DE10031441A1 - Verfahren zum Steuern der Arbeitsbewegung eines Fräswerkzeugs - Google Patents
Verfahren zum Steuern der Arbeitsbewegung eines FräswerkzeugsInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Steuern der Arbeitsbewegung eines Fräswerkzeugs vorgeschlagen, mit dem insbesondere die Bearbeitung von Turbinenschaufeln und Propellern optimiert wird (Fig. 1).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Arbeitsbewegung eines
Fräswerkzeugs zur materialabtragenden Bearbeitung eines Materialblocks gemäß einer
vorgegebenen Werkstücksform, deren Oberfläche eine eine gedachte Achse umschließen
de Mantelfläche aufweist, bei dem ein zur materialabtragenden Einwirkung auf den Mate
rialblock dienender, um eine Rotationsachse rotierender Einwirkungsbereich des Fräs
werkzeugs in bezug auf den Materialblock eine Bearbeitungsbahn durchläuft.
Derartige Werkstücksformen treten insbesondere bei Turbinenschaufeln für Wasser
turbinen, Dampfturbinen, Flugzeugturbinen oder auch von Propellern auf. Deren ange
strömte flügelartige Mantelfläche, die sich längs der gedachten Achse erstreckt, geht an
mindestens einem ihrer axialen Enden in ein Einspannstück über, das zur Mantelfläche hin
durch eine Seitenfläche begrenzt ist. Durch den hohen Bedarf an Turbinenschaufeln be
steht die Notwendigkeit, die Dauer der Bearbeitung zu minimieren, was die Generierung
von optimierten Bearbeitungsbahnen erforderlich macht. Die derzeit verfügbaren Software
programme zur Generierung der Bearbeitungsbahnen sind dafür nur unzureichend ausge
legt und haben zudem den Nachteil, daß sie die durch moderne CAD-Systeme erzeugten,
immer komplexer werdenden CAD-Daten, welche die vorgegebene Werkstücksform be
schreiben, nicht verarbeiten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art
zu schaffen, das eine optimierte Bearbeitung derartiger Werkstücksformen, insbesondere
Turbinenschaufeln und Propellern, ermöglicht.
Erfindungsgemäß besteht eine mögliche Lösung dieser Aufgabe darin, daß die Bear
beitungsbahn eine Vielzahl in der Richtung der Achse benachbarter ebener Bahnkurven
aufweist, deren Bahnebenen längs der Achse voneinander beabstandet sind, die Achse
jeweils in genau einem Punkt schneiden, mit der die Achse umschließenden Mantelfläche
jeweils eine Schnittkurve bestimmen und von dem Einwirkungsbereich nacheinander
durchlaufen werden, und deren jede eine Vielzahl von Umläufen um die Achse aufweist
sowie sich in der Durchlaufrichtung jeweils von der Außenseite des Materialblocks her zu
nehmend an die Schnittkurve annähert.
Diese Lösung eignet sich insbesondere zur Schruppbearbeitung des rohen Mate
rialblocks, mit der dessen Material bis auf ein vorgebbares Aufmaß, d. h. einen vorgege
benen Materialüberstand über das Sollmaß der zu erzielenden Mantelfläche, abgetragen
wird. Zumeist handelt es sich bei dem rohen Materialblock um einen prismatischen Block,
aus dem die Werkstücksform herausgearbeitet werden muß. Das Fräswerkzeug läuft dabei
in bezug auf die gedachte Achse um und nähert sich materialabtragend der Sollform der
Mantelfläche von außen nach innen an. Dieser Vorgang wiederholt sich in der Richtung der
gedachten Achse fortschreitend, so daß das Material nacheinander Scheibe für Scheibe
bis zur Annäherung an die gewünschte Sollform der Mantelfläche abgetragen wird.
Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Verfahrensführung sind in den Unteransprü
chen 2 bis 6 angegeben.
Eine weitere mögliche Aufgabenlösung besteht darin, das Verfahren der eingangs ge
nannten Art derart auszubilden, daß die Bearbeitungsbahn eine auf der Mantelfläche ver
laufende Bahnkurve mit einer Vielzahl von Umläufen um die Achse und einer in die Rich
tung der Achse weisenden Steigung aufweist.
Diese Verfahrensführung eignet sich insbesondere für die Schlichtbearbeitung, durch
die die Sollform der Mantelfläche erzeugt wird. Der materialabtragende Einwirkungsbereich
des Fräswerkzeugs, bei dem es sich in diesem Fall vorzugsweise um die spanende Stirn
fläche eines Schaftfräsers mit Eckenradius handelt, folgt dabei im Umlaufrichtung der
Kontur der Mantelfläche und schreitet gleichzeitig in der Richtung der Achse mit vorzugs
weise konstanter Vorschubgeschwindigkeit fort.
Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Verfahrensführung sind in den Unteransprü
chen 8 bis 10 angegeben.
Eine weitere Problemlösung mit einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem
die vorgegebene Werkstücksform an mindestens einem axialen Ende der die gedachte
Achse umschließenden Mantelfläche eine von der Mantelfläche aus nach außen gerichte
te, von einer äußeren Randkurve begrenzte Seitenfläche aufweist, zeichnet sich erfin
dungsgemäß dadurch aus, daß von Punkten auf einer der Schnittkurve zwischen der Sei
tenfläche und der Mantelfläche entsprechenden inneren Bahnkurve aus und senkrecht da
zu sich zu der die Seitenfläche nach außen begrenzenden Randkurve erstreckende
Verbindungsstrecken bestimmt und als Bezugsvektoren für die räumliche Einstellung der
Rotationsachse des Fräswerkzeugs verwendet werden.
Diese Verfahrensführung eignet sich insbesondere dazu, den Übergangsbereich von
der Mantelfläche zu der jeweiligen Seitenfläche zu erzeugen, welche eine Anschluß- oder
Befestigungsstelle der Turbinenschaufel oder des Propellers zu seiner Mantelfläche hin
begrenzt. Durch eine geeignete Ausrichtung der Rotationsachse des Fräswerkzeugs in
bezug auf die Verbindungsstrecken zwischen der äußeren Randkurve und der inneren
Bahnkurve kann von dem vorzugsweise halbkugelförmigen vorderen Ende des Fräswerk
zeugs und der Mantelfläche des Fräswerkzeugs gleichzeitig umlaufend eine Stirnbearbei
tung der Mantelfläche und eine Walzbearbeitung der Seitenfläche durchgeführt werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Verfahrensführung sind in den Unteransprü
chen 12 und 13 angegeben.
Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig,
daß der Durchlauf des Fräswerkzeugs durch die Bearbeitungsbahn durch eine Drehung
des Materialblocks um die gedachte Achse bei in der Drehrichtung im wesentlichen fest
stehendem Einwirkungsbereich des Fräswerkzeugs erzeugt wird.
Das Fräswerkzeug braucht dabei nur die zur Verfolgung der Bearbeitungsbahn erfor
derliche Bewegung der Richtung von außen nach innen, die zur gewünschten räumlichen
Einstellung seiner Rotationsachse erforderlichen Schwenkbewegungen und die zur Verfol
gung der Bearbeitungsbahn in der Richtung der gedachten Achse erforderliche Translati
onsbewegung auszuführen. Die Drehgeschwindigkeit des Materialblocks wird vorzugswei
se derart gesteuert, daß die Schnittgeschwindigkeit beim Eingriff zwischen dem Einwir
kungsbereich des Fräswerkzeugs und dem Materialblock längs der Bearbeitungsbahn
konstant ist, was zur Folge hat, daß die Drehgeschwindigkeit variabel ist.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der fol
genden Beschreibung und der Zeichnung. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einwirkung eines Fräswerkzeugs auf
einen Materialblock zur Herstellung einer einer Turbinenschaufel entspre
chenden Werkstücksform,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Turbinenschaufel quer zu ihrer Achse mit zur Bestim
mung von Bahnkurven des Fräswerkzeugs dienenden, quer zur Achse ver
laufenden Schnittebenen,
Fig. 3 eine Ansicht einer in einer Schnittebene von Fig. 2 verlaufenden Bahnkurve,
Fig. 4 eine Gesamtansicht der bei einer Schruppbearbeitung durchlaufenen Bahn
kurven,
Fig. 5 eine Ansicht zur Erläuterung der räumlichen Einstellung der Drehachse des
Fräswerkzeugs bei der Schruppbearbeitung,
Fig. 6 eine Fig. 2 entsprechende Ansicht mit einer abweichenden Ausrichtung der
Schnittebenen,
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines verwendeten Fräswerkzeugs,
Fig. 8 eine durch die Schnittebenen von Fig. 2 oder 6 mit der Mantelfläche der
Turbinenschaufel erzeugte Schnittkurve,
Fig. 9 eine bei einer Schlichtbearbeitung durchlaufene Bearbeitungsbahn,
Fig. 10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der räumlichen Einstellung
der Drehachse des Fräswerkzeugs bei der Schlichtbearbeitung,
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel in einem axialen
Endbereich,
Fig. 12 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Bildung von Bezugsvek
toren für die räumliche Einstellung der Rotationsachse des Fräswerkzeugs
bei der Bearbeitung der Seitenfläche im Endbereich,
Fig. 13 eine schematische Darstellung einer mittels der Bezugsvektoren von Fig. 12
gewonnenen umlaufenden Mittelpunktsbahn für ein Fräswerkzeug mit halb
kugelförmigem Endbereich,
Fig. 14 eine aus der Kugelmittelpunktsbahn von Fig. 13 gewonnene Bearbeitungs
bahn mit mehreren Umläufen für eine Bearbeitung im Übergangsbereich,
Fig. 15 eine schematische Darstellung eines für die Seitenflächenbearbeitung ge
eigneten Fräswerkzeugs und
Fig. 16 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Kollisionskorrektur.
Fig. 1 läßt das Entstehen einer Turbinenschaufel durch eine spanabhebende Bearbei
tung eines Materialblocks mittels eines Fräswerkzeugs 1 erkennen. Dabei wird der Mate
rialblock um eine Achse 2 gedreht, wodurch das Fräswerkzeug 1 von der Außenseite des
Materialblocks her nach innen fortschreitend den für die gewünschte Werkstücksform er
forderlichen Materialabtrag bewirkt. Die axialen Endbereiche 3, 4 der herzustellenden Tur
binenschaufel sind der ursprünglich prismatischen Form des unbearbeiteten Materialblocks
folgend ebenfalls im wesentlichen prismatisch ausgebildet und können zur Festlegung der
Turbinenschaufel in einem Schaufelrad dienen. Zwischen den beiden axialen Endberei
chen 3, 4 erstreckt sich in der Richtung der Achse 2 und letztere umgebend eine die ange
strömte Schaufelfläche bildende Mantelfläche 5, deren zur Achse 2 senkrechte, tragflä
chenförmige Querschnittsform durch Randkurven 6 angedeutet ist.
Für die vollständige Bearbeitung der in Fig. 1 dargestellten Turbinenschaufel werden
drei Arten von Bearbeitungsbahnen zur Verfügung gestellt, die im Dienste einer Zeitopti
mierung entweder spiralartig oder helixartig verlaufen:
- 1. Spiralartige Schruppbearbeitung
Durch die Schruppbearbeitung wird der Materialblock bis auf ein vorgegebenes Auf maß, d. h. einen über die vorgegebene Werkstücksform bestehenden Materialüber stand, abgetragen. Bei dem unbearbeiteten Materialblock handelt es sich in der Regel um einen prismatischen Block, aus dem die Turbinenschaufel herausgearbeitet wer den muß. Die Schruppbearbeitung nutzt eine spiralartig umlaufende Bewegung um die Achse 2, in der von außen nach innen materialabtragend in einem spiralartigen Umlauf eine Annäherung an die endgültige Werkstücksform erfolgt. - 2. Helixartige Schlichtbearbeitung
Die Schlichtbearbeitung erzeugt die endgültige Mantelfläche 5 der vorgegebenen Werkstücksform. Hierbei wird das Fräswerkzeug 1 längs der vorgegebenen Mantelflä che 5 mit Vorschubrichtung längs der Achse 2 helixförmig an der vorgegebenen Man telfläche 5 entlanggeführt. - 3. Aus Fig. 1 ist weiter erkennbar, daß die axialen Endbereiche 3, 4 jeweils eine an die Mantelfläche 5 anschließende Seitenfläche 7 bzw. 8 aufweisen. Die Bearbeitung die ser Seitenflächen 7, 8 erzeugt den gewünschten Übergang von der Mantelfläche 5 zu den axialen Endbereichen 3, 4. Hierbei wird gleichzeitig eine Stirnbearbeitung der Mantelfläche 5 und eine Walzbearbeitung der Seitenflächen 7, 8 in einer helixartig umlaufenden Bearbeitungsbahn vorgenommen.
Für die beiden erstgenannten Arten von Bearbeitungsbahnen, die der Schruppbear
beitung und der Schlichtbearbeitung dienen, wird die Mantelfläche 5 mit einer Vielzahl von
Schnittebenen 9 geschnitten, die längs der Achse 2 voneinander beabstandet sind. In dem
in Fig. 2 dargestellten Beispiel sind diese Schnittebenen 9 senkrecht zur Achse 2 ausge
richtet und unter gleichbleibendem gegenseitigen Abstand angeordnet. Jede der Schnit
tebenen 9 erzeugt daher mit der Mantelfläche 5 eine Schnittkurve, wie sie beispielsweise in
Fig. 1 unter dem Bezugszeichen 6 dargestellt ist.
Für jede der Schnittkurven 6, die eine Randkurve der Mantelfläche 5 darstellen, wird
gemäß Fig. 3 ausgehend von einem gewählten Punkt 10 der Schnittkurve 6 eine Interpola
tionskurve 11 berechnet, deren Abstand zur Schnittkurve 6 im Punkt 10 den Wert 0 auf
weist und während eines vollen Umlaufs um die Achse 2 in ihrem dem Punkt 10 der
Schnittkurve gegenüberliegenden Punkt 12 einen vorbestimmten Abstandswert erreicht.
Anschließend an den Punkt 12 werden nach außen hin fortschreitend weitere Umläufe angeschlossen,
wobei zwischen benachbarten Umläufen gleichbleibend der vorbestimmte
Abstandswert eingehalten wird. Auf diese Weise erhält man die in Fig. 3 dargestellte spi
ralartige Bahnkurve 13, die eine Vielzahl voller Umläufe um die Achse 2 aufweist.
Fig. 3 läßt weiter erkennen, daß auch die von jeder Schnittebene 9 mit der äußeren
Oberfläche des prismatischen unbearbeiteten Materialblocks erzeugte Schnittkurve 14 be
stimmt wird. Die in Fig. 3 innerhalb der Schnittkurve 14 liegenden Abschnitte 15 der um
laufenden Bahnkurve 13 sind also diejenigen Abschnitte, in denen das Fräswerkzeug 1 mit
dem Materialblock materialabtragend in Eingriff steht. Die Drehgeschwindigkeit um die
Achse 2 wird derart gewählt, daß in diesen Abschnitten das Fräswerkzeug 2 die Bahnkurve
13 mit konstanter Schnittgeschwindigkeit durchläuft. Dagegen greift das Fräswerkzeug 1 in
den außerhalb der Schnittkurve 14 gelegenen Abschnitten 16 der Bahnkurve 13 nicht an.
In diesen Abschnitten wird daher zur zusätzlichen Einsparung von Bearbeitungszeit die
Durchlaufgeschwindigkeit des Fräswerkzeugs 1 durch die Bahnkurve 13 erhöht.
Fig. 4 zeigt die Gesamtheit der spiraligen ebenen Bahnkurven 13, die in der Richtung
der Achse 2 in zeitlicher Aufeinanderfolge jeweils von außen nach innen von dem material
abtragenden Einwirkungsbereich des Fräswerkzeugs 1 durchlaufen werden.
Statt der in Fig. 2 dargestellten orthogonalen Ausrichtung der Schnittebenen 9 in be
zug auf die Achse 2 kann es bei bestimmten Werkstücksformen vorteilhaft sein, gemäß
Fig. 6 Schnittebenen 9' anzuwenden, die zur Achse 2 unter einem von 90° verschiedenen
Winkel geneigt sind. Beispielsweise kann der Neigungswinkel der Schnittebenen 9' an den
Neigungswinkel der Seitenflächen 7, 8 (vgl. Fig. 1 und Fig. 6) angepaßt sein. Auch kann
der Neigungswinkel der Schnittebenen 9' längs der Achse 2 veränderlich gewählt werden.
Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die beiden Seitenflächen 7, 8 an den axialen
Enden der Mantelfläche 5 voneinander verschieden sind. In diesem Fall können beispiels
weise die Neigungswinkel der Schnittebenen 9' längs der Achse 2 durch Interpolation zwi
schen den beiden Neigungswinkeln der Seitenflächen 7, 8 bestimmt werden. Prinzipiell
können die Schnittebenen 9' jeden Neigungswinkel zur Achse 2 einnehmen, der von 0°
bzw. 180° verschieden ist, d. h. daß jede Schnittebene 9' die Achse 2 jeweils in genau ei
nem Punkt schneidet.
Für die vorstehend beschriebene spiralartige Schruppbearbeitung eignet sich das in
Fig. 7 dargestellte Fräswerkzeug 1. Dieses weist einen zu seiner Rotationsachse rotations
symmetrischen Werkzeughalter 17 und einen daran anschließenden, zur Rotationsachse
rotationssymmetrischen Werkzeugschaft 18 auf. Dessen freies Stirnende 19 und dessen
daran angrenzende Mantelfläche 20 wirken materialabtragend. Der Übergang zwischen
dem Stirnende 19 und der Mantelfläche 20 ist abgerundet. Es handelt sich also um einen
Schaftfräser mit Eckenradius.
Wegen der in Fig. 4 verdeutlichten scheibenförmigen Materialabtragung in der Rich
tung der Schnittebenen 9, 9' muß bei der Schruppbearbeitung, wie Fig. 5 verdeutlicht, die
Rotationsachse 21 des Fräswerkzeugs 1 so ausgerichtet werden, daß sie in der jeweiligen
Schnittebene 9, 9' liegt. Hierzu werden in einer Vielzahl von Punkten längs jeder der
Schnittkurven 6 Normalenvektoren zu der Mantelfläche 5 bestimmt und auf die jeweilige
Schnittebene 9 bzw. 9' projiziert. Diese in den Schnittebenen 9 bzw. 9' liegenden projizier
ten Vektoren dienen sodann als Bezugsvektoren für die räumliche Einstellung der Rotati
onsachse 21.
Nachdem durch die vorstehend beschriebene Schruppbearbeitung so viel Material des
Materialblocks abgetragen worden ist, daß die Mantelfläche 5 einschließlich eines vorge
gebenen Aufmaßes erzeugt worden ist, wird die Schlichtbearbeitung durchgeführt. Auch
bei dieser werden zunächst in der vorstehend anhand von Fig. 2 und 6 beschriebenen
Weise die Schnittebenen 9 bzw. 9' durch die Mantelfläche 5 gelegt und die dabei mit der
Mantelfläche 5 entstehenden Schnittkurven 6 bestimmt. In Fig. 8 ist eine dieser Schnittkur
ven 6 noch einmal veranschaulicht. Hierzu ist anzumerken, daß in heute üblichen CAD-
Systemen die Oberfläche der vorgegebenen Werkstücksform durch eine Menge zusam
menhängender Einzelflächen oder Facetten, die über einem zweidimensionalen Parame
terintervall definiert sind, beschrieben werden. Für die Berechnung der Schnittkurven 6
werden die Schnittebenen 9 bzw. 9' der Reihe nach mit allen Einzelflächen der Mantelflä
che 5 geschnitten. Dabei ist es unerheblich, wie die ISO-Kurven der Mantelfläche 5 ver
laufen. Es ist nicht erforderlich, daß die ISO-Kurven der Einzelflächen zusammenhängend
angeordnet sind. Die durch die Schnittebenen 9 bzw. 9' und die Einzelflächen bestimmten
Schnittkurvenabschnitte werden dann zur Bildung der vollständigen Schnittkurve 6 anein
andergehängt. Dabei wird darauf geachtet, daß bis auf eine vorgebbare Toleranz, die zu
meist zwischen 0,1 und 0,01 mm liegt, die durch Aneinanderhängung gebildete Schnittkur
ve 6 eine ebene, geschlossene Kurve ist.
Zur Herstellung der bei der Schlichtbearbeitung der Mantelfläche 5 insgesamt durch
laufenen helixartigen Bearbeitungsbahn 22, die in Fig. 9 veranschaulicht ist, wird jeweils
zwischen zwei benachbarten Schnittkurven 6 durch Interpolation eine um die Achse 2 um
laufende Raumkurve 23 bestimmt. Die in Achsrichtung aufeinanderfolgenden Raumkurven
hängen aneinander und bilden zusammen mit den beiden Schnittkurven 6 an den beiden
axialen Enden der Mantelfläche 5 die gesamte Bearbeitungsbahn 22.
Zur Bestimmung der räumlichen Einstellung der Rotationsachse 21 des Fräswerk
zeugs 1, bei dem es sich beispielsweise um den in Fig. 7 dargestellten Schaftfräser mit
Eckenradius handeln kann, werden in einer Vielzahl längs der Schnittkurven 6 gelegener
Punkte die Normalenvektoren zu der Mantelfläche 5, d. h. den sie beschreibenden Einzel
flächen bzw. Facetten, bestimmt. In Fig. 10 ist mit dem Bezugszeichen 24 die einem dieser
Normalenvektoren entsprechende Richtungsachse bezeichnet. Weiter veranschaulicht Fig.
10 einen Sturzwinkel α, der vom Anwender des Verfahrens vorgegeben werden kann und
den Winkel beschreibt, den die Rotationsachse 21 des Fräswerkzeugs 1 gegenüber der
Richtungsachse 24 in der jeweiligen Schnittebene 6 annimmt. Hierbei ist anzumerken, daß,
wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, der Eingriffspunkt 25 zwischen dem materialabtragenden
Einwirkungsbereich des Fräswerkzeugs 1 und der Bearbeitungsbahn 22 von einem bei
spielsweise an der Spitze des Fräswerkzeugs 1 auf dessen Rotationsachse 21 angenom
menen Werkzeugreferenzpunkt infolge der Einstellung des vorgegebenen Sturzwinkels α
abweicht, was bei der Ermittlung der Position des Werkzeugreferenzpunkts 26 berücksich
tigt wird.
Weiter ist anzumerken, daß bei der Schlichtbearbeitung die räumliche Einstellung der
Rotationsachse 21 des Fräswerkzeugs 1 bedingt durch den räumlichen Verlauf der Man
telfläche 5 im allgemeinen nicht in den Schnittebenen 6 verläuft, was bei der vorstehend
beschriebenen Schruppbearbeitung in der anhand von Fig. 5 beschriebenen Weise ver
mieden wurde. Dort kann ebenfalls ein Sturzwinkel α vorgegeben werden, doch liegt dieser
in der jeweiligen Schnittebene 9 bzw. 9'.
Schließlich ist anzumerken, daß die Bewegungsführung des Fräswerkzeugs 1 in der
Nähe der Enden der helixartigen Bearbeitungsbahn 22 nicht zu Kollisionen mit den Seiten
flächen 7, 8 der Turbinenschaufel führen darf. Zu diesem Zweck wird eine Berechnung
durchgeführt, in der das Fräswerkzeug 1 entlang seiner Rotationsachse 21 in deren vorge
sehener räumlicher Einstellung an die Mantelfläche 5 herangeführt wird. Sofern diese Be
rechnung ergibt, daß der Werkzeughalter 17 oder der Werkzeugschaft 18 die Seitenfläche
7 oder 8 berührt, wird eine Kollision angenommen und eine geeignete Korrektur der Bewe
gungsführung durchgeführt.
Durch die helixartige Seitenwandbearbeitung soll der Übergangsbereich zwischen der
Mantelfläche 5 und der jeweiligen Seitenfläche 7, 8 umlaufend bearbeitet und gleichzeitig
die Seitenfläche 7 bzw. 8 mitbearbeitet werden. Da in diesem Fall die Bewegungsführung
des Fräswerkzeugs 1 an den Verlauf der Seitenflächen 7 bzw. 8 angepaßt sein muß, kann
im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Schruppbearbeitung und Schlichtbear
beitung die räumliche Einstellung der Rotationsachse 21 des Fräswerkzeugs 1 nicht mehr
aus den Normalenrichtungen der Mantelfläche 5 hergeleitet werden. Ferner ist wegen der
im allgemeinen erforderlichen Schrägstellung der Rotationsachse 21 gegenüber der Man
telfläche 5 der Einsatz eines Kugelfräsers zweckmäßig. Ein solcher ist schematisch in Fig.
15 dargestellt. Sein materialabtragender Einwirkungsbereich weist einen in Form einer
Halbkugel ausgebildeten freien Endbereich 27 auf. Die daran anschließende, die Rotati
onsachse umgebende Mantelfläche 28 des Schaftes ist vorzugsweise konisch ausgebildet.
Hierdurch können für eine Walzbearbeitung der Seitenflächen 7, 8 optimale Schnittkräfte
erreicht werden.
Aus den die Werkstücksform beschreibenden CAD-Daten wird zunächst die in Fig. 11
dargestellte Schnittkurve 29 zwischen der Mantelfläche 5 und der Seitenfläche 7 bestimmt.
Ferner wird die die betreffende Seitenfläche 7 außen begrenzende Randkurve 30 be
stimmt.
Zur Ermittlung einer Bezugsrichtung für die räumliche Ausrichtung der Rotationsachse
des Fräswerkzeugs 1 werden die innere Schnittkurve 29 und die äußere Randkurve derart
in einem gemeinsamen Parameterintervall parameterisiert, daß einander entsprechende
Punkte der inneren Schnittkurve 29 und der äußeren Randkurve 30 jeweils durch eine Ver
bindungsstrecke 31 (siehe Fig. 12) miteinander verbunden sind, die auf der inneren
Schnittkurve 29 senkrecht steht. Die solchermaßen berechneten Verbindungsstrecken 31
werden sodann von der Sollform der Seitenfläche 7 bzw. 8 weg in Richtung der Achse 2
um den Radius des halbkugeligen Endbereichs 27 des Fräswerkzeugs 1, ggf. zusätzlich
um ein vorgegebenes Aufmaß, versetzt. Die solchermaßen versetzten Verbindungsstrec
ken 31 bestimmen eine Achse, längs der der Mittelpunkt des halbkugeligen Endbereichs
27 des Fräswerkzeugs 1 zur Mantelfläche 5 hin geführt werden kann, bis sie von dem
halbkugeligen Endbereich 27 berührt wird. Hierdurch ergibt sich die in Fig. 13 mit dem Be
zugszeichen 32 bezeichnete Führungsbahn für den Mittelpunkt des halbkugeligen Endbe
reichs 27. Als Bezugsvektor für die räumliche Einstellung der Rotationsachse 21 bei einer
Führung des Mittelpunktes des halbkugeligen Endbereichs 27 auf dieser Führungsbahn 32
dient die Richtung der Verbindungsstrecken 31.
Die solchermaßen berechnete Führungsbahn 32 für den Mittelpunkt des halbkugeligen
Endbereichs 27 eignet sich bereits als Führungsbahn für das Fräswerkzeug 1 in der Nähe
der Seitenflächen 7 bzw. 8, weil dann der halbkugelige Endbereich 27 gleichzeitig die
Mantelfläche 5 und die Verbindungsstrecken 31, welche die Seitenflächen 7 bzw. 8 ange
nähert aufspannen, berührt.
Für eine vollständige Bearbeitung des Übergangsbereichs muß ein Anschluß zur
Schlichtbearbeitung der Mantelfläche 5 hergestellt werden. Dies erfolgt dadurch, daß die
vorstehend berechnete Führungsbahn 32 für den Mittelpunkt des halbkugeligen Endbe
reichs 27 des Fräswerkzeugs 1 mehrfach um einen vorgegebenen Zustellabstand in der
Richtung der Achse 2 versetzt wird. Aus diesen parallel versetzten Bahnen wird nun durch
Interpolation eine zusammenhängende helixartige Bahn erzeugt, die an ihrem Anfang und
ihrem Ende durch die Führungsbahn 32 bzw. ihr am weitesten parallelversetztes Abbild
ergänzt wird.
Das Ergebnis ist die in Fig. 14 dargestellte zusammenhängende umlaufende, helixarti
ge Bahn 33 für den Kugelmittelpunkt des halbkugeligen Endbereichs 27 des Fräswerk
zeugs 1. Die räumliche Ausrichtung der Rotationsachse 21 wird ebenfalls interpoliert. Ent
lang der dadurch gewonnenen Anstellrichtungen wird der halbkugelige Endbereich 27 wie
der auf die Mantelfläche 5 zubewegt, da sich die Form einer komplex gekrümmten
Werkstücksform in diesem Bereich ständig ändern kann. Um sicherzustellen, daß der halb
kugelige Endbereich 27 stets kollisionsfrei die Oberfläche der Werkstücksform berührt, wird
der Berührpunkt entlang dieser Anstellrichtungen neu berechnet.
Da durch die vorstehenden Berechnungen sichergestellt wurde, daß der halbkugelige
Endbereich 27 die Mantelfläche 5 stets berührt, kann die berechnete Bahn 33 für eine
Stirnbearbeitung der Mantelfläche 5 herangezogen werden. Für die Walzbearbeitung der
Seitenflächen 7 bzw. 8 mittels der Mantelfläche 28 des Fräswerkzeugs 1 (Fig. 15) muß
noch die räumliche Einstellung der Rotationsachse 21 derart berechnet werden, daß sich
die konische Mantelfläche 28 des Fräswerkzeugs 1 längs der Seitenfläche 7 bzw. 8 be
wegt.
Zwar können die Seitenflächen 7, 8, insbesondere wenn sie komplex gekrümmt sind,
nicht in voller Genauigkeit bearbeitet werden. Vielmehr wird nur eine Regelform erzeugt,
die durch die Verbindungsstrecken 31 zwischen der inneren Schnittkurve 29 und der äuße
ren Randkurve 30 bestimmt ist.
Die räumlichen Einstellungen der Rotationsachse 21 können jedoch derart berechnet
werden, daß die vorgegebene Idealform der Seitenflächen 7 bzw. 8 in einer unabhängigen
Nachbearbeitung unter Wegnahme von nur noch sehr wenig Restmaterial erzeugt werden
kann. Bei geringeren Genauigkeitsanforderungen ist die Nachbearbeitung oft überhaupt
nicht notwendig. In jedem Fall ist aber der Aufwand für die Nachbearbeitung sehr gering.
Als Bezugsvektoren für die räumliche Einstellung der Rotationsachse 21 dienen die
vorstehend berechneten Verbindungsstrecken 31. Diese werden nun, wie in Fig. 16 ange
deutet, um den halben Konuswinkel der konischen Mantelfläche 28 in Richtung auf die
Achse 2 gekippt und zum anderen in bezug auf die Umlaufrichtung um den Wert des vor
gegebenen Sturzwinkels α gekippt. Die durch diese Kippungen gewonnenen Vektoren er
zeugen die Regelfläche, die durch die innere Schnittkurve 29, die äußere Randkurve 30
und die sich dazwischen erstreckenden Verbindungsstrecken 31 aufgespannt wird.
Um zu verhindern, daß bei einer Bearbeitung gemäß der Regelfläche mehr Material
abgetragen wird, als der tatsächlich vorgegebenen Werkstücksform entspricht, wird vorher
eine Berechnung durchgeführt, mit der geprüft wird, ob zwischen der tatsächlichen Form
der Seitenfläche 7 bzw. 8 und der konischen Mantelfläche 28 des Fräswerkzeugs 1 eine
Kollision auftritt. Wenn dies der Fall ist, wird die Rotationsachse 21 weiter in Richtung auf
die Achse 2 gekippt. Durch diesen iterativen Kollisionstest ergibt sich schließlich eine
räumliche Einstellung, durch die die tatsächlich vorgegebene Form der Seitenfläche 7 bzw.
8 nicht verletzt wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfah
ren Programme für eine fünfachsige Fräsbearbeitung zur Verfügung stellt, die eine opti
mierte Bearbeitung von insbesondere Turbinenschaufeln und Propellern ermöglichen.
1
Fräswerkzeug
2
Achse
3
,
4
axiale Endbereiche
5
Mantelfläche
6
Randkurven
7
,
8
Seitenflächen
9
,
9
' Schnittebenen
10
Punkt der Schnittkurve
11
Interpolationskurve
12
Punkt der Interpolationskurve
13
Bahnkurve
14
Schnittkurve
15
innere Abschnitte
16
äußere Abschnitte
17
Werkzeughalter
18
Werkzeugschaft
19
Stirnende
20
Mantelfläche
21
Rotationsachse
22
Bearbeitungsbahn
23
Raumkurve
24
Richtungsachse
25
Eingriffspunkt
26
Werkzeugreferenzpunkt
27
halbkugeliger Endbereich
28
Mantelfläche
29
Schnittkurve
30
Randkurve
31
Verbindungsstrecke
32
Mittelpunktsbahn
33
Bahn
Claims (14)
1. Verfahren zum Steuern der Arbeitsbewegung eines Fräswerkzeugs (1) zur material
abtragenden Bearbeitung eines Materialblocks gemäß einer vorgegebenen Werkstücks
form, deren Oberfläche eine eine gedachte Achse (2) umschließende Mantelfläche (5)
aufweist, bei dem ein zur materialabtragenden Einwirkung auf den Materialblock dienen
der, um eine Rotationsachse (21) rotierender Einwirkungsbereich (19, 20) des Fräswerk
zeugs (1) in bezug auf den Materialblock eine Bearbeitungsbahn durchläuft, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bearbeitungsbahn eine Vielzahl in der Richtung der Achse (2) be
nachbarter ebener Bahnkurven (13) aufweist, deren Bahnebenen (9, 9') längs der Achse
(2) voneinander beabstandet sind, die Achse (2) jeweils in genau einem Punkt schneiden,
mit der die Achse (2) umschließenden Mantelfläche (5) jeweils eine Schnittkurve (6) be
stimmen und von dem Einwirkungsbereich (19, 20) nacheinander durchlaufen werden, und
deren jede eine Vielzahl von Umläufen um die Achse (2) aufweist sowie sich in der Durch
laufrichtung jeweils von der Außenseite des Materialblocks her zunehmend an die Schnitt
kurve (6) annähert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnebenen (9)
senkrecht zur Achse (2) angeordnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß längs jeder
Schnittkurve (6) Normalenvektoren zu der Mantelfläche (5) bestimmt und auf die jeweilige
Bahnebene (9, 9') projiziert werden und daß die projizierten Vektoren als Bezugsvektoren
für die räumliche Einstellung der Rotationsachse (21) des Fräswerkzeugs (2) verwendet
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein be
stimmter Wert für den Abstand zwischen benachbarten Umläufen jeder Bahnkurve (13)
vorgegeben und ein innerer Umlauf (11) bestimmt wird, dessen Abstand zu der jeweiligen
Schnittkurve (6) entgegen der Durchlaufrichtung ausgehend von einem Punkt (10) der je
weiligen Schnittkurve (6) von dem Wert Null bis zu dem vorgegebenen Wert anwächst und
an den sich die nach außen folgenden Umläufe unter dem vorgegebenen gegenseitigen
Abstand anschließen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Durchlaufgeschwindigkeit des Einwirkungsbereichs (19, 20) durch die Bahnkurven (13)
konstant vorgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schnittkurven (14) der Bahnebenen (9, 9') mit der äußeren Oberfläche des unbearbeiteten
Materialblocks bestimmt und in außerhalb dieser Schnittkurven (14) gelegenen Abschnitten
(16) der Bahnkurven (13) die Durchlaufgeschwindigkeit des Einwirkungsbereichs gegen
über der Durchlaufgeschwindigkeit in den innerhalb dieser Schnittkurven (14) gelegenen
Abschnitten (15) der Bahnkurven (13) erhöht wird.
7. Verfahren zum Steuern der Arbeitsbewegung eines Fräswerkzeugs (1) zur material
abtragenden Bearbeitung eines Materialblocks gemäß einer vorgegebenen Werkstücks
form, deren Oberfläche eine eine gedachte Achse (2) umschließende Mantelfläche (5)
aufweist, bei dem ein zur materialabtragenden Einwirkung auf den Materialblock dienen
der, um eine Rotationsachse (21) rotierender Einwirkungsbereich (19, 20) des Fräswerk
zeugs (1) in bezug auf den Materialblock eine Bearbeitungsbahn durchläuft, insbesondere
nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsbahn
eine auf der Mantelfläche (5) verlaufende Bahnkurve (22) mit einer Vielzahl von Umläufen
um die Achse (2) und einer in die Richtung der Achse (2) weisenden Steigung aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittkurven (6) der
Mantelfläche (5) mit einer Vielzahl in der Richtung der Achse (2) benachbarter Schnittebe
nen (9, 9'), welche die Achse (2) jeweils in genau einem Punkt schneiden, bestimmt und
die einzelnen Umläufe jeweils als Interpolationskurve (23) zwischen benachbarten Schnitt
kurven (6) bestimmt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittebenen (9)
senkrecht zur Achse (2) angeordnet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß längs
der Schnittkurven (6) Normalenvektoren zu der Mantelfläche (5) bestimmt und als Bezugs
vektoren für die räumliche Einstellung der Rotationsachse (21) des Fräswerkzeugs (1) ver
wendet werden.
11. Verfahren zum Steuern der Arbeitsbewegung eines Fräswerkzeugs (1) zur mate
rialabtragenden Bearbeitung eines Materialblocks gemäß einer vorgegebenen Werk
stücksform, deren Oberfläche eine eine gedachte Achse (2) umschließende Mantelfläche
(5) aufweist, bei dem ein zur materialabtragenden Einwirkung auf den Materialblock die
nender, um eine Rotationsachse (21) rotierender Einwirkungsbereich (19, 20) des Fräs
werkzeugs (1) in bezug auf den Materialblock eine Bearbeitungsbahn durchläuft, insbesondere
nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die vorgegebene Werkstücksform an
mindestens einem axialen Ende (3, 4) der die gedachte Achse (2) umschließenden Man
telfläche (5) eine von der Mantelfläche (5) aus nach außen gerichtete, von einer äußeren
Randkurve (30) begrenzte Seitenfläche (7, 8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß von
Punkten auf einer der Schnittkurve (29) zwischen der Seitenfläche (7, 8) und der Mantelflä
che (5) entsprechenden inneren Bahnkurve aus und senkrecht dazu sich zu der die Sei
tenfläche (7, 8) nach außen begrenzenden Randkurve (30) erstreckende Verbindungs
strecken (31) bestimmt und als Bezugsvektoren für die räumliche Einstellung der Rotati
onsachse (21) des Fräswerkzeugs (1) verwendet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der materialabtragen
de Einwirkungsbereich des Fräswerkzeugs (1) einen in der Form einer Halbkugel ausgebil
deten Endbereich (27) aufweist und der auf der Rotationsachse (21) liegende Mittelpunkt
der Halbkugel auf einer um die Achse (2) umlaufenden Bahn (32) geführt wird, deren Ab
stand von der Mantelfläche (5) dem Radius der Halbkugel entspricht und die in der Rich
tung der gedachten Achse (2) gegen die jeweilige Verbindungsstrecke (31) um mindestens
den Radius der Halbkugel versetzt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der material
abtragende Einwirkungsbereich des Fräswerkzeugs (1) einen seine Rotationsachse (21)
umgebenden konischen Bereich (28) aufweist, der mit der Seitenfläche (7, 8) längs den
Verbindungsstrecken (31) in Eingriff gebracht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchlauf des Fräswerkzeugs (1) durch die Bearbeitungsbahn durch eine Drehung des
Materialblocks um die gedachte Achse (2) bei in der Drehrichtung im wesentlichen festste
hendem Einwirkungsbereich des Fräswerkzeugs (1) erzeugt wird.
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