DE19544620A1 - Verfahren zur Detektion von Schleifbrand beim Schleifen und zur Detektion des Zustandes der Schleifscheibe mittels Messung der dielektrischen Funktion im hochfrequenten Bereich - 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 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, 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.

Eine weitere Ursache der Erhöhung der Schleifbrandgefahr ist durch den Zustand der Schleifscheibe gegeben. Beim Schleifen werden nämlich die von den einzelnen Schleifkörnern abgehobelten Späne zumeist in die Spanräumen, die sich zwischen den Schleifkörnern befinden, eingelagert. Falls nun das bezogene Zerspanvolumen zu groß wird, kann der Fall eintreten, daß die Späne (der sogenannte Abrieb) nicht schnell genug aus den Spanräumen entfernt werden. Dies erhöht die Gefahr von Schleifbrand, da dann die in das Schleifgebiet eingebrachte Energie in Form von Wärme nicht genügend schnell abgeführt werden kann. Ebenso kann eine geringe Rauheit die Gefahr eines Schleifbrandes erhöhen, da in diesem Fall wenige Schleifkörner das zugestellte Materialvolumen abnehmen müssen. Deshalb ist eine Überwachung des Zustandes - Rauheit und Zusetzungsgrad - der Schleifscheibe wünschenswert.

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 während des Schleifvorgangs detektiert und die Einstellparameter der Maschine zur Vermeidung des Schleifbrandes entsprechend abändert.

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 Detektion von Schleifbrand beim Schleifen und zur Detektion des Zustandes der Schleifscheibe mittels Messung der dielektrischen Funktion im hochfrequenten Bereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, mit dem eine zuverlässige Erkennung von Schleifbrand am Werkstück und 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 dielektrische Funktion verschiedener Materialien, wie beispielsweise Stahl, derselbe Stahl mit Schleifbrand und Schleifkörner aus Korund, verschieden ist. Bringt man nun diese verschiedenen Materialien in einen Kondensator ein oder auch nur in die Nähe desselben, ändert sich dessen Kapazität. Die Änderung dieser Kapazität, die Teil eines Schwingkreises sein soll, bewirkt eine Änderung der Eigenfrequenz desselben Schwingkreises. Somit kann die Änderung der Kapazität in eine elektrische Frequenzmodulation verwandelt werden. Diese kann durch eine darauf folgende Signalverarbeitungsanlage demoduliert und geglättet werden.

Die Kapazität wird im Falle der Verwendung hoher Frequenzen, beispielsweise bis zu einigen GHz, durch ein Koaxialkabel realisiert, dessen offenes Ende an die zu messende Stelle herangeführt wird.

Dabei ist zu beachten, daß auch bei unverändertem Probestück die Kapazität mit Änderung des Abstandes desselben zum Koaxialkabel geändert wird. Durch Konstanthalten des Abstandes kann dieser Effekt verhindert werden.

Bei der Detektion des Werkstückmaterials wird der Sensor in konstantem Abstand zur Werkstückoberfläche über das von der Schleifscheibe bearbeitete Gebiet des Werkstücks geführt. Dies kann in zeitlich kurzem Abstand zum Schleifereignis erfolgen: Der Sensor führt zusammen mit der Schleifscheibe die Hubbewegung aus und detektiert daher im Abstand von Bruchteilen von Sekunden das geschliffene Gebiet. Das Kühlschmiermittel- Luft-Gemisch ändert zwar auch die dielektrische Funktion, von Interesse hingegen ist die bei geeigneter Dimensionierung des Sensors und geeignet gewählter Betriebsfrequenz des Schwingkreises starke plötzliche Änderung der Eigenfrequenz des Schwingkreises bei Phasenumwandlung des Werkstückmaterials von gehärtetem Stahl in entspannten Stahl mit Scheifbrand, der mit Kohlenstoff im Gefüge angereichert ist.

Von der angeschlossenen Signalverarbeitungsstufe wird die Änderung der Eigenfrequenz durch Frequenz-Demodulation, Verstärkung und andere Methoden wie beispielsweise Filterungen (Glättungen), verarbeitet und danach einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt, die eine Warnvorrichtung oder Vorschubregelung steuert.

Ein weiteres Signal ergibt sich daraus, daß mit der Phasenumwandlung des Werkstückmaterials eine Volumenänderung einhergeht. Kommt man also beispielsweise bei fast kritischer Einstellung der Maschinen- und Prozeßparameter durch eine kleine Aufmaßschwankung in den Bereich der Phasenumwandlung plötzlich hinein, detektiert der Sensor eine Erhöhung der Oberfläche nach Abkühlung des Werkstückmaterials. Dieses Signal kann sich zu den vorher genannten addieren, wenn die Zeitspanne zwischen Schleifzeitpunkt und Zeitpunkt des Überfahrens mit dem Sensor so groß ist, daß eine genügend starke Abkühlung des Materials stattfindet. In den derzeit marktüblichen Maschinen ist die Kühlung mit Kühlschmiermittel genügend stark, um das geschliffene Gebiet innerhalb von einigen Zehntel Sekunden auf Temperaturen unter 200°C zu bringen. Dabei kommt der schnelle Abtransport der Wärme durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Werkstückmaterials hinzu.

Darüber hinaus kann der gleiche Sensor so fixiert werden, daß er auf die Schleifscheibe gerichtet ist. Dabei kann mit dem hier beschriebenen Sensor bei geeignet gewählten Frequenzen und geeigneter Dimensionierung der Abstand zur Schleifscheibe mit einer Auflösung von unter einem µm bestimmt werden. Der Taumelschlag der Schleifscheibe ist in guter Näherung als sinusförmiges demoduliertes Signal sichtbar. Überlagert und nur bei hoher Verstärkung sichtbar ist ein sehr hochfrequentes Signal. Dieses stammt einerseits von der wechselnden Abfolge von Korund-Schleifkörnern und leeren oder mit metallischen Spänen zugesetzten Spanräumen. Andererseits entspricht die Rauheit der Schleifscheibe einer wechselnden Abstandsänderung, ist aber bei einer Schleifscheibe im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit konstant. Rauheitsänderung und Zusetzung der Spanräume mit metallischen Spänen bedingen den Zustand der Schleifscheibe.

Von der angeschlossenen Signalverarbeitungsstufe mit angeschlossenem Digitalrechner wird die Änderung der Eigenfrequenz durch Frequenz-Demodulation, Verstärkung und andere Methoden wie beispielsweise Filterungen (Glättungen), verarbeitet und die oben erwähnte Fluktuation gemessen und verwertet, so daß eine Bestimmung der Menge von zugesetzten Spanräumen pro Umdrehung möglich ist. Diese Größe wird einer Warnvorrichtung oder Vorschubregelung zugeführt.

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.

Offensichtliche Änderungen sind die im Folgenden genannten:
Statt Koaxialkabel können auch andere ähnliche Geometrien verwendet werden, beispielsweise ineinander geschobene Zylinder statt des linienhaften Innenleiters eines Koaxialkabels oder gar ineinander geschobene Quader. Der Vorteil dieser anderen Geometrien ist ein dichterer oder ein gleichmäßigerer Verlauf der Feldlinien im empfindlichen Bereich des Sensors.

Bei so hohen Arbeits-Frequenzen wird nicht nur die Kapazität geändert, sondern im strengen Sinne auch die Induktivität des Koaxialkabels. (Die Änderung der magnetischen Permeabilität des gesamten Schwingkreises kann hierbei meist vernachlässigt werden, solange die Frequenz nicht mit der des Lichtes oder Infrarotlichtes vergleichbar ist.)

Statt einer Öffnung am Ende kann auch eine Öffnung an der Seite des Koaxialkabels zur Detektion verwendet werden.

Es können auch zwei Sensoren angebracht werden, einer vor der Schleifscheibe und einer hinter der Schleifscheibe, so daß in beiden Hubrichtungen der Zustand des Werkstückmaterials detektiert werden kann.

Im Falle der Anwendung des Sensors an der Schleifscheibe kann auch der Abstand durch Fixierung des Sensors gemessen werden.

Anhand von Figuren soll die Erfindung und ihr Einsatzbereich kurz dargestellt werden. Es zeigen:

Fig. 1: Sensor über der Kontaktlinie, die Hubbewegung zusammen mit der Schleifscheibe ausführend;

Fig. 2: wie Fig. 1 , aber mit zwei Sensoren;

Fig. 3: Sensor an Schleifscheibe;

Fig. 4: Idealisierter Signalformverlauf bei Anbringen des Sensors an die Schleifscheibe.

Beim Schleifen von Zahnrädern sind mehrere Verfahren bekannt. Die hier verwendeten Figuren beziehen sich auf das sogenannte Teilwälz-Verfahren. Die Erfindung bezieht sich aber genauso auf das sogenannte Profilschleifverfahren.

In der Fig. 1 ist der Sensor mit der Schleifscheibe zusammen im Einsatz an einem Werkstück. Der Sensor bewegt sich über der Kontaktlinie in relativ zur Schleifscheibe unveränderter Position. Er führt die Hubbewegung der Schleifscheibe aus und detektiert dabei das soeben geschliffene Gebiet.

In der Fig. 2 ist über Fig. 1 hinausgehend der Einsatz von zwei Sensoren angedeutet, damit die Sensoren in beiden Hubrichtungen arbeiten können. In der einen Hubrichtung ist der eine Sensor aktiv, in der anderen entsprechend der andere.

In der Fig. 3 ist schematisch der Sensor bei Anbringung an die Schleifscheibe dargestellt.

In der Fig. 4 ist das demodulierte geglättete Signal des Sensors in idealisierter Form gezeigt, das man erhält, wenn der Sensor auf die Schleifscheibe gerichtet wird. Der deutlich sichtbare Sinus dient dazu, den Taumelschlag der Schleifscheibe zu messen und kann beispielsweise zum Auswuchten verwendet werden. Die hochfrequenten überlagerten Anteile stammen von den Schleifkörnern, Spanräumen und mit metallischem Abrieb zugesetzten Spanräumen.

Eine auf der Hand liegende Erweiterung besteht in der Veränderung der Arbeitsfrequenzen der verwendeten elektromagnetischen Wellen in den Radar- oder Mikrowellenbereich. Ebenso kann mit einer hochverstärkenden und auflösenden Elektronik der Bereich niedrigerer Frequenzen angegangen werden.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlichen Parameter lassen sich den in der Zeichnung 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 (12)

1. Verfahren zur Detektion von Schleifbrand beim Schleifen und zur Detektion des Zustandes der Schleifscheibe bei einer Schleifeinrichtung mit Schleifscheibe, Antriebsmaschine und Werkstück mittels Messung der dielektrischen Funktion im hochfrequenten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß
die Änderung der dielektrischen Funktion im hochfrequenten Bereich gemessen wird durch Änderung der Kapazität eines elektrischen Schwingkreises und der darauf folgenden demodulierenden und glättenden Signalaufbereitung,
dieser Wert einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt wird und dadurch das Erkennen einer Phasenumwandlung des Werkstückmaterials, wie beispielsweise der sogenannte Schleifbrand, oder
das Erkennen des Maßes der Zusetzung der Schleifscheibe mit metallischem Abrieb dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die in Anspruch 1 genannte Erkennung der Phasenumwandlung des Werkstückmaterials der Sensor so mit der Schleifscheibe verbunden wird, daß er zusammen mit der Schleifscheibe die gleiche Hubbewegung ausführt und sich so über der Kontaktlinie, d. h. die Bahnkurve des Berührpunktes von Schleifscheibe und Werkstück, befindet, daß er auf das soeben von der Schleifscheibe geschliffene Gebiet gerichtet ist und dieses detektieren kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die in Anspruch 1 genannte Erkennung der Phasenumwandlung des Werkstückmaterials zwei Sensoren so mit der Schleifscheibe verbunden werden, daß sie zusammen mit der Schleifscheibe die gleiche Hubbewegung ausführen und sich so über der Kontaktlinie, d. h. der Bahnkurve des Berührpunktes von Schleifscheibe und Werkstück, befinden, daß für jede Hubbewegungsrichtung einer der beiden Sensoren auf das soeben von der Schleifscheibe geschliffene Gebiet gerichtet ist und dieses detektieren kann.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Warneinrichtung Schleifbrand angezeigt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Warneinrichtung verwendet wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische Warneinrichtung verwendet wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß eine kombinierte, optisch akustische Warneinrichtung verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale des Sensors von einer Signalverarbeitungsstufe mit angeschlossenem Rechner ausgewertet werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitung mit angeschlossenem Rechner derart mit der Schleifmaschine verbunden ist, daß von der Signalverarbeitungsstufe mit angeschlossenem Rechner der Vorschub geregelt werden kann.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß Schwankungen der Netzspannung ermittelt werden und von der Signalverarbeitungsstufe mit angeschlossenem Rechner bei der Regulierung berücksichtigt werden.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverarbeitung mit angeschlossenem Rechner die geometrischen Positionen der Schleifmaschine übermittelt werden und in der Regelung berücksichtigt werden.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Vorschubes von der Signalverarbeitung mit angeschlossenem Rechner so durchgeführt wird, daß auf einen Referenzwert hin geregelt wird und der für Schleifbrand charakteristische, gegebenenfalls um einen Sicherheitsfaktor veränderte, Schwellwert nicht überschritten wird.