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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Freiformflächen, insbesondere Freiformflächen mit lokal unterschiedlichen Krümmungen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder ähnlichen Bauteilen.
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Es ist bekannt, geometrisch kompliziert geformte, beispielsweise in zwei verschiedenen Richtungen gekrümmte Flächen, mit Fräswerkzeugen, beispielsweise Fingerfräsern, zu bearbeiten, wobei die Drehachse des Fräswerkzeugs mit einem spitzen Winkel gegen die Normalenrichtung der zu erzeugenden Freiformfläche geneigt ist. Dieser spitze Winkel wird in der Fachwelt auch als Leadwinkel bezeichnet.
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Aus der
DE 103 30 831 A1 ist es bekannt, den Leadwinkel abhängig von der Kontur des zu fräsenden Werkstücks zu ändern.
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Der in Vorwärtsrichtung gegen die Normalenrichtung geneigte rotierende Fräser wird entsprechend der gewünschten Oberflächenform über das Werkstück geführt und erbringt den gewünschten Materialabtrag. In 1 ist eine zur Durchführung einer solchen Bearbeitung geeignete Maschine schematisch veranschaulicht. 2 zeigt ein Fräswerkzeug im Eingriff mit einem entsprechenden Werkstück am Beispiel einer Turbinenschaufel.
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Der Fräser fährt die Oberfläche des Werkstücks auf Bahnen ab, wobei die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Fräser durch geeignetes Ansteuern der Achsen X, Y und C bei der Maschine nach 1 erreicht wird. Es ergeben sich dabei die in 6 veranschaulichten Achswege für die Bewegungen in X-Richtung, in Y-Richtung und in die C-Achse. Wie ersichtlich sind die für ein konkretes Beispiel auftretenden Achswege relativ groß. Insbesondere aber sind sprunghafte Achsbewegungen im Bereich der scharf auslaufenden Hinterkante der Turbinenschaufel erforderlich. 7 zeigt die auftretenden Achsbeschleunigungen, die für alle drei Achsen äußerst hoch sind. Ist die Bearbeitungsmaschine nicht in der Lage, diese hohen Beschleunigungen zu liefern, muss langsamer gearbeitet werden, was zu Lasten der Bearbeitungszeit geht. Selbst wenn die hohen Beschleunigungswerte jedoch geliefert werden können, bleibt diese Arbeitsweise hinsichtlich der zu erreichenden Bearbeitungsgenauigkeit kritisch. Es entstehen entlang des Bearbeitungswegs ungünstige Stellen, bei denen sogar eine Richtungsumkehr der Dreh- oder Schwenkachsen erzwungen wird, was sich äußerst negativ auf erzielbare Vorschubgeschwindigkeiten und eben auch Qualität der Oberfläche auswirkt.
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Davon ausgehend ist die Aufgabe der Erfindung, ein Konzept vorzuschlagen, mit dem sich bei der Fräsbearbeitung von Freiformflächen eine gute Bearbeitungsqualität bei geringer Bearbeitungszeit erreichen lässt.
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Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst:
Bei dem erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahren wird das Fräswerkzeug zunächst wie bekannt um eine Drehachse drehend angetrieben und entlang einer Bahn der Freiformfläche bewegt. Dabei nimmt seine Drehachse einen spitzen Winkel zur Flächennormalen der Freiformfläche ein. Die Drehachse des Fräswerkzeugs ist dabei vorzugsweise in Bewegungsrichtung geneigt. Der Winkel weist somit in Vorschubrichtung und wird deshalb auch als Leadwinkel bezeichnet. Erfindungsgemäß ist er entlang des Weges des Fräswerkzeugs variabel. Durch diese Maßnahme können die von den Achsen der Bearbeitungsmaschine zu erbringenden Beschleunigungen minimiert werden. Muss der Fräser beispielsweise zur Herstellung eines stark gewölbten Flächenbereichs, wie beispielsweise der Abströmkante einer Turbinenschaufel, auf einem relativ kurzen Bahnstück einen großen Schwenk von beispielsweise nahezu 180° um das Werkstück ausführen, kann das Fräswerkzeug bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nun schon bei Annäherung an den stark gekrümmten Flächenbereich stärker in Vorwärtsrichtung geneigt werden, wodurch der dann an der Abströmkante zu vollführende Schwenk, deutlich verringert wird. Ein Teil der an der starken Krümmung zu vollführenden Schwenkbewegung wird bereits im Vorfeld, also in Annäherung an die starke Krümmung vorweggenommen. Im Ergebnis lassen sich die von den Achsen schnell zu durchfahrenden Wege und insbesondere die von den Achsen zu erbringenden Beschleunigungen drastisch reduzieren, was sowohl der Bearbeitungsgüte wie auch der Bearbeitungszeit zu Gute kommt. Die Bearbeitungsgüte kann erhöht werden, während die Bearbeitungszeit gesenkt werden kann. Außerdem können weitere positive Effekte, wie beispielsweise eine Minderung des Schneidkantenverschleißes am Werkzeug, erreicht werden. Zum Beispiel kann das Abheben zu dünner Späne vermieden werden, das sonst auftreten und das zu unnötigem Verschleiß führen könnte.
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Insbesondere können sonst entlang des Bearbeitungswegs an ungünstigen Stellen möglicherweise auftretende Richtungsumkehrungen von Dreh- oder Schwenkachsen des Bearbeitungskopfs oder einer Werkstückdrehachse vermieden werden. Dies kann sich sehr positiv auf erzielbare Vorschubgeschwindigkeiten und auch auf die Oberflächenqualität des Werkstücks auswirken.
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Für die nachfolgende Beschreibung wird eine konvexe Wölbung eines Freiformflächenabschnitts als Bahnabschnitt positiver Krümmung gesehen. Läuft die Bahn über einen konkaven Freiformflächenabschnitt, wird die Bahn als negativ gekrümmt angesehen. Vorzugsweise wird der spitze Winkel vergrößert, wenn die positive Krümmung im weiteren Verlauf der Bahn zunimmt. Mit anderen Worten, läuft das Fräswerkzeug über einen positiv gekrümmten Bahnabschnitt und nimmt die positive Krümmung im erwarteten Bahnverlauf zu, wird der spitze Winkel (Leadwinkel oder Neigungswinkel) im Vorfeld, das heißt, vor Erreichen des stärker gekrümmten Bereichs, vergrößert.
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Läuft die Bahn hingegen auf einen Abschnitt mit negativer Krümmung zu, wird der Winkel vorzugsweise bereits im Vorfeld vermindert.
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Entsprechend ist es vorteilhaft, den Winkel vor Erreichen von Freiformflächenabschnitten mit zunehmend negativer Krümmung zu vermindern, um gewissermaßen den an der starken Krümmung erforderlichen Richtungswechsel des Fräswerkzeugs vorwegzunehmen und in die Länge zu ziehen.
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Umgekehrt wird es als vorteilhaft angesehen, den Winkel vor Erreichen von Freiformflächenabschnitten mit abnehmender positiver oder negativer Krümmung zu vermindern. Außerdem ist es hilfreich, den Winkel im Übergang von positiven Krümmungen auf negative Krümmungen vor Erreichen derselben zu vermindern und vor Übergang von negativen Krümmungen auf positive Krümmungen vor Erreichen derselben zu vergrößern. Die Leadwinkeländerung kann stufenweise oder kontinuierlich erfolgen.
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Zusätzlich zu dem Leadwinkel, d. h. dem spitzen Vorwärtsneigungswinkel der Drehachse, kann die Drehachse des Fräswerkzeugs auch seitlich geneigt sein. Eine solche Maßnahme kann zum Beispiel zweckmäßig sein, um an dem Fräswerkzeug einen ausreichenden effektiven Schneidendurchmesser zu erzielen. Durch die wechselnden Neigungen der Drehachse des Fräswerkzeugs kommt es zu einer Veränderung des wirksamen Schneidenradius oder Durchmessers, was so zu einem gewissen Maß ausgeglichen werden kann.
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Außerdem ist es möglich, entlang der Bahn des Fräswerkzeugs die Drehzahl desselben zu verändern. Beispielsweise kann die Drehzahl umgekehrt proportional zu der Größe des spitzen Winkels festgelegt werden, mit dem die Drehachse des Fräswerkzeugs in Bearbeitungsrichtung geneigt ist. Alternative Zusammenhänge sind möglich. Beispielsweise können unterschiedlichen Bahnabschnitten unterschiedliche Drehzahlen zugeordnet werden. Leadwinkel, Drehzahl und, falls vorhanden, Seitenneigungswinkel können so aufeinander abgestimmt werden, dass die Spandicke (weitgehend) konstant bleibt.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung der Beschreibung und Ansprüchen. Es zeigen:
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1, eine Vorrichtung zur Fräsbearbeitung von Freiformflächen, beispielsweise an Turbinenschaufeln, in sehr schematischer Perspektivdarstellung,
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2, einen Abschnitt einer Turbinenschaufel und eines Fräswerkzeugs in schematisierter perspektivischer Darstellung,
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3, die Turbinenschaufel und das Fräswerkzeug in verschiedenen Relativpositionen im Verlauf der Fräsbearbeitung als Prinzipskizze,
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4, die von der Vorrichtung nach 1 bei der Durchführung des Verfahrens nach 3 zur Durchlaufenden Achsverfahrwege als Diagramm,
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5, die in Folge der Achsverfahrwege auftretenden Achsbeschleunigungen als Diagramm.
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6, die Achsverfahrwege der Vorrichtung nach 1, bei der Durchführung eines Bearbeitungsverfahrens nach dem Stand der Technik mit konstantem Leadwinkel von 20°, und
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7, die sich dabei ergebenden Beschleunigungen der beteiligten Achsen der Vorrichtung nach 1 als Diagramm,
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8, eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens unter Bezugnahme auf die räumlichen Ausrichtungen der Flächennormalen und der Drehachse des Fräswerkzeugs, und
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9, die sich bei dem Verfahren nach 8 ergebenden Schwenkgeschwindigkeiten als Diagramme.
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In 1 ist eine Bearbeitungsmaschine 10 veranschaulicht, die zur Fräsbearbeitung von Freiformflächen hergerichtet ist. Dies wird am Beispiel einer Turbinenschaufel 11 erläutert, deren Fuß 12 auf einem nicht weiter veranschaulichten Drehtisch montiert ist. Der Drehtisch ist kontrolliert um eine im Ausführungsbeispiel vertikale Drehachse C drehbar gelagert. Von dem Fuß 12 erstreckt sich ein Schaufelblatt 14 weg, das wie aus 2 ersichtlich eine konvexe Saugseite 15, eine konkave Druckseite 16, eine mit größerem Radius gerundete Anströmkante 17 und eine mit kleinerem Radius gerundete Abströmkante 18 aufweist.
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Zur Durchführung der Bearbeitung ist ein Fräswerkzeug 19 vorgesehen, das wie in 1 dargestellt an einer Arbeitsspindel 20 gehalten ist. Die Arbeitsspindel 20 ist drehend angetrieben. Die entsprechende Drehachse 21 verläuft koaxial durch das Fräswerkzeug 19.
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Um die gewünschte spanende Bearbeitung zu bewirken, können das Fräswerkzeug 19 und die Turbinenschaufel 11 relativ zueinander bewegt werden. Die Bearbeitungsmaschine 10 weist zusätzlich zu der Drehachse C und der Drehachse 21 weitere Bewegungsmöglichkeiten, so genannte „Achsen”, auf. Zum Beispiel kann der die Turbinenschaufel 11 lagernde Drehtisch auf einem Verfahrtisch 22 angeordnet sein, der in zwei horizontal zueinander rechtwinklig stehenden Richtungen X und Z verfahrbar ist. Die Arbeitsspindel 20 kann in zumindest einer weiteren zum Beispiel vertikalen Richtung Y verfahrbar sein. Andere Achskonfigurationen sind möglich. Zum Beispiel kann die Spindel 20 zusätzlich in Z- und/oder X-Richtung verfahrbar sein. Entsprechend kann die X- oder Z-Verfahrbarkeit des Verfahrtischs 22 entfallen. Es können außerdem Neigungsmöglichkeiten beispielsweise um eine A-Achse für die Arbeitsspindel 20 gegen die Horizontalrichtung und/oder Vertikalrichtung vorgesehen sein, um das Fräswerkzeug 19 an jeder Stelle seiner Bahn wie gewünscht gegen die Oberfläche der Turbinenschaufel oder eines sonstigen Werkstücks neigen zu können.
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Zur Durchführung der Fräsbearbeitung wird das um die Drehachse 21 drehende Fräswerkzeug 19 mit der Oberfläche des Schaufelblatts 14 in Eingriff gebracht. Die Oberfläche 14 ist eine Freiformfläche, deren Wölbung sich sowohl entlang der Z-Richtung wie auch entlang der in 2 gestrichelt eingetragenen Bahn 24 fortwährend ändert oder zumindest ändern kann. Zum besseren Verständnis wird auf die schematisierte Darstellung in 3 verwiesen. Dort ist ein Umlauf des Fräswerkzeugs 19 entlang der Bahn 24 um das Schaufelblatt 14 veranschaulicht. Weitere ähnliche Umläufe führen die Bahn 24, ähnlich einer Schraubenlinie, um das Schaufelblatt 14, um dessen gesamte Oberfläche zu überstreichen. Nachfolgend wird ein einziger Umlauf erläutert, der entsprechend für die weiteren Windungen bzw. Umläufe gilt.
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Der in 3 veranschaulichte ring- oder wendelförmige Umlauf kann in eine Anzahl von Schritten, im vorliegenden Ausführungsbeispiel in 155 Zeitschritte, gegliedert sein, wie sie in den Diagrammen in 4 und 5 auf der horizontalen Achse abgetragen sind. Der Umlauf beginnt an einer Stelle oder „Station” a und endet auch wieder an dieser. Zwischenpositionen b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l und m sind in 3 zur Veranschaulichung dargestellt. Die Bahn 24 beginnt an der Station a, mit einer relativ großen positiven Krümmung. Der Krümmungsradius ist nicht allzu gering und der entsprechende vorausliegende Teil der Oberfläche (Saugseite 15) ist konvex gekrümmt. An der Station a beginnt die Fräsbearbeitung mit einem spitzen Winkel α zwischen der Drehachse 21 und der Flächennormalen 26 an der Station a. Der spitze Winkel α ist dabei in Vorschubrichtung geneigt. In 3 erfolgt der Umlauf auf der Bahn 24 in Uhrzeigerrichtung, d. h. von Station a nach b nach c und so weiter. Zusätzlich kann die Drehachse 21 seitlich geneigt sein, wenn es gewünscht wird.
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Im weiteren Verlauf der Bahn 24 wird der an der Abströmkante 18 zu erwartende äußerst große positive Krümmungswert vorausgesehen. Bevor dieser erreicht wird, liegt jedoch noch ein relativ langer Bahnabschnitt an den Stationen b, c, d, e und f, bei denen eine geringe positive Krümmung vorhanden ist. Dieser geringer gekrümmte Bahnabschnitt wird genutzt, um den spitzen Winkel α, beispielsweise wie in 3 dargestellt, fortwährend von Station zu Station zu erhöhen, zum Beispiel von 10° in Station a zu 20° in Station b, zu 30° in Station c, zu 40° in Station d, zu 60° in Station e und zu 80° in Station f. Das Fräswerkzeug 19 hat dadurch schon einen großen Teil der Schwenkbewegung vorweg genommen, die es ausführen müsste, wenn es um die relativ scharfe Abströmkante 18 herum geschwenkt werden muss. Es muss nun im Übergang von Station f zu Station h lediglich noch um etwas mehr als 90° geschwenkt werden. Deshalb wird der spitze Winkel α von Station f nach g auf 35° und von Station g nach h auf 10° minimiert. Im Grunde genommen nutzt der spitze Winkel α (Leadwinkel) hier die von a nach f aufgebaute Winkelreserve und braucht diese wieder auf.
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Im weiteren Verlauf der Bahn 24 folgt ein konkav gekrümmter Flächenbereich, nämlich die Druckseite 16 des Schaufelblatts 14. Über die Station i, j, k und l wird der spitze Winkel α wiederum vergrößert und zwar von 10° in der Station h zu 35° in der Station i, auf 50° in der Station j, auf 65° in der Station k und auf 80° in der Station l. Wieder hat der spitze Winkel α somit vor Erreichen des stärker und nun auch wieder positiv gekrümmten Abschnitts der Bahn 24 einen Maximalwert erreicht und somit eine Winkelreserve aufgebaut. Beim Durchlaufen des die Anströmkante 17 umgebenden Bahnabschnitts kann der spitze Winkel α allmählich wieder reduziert werden, über 20° in Position m zurück auf 10° in Position a.
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Die sich daraus ergebenden Bewegungen und Beschleunigungen sind in den Diagrammen nach 4 und 5 wieder gegeben. Dabei entsprechen die Positionen a bis m dem Zeittaktwerten nach 4 wie folgt:
Position a Takt 0
Position b Takt 10
Position c Takt 20
Position d Takt 30
Position e Takt 43
Position f Takt 63
Position g Takt 64
Position h Takt 65
Position i Takt 84
Position j Takt 94
Position k Takt 104
Position l Takt 114
Position m Takt 139
Position a Takt 155.
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Wie ersichtlich, muss zwischen Takt 63 und Takt 65 noch immer ein relativ großer Weg in den Achsen X, Y und C zurückgelegt werden, was gemäß 5 hohe Achsbeschleunigungen ergibt. Jedoch sind die zurück zu legenden Wege und die sich ergebenden Achsbeschleunigungen gegenüber einem Arbeiten mit konstantem spitzen Winkel von beispielsweise 20°, wie es in den 6 und 7 veranschaulicht ist, wesentlich reduziert. Infolge dessen sinkt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Maschinenbelastung, die Bearbeitungsgeschwindigkeit kann erhöht werden und es erhöht sich die Bearbeitunspräzision.
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Zur nochmaligen Verdeutlichung des Grundprinzips des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf 8 verwiesen. Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung ist die Bahn 24 dort in gerade Abschnitte sowie einen konvex gebogenen Abschnitt 24-1 und einen konkav gebogenen Abschnitt 24-2 aufgeteilt veranschaulicht. Außerdem wird die räumliche Ausrichtung der Flächennormale 26 durch einen Winkel γ repräsentiert, der an verschiedenen Bahnpunkten Werte γ1 – γ7 sowie beliebig viele Zwischenwerte annimmt. Der Winkel γ charakterisiert dabei die Ausrichtung der Flächennormalen 26 im Raum. Die Ausrichtung der Drehachse 21 wird durch den Winkel β beschrieben, der die Werte β1 – β7 sowie beliebig viele Zwischenwerte annimmt.
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Wie ersichtlich, ändert sich die räumliche Ausrichtung der Flächennormalen γ entlang gerader Bahnabschnitte nicht. Dies wird durch Vergleich der Winkel γ1, γ2 und γ3 ersichtlich. Hingegen ändert sich die Ausrichtung der Flächennormale γ in dem Bahnabschnitt 24-1, um den Betrag Δγ (γ5 – γ4 = Δγ). Im Beispiel beträgt Δγ etwa 180° Grad. Die Ableitung des Winkels γ nach dem Bahnelement dl wird als Winkel-Weg-Ableitung γ' oder mit anderen Worten, als Winkeländerungsrate bezeichnet. Diese ist in 9 veranschaulicht. Sie ist außerhalb der Bahnabschnitte 24-1 und 24-2 Null. In dem Bahnabschnitt 24-1 hat sie einen hohen von Null verschiedenen Wert. Gleiches gilt für den nicht veranschaulichten Bahnabschnitt 24-2.
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Die durch den Winkel β charakterisierte Ausrichtung der Drehachse 21 ändert sich hingegen nicht nur in den Bahnabschnitten 24-1 und 24-2, sondern zusätzlich auch in den vor- und/oder nachgelagerten Bahnabschnitten. In dem Bahnabschnitt 24-1 wie auch in dem Bahnabschnitt 24-2 ist die Änderung der Ausrichtung um den Änderungsbetrag Δβ zu beobachten (Δβ = β5 – β4). Die Ableitung des Winkels β nach dem Bahnelement dl heißt β'. Weil Δβ kleiner ist als Δγ, ist β' kleiner als γ', wie 9 zeigt. Allerdings werden Teile der erforderlichen Änderungen der Ausrichtung der Drehachse 21 vor Erreichen des Bahnabschnitts 24-1 oder nach Passieren desselben absolviert. Dies ist in 9 ersichtlich. Die Änderungsrate β' ist außerhalb des Bahnabschnitts 24-1 von Null verschieden.
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Wie ersichtlich, wird sowohl bei konvexen Bahnabschnitten 24-1 wie auch konkaven Bahnabschnitten 24-2, innerhalb des stark gekrümmten Bahnabschnitts, von der Drehachse 21 nur ein Teil der an sich erforderlichen Ausrichtungsänderung β absolviert. Die verbleibenden Teile werden vor- oder nachgelagert in der sich anschließenden schwächer oder nicht gekrümmten Bahn vorgezogen bzw. nachgeholt.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurde das erfindungsgemäße Verfahren jeweils anhand spezieller Achsen und Raumorientierungen erläutert. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren an Freiformflächen beliebiger Raumorientierung und bei beliebigen Achskonfigurationen ausgeführt werden kann.
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Zur Verbesserung der Bearbeitung von Freiformflächen, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, wird vorgeschlagen, den Leadwinkel des Fräswerkzeugs dynamisch zu verändern. Insbesondere kann der Leadwinkel vor Erreichen stark gekrümmter Bereiche jeweils in der Richtung vorab verstellt werden, in die er im stark gekrümmten Bereich ohnehin geändert werden müsste. Die Stellbewegungen der einzelnen Achsen die die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück bewirken, werden auf diese Weise zeitlich gedehnt, was der Bearbeitungsqualität und der Bearbeitungszeit zugute kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bearbeitungsmaschine
- 11
- Turbinenschaufel
- 12
- Fuß
- C
- Drehachse
- 14
- Schaufelblatt
- 15
- Saugseite
- 16
- Druckseite
- 17
- Anströmkante
- 18
- Abströmkante
- 19
- Fräswerkzeug
- 20
- Arbeitsspindel
- 21
- Drehachse
- 22
- Verfahrtisch
- X, Y, Z
- Linearachsen
- 24
- Bahn
- a–m
- Stationen der Bahn 24
- 26
- Flächennormale
- B
- Ausrichtung der Drehachse 21
- Γ
- Ausrichtung der Flächennormale 26
- A
- Differenz β – γ
- dl
- Wegelement der Bahn 24
- B'
- dβ/dl
- Γ'
- dγ/di
- Δβ
- βi+1 – βi
- Δγ
- γi+1 – γi
