DE102007038269B4 - Thermally compensated workpiece machining - Google Patents
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Abstract
Es wurde eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, das sich insbesondere zur Trockenbearbeitung und zur Erzielung höchster Bearbeitungspräzision eignet. Zur Vermeidung temperaturbedingter Dimensionsabweichungen des bearbeiteten Werkstücks wird dessen Temperatur bestimmt und gezielt eine Temperaturdifferenz zwischen dem bearbeitenden Werkzeug (3) und dem Werkstück (2) eingestellt. Die Temperaturdifferenz ist dabei so bemessen, dass unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien des Werkzeugs und des Werkstücks und die sich aus diesen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ergebenden Dimensionsänderungen angleichen. Diese Art der thermischen Kompensation von Temperaturfehlern durch gezielte thermische Differenzen zwischen Werkstücktemperatur und Werkzeugtemperatur ist im Vergleich zur Temperierung ganzer Arbeitsräume äußerst energieeffizient und führt zu höchster Bearbeitungspräzision.It has been proposed an apparatus and a method that is particularly suitable for dry machining and to achieve maximum machining precision. In order to avoid temperature-related dimensional deviations of the machined workpiece, its temperature is determined and a temperature difference between the machining tool (3) and the workpiece (2) is set in a targeted manner. The temperature difference is dimensioned such that different coefficients of thermal expansion of the different materials of the tool and of the workpiece and the dimensional changes resulting from these different coefficients of thermal expansion match. This type of thermal compensation of temperature errors by targeted thermal differences between the workpiece temperature and mold temperature is extremely energy efficient compared to the tempering of entire work spaces and leads to the highest machining precision.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken und eine entsprechende Werkzeugmaschine.The invention relates to a method for machining workpieces and a corresponding machine tool.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken durch spangebende Bearbeitungsprozesse, insbesondere bei der so genannten Nassbearbeitung, wird häufig Kühlschmierstoff eingesetzt, der reibungsmindernd und kühlend wirken soll und auch zum Temperaturausgleich zwischen Werkstück und Werkzeug führt. Der Kühlschmierstoff ist meist temperiert. Er wird in großen Mengen in den Arbeitsraum einer Bearbeitungsmaschine eingebracht. Die thermische Konstanz ermöglicht eine hohe Bearbeitungspräzision.When machining workpieces by cutting machining processes, especially in the so-called wet machining, often cooling lubricant is used, which is supposed to reduce friction and cooling and also leads to temperature compensation between the workpiece and tool. The cooling lubricant is usually tempered. It is introduced in large quantities into the working space of a processing machine. The thermal consistency enables a high machining precision.
Es wird in letzter Zeit zunehmend versucht, den Einsatz von Kühlschmierstoffen zu reduzieren und zur Trockenbearbeitung überzugehen. Anders als bei der Nassbearbeitung ist hierbei kein temperierter Kühlflüssigkeitsstrom vorhanden, der das Werkstück auf eine gewünschte Temperatur bringen und dort halten könnte. Vielmehr wirken verschiedene Faktoren zusammen, die eine Temperaturänderung des Werkstücks bewirken. Z. B. wird durch den Zerspanungsprozess Wärme in das Werkstück eingeleitet. Auch können sich heiße Späne auf dem Werkstück ablagern. Im Sommer kann schon durch die erhöhte Umgebungstemperatur eine hohe Werkstücktemperatur auftreten. Die durch diese Erwärmungen bewirkten Längenänderungen ergeben maßliche Fehler am bearbeiteten Werkstück.Recently, attempts have been made to reduce the use of cooling lubricants and to move to dry machining. Unlike wet processing, no tempered coolant flow is present, which could bring the workpiece to a desired temperature and hold it there. Rather, various factors cooperate, which cause a temperature change of the workpiece. For example, heat is introduced into the workpiece by the cutting process. Also, hot chips can deposit on the workpiece. In summer, a high workpiece temperature can occur due to the increased ambient temperature. The changes in length caused by these heats result in dimensional errors on the machined workpiece.
Die an dem Werkstück zu erzielenden Maße beziehen sich auf eine Normtemperatur von 21°C. Auf diese Temperatur werden auch Messräume temperiert, in denen Werkstücke zur Überprüfung ihrer Maßtoleranz nachgemessen werden, auch die Nennmaße der Werkzeuge beziehen sich auf die Temperatur von 21°C. Werkzeuge bestehen aus Stahlwerkstoffen während die Werkstücke häufig aus anderen Materialien, wie Aluminium oder Magnesium, bestehen. Die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Werkstoffe führen bei Temperaturänderungen zu nicht tolerierbaren Maßabweichungen. Insbesondere bei der Herstellung von Präzisionsdurchmessern, mit starren Werkzeugen (z. B. Bohrstangen) z. B. an Bohrungen wirken sich die so eintretenden Maßabweichungen negativ auf die Prozesssicherheit aus. Bei Durchmessern von Werkstücken in Getriebegehäusen oder an Ventilschiebergehäusen liegt häufig ein Toleranzgrad von IT 6 zugrunde. Beispielsweise beträgt dann bei einem Nennmaß von 25 mm die Grundtoleranz 13 μm. Legt man beispielsweise einen CP-Wert von 1,67 zugrunde (entspricht Standardabweiching σ von 10) müssen rund 68% der Werkstücke innerhalb eines Bereichs von 2,6 μm liegen.The dimensions to be achieved on the workpiece refer to a standard temperature of 21 ° C. At this temperature, also measuring rooms are tempered, in which workpieces are measured to check their dimensional tolerance, and the nominal dimensions of the tools refer to the temperature of 21 ° C. Tools are made of steel materials while the workpieces often consist of other materials, such as aluminum or magnesium. The different coefficients of thermal expansion of the different materials lead to unacceptable deviations in temperature changes. In particular, in the manufacture of precision diameters, with rigid tools (eg boring bars) z. B. bores, the resulting deviations have a negative impact on the process safety. The diameters of workpieces in gearbox housings or on valve spool housings are often based on a degree of tolerance of
Normalerweise erfordert dies aufwändigste Kompensationsmaßnahmen an den Werkzeugen selbst und/oder eine Klimatisierung des gesamten Arbeitsraums. Solche Maßnahmen sind jedoch häufig zu aufwändig oder nicht verfügbar.Usually, this requires the most complex compensation measures on the tools themselves and / or an air conditioning of the entire work space. However, such measures are often too time-consuming or unavailable.
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
Die Regulierung der Temperatur kann nicht auf beliebige Werte erfolgen. Vielmehr muss, wenn mit diesem Verfahren gearbeitet werden soll und wenn das Werkzeug und das Werkstück unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten haben, diejenige Temperatur eingestellt werden, auf die sich die Maße beziehen. Dies sind z. B. 21°C.The regulation of the temperature can not be made to any values. Rather, if you want to work with this method and if the tool and the workpiece have different coefficients of expansion, that temperature must be set to which the dimensions refer. These are z. B. 21 ° C.
Bei zerspanungsintensiven Bearbeitungsvorgängen und/oder bei erhöhten Umgebungstemperaturen stellt dies eine anspruchsvolle und im Einzelfall möglicherweise kaum zu bewältigende Aufgabe dar. Jedenfalls aber ist zumindest bei hohen Umgebungstemperaturen mit einem hohen Energieaufwand zur Durchführung der erforderlichen Kühlung zu rechnen.In machining-intensive machining operations and / or at elevated ambient temperatures, this represents a demanding and in some cases possibly difficult to handle task. However, at least at high ambient temperatures with a high energy consumption to perform the required cooling is to be expected.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, womit sich mit geringem Aufwand eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erzielen lässt.On this basis, it is an object of the invention to provide a method and a device, which can be achieved with little effort, a high machining accuracy.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 wie auch mit der Maschine nach Anspruch 14 gelöst:
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Temperierung des Werkstücks und/oder des Werkzeugs vorgenommen, die die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Werkstück und/oder Werkzeug berücksichtigt. Dadurch ist es nicht länger erforderlich, Werkstück und Werkzeug auf eine bestimmte Temperatur einzustellen. Vielmehr kann, ausgehend von einer gegebenen Werkstücktemperatur die dazu passende (andere) Temperatur des Werkzeugs so eingestellt werden, dass die gewünschten Sollmaße erreicht werden, die beispielsweise bei Bezugstemperatur (z. B. 21°C) nachzumessen sind.This object is achieved by the method according to
According to the inventive method, a temperature control of the workpiece and / or the tool is made, which takes into account the thermal expansion coefficients of the workpiece and / or tool. This eliminates the need to set the workpiece and tool to a specific temperature. Rather, starting from a given workpiece temperature, the matching (other) temperature of the tool can be adjusted to achieve the desired dimensions that are to be measured, for example, at reference temperature (eg 21 ° C).
Es ist alternativ ebenso möglich, ausgehend von einer bestimmten Werkzeugtemperatur die Werkstücktemperatur so einzustellen, dass sich die gewünschten Sollmaße ergeben.Alternatively, it is also possible, starting from a specific tool temperature, to set the workpiece temperature such that the desired nominal dimensions result.
Es lassen sich auch beide Verfahren kombinieren, wobei dann die Temperatur des Werkstücks und die Temperatur des Werkzeugs jeweils modifiziert und auf gewünschte Werte eingestellt werden (die sich unterscheiden können), wobei sie so gewählt sind, dass sich bei Bezugstemperatur (z. B. 21°C) das gewünschte Maß in der gewünschten Präzision ergibt. Soll beispielsweise in einem Werkstück aus Aluminium eine Bohrung ausgebildet werden, deren Sollmaß bei 21°C vorgegeben ist, und hat dieses Werkstück beispielsweise die Temperatur von 31°C, wird das aus Stahl bestehende Bohrwerkzeug auf 42°C bis 43°C temperiert. Durch diese Erwärmung erhält es einen wirksamen Durchmesser zur Erzeugung der Bohrung in dem weniger warmen Aluminiumwerkstück, die, wenn das Aluminiumwerkstück nach Ausbildung der Bohrung auf die Bezugs- oder Normtemperatur von 21°C abgekühlt wird, mit hoher Präzision das gewünschte Maß hat. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit bewusst eine Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug eingestellt, wobei diese Temperaturdifferenz den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Werkstücks und des Werkzeugs Rechnung trägt.It is also possible to combine both methods, in which case the temperature of the workpiece and the temperature of the tool are each modified and set to desired values (which may differ), wherein they are selected such that at the reference temperature (
Im einfachsten Fall wird dabei davon ausgegangen, dass sich die Temperatur des Werkstücks und des Werkzeugs bei während der Durchführung der spanenden Bearbeitung nicht wesentlich verändern. Die stimmt bei kleinen Zerspanungsvolumina und ausreichender Wärmekapazität von Werkstück und Werkzeug sowie kurzer Bearbeitungszeit in guter Näherung. Es ist des Weiteren möglich, die Temperaturveränderung von Werkstück und/oder Werkzeug während der Bearbeitung zu berücksichtigen.In the simplest case, it is assumed that the temperature of the workpiece and of the tool do not change significantly during the execution of the machining. This is in good agreement with small cutting volumes and sufficient heat capacity of workpiece and tool as well as short machining time. It is also possible to take into account the temperature change of the workpiece and / or tool during machining.
Ist das Werkzeug auf eine sehr hohe Temperatur vorgewärmt und ist die Zerspanungsleistung gering mag sich die Werkzeugtemperatur bei der Bearbeitung vermindern wohingegen sich die Werkstücktemperatur dabei eventuell erhöht. Entsprechend kann das Werkzeug zur Kompensation auf eine noch höhere Temperatur vorgewärmt werden.If the tool is preheated to a very high temperature and the machining power is low, the tool temperature during machining may decrease, while the workpiece temperature may increase. Accordingly, the tool can be preheated for compensation to an even higher temperature.
Ist hingegen zu erwarten, dass sich die Temperatur des Werkzeugs bei der Bearbeitung z. B. auf Grund der Zerspanungswärme noch erhöht, kann das Werkzeug vor seinem Einsatz auf eine etwas geringere Vorwärmtemperatur erwärmt werden. Bei der Bearbeitung steigt seine Temperatur dann auf den gewünschten höheren Wert.On the other hand, it can be expected that the temperature of the tool during machining z. B. due to the Zerspanungswärme still increased, the tool can be heated to a slightly lower preheating temperature before its use. During processing, its temperature then rises to the desired higher value.
Vorzugsweise wird die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug durch Erwärmung des Werkzeugs erreicht. Die Erwärmung kann auf jede geeignete Weise, wie beispielsweise Beaufschlagung mit Warmluft, Platzierung in einer vorgewärmten Kammer, induktive Erwärmung, elektrische Widerstandserwärmung Infrarotlichtbestrahlung und dergleichen erfolgen. Es ist ergänzend oder alternativ möglich, die Temperatur des Werkstücks gezielt zu ändern, beispielsweise zu senken (oder auch zu erhöhen, z. B. im Winter). Die Temperaturabsenkung des Werkstücks kann vor Durchführung der Bearbeitung durch Kühlung erfolgen, beispielsweise durch Beaufschlagung mit gekühlter Luft oder einem anderen Kühlfluid (im Bedarfsfalle auch eine Kühlflüssigkeit). Die Kühlung des Werkstücks kann mit einer Erwärmung des Werkzeugs kombiniert werden, so dass die an dem Werkstück vorzunehmende Temperaturänderung auf ein geringes Maß reduziert werden kann. Die Kühlung des Werkstücks ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die ohne Werkstückkühlung erforderliche Werkzeugtemperatur ein tolerierbares Maximalmaß von z. B. 50°C überschreiten würde. Alternativ können Werkzeuge eingesetzt werden, deren Sollmaß von Hause aus auf eine erhöhte Normtemperatur eingestellt ist.Preferably, the desired temperature difference between the workpiece and the tool is achieved by heating the tool. The heating may be accomplished in any suitable manner, such as exposure to hot air, placement in a preheated chamber, inductive heating, electrical resistance heating, infrared light irradiation, and the like. It is additionally or alternatively possible to specifically change the temperature of the workpiece, for example to lower it (or to increase it, for example in winter). The temperature reduction of the workpiece can be done by cooling before performing the processing, for example by applying cooled air or another cooling fluid (in case of need, a cooling liquid). The cooling of the workpiece can be combined with a heating of the tool, so that the temperature change to be made on the workpiece can be reduced to a small degree. The cooling of the workpiece is particularly useful if the required without workpiece cooling tool temperature a tolerable maximum dimension of z. B. 50 ° C would exceed. Alternatively, tools can be used whose nominal size is set by itself to an increased standard temperature.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Ansprüchen, der Zeichnung oder der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung zeigt weitere Details und ergänzt die Beschreibung. Es zeigen:Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of claims, the drawings or the description. The description is limited to essential aspects of the invention and other circumstances. The drawing shows further details and completes the description. Show it:
In der Figur der Zeichnung ist eine Werkzeugmaschine
Das Werkstück
Die Bearbeitung des Werkstücks
Die Werkzeugmaschine weist einen in
Der Werkzeugmaschine
Zu der Werkzeugmaschine
Die Temperierungseinrichtung
Die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Die Steuereinrichtung
Es ist auch möglich, die zu erwartende Temperaturänderung des Werkstücks
Mit dem gezeigten Verfahren können die Werkzeugtemperaturen Twg nicht nur an Werkstücktemperaturen Twk angepasst werden, die über der Normtemperatur Tnorm liegen sondern auch an Werkstücktemperaturen Twk, die unter der Normtemperatur Tnorm liegen, wie es beispielsweise bei besonders niedrigen Außentemperaturen der Fall sein kann. In diesem Fall kann die Temperierungseinrichtung
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist davon ausgegangen worden, dass die Werkzeuge
Es ist auch möglich, die Werkzeuge
Es ist auch möglich, die Werkzeuge in dem Werkzeugmagazin
Es kann vorkommen, dass die Werkzeugtemperatur Twg auf Werte von beispielsweise 50°C begrenzt werden muss, weil sich der Maschinenbediener sonst verletzen kann oder der Wärmeeintrag in die Arbeitsspindel
Zur Reduktion der Werkzeugtemperaturen ist es auch möglich, ergänzend die Werkstücke vor der Bearbeitung etwas abzukühlen. Dies kann beispielsweise durch einen Kühltunnel erfolgen, der im Bereich einer Werkstückbereitstellungseinrichtung angeordnet ist. Steigt die Umgebungstemperatur über 32°C können die Werkstücke beispielsweise auf 25°C gekühlt werden. Damit findet die Bearbeitung noch immer oberhalb der Normtemperatur von 21°C statt. To reduce the tool temperatures, it is also possible to additionally cool the workpieces before processing something. This can be done for example by a cooling tunnel, which is arranged in the region of a workpiece supply device. For example, if the ambient temperature rises above 32 ° C, the workpieces can be cooled to 25 ° C. Thus, the processing still takes place above the standard temperature of 21 ° C.
An die Stelle der Temperaturmessung kann auch die Messung der thermischen Ausdehnung, d. h. der Maßabweichung treten, die das Werkstück
Zur zusammenfassenden Verdeutlichung der Erfindung wird auf die
Die Situation nach
Es wurde eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, das sich insbesondere zur Trockenbearbeitung und zur Erzielung höchster Bearbeitungspräzision eignet. Zur Vermeidung temperaturbedingter Dimensionsabweichungen des bearbeiteten Werkstücks
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Werkzeugmaschinemachine tool
- 22
- Werkstückworkpiece
- 33
- WerkzeugTool
- 44
- Schneidkantecutting edge
- 55
- Arbeitsspindelwork spindle
- 66
- Drehachseaxis of rotation
- 77
- Pfeilarrow
- 88th
- WerkstückaufspannplatzWerkstückaufspannplatz
- 99
- Arbeitsraumworking space
- 1010
- WerkzeugvorratsraumTool pantry
- 11–1411-14
- WerkzeugeTools
- 1515
- Werkzeugmagazintool magazine
- 1616
- GreifereinrichtungGripper device
- 1717
- Temperierungseinrichtungtempering
- 1818
- Steuereinrichtungcontrol device
- 1919
- Erfassungseinrichtungdetector
- 2020
- Schnittstelleinterface
- 2121
- Bohrungdrilling
Claims (23)
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