤b中获得的第一阶段中的增量数量(n1)以及工件瞬时转速计算研磨循环时间(tj)(S3)；
d.在步骤c中获得的研磨循环时间(tj)等于或小于在第一阶段中研磨循环少包括一个增量所实现的研磨时间(tj-1)的情况下，重复步骤b和c以进行多包括一个附加增量的研磨循环，直到所获得的研磨时间大于用于少包括一个增量的研磨循环的研磨时间，从而获得用于第一阶段的计算出的工件瞬时转速、用于第一阶段的计算出的增量数量(n1)以及用于第一阶段中的每个增量的计算出的切削深度(ae1)(S4)；
e.利用从步骤d中获得的计算出的工件瞬时转速、第二阶段中的预选数量(n2)的增量以及预先确定的与第二阶段期间的切削深度(ae2)对应的第二阶段的研磨度来计算第二阶段的切削量(δ2)(S5)；
f.通过从工件的总切削量(δ)中减去第二阶段中的切削量(δ2)来计算第一阶段中的切削量(δ1)(S6)；
g.利用在步骤f中获得的第一阶段的切削量(δ1)重复步骤b至f，直到与在第一和第二阶段(S7)的先前迭代中相同的用于第一阶段的切削量(δ1)在步骤f中实现；
由此确定工件瞬时转速、第一阶段(n1)中的增量数量、第一阶段中的每个增量中的切削深度(ae1)以及第二阶段中的每个增量中的切削深度(ae2)。
上文中的迭代通过计算机程序适当地执行，所述计算机程序包括适于执行迭代的程序代码。计算机程序能够在相对于研磨机的单独计算机上运行，以及所获得的参数、即输出能够被编制到常规研磨机的控制构件(适于控制研磨机)中。替代地，参数通过任何常规通信构件传递并且提供给适于控制研磨机的控制构件。还可以将计算机程序结合到计算机或与研磨机有关的电子控制单元、适于间接地或直接地控制研磨机的操作的电子控制单元中。
利用研磨方法以及用于确定根据本公开的研磨方法的过程参数的所述方法执行的测试已示出与利用同一研磨机的恒定切削量或恒定主轴功率的先前已知过程相比在实施时可以将过程生产率增加约30％至50％。此外，本研磨方法给出可重复且始终如一的工件质量，这在采用依赖基于操作员或过程规划员的经验的研磨循环设计的研磨方法的情况下是不可能的。
研磨方法不限于在上文中所描述的特定实施方式，而是可以在所附权利要求的保护范围内改变。
例如，研磨方法可以在期望不脱离本发明的保护范围的情况下可选地包括所谓的清磨步骤。在这种清磨步骤中，不施加给送，因此研磨轮上的任何载荷存储和工件得以去除。
此外，如在本文中公开的研磨方法能够用于常规研磨机或用于同一目的的设备，并且不限于特定研磨机等。
图5是示例性装置500的示意图。研磨机的电子控制单元可以例如包括示例性装置500，或装置可以是相对于研磨机的单独单元。装置500包括非易失性存储器520、数据处理单元510和读/写存储器550。非易失性存储器520具有第一存储器元件530，计算机程序、例如操作***存储在所述第一存储器元件中，用于控制装置500的功能。装置500还可以包括总线控制器、串行通信端口、I/O构件、A/D转换器、时间和日期输入和传递单元、事件计数器和中断控制器(未描绘)。非易失性存储器520还具有第二存储器元件540。
提供一种计算机程序P，所述计算机程序包括用于确定研磨方法的过程参数的程序段，所述研磨方法用于研磨围绕旋转轴线旋转的非圆形工件，所述工件借助于基本上旋转对称的研磨轮研磨，研磨方法包括第一阶段和第二阶段，其中过程参数通过以下步骤迭代研磨方法的第一和第二阶段来确定：
a.选择将要从工件去除的总切削量(δ)作为在第一阶段中去除的切削量(δ1)；
b.利用第一阶段中的每个增量的对应切削深度(ae1)计算第一阶段中的增量数量(n1)，所述增量用于实现在第一阶段中去除的切削量(δ1)，同时控制工件瞬时转速，以维持工件的预选最大表面温度(θ*)；
c.根据第一阶段中的增量数量以及在步骤b中获得的工件瞬时转速计算研磨循环时间(tj)；
d.在步骤c中获得的研磨循环时间(tj)等于或小于在第一阶段中研磨循环少包括一个增量所实现的研磨时间(tj-1)的情况下，重复步骤b和c以进行多包括一个附加增量的研磨循环，直到所获得的研磨时间大于用于少包括一个增量的研磨循环的研磨时间，从而获得计算出的用于第一阶段的工件瞬时转速、计算出的用于第一阶段的增量数量(n1)以及计算出的用于第一阶段中的每个增量的切削深度(ae1)；
e.利用从步骤d中获得的计算出的工件瞬时转速、第二阶段中的预选数量(n2)的增量以及预先确定的与第二阶段期间的切削深度(ae2)对应的第二阶段的研磨度来计算第二阶段的切削量(δ2)；
f.通过从工件的总切削量(δ)中减去第二阶段中的切削量(δ2)来计算第一阶段中的切削量(δ1)；
g.利用在步骤f中获得的第一阶段的切削量(δ1)重复步骤b至f，直到用于第一阶段的与第一和第二阶段的先前迭代中相同的切削量(δ1)在步骤f中得以实现；
从而确定工件瞬时转速、第一阶段(n1)中的增量数量、第一阶段中的每个增量的切削深度(ae1)以及第二阶段中的每个增量中的切削深度(ae2)。
计算机程序还可以设置成将确定的过程参数提供给电子控制单元或连接到电子控制单元或适于与电子控制单元通信的另一计算机。
计算机程序可以以压缩的可执行形式存储在存储器560中和/或读/写存储器550中。
在数据处理单元510被描述为执行特定功能的情况下，这意味着数据处理单元510实现存储在存储器560中的程序的特定部分或存储在读/写存储器550中的程序的特定部分。
数据处理装置510能够经由数据总线515与数据端口599通信。非易失性存储器520适于经由数据总线512与数据处理单元510通信。单独的存储器560适于经由数据总线511与数据处理单元510通信。读/写存储器550适于经由数据总线514与数据处理单元510通信。
当数据在数据端口599上被接收时，所述数据被临时存储在第二存储器元件540中。当接收的输入数据已被临时存储时，数据处理单元510准备好实现如上文描述的代码执行。
在本文中所描述的所述方法的一部分可以借助于数据处理单元510通过装置500实现，所述数据处理单元运行存储在存储器560或读/写存储器550中的程序。当装置500运行程序时，在本文中所描述的方法被执行。
本发明的示例性实施方式的以上描述提供用于展示和说明目的。其并不旨在穷举或将本发明限制到所描述的变型。许多改型和变化对于本领域中的技术人员而言是显然的。实施方式已被选择和描述以便最佳地解释本发明的原理及其实际应用，并且从而使技术人员可以理解本发明的各种实施方式以及适于预期用途的各种改型。

Claims (16)

1.借助于基本上旋转对称的研磨轮研磨围绕旋转轴线旋转的工件、诸如非圆形工件的方法，所述方法包括第一阶段和第二阶段，其特征在于，所述第一阶段中的工件转速被控制以在所述第一阶段期间维持工件的预选最大表面温度，第二阶段中的工件转速被控制以与在第一阶段中的工件转速相同，以及其中在所述第二阶段中研磨工件在控制所述第二阶段中的研磨度的同时执行，以便通过所述第二阶段中的预选数量的增量来实现预期的最终表面质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中第一阶段期间的切削深度对于工件每转一圈而言保持恒定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中第二阶段期间的切削深度对于工件每转一圈而言保持恒定。
4.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中第二阶段中的研磨度通过控制所述第二阶段中的切削深度来控制。
5.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中第一阶段中的切削深度和增量数量被控制，以便基于工件的预选最大表面温度和工件转速将研磨时间最小化。
6.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中用于第一阶段和第二阶段的工件转速、第一阶段中的增量数量、第一阶段期间用于每个增量的切削深度以及第二阶段中用于每个增量的切削深度通过利用用于第一阶段的工件的预选最大表面温度、第二阶段期间的预选期望数量的增量以及第二阶段中的实验性确定的研磨度迭代第一和第二阶段来确定，以便实现预期的最终表面质量。
7.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中研磨轮围绕基本上与工件的旋转轴线平行的旋转轴线旋转。
8.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中研磨轮的转速对于第一阶段和第二阶段而言相同。
9.根据在前权利要求中任一项所述的方法，其中工件是凸轮凸角。
10.一种确定研磨方法的过程参数的方法，所述研磨方法用于借助于基本上旋转对称的研磨轮研磨围绕旋转轴线旋转的工件、诸如非圆形工件，研磨方法包括第一阶段和第二阶段，其中确定过程参数的所述方法包括通过以下步骤来迭代研磨方法的第一和第二阶段：
a.选择将要从工件中去除的总切削量(δ)作为在第一阶段中去除的切削量(δ1)(S1)；
b.利用用于第一阶段中的每个增量的对应切削深度(ae1)计算第一阶段中的增量数量(n1)，以实现在第一阶段中去除的切削量(δ1)，同时控制工件瞬时转速，以维持预先选择的工件最大表面温度(θ*)(S2)；
c.根据在步骤b中获得的第一阶段的增量数量以及工件瞬时转速计算研磨循环时间(tj)(S3)；
d.在步骤c中获得的研磨循环时间(tj)等于或小于在第一阶段中研磨循环少包括一个增量所实现的研磨时间(tj-1)的情况下，重复步骤b和c以进行多包括一个附加增量的研磨循环，直到所获得的研磨时间大于用于少包括一个增量的研磨循环的研磨时间，从而获得计算出的用于第一阶段的工件瞬时转速、计算出的用于第一阶段的增量数量(n1)以及计算出的用于第一阶段中的每个增量的切削深度(ae1)(S4)；
e.利用从步骤d获得的计算出的工件瞬时转速、第二阶段中的预选数量(n2)的增量以及预先确定的与第二阶段期间的切削深度(ae2)对应的第二阶段的研磨度来计算第二阶段的切削量(δ2)(S5)；
f.通过从工件的总切削量(δ)中减去第二阶段中的切削量(δ2)来计算第一阶段中的切削量(δ1)(S6)；
g.利用在步骤f中获得的第一阶段的切削量(δ1)重复步骤b至f，直到与在第一和第二阶段的先前迭代中相同的用于第一阶段的切削量(δ1)在步骤f中得以实现(S7)；
由此确定工件瞬时转速、第一阶段中的增量数量(n1)、第一阶段中的每个增量中的切削深度(ae1)以及第二阶段中的每个增量中的切削深度(ae2)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中迭代利用用于第一和第二阶段的研磨轮的恒定轮速进行。
12.根据权利要求10和11中任一项所述的方法，其中迭代基于研磨方法的第一阶段期间的恒定切削深度进行。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中迭代基于研磨方法的第二阶段期间的恒定切削深度进行。
14.用于确定研磨方法的过程参数的计算机程序(P)，其中所述计算机程序包括用于执行根据权利要求10至13中任一项所述的方法步骤的程序代码。
15.根据权利要求14所述的计算机程序，还设置成将所述确定的过程参数提供给电子控制单元或连接到电子控制单元或适于与电子控制单元通信的另一计算机。
16.包含存储在计算机可读介质上的程序代码的计算机程序制品，所述程序代码用于当所述计算机程序在电子控制单元或连接到电子控制单元或适于与电子控制单元通信的其他计算机上运行时执行根据权利要求10至13中任一项所述的方法。
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