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 y _m j _n und y _max . Bei dem in Figur 2 dargestellten Beispiel ist die Koordinate y als Funktion der Zeit t sinusförmig oder näherungsweise sinusförmig, (y(t) = (y _max + y _mm )/2 + (y _ma χ-y _m iπ)/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) = y _max + (y _m i _n - y _max )"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 y _min und y _max 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 y _mm 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 (y _m i _n ), 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 (y _max ) 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 X ₀ bis zu einem Wert x _m aχ monoton ansteigt. In einem nachfolgenden Zeitintervall vom Zeitpunkt ti bis zu einem Zeitpunkt t ₂ fallt die Koordinate x von x _max monoton auf einen Wert x _min , der jedoch größer ist als x ₀ . In einem weiteren Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt t ₂ und einem Zeitpunkt t ₃ wächst die Koordinate x von x _min bis zu einem Wert Xmax+Xmin-Xö- Die Relativbewegung im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t ₂ und t ₃ entspricht damit der um Xmm-Xo verschobenen Relativbewegung im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten to und ti. Eine Fortsetzung für Zeiten t>t ₃ 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, t ₂ , t ₃ 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 t ₂ 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 t ₀ und t ₂ stetig, jedoch in den Zeitpunkten to, t ₂ 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 t ₀ ' 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) = x _max , x'(ti) = 0, x(t ₂ ) = x _min , x'(t ₂ ) = 0, x(t ₃ ) = x _max + (x _mm - X ₀ ), x'(t ₃ ) = 0, ... beschrieben werden. Hinzu können weitere Randbedingungen kommen, beispielsweise x"(to) = x"(t ₂ ). 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 t ₂ 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 t ₂ 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 y _m j _n 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 y _m i _n 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 L _eff = sqrt(L • L + R ₅ ^■ R _s ). 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 = |L _eff cos(ß-α) - L _e f _f - cos(ß)| = |L _ef r(cos(ß-α) - cos(ß))| ~ |L _eff 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 R ₅ des Schleifwerkzeugs 40 R _s = 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, L _eff = 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