AT512389B1 - Werkzeugmaschine und Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere geschmiedeten Werkstücks - Google Patents

Abstract

Es wird eine Werkzeugmaschine (1) und ein Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere geschmiedeten Werkstücks (2), insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, zu einem Fertigteil (17) gezeigt, bei dem das Werkstück (2) in eine Werkzeugmaschine (1) eingespannt wird und mit einem Werkzeug (10), das eine geometrisch bestimmte Schneide (18) aufweist und an einem mehrachsig bewegbaren Werkzeughalter (12) der Werkzeugmaschine (1) befestigt ist, spanend bearbeitet wird. Um höchste Form- und Maßgenauigkeit am Fertigteil (17) sicherzustellen, wird vorgeschlagen, dass das Werkstück (2) nach dessen spanenden Bearbeitung und unter Beibehaltung dieser Aufspannung wenigstens bereichsweise mit Hilfe eines Schmiedewerkzeugs (11) zum Fertigteil (17) inkrementell kaltgeschmiedet wird.

Description

österreichisches Patentamt AT512 389B1 2013-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere geschmiedeten Werkstücks, insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, zu einem Fertigteil, bei dem das Werkstück in eine Werkzeugmaschine eingespannt wird und mit einem Werkzeug, das eine geometrisch bestimmte Schneide aufweist und an einem mehrachsig bewegbaren Werkzeughalter der Werkzeugmaschine befestigt ist, spanend bearbeitet wird.

[0002] Werkstücke aus Titan oder einer Titanlegierung weisen ein vergleichsweise niedriges E-Modul sowie eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, was zu erheblichen Schwierigkeiten bei Verfahren zu deren Hartbearbeitung führen kann. Dies verursacht einerseits hohe mechanische und thermische Belastungen auf die verwendeten Werkzeuge, zudem können die beim Spanen entstehenden Temperaturen zu Oberflächenspannungen am Werkstück führen und dessen Dauerfestigkeit beeinträchtigen. Um das Risiko der Beschädigung des Werkstücks zu reduzieren wird daher meist auf ein Hartschleifen des Titan-Werkstücks verzichtet und seine endgültige Form durch Hartfräsen und/oder Hartdrehen erzeugt. Aber auch hierbei können erhöhte Temperaturen nicht ganz ausgeschlossen werden, sodass die DE69422599T2 vorschlägt, die Schneidplatten des Werkzeugs sowie das Werkstück im Bereich seiner Bearbeitung intensiv mit Schmierfluid zu kühlen - dies umso mehr, wenn geschmiedete hochfeste Werkstücke zu Fertigteilen, wie Triebwerks-, Fahrwerks- oder tragenden Strukturbauteilen verarbeitet werden, deren Spantiefe vergleichsweise häufig variiert und Schnittdaten für das Bearbeitungsverfahren daher schwierig einzustellen sind. Ungünstige Schnittdaten können jedoch zu erheblichen thermomechanischen Belastungen im Bereich der Werkstückrandzone führen, was in weiterer Folge zu unerwünschten mechanischen Eigenschaften am Fertigteil führen kann.

[0003] Außerdem ist aus dem Stand der Technik ein inkrementeiles Kaltschmiedeverfahren bekannt (DE102009025621B4), bei dem ein metallisches Bauteil mit einer gehärteten Oberfläche versehen wird. Das hierzu verwendete Schmiedewerkzeug kann durch einen Roboter oder durch eine Werkzeugmaschine geführt sein.

[0004] Die Erfindung hat sich ausgehend vom eingangs geschilderten Stand der Technik die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Bearbeitung von hochfesten Werkstücken zu schaffen, das kurze Bearbeitungszeiten gewährleisten und zudem eine hohe Form- und Maßgenauigkeit am Fertigteil sicherstellen kann. Insbesondere soll das Bearbeitungsverfahren beispielsweise mit geschmiedeten Werkstücken aus einer Ti-5AI-5V-5Mo-3Cr Legierung (Ti-5553) mit einer Härte von über 40 HRC beziehungsweise einer Festigkeit über 1200 N/mm2 zurechtkommen, ohne dadurch die Dauerfestigkeit der Werkstücke zu beeinträchtigen.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch, dass das Werkstück nach dessen spanenden Bearbeitung und unter Beibehaltung dieser Aufspannung wenigstens bereichsweise mit Hilfe eines Schmiedewerkzeugs zum Fertigteil inkrementeil kaltgeschmiedet wird.

[0006] Wird das Werkstück nach dessen spanenden Bearbeitung wenigstens bereichsweise mit Hilfe des Schmiedewerkzeugs zum Fertigteil inkrementeil kaltgeschmiedet, können sich die Erfordernisse an das spanende Schlichten, insbesondere an ein Feinschlichten, des Werkstücks vermindern, weil mit dieser kalten Mikroschmiedetechnik die geforderte Form- und Maßgenauigkeit am Fertigteil sichergestellt werden kann. Diese Vorteile kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die abschließende Schmiedebearbeitung unter Beibehaltung der Aufspannung, die auch bei der vorhergehenden spanenden Bearbeitung zur Anwendung kommt, durchgeführt wird. Vorteilhaft können an der Werkzeugmaschine für das Trennen und nachfolgende Umformen gleichbleibende Prozesseinstellungen in der Fertigstellung des hochfesten Werkstücks genützt werden. Das integrierte Fertigungsverfahren der Werkzeugmaschine muss daher nicht verlassen werden, sodass im Vergleich zum Stand der Technik stets mit schnelleren Bearbeitungszeiten und damit verkürzten Durchlaufzeiten gerechnet werden kann. Außerdem kann mit einer Mikroschmiedetechnik die Erwärmung am Werkstück in engen Grenzen gehalten werden, was Beeinträchtigungen in seiner Dauerfestigkeit vermeiden kann. Das erfindungsge- 1 /7 österreichisches Patentamt AT512 389B1 2013-08-15 mäße Verfahren kann daher auch reproduzierbar eine vergleichsweise hohe Form- und Maßgenauigkeit am Fertigteil sicherstellen.

[0007] Besonders auszeichnen kann sich das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Bearbeitung von geschmiedeten, hochfesten Werkstücken. Hierzu kann das Werkstück mit dem Werkzeug spanend hartbearbeitet werden, insbesondere hartgefräst und/oder hartgedreht werden, und unmittelbar anschließend an diese Hartbearbeitung inkrementeil kaltgeschmiedet werden. Selbst hochfeste Werkstücke mit einer Härte über 40 HRC (Härte nach Rockwell, Skala C) können somit zu Fertigteilen bearbeitet werden, auch wenn deren Spantiefe vergleichsweise häufig variiert, was beispielsweise durch Ungenauigkeiten am Werkstück bedingt aufgrund eines vorhergehenden Schmiedeprozesses der Fall sein kann. Eine zusätzliche Nachbehandlung der Werkstückrandzone, die aufgrund suboptimaler Schnittdaten bei der spanenden Hartbearbeitung erforderlich sein kann, ist nun durch das erfindungsgemäße Kaltschmieden möglich. Auch kann von Vorteil sein, wenn das Werkstück unmittelbar nach der spanenden Bearbeitung inkrementeil kaltgeschmiedet wird. Damit kann man beispielsweise die Gefahr von unerwünschten lagerbedingten Kaltverfestigungen am Werkstück vermeiden, was die Form- und Maßgenauigkeit des Fertigteils noch weiter erhöhen kann.

[0008] Wird für das inkrementeile Kaltschmieden das spanende Werkzeug des Werkzeughalters durch ein Schmiedewerkzeug ersetzt, kann das Werkstück mit einem verringerten Steuerungsaufwand endbearbeitet werden. Eine Kosteneinsparung beim erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren kann sich damit ergeben.

[0009] Die Arbeitsvorgangsfolge kann noch weiter optimiert werden, wenn das Werkstück in einer Aufspannung an der Werkzeugmaschine zum Fertigteil bearbeitet wird. Hinzu kommt, dass dadurch auch die Gefahr einer Beschädigung der Werkstücke während der Arbeitsvorgangsfolge, beispielsweise durch Transport, neues Aufspannen etc. vermindert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können aufgrund dieser Erleichterung der Handhabung also wesentliche Vorteile bei der Herstellung vergleichsweise kostenintensiver, geschmiedeter, hochfester Werkstücke erreicht werden.

[0010] Eine vorteilhafte Positionierung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück kann mit einem Werkzeughalter, der vierachsig bewegbar ausgebildet ist, ermöglicht werden und ein besonders exaktes Bearbeiten des eingespannten Werkstücks erlauben. Dies kann insbesondere auch beim inkrementeilen Kaltschmieden für eine vergleichsweise hohe Form- und Maßgenauigkeit ausschlaggebend sein.

[0011] Vorteilhafte Verfahrensbedingungen können sich ergeben, wenn das Werkstück mit einem elektrodynamischen Schmiedewerkzeug kaltgeschmiedet wird, da der mehrachsig bewegbare Werkzeughalter lediglich zum Anstellen des Schmiedewerkzeugs im Verfahren dient. Der Schmiedeprozess kann nämlich durch die elektrodynamisch gesteuerte Bewegung des Schlagkopfs des Schmiedewerkzeugs hochdynamisch ausgeführt werden. Ein äußerst genaues und auch reproduzierbares, inkrementeiles Kaltschmieden des Werkstücks kann so ermöglicht werden.

[0012] Die Erfindung hat sich außerdem die Aufgabe gestellt, eine Werkzeugmaschine der eingangs geschilderten Art derart auf konstruktiv einfache Weise zu verändern, dass damit ein hochfestes Werkstück zu einem Fertigkeil komplettbearbeitet werden kann. Zudem soll die Werkzeugmaschine eine hohe Form- und Maßgenauigkeit auch bei geschmiedeten Werkstücken, beispielsweise aus einer Ti-5AI-5V-5Mo-3Cr Legierung (Ti-5553), ermöglichen.

[0013] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Werkzeugmaschine ein Schmiedewerkzeug zum inkrementeilen Kaltschmieden des Werkstücks umfasst, dessen Schlagkopf entlang einer von den Bewegungsachsen des Werkzeughalters freien Bewegungsbahn geführt ist.

[0014] Dadurch, dass die Werkzeugmaschine ein Schmiedewerkzeug zum inkrementeilen Kaltschmieden des Werkstücks umfasst, können unerwünschte thermodynamische Eigenschaften am Werkstück, bedingt durch eine vorhergehende spanende Hartbearbeitung, ausgeglichen 2/7 österreichisches Patentamt AT512 389B1 2013-08-15 werden, sodass eine vergleichsweise hohe Form- und Maßgenauigkeit am Fertigteil erreicht werden kann. Diese hohe Form- und Maßgenauigkeit am Fertigteil kann zusätzlich verbessert werden, wenn der Schlagkopf des Schmiedewerkzeugs entlang einer von den Bewegungsachsen des Werkzeughalters freien Bewegungsbahn geführt ist, weil dadurch das inkrementeile Kaltschmieden frei von Führungsparametern des Werkzeughalters durchgeführt werden kann. Damit sind selbst geschmiedete Werkstücke aus einer Ti-5553 Legierung form- und maßgenau fertigzustellen. Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine kann daher eine Komplettbearbeitung des Werkstücks bis zum Fertigteil ermöglichen, ohne die Aufspannung für das spanende Bearbeiten des Werkstücks verlassen zu müssen, womit ein diese eine entscheidende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik erreicht wird.

[0015] Der Konstruktionsaufwand im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine kann vermindert werden, wenn der Werkzeughalter einen Anschluss zur Steuerung und/oder Energieversorgung des aufgenommenen elektromagnetischen Schmiedewerkzeugs aufweist.

[0016] In den Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen [0017] Fig. 1 eine Seitenansicht auf eine Werkzeugmaschine zur Komplettbearbei tung und die [0018] Figuren 2 und 3 vergrößerte Ansichten auf den Werkzeughalter der nach Fig. 1 dar gestellten Werkzeugmaschine.

[0019] Die nach Fig. 1 dargestellte Werkzeugmaschine 1 zeigt ein eingespanntes geschmiedetes Werkstück 2 aus einer Ti-5AI-5V-5Mo-3Cr Legierung (Ti-5553). Zu diesem Zweck greifen an das Werkstück 2 mehrere Spannmittel 3 und 4 an, nämlich auf der einen Seite ein außenspannendes Spannfutter 5 und auf der anderen gegenüberliegenden Seite ein Reitstock 6, der mit Zentrierspitzen 7 die Stirnseite des Werkstücks 2 spannt. Das Spannfutter 5 ist mit einem Spindelantrieb 8 verbunden, um das Werkstück 2 drehbar einspannen zu können. Außerdem ist noch eine Lünette 9 zur Zentrierung des Werkstücks 2 vorgesehen, die auch als Einspannung im Sinne eines Spannmittels wirken kann. Zur Bearbeitung des Werkstücks 2 wird unter anderem ein Werkzeug 10 mit einer geometrisch bestimmten Schneide 18 (z. B. Fräswerkzeug) verwendet, das an einem mehrachsig bewegbaren Werkzeughalter 12 der Werkzeugmaschine 1 befestigt ist. Zur Ausbildung dieser mehrachsigen Bewegbarkeit ist der Werkzeughalter 12 an einem Nebenschlitten 13 schwenkbar vorgesehen, der an einem linear verschiebbaren Hauptschlitten 14 linear verschiebbar befestigt ist.

[0020] Da die Abmessungen eines geschmiedeten hochfesten Werkstück 2 vergleichsweise häufig variieren, was in Fig. 2 andeutungsweise mit einer Senke 15 am Werkstück 2 dargestellt worden ist, können sich die beim Hartfräsen mit dem Werkzeug 10 eingestellten Schnittdaten unerwartet ändern. Dadurch können sich suboptimale Bearbeitungsverhältnisse beim Schlichten einstellen, wodurch sich ein Bereich 16 mit unerwünschten Bearbeitungsergebnissen ausbildet, welcher Bereich 16 in Fig. 3 dargestellt wurde.

[0021] Erfindungsgemäß wird nun das Werkstück 2 nach seiner Hartbearbeitung, wie in Fig. 3 gezeigt, mit Hilfe eines Schmiedewerkzeugs 11 zum Fertigteil 17 inkrementeil kaltgeschmiedet und damit auch einer Nachbehandlung unterworfen, um so die gewünschte Form- und Maßgenauigkeit zu erhalten. Da die Aufspannung beim Hartbearbeiten nach Fig. 2 und beim Kaltschmieden nach Fig. 3 beibehalten wird, ist eine hohe Form- und Maßgenauigkeit selbst bei einem Werkstück 2 aus einer Ti-5AI-5V-5Mo-3Cr Legierung (Ti-5553) gewährleistet. Zudem ergibt sich damit ein integriertes Fertigungsverfahren für geschmiedete hochfeste Werkstoffe an einer Werkzeugmaschine 1, sodass damit erstmals auch eine Komplettbearbeitung mit kurzen Durchlaufzeiten möglich wird.

[0022] Das Bearbeitungsverfahren kann in seiner Handhabung weiter vereinfacht werden, indem das spanende Werkzeug 10 des Werkzeughalters 12, wie in Fig. 2 dargestellt, durch das Schmiedewerkzeug 11 ersetzt wird, um damit das inkrementeile Kaltschmieden durchzuführen.

[0023] Außerdem wird das Werkstück 2 in nur eine Aufspannung an der Werkzeugmaschine 1 3/7 österreichisches Patentamt AT512 389 B1 2013-08-15 zum Fertigteil 17 komplettbearbeitet, was die Arbeitsvorgangsfolge weiter optimiert.

[0024] Nach Fig. 2 ist auch die mehrachsige Bewegbarkeit des Werkzeughalters 12 dargestellt. Seine Bewegungsachsen 19, 20, 21,22 umfassen drei Linearachsen 19, 20, 21 und eine Rotationsachse 22, über die die Werkzeuge 10, 11 gegenüber dem eingespannten Werkstück 2 bewegt werden können. Das Schmiedewerkzeug 11 weist eine gegenüber den Bewegungsachsen 19, 20, 21, 22 des Werkzeughalters 12 freie lineare Bewegungsbahn 23 auf, über die der Schlagkopf 24 des Schmiedewerkzeugs 11 geführt ist, was der Fig. 3 besser entnommen werden kann. Das inkrementeile Kaltschmieden des Werkstücks 2 kann damit unabhängig von den Bewegungsachsen 19, 20, 21, 22 des Werkzeughalters 12 durchgeführt werden, was vorteilhafte Bearbeitungsverhältnisse ermöglicht.

[0025] Der Werkzeughalter weist außerdem einen Anschluss 25 zur Steuerung, Regelung und/oder Energieversorgung des aufgenommenen elektromagnetischen Schmiedewerkzeugs 11 auf. Damit ist der Handhabungsaufwand beim Auswechseln der Werkzeuge 10, 11 gering, da eine kurze Anschlussleitung 26 des Schmiedewerkzeugs 11 genügt.

[0026] Zudem ist dem Werkzeughalter 12 eine Zuführeinrichtung 27 zugeordnet, um damit bei Bedarf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks 2 mit Kühlschmiermittel 28 zu Kühlen und/oder zu Schmieren. 4/7

Claims (8)

1. österreichisches Patentamt AT512 389B1 2013-08-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere geschmiedeten Werkstücks (2), insbesondere aus Titan oder einer Titanlegierung, zu einem Fertigteil (17), bei dem das Werkstück (2) in eine Werkzeugmaschine (1) eingespannt wird und mit einem Werkzeug (10), das eine geometrisch bestimmte Schneide (18) aufweist und an einem mehrachsig bewegbaren Werkzeughalter (12) der Werkzeugmaschine (1) befestigt ist, spanend bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) nach dessen spanenden Bearbeitung und unter Beibehaltung dieser Aufspannung wenigstens bereichsweise mit Hilfe eines Schmiedewerkzeugs (11) zum Fertigteil (17) inkrementeil kaltgeschmiedet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) mit dem Werkzeug (10) spanend hartbearbeitet wird, insbesondere hartgefräst und/oder hartgedreht wird, und unmittelbar anschließend an diese Hartbearbeitung inkrementeil kaltgeschmiedet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das inkrementeile Kaltschmieden das spanende Werkzeug (10) des Werkzeughalters (12) durch ein Schmiedewerkzeug (11) ersetzt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) in einer Aufspannung an der Werkzeugmaschine (1) zum Fertigteil (17) bearbeitet wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (12) vierachsig bewegbar ausgebildet ist.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) mit einem elektrodynamischen Schmiedewerkzeug (11) kaltgeschmiedet wird.
7. 7. Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit mindestens einem Spannmittel (3, 4, 9) zum Aufspannen eines zu bearbeitenden Werkstücks (2), mit Werkzeugen (10, 11) zur Bearbeitung des Werkstücks (2), wobei mindestens ein Werkzeug (10) eine geometrisch bestimmte Schneide (18) aufweist, und mit einem mehrachsig bewegbaren Werkzeughalter (12) zur Aufnahme der Werkzeuge (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (1) ein Schmiedewerkzeug (11) zum inkrementeilen Kaltschmieden des Werkstücks (2) umfasst, dessen Schlagkopf (24) entlang einer von den Bewegungsachsen (19, 20, 21, 22) des Werkzeughalters (12) freien Bewegungsbahn (23) geführt ist.
8. 8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (12) einen Anschluss (25) zur Steuerung, Regelung und/oder Energieversorgung des aufgenommenen elektromagnetischen Schmiedewerkzeugs (11) aufweist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 5/7