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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit
einer Werkzeug- oder Produktionsmaschine, bei dem mindestens ein
Prozessparameter auf einen durch einen gewünschten Bearbeitungserfolg
bestimmten Basiswert eingestellt wird.
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Bei
Werkzeug- oder Produktionsmaschinen liegt die geforderte Bearbeitungsgenauigkeit
heute üblicherweise
im Bereich von wenigen μm
oder sogar darunter. Diese Genauigkeit wird jedoch oft nicht erreicht, da
die hergestellten Werkstücke
periodische Unregelmäßigkeiten
an den bearbeiteten Oberflächen
aufweisen. Ursachen hierfür
sind beispielsweise die Anregung einer Eigenfrequenz der verwendeten
Werkzeug- oder Produktionsmaschine und periodische Störungen wie
eine Unwucht oder eine Instabilität des Bearbeitungsprozesses.
Letzteres kommt z.B. beim Bearbeitungsvorgang des spitzenlosen Schleifens
(= centerless grinding process) als regeneratives Rattern oder instabile
Schleifspaltgeometrie vor.
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Um
derartige periodische Unregelmäßigkeiten
zu vermeiden, werden die Werkzeug- oder Produktionsmaschinen mechanisch
steifer ausgeführt
oder regelungstechnische Maßnahmen
ergriffen oder die eigentlich zur Erzielung des gewünschten
Bearbeitungserfolgs benötigten
Werte der Prozessparameter verstellt. Letzteres schränkt den
Anwender in einer freien und ausschließlich an den Prozessanforderungen
orientierten Parameterwahl ein. Die Versteifung der Werkzeug- oder
Produktionsmaschine und die regelungstechnischen Maßnahmen
sind aufwändig,
und es bestehen außerdem
oft physikalische Grenzen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, das ohne Beeinträchtigung der Anwenderflexibilität eine hohe
Bearbeitungsgenauigkeit ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Prozessparameter um den Basiswert variiert wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden die periodischen Unregelmäßigkeiten
an der bearbeiteten Oberfläche
des Werkstücks
dadurch unterdrückt,
dass die Periodizität
der Unregelmäßigkeiten
aufgrund der dem Basiswert des Prozessparameters überlagerten
Variation durchbrochen wird. Die Variation der Prozessparameter-Einstellung
verhindert die Ausbildung der unerwünschten Oberflächen-Unregelmäßigkeiten, sodass
eine deutlich höhere
Bearbeitungsgenauigkeit erreicht wird. Dabei wird der Anwender nicht
in seiner Wahl der Prozessparameter-Einstellung beschränkt. Er kann den Basiswert
weiterhin ausschließlich
nach den jeweiligen Prozessanforderungen einstellen. Die diesbezügliche Anwendungsflexibilität bleibt
in vollem Umfang erhalten. Grundsätzlich können auch mehrere Prozessparameter
um ihren jeweiligen Basiswert variiert werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
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Günstig ist
eine Variante, bei der die Variation des Prozessparameters um den
Basiswert periodisch vorgenommen wird. Eine periodische oder zyklische
Veränderung
lässt sich
dem Basiswert besonders leicht überlagern.
Außerdem
ist eine derartige Variation einfach einzustellen und zu kontrollieren.
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Vorzugsweise
wird das Werkstück
an einer Stelle periodisch mehrfach bearbeitet, und wird als der
zu variierende Prozessparameter eine Bearbeitungswiederholungsdauer
vorgesehen.
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Bevorzugt
ist es weiterhin, dass das Werkstück gedreht wird, und dass als
der zu variierende Prozessparameter eine Drehzahl des Werkstücks vorgesehen
wird. Die Drehzahl lässt
sich problemlos mit einer Variation versehen. Darüber hinaus
eignet sich die Drehzahl besonders gut zur Beeinflussung des Bearbeitungsprozesses.
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Außerdem wird
die Variation vorzugsweise mit einer Variationsperiodendauer vorgenommen,
die höchstens
150% einer als Kehrwert der Drehzahl gebildeten Umdrehungsdauer
des Werkstücks
beträgt.
Die Variation des Prozessparameters ist dann schnell genug, um ein
Einschwingen der Störung
und damit die Ausbildung der unerwünschten periodischen Unregelmäßigkeiten
an der bearbeiteten Oberfläche
sicher zu verhindern.
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Andererseits
ist es außerdem
bevorzugt, die Variation mit einer Variationsperiodendauer vorzunehmen,
die mindestens 50% einer als Kehrwert der Drehzahl gebildeten Umdrehungsdauer
des Werkstücks
beträgt.
So ist gewährleistet,
dass die dynamischen Grenzen des Bearbeitungsprozesses nicht überschritten werden.
Bei zu schneller Variation des Prozessparameters, also bei einer
zu hohen Variationsfrequenz, erfolgt aufgrund der Trägheit des
Bearbeitungsprozesses keine (vollständige) Umsetzung mehr. Dann
bestünde
die Gefahr, dass sich die unerwünschten
periodischen Unregelmäßigkeiten
an der bearbeiteten Oberfläche
doch ausbilden.
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Vorzugsweise
wird die Variation weiterhin mit einer Variationsperiodendauer vorgenommen,
die ungleich einer als Kehrwert der Drehzahl gebildeten Umdrehungsdauer
des Werkstücks
ist. Eine zumindest geringfügige
Abweichung zwischen der Variationsperiodendauer und der Umdrehungsdauer
des Werkstücks oder
einem ganzzahligen Vielfachen der Umdrehungsdauer des Werkstücks verhindert
die Ausbildung neuer Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
mit anderen Periodizitäten
als bei einem Bearbeitungsprozess ohne Variation des Prozessparameters.
Auch diese periodischen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
wären unerwünscht.
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Gemäß einer
anderen günstigen
Variante wird die Variation mit einer Variationsamplitude vorgenommen,
die im Bereich zwi schen 5% und 20% des Basiswerts, insbesondere
bei 10% des Basiswerts liegt. Diese besonders günstigen Werte der Variationsamplitude
gelten insbesondere für
einen Bearbeitungsvorgang mit einem rotierenden Werkstück, vorzugsweise
für den
Bearbeitungsvorgang des spitzenlosen Schleifens. Dann ist die Variationsamplitude
groß genug,
um vorteilhafterweise mehrere Perioden der sich ohne Variation des Prozessparameters
ausbildenden Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
abzudecken. Bei einem auf Materialabtrag ausgerichteten Bearbeitungsprozess,
wie z.B. einem Schleifprozess, resultiert dann hinsichtlich der
Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
ein besonders guter überschleifender
Effekt. Grundsätzlich
können
sich auch andere Wartebereiche für
die Variationsamplitude als besonders günstig erweisen. Dies kann insbesondere
vom jeweiligen Bearbeitungsvorgang abhängen. Der jeweils maßgebliche
Wertebereich für
die Variationsamplitude lässt
sich anhand empirischer Untersuchungen der zu unterdrückenden
Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
bei verschiedenen Prozessparameter-Einstellungen ermitteln.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird das Werkstück spitzenlos
geschliffen. Es hat sich gezeigt, dass bei diesem Bearbeitungsprozess
die genannten Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
besonders häufig
und/oder ausgeprägt
auftreten. Das erfindungsgemäße Verfahren
zur Unterdrückung
dieser Störungen lässt sich
deshalb beim spitzenlosen Schleifen mit besonderem Vorteil einsetzen.
Grundsätzlich
kann es jedoch auch bei anderen Bearbeitungsprozessen, beispielsweise
bei einem Fräsprozess,
zum Einsatz kommen.
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Günstig ist
weiterhin eine Variante, bei der die als zum spitzenlosen Schleifen
ausgebildete Werkzeug- oder Produktionsmaschine in einer mittleren
Baugröße, d.h.
insbesondere mit einem Schleifscheibendurchmesser von bis zu 250
mm, vorgesehen wird. Diese Ausführungsform
hat sich hinsichtlich der Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
bislang als besonders schwer beherrschbar herausgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren
bietet hier erstmals Abhilfe. Es kann eine Oberflächengenau igkeit
von unter einem μm
erreicht werden. Damit bieten Werkzeug- oder Produktionsmaschinen
dieser Größe neben
einer flexiblen Umrüstbarkeit
vergleichbar der kleinerer Maschinen und einer hohen Schleifleistung
vergleichbar der größerer Maschinen
nun auch eine sehr hohe Bearbeitungsqualität. Damit wird ein neues Marktsegment
für derartige
Spitzenlos-Schleifmaschinen erschlossen.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
zur Bearbeitung eines rotierenden Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine,
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2 ein
Diagramm eines Zeitverlaufs einer um einen Basiswert variierten
Drehzahl des Werkstücks gemäß 1,
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3 ein
Querschnitt eines ohne Variation der Drehzahl bearbeiteten Werkstücks, und
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4 ein
Querschnitt eines mit Variation der Drehzahl bearbeiteten Werkstücks.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 bis 4 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ein
Ausführungsbeispiel
einer zum spitzenlosen Schleifen eines Werkstücks 1 ausgebildeten Werkzeugmaschine 2 gezeigt.
Von der eine mittlere Baugröße aufweisenden
Werkzeugmaschine 2 sind nur die wesentlichsten Komponenten
dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine antreibende Regelscheibe 3, eine
am Werkstück 1 den
Materialabtrag vornehmende Schleifscheibe 4 und ein Auflageelement 5.
Die Schleifscheibe 4 ist größer als die Regelscheibe 3.
Letztere besteht zumindest an ihrer Oberfläche aus einem weichen Material,
beispielsweise aus einer Gummimischung. Dieses Material kann auch
harte Körner
enthalten.
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Das
Auflageelement 5, das das zu bearbeitende Werkstück 1 mittels
einer schrägen
Anlagefläche 6 trägt, befindet
sich zwischen der Regelscheibe 3 und der Schleifscheibe 4.
Die Anlagefläche 6 fällt zur
Regelscheibe 3 ab. Sie ist so angeordnet, dass eine Werkstückdrehachse 7 über einer
gedachten Verbindungslinie 8 zwischen einer Drehachse 9 der
Regelscheibe 3 und einer Drehachse 10 der Schleifscheibe 4 liegt.
Die Drehachsen 7, 9 und 10 sind nahezu
parallel zueinander.
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Im
Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf 2 bis 4 die
Funktionsweise der Werkzeugmaschine 2 beschrieben.
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Die
Werkzeugmaschine 2 schleift das Werkstück 1 spitzenlos. Hierbei
handelt es sich um eine Rundschleifbearbeitung, insbesondere um
eine Außenrundschleifbearbeitung.
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Im
Gegensatz zum Rundschleifverfahren zwischen Spitzen, wird das Werkstück 1 beim
spitzenlosen Schleifen nicht gesondert fixiert und benötigt daher
auch keine Ansenkungen oder Halterungen an den Enden. Stattdessen
wird das Werkstück 1 einfach
in die Werkzeugmaschine 2 eingebracht, indem es mit seiner
Oberfläche
zwischen die Anlagefläche 6 des
Auflageelements 5 und die Regelscheibe 3 eingelegt
wird. Aufgrund des schrägen
Verlaufs der Anlagefläche 6 wird
das Werkstück 1 zwischen
dem Auflageelement 5 und der Regelscheibe 3 eingeklemmt
und damit fixiert.
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Das
weiche ggf. mit harten Körnern
versetzte Material der Regelscheibe 3 gewährleistet
einen guten Reib- oder Kraftschluss zum Werkstück 1, sodass die Regelscheibe 3 das
Werkstück 1 auf
eine einstellbare Umdrehungsgeschwindigkeit n (= Drehzahl) mit einer
Umdrehungsdauer Tn bringen kann. Das Werkstück 1 dreht
sich dann zwischen der Regelscheibe 3 und der Schleifscheibe 4,
die schneller rotiert als die Regelscheibe 3 und vor allem
auch deutlich schneller als das Werkstück 1. Aufgrund der
höheren
Umdrehungsgeschwindigkeit schleift die Schleifscheibe 4 das
Werkstück 1 auf
ein durch den Abstand (= Schleifspalt) zwischen den beiden Scheiben 3 und 4 vorgebbares
Schleifmaß ab.
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Bei
Vorgabe einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit n für das Werkstück 1 kann
es vorkommen, dass am Ende des mit der Werkzeugmaschine 2 durchgeführten Bearbeitungsprozesses
eine Oberfläche
des Werkstücks 1 resultiert,
die eine periodische Unregelmäßigkeit
aufweist. Ein Ausführungsbeispiel
eines so hergestellten Werkstücks 11 ist
in 3 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Das Werkstück 11 hat
eine zyklische oberflächen-Störung mit
insgesamt 14 Störungsperioden
in Umfangsrichtung. Diese periodischen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
führen
dazu, dass nur eine begrenzte Bearbeitungsgenauigkeit erreicht wird.
Der Rundheitsfehler, der zwischen der maximalen und der minimalen
Abweichung von der in 3 mit eingetragenen ideal runden
Querschnittsgeometrie bestimmt wird, liegt bei 5,11 μm. Dieser
Rundheitsfehler ist für
viele Anwendungen zu groß.
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Um
solche periodischen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten
zu vermeiden und um eine Bearbeitungsgenauigkeit von unter einem μm zu erreichen,
wird mindestens einer von mehreren Prozessparametern p
i(t) so
eingestellt, dass er sich aus einem durch den gewünschten
Bearbeitungserfolg bedingten und vom Bediener entsprechend den Prozessanforderungen
oder seinem Ermessen vorgebbaren Basiswert
p i und einem dem
Basiswert
p i additiv überlagerten
periodischen Variationsanteil Δp
i(t) zusammensetzt. Es gilt also:
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Durch
diese Überlagerung
eines Variationsanteils wird verhindert, dass der Prozess auf eine
ein zyklisches Fehlermuster, wie z.B. den Rundheitsfehler gemäß 3,
hervorrufende Schwingung einschwingt.
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Als
so eingestellter Prozessparameter p
i(t)
kommt beim spitzenlosen Schleifen beispielsweise die in
2 über der
Zeit t aufgetragene Umdrehungsgeschwindigkeit n des Werkstücks
1 in
Frage. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein über
der Zeit t etwa konstanter Basiswert
n von
680 U/min vorgesehen, dem ein sinusförmiger Variationsanteil Δn(t) gemäß
mit einer Variationsperiodendauer
T von etwa 0,1 s und mit einer Variationsamplitude A von etwa 68
U/min überlagert
ist. Kittels Kehrwertbildung erhält
man aus der Variationsperiodendauer T von etwa 0,1 s eine Variationsfrequenz
f von etwa 10 Hz. Dem Basiswert
n von
680 U/min entspricht eine Umdrehungsdauer T
n von etwa
0,0015 min = 0,09 s = 90 ms. Die Variationsperiodendauer T und die
Umdrehungsdauer T
n liegen also in der gleichen
Größenordnung.
Sie unterscheiden sich aber voneinander. Die Variationsamplitude
A ist so groß gewählt, dass
aufgrund der gezielt vorgesehenen Variation der Umdrehungsgeschwindigkeit
n möglichst
viele der in
3 beispielhaft gezeigten Oberflächen-Störungsperioden
in Umfangsrichtung erfasst und damit abgeschliffen oder an der Ausbildung
gehindert werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines mit zyklisch variierter Umdrehungsgeschwindigkeit n hergestellten Werkstücks 12 ist
in 4 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Im Gegensatz
zum Werkstück 11 hat
das Werkstück 12 keine
vergleichbare zyklische Oberflächen-Störung. Die
Bearbeitungsgenauigkeit ist wesentlich besser. Der geforderte Wert
von einem μm
wird eingehalten. Der beim Ausführungsbeispiel
gemäß 4 erzielte Rundheitsfehler
liegt bei nur 0,72 μm.
Hierbei ist zu beachten, dass für
die Darstellungen gemäß 3 und 4 unterschiedliche
Skalierungen, nämlich
2,0 μm bzw.
0,5 μm,
vorgesehen sind. Neben der ideal runden Querschnittsgeometrie ist
in 3 und 4 die jeweils real erzielte
Querschnittskontur 13 bzw. 14 des Werkstücks 11 bzw. 12 wiedergegeben.
