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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Werkstückbearbeitung.
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Als Spanen werden umgangssprachlich alle mechanischen Fertigungsverfahren bezeichnet, bei denen das Werkstück in die gewünschte Form gebracht wird, in dem überflüssiges Material in Form von Spänen abgetragen wird. Als Spanungsbewegung werden die Bewegungen bezeichnet, die eine Lageänderung zwischen Werkstück und Schneidewerkzeug bewirken. Hierbei werden Werkzeug und Werkstück an- bzw. ineinander geführt, wodurch die Schneide des Werkzeugs in den Werkstoff des Werkstücks eindringt und einen Span abträgt.
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Bei der spanabhebenden Bearbeitung treten kleine Schwingungen der Maschinenkomponenten auf, die von unterschiedlichen Ursachen hervorgerufen werden können. Diese Schwingungen können mit der Anregungsfrequenz eines schwingungsfähigen Systems im Kraftfluß Werkzeugmaschine, Werkzeug und Werkstück erfolgen. Haben die erzeugten Schwingungen eine Komponente senkrecht zur entsprechenden Bearbeitungsfläche des Werkstücks, so wird durch die Schneide eine wellige Bearbeitungsoberfläche auf dem Werkstück erzeugt, was im Folgenden auch als Rattermarken bezeichnet wird.
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Die Rattermarken auf der Bearbeitungsfläche des Werkstücks sind in der Regel unerwünscht und führen oftmals zu unvorhersehbaren Effekten bei der späteren Verwendung des Werkstücks, wie beispielsweise zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und zu höheren Prozessgeräuschen. Vor diesem Hintergrund werden in der modernen Werkstückbearbeitung entsprechende Anforderungen an die Werkzeugmaschinen gestellt, die geeignete Maßnahmen zur Verhinderung bzw. zur Verminderung der produzierten Rattermarken aufweisen sollen.
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Ein Ansatz zur Verhinderung des Ratterns bei der spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks ergibt sich aus der
DE 20 42 138 . Das darin offenbarte Verfahren nimmt sich speziell der Problematik des regenerativen Ratterns an, das bei der wiederholten spanabhebenden Bearbeitung derselben Werkstückfläche auftritt. Die
DE 20 42 138 folgt der Erkenntnis, dass das regenerative Rattern bei Werkzeugmaschinen verhindert werden kann, indem eine zum Rattern führende Schnittgeschwindigkeit bei jedem der vorzunehmenden Nachschnitte durch Anheben oder Absenken der Ausgangsgeschwindigkeit um einen Bruchteil im Wechsel, verändert wird.
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Eine andere Möglichkeit Rattern zu verhindern wird in der
DE 10 2005 002 698 beschrieben. Hier wird ein Fräser mit ungleicher Teilung beschrieben. Dieses Verfahren ist aber unflexibel.
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Nachteilig bei diesem Lösungsansatz ist es jedoch, dass das erwähnte Verfahren nur bei einer Mehrschnittbearbeitung eines Werkstücks angewendet werden kann, da zunächst die zum Rattern führende Schnittgeschwindigkeit als Ausgangsgeschwindigkeit bestimmt werden muss. Ferner erfordert das Verfahren eine Werkzeugmaschine die mit einem Fühler ausgestattet ist, der die auftretenden Schwindungen bzw. das auftretende Rattern messen kann. Des weiteren wird ein externes Steuergerät vorgeschlagen, dass aufgrund der erfaßten Daten des Fühlers die Regeleinrichtung der Werkzeugmaschine entsprechend manipuliert bzw. beeinflußt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, dem Fachmann ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zum Wälz- oder Profilfräsen oder auch Wälz- und/oder Profilschleifen, an die Hand zu geben, das auf bekannten Werkzeugmaschinen ohne zusätzliche Modifikation ausführbar ist und sich zu dem auch bei einer Einschnittbearbeitung anwenden lässt.
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Demnach wird ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Wälz- und/oder Profilfräsen eines Werkstücks, auf einer Werkzeugmaschine mit einem Fräswerkzeug vorgeschlagen. Zur Vermeidung bzw. Reduzierung der auftretenden Ratterschwindungen wird erfindungsgemäß die Schnittgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine moduliert, gegebenenfalls kann die Vorschubgeschwindigkeit nachgeführt werden, um die Zerspannungsbedingungen, wie die Spanungsdicke, gleich zu halten.
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Damit muss nicht zuerst ein Schneidedurchgang abgewartet werden, um schwingungsunterdrückende Maßnahmen zu ergreifen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll das Auftreten der nachteiligen Rattermarken schon im Ansatz verhindern bzw. auf einem sehr geringen Niveau halten. Durch die permanente Modulation der Schnittgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine wird die Anregungsfrequenz, die die Maschinenkomponenten zur Schwingung anregt, unterdrückt oder weitestgehend reduziert, wodurch ein Aufschwingen der Maschinenkomponenten in einer Frequenz verhindert wird. Auf Erkennungsmittel bzw. eine entsprechende Sensorik zur Rattererkennung bzw. zur Schwingungserkennung kann vollständig verzichtet werden, da das Auftreten der Schwingungen bzw. des Ratterns schon in seinem Ansatz unterdrückt wird. Selbstverständlich können derartige Erkennungsmittel bzw. eine Sensorik dennoch vorgesehen und verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schnittgeschwindigkeit moduliert, indem die Drehzahl des Werkzeugs moduliert wird. Die modulierenden Zusatzbewegungen, die der Werkzeugdrehzahl überlagert werden, werden innerhalb der CNC-Steuerung der Werkzeugmaschine bestimmt und an die momentanen Schnittbestimmungen optimal angepaßt. Die Anpassung kann manuell erfolgen, falls kein entsprechende Sensorik bereit steht.
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Die Variation der Werkzeugdrehzahl kann vorzugsweise über eine oder mehrere Werkzeugumdrehungen erfolgen.
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Eine Möglichkeit der Modulation der Schnittgeschwindigkeit besteht darin, diese mit eine sinusförmige Anregung zu überlagern. Als weitere bevorzugte Anregungsformen sind linearförmige, stufenförmige, rampenförmige oder sägezahnförmige Anregungen denkbar. Aus der Überlagerung der konstanten Ausgangsschnittgeschwindigkeit mit der sinusförmigen Anregung stellt sich eine zeitweise Variation der tatsächlichen Schnittgeschwindigkeit ein, die durch die Amplitude und die Frequenz der sinusförmigen Anregung bestimmt wird.
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Als vorteilhaft erweist sich, wenn die modulierende Anregung im Bereich von ±30% der Ausgangsschnittgeschwindigkeit liegt. Besonders bevorzugt ist die sinusförmige Anregung im Bereich von ±10% der Ausgangsschnittgeschwindigkeit definiert.
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Die Überlagergung der Schnittgeschwindigkeit mit einer sinusförmigen Anregung führt zu einer permanenten/fortdauernden Veränderung der Anregungsfrequenz, die die Maschinenkomponenten zur Schwingung, zum Beispiel in ihrer Eigenfrequenz anregt. Folglich wird ein Aufschwingen der Schwingungen der Maschinenkomponente während der Bearbeitung eines Werkstücks verhindert. Das auftretende Rattern wird von Anfang an verhindert bzw. stark vermindert. Dies gilt insbesondere, wenn sich die Eigenfrequenz aufgrund der Geometrieänderungen der bearbeiteten Werkstücke während der Bearbeitung verändert. Die Geometrieveränderungen können sich regelmäßig durch die geänderte Teilegeometrie, insbesondere Zahnlücken und die Werkstückmasse.
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Eine dauerhafte Modulation der Anregungsfrequenz kann vorzugsweise auch durch ein Werkzeug mit ungleicher Teilung erreicht werden. Eine Bearbeitung mit derartigen Werkzeugen kann schon teilweise ein Aufschwingen des Systems verhindern. Durch Kombination dieser Werkzeuge mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich noch mehr Möglichkeiten, ein Aufschwingen des Werkstückes bzw. der Maschine zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft des weiteren eine Werkzeugmaschine zum Wälz- und/oder Profilfräsen und/oder Wälz- und/oder Profilschleifen eines Werkstücks auf der das erfindungsgemäße Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchführbar ist. Die Werkzeugmaschine weist erfindungsgemäß demnach wenigstens eine Maschinenachse zur Regulierung der Drehzahl des Werkzeugs.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden durch die gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
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1: eine Darstellung einer bekannten CNC-Werkzeugmaschine und
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2: Zeitdiagrammdarstellung der Werkzeugdrehzahl.
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Die 1 zeigt eine Darstellung einer bekannten CNC-Wälz- und Profilfräsmaschine 10. Die hier dargestellte CNC-Maschine ist bekannten Aufbaus und wird daher im einzelnen nicht nochmals erläutert. In der schematischen perspektivischen Darstellung der CNC-gesteuerten Fräs- oder Schleifmaschine 10 für Wälz- oder Profilbearbeitung sind die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen eingezeichnet. Der Darstellung sind die fünf Standardachsen der CNC-Maschine zu entnehmen, die sich in die drei Linearachsen X1, Z1, V1 sowie die drei Rotationsachsen A1, B1 und C2 einteilen lassen. Die Rotationsachse A1 dient zum Einschwenken der Werkzeugs, die Rotationsachse B1 ist für die Drehbewegung des verwendeten Werkzeugs zuständig, insbesondere des eingespannten Fräsers, und die Rotationsachse C2 bezeichnet die Drehbewegung des hier ebenfalls nicht dargestellten zu bearbeitenden Werkstücks auf dem Werkstücktisch. Die drei Linearachsen X1, Z1 und V1 dienen zur Radialbewegung des Werkzeugs (X1) zur Vorschubbewegung des Werkzeugs (Z1) sowie zur Tangentialbewegung des Werkzeugs (V1).
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Die Schnittgeschwindigkeit, mit der ein eingespanntes Werkstück auf dem Werkstücktisch bearbeitet wird, lässt sich durch die Drehzahl um die Rotationsachse B1 bestimmen. Im erfindungsgemäßen Verfahren der vorliegenden Erfindung wird nunmehr von Anfang an die angewendete Schnittgeschwindigkeit, das heißt die Drehzahl des Werkzeugs um die Drehachse B1, moduliert, in dem ihr eine modulierende Zusatzbewegung überlagert wird. Die entsprechende Ansteuerung der Linear- und Rotationsachsen der CNC-Maschine wird durch die bekannte CNC-Steuerung übernommen. Die voreingestellte Ausgangsschnittgeschwindigkeit um die Drehachse B1 wird demnach derart moduliert, so dass eine sinusförmige Anregung in einer Höhe von ±30% der Ausgangsschnittgeschwindigkeit realisiert wird. Hierdurch wird die Anregungsfrequenz, die die Maschinenkomponenten zur Schwingung in ihrer Eigenfrequenz anregt, dauernd verändert und somit ein Aufschwingen der Schwingungen der Maschinenkomponenten verhindert. Dadurch lässt sich ein Rattern im Prozess verhindern bzw. stark vermindern.
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Alternativ kann die Schnittgeschwindigkeit mit einer linearförmigen, rampenförmigen, stufenförmigen oder sägezahnförmigen Anregung überlagert werden. Die 2a bis 2h zeigen den Zeitverlauf der Werkzeugdrehzahl n während des Bearbeitungsprozesses, wobei die Schnittgeschwindigkeit mit diversen Anregungsformen überlagert wurde. Im Einzelnen zeigt die 2a einen sägezahnförmigen Verlauf der Werkzeugdrehzahl n nach der Zeit, die 2b bis 2d zeigen stufenförmige Verläufe mit konstanten oder ansteigenden Mittelwerten. Die 2e bis 2g zeigen wellenförmige Verläufe, die durch eine sinusförmige oder andere wellenförmige Anregung erzeugt wurden. Die letzte 2h zeigt nochmals einen säge zahnförmigen Verlauf, wobei der Mittelwert der Drehzahl n über die Zeit linear abnimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2042138 [0005, 0005]
- DE 102005002698 [0006]
