Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Technik anzugeben, die eine zuverlässige prozessintegrierte Prüfung des Werkstücks während des Schleifprozesses ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit der Schleifvorrichtung sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schleifvorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Ein erstes wesentliches Merkmal der vorgeschlagenen Lösung besteht in der Integration von mikromagnetischen Sensoren in Form einer oder mehrerer elektrischer Spulen in das Schleifwerkzeug selbst. Das Schleifwerkzeug, insbesondere eine Schleifscheibe, weist hierbei einen Grundkörper und einen auf dem Grundkörper aufgebrachten Schleifbelag auf. Die ein oder mehreren elektrischen Spulen sind im Grundkörper und/oder Schleifbelag integriert und/oder an diesen angebracht. Vorzugsweise sind diese ein oder mehreren elektrischen Spulen nahe der Grenzfläche zwischen dem Schleifbelag und dem Grundkörper angeordnet. Die ein oder mehreren elektrischen Spulen weisen hierbei entsprechende Anschlussleitungen auf, über die das von ihnen empfangene Signal einer Signalverarbeitungselektronik zugeführt werden kann.

Vorzugsweise ist zumindest ein Teil dieser Signalverarbeitungselektronik am Grundkörper angebracht, beispielsweise in einem mit einer Schleifscheibe als Grundkörper rotierenden Hilfsgehäuse, oder in diesen integriert. Die Signalverarbeitungselektronik kann dabei bspw. das Vorverstärken, Filtern und u. U. auch das Digitalisieren der detektieren Signale vornehmen. Die Übertragung der durch die Signalverarbeitungselektronik verarbeiteten oder vorverarbeiteten Signale erfolgt dann auf drahtlosem Wege an eine Empfangseinheit der Schleifvorrichtung, von der die Daten zur Weiterverarbeitung bereitgestellt werden. Entsprechende drahtlose Übertragungsverfahren zwischen zwei relativ zueinander bewegten Teilen, insbesondere der rotierenden Schleifscheibe und dem stationären Teil der Schleifvorrichtung, sind dem Fachmann bekannt. Hierfür eignen sich bspw. eine induktive Signalübertragung, eine Übertragung mittels photoempfindlicher Sensoren oder eine Übertragung mittels Schleifkontakt. Vergleichbare Techniken können auch zur drahtlosen Spannungsversorgung der am Grundkörper vorhandenen Signalverarbeitungselektronik eingesetzt werden.

Mit Hilfe der werkzeugintegrierten mikromagnetischen Sensoren können sowohl Prozessgrößen des laufenden Schleifprozesses als auch Zustandsgrößen des metallischen Werkstücks in der Kontaktzone während des Schleifens bestimmt werden. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Die integrierten Sensoren können insbesondere bei CBN-Schleifwerkzeugen mit keramischer Bindung eingesetzt werden, die aufgrund ihres breiten Applikationsspektrums und der vergleichsweise einfachen Einsatzvorbereitung zunehmend Anwendung finden.

Der Einsatz mikromechanischer Sensoren direkt im Schleifwerkzeug ermöglicht zum einen die Überwachung des Werkstücks während des Schleifprozesses direkt in der Kontaktzone und hat zum anderen das Potential für die Erfassung zahlreicher Prozess- und Zustandsgrößen, die für das Auftreten von Schleifschäden relevant sein können.

So lassen sich mikromagnetische Sensoren für unterschiedliche Verfahren zur Überprüfung des Werkstücks einsetzen, wie z. B. über die Erfassung des Barkhausen-Rauschens, die Erfassung der Überlagerungspermeabilität, die Oberwellenanalyse der Tangentialfeldstärke oder die Erfassung des Wirbelstroms. Mit Ausnahme der Wirbelstromtechnik basieren all diese Verfahren auf der Erzeugung und Analyse magnetischer Hysteresekurven im Werkstück. Dies erfordert eine zyklische Magnetisierung mit hoher Amplitude, die üblicherweise mit Hilfe eines elektromagnetischen Jochs erzeugt wird, das auf die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks aufgesetzt wird. Die begrenzte Magnetisierungsfrequenz beschränkt jedoch die maximal mögliche Messgeschwindigkeit. Das Magnetisierungsjoch verhindert auch die Konstruktion kleiner, einfach zu integrierender Sensoren.

Demgegenüber sind bei der Wirbelstromtechnik zyklische Magnetisierungen nur geringer Amplitude erforderlich. Typische Sensoren hierfür sind kleine Aufsatzspulen, die in unkomplizierter Weise auch unter schwierigen Einbaubedingungen eingesetzt werden können. Beim vorliegenden Schleifwerkzeug werden daher bevorzugt als Wirbelstromsensoren geeignete elektrische Spulen in das Schleifwerkzeug integriert. Diese Spulen können in den Grundkörper des Schleifwerkzeugs, unterhalb des Schleifbelags oder auch im Schleifbelag integriert eingebaut werden. Durch Einsatz eines Wirbelstrom-Mehrfrequenzverfahrens ist es möglich, die Signaleinflüsse unterschiedlicher Prozess-, Zustands- und Störgrößen bei der Auswertung der Messdaten zu trennen.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, Sensorik und Elektronik so anzupassen, dass mit den integrierten Sensoren neben den Wirbelstrom-Messgrößen auch weitere mikromagnetische Messgrößen aufgenommen werden können. Wie oben erläutert, ist hierfür eine zyklische Magnetisierung des Werkstücks in der Kontaktzone erforderlich. Ein zweites wesentliches Merkmal der vorgeschlagenen Lösung besteht daher darin, die zyklische Magnetisierung durch eine im Bereich der Kontaktzone des Werkstücks mit dem Schleifwerkzeug in die Werkstückhalterung integrierte oder an der Werkstückhalterung befestigte Einrichtung zur Erzeugung eines Wechsel-Magnetfeldes und/oder durch ein oder mehrere in den relativ zum Werkstück bewegten Grundkörper und/oder Schleifbelag, insbesondere einer rotierenden Schleifscheibe, integrierte Permanentmagnete zu realisieren.

Die Auswertung der von den integrierten mikromagnetischen Sensoren erfassten Messgrößen kann mit bekannten Verfahren durchgeführt werden, wie sie aus der Post-Process-Prüfung von Werkstücken bekannt sind. So sind mikromagnetische Messgrößen, wie etwa die Wirbelstromimpedanz, abhängig von der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität im Werkstoff. Beide Werkstoffeigenschaften sind stark temperaturabhängig. Daher können diese mikromagnetischen Messgrößen für die kontinuierliche berührungslose Temperaturmessung in metallischen Werkstoffen genutzt werden. Die Schleiftemperatur in der Kontaktzone ist somit eine erste Prozessgröße, die mit Hilfe der in das Schleifwerkzeug integrierten mikromagnetischen Sensoren während des Schleifprozesses bestimmt werden kann.

Der große Unterschied in den Werten der Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität zwischen dem nichtmetallischen Schleifbelag, – bei BNC-Belägen: Bornitrit-Körner in Keramikmatrix – und metallischem Schleifabtrag ermöglicht die Bestimmung einer weiteren Prozessgröße für den Zustand des Schleifbelags. Hierbei wird ausgenutzt, dass die mikromagnetischen Messgrößen durch die Verschmutzung bzw. das Zusetzen des Schleifbelags mit Schleifabtrag beeinflusst werden, wenn die rotierende Schleifscheibe nicht im Kontakt zum Werkstück ist. Aus den Messsignalen kann dann auch das Zusetzen des Schleifbelags abgeleitet werden.

Ein weiterer Einflussfaktor auf die mikromagnetischen Messgrößen ist der Abstand zwischen dem mikromagnetischen Sensor und der Oberfläche des metallischen Werkstücks. Dieser Zusammenhang wurde in der Vergangenheit genutzt, um mit externen mikromagnetischen Sensoren die Veränderung des Durchmessers zylindrischer Werkstücke während des Schleifens hochpräzise zu messen. Ist der Sensor in dem Schleifwerkzeug integriert, so kann der Verschleiß des Schleifbelags und/oder der Schleifabtrag im Werkstück anhand der Bestimmung des Abstandes zwischen Sensor und Werkstück kontinuierlich überwacht werden.

Mit Hilfe der in das Schleifwerkzeug integrierten mikromagnetischen Sensoren können nicht nur die oben genannten Prozessgrößen bestimmt, sondern auch die Randzoneneigenschaften des Werkstücks und deren Veränderungen während des Schleifens detailliert analysiert werden. Anhand der mikromagnetischen Messgrößen können, wie dies aus den Post-Process-Prüfungen bekannt ist, Werkstückgrößen, wie die Oberflächenhärte, die Einhärtungstiefe, der Eigenspannungszustand und der Restaustenitgehalt quantitativ erfasst sowie lokal aufgetretene Schleiffehler wie Anlasszonen, Neuhärtungszonen und Schleifrisse nachgewiesen werden. Die entsprechenden Messgrößen können hierbei simultan erfasst und gleichzeitig der Einfluss von Störgrößen unterdrückt werden, indem die Informationsinhalte unterschiedlicher mikromagnetischer Messgrößen mittels Regressionsverfahren verknüpft werden (Multiparameter-Analyse). Diese Verknüpfung von Messgrößen ist auch dann möglich, wenn ausschließlich die Wirbelstrommethode als Mehrfrequenzverfahren zum Einsatz kommt. Basierend auf der Multiparameter-Analyse können neben den Zustandsgrößen auch verschiedene Prozessgrößen simultan ermittelt werden.

In das Schleifwerkzeug integrierte mikromagnetische Sensoren in Kombination mit der oben beschriebenen Multiparameter-Analyse ermöglichen somit die simultane Messung verschiedener Prozess- und Zustandsgrößen in der Kontaktzone. Auf diese Weise wird es erstmals möglich, detaillierte Informationen über den Schleifprozess und das Schleifergebnis unmittelbar während des Schleifvorgangs zu erhalten und anhand dieser Informationen den Schleifvorgang qualitätsgesichert zu überwachen und zu steuern oder zu regeln, d. h. eine automatische Justierung bzw. Korrektur der Einstellparameter des Schleifwerkzeugs auf Basis von Messsignalen der in das Schleifwerkzeug integrierten mikromagnetischen Sensoren durchzuführen.