DE102009004964A1

DE102009004964A1 - Verfahren und Bearbeitungsmaschine zur spanenden Bearbeitung komplexer Konturen von asymmetrischen Werkstücken

Info

Publication number: DE102009004964A1
Application number: DE102009004964A
Authority: DE
Inventors: Karl-Josef Esser; Edmund Plätzmüller; Hans-Peter Schmidt; Andreas Zabel; Rainer Derix
Original assignee: SMS Meer GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2009-08-20
Also published as: RU2397844C1; CN101502925B; CN101502925A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Bearbeitungsmaschine zur spanenden Bearbeitung komplexer Konturen von asymmetrischen Werkstücken (2), wie Pilgerwalzen, auf einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine (10). Es sollen komplexe Konturen mit gleichen Schnittgeschwindigkeiten des Werkzeugs (6, 8; 9, 11) und geringe Beschleunigungskräfte bei einfacher Auslegung der Maschine möglich sein. Hierzu ist verfahrensgemäß vorgesehen, dass das Werkstück (2) durch Drehen und Fräsen mit jeweils Rundplatten (8; 11) als Schneidwerkzeug auf einer Maschine bearbeitet wird, wobei für die rotationssymmetrischen Konturbereiche des Werkstücks (2) eine Drehbearbeitung und für die asymmetrischen Konturbereiche des Werkstücks (2) eine Fräsbearbeitung vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung komplexer Konturen von asymmetrischen Werkstücken, wie Pilgerwalzen, auf einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine sowie eine Bearbeitungsmaschine zum Durchführen des Verfahrens.
Zum Unrunddrehen, wie insbesondere für die Herstellung von Pilgerwalzen, sind im praktischen Betrieb Warmpilgerwalzendrehmaschinen mit computernumerischer Steuerung im Einsatz. Die bei Pilgerwalzen vorliegende, eine weite Einlassöffnung mit einer erheblichen Verschiebung der Rotationsmasse aus der Drehachse der Walze einschließende exzentrische Form bringt beim Unrunddrehen sich ständig verändernde Span- und Freiwinkel mit sich, wobei durch die Spanwinkelveränderungen die Schnittkräfte erheblich variieren.
Die in der Praxis bekannten Warmpilgerwalzendrehmaschinen erfordern daher ein Maschinenkonzept mit fünf gesteuerten Achsen, wobei in den Achsen hohe Beschleunigungskräfte der Massen- und Schnittkräfte auftreten. Um die Beschleunigungen, die bereits innerhalb der normalen Kontur oberhalb von 20 m/s² liegen und zur Reduzierung von Winkelfehlern durch Variation der Höhenlage des Drehstahls insbesondere zur Herstellung des Pilgermauls radial zum Werkstück bzw. in X-Richtung noch deutlich größer sind, zu begrenzen, wird eine geringe Schnittgeschwindigkeit in Kauf genommen. Zudem sind hohe Antriebsleistungen und große Steifigkeiten der Maschine notwendig, damit die gewünschten Oberflächengüten und eine höhere Standzeit der Werkzeuge (Drehstahl) erreichbar sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen sich komplexe Konturen ohne die geschilderten Nachteile herstellen lassen, wobei gleiche Schnittgeschwindigkeiten, z. B. 200 m/min, des Werkzeugs und geringe Beschleunigungskräfte bei einfacher Auslegung der Maschine möglich sein sollen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkstück durch Drehen und Fräsen mit jeweils Rundplatten als Schneidwerkzeuge auf einer Maschine bearbeitet wird, wobei für die rotationssymmetrischen Konturbereiche des Werkstücks eine Drehbearbeitung und für die asymmetrischen Konturbereiche des Werkstücks eine Fräsbearbeitung durchgeführt wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund der horizontal mit Rundplatten zum Einsatz kommenden Werkzeuge diese nicht mehr nach oben und unten gefahren werden müssen, so dass eine bei herkömmlichen Drehmaschinen zur senkrechten Ausrichtung des Drehmeißels zur seitlichen Werkstückoberfläche unabdingbare Y-Achse entfallen kann, weil kein Anstellwinkelproblem mehr auftritt. Denn aufgrund der horizontal liegenden Rundplatten erfährt der Spanwinkel keine Änderung und bleibt weitestgehend gleich. Das Drehen kann mit hohen und das Fräsen mit niedrigen Drehzahlen durchgeführt werden.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass ein an seinem Außenumfang mit Rundplatten bestückter Scheibenfräser und ein mit einer Rundplatte bestückter Drehstahl zur jeweiligen Bearbeitung des Werkstücks mit dem Mittelpunkt der Rundplatten auf einer auf dem Mittelpunkt des Werkstücks liegenden Wirklinie radial (X-Achse) gegen das drehende Werkstück zugestellt und koaxial (Z-Achse) zum Werkstück verfahren wird, wobei die Rotationsachse des angetriebenen Scheibenfräsers rechtwinklig zur Wirklinie verläuft. Der Scheibenfräser kann hierbei mit vertikaler oder horizontaler Rotationsachse auf dem Werkzeugschlitten vorgesehen werden.
Die hierzu eingesetzte Bearbeitungsmaschine ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein radial gegen das Werkstück zustellbarer, auf einer Linearführung koaxial zum Werkstück verfahrbarer Werkzeugschlitten einen an seinem Außenumfang mit Rundplatten bestückten, angetriebenen Scheibenfräser aufweist und auf der Linearführung ein radial gegen das drehbare Werkstück zustellbarer Werkzeugschlitten mit einem mit einer Rundplatte bestückten Drehstahl angeordnet ist. Sobald die Drehbearbeitung der bezogen auf den Mittenpunkt bzw. die Mittenachse des Werkstücks rotationssymmetrischen bzw. zylindrischen Konturbereiche beendet ist, wird der Werkzeugschlitten des Scheibenfräsers gegen das Werkstück angestellt, so dass dann die bezogen auf den Mittenpunkt bzw. die Mittenachse des Werkstücks asymmetrischen Konturbereiche gefräst werden. Es lässt sich damit ein Drehen und Fräsen auf einer lediglich noch 4-Achsen-Maschine als Dreh- und Fräsmaschine mit programmierbarer Erfassung der komplexen Werkstück-/Walzenausführungen bzw. -konturen erreichen. Die nur noch geringen Beschleunigungen in den Achsen erlauben berechenbare Kräfte in den Maschinenkomponenten und damit eine sichere sowie kostengünstige Auslegung. Hohe Beschleunigungssprünge werden durch die Fräsbearbeitung der nicht rotationssymmetrischen Konturbereiche vermieden.
Nach einem Vorschlag der Erfindung wird die Kontur des Werkstücks über in bestimmten Winkelschritten, z. B. 10°, veränderlichen Radien definiert. Hierbei ist von jeder Werkstückkontur eine Dokumentation und Datensicherung möglich. Es ist bevorzugt, dass der Mittelpunkt der Radien auf der Mitte des Werkstücks liegt.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung eines in den Zeichnungen schematisch mit einer Pilgerwalze als Werkstück dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es zeigen:
1 eine perspektivische Gesamtansicht einer herkömmlichen, aus der betrieblichen Praxis zum Stand der Technik zählenden Warmpilgerwalzendrehmaschine mit dazu erforderlichen, fünf gesteuerten Achsen;
2 in einer prespektivischen Teilansicht das erfindungsgemäße Konzept einer Dreh- und Fräsmaschine, die auf einer Linearführung einen Werkzeugschlitten mit einem Fräskopf und hier vertikaler Rotationsachse für einen mit Rundplatten versehenen Scheibenfräser sowie einen Werkzeugschlitten mit einem mit einer Rundplatte bestückten Drehstahl aufweist;
3 in einer Vorderansicht als Beispiel für ein eine komplexe Kontur aufweisendes Werkstück eine Pilgerwalze;
4 eine Pilgerwalzengeometrie in einem Querschnitt der 3 mit auf Mitte des Werkstücks bzw. der Pilgerwalze zur Bearbeitung angestelltem Scheibenfräser;
5 eine Draufsicht der 4, die auch den Werkzeugschlitten mit dem Drehstahl (vgl. 2) erkennen lässt;
6 als Einzelheit in vereinfachter Darstellung als Teilansicht einen Arbeitspunkt einer Rundplatte eines Scheibenfräsers; und
7 eine Pilgerwalzengeometrie in einem Querschnitt mit Definition der Kontur über in Winkelschritten von 10° veränderlichen Radien.
In 1 ist eine zum Stand der Technik zählende Drehmaschine 1 zum Herstellen eines eine komplexe asymmetrische Kontur aufweisenden Werkstücks, wie insbesondere eine Pilgerwalze 2 (vgl. auch 3), durch Drehbearbeitung dargestellt. Das Werkstück/die Pilgerwalze 2 ist um die Werkstückdrehachse C drehend eingespannt. Ein nicht zu erkennender Drehmeißel ist um eine Schwenkachse A verstellbar und wird am drehenden Werkstück 2 mit Hilfe eines Werkzeugschlittens 3 in Richtung der Werkzeug-Hauptantriebsachse Z entlang bewegt. Der Drehmeißel/das Werkzeug führt die Zustell- und Vorschubbewegung (X-Achse) aus und weist eine zur senkrechten Ausrichtung des Drehmeißels zur seitlichen Werkstückoberfläche erforderliche Y-Achse auf.
Die in 2 ausschnittsweise dargestellte Bearbeitungsmaschine 10 ist als Dreh- und Fräsmaschine ausgebildet. Dem um die Werkstückdrehachse C rotierenden Werkstück 2 sind hier auf einer Linearführung 4 zwei in Z-Richtung verfahrbare und in X-Richtung mit der Vorschubbewegung zustellbare Werkzeugschlitten 13a bzw. 13b zugeordnet. Der Werkzeugschlitten 13a weist einen vom Werkzeugkopf 5 getragenen, um eine vertikale Rotationsachse 7 (vgl. die 3 und 4) angetriebenen Scheibenfräser 6 auf, der an seinem Außenumfang mit gleichmäßig verteilt angeordneten Rundplatten 8 versehen ist. Der Werkzeugschlitten 13b besitzt zur Drehbearbeitung des Werkstücks bzw. der Pilgerwalze 2 einen vom Werkzeugkopf 9 getragenen Drehstahl 12 mit einer Rundplatte 11.
Zur Bearbeitung des Werkstückrohlings zu dem fertigen Werkstück bzw. zur Pilgerwalze 2 werden der Scheibenfräser 6 – wie für diesen in 4 und 6 dargestellt – bzw. der Drehstahl 12 mit dem Mittelpunkt der Rundplatten 8 bzw. der Rundplatte 11 auf einer auf dem Mittelpunkt M des Werkstücks 2 liegenden Wirklinie 14 horizontal an – bzw. zugestellt, wobei die Rotationsachse 7 des angetriebenen Scheibenfräsers 6 rechtwinklig zur Wirklinie 14 verläuft. Der horizontal an gestellte bzw. stehende Drehstahl 12 mit der Rundplatte 11 ist um die Schwenkachse A (vgl. 2) verstellbar, so dass bei einer Schrägbearbeitung ein seitliches Schwenken möglich ist. Wie in den 3 und 6 angedeutet wird, lassen sich aufgrund der horizontal angestellten bzw. liegenden Rundplatten 8, 11 konstante Winkelverhältnisse erreichen, insbesondere erfährt der Spanwinkel keine Veränderung und bleibt weitestgehend gleich.
Die durch Drehen zu bearbeitenden, rotationssymmetrischen Konturbereiche 15 sind in den 4 und 5 mit dick durchgezogenen Linien verdeutlicht. Das sind bei einer Pilgerwalze 2 die Außenmantelflächen mit Übergang 15a zum Pilgermaul 16 und dessen zylindrischer Konturabschnitt 15b, d. h. im Wesentlichen die Glättzone bis etwa übergehend in die Verformungszone und die Auslaufzone wie in 4 durch die Begrenzungslinien 17a, 17b angedeutet.
Nach 7 wird die Kontur des Werkstücks 2 über in Winkelschritten von 10° veränderlichen Radien definiert, wobei die Bearbeitung programmierbar ist über den Radius des Fräsers RFR bis zur Mitte der Rundplatten MRP und dem Radius der Rundplatten RRP, wie in 6 schematisch eingetragen, der sich weiterhin ein Arbeitspunkt 18 einer Rundplatte 8 des Scheibenfräsers 6 an der asymmetrischen bzw. nicht rotationssymmetrischen Kontur des Werkstücks 2 in der Bearbeitungssituation der 4 entnehmen lässt.

1: Drehmaschine
2: Werkstück/Pilgerwalze
3: Werkzeugschlitten
4: Linearführung
5: Werkzeugkopf (Fräser)
6: Scheibenfräser
7: Rotationsachse (des Scheibenfräsers)
8: Rundplatte
9: Werkzeugkopf (des Drehstahls)
10: Bearbeitungsmaschine/Dreh- und Fräsmaschine
11: Rundplatte (des Drehstahls)
12: Drehstahl
13a, b: Werkzeugschlitten
14: Wirklinie
15: rotationssymmetrischer Konturbereich
15a: Übergangskontur
15b: zylindrischer Konturabschnitt
16: Pilgermaul
17a, b: Begrenzungslinien
18: Arbeitspunkt (einer Rundplatte)
RFR: Radius des Fräsers
MRP: Mitte der Fräser-Rundplatten
RRP: Radius der Rundplatten
A: Schwenkachse im Werkzeug
C: Werkstückdrehachse
X: radiale Werkzeug-Zustellachse/Vorschubbewegung
Y: vertikale Werkzeug-Ausrichtachse
Z: Werkzeug-Hauptantriebsachse
M: Mittelpunkt (bzw. Mitte) des Werkstücks

Claims

Verfahren zur spanenden Bearbeitung komplexer Konturen von asymmetrischen Werkstücken, wie Pilgerwalzen, auf einer computergesteuerten Bearbeitungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) durch Drehen und Fräsen mit jeweils Rundplatten (8; 11) als Schneidwerkzeug auf einer Maschine bearbeitet wird, wobei für die rotationssymmetrischen Konturbereiche (15) des Werkstücks (2) eine Drehbearbeitung und für die asymmetrischen Konturbereiche des Werkstücks (2) eine Fräsbearbeitung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an seinem Außenumfang mit Rundplatten (8) bestückter Scheibenfräser (6) und ein mit einer Rundplatte (11) bestückter Drehstahl (12) zur jeweiligen Bearbeitung des Werkstücks (2) mit dem Mittelpunkt der Rundplatten (8) auf einer auf dem Mittelpunkt (M) des Werkstücks (2) liegenden Wirklinie (14) radial (X-Achse) gegen das drehende Werkstück zugestellt und koaxial (Z-Achse) zum Werkstück verfahren wird, wobei die Rotationsachse (7) des angetriebenen Scheibenfräsers (6) rechtwinklig zur Wirklinie (14) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Werkstücks (2) über in bestimmten Winkelschritten, z. B. 10°, veränderlichen Radien (R0 bis R35) definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt der Radien (R0 bis R35) auf der Mitte (M) des Werkstücks (2) liegt.
Computergesteuerte Bearbeitungsmaschine zur spanenden Bearbeitung komplexer Konturen von asymmetrischen Werkstücken, wie Pilgerwalzen, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial (X-Achse) gegen das Werkstück (2) zustellbarer, auf einer Linearführung (4) koaxial (Z-Achse) zum Werkstück verfahrbarer Werkzeugschlitten (13a) einen an seinem Außenumfang mit Rundplatten (8) bestückten, angetriebenen Scheibenfräser aufweist und auf der Linearführung (4) ein radial (X-Achse) gegen das drehende Werkstück (2) zustellbarer Werkzeugschlitten (13b) mit einem mit einer Rundplatte (11) bestückten Drehstahl (12) angeordnet ist.