Verfahren und Vorrichtung zum mechanischen Schleifen von Werkstücken mittels elektrisch leitfähiger Schleifwerkzeuge

Abstract

 Das Verfahren zum mechanischen Schleifen von Werkstücken mittels elektrisch leitfähiger Schleifwerkzeuge sieht vor, daß zunächst beim Antasten des Schleifwerkzeugs (18) an das Werkstück (10) eine elektrische Funkenspannung zwischen Schleifwerkzeug (18) und Werkstück angelegt und die Tast­stellung durch den Funkenstrom bestimmt wird. Anschließend wird dann für den Schleifvorgang die Funkenspannung abge­schaltet oder auf einen solchen Wert eingestellt, daß im wesentlichen nur ein mechanischer Materialabtrag erfolgt. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft auf einer Vorrich­tung auszuführen, die für Funkenerosionsverfahren oder Erodierschleifen ausgelegt ist, weil dann die dafür vorhan­dene Steuerschaltung (32) nicht nur für die Steuerung des Funkenspalts bei der erodierenden Bearbeitung, sondern auch für das Antasten des Schleifwerkzeugs benutzt werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mechanischen Schlei­fen von Werkstücken mittels elektrisch leitfähiger Schleif­werkzeuge, wobei zunächst ein Antasten des Schleifwerkzeugs an das Werkstück oder einen Meßfühler erfolgt und anschlies­send von dieser Taststellung aus bestimmte Zustell- und Vor­schubbewegungen ausgeführt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

[0002] Bei mechanischen Schleifverfahren, mit denen sich die vor­liegende Erfindung befaßt, wird bisher, wenn die Lage der zu schleifenden Fläche im Raum und/oder der Schleifschei­bendurchmesser nicht genau vorgegeben sind, das Schleifwerk­zeug von der Bedienungsperson bis gerade zur Berührung an das Werkstück herangefahren, d.h. es wird angetastet, und an­schließend werden die vorgesehenen Zustell- und Vorschubbe­wegungen nach einem bestimmten Steuerprogramm ausgeführt. Das Antasten erfolgt somit manuell gesteuert, wobei sich die Bedienungsperson nach dem bei einsetzender Berührung entste­henden Geräusch und dem Ausmaß der Bildung von Schleiffunken richtet. Sind z.B. in einer Aufspannung eines Werkstücks oder einer Gruppe von Werkstücken eine Vielzahl von unter­schiedlich abgenutzten Werkzeugschneiden nachzuschleifen, z.B. die Zähne eines Sägeblatts, die Schneiden eines Fräsers oder einer Anzahl von gemeinsam in eine Spannvorrichtung ein­gesetzten Drehmeißeln, muß vor Beginn des Nachschleifens einer jeden Schneide erneut manuell angetastet werden. Man kann nicht alle Schneiden hintereinander automatisch bear­beiten. Gleiches gilt für Schleifverfahren im Fertigungs­prozeß, wenn die vorgefertigten Werkstücke unterschiedliche Ausgangsmaße haben, Unterschiede bei der Werkstückeinspan­nung auftreten oder der Schleifscheibendurchmesser nicht ständig kontrolliert wird.

[0003] Bei elektroerosiven Bearbeitungsverfahren, auch dem sogenann­ten Funkenschleifen bzw. Erodierschleifen gemäß z.B. EP-A1-0076 997 , bei dem der Materialabtrag im wesentlichen berührungslos durch die zwischen Werkzeug und Werkstück über­schlagenden Funken erfolgt, wird mindestens am Anfang mit einem bestimmten Funkenspalt gearbeitet, dessen Einhaltung in Abhängigkeit vom Funkenstrom geregelt wird. Selbst wenn bei Werkstücken, die elektrisch nichtleitende Materialien, z.B. Diamant, in einer elektrisch leitenden metallischen Matrix enthalten, auch ein mechanischer Abtrag der elektrisch nichtleitenden Bestandteile stattfindet, so geschieht dies erst nach funkenerosivem Abtrag der metallischen Matrix, bei dem die elektrisch nichtleitenden Bestandteile weitgehend freigelegt werden, so daß sie von dem funkenerosiv wirkenden Werkzeug leicht abgeschlagen werden können. Die in Abhängig­keit vom Funkenstrom gesteuerte Steuerschaltung hat also bis­her prinzipiell die Funktion, von Anfang an für den zum be­rührungslosen funkenerosiven Abtrag des elektrisch leitenden Materials notwendigen Abstand (= Funkenspalt) zum Werkstück zu sorgen. Eine anfänglich absichtlich herbeigeführte Berüh­rung mit weiterhin hauptsächlich mechanischem Materialabtrag gibt es bei Funkenerosionsverfahren nicht.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs ge­nannte mechanische Schleifverfahren dahingehend zu verbes­sern, daß es sich automatisch und schneller ausführen läßt, und vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Antasten eine elektrische Funkenspannung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück oder Meßfühler angelegt und die Taststellung durch den Funkenstrom bestimmt wird, und daß anschließend für den Schleifvorgang die Funkenspannung abgeschaltet oder auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß im wesentlichen ein mechanischer Materialabtrag erfolgt.

[0005] Die größte Bedeutung kommt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der funkenstromgesteuerten Antastung vor der materialabtragen­den Bearbeitung zu, wobei mit Vorteil die an sich bekannte, aber bisher bei einem anderen Abtragsverfahren zu einem an­deren Zweck, nämlich der Abstandsregelung während der elektro­erosiven Bearbeitung, eingesetzte Steuerschaltung mit Funken­generator Anwendung finden kann. Von dem Funkengenerator braucht allerdings kein Arbeitsstrom für Abtragsleistung gefordert zu werden, da der Funkenstrom ausschließlich der Ansteuerung einer bestimmten Berührungsstellung dient, wäh­rend das Abtragen des Materials im wesentlichen mechanisch erfolgt.

[0006] Die elektrisch nicht leitende Körnung der Schleifscheibe sorgt auch während der Berührung und des mechanischen Abtragens von elektrisch leitendem Material eines Werkstücks für einen ge­wissen Abstand zwischen diesem und der metallischen Matrix der Schleifscheibe, so daß erfindungsgemäß auch die Möglich­keit besteht, noch nach dem elektrisch gesteuerten Antasten weiterhin eine Funkenspannung zwischen Werkzeug und Werkstück anliegen zu lassen und in Abhängigkeit von einem schwachen Funkenstrom, der für den Metallabtrag keine Bedeutung hat, kontinuierlich eine bestimmte Berührungsstellung der Schleif­scheibe für mechanischen Abtrag des elektrisch leitenden Materials des Werkstücks zu regeln.

[0007] Sollen mit bestimmten Relativstellungen zueinander angeordne­te Flächen, z.B. Schneiden eines Fräsers, geschliffen werden, kann in einer bevorzugten praktischen Ausführung der Erfin­dung vor und/oder nach dem Schleifen einer der Flächen an dieser mittels Funkenstrom angetastet werden, und es können entsprechend dieser Taststellung die anderen Flächen ge­schliffen oder Zustellbewegungen zur Kompensation der Schleif­scheibenabnutzung vorgenommen werden. Anstatt eine bestimmte Fläche an einem Werkstück als Referenz für das automatische Schleifen anderer Flächen zu verwenden, kann auch eine Modell­fläche oder ein Meßfühler mit dem Schleifwerkzeug angetastet und als Referenz für alle zu schleifenden Flächen benutzt werden.

[0008] Einen besonders großen Vorteil bietet das neue Verfahren, wenn in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung das Werkstück zunächst mit einem ersten Werkzeug funkenerosiv oder erodierschleifend und dann in derselben Aufspannung mit einer mittels Funkenstrom in die Antaststellung gebrachten Schleifscheibe mechanisch abtragend bearbeitet wird. Bei dieser Ausführungsvariante erfolgt nicht nur das Antasten schnell und automatisch, sondern es wird auch zusätzlich die Genauigkeit gefördert, indem bei beiden nacheinander ausge­führten unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen das Werkstück in derselben Aufspannung bleibt und die Relativstellungen zu beiden Werkzeugen in gleicher Weise gesteuert werden.

[0009] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­fahrens besteht aus einem rotierend antreibbaren, elektrisch leitfähigen Schleifwerkzeug, einer Werkstück-Spanneinrichtung und einem steuerbaren Bewegungsantrieb zur Veränderung der Relativstellung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug und das Werkstück oder ein Meßfühler an einen Funkengenerator an­schließbar sind und der Bewegungsantrieb beim Antasten durch eine vom Funkenstrom beeinflußte Steuerschaltung steuerbar ist, welche während des mechanischen Schleifvorgangs durch ein Steuerprogramm und/oder einen nur als Steuerstrom be­messenen Funkenstrom steuerbar ist.

[0010] Besonders einfach und kostengünstig läßt sich die neue Vor­richtung dadurch realisieren, daß das Schleifwerkzeug an den Funkengenerator und die Steuerschaltung eines in derselben Werkstückaufspannung einsetzbaren, funkenerosiv wirksamen Werkzeugs anschließbar ist, welches in bevorzugter Ausführung als erodierende Scheibe auf derselben Welle wie das me­chanisch wirksame Schleifwerkzeug angeordnet ist.

[0011] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er­läutert.

[0012] Die Zeichnung zeigt schematisch ein Werkstück 10, z.B. ein Sägeblatt, welches auf einem Kreuzschlitten 12 aufgespannt ist und dadurch in Richtung von zwei senkrecht aufeinander­stehenden Koordinaten x und y verfahren werden kann. Ein Dreh­antrieb 14, dessen Drehwinkel α gesteuert werden kann, dient zur Drehwinkelverstellung bzw. zum Weiterschalten des Säge­blatts von einer zu bearbeitenden Schneide zur nächsten.

[0013] Zur Bearbeitung des Werkstücks 10 sind zwei Werkzeuge 16 und 18 vorgesehen. Bei dem Werkzeug 16 handelt es sich um eine rotierend antreibbare Scheibe, z.B. aus Graphit, Kupfer oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material, ggf. auch mit eingeschlossenen Schleifkörnern aus elektrisch nicht leitfä­higem Material, z.B. Diamantkorn. Mit diesem Werkzeug wird das Sägeblatt 10 oder ein anderes Werkstück, z.B. auch ein an seinen Schneiden, die z.B. aus Hartmetall oder poly­kristallinem Diamant bestehen können, zu bearbeitender Fräser oder ein anderes ähnliches Werkzeug funkenerosiv oder erodierschleifend bearbeitet.

[0014] Das zweite Werkzeug 18 ist eine elektrisch leitfähige, also z.B. metallgebundene Schleifscheibe mit beispielsweise Dia­mantkörnung. Beide Werkzeuge 16 und 18 sitzen auf derselben Antriebswelle 20 und können durch einen Werkzeugschlitten 22 in Richtung einer senkrecht auf den x- und y-Koordinaten ste­henden z-Koordinate verfahren werden. Außerdem ist die Winkel­geschwindigkeit ω der durch einen Antriebsmotor 24 angetrie­benen Welle 20 steuerbar.

[0015] Ein Funkengenerator 26 ist über Leitungen 28 und 30 an das Werkstück 10 und das jeweils zum Ansatz gebrachte Werkzeug 16 bzw. 18 angeschlossen. In üblicher Weise wird zwischen das Werkstück 10 und das jeweilige Werkzeug 16 bzw. 18 ein Di­elektrikum eingespült, so daß sie untereinander isoliert sind und Funken zwischen ihnen überspringen können, wenn sich das Erodierwerkzeug 16 mit dem Zwischenabstand des für die Funken­erosion notwendigen Funkenspalts in Arbeitsstellung befindet bzw. wenn mit dem Schleifwerkzeug 18 am Werkstück 10 ange­tastet wird.

[0016] Mit Hilfe einer Steuerschaltung 32 können die im Einzelfall vor­gesehenen Zustellungen, Vorschubbewegungen und Sollwertein­stellungen vorgenommen werden. Die Vorgaben für die Steuer­schaltung können entweder von Hand über eine nicht gezeigte Tastatur oder durch einen Programmspeicher 34 in die Steuer­schaltung eingegeben werden. Diese kann dann über eine Lei­tung 36 und einen Signalumsetzer 38 den Kreuzschlitten 12 eine Bewegung in Richtung der x-Koordinate ausführen lassen, wodurch z.B. der Funkenspalt zwischen Werkstück 10 und Werk­zeug 16 beeinflußt wird. Zum Ansteuern und Nachregeln eines bestimmten Funkenspalts können die Änderungen der elektrischen Spannung Us am Funkenspalt über eine Meßvorrichtung 40 und alternativ oder gleichzeitig eine Spaltstromänderung Is über eine Meßvorrichtung 42 abgegriffen und der Steuerschaltung 32 zur Auswertung zugeleitet werden. Parallel zur Funkenstrecke zwischen Werkstück und Werkzeug ist eine stufenweise einstell­ bare Kapazität 44 vorhanden, wie sie aus der Metallbearbei­tung bekannt ist, um Anpassungen vorzunehmen.

[0017] Das Zustellen des Werkzeuges kann in Abhängigkeit des bei 42 gemessenen Stroms Is geregelt werden. Der einem Strom zur Größe des Funkenspalts proportionale Wert kann einem Kompa­rator zugeführt werden, in dem mit einem einstellbaren Soll­wert verglichen wird.

[0018] Über eine Steuerleitung 46 und einen Signalumsetzer 48 wird die Bewegung des Kreuzschlittens 12 in Richtung der y-Koordi­nate gesteuert. Dies kann z.B. eine hin- und hergehende Bewe­gung des Werkstücks beim Bearbeiten von geraden Schneiden sein. Das Ausmaß der hin- und hergehenden Bewegung kann durch den Programmspeicher 34 oder auch eine einfache Umsteuerung durch Endschalter vorgegeben werden.

[0019] Über eine Leitung 50 und einen Signalumsetzer 52 wird der Werkzeugschlitten 22 in Richtung der z-Koordinate gesteuert, um z.B. eine Höhenverstellung des Werkzeugs 16 bzw. 18 vor­zunehmen.

[0020] Die Drehzahl des Antriebsmotors 24 wird durch die Steuer­schaltung 32 über eine Steuerleitung 54 und einen Signalum­setzer 56 gesteuert. Um schließlich im Beispielsfall das Werkstück 10 nach jeder Bearbeitungsstufe mit einer Dreh­schaltbewegung zur Bearbeitung eines weiteren Zahns in eine andere Drehwinkelstellung zu bringen, wird von der Steuer­schaltung 32 aus über eine Steuerleitung 58 und einen Signal­umsetzer 60 ein entsprechendes Signal an den Drehantrieb 14 des Werkstücks 10 geleitet. Bei einer anderen Bearbeitungs­aufgabe kann der Drehantrieb 14 aber auch ein ständig drehen­der Motor sein, wenn ein Werkstück als Rotationskörper bear­beitet werden soll, während er bei der Bearbeitung um seine Achse rotiert.

[0021] Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung eignet sich grund­sätzlich zur Bearbeitung metallischer Werkstücke, und zwar vor allem zur Herstellung und zum Nachschleifen von Werkzeu­gen, insbesondere mit sehr harten Schneiden, z.B. aus poly­kristallinem Material. Die Schneiden des Werkstücks können dabei zunächst mit Hilfe des Werkzeugs 16 durch Funkenerosion oder erodierschleifend bearbeitet werden. Die bei diesem Be­arbeitungsverfahren entstehenden, noch verhältnismäßig rauhen Flächen können dann in derselben Aufspannung des Werkstücks 10 und unter Zuhilfenahme derselben Steuerschaltung mittels des Schleifwerkzeugs 18 fertig bearbeitet werden. Dabei besteht die Möglichkeit, entweder Zahn für Zahn bzw. Schneide für Schneide des Werkstücks 10 jeweils unmittelbar nacheinander erst mit dem Erodierwerkzeug 16 und dann mit dem Schleifwerk­zeug 18 zu bearbeiten, oder zunächst alle Zähne bzw. Schnei­den mit dem Erodierwerkzeug 16 und anschließend wiederum sämtliche Zähne bzw. Schneiden nacheinander mit dem Schleif­werkzeug 18 zu bearbeiten. In der zweiten Bearbeitungsstufe unter Einsatz des Schleifwerkzeugs 18 wird der Funkenstrom Is, anders als bei dem vorangegangenen Erodierverfahren, nicht mehr zum Materialabtrag, sondern nur noch zur Steuerung der Relativstellung zwischen dem Werkstück 10 und dem Schleif­werkzeug 18 gebraucht. Damit kann das Werkstück 10 schnell und automatisch sehr genau bis auf einen ganz bestimmten Ab­stand oder bis zur Berührung der Schleifkörner an das Schleif­werkzeug 18 - oder umgekehrt dieses an das Werkstück 10 - herangefahren werden, um anzutasten. Die gewünschte Ausgangs­stellung für den Schleifvorgang, sei es in Berührung oder noch mit einem ganz bestimmten Zwischenabstand zwischen Werk­stück und Werkzeug, läßt sich auf die beschrieben Weise sehr genau einstellen, weil jeder Funkenstrecke zwischen Werkzeug und Werkstück auch im Falle des elektrisch leitenden Schleif­werkzeugs 18 ein bestimmter Funkenstrom Is zugeordnet ist, dessen Wert an die Steuerschaltung 32 geleitet und dort mit einem bestimmten Sollwert für die Ausgangsstellung bzw. An­taststellung verglichen wird. Auch während des mechanischen Schleifvorgangs mittels der Schleifscheibe 18 kann die Funkenspannung Us aufrecht erhalten bleiben, um einen Funken­strom Is im Ausmaß eines Meß- bzw. Steuerstroms zu erzeugen und auf diese Weise die mechanisch schleifende Berührung zwischen der Schleifscheibe 18 und dem Werkstück 10 zu kon­trollieren. Die erodierende Wirkung der Funken wird in dieser Bearbeitungsstufe minimal gehalten, um den glättenden Effekt des mechanischen Schleifvorgangs nicht zu beeinträchtigen.

[0022] Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Ver­bindung mit einer Steuerung des Schleifscheibenvorschubs in Abhängigkeit vom Drehmoment oder der davon beeinflußten Dreh­zahl Anwendung finden. Eine solche Steuerung sorgt dafür, daß immer dann, wenn der Andruck der Schleifscheibe gegen das Werk­stück zu groß wird, die Schleifscheibe vom Werkstück zurück­gezogen wird. Dann erfolgt ein erneutes Heranfahren an das Werkstück. Die Erfindung eröffnet in diesem Fall die Möglich­keit, daß beim Zurückziehen der Schleifscheibe vom Werkstück die elektrische Spannung zwischen diesen beiden Teilen einge­schaltet und der Funkenstrom gemessen wird. Dieser wird dann mit zunehmendem Abstand der Schleifscheibe vom Werkstück kleiner, und bei einem bestimmten Grenzwert des Funkenstroms wird die Rückzugsbewegung der Schleifscheibe angehalten und wieder auf Vorschub umgeschaltet. Dann kann auch die Funkenspannung wieder abgeschaltet werden, bis beim nächsten Mal die Schleifscheibe wieder zu stark gegen das Werkstück drückt, ihre Drehzahl unter einen bestimmten Grenzwert sinkt und sie deshalb erneut vom Werkstück zurückgezogen werden muß.

[0023] Das zuletzt geschilderte Verfahren zeigt, daß das erfindungs­gemäße Antasten der Schleifscheibe an das Werkstück mittels Funkenstrom nicht nur bei einer Annäherung, sondern auch bei einer Rückzugsbewegung erfolgen kann.

Ansprüche

1. Verfahren zum mechanischen Schleifen von Werkstücken mittels elektrisch leitfähiger Schleifwerkzeuge, wobei zunächst ein Antasten des Schleifwerkzeugs an das Werk­stück oder einen Meßfühler erfolgt und anschließend von dieser Taststellung aus bestimmte Zustell- und/oder Vorschubbewegungen ausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Antasten eine elektrische Funkenspannung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück oder Meßfühler angelegt und die Taststellung durch den Funkenstrom bestimmt wird, und daß anschlies­send für den Schleifvorgang die Funkenspannung abge­schaltet oder auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß im wesentlichen ein mechanischer Materialabtrag er­folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Schleifen von mit bestimm­ten Relativstellungen zueinander angeordneten Flächen, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder nach dem Schleifen einer der Flächen an dieser mittels Funkenstrom angetastet und entsprechend dieser Taststellung die anderen Flächen geschliffen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück zu­nächst mit einem ersten Werkzeug funkenerosiv oder ero­dierschleifend und dann in derselben Aufspannung mit einer mittels Funkenstrom in die Antaststellung gebrachten Schleifscheibe mechanisch abtragend bearbeitet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem rotierend antreib­baren, elektrisch leitfähigen Schleifwerkzeug, einer Werkstück-Spanneinrichtung und einem steuerbaren Bewe­gungsantrieb zur Veränderung der Relativstellung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (18) und das Werkstück (10) oder ein Meßfühler an einen Funken­generator (26) anschließbar sind und der Bewegungsan­trieb (12, 22) beim Antasten durch eine vom Funkenstrom beeinflußte Steuerschaltung (32) steuerbar ist, welche während des mechanischen Schleifvorgangs durch einen Programmspeicher (34) und/oder einen nur als Steuerstrom bemessenen Funkenstrom steuerbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (18) an den Funkengenerator (26) und die Steuerschaltung (32) eines in derselben Werkstückaufspannung einsetzbaren, funkenerosiv wirkenden Werkzeugs (16) anschließbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug (18) und das funkenerosiv wirksame Werkzeug (16) auf derselben Antriebswelle (20) angeordnete, rotierend antreibbare Werkzeuge sind.

Zeichnung