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Title:
METHOD OF MACHINING A WORKPIECE WITH ALTERNATING SPINDLE SPEED
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2007/113050
Kind Code:
A1
Abstract:
The method serves to machine a workpiece (1) using a machine tool or production machine (2). At least one process parameter (n) is set to a basic value ( n ) determined by a desired machining result. The process parameter (n) is varied by the basic value ( n ). As a result, the machining accuracy can be considerably increased.

Inventors:
FORSTER GERHARD (DE)
GLUECK WINFRIED (DE)
VIERING FRANK (DE)
Application Number:
EP2007/051621
Publication Date:
October 11, 2007
Filing Date:
February 20, 2007
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
FORSTER GERHARD (DE)
GLUECK WINFRIED (DE)
VIERING FRANK (DE)
International Classes:
B24B5/18; B23Q11/00; B24B1/00
Foreign References:
DE2520946A11976-11-18
GB1304186A1973-01-24
DE2259618A11973-07-26
US6189426B12001-02-20
US2334954A1943-11-23
Other References:
K. JEMIELNIAK AND A. WIDOTA: "Suppression of Self-Excited Vibration by Spindle Speed Variation Method", INT. JOURNAL OF MACHINE TOOL DESIGN AND RESEARCH, vol. 24, no. 3, 1984, Great Britain, pages 207 - 214, XP002435235
IOAN D. MARINESCU, MIKE HITCHINER, ECKART UHLMANN, INASAKI ICHIRO: "Handbook of Machining with Grinding Wheels", 2006, CRC PRESS, XP002435227
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1; 12) mit einer Werkzeug- oder Produktionsmaschine (2), bei dem a) mindestens ein Prozessparameter (n) auf einen durch einen gewünschten Bearbeitungserfolg bestimmten Basiswert ( rf ) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass b) der Prozessparameter (n) um den Basiswert ( rf ) variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation des Prozessparameters (n) um den Basiswert ( rf ) periodisch vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1; 12) an einer Stelle pe ¬ riodisch mehrfach bearbeitet wird, und dass als der zu vari ¬ ierende Prozessparameter eine Bearbeitungswiederholungsdauer (T n ) vorgesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1; 12) gedreht wird, und dass als der zu variierende Prozessparameter eine Drehzahl (n) des Werkstücks (1; 12) vorgesehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation mit einer Variationsperio ¬ dendauer (T) vorgenommen wird, die höchstens 150% einer als Kehrwert der Drehzahl (n) gebildeten Umdrehungsdauer (T n ) des Werkstücks (1; 12) beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation mit einer Variationsperio- dendauer (T) vorgenommen wird, die mindestens 50% einer als

Kehrwert der Drehzahl (n) gebildeten Umdrehungsdauer (T n ) des Werkstücks (1; 12) beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation mit einer Variationsperio ¬ dendauer (T) vorgenommen wird, die ungleich einer als Kehrwert der Drehzahl (n) gebildeten Umdrehungsdauer (T n ) des Werkstücks (1; 12) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation mit einer Variationsamplitude (A) vorgenommen wird, die im Bereich zwischen 5% und 20% des Ba- siswerts (Tf), insbesondere bei 10% des Basiswerts ( rf ) liegt .

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1; 11; 12) spitzenlos geschliffen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge kenn ze ichnet , dass die Werkzeug- oder Produktionsmaschine (2) in einer mittleren Baugröße vorgesehen wird.

Description:

Beschreibung

VERFAHREN ZUR BEARBEITUNG EINES WERKSTüCKS MIT WECHSELNDER SPINDELDREHZAHL

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.

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 periodi- sehe 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 (= cen- terless grinding process) als regeneratives Rattern oder instabile Schleifspaltgeometrie vor.

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.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art anzugeben, das ohne Beeinträchtigung der Anwenderflexibilität eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit ermöglicht.

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.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die periodischen Unregelmäßigkeiten an der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks dadurch unterdrückt, dass die Periodizität der Unre- gelmäßigkeiten 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 Pro- zessparameter um ihren jeweiligen Basiswert variiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche .

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.

Vorzugsweise wird das Werkstück an einer Stelle periodisch mehrfach bearbeitet, und wird als der zu variierende Prozessparameter eine Bearbeitungswiederholungsdauer vorgesehen.

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 .

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.

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.

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.

Gemäß einer anderen günstigen Variante wird die Variation mit einer Variationsamplitude vorgenommen, die im Bereich zwi-

sehen 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 Wertebereiche für die Variationsamplitude als besonders günstig erweisen. Dies kann insbesondere vom jeweiligen Bearbei- tungsvorgang abhängen. Der jeweils maßgebliche Wertebereich für die Variationsamplitude lässt sich anhand empirischer Untersuchungen der zu unterdrückenden Oberflächen-Unregelmäßigkeiten bei verschiedenen Prozessparameter-Einstellungen ermitteln .

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.

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, vor- gesehen 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 Maschi- nen nun auch eine sehr hohe Bearbeitungsqualität. Damit wird ein neues Marktsegment für derartige Spitzenlos-Schleifmaschinen erschlossen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

FIG 1 ein Ausführungsbeispiel zur Bearbeitung eines rotierenden Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine,

FIG 2 ein Diagramm eines Zeitverlaufs einer um einen Basiswert variierten Drehzahl des Werkstücks gemäß FIG 1,

FIG 3 ein Querschnitt eines ohne Variation der Drehzahl be- arbeiteten Werkstücks, und

FIG 4 ein Querschnitt eines mit Variation der Drehzahl bearbeiteten Werkstücks.

Einander entsprechende Teile sind in FIG 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In FIG 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.

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 An- lagefläche 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.

Im Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf FIG 2 bis 4 die Funktionsweise der Werkzeugmaschine 2 beschrieben.

Die Werkzeugmaschine 2 schleift das Werkstück 1 spitzenlos. Hierbei handelt es sich um eine Rundschleifbearbeitung, insbesondere um eine Außenrundschleifbearbeitung.

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 .

Das weiche ggf. mit harten Körnern versetzte Material der Re- gelscheibe 3 gewährleistet einen guten Reib- oder Kraft- schluss zum Werkstück 1, sodass die Regelscheibe 3 das Werkstück 1 auf eine einstellbare Umdrehungsgeschwindigkeit n (= Drehzahl) mit einer Umdrehungsdauer T n 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.

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 FIG 3 in Querschnittsdar- Stellung gezeigt. Das Werkstück 11 hat eine zyklische Oberflächen-Störung mit insgesamt 14 Störungsperioden in Umfangs- richtung. Diese periodischen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten führen dazu, dass nur eine begrenzte Bearbeitungsgenauigkeit erreicht wird. Der Rundheitsfehler, der zwischen der maxima- len und der minimalen Abweichung von der in FIG 3 mit eingetragenen ideal runden Querschnittsgeometrie bestimmt wird, liegt bei 5,11 μm. Dieser Rundheitsfehler ist für viele Anwendungen zu groß .

Um solche periodischen Oberflächen-Unregelmäßigkeiten zu vermeiden und um eine Bearbeitungsgenauigkeit von unter einem μm zu erreichen, wird mindestens einer von mehreren Prozessparametern Pi (t) so eingestellt, dass er sich aus einem durch den gewünschten Bearbeitungserfolg bedingten und vom Bediener entsprechend den Prozessanforderungen oder seinem Ermessen vorgebbaren Basiswert J) 1 und einem dem Basiswert J) 1 additiv überlagerten periodischen Variationsanteil Ap 1 (t) zusammensetzt. Es gilt also:

P P 11 (WO = = P P 11++ AApp 11 ((OO = = P P 11++ VVff^(^y ( D

Durch diese überlagerung eines Variationsanteils wird verhindert, dass der Prozess auf eine ein zyklisches Fehlermuster, wie z.B. den Rundheitsfehler gemäß FIG 3, hervorrufende Schwingung einschwingt.

Als so eingestellter Prozessparameter Pi(t) kommt beim spitzenlosen Schleifen beispielsweise die in FIG 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 Tf von 680 U/min vorgesehen, dem ein sinusförmiger Variationsanteil δn(t) gemäß

δn(t)= A-sin( t^)=A-sin(2πft) (2)

mit einer Variationsperiodendauer T von etwa 0,1 s und mit einer Variationsamplitude A von etwa 68 U/min überlagert ist. Mittels Kehrwertbildung erhält man aus der Variationsperiodendauer T von etwa 0,1 s eine Variationsfrequenz f von etwa 10 Hz. Dem Basiswert rf von 680 U/min entspricht eine Umdre- hungsdauer 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 Umdre- hungsgeschwindigkeit n möglichst viele der in FIG 3 beispielhaft gezeigten Oberflächen-Störungsperioden in Umfangsrich- tung erfasst und damit abgeschliffen oder an der Ausbildung gehindert werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines mit zyklisch variierter Umdrehungsgeschwindigkeit n hergestellten Werkstücks 12 ist in FIG 4 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Im Gegensatz zum Werkstück 11 hat das Werkstück 12 keine vergleichbare zyklische Oberflächen-Störung. Die Bearbeitungsgenauigkeit ist wesent- lieh besser. Der geforderte Wert von einem μm wird eingehalten. Der beim Ausführungsbeispiel gemäß FIG 4 erzielte Rundheitsfehler liegt bei nur 0,72 μm. Hierbei ist zu beachten, dass für die Darstellungen gemäß FIG 3 und 4 unterschiedliche Skalierungen, nämlich 2,0 μm bzw. 0,5 μm, vorgesehen sind. Neben der ideal runden Querschnittsgeometrie ist in FIG 3 und 4 die jeweils real erzielte Querschnittskontur 13 bzw. 14 des Werkstücks 11 bzw. 12 wiedergegeben.