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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung, vorzugsweise
zur Feinstschlichtbearbeitung, von Werkstücken, vorzugsweise von Kurbelwellen,
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei
der Bearbeitung von Lagerstellen, insbesondere der Haupt- und Hublager
von Kurbelwellen, ist bekannt, nach einer Grob- bzw. Schlichtbearbeitung
eine Feinst-Schlichtbearbeitung vorzunehmen. Für die Grobbearbeitung können Drehräumen, Fräsen, Drehen
und dergleichen eingesetzt werden. Auch für die Schlichtbearbeitung können diese
Verfahren eingesetzt werden. Verfahrensbedingt treten aufgrund von
Verschleiß und
Abdrängung
Formfehler am Werkstück
auf. Längs
der Schneidkante der Frässchneiden
treten z. B. unterschiedliche Verschleißverhältnisse auf. Sie haben zur
Folge, daß die zu
bearbeitende zylindrische Fläche
am Werkstück unerwünschte Formabweichungen
aufweist.
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Die
längs der
Schneidkante auftretenden unterschiedlichen Zahneingriffsbedingungen
verursachen außerdem
(längs
der Schneidkante) unterschiedliche Abdrängkräfte auf das Werkstück. Auch durch
diesen Einfluß entstehen
an den zu bearbeitenden zylindrischen Flächen am Werkstück unerwünschte Formabweichungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren
so auszubilden, daß in
konstruktiv einfacher Weise bei der Bearbeitung der Werkstücke eine
hohe Formgenauigkeit erzielt wird.
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Diese
Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird die zylindrische Fläche
des Werkstückes
mit wenigstens zwei unterschiedlichen Verschleiß- und/oder Geometrieabschnitten bearbeitet.
Die Verschleißfestigkeit und/oder
die Geometrie dieser Abschnitte ist unter Berücksichtigung wenigstens einer
der Größen Schnittgeschwindigkeit,
Zahl der Schneideneingriffe, Spanvolumen oder auf das Werkstück wirkende
Abdrängkräfte gestaltet.
Auf diese Weise können
Formabweichungen am Werkstück,
die durch den Verschleiß der
Schneidkante und/oder durch die auf das Werkstück während der Bearbeitung wirkenden,
auf die unterschiedlichen Zahneingriffsbedingungen zurückzuführenden
Abdrängkräfte entstehen,
an der Schneidkante berücksichtigt
werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
auch labile Werkstücke,
wie etwa Kurbelwellen, mit hoher Formgenauigkeit hergestellt werden.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen
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1 die
Eingriffsverhältnisse
beim orthogonalen Drehfräsen,
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2 die
Eingriffslänge
der Stirnschneide eines Fräswerkzeuges über den
Drehwinkel des Fräswerkzeuges,
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3 jeweils
in Axial- und in Radialansicht ein Fräswerkzeug mit Werkstück beim
Eintauch- und beim Rundfräsen,
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4 in
einem Diagramm den Verschleiß einer
Nebenschneide eines Fräswerkzeuges über die Schneidkantenlänge,
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5 in
schematischer Darstellung den Verschleißverlauf an einer Schneidplatte
eines Fräswerkzeuges,
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6 die
Formabweichung des Werkstückes
in Abhängigkeit
von der Anzahl der mit einer Schneide des Fräswerkzeuges bearbeiteten Werkstücke,
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7a bis 7c die
Geometrie der Schneide des Fräswerkzeuges
zur Kompensation von Abdrängkräften,
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8 den
Formfehler über
die Werkstück-Lagerbreite
bei Einsatz des erfindungsgemäßen Fräswerkzeuges,
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9 den
Formfehler über
die Werkstück-Lagerbreite
bei Einsatz von herkömmlichen Fräswerkzeugen.
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Bei
der Bearbeitung von Kurbel- und Nockenwellen wird zunächst ein
Schrupp- bzw. Grobbearbeitungsvorgang vorgenommen. Hierfür werden unterschiedlichste
Verfahren eingesetzt, wie Drehräumen,
Fräsen,
Drehen und dergleichen. Im Anschluß an diese Grobbearbeitung
folgt eine Schlichtbearbeitung, die beispielsweise durch Drehräumen, Fräsen oder
Drehen durchgeführt
wird. An die Schlichtbearbeitung kann unmittelbar eine Feinstschlichtbearbeitung
anschließen,
bei der das Werkstück
im orthogonalen Drehfräsen
bearbeitet wird. Es ist auch möglich,
nach der Schlichtbearbeitung das Werkstück, wenn notwendig, zu härten und
erst anschließend
eine Feinstschlichtbearbeitung mit orthogonalem Drehfräsen vorzunehmen.
Im Anschluß an diese
Feinstschlichtbearbeitung wird in der Regel noch ein Finishvorgang
angeschlossen, mit dem die feinstgeschlichtete Oberfläche des
Werkstückes
auf die gewünschte
Endqualität
gebracht wird.
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Durch
den Einsatz des orthogonalen Drehfräsens bei der Feinstschlichtbearbeitung
erfolgt die gesamte Bearbeitung des Werkstückes vorzugsweise trocken bzw.
mit einer Minimalmengenschmierung. Bei den üblichen bekannten Verfahren
wird die Feinstschlichtbearbeitung durch Naßschleifen vorgenommen, was
zu erheblichen Aufbereitungs- und Entsorgungskosten führt. Durch
Einsatz des orthogonalen Drehfräsens
für die
Feinstschlichtbearbeitung ergibt sich im Vergleich zum Naßschleifen
eine wesentliche Vereinfachung des Verfahrensablaufes. Insbesondere
entfallen die beim Naßschleifen
auftretenden, aufwendigen Aufbereitungs- und Entsorgungsmaßnahmen,
die mit erheblichen Kosten verbunden sind.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Fräswerkzeug 1, mit dem
der orthogonale Drehfräsvorgang
vorgenommen wird. Das Fräswerkzeug
hat einen zylindrischen Werkzeugkörper 2, der zwei Frässchneiden 3, 4 trägt. Sie
stehen radial und axial über
den Werkzeugkörper 2 vor.
Die beiden Frässchneiden 3, 4 haben,
wie die Unteransicht zeigt, radialen Abstand voneinander.
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In 1 ist
die Frässchneide 3 vergrößert dargestellt.
Bei der Bearbeitung des Werkstückes dreht
das Fräswerkzeug 1 um
seine Achse 5. Im zugehörigen
Diagramm ist dargestellt, wie die Dicke des von der Frässchneide 3 abgenommenen
Spanes vom Drehwinkel des Fräswerkzeuges 1 abhängt. Erkennbar
ist, daß je
nach Lage des jeweiligen Eingriffspunktes der Schneidkante 7 am
Werkstück
in unterschiedlicher Weise Span abgenommen wird. Ein innerer Bereich
der Schneidkante 7 erzeugt Kurven 8, die während der
Werkzeugdrehung um 180° teilweise
im Eingriff sind, wobei dieser Eingriff ohne Unterbrechung erfolgt.
In einem äußeren Bereich
der Schneidkante 7 tritt während dieses Eingriffs eine Unterbrechung
auf (Kurven 10).
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In 2 ist
der Drehwinkel des Fräswerkzeuges 1 gegen
die Eingriffslänge
der Schneidkante 7 der Frässchneiden 3, 4 aufgetragen.
Erkennbar ist, daß nach
einem kurzen Drehwinkel, beispielsweise bei 20°, die Eingriffslänge innerhalb
eines sehr kleinen Drehwinkelbereiches auf ein Maximum 11 ansteigt,
das beispielhaft zwischen 30° und
40° liegt.
Mit zunehmendem Drehwinkel nimmt die Eingriffslänge der Schneidkante 7 ab
und erreicht bei etwa 90° bis 100° ihr Minimum.
Mit weiterem Drehwinkel nimmt die Eingriffslänge wieder zu, die beispielhaft
bei etwa 140° ein
weiteres Maximum 12 erreicht. Von da aus nimmt die Eingriffslänge mit
zunehmendem Drehwinkel rasch ab, bis die Eingriffslänge der
Schneidkante 7 bei etwa 160° auf Null gesunken ist. Das
erste Maximum 11 der Eingriffslänge ist im Beispiel höher als das
zweite Maximum 12. Weiter ergibt sich aus 2,
daß die
Eingriffslänge-Drehwinkel-Kurve
nicht symmetrisch, sondern asymmetrisch verläuft. 2 zeigt,
daß an
der Schneidkante 7 während
des Schneideingriffes unterschiedliche Eingriffsverhältnisse
vorliegen, die zu Formabweichungen an der Werkstückoberfläche führen. Insbesondere ergibt sich
durch diese unterschiedlichen Eingriffsverhältnisse beispielsweise eine
Konizität
der zylindrischen Mantelfläche 6 des
Werkstückes.
Die Formabweichungen in der Werkstückoberfläche hängen von der Steifigkeit des
Werkstückes,
vom Verschleißzustand der
Frässchneiden 3, 4 sowie
von den auftretenden Zerspankräften
mit den daraus resultierenden Abdrängkräften ab. Kurbel- und Nockenwellen
sind labile Werkstücke,
so daß sich
hier die unterschiedlichen Eingriffsverhältnisse der Schneidkanten 7 besonders auswirken,
sofern keine Gegenmaßnahmen
getroffen werden. Aufgrund der beschriebenen Eingriffsverhältnisse
am Werkstück
wird somit die gewünschte
zylindrische Form der bearbeiteten Werk stückfläche 6 nicht erreicht.
Es treten Formabweichungen, beispielsweise die erwähnte Konizität, auf.
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Durch
Einsatz des orthogonalen Drehfräsens
als Feinstschlichtoperation können
die beschriebenen Nachteile optimal vermieden werden.
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Typische
Toleranzen bei der Feinstschlichtbearbeitung für Lagerstellen von Kurbelwellen
sind:
Durchmesser ±25 μm
Rundheit < 25 μm
Zylinderform < 25 μm
Ra < 2 μm
Rz < 8 μm
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Die
Schneide unterliegt bei der Werkstückbearbeitung einem Verschleiß. Wesentliche
Ursachen für
den Schneidenverschleiß sind
die Schnittgeschwindigkeit, die Anzahl der Schneideneingriffe sowie
das Spanvolumen. Eine Annahme der theoretischen Verschleißanalyse
für diese
drei wesentlichen Einflußgrößen ergibt
folgendes Verhältnis:
Schnittgeschwindigkeit
: Anzahl Schneideneingriffe : Spanvolumen = 1 : 1 : 4
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Diese
Verhältnisse
sind in 4 dargestellt. Hier ist der
Verschleiß der
Nebenschneide 7 gegen deren Länge aufgetragen. Die gestrichelte
Linie 13 kennzeichnet den Einfluß der Zahl der Schneideneingriffe.
Im Ausführungsbeispiel
bleibt der Verschleiß der
Schneidkante durch diese Einflußgröße über eine
bestimmte Schneidkantenlänge
konstant und steigt dann stark an. Die Kurve 14 kennzeichnet
den Einfluß des
Spanvolumens auf das Verschleißverhalten.
Diese Einflußgröße erreicht
etwa in halber Länge der
Schneidkante ein Maxi mum. Vor und nach diesem Maximum nimmt der
Einfluß über die
Schneidkantenlänge
ab. Dieses Maximum liegt etwa in gleicher Höhe der Schneidkante wie der
Beginn des starken Anstieges der Zahl der Schneideneingriffe (Kurve 13).
Die Kurve 15 schließlich
kennzeichnet die Schnittgeschwindigkeit vc,
die über
die Schneidkantenlänge
stetig zunimmt.
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Aufgrund
dieser drei Einflußgrößen, die durch
die Kurven 13 bis 15 gekennzeichnet sind, ergibt
sich der mit einer ausgezogenen Linie 16 gekennzeichnete
Verschleißverlauf über die
Länge der Schneidkante.
Erkennbar ist, daß der
Gesamtverschleiß bis
etwa in die halbe Schneidkantenlänge stark
zunimmt, dort ein Maximum erreicht und anschließend wieder abnimmt. Die Abnahme
des Schneidverschleißes
ist aber geringer als im Bereich vor dem Maximum.
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In 5 ist
der Verschleißverlauf 16 an
der Schneidkante 7 der Frässchneide 3 dargestellt.
Es ist erkennbar, daß der
Verschleiß der
Schneidkante 7 im radial äußeren Bereich des Fräswerkzeuges 1 größer ist
als im radial inneren Bereich.
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Die
Frässchneide 3, 4,
die vorteilhaft als Wendeschneidplatte ausgebildet ist, ist unter
Berücksichtigung
des Verschleißverhaltens
so ausgebildet, daß mit
der Frässchneide 3, 4 etwa
gleiche Ergebnisse erzielt werden können wie mit einem Schleifprozeß. Die Frässchneiden 3, 4 werden
so ausgebildet, daß dem
Verschleißverlauf 16 an
der Schneidkante Rechnung getragen wird. Entsprechend dem unterschiedlichen
Verschleißverlauf 16 wird
die Frässchneide 3, 4 im
Bereich der Schneidkante 7 entweder unterschiedlich gestaltet,
oder es werden je nach Verschleißverhalten in den entsprechenden
Bereichen des Fräswerkzeuges 1 unterschiedliche Schneidplatten 3, 4 aus
unterschiedlichen Materialien eingesetzt.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
wird zumindest im Bereich der Schneidkante 7 der Frässchneide 3, 4 in
dem Bereich, in dem der größte Verschleiß auftritt,
ein entsprechend verschleißfestes Material
verwendet. Wie 5 beispielhaft zeigt, kann die
Schneidkante 7 beispielsweise in zwei Schneidkantenbereiche 17 und 18 aufgeteilt
werden. Im Schneidkantenbereich 17 tritt ein wesentlich
höherer
Verschleiß auf
als im Schneidkantenbereich 18. Dementsprechend wird zumindest
im Bereich der Schneidkante 7 im Schneidkantenbereich 17 ein
verschleißfesteres
Material verwendet als im Schneidkantenbereich 18.
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Die
Unterteilung des Verschleißverhaltens der
Schneidkante 7 kann auch feiner unterteilt werden, so daß mehr als
zwei Schneidkantenbereiche anzusetzen sind. Dementsprechend ist
die Frässchneide 3, 4 in
den unterschiedlichen Schneidkantenbereichen aus unterschiedlich
verschleißfestem
Material hergestellt.
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Für den Schneidkantenbereich 17 bieten sich
als verschleißfeste
Materialien beispielsweise hochtemperaturresistente Beschichtungen
und für den
Schneidkantenbereich 18 konventionelles Hartmetall an.
Aufgrund der unterschiedlichen Materialauswahl für den Bereich der Schneidkante 7 wird
der Verschleißverlauf 16 optimal
berücksichtigt,
so daß beim
orthogonalen Drehfräsen
das Werkstück
die gewünschte
zylindrische Form aufweist.
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Eine
andere Möglichkeit,
den Verschleißverlauf 16 an
der Schneidkante 7 zu berücksichtigen, besteht darin,
den unterschiedlichen Schneidkantenbereichen 17, 18 jeweils
eine eigene Schneide 3, 4 zuzuordnen. Wie 1 beispielhaft
zeigt, können
für die
unterschiedlichen Verschleißbereiche 17, 18 die beiden
Frässchneiden 3 und 4 verwendet
werden. So wird beispielsweise die Frässchneide 3 für den Schneidkantenbereich 17 und
die Frässchneide 4 für den Schneidkantenbereich 18 angesetzt.
Die beiden Frässchneiden 3, 4 sind
zu mindest im Schneidkantenbereich so gestaltet, daß dem unterschiedlichen Verschleißverhalten
Rechnung getragen wird. Die dem Schneidkantenbereich 17 zugeordnete Frässchneide 3 besteht
dementsprechend zumindest im Schneidkantenbereich aus einem wesentlich
verschleißfesteren
Material als die Frässchneide 4,
die dem Schneidkantenbereich 18 zugeordnet ist. Die beiden
Frässchneiden 3, 4 sind
so am Werkzeugkörper 2 befestigt,
daß mit
der Frässchneide 3 der äußere und
mit der Frässchneide 4 der
innere Bereich am Werkstück
bearbeitet wird.
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Die
Schnittgeschwindigkeit vc ist innen und außen sehr
unterschiedlich. Für
die unterschiedlichen Bereiche am Werkstück können, sofern nur die Schnittgeschwindigkeit
vc berücksichtigt
wird, die für die
jeweilige Schnittgeschwindigkeit optimalen Materialien für die Frässchneiden 3, 4 gewählt werden. Sind
die Schnittgeschwindigkeiten gering, können für die Frässchneiden 3, 4 herkömmliche
hartmetallbeschichtete Schneidplatten eingesetzt werden. Für hohe Schnittgeschwindigkeiten
eignen sich als Materialien beispielsweise CBN oder Cermets und
dergleichen.
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3 zeigt
zwei unterschiedliche Möglichkeiten
des orthogonalen Drehfräsens.
Mit dem Fräswerkzeug 1 kann
ein Eintauchfräsen
vorgenommen werden. Das Fräswerkzeug 1 dreht
um seine Achse 19 mit der Drehzahl nT.
Das zu bearbeitende Werkstück 20 rotiert
um seine Achse 21 mit der Drehzahl nW.
Die beiden Drehachsen 19, 21 liegen senkrecht zueinander.
Das Fräswerkzeug 1 wird
im Beispiel tangential mit der Vorschubgeschwindigkeit vf gegen das drehende Werkstück 20 bewegt.
Der Vorschub des Fräswerkzeuges 1 erfolgt
so fange, bis die Achse 19 den Abstand e von der Achse 21 des
Werkstückes 20 hat.
In dieser Stellung ist der Solldurchmesser des Werkstückes 20 erreicht.
Anschließend
wird mit einer Werkstückumdrehung
die Rundfräsbearbeitung durchgeführt. Alternativ
kann bereits während
des tangentialen Eintauchens der Rundvorschub (Achse 21) eingeschaltet
werden. Der Solldurchmesser wird auf der gesamten Lagerbreite nach
mehreren Umdrehungen erreicht.
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Das
Werkstück 20 ist
beispielhaft eine Kurbelwelle. Mit dem Fräswerkzeug 1 wird im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ein zylindrischer Zapfen 22 der Kurbelwelle 20 bearbeitet.
Der zylindrische Zapfen 22 kann das Hub- oder das Hauptlager
der Kurbelwelle 20 sein.
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Im
folgenden wird ein Beispiel für
den orthogonalen Drehfräsvorgang
beschrieben. Das zu bearbeitende Werkstück hat einen Durchmesser von
ca. 50 mm. Am Umfang des Werkstückes 20 ist
ein Aufmaß von
0,1 bis 0,5 mm abzunehmen, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 mm. Der
Zapfen 22 hat die axiale Breite b (3), die
ungefähr 22 mm
beträgt.
Die Schnittbreite (Sekante) der Frässchneide 3, 4 beträgt 3 mm.
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Das
Fräswerkzeug 1 hat
einen Werkzeugdurchmesser DWZ von 23 mm.
Die Länge
der Schneidkante 7 beträgt
9,5 mm (4), von der die genutzte Schneidkantenlänge ca.
8 mm beträgt.
Das Werkzeug 1 hat zwei Frässchneiden 3, 4.
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Die
Annäherung
des Werkzeuges 1 an die zu fertigende Endkontur kann tangential
erfolgen. Während
dieser Eintauchbewegung kann das Werkstück 20 einen Winkelbereich α von 10° bis mindestens 1000° durchfahren
haben. Hiermit kann die Eingriffslänge je nach Anforderung, zum
Beispiel Stabilität des
Werkstückes,
angepaßt
werden. Bei Erreichen der Exzentrizität e wird mindestens eine weitere Werkstückumdrehung
benötigt,
um die gewünschte Lagerbreite
zu fertigen.
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Die
beschriebene Ausbildung des Schneidkantenbereiches der einzigen
Frässchneide 3, 4 oder die
Aufteilung auf unterschiedliche Frässchneiden führt dazu,
daß trotz
des beschriebenen unterschiedlichen Verschleißverhaltens der Zapfen 22 optimal zylindrisch
mit hoher Qualität
bearbeitet wird.
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Die
Schnittgeschwindigkeit an der Frässchneidplatte 3, 4 ändert sich
von etwa 180 m/min im Bereich des minimalen Schneidkreises auf etwa
1000 m/min am Außendurchmesser
des Fräswerkzeuges 1.
Im äußeren Durchmesserbereich
des Fräswerkzeuges 1 treten,
wie anhand von 1 erläutert worden ist, zwei Schnittunterbrechungen
auf, während
im inneren Durchmesserbereich nur eine Schnittunterbrechung je Werkzeugumdrehung
bei einer Schneide (pro Schneide) auftritt. Im mittleren Schneidenbereich
ist das abzutragende Spanungsvolumen am größten. Aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeiten
im Bereich des Werkzeugaußendurchmessers
werden für
den entsprechenden Schneidkantenbereich der Frässchneiden 3, 4 entsprechend
verschleißfeste
Materialien eingesetzt. So kann in diesem Bereich die Schneidplatte
beispielsweise mit einer extrem temperaturbeständigen Beschichtung versehen
sein. Der mittlere Durchmesserbereich der Schneidkante 7 muß ein verhältnismäßig hohes
Zerspanungsvolumen aufnehmen können
und besteht aus einem entsprechenden Material. Der innere Durchmesserbereich
der Schneidkante 7 ist auf sehr kleine Spanungsdicken auszulegen.
Die auftretenden unterschiedlichen Zahneingriffsbedingungen wirken
sich nicht nur auf das Verschleißverhalten und somit auf die
Wirtschaftlichkeit des orthogonalen Drehfräsens aus, sondern es entstehen
auch unterschiedliche Abdrängkräfte auf
das Werkstück 20 während der
Bearbeitung. Wenn das Werkstück 20 ein
labiles Werkstück
ist, wie beispielsweise Kurbel- oder Nockenwellen, kommt es auch
beim Schlichtvorgang zu Abdrängungen,
die eine Profilverzerrung am Werkstückdurchmesser bewirken; oftmals
entsteht eine Konizität.
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Durch
die Berücksichtigung
der drei Parameter Schnittgeschwindigkeit, Zahl der Schneideneingriffe
und Spanvolumen (4) bei der Gestaltung der Frässchneiden 3, 4 bzw.
ihres Schneidkantenberei ches können
diese Einflußgrößen so berücksichtigt
werden, daß das
Arbeitsergebnis am Werkstück 20 optimal
ist. Es werden sämtliche
genannten Einflußgrößen berücksichtigt
und nicht mehr nur ein Durchschnittswert.
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Im
folgenden wird ein Beispiel für
das Rundfräsen
angegeben. Die Exzentrizität
e zwischen den Drehachsen
19 und
21 des Fräswerkzeuges
1 und des
Werkstückzapfens
22 beträgt 4 mm.
Eine vorteilhafte Exzentrizität
e berechnet sich nach der Beziehung
.Hierbei sind D
WZ der
Durchmesser des Fräswerkzeuges
1 und
b die axiale Breite des Zapfens
22. Der Vorschub pro Frässchneide
3,
4 beträgt 0,1 mm.
Die Drehzahl n
W des Werkstückes liegt
zwischen 10 und 30 1/min und die Schnittgeschwindigkeit
180 m/min am
Innendurchmesser bis 600 m/min am Außendurchmesser.
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Die
beschriebenen Werte für
das Eintauch- sowie das Rundfräsen
beim orthogonalen Drehfräsen
sind nur beispielhafte Angaben und sind nicht beschränkend anzusehen.
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Durch
die unterschiedlichen Eingriffsverhältnisse am Werkstück 20 treten
unterschiedliche, auf das Werkstück
wirkende Abdrängkräfte auf,
die ebenfalls zu unerwünschten
Formabweichungen am Werkstück 20 führen können. Diese
Abdrängkräfte können ebenfalls
linearisiert bzw. kompensiert werden. Eine Möglichkeit der Kompensierung
wird anhand von 5 näher erläutert. Durch den doppelten Schneideneingriff
im äußeren Durchmesserbereich des
Fräswerkzeuges 1 bei
gleichzeitig sehr geringer Spandicke wird der Schneidkantenbereich 17 sehr scharfkantig
ausgebildet. Der Schneidkantenbereich 18 wird mit einer
Schneidkantenfase versehen, da dieser Bereich ein großes Spanungsvolumen
abzutragen hat. Aufgrund einer solchen Ausbildung hat das Fräswerkzeug 1 den
Vorteil, daß im
Außendurchmesserbereich
des Fräswerkzeuges 1 infolge
der schart kantigen Schneidkantenausführung geringe Zerspanungskräfte entstehen,
wodurch der in diesem Bereich wirkenden größeren Eingriffslänge entgegengewirkt
wird. Über
die Lagerbreite des Werkstückes 20 bedeutet
dies eine gleichmäßigere Kraftverteilung
und dementsprechend eine höhere
Werkstückgenauigkeit.
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Es
ist möglich,
die Schneidkantenbereiche 17, 18 auf zwei Schneidplatten
zu verteilen. So kann beispielsweise die Schneidplatte, die im äußeren Durchmesserbereich
des Fräswerkzeuges 1 arbeitet und
folglich sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten erfährt, aus CBN hergestellt sein,
während
die Schneidplatte für
den inneren Durchmesserbereich als herkömmliche beschichtete Hartmetallschneidplatte
ausgebildet sein kann.
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6 zeigt
die Formabweichung ΔF
des Werkstückes 20 in
Abhängigkeit
von der Anzahl der mit der Schneidkante 7 bearbeiteten
Werkstücke.
Die Kurve 40 stellt die aus den auf das Werkstück 20 wirkenden
Abdrängkräften resultierenden
Formabweichungen ΔF
dar. Sie sind über
die Standzeit der entsprechenden Frässchneide 3, 4 konstant,
weil sich die Eingriffsverhältnisse
nicht ändern.
Die Kurve 41 zeigt die durch den Verschleiß der Schneidkante 7 verursachten
Formabweichungen ΔF.
Sie nehmen mit zunehmender Standzeit der Schneidkante 7 zu, weil
auch der Verschleiß mit
zunehmender Standzeit zunimmt.
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Um
die entlang der Schneidkante 7 auftretenden unterschiedlichen
Abdrängkräfte zu linearisieren
bzw. zu kompensieren, wird die Schneidkante 7 entsprechend
gestaltet. 7a zeigt die prozentuale Veränderung
der Abdrängkräfte entlang
der Schneidkante 7. Die Schneidkante 7 hat von
der Achse 5 des Fräswerkzeuges 1 einen
Abstand, der beispielhaft 4 mm beträgt. Die Abdrängkräfte am radial inneren
Ende der Schneidkante 7 liegen beispielhaft bei etwa 50
% und nehmen zu, bis sie im Beispiel bei etwa 6,5 mm einen Maximal wert 42 erreichen.
Die Abdrängkräfte nehmen
dann bis zum radial außen liegenden
Ende der Schneidkante 7 bis auf 0 % ab. Um den über die
Schneidkantenlänge
unterschiedlichen Verlauf der Abdrängkräfte während der Bearbeitung des Werkstückes 20 zu
kompensieren, wird die Geometrie der Schneidkante 7 bei
einer ersten Ausführungsform
mit einer Fase entsprechend dem Verlauf der Abdrängkräfte versehen. 7b zeigt eine
beispielhafte Lösung.
Hier ist die Breite der Schneidkantenfase gegen die Länge der
Schneidkante aufgetragen. Die Breite der Schneidkantenfase wird
um so kleiner gewählt,
je größer die
auftretenden Abdrängkräfte sind.
Die Schneidkantenfase hat dementsprechend im Bereich des Maximums 42 der Abdrängkräfte die
kleinste Breite gemäß 7a,
beispielhaft den Wert 0. Durch eine kleinere Fase werden die Schnittkräfte am jeweiligen
Schneidkantenabschnitt geringer. Auf diese Weise werden die Abdrängkräfte entlang
der Schneidkante 7 linearisiert. Die Breite der Schneidkantenfase
ist dementsprechend dort am größten, wo
die Abdrängkraft
den Wert 0 erreicht, d.h. am radial äußeren Ende.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Abdrängkräfte zu kompensieren,
zeigt 7c. In diesem Falle wird die
Spangeometrie längs
der Schneidkante 7 so ausgebildet, daß die unterschiedlich großen Abdrängkräfte durch
die Variation des Spanwinkels entlang der Schneidkante 7 linearisiert
werden. Entsprechend dem Verlauf der Abdrängkräfte über die Länge der Schneidkante 7 wird
der Spanwinkel erhöht. Dementsprechend
ist der Spanwinkel in demjenigen Bereich der Schneidkante am größten, in
dem das Maximum 42 der Abdrängkräfte auftritt. Entsprechend
der Abnahme der Abdrängkräfte in Richtung auf
das radial äußere Ende
der Schneidkante 7 nimmt auch der Spanwinkel entsprechend
ab.
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Bei
der herkömmlichen
Drehfräsbearbeitung des
Werkstückes
zeigt der Formfehler ΔF über die Lagerbreite
des Werkstückes 20 oftmals
eine asymmetrische Ausbildung (9). Das
Werkstück 20 weist dementsprechend
statt der beabsichtigten Zylinderform eine konische Form auf. Diese
Konizität des
bearbeiteten Werkstückbereiches
kann durch ein an das Drehfräsen
anschließendes
Bandfinishen nicht beseitigt werden. In 9 ist durch
eine Linie 43 ein Andrückschuh
der Bandfinishvorrichtung schematisch dargestellt. Infolge der asymmetrischen Formgestaltung
nimmt der Andrückschuh 43 eine Schräglage in
bezug auf die Werkstückachse 21 ein. Somit
wird durch den Bandfinishvorgang die Konizität der Werkstückoberfläche nicht
beseitigt.
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Damit
der Formfehler ΔF über die
Lagerbreite spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, bezogen auf die
Mitte der Lagerbreite, wird das Fräswerkzeug 1 mit mindestens
zwei Schneidkanten versehen, die geneigt in das Fräswerkzeug 1 eingebaut
werden. Das Fräswerkzeug
ist somit mehrschneidig ausgebildet, wobei die Zahl der Schneidkanten
mindestens 2 beträgt.
Durch eine geringfügige
Schräglage
der Schneiden kann eine für
das nachfolgende Finishen, vorzugsweise Bandfinishen, vorteilhafte
Geometrie an der Werkstückoberseite
erzeugt werden. In Verbindung mit den beschriebenen verfahrensbedingten Formabweichungen
können
vorteilhafte Werkstückgeometrien
durch die Schrägstellung
der Schneidkanten erreicht werden. Aufgrund dieser Schrägstellung
kann der in 8 dargestellte symmetrische Verlauf
des Formfehlers ΔF über die
Lagerbreite des Werkstückes 20 einfach
erreicht werden. Aufgrund der symmetrischen Oberflächenkontur
werden vorteilhafte Voraussetzungen für das Formmaß-Finishen
geschaffen, das meist im Anschluß an das Drehfräsen durchgeführt wird.
Beim Formmaß-Finishen
wird ein Schleifband über
den Andrückschuh 43 gegen
die rotierende Werkstückfläche gedrückt. Aufgrund
der durch die Schrägstellung
der Schneidkanten erzielten symmetrischen Ausbildung des Formfehlers ΔF über die
Werkstück-Lagerbreite
ergibt sich beim Formmaß-Finishen
eine saubere zylindrische Form des Werkstückes 20 im bearbeiteten
Bereich. Die Größe der Neigung
der Schneidkanten hängt
von der Steifigkeit des Werkstückes 20,
von den Schneidstoffen, vom Material des Werkstückes 20 sowie vom vorhandenen
Aufmaß am
Werkstück 20 ab.
Außerdem
kann die Neigung jeder einzelnen Schneide verschieden sein von der
Neigung der anderen Schneiden. Die Neigung kann nur wenige Hundertstel
mm verschieden sein von Neigungen der Schneidkanten von Werkzeugen,
die asymmetrische, insbesondere konische Flächen erzeugen. Die symmetrische
Verteilung der Formfehler ΔF über die
Werkstück-Lagerbreite
kann durch sehr geringe Änderungen
der Neigungswinkel der Schneidkanten erzeugt werden.
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Neben
der Schrägstellung
der Schneidkanten können
auch zusätzlich
die beschriebenen Mechanismen bezüglich Verschleißverhalten
und Abdrängverhalten
bewußt
verwendet werden, um nicht als primäres Ziel einen möglichst
kleinen Formfehler zu erreichen, sondern eine für das nachfolgende Band-Finishen
besonders geeignete Formabweichung zu erzeugen.
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Das
orthogonale Drehfräsen
sowie die Fräswerkzeuge 1 können vorteilhaft
bei der Hartbearbeitung der Werkstücke 20 eingesetzt
werden, bei der oberflächengehärtete Werkstücke bearbeitet
werden. Hierbei wird die Bearbeitung so durchgeführt, daß die beim Spanvorgang entstehende
Spanungswärme
nicht in das Werkstück 20 geht,
sondern nach Möglichkeit
im Span verbleibt. Durch die hohe Erwärmung des Spanes werden bei
der Hartbearbeitung die Zerspankräfte verringert. Bei den bekannten
Verfahren lassen sich diese Bedingungen nicht erreichen, da sich über die
Schneidkantenlänge
unterschiedliche Eingriffsverhältnisse
ergeben. Mit der beschriebenen Anpassung der Frässchneiden 3, 4 an die
unterschiedliche Eingriffsverhältnisse
wird optimal erreicht, daß die
beim Spanvorgang entstehende Spanungswärme im Span verbleibt und dadurch
die Zerspankräfte
klein gehalten werden.
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Das
beschriebene orthogonale Drehfräsen ist
selbstverständlich
auch für
die Weichbearbeitung der Werkstücke
geeignet, die nicht oberflächengehärtet sind.
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Bei
den beschriebenen Ausführungsformen ist
die Schneidkante 7 gerade ausgebildet. Sie kann von einem
geraden Verlauf abweichen, beispielsweise auch stetig gekrümmt sein.