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Effiziente Prozessüberwachung sichert Qualität bei der Innen-Hartfeinbearbeitung

| Autor/ Redakteur: Frank Fiebelkorn /

Zur Prozessüberwachung Zerspanen stehen unterschiedliche Wirkprinzipien zur Verfügung. Für die Hartfeinbearbeitung bewährt hat sich der Körperschall, weil besonders Störgrößen wie

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Bild 5: Schrägbett-Maschine zur kombinierten Hartfeinbearbeitung. Bilder: Studer
Bild 5: Schrägbett-Maschine zur kombinierten Hartfeinbearbeitung. Bilder: Studer
( Archiv: Vogel Business Media )

Zur Prozessüberwachung Zerspanen stehen unterschiedliche Wirkprinzipien zur Verfügung. Für die Hartfeinbearbeitung bewährt hat sich der Körperschall, weil besonders Störgrößen wie hohe Spindeldrehzahlen und Kühlschmierstoffhochdruck beherrscht werden. Mit verschiedenen Sensoren und Auswerteeinheiten lässt sich der Schleifprozess steuern, überwachen und optimieren.

Bestandteil moderner Fertigungssysteme sind Sensorsysteme zum Processmonitoring oder zur Prozessüberwachung und -steuerung. Diese Hilfsmittel sind für eine moderne Fertigung unabdingbar. Aus der Praxis vieler Anwender, der Literatur oder anderen Veröffentlichungen sind einige Konzepte zur Prozessüberwachung mit Sensorik bekannt, die auf unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien beruhen. Beispielsweise besteht die Möglichkeit der Aufnahme von Körperschall, auch AE (Acoustic Emission) genannt, mit Aufnehmern auf Festkörpern oder in der Kühlschmierstoffzufuhr, der Wirkleistung (über Motorströme), von Kräften (über piezoelektrische Kraftaufnehmer), der Dorndurchbiegung mit Dehnungsmess-Streifen und vieles mehr.

Kostengünstige Lösung basiert auf Wirbelstrom

Kostengünstige Sensorkonfigurationen ergeben sich aus der Nutzung von Wirkströmen aus den Frequenzumformern von Motorspindeln. Für das Innenschleifen beispielsweise ist die Anfunkfunktion für Schleifkörper mit Abmessungen von 16 mm ×16 mm möglich, fallabhängig (Körnung, Kühlschmierstoffzufuhr und anderes) auch für Abmessungen von 6 mm × 6 mm. Darunter (<6 mm) sind jedoch keine eindeutigen, allgemeinen Aussagen bei Nutzung von Wirkströmen zulässig. In diesem Bereich kommt häufig Körperschallsensorik zum Einsatz (Bild 1).

Die Fritz Studer AG hat sich in den letzten Jahren verstärkt dem Körperschall (Acoustic Emission, AE) zur Prozessüberwachung- und steuerung gewidmet und in vielen Fällen zum Einsatz gebracht, weil besonders Störgrößen wie hohe Werkstück- und Schleifspindeldrehzahlen, Kühlschmiermittelhochdruck und ähnliches beherrscht werden.

Bild 2 zeigt eine typische Konfiguration auf einer Produktions-Innenrundschleifmaschine zur Anfunkerkennung sowie Schleif- und Abrichtprozessüberwachung. Im Arbeitsraum sind das Werkstück, die Innenrundschleifspindel, die Abrichtspindel mit Körperschall-Sensor und der Sensorring hinter dem Spannmittel zu erkennen. Die Körperschall-Prozesssignale werden über ein Kabel zur elektronischen Auswerteeinheit übertragen.

Außer den aufgesetzten Sensoren bei Abrichtspindeln sind auch Abrichtspindeln mit integrierten Körperschall-Sensoren verfügbar. Diese Sensoren unterstützen besonders beim Abrichten von CBN-Schleifscheiben das bekannte Touch-Dressing-CBN-Verfahren.

Bis zu vier verschiedene Kanäle nutzbar

Zusammen mit den verschiedensten Sensoren und den Auswerteeinheiten ist man in der Lage, den Schleif- und Abrichtprozess zu steuern, zu überwachen und zu optimieren. Es können beispielsweise bis zu vier Kanäle, also bis zu vier verschiedene Sensoren, genutzt und über 30 kanalunabhängige Parametersätze abgespeichert werden. Es sind deshalb genug Möglichkeiten zur Datenablage unterschiedlichster Kombinationen von Werkzeugen und Werkstücken vorhanden.

Mit Sensorik sind auch kundenspezifische Werkzeugüberwachungsstrategien möglich. Dazu kann bei Nutzung der sogenannten Hüllkurventechnik Werkzeugbruch oder fallabhängig unzulässiger Werkzeugverschleiß im automatischen Betrieb erkannt werden.

Zunächst wird bei der Innenschleifscheibe der Körperschallpegel als Lernkurve aufgezeichnet. Über die Gerätesoftware kann eine gewisse Bandbreite (zum Beispiel ±10%) als Toleranzgrenze programmiert werden. Bei Werkzeugbruch oder zu großem Verschleiß an der Schleifscheibenfase wird beim nächsten Abrichten dieses Verschleißmerkmal detektiert, weil die gesetzten Grenzen des AE-Toleranzbandes überschritten wurden. Die ausgegebenen Alarmmeldungen und resultierenden Aktionen können somit die Ausschussrate senken.

Piezoaktoren und Sensoren verbessern Regelstrategien

Einheiten zur Zylinderkorrektur beim Innenschleifen unter Nutzung von Piezoaktoren können nun in Verbindung mit zusätzlichen Sensoren erheblich die Möglichkeiten des Processmonitorings beziehungsweise von Regelungsstrategien verbessern. Außer aktuellen Weg- oder Winkelpositionen können Kräfte, Dehnung und Spannung der Piezoelemente aufgenommen werden, die Rückschlüsse auf den Prozess zulassen (Bild 3). So kann bei kritischen Schleifoperationen von innenliegenden Kegeldichtsitzen mit kleinen Durchmessern der Schleifkraftverlauf bei unterschiedlichen Verfahren aufgezeichnet werden.

Auch steuerungstechnische Möglichkeiten der Prozessoptimierung wie spezifisch entwickelte Programmier- und Softwaretools verbessern besonders die Rahmenbedingungen für die Komplettbearbeitung von Präzisionsbauteilen. Zur Verfügung steht ein umfassendes Programmiersystem Studer-Grind mit den Modulen für Standardprogramme zum Profilschleifen, Gewindeschleifen und für weitere Schleifzyklen.

Zur Reduzierung von Zykluszeiten beim Formenschleifen dient beispielsweise das Software-Modul Studer High-Speed Machining (HSM) bei C-Achsenapplikationen. Dabei werden die Steuerungsimpulse direkt an die Achsantriebe geleitet und nicht erst über einen Interpreter/Interpolator. Dadurch werden bei der Interpolation der Achsen (X-Achse des Maschinenschlittens und C-Achse der Werkstückspindel) höhere Werkstückdrehzahlen möglich, die zu einer kürzeren Zykluszeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Genauigkeit der erzeugten Werkstückkontur führen. Diese Methode kann auch beim Innenschleifen effizient zur Anwendung kommen. Das Bild 4 zeigt typische Konturen an Innenprofilen von Nockenringen oder Capto-Werkzeugaufnahmen.

Mit dem HSM-Paket werden die stufenlosen Geschwindigkeitsprofile für die Interpolation der Achsen automatisch generiert. Berücksichtigt werden dabei Elemente wie Zeitspanungsvolumina, Eingriffspunkt der Scheibe sowie Grenzwerte von Mechanik und Steuerung. Ebenso werden die abnehmenden Schleifscheibendurchmesser durch Verschleiß und Abrichten berücksichtigt, die sonst zu Formfehlern führen. Korrekturen der Nockenkontur sind manuell möglich, die Daten können aber auch von der Messmaschine übernommen werden, invertiert, gefiltert oder geglättet überlagert werden. So wird die Optimierungszeit auf ein Minimum reduziert. Modulare Maschinenkonzepte und Programmiersysteme erlauben vielfältige Applikationen zur Erzeugung von Formen, Profilen und Gewinden am Werkstück.

Formelemente bearbeiten in einer Aufspannung

Die Bearbeitung der Formelemente in einer Aufspannung bewirkt eine hohe Zuverlässigkeit bei der Einhaltung von Form- und Lagetoleranzen. Auch das achsparallele Gewindeschleifen bringt in bestimmten Fällen einen Produktivitäts- und Qualitätsgewinn. Das achsparallele Verfahren ist sowohl beim Außen- als auch beim Innengewindeschleifen bei einer Vielzahl von Gewindetypen anwendbar. Beim achsparallelen Gewindeschleifen wird die Schleifscheibe nicht um den Steigungswinkel des Gewindes geneigt, sondern kann in senkrechter Lage verbleiben. Die dadurch entstehenden Profilverzerrungen werden durch das Softwaremodul Studer-Thread kompensiert und im Abrichtprogramm berücksichtigt.

Eine weitere Strategie zur Prozessoptimierung der Hartfeinbearbeitung stellt die Kombination von Bearbeitungsverfahren dar. In diesem Fall können die vorteilhaften Eigenschaften jeder Technik genutzt werden. Einerseits kommt der Schleifprozess mit seiner hohen Genauigkeit und Oberflächengüte bei garantierter Prozess-Sicherheit und andererseits beispielsweise das Hartdrehen mit seiner hohen Flexibilität der geometrisch bestimmten Schneide zur Geltung.

Kombimaschinen gewinnen an Bedeutung

Die Umsetzung dieser Bearbeitungsphilosophie hat in jüngerer Zeit vermehrt Einzug gehalten, wie die Kombimaschine von Studer-Schaudt. Dieses Fertigungssystem zur Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise Getriebezahnräder, im Futter mit den Bearbeitungsprozessen Schleifen und Hartdrehen ist bereits in mehreren Unternehmen im Einsatz.

Außer diesen Vertikal-Maschinen stehen auch Variationen von Schrägbett-Maschinen für den universellen Einsatz oder für die Serienfertigung von Präzisionsbauteilen zur Verfügung (Bild 5). Dieses Maschinensystem besitzt je nach Ausführungsvariante zwei oder drei Maschinenschlitten, wobei jeweils Schleif- und Drehwerkzeuge montiert werden können. Abhängig von der Bearbeitungsaufgabe und Applikation kann es sich um Werkzeuge für die Innen- oder Außenbearbeitung handeln.

Für den Anwender stehen mit diesen Konzepten diverse Prozessstrategien zur Bearbeitung von Präzisionsbauteilen bereit. Beispielsweise können bei Werkzeughaltern die innen liegenden Einzugkegel und Ausstoßplanflächen der Werkzeughalter gedreht und die äußeren Kegelflächen und Plananlagen mit Mess-Steuerungen bei höchster Genauigkeit geschliffen werden.

Dr.-Ing. Frank Fiebelkorn ist Hauptabteilungsleiter Forschung und Technologie der Fritz Studer AG in Thun/Schweiz, Tel. (00 41-33) 4 39 11 11, info@studerag.ch

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