DD240508B1

DD240508B1 - Verfahren zur herstellung von konvexflaechen an werkstuecken

Info

Publication number: DD240508B1
Application number: DD28019885A
Authority: DD
Inventors: Hans-Joachim Mueller; Erich Bartsch; Guenter Hoelzel; Herbert Kroeher; Reinhard Ziegler
Original assignee: Karl Marx Stadt Ind Werke
Priority date: 1985-09-02
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1989-10-04
Also published as: DD240508A1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung konvexer Mantelflächen an Werkstücken mit balliger oder hohler Mantellinie mittels Fräswerkzeug, welches gegenüber diesem Werkstück eine überlagerte Drehbewegung durchführt und die Rotationsachsen von Werkstück und Werkzeug senkrecht und mit Abstand zueinander angeordnet sind. Anwendungsgebiet dieser Verfahrenstechnik sind Werkstücke mit Konvexflächen, wie sie beispielsweise für rotationssymmetrische Lagerkörper typisch und deren Mantellinien gerade, ballig oder hohl sind.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen zum Bearbeiten der Kopfprofile von Kreiskolben (DD-PS 46.940) für Maschinen, die nach dem Rootsprinzip arbeiten. Die Kopfprofile werden mittels eines Fräswerkzeuges bearbeitet, welches eine Wälzbewegung auf dem Werkstück in seiner Längsrichtung ausführt. Das als Kreiskolben ausgebildete Werkstück erfährt hierbei eine Wälzbewegung um eine achsparallel zur Vorschubrichtung dieses Werkzeuges liegende Achse, wobei dem Werkzeug selbst eine geradlinige Vorschubbewegung zur Bearbeitung des Werkstück-Kopfprofiles erteilt wird. Damit erfolgt die Realisierung der zugrunde liegende Aufgabe, Kopfprofile mit unterschiedlichen Passungen und gleichbleibendem Spiel für jeden Drehwinkel der zusammenarbeitenden Kreiskolben zu schaffen sowie eine die Austauschbarkeit sichernde Fertigung mit konstruktiv einfachen Vorrichtungen zu gewährleisten.

Bei diesen Vorrichtungen liegen jedoch kinematische Verhältnisse vor, die eine Drehung des Werkstückes um 360° nicht ermöglichen. Außerdem ist eine definierte Hohlheit oder Balligkeit an den Kopfprofilen im Sinne einer Abweichung von einer Bezugslinie weder beabsichtigt noch realisierbar.

Weiterhin ist ein Rundfräsverfahren zur Oberflächenbearbeitung von Turbinenschaufeln bekannt (DE-PS 2.544.612), mit dem eine hohe Arbeitsleistung/Fräserleistung bei guter Qualität der bearbeiteten Werkstückoberfläche erreicht werden soll. Hierbei wird gemäß dieser erfinderischen Lösung das Werkstück um seine Längsachse gedreht, wobei eine relative Bewegung zwischen diesem Werkstück und dem Werkzeug rechtwinklig zur Längsachse sowie in Richtung dieser Längsachse des Werkzeuges ausgeführt wird. Zur Erzielung der geforderten hohen Qualität der Werkstückoberfläche ist die Längsachse des Werkzeuges im wesentlichen identisch mit der Richtung der rechtwinklig zur Längsachse/Drehachse des Werkstückes erfolgenden Relativbewegung. Außerdem ist ein spitzer Winkel zwischen der Achse des Werkzeuges und der Normalen auf der Oberfläche des Werkstückes im jeweiligen Bearbeitungspunkt einzuhalten, wozu das Werkstück gedreht wird und dem Werkzeug eine weitere Bewegung erteilt wird, die rechtwinklig zu den Achsen des Werkzeuges sowie des Werkstückes verläuft.

Dieses Rundfräsverfahren erfordert einen kinematischen Bewegungsabiauf, der eine komplizierte Überlagerung mehrerer kinematisch abhängiger Bewegungen beinhaltet und somit kein kontinuierliches Fräsverfahren darstellt. Auch wird eine definierte Hohlheit oder Balligkeit des Werkstückes im Sinne einer Abweichung von einer Bezugslinie nicht beabsichtigt. Außerdem ist ein Verfahren zur Bearbeitung krummliniger Oberflächen von Werkstücken mittels Fräswerkzeug bekannt (DE-OS 2.614.779), welches eine optimale Bearbeitungstechnologie bei hoher Genauigkeit der Werkstückoberfläche und maximaler Leistung der Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens gewährleistet. Zur Bearbeitung des Werkstückes, welches als Flügel für Schiffsschrauben ausgebildet ist, wird das Werkzeug (Stirnfräser) in drei Achsen/Ebenen eines rechtwinkligen Koordinatensystems relativ verschoben und relativ um zwei zueinander senkrechte Achsen verdreht. Hierbei wird das rotierende Werkzeug bezüglich einer der Drehachsen unter einem konstanten Winkel angeordnet, während seine eigene Drehachse eine konische Oberfläche mit konstantem Kegelwinkel beschreibt. Weiterhin wird dieses Werkzeug, das unter dem konstanten Winkel zu einer der Drehachsen angeordnet ist, zusammen mit dieser Drehachse um eine weitere Drehachse bewegt und diese parallel zur Verschiebungsrichtung des Werkstückes angeordnet.

Auch dieses Fräsverfahren zeigt eine komplizierte Überlagerung mehrerer kinematisch abhängiger Bewegungen und ist somit maschinenseitig sehr aufwendig. Das Werkstück führt bei diesem aufwendigen Verfahrensablauf keine Rotationsbewegung aus, während wiederum eine definierte Hohlheit oder Balligkeit des Werkstückes gegenüber einer Bezugslinie nicht zu verzeichnen ist.

Schließlich ist ein Verfahren zur spanenden Feinbearbeitung der Außenfläche von kreiszylindrischen Werkstücken bekannt (DD-PS 121.884), deren gerade Mantellinie durch relative Längsbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück realisiert wird. Auf Grund dieser Relativbewegung kann die Mantellinie des zylindrischen Werkstückes weder hohl noch ballig gestaltet werden.

Da der Flugkreisdurchmesser dieses Werkzeuges kleiner ist als die Länge bzw. Breite des Werkstückes und der Abstand der Rotationsachsen von Werkstück und Werkzeug zwischen Null und dem halben Flugkreisdurchmesser des Messerkopfes liegt, wird diese gerade Mantellinie zwangsläufig erzeugt. Durch die relative lineare Bewegung des Werkzeuges in Richtung der Längsachse des Werkstückes wird dessen gewünschte zylindrische Form hergestellt, wie sie insbesondere für feinbearbeitete Druckzylinder gefordert wird.

Ziel der Erfindung

Ziel ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von konvexen Flächen an Werkstücken mit balliger oder hohler Mantellinie, vorzugsweise an Lagerkörpern, mit hoher Fertigungsqualität der Oberfläche des Werkstückes sowie einer optimalen und kostengünstigen Bearbeitungstechnologie.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung gerader, balliger oder hohler Mantellinien an Konvexflächen von Werkstücken zu schaffen, wobei ein Stirnfräsen mit überlagerter Bewegung des Werkstückes unabhängig vom Werkzeug zum Einsatz kommen soll.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Realisierung des Verfahrens zum Bearbeiten konvexer Mantelflächen an Werkstücken das rotierende Werkzeug mit seiner Rotationsachse über der Mitte (bezogen auf die Breite) des rotierenden Werkstückes fest eingestellt wird, wobei mehrere axial gestaffelte und nicht verstellbare Fräsmeißel des Werkzeuges die Mantellinie des Werkstückes vorschneiden. Mindestens ein verstellbarer Fräsmeißel des Werkzeuges überfährt die Mantellinie des rotierenden Werkstückes stets in der gleichen Ebene, wobei seine Schneidenkante im Bereich einer Schwenkachse, bezogen auf eine Schnittebene, radial eingestellt ist sowie das Gutschneiden der Mantellinie durchführt und bei dieser überlagerten Rotationsbewegung die Schwenkachse des verstellbaren Fräsmeißels dessen Teilkreis tangiert.

Als zweckmäßig hat sich erwiesen, den Schwenkwinkel des verstellbaren Fräsmeißels zwischen einer positiven sowie einer negativen Abweichung von jeweils 1 Grad zu legen.

Außerdem ist es vorteilhaft, den Verdrehwinkel der Schneidenkanten auf 40 Grad, die Länge derselben auf 15 mm, das Aufmaß am Werkstück auf 1 mm, die Breite desselben auf 30mm und seinen Krümmungsradius auf 19mm festzulegen.

Zur optimalen Verfahrensdurchführung beträgt die Geschwindigkeit des Werkstückes an der Mantelfläche um seine Rotationsachse 160 mm/min bei einer Drehzahl des Werkzeuges von 1 000min"¹.

Mit der erfindungsgemäßen Anwendung des dargelegten Bearbeitungsverfahrens werden Werkstücke hoher Fertigungsqualität geschaffen, deren konvexe Mantelflächen eine gewünschte Hohlheit, Geradheit oder Balligkeit aufweisen. Damit besteht die Möglichkeit, mittels eines kostengünstigen Herstellungsverfahrens die Mantelfläche konvex geformter Werkstücke, z. B.

zylinderförmige Lagerkörper, mit einer hohen Oberflächenqualität sowie optimaler geometrischer Formgenauigkeit zu fertigen.

Die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist sowohl auf kleinen kostengünstigen Sondermaschinen als auch mit Zusatzeinrichtungen auf konventionellen Dreh- oder Fräsmaschinen möglich. Darüber hinaus kann das Verfahren ohne zusätzliche Einrichtungen auf Maschinen mit kombinierter Dreh- und Fräsbearbeitung Anwendung finden. Ebenso kann der Einsatz in modernen automatisierten Systemen in vorteilhafter Weise erfolgen. Dabei ist die Anwendung des Verfahrens nicht an eine bestimmte Seriengröße zu bearbeitender Werkstücke gebunden. Die mit diesem Verfahren erreichbaren Abweichungen der hohlen bzw. balligen Linie der Mantelfläche des Werkstückes, gegenüber einer geraden Linie, liegen vorzugsweise im Bereich weniger Mikrometer.

Derart geringe Abweichungen gegenüber einer geraden Mantellinie werden nach diesem Verfahren mit technisch geringem Aufwand und daher auch mit niedrigen Kosten realisiert. Mit dem bisher bekannten Fräsverfahren wären derartige technische Forderungen nicht zu gewährleisten.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die Zeichnungen folgendes darstellen:

Fig. 1: eine prinzipielle Darstellung der Fräseinrichtung in Seitenansicht

Fig. 2: eine Vorderansicht des als Messerkopf ausgebildeten Werkzeuges

Fig.3: eine Schnittdarstellung des Werkzeuges in der Ebene A-A gemäß Fig.2 ohne Fräsmeißel

Fig.4: eine Teilansicht des Werkzeuges über einem Werkstück mit gerader Mantellinie

Fig. 5: eine Seitenansicht der Darstellung gemäß Fig.4

Fig. 6: eine Teilansicht des Werkzeuges über einem Werkstück mit balliger Mantellinie

Fig.7: eine Seitenansicht der Darstellung gemäß Fig. 6

Fig. 8: eine Teilansicht des Werkzeuges über einem Werkstück mit hohler Mantellinie

Fig. 9: eine Seitenansicht der Darstellung gemäß Fig. 8.

Eine Aufnahme 1 der Fräseinrichtung trägt ein rotationssymmetrisches Werkstück 2, welches um eine Rotationsachse 3 drehbar angeordnet ist. Zu bearbeiten ist eine periphere Mantelfläche 4 des Werkstückes 2 mittels Stirnfräsen, bei dem ein vorhandenes Aufmaß 5 abgetragen wird und die Mantelfläche 4 in der gewünschten Form mit dem Krümmungsradius R1 entsteht. Zur Fräsbearbeitung des Werkstückes 2 wird ein als Messerkopf ausgebildetes Werkzeug б verwendet, dessen Rotationsachse 7 senkrecht und in einem Abstand 8 zur Rotationsachse 3 des Werkstückes 2 angeordnet ist. Dieses Werkzeug 6 besitzt auf einem Teilkreis 9 angeordnet mehrere Fräsmeißel 10,11,12, wobei der Halbmesser des Teilkreises 9 annähernd dem Abstand 8 zwischen den Rotationsachsen 3 und 7 von Werkstück 2 und Werkzeug 6 entspricht.

Die Fräsmeißel 10,11,12 besitzen in bekannter Weise zur Aufnahme im Messerkopf einen zylindrischen Schaft und eine breite Schneide. Angeordnet sind die Fräsmeißel 10,11 in zylindrischen Aufnahmebohrungen 13,14 im Grundkörper des Werkzeuges 6, während sich der Fräsmeißel 12 in der zylindrischen Bohrung einer Kassette 15 befindet. Über eine Schwenkachse 16, welche tangential zum Teilkreis 9 der Fräsmeißel 10,11,12 angeordnet ist, kann diese Kassette 15 mit Hilfe von Schraubelementen 17 verstellt und mittels eines Abstützelementes 18 in der gewünschten Lage arretiert werden. Ein Verdrehen der Fräsmeißel 10,11,12 um ihre Längsachse zur Realisierung einer Schrägstellung der Schneidenkanten 19,20,21 bewirkt ein günstiges Anschnittverhalten. Durch axiale Staffelung dieser Fräsmeißel 10,11,12 wird eine gleichmäßige Schnittaufteilung realisiert, die zur Erhöhung der Standzeit der Fräsmeißel 10,11,12 und der Verbesserung der Oberflächengüte am Werkstück 2 führt. Dabei gewährleistet der in der Kassette 15 schwenkbar angeordnete Fräsmeißel 12 als Gutschneider alle wesentlichen Qualitätsparameter des Werkstückes 2. Die um den Betrag von 0,02 mm, bis 0,03 mm zurückgesetzten weiteren Fräsmeißel 10,11 entlasten durch eine Schnittaufteilung hierbei den Fräsmeißel 12. Mittels des in der Kassette 15 angeordneten Fräsmeißels 12 wird durch unterschiedliche Neigungseiner Schneidenkante 21 um den Schwenkwinkel α eine gerade Mantellinie 4a, eine ballige Mantellinie 4b oder eine hohle Mantellinie 4c der Mantelfläche 4 erzielt, wie dies die Fig.4,6 und 8 darstellen.

Die Einstellung der Kassette 15 erfolgt in bekannter Weise durch Schraubelemente 17 in Form zweier Stellschrauben, wobei der eingestellte Schwenkwinkel α durch das Abstützelement 18 zusätzlich fixiert wird. Der genannte Schwenkwinkel α stellt dabei die Größe der Verdrehung der Schneidenkante 21 des Fräsmeißels 12 gegenüber einer ursprünglichen Schnittebene 22 dar. Außerdem können durch das Verstellen der Kassette 15 herstellungsbedingte Fertigungsabweichungen im System Maschine/Vorrichtung/Werkzeug kompensiert werden.

Die erreichbare, gewünschte Abweichung der balligen oder hohlen Mantellinie 4 b, 4c gegenüber der geraden Mantellinie 4a liegt hierbei im Bereich bis maximal 0,015 mm bezogen auf eine Länge der Mantellinie von z. B. etwa 30 mm, wobei der Schwenkwinkel α des verstellbaren Fräsmeißels zwischen einer positiven sowie einer negativen Abweichung von jeweils ±1 Grad liegt.

Verfahrensgemäß ist zur Einleitung des Fräsvorganges eine Rotation des Werkstückes 2 mittels einer bekannten Vorrichtung um die Rotationsachse 3 notwendig, wobei die Geschwindigkeit des Werkstückes 2 für die Bearbeitung des Werkstoffes Aluminium an der Mantelfläche 4 vorzugsweise etwa 160mm/min beträgt.

Unabhängig von dieser Bewegung des Werkstückes 2 wird eine überlagerte Bewegung des Werkzeuges 6 eingeleitet. Dieses Werkzeug 6 besitzt hierbei eine Drehzahl von 1 000 min"', so daß eine Schnittgeschwindigkeit von etwa 470 m/min erreicht wird.

Der Durchmesser des Teilkreises 9 für die Fräsmeißel 10,11,12 ist dabei so gewählt, daß unter Beachtung des Verdrehwinkels λ der Schneidenkanten 19,20,21 von vorzugsweise 40°, der Länge der Schneidenkanten 19,20,21 von beispielsweise 15 mm sowie eines Aufmaßes 5 am Werkstück 2 von 1 mm, einer Breite 23 des Werkstückes 2 von 30 mm und eines Krümmungsradius R1 des Werkstückes 2 von 19mm sich die vollständige Auslastung der Länge genannter Schneidenkanten 19, 20,21 ergibt. Die beschriebene Lösung ist nicht auf rotationssymmetrische Werkstücke 2 begrenzt, sondern kann prinzipiell zur Erzeugung von geraden, gering balligen oder gering hohlen Mantellinien 4 a, 4b, 4c an Konvexflächen bei beliebigen Werkstücken angewendet werden, wenn eine entsprechende Steuerung der Werkstückbewegung relativ zum Werkzeug erfolgt und die geometrischkonstruktiven Verhältnisse insgesamt richtig abgestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Konvexflächen an Werkstücken mit balliger oder hohler Mantellinie mittels Werkzeug zum Fräsen, welches gegenüber dem Werkstück eine überlagerte Drehbewegung durchführt, und die Rotationsachsen von Werkstück und Werkzeug senkrecht und mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der Teilkreis des Werkzeuges mit der Rotationsachse des Werkstückes tangiert und der Abstand zwischen dieser und der Rotationsachse des Werkzeuges annähernd gleich dem halben Teilkreis dieses Werkzeuges entspricht, gekennzeichnet dadurch,

— daß das rotierende Werkzeug (6) mit seiner Rotationsachse (7) über der Mitte der Breite (23) des ebenfalls rotierenden Werkstückes (2) fest eingestellt wird,

— daß mehrere axial gestaffelte und nicht verstellbare Fräsmeißel (10,11) des rotierenden Werkzeuges (6) das Vorschneiden der Mantellinie (4a, 4b, 4c) des Werkstückes (2) realisieren,

— daß mindestens ein verstellbarer Fräsmeißel (12) die Mantellinie (4a, 4b, 4c) des rotierenden Werkstückes (2) stets in dergleichen Ebene überfährt, wobei seine Schneidenkante (21) im Bereich einer Schwenkachse (16) um einen Schwenkwinkel (α), bezogen auf eine Schnittebene (22), radial eingestellt ist und das Gutschneiden der Mantellinie (4a, 4b, 4c) durchführt, wobei bei dieser überlagerten Rotationsbewegung die Schwenkachse (16) des verstellbaren Fräsmeißels (12) dessen Teilkreis (9) tangiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkwinkel (α) des verstellbaren Fräsmeißels (12) zwischen einer positiven sowie einer negativen Abweichung von jeweils ±1 Grad liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrehwinkel (λ) der Schneidenkanten (19, 20, 21) 40 Grad, die Länge dieser Schneidenkanten (19, 20,21) 15mm, das Aufmaß (5) am Werkstück (2) 1 mm, die Breite (23) dieses Werkstückes (2) 30mm und der Krümmungsradius (R 1) desselben 19mm betragen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Werkstückes (2) um seine Rotationsachse (3) an der Mantelfläche (4) 160 mm/min bei einer Drehzahl des Werkzeuges (6) von 1 000 min"¹ beträgt.