Mit akustischer Sensorik lassen sich auch sehr eng gewählte Grenzwerte beim Schleifen und Abrichten erfassen. So ist es möglich, vor Überschreiten der Toleranzen oder vor der Entartung des Prozesses Gegenmaßnahmen einzuleiten.

Immer höher werdende Anforderungen an Werkstücke bzgl. Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit durch verschärfte Richtlinien, erfordern auch neue Technologien in der Prozessüberwachung von Schleif- und Abrichtprozessen. Bis vor wenigen Jahren bewegten sich die Toleranzen für Werkstücke im µ-Bereich. Heute müssen Maschinenhersteller und Zulieferer Lösungen im Zehntel-µm-Bereich bereitstellen. Hochsensible AE-Sensoren (Acoustic Emission), wie beispielsweise der neue High-Speed Ringsensor von DITTEL unterstützen Maschinenhersteller, das Potenzial ihrer Maschinen optimal zu nutzen.

Um einen genauen Abrichtprozess im µm-Bereich realisieren zu können, muss man den allerersten Kontakt zwischen Abrichtscheibe und Schleifscheibe bestimmen. Dazu werden Signale eines auf der Spindelwelle montierten AE-Sensors mittels statischer Schwelle ausgewertet.

Die Abrichtsignale werden direkt am Prozess aufgenommen

Mit einem AE-Fluidsensor werden die Abrichtsignale unmittelbar und unverfälscht direkt am Prozess aufgenommen. Als Fluid dient der auf der Maschine vorhandene Kühlschmierstoff aus Emulsion oder Öl. Der Messstrahl wird auf das Werkzeug oder auf die Halterung gerichtet. Besonders bei Maschinen mit Synchronmotoren, die hohe elektromagnetische Störungen verursachen, bekommt man mit dem AE-Fluidsensor durch die elektrische Entkopplung mit der Maschine auswertbare AE-Messwerte (Bild 1). Die Umfangsgeschwindigkeit am Messobjekt muss kleiner 10 m/s sein.

Soll der Schleif- und Abrichtprozess beim Innenschleifen mit einem AE-Sensor überwacht werden, eignet sich ein Ringsensor, der hinter dem Spannfutter befestigt wird (Bild 2). Oft ist auf dem Werkstückspindelstock ein Abrichtwerkzeug montiert oder auf dem Spannfutter rotiert eine Abrichtscheibe, die mit dem selben AE-Sensor überwacht werden kann. Durch diese Anordnung spart man sich einen zweiten Sensor und erhält dennoch sehr gute Signale.

Auswertestrategien beim Abrichten

Für das Abrichten werden normalerweise statische Schwellen verwendet. Wenn nichtzylindrische Formen und Sitze abgerichtet werden, kommt eine Hüllkurvenüberwachung zum Einsatz, weil sich die AE-Amplituden während des Abrichtens laufend ändern. Man nimmt einen Abricht-Gutprozess auf, speichert ihn im Memory des AE6000 (AE-Prozessüberwachungsmodul des Dittel-System 6000) und legt eine Hüllkurve um die Masterkurve. Diese Hüllkurve kann auch über Profibus der Maschinensteuerung übergeben und einer Teilesoftware zugewiesen werden. Mit dem Teileprogramm wird automatisch die richtige Hüllkurve in das AE6000 zurückgespeichert, der Schutz vor Fehlbedienung wird erweitert.

Die Toleranzgrenzen der Hüllkurve können nachträglich geändert werden. Beim darauf folgenden Abrichtprozess muss sich das AE-Signal immer innerhalb der Hüllkurve befinden. Die Fehleransprechdauer ist individuell einstellbar und erst nach Überschreiten - durch eine senkrechte weiße Linie (Bild 3) angezeigt - wird eine Fehlermeldung an die PLC gesendet. So kann gleich bleibende Qualität gesichert werden.

Um Körperschallsignale möglichst nah am Schleifprozess aufnehmen zu können, wurde die AE-Sensorik von Dittel in die Befestigungsmutter des Schleifdorns integriert. Dadurch wurde eine bessere Entkopplung von Störquellen (beispielsweise Lagern) ermöglicht. Sogar eine Durchführung von Kühlschmierstoffen durch den Schleifdorn hat keine negativen Einflüsse auf die Signalqualität. Bei einem Außendurchmesser von 30 mm kann der High-Speed Ringsensor mit einer maximalen Drehzahl von 100.000 U/min an einer Auswerte-Elektronik von DITTEL betrieben werden.

Bedingt durch die geringen Spanflächen beim Innenrundschleifen (Bild 4) und den hohen Drehzahlen, ist es besonders wichtig, die Acoustic Emission direkt am Schleifprozess aufzunehmen – weit entfernt von den Störgeräuschen. Im Beispiel, siehe Bild 5, ist es gelungen, sehr nahe am Prozess zu messen, was zusätzlich zu einem guten Signal-Störgeräuschabstand beiträgt. Die Kühlung durch die Spindelmitte und den Schleifstift ins Werkstück hatte auf das AE-Signal nur vernachlässigbare Auswirkungen.  Die rote Signalkurve - das Crash-Signal - kann mit einer eigenen statischen Schwelle ausgewertet werden.

Die Amplitudenänderungen im Signal werden durch das Oszillieren des Schleifstiftes erzeugt. Je näher der Schleifstift das Werkstück am Spannfutter schleift, umso steifer wird das System und erhöht die Signalamplitude und umgekehrt.

Auswertestrategien beim Schleifen

Beim Innenschleifen werden zum Anfunken wie beim Abrichten statische Schwellen verwendet. Weil die Werkstücke verschiedene Aufmaße haben und deshalb verschiedene Schleifzeiten entstehen, ist eine Hüllkurvenüberwachung  kompliziert. Zur Schleifprozessüberwachung und  zur Verkürzung der gesamten Schleifzeit kann man "adaptives Schleifen" realisieren.

Im Bild 5, oben, ist ein einstufiger Schleifprozess dargestellt. In Bild 5, unten, sieht man die Verkürzung der Zykluszeit mit Anfunken und adaptivem Schleifen.

Beim adaptivem Schleifen wird zuerst das Luftschleifen verkürzt. Beim Kontakt zwischen Schleifscheibe und Werkstück wird schnell zugestellt, um rasch die maximale Schleifleistung zu erreichen. Dadurch verkürzt sich die Schleifzeit um 15 – 25 Prozent. Beim Innenrundschleifen dienen die AE-Signale zur Prozessregelung.

Crash-Control vermeidet oder minimiert Schäden

Eine Kollision des Werkzeuges wird schnellstmöglich erkannt und ist die Grundlage für eine Vermeidung bzw. Minimierung weiterer Schäden.

Fährt die Schleifscheibe fehlgesteuert in ein anderes Maschinenbauteil hinein, können größere Schäden durch die Crash-Überwachung vermieden werden. Ursache für einen Crash sind Fehlprogrammierung der Scheibengröße oder des Verfahrwegs, Aufruf eines falschen Programms oder Fehlbedienung. Selbst bei einem Fehler in der Anfunkerkennung würde die Crashüberwachung weiterhin funktionieren.

Die Prozessüberwachung beim Innenrundschleifen gewinnt an Bedeutung, um die enger werdenden Bauteiltoleranzen einhalten zu können. Sie wird verwendet zur Verbesserung der Fertigungstechnologie, weil sie durch die Visualisierung der Sensorsignale wie ein Fenster in den Prozess wirkt. Durch zeitnahes Eingreifen vor Entartung des Schleifprozesses, steigt die Prozesssicherheit, verbessert sich die Qualität und wird der Ausschuss reduziert.

Verfasser: Adalbert Sporer und Matthias Spitzer, Vertrieb Dittel