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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines
Werkstücks,
insbesondere eines metallischen Werkstücks, in einer Wirkrichtung,
mit einer Schneide und/oder einer Aufnahme für ein eine Schneide aufweisendes
Schneidelement. Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Bearbeitungsverfahren.
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Vorrichtungen
zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken sind in einer großen Vielzahl
bekannt. Bekannt sind beispielsweise Schneidwerkzeuge zum Fertigen
durch spanendes Trennen mit geometrisch bestimmter Schneide, wie
beispielsweise Fräser,
Drehmeißel,
Räum- und
Stoßwerkzeuge. Derartige
Vorrichtungen dienen dazu, im Rahmen eines Fertigungsverfahrens
Späne von
einem Werkstück
abzutragen und ihm so eine geometrisch bestimmte Gestalt zu verleihen.
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Bei
der Bearbeitung von Werkstücken
mit Hilfe derartiger Schneidwerkzeuge wird das Werkstück in seiner
Randzone beeinflusst. Die Randzone erstreckt sich von einer Oberfläche des
Werkstücks in
dessen Inneres und endet dort, wo sich kein Ein fluss der Bearbeitung
mehr nachweisen lässt.
Die Randzone endet insbesondere 300 μm unter der Oberfläche. Diese
Beeinflussung der Randzone hängt
von den Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise der Schnittgeschwindigkeit,
dem Vorschub, der Schnitttiefe und Ähnlichem ab. Die Veränderungen
in der Randzone beeinflussen die Eigenschaften des gefertigten Bauteils.
So ist bekannt, dass ausgeprägte
Druckeigenspannungen in der Randzone die Zug-Druck-Wechselfestigkeit
des Werkstücks
deutlich erhöhen
kann.
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Um
vorteilhafte Eigenschaften der Randzone des Werkstücks zu erhalten,
müssen
daher nachteiligerweise in der Regel Bearbeitungsparameter gewählt werden,
die wirtschaftlich nicht optimal sind. Sind umgekehrt die Bearbeitungsparameter
vorgegeben, so kommt es nachteiligerweise in der Regel zu unerwünschten
Einflüssen
auf die Werkstückrandzone,
die gegebenenfalls eine Nachbearbeitung notwendig machen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik
zu verringern.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung, die ein bezüglich der Wirkrichtung
hinter der Schneide angeordnetes Wirkelement zum Einwirken auf eine
Oberfläche
des Werkstücks
aufweist. Gemäß einem
zweiten Aspekt löst
die Erfindung das Problem durch ein Bearbeitungsverfahren mit den
Merkmalen von Anspruch 13.
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Vorteilhaft
an der Erfindung ist, dass ein Einwirken auf die Oberfläche des
Werkstücks
unmittelbar nach dem Erzeugen der neuen Oberfläche des Werkstücks durch
die Schneide möglich
ist. Sofern also für
die Bearbeitung mit der Schneide Bearbeitungsparameter gewählt sind,
die die Randzone des Werkstücks
auf eine unerwünschte
Weise beeinflussen, so können
diese nicht erwünschten
Veränderungen
in der Randzone durch ein Einwirken mit dem Wirkelement vermindert,
kompensiert oder sogar überkompensiert
werden.
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Vorteilhaft
ist zudem, dass die Randzone des Werkstücks unmittelbar nach der Bearbeitung
in einem plastifizierten Zustand ist. Der plastifizierte Zustand
rührt von
hohen Temperaturen her, die an der Schneide bei der spanenden Bearbeitung
entstehen. Das in der Wirkrichtung hinter der Schneide angeordnete
Wirkelement kann daher auf die Randzone des Werkstücks in einem
Zustand einwirken, der nur sehr kurzzeitig vorliegt. Das eröffnet vorteilhafterweise
die Möglichkeit,
die Eigenschaften der Randzone besonders nachhaltig positiv zu beeinflussen,
indem die thermischen und mechanischen Wechselwirkungen des Abspanens
und des Einwirkens ausgenutzt werden. So können Werkstücke mit verbesserter Widerstandsfähigkeit
gegenüber
dynamischen Belastungen gefertigt werden. Ein weiterer Vorteil ist,
dass durch die Erfindung glattere Oberflächen des Werkstücks erreichbar
sind.
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Vorteilhaft
ist zudem, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Bearbeiten
des Werkstücks und
ein gezieltes Verändern
der Eigenschaften der Randzone in einem einzigen Arbeitsgang durch
Einbringen von Normal-, Schub- und/oder Reibkräften ermöglicht. Das führt zu einer
einfacheren Fertigung und vermeidet einen ansonsten notwendigen
Werkzeugwechsel und die damit verbundenen Rüstzeiten und -kosten.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Schneide insbesondere
eine Schneide mit geometrisch bestimmter Gestalt nach DIN 8589 Teil
0 verstanden. Unter einer Aufnahme für ein eine Schneide aufweisendes
Schneidelement werden insbesondere alle Vorrichtungen verstanden,
die dazu dienen, eine Schneidplatte, eine Wendeschneidplatte oder
sonstige als Verschleißteile
ausgebildete Bauteile aufzunehmen, an denen eine Schneide ausgebildet
ist.
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Unter
der Wirkrichtung wird insbesondere die nach DIN 8589 definierte
Wirkrichtung verstanden. Unter der Angabe, dass das Wirkelement
bezüglich
Wirkrichtung hinter der Schneide angeordnet ist, ist zu verstehen,
dass eine Stelle des Werkstücks stets
zuerst durch die Schneide und dann durch das Wirkelement beeinflusst
wird.
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Unter
einem Wirkelement ist eine Vorrichtung zu verstehen, mit deren Hilfe
Eigenschaften des Werkstücks,
insbesondere der Randzone des Werkstücks, durch ein Einwirken auf
die Oberfläche
des Werkstücks
verändert
werden können.
Derartige Eigenschaften sind insbesondere die Textur, die Vickershärte (nach
DIN EN ISO 6507), die Risszähigkeit,
die Festigkeit, die Duktilität,
die Dichte, der Eigenstandszustand, die Versetzungsdichte, die mittlere
Korngröße sowie
die geometrische Gestalt der Oberfläche. Die geometrische Gestalt
der Oberfläche wird
beispielsweise durch Größen wie
die Rautiefe oder den Mittenrauwert charakterisiert.
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Unter
dem Wirkelement sind insbesondere Walzkörper, Düsen für Flüssigkeiten oder Gase sowie
Austrittsöffnungen
für Laserstrahlen,
andere Materiestrahlen oder elektromagnetische Strahlen zu verstehen.
Das Wirkelement ist dabei bevorzugt zum plastischen Verformen und/oder
ein Verfestigen der Randzone des Werkstücks durch ein Einwirken auf die
Oberfläche
des Werkstücks
ausgebildet. Das Wirkelement ist dabei vorzugsweise hinter der Schneide
angeordnet und zum unmittelbaren Einwirken auf eine von der Schneide
erzeugte Werkstückoberfläche ausgebildet.
Bevorzugt beträgt
der Abstand in Wirkrichtung zwischen der Schneide und dem Wirkelement
weniger als 10 cm, insbesondere weniger als 3 cm. Vorteilhaft ist
es zudem, wenn sich zwischen der Schneide und dem Wirkelement eine Freifläche befindet
oder wenn das Wirkelement an der Freifläche angeordnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Wirkelement so angeordnet, dass eine bei der spanenden Bearbeitung
von der Schneide überstrichene
Oberfläche
des Werkstücks
nachfolgend zumindest einmal vollständig von dem Wirkelement überstrichen
wird. Die Zahl der Überstreichungen, mit
der das Wirkelement eine von der Schneide überstrichene Fläche nachfolgend überstreicht,
definiert den Überdeckungsgrad.
Der Überdeckungsgrad
ist bevorzugt größer als
1. Vorteilhaft daran ist, dass die Randzone des Werkstücks besonders
nachhaltig beeinflusst werden kann. Bevorzugt ist der Überdeckungsgrad
zudem kleiner als 6, was zu einer schnelleren Bearbeitung führt.
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Bei
einer bevorzugten Vorrichtung hat das Wirkelement einen Vorsprung
zum Aufbringen einer eine Normalkraftkomponente aufweisenden Kraft
auf die Oberflächen
des Werkstücks.
Insbesondere ist das Wirkelement durch den Vorsprung gebildet. Durch
einen derartigen Vorsprung kann bei der spanenden Bearbeitung eine
in Normalenrichtung auf die Oberfläche des Werkstücks wirkende
Kraft aufgebracht wer den, was zu einer Veränderung des Eigenspannungszustands
in der Randzone führt.
Es ist dabei vorteilhafterweise möglich, Eigenspannungen in der
Randzone unterhalb der Oberfläche
des Werkstücks
zu verringern bzw. Druckeigenspannungen in der Randzone zu erzeugen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Wirkelement einen, zwei, drei oder mehr rotationssymmetrische
Walzkörper.
Der bzw. die Walzkörper
sind besonders bevorzugt in Wirkrichtung drehbar gelagert. Hierdurch
ist es möglich,
eine voreingestellte Kraft auf die Oberfläche des Werkstücks auszuüben, die
im Wesentlichen vollständig
in Normalenrichtung auf die Oberfläche wirkt. Mit Hilfe einer derartigen
Vorrichtung lassen sich die Eigenspannungen der Randzone des Werkstücks besonders
effektiv günstig
beeinflussen.
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Besonders
bevorzugt ist der Walzkörper bzw.
sind die Walzkörper
hydrodynamisch gelagert. Eine derartige Lagerung weist einen besonders
geringen Schlupf auf und ist auch für die Anwendung bei hohen Wirkgeschwindigkeiten
geeignet.
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Besonders
bevorzugt weist die Vorrichtung einen Grundkörper auf, an dem der bzw. die
Walzkörper
gelagert ist bzw. sind. Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung
dabei Mittel zum Regeln bzw. Steuern des Drucks des Fluids und/oder
der Lage des Walzkörpers
relativ zum Grundkörper.
Dadurch können
das Einwirken in seiner Intensität
und damit Veränderungen
in der Randzone gesteuert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Grundkörper
eine Fluidzuführung
zum Zuführen eines
Fluids zur Lagerung des Walzkörpers
auf. Alternativ oder additiv umfasst die Vorrichtung zudem eine
Bremsvorrichtung zum Bremsen des Walzkörpers. Eine derartige Bremsvorrichtung
besitzt beispielsweise einen Bremskörper, der gegen den Walzkörper gedrückt werden
kann. Alternativ umfasst die Bremsvorrichtung ein Mittel zum Variieren
des Drucks des Fluids, mit dem der Walzkörper gelagert ist. Dadurch
wird die Reibung des Walzkörpers
in seiner Lagerung verändert
und Einfluss auf dessen Schlupf genommen.
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Besonders
bevorzugt ist der Walzkörper
eine Walzkugel. Vorteilhaft an einer Walzkugel ist, dass sie dann,
wenn sie hydrodynamisch gelagert ist, in alle Raumrichtungen drehbar
ist und einen besonders hohen Druck auf die Oberfläche des
Werkstücks ausüben kann.
Alternativ können
Rollen oder Kegelabschnitte als Walzkörper vorgesehen sein.
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Bevorzugt
ist die Vorrichtung als Fräswerkzeug
oder Drehwerkzeug ausgebildet. Wenn es sich um ein Fräswerkzeug
handelt, sind die Walzkörper bevorzugt
an der Stirnfläche
und/oder am Umfang des Fräswerkzeugs
angeordnet. Vorteilhaft daran ist, dass auch prismatische Bauteile
bearbeitet werden können.
Es ist dann eine flächige,
homogene Einwirkung, insbesondere Verfestigung, der Randzone des Werkstücks erreichbar.
Dadurch kann die Festigkeit der bearbeiteten Werkstücke erhöht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung eine Fluidzuführung zum Zuführen von
Fluid zwischen der Schneide und dem Wirkelement. Das ermöglicht es,
Fluid zuzuführen
und so die Randzone des Werkstücks
zu kühlen,
bevor das Wirkelement auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkt.
Eine derartige Fluidzuführung
ermöglicht
es zudem, einen Schmierstoff zuzuführen, um die Reibung zwischen
dem Wirkelement und dem Werkstück
beeinflussen, beispielsweise zu verringern.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren
im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ist ein "gleichzeitiges" Durchführen der beiden Schritte insbesondere
dann gegeben, wenn beide Schritte mit dem gleichen Werkzeug durchgeführt werden.
Der zeitliche Abstand zwischen dem Abspanen und dem Einwirken liegt
bevorzugt unter einer Sekunde, insbesondere unter 0,1 Sekunden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Verfahren in einer solchen zeitlichen und/oder räumlichen
Nähe zum
Abspanen durchgeführt,
dass sich die Oberfläche
des Werkstücks
zu dem Zeitpunkt des Einwirkens in einem plastifizierten Zustand befindet.
Dadurch lassen sich vorteilhafterweise besonders starke Änderungen
der Eigenschaften der Randzone des Werkstücks erreichen.
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Das
Einwirken ist bevorzugt ein Ausüben
einer Kraft mit einer Normalenkomponente auf die Oberfläche. Das
Einwirken wird beispielsweise durch das Aufpressen von Walzkörpern oder
durch einen Hochdruckflüssigkeitsstrahl
realisiert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung und
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2 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks in Form eines Zerspanungswerkzeugs 10,
das im Eingriff mit einem schematisch eingezeichneten Werkstück 12 steht.
Das Werkstück 12 bewegt
sich relativ zum Zerspanungswerkzeug 10 mit einer Wirkgeschwindigkeit,
die durch einen Pfeil 14 angedeutet ist. Das Zerspanungswerkzeug 10 umfasst
an seiner in der Wirkrichtung vorne liegenden Seite eine Schneide 16 zum
Eindringen in das Werkstück 12,
so dass ein Span 18 abgehoben wird.
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In
Wirkrichtung hinter der Schneide 16 befindet sich eine
Freifläche 20,
die nur an einem der Schneide 16 benachbarten Abschnitt 22 mit
dem Werkstück 12 in
Kontakt steht. In Wirkrichtung hinter der Freifläche 20 ist ein Vorsprung 24 angeordnet, der
ausgebildet ist, um auf eine Oberfläche 26 des Werkstücks 12 einzuwirken.
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Die
Oberfläche 26 ist
durch die Einwirkung der Schneiden 16 neu erzeugt worden.
Der Vorsprung 24 ist so ausgebildet und angeordnet, dass die
bei der spanenden Bearbeitung neu entstandene Oberfläche 26 genau
einmal vollständig
von dem Vorsprung 24 überstrichen
wird. Der Überdeckungsgrad
ist daher gleich 1.
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Der
Vorsprung 24 ist so an dem Zerspanungswerkzeug 10 ausgebildet,
dass er im Einsatz eine Kraft F auf die Oberfläche 26 des Werkstücks 12 aufbringt,
die eine starke Normalkomponente FN aufweist.
Aufgrund der Reibung des Vorsprungs 24 auf der Oberfläche 26 bringt
der Vorsprung 24 zudem eine Reibkraftkomponente FR auf die Oberfläche 26 auf, die weniger
als zwei Drittel der Normalkraftkomponente FN beträgt. Durch
das Aufbringen der Kraft F wird eine Randzone 27 des Werkstücks 12 beeinflusst,
so dass sich deren Eigenschaften ändern.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs 10. In
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das Wirkelement
durch einen Walzkörper
in Form einer Walzkugel 28 gebildet.
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Die
Walzkugel 28 ist in einer Ausnehmung 30 in einem
Grundkörper 32 des
Zerspanungswerkzeugs 10 hydrodynamisch gelagert. In dem
Grundkörper 32 ist
zur Lagerung der Walzkugel 28 eine Fluidzuführung 34 zum
Zuführen
von Fluid, beispielsweise von Kühlschmierstoff, Öl oder Wasser
gebildet. Durch die Fluidzuführung 34 wird
Fluid in die Ausnehmung 30 geführt, so dass sich beim Betrieb
des Zerspanungswerkzeugs 10 eine dünne Fluidschicht zwischen der
Walzkugel 28 und der Ausnehmung 30 ausbildet,
in der die Walzkugel 28 gelagert ist.
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Im
Grundkörper 32 ist
zudem eine Bremsvorrichtung 36 zum Bremsen der Walzkugel 28 vorgesehen.
Die Bremsvorrichtung 36 umfasst einen Bremskörper 38,
der mittels einer Feder 40 auf die Walzkugel 38 zu
bewegbar ausgebildet ist. Beim Betrieb des Zerspanungswerkzeugs 10 kann
der Bremskörper 38 in
Kontakt mit der Walzkugel 28 gebracht werden. Neben einer
Normalkraft FN kann so zudem eine Reibkraft
FR auf die Oberfläche 26 des Werkstücks 12 aufgebracht
werden. Die Normalkraft FN und die Reibkraft
FR addieren sich vektoriell zur Kraft F.
Sofern diese Reibkraft FR die Haftreibung
zwischen der Walzkugel 28 und der Oberfläche 26 des
Werkstücks 12 überschreitet,
kommt es zu einem Schlupf. Das heißt, dass die Geschwindigkeit
des Umfangs der Walzkugel 28 geringer ist als die Wirkgeschwindigkeit.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird der Bremskörper 38 statt
durch eine Feder 40 durch den Druck eines Fluids auf die
Walzkugel 28 zu gestellt, wobei das Fluid durch einen in 2 nicht
eingezeichneten Kanal auf die der Walzkugel 28 abgewandte
Seite des Bremskörpers 38 zu
geleitet wird. Dort übt
das Fluid einen einstellbaren Druck auf den Bremskörper aus,
so dass die Kraft eingestellt werden kann, mit der Bremskörper 38 auf
die Walzkugel drückt.
Sofern gewünscht,
kann dadurch auf die Randzone 27 in Abhängigkeit von der Position in
der Oberfläche
unterschiedlich eingewirkt werden. So ist es möglich, in mechanisch und/oder
dynamisch hoch belastete Regionen des Werkstücks 12 besonders ausgeprägte Druckeigenspannungen
einzubringen. Das ist beispielsweise bei Werkstücken für den Flugzeugbau vorteilhaft
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Sowohl
das Zerspanungswerkzeug 10 gemäß 1 als auch
das gemäß 2 können in
einem Fräs-,
Dreh-, Hobel-, Räum-,
Stoß-
oder Bohr-, Senk-, Reib-, Säge-,
Feil-, Raspelwerkzeug angeordnet sein.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist die Schneide 16 nicht wie in den Ausführungsformen
der 1 und 2 einstückig mit dem Grundkörper 32 verbunden,
sondern an einem Schneidelement angeordnet. Das Schneidelement ist
mittels einer Aufnahme an dem Grundkörper 32 befestigt,
beispielsweise durch eine Spannpratze oder eine Schraube.
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Im
Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Zerspanungswerkzeug 10 so relativ zu dem Werkstück 12 angeordnet,
dass es einerseits einen Span 18 abhebt und andererseits
das Wirkelement in Form der Walzkugel 28 oder in Form des
Vorsprungs 24 auf die Oberfläche 26 des Werkstücks 12 einwirkt.
Durch diese Einwirkung verändern
sich die Eigenschaften der Randzone des Werkstücks 12. Die Wirkgeschwindigkeit
wird dabei so gewählt,
dass sich die Randzone des Werkstücks zum Zeitpunkt des Einwirkens
in einem plastifizierten Zustand befindet. In diesem Zustand können besonders
deutliche Modifikationen an den Eigenschaften der Randzone durchgeführt werden.
Das Wirkelement wird dazu insbesondere so relativ zum Werkstück 12 angeordnet,
dass seine Wirkung einem Oberflächen-Feinwalzen
entspricht. Je nach Anwendungsbereich wird das Wirkelement so angeordnet,
dass seine Wirkung einem Glatt-, Maß- und Festwalzen entspricht.
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Aufgrund
der Kombination des Abspanens und des Einwirkens auf die Oberfläche des
Werkstücks
kann ein erfindungsgemäßes Verfahren
als Reibrührspanen
und eine erfindungsgemäße Vorrichtung
als Reibrührspanwerkzeug
bezeichnet werden.
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- 10
- Zerspanungswerkzeug
- 12
- Werkstück
- 14
- Pfeil
- 16
- Schneide
- 18
- Span
- 20
- Freifläche
- 22
- Abschnitt
- 24
- Vorsprung
- 26
- Oberfläche
- 27
- Randzone
- 28
- Walzkugel
- 30
- Ausnehmung
- 32
- Grundkörper
- 34
- Fluidzuführung
- 36
- Bremsvorrichtung
- 38
- Bremskörper
- 40
- Feder
- F
- Kraft
- FN
- Normalkraft
- FR
- Reibkraft