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Technisches Anwendungsgebiet und Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schruppbearbeitung eines Werkstücks mit einer Mehrachs-Fräsmaschine, die mehr als drei Bearbeitungsachsen aufweist. Das Verfahren lässt sich für das Fräsen von Vertiefungen oder Auswölbungen in Werkstücken einsetzen, die sich mit dreiachsigen Fräsmaschinen nur unzureichend bearbeiten lassen.
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Die Entwicklung der CAD-Industrie von zweidimensionalen Zeichnungen hin zur Erzeugung von dreidimensionalen Modellen stellt die weitere Fertigungskette vor neue Herausforderungen. Die bisherigen Fertigungsmaschinen für die spanabhebende Bearbeitung waren meist mit drei Achsen ausgerüstet. Die Programmierung war noch recht einfach direkt an der Steuerung möglich oder es konnten recht einfache Algorithmen verwendet werden, die die Bearbeitungsbahnen für die spanabhebende Bearbeitung erzeugen konnten. Eine Erstellung von mehr als dreiachsigen Bearbeitungsbahnen für Freiformflächen ist nicht mehr wirtschaftlich manuell zu bewältigen. Es muss eine Software verwendet werden, die aus dem dreidimensionalen Werkstückmodell eine mehrachsige Bearbeitungsbahn erzeugt. Hier ist zwischen zwei unterschiedlichen Bearbeitungsschritten zu unterscheiden, der Vorbearbeitung (Schruppen) und der Endbearbeitung eines Werkstücks.
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Bei der Endbearbeitung werden die Werkzeugpositionen so gewählt, dass die Form des gewünschten Bauteils möglichst genau erzeugt wird. Dieser Bearbeitungsschritt wird zum Teil bereits für mehr als dreiachsige Maschinen angeboten.
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Aus wirtschaftlichen Gründen hat sich bewährt, vor dieser Endbearbeitung zunächst nur mit groben Werkzeugen, die von ihrer Beschaffenheit auf einen möglichst großen Volumenabtrag optimiert sind, die Sollgeometrie des Werkstücks möglichst genau anzunähern. Auch wenn die Oberflächen nach dieser groben Vorbearbeitung, auch als Schruppbearbeitung bezeichnet, sehr rau sind und die Geometrie nur sehr grob angenähert wird, kann durch dieses Vorgehen eine erhebliche Zeitersparnis bei der spanenden Fertigung erreicht werden. Auch die Bahnberechnung für diese Vorbearbeitung kann eine erhebliche Reduktion der Fertigungszeit bringen, indem die Bearbeitungsbahn auf einen möglichst großen Volumenabtrag pro Zeit optimiert wird.
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Die Bahnberechnung wie auch die Schruppbearbeitung selbst erfolgen bisher nur für dreiachsige Maschinen. Bei einer erweiterten Bearbeitungsstrategie wird dabei zusätzlich zu den drei Achsen des Werkzeuges noch das Werkstück gedreht. Damit können jedoch nur rotatorische Bauteile geschruppt werden. Die dreiachsigen Schruppalgorithmen liefern für Freiformflächen meist nur eine sehr schlechte Annäherung an die Sollgeometrie. Insbesondere verbleiben in vielen Fällen deutliche Stufen, die bei der anschließenden Endbearbeitung entfernt werden müssen und damit zu einer langsameren Endbearbeitung und insgesamt langen Bearbeitungszeit führen. Oft müssen auch längere Werkzeuge verwendet werden, um gewisse Bereiche ohne Kollision bearbeiten zu können. Dies führt jedoch zu einer reduzierten Stabilität der Werkzeuge, zu einer geringeren Formtreue und erhöht die Bearbeitungszeit. Bei einigen Bauteilen kann das Material in einer Aufspannung nur sehr grob entfernt werden. Oft ist es daher wirtschaftlicher, die Schruppbearbeitung in mehreren Schritten mit unterschiedlicher Aufspannung durchzuführen, was ebenfalls zu einer deutlichen Verlängerung der Bearbeitungszeit führt.
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Die
WO 2010/006768 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Fertigteils aus einem Rohteil mittels eines Fräswerkzeuges. Es geht bei dem Verfahren insbesondere um den Eintauchvorgang des Werkzeugs in die jeweilige Schicht, um dadurch eine Schonung des Werkzeugs bei der Bearbeitung zu erreichen. Die einzelnen Schichten sind dabei durch identische Hilfsflächen voneinander getrennt.
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Die
EP 1 326 150 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Generierung einer Werkzeugbahn für die Schruppbearbeitung mit einer Mehrachsfräsmaschine mit mehr als drei Bearbeitungsachsen. Bei dem Verfahren wird aus einer Anfangsbahn und einer Endbahn des Werkzeugs eine mittlere Werkzeugbahn bestimmt, die zwischen der Anfangsbahn und der Endbahn liegt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Schruppbearbeitung eines Werkstücks anzugeben, dass eine demgegenüber kürzere Bearbeitungszeit bis zum Erreichen der Sollgeometrie des Werkstücks ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Darstellung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Mehrachs-Fräsmaschine für die Schruppbearbeitung eingesetzt, die mehr als drei Bearbeitungsachsen aufweist. Für die Schruppbearbeitung wird eine dreidimensionale Sollfläche einer im Werkstück zu erzeugenden Ausnehmung vorgegeben, die eine obere Begrenzungsfläche, eine Bodenfläche und mindestens eine Wandfläche aufweist, die die Bodenfläche mit der oberen Begrenzungsfläche verbindet. Die obere Begrenzungsfläche kann durch die Ausgangsfläche des Werkstücks am Ort der Ausnehmung gegeben sein oder frei vom Anwender vorgegeben werden. Zwischen der Bodenfläche und der oberen Begrenzungsfläche werden eine oder mehrere übereinander liegende Abtragungsschichten erzeugt, die sich jeweils bis zur Wandfläche erstrecken. Die Anzahl der übereinander liegenden Abtragungsschichten hängt von der Tiefe bzw. Höhe der Ausnehmung sowie vom verwendeten (Fräs-)Werkzeug ab. Bei einer Ausnehmung mit nur geringer Tiefe kann diese unter Umständen in nur einem Bearbeitungsschritt, d. h. mit einer einzigen Zustellung des eingesetzten Werkzeuges abgetragen werden. Bei tieferen Ausnehmungen müssen mehrere Abtragungsschichten nacheinander abgetragen werden, um die gewünschte Sollfläche zu erhalten. Die einzelnen Abtragungsschichten, die bei dem vorgeschlagenen Verfahren durch einen Algorithmus erzeugt werden, sind somit jeweils von einer oberen und einer unteren Begrenzungsfläche sowie seitlich von der Wandfläche der zu erzeugenden Ausnehmung begrenzt.
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Für jede der Abtragungsschichten wird eine Bearbeitungsbahn zur Schruppbearbeitung mit variabler Anstellung des für die Bearbeitung eingesetzten Werkzeuges berechnet. Die Schruppbearbeitung wird anschließend durch Materialabtrag der einen oder mehreren Abtragungsschichten entlang der berechneten Bearbeitungsbahn(en) mit der variablen Anstellung des Werkzeuges durchgeführt. Die Orientierung der Werkzeugachse ändert sich somit in der Regel während der Abtragung einer Abtragungsschicht. Durch die variable Anstellung lässt sich die Sollfläche wesentlich besser annähern als mit den bisherigen dreiachsigen Maschinen, die nur eine feste Orientierung des eingesetzten Werkzeuges während der gesamten Bearbeitung ermöglichen.
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Das Ziel der Bearbeitung bei dem vorgeschlagenen Verfahren besteht im Gegensatz zur Endbearbeitung nicht in einer möglichst exakten Werkstückgeometrie, sondern in einer möglichst geringen Fertigungszeit bei Annäherung an die gewünschte Werkstückgeometrie, wobei der Volumenabtrag pro Zeit optimiert wird.
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Durch den Einsatz einer Mehrachs-Fräsmaschine mit mehr als drei Bearbeitungsachsen, vorzugsweise einer fünfachsigen Maschine, kann durch die variable Anstellung des eingesetzten Werkzeuges eine Ausbildung unerwünschter Stufen an schräg verlaufenden Wandflächen oder bei gekrümmten Bodenflächen der Ausnehmung vermieden werden. Ein Werkzeug umfasst in der vorliegenden Patentanmeldung zumindest eine Schneide und kann je nach Ausgestaltung auch noch einen Schaft und/oder einen Dorn und/oder eine Halterung aufweisen. Die Anstellung wird dabei jeweils so variiert, dass die Sollfläche durch die Schruppbearbeitung kollisionsfrei möglichst gut angenähert wird. Die variable Anstellung des Werkzeugs wird also so gewählt bzw. berechnet, dass bei gegebener Werkzeuglänge während der Schruppbearbeitung keine Kollision des Werkzeuges mit dem Werkstück auftritt. Es können durch die variable Einstellung auch oft kürzere Werkzeuge verwendet werden, da die Anstellung des Werkzeuges über die mehr als drei Achsen einen kürzeren Bearbeitungsabstand zu den Wandflächen ohne Kollision des Werkzeugs, d. h. der Schneide sowie ggf. des Schafts, des Dorns und der Halterung, mit den Wandflächen ermöglicht. Vorzugsweise wird die variable Anstellung auf eine kollisionsfreie Bearbeitung mit möglichst kurzen Werkzeugen hin optimiert. Bauteile mit mehreren unterschiedlichen Ausbuchtungen, Hinterschneidungen oder Taschen, die unter unterschiedlichen Winkeln bearbeitet werden müssen, lassen sich dabei mit nur einer Aufspannung bearbeiten. Insgesamt führt das vorgeschlagene Verfahren somit zu einer schnelleren Bearbeitung und damit insgesamt kürzeren Bearbeitungszeit bezogen auf die Kombination aus Vor- und Endbearbeitung.
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Für die Erzeugung der Abtragungsschichten werden eine oder mehrere Hilfsflächen zwischen der Bodenfläche und der oberen Begrenzungsfläche berechnet, deren geometrische Form zwischen der geometrischen Form der Bodenfläche und der geometrischen Form der oberen Begrenzungsfläche liegt. Hierzu kann beispielsweise das so genannte Morphing eingesetzt werden. Die eine oder mehreren Hilfsflächen bilden somit einen Übergang zwischen den beiden geometrischen Formen, d. h. die Abweichung der geometrischen Form der jeweiligen Hilfsfläche von der darunter liegenden Fläche, bspw. der Bodenfläche oder einer weiteren Hilfsfläche, ist geringer als die Abweichung der darüber liegenden Fläche, bspw. einer weiteren Hilfsfläche oder der oberen Begrenzungsfläche, von dieser darunter liegenden Fläche. Die auf diese Weise berechneten Hilfsflächen stellen die Trennflächen zwischen den übereinander liegenden Abtragungsschichten dar und erzeugen damit diese Schichten.
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In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Anstellung des Werkzeuges so gewählt, dass der Anstellwinkel jeweils der Flächennormalen auf die untere Begrenzungsfläche der jeweils gerade bearbeiteten Abtragungsschicht am Ort der Bearbeitung entspricht. Gerade bei nicht ebenen Bodenflächen und damit in der Regel auch entsprechend gekrümmten Hilfsflächen führt diese Bearbeitung durch die jeweilige Anpassung der Anstellung des Werkzeuges zu einer sehr guten Annäherung an die Kontur der Bodenfläche.
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In einer anderen Ausgestaltung, bei der die Anstellung des Werkzeuges auch von der Flächennormalen auf die jeweilige untere Begrenzungsfläche der gerade bearbeiteten Abtragungsschicht abweichen kann, wird die Anstellung des Werkzeuges so gewählt, dass sich der Anstellwinkel von Abtragungsschicht zu Abtragungsschicht an der jeweiligen Bearbeitungsstelle kontinuierlich oder schrittweise ausgehend von der Flächennormalen auf die obere Begrenzungsfläche an die Flächennormale auf die Bodenfläche annähert. Auch diese Vorgehensweise führt zu einer guten Annäherung an die Kontur der Bodenfläche. Der Anstellwinkel wird dabei somit mit jedem Zustellschritt an die Flächennormale auf die Bodenfläche angenähert.
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Neben dieser letztgenannten Variation des Anstellwinkels am jeweiligen momentanen Bearbeitungsort von Abtragungsschicht zu Abtragungsschicht erfolgt in der Regel auch eine Variation des Anstellwinkels in der jeweiligen Abtragungsschicht. Diese Variation kann durch eine gekrümmte untere Begrenzungsfläche der Abtragungsschicht wie in der weiter oben beschriebenen Ausgestaltung oder auch durch schräg verlaufende Wandflächen bedingt sein. Vorzugsweise wird hierbei der Anstellwinkel des Werkzeuges so variiert, dass die Werkzeugachse am Rand der Abtragungsschicht jeweils annähernd parallel zur angrenzenden Wandfläche orientiert ist.
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Als Eingangsdaten können bei dem vorgeschlagenen Verfahren die unterschiedlichsten Datenformate verarbeitet werden, bspw. STL (Surface Tessellation Language), Nurbs (Non-uniform rational B-spline) u. a. Ebenso können beliebige Werkzeugtypen und Formen der Ausnehmung berechnet werden. Die Berechnung der Bearbeitungsbahn erfolgt dabei jeweils in bekannter Weise je nach eingesetztem Werkzeug entsprechend dem gewünschten Bahnüberlapp und anderen Parametern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer dreiachsigen Schruppbearbeitung zur Erzeugung einer Ausnehmung;
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2 eine schematische Darstellung mit variabler Werkzeuganstellung zur Erzeugung einer Ausnehmung wie bei 1;
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3 eine schematische Darstellung einer dreiachsigen Schruppbearbeitung für ein Werkstück mit zwei Taschen in einer Aufspannung;
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4 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Erzeugung der beiden Taschen wie in 3;
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5 eine schematische Darstellung einer dreiachsigen Schruppbearbeitung eines Werkstücks mit zwei Taschen bei zwei Aufspannungen;
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6 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Erzeugung der beiden Taschen wie in 5 in einer Aufspannung; und
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7 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Anstellwinkel des Werkzeugs bei der Schruppbearbeitung einer Ausnehmung mit gekrümmter Bodenfläche.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung zur Schruppbearbeitung eines Werkstücks mit der bisher eingesetzten dreiachsigen Schruppbearbeitung. Die Figur zeigt das Rohmaterial 1, in dem durch die Schruppbearbeitung eine Ausnehmung 3 erzeugt werden soll, durch die das fertige Bauteil 2 erhalten wird. Die Ausnehmung 3 weist dabei eine Bodenfläche 4, eine umlaufende Wandfläche 5 sowie eine obere Begrenzungsfläche 6 auf, die durch die obere Begrenzung des Rohmaterials 1 gegeben ist. Die Bodenfläche 4, Wandfläche 5 und obere Begrenzungsfläche 6 definieren das Bearbeitungsvolumen 7. Bei Nutzung einer dreiachsigen Fräsmaschine wird das Bearbeitungsvolumen 7 in diesem Falle in zwei übereinander liegenden Schichten mit dem Werkzeug 8 abgetragen. Das Werkzeug kann dabei lediglich in einer einzigen Anstellung 9 geführt werden, wie sie in der Figur durch die Pfeilrichtung angedeutet ist. Das Werkzeug 8 wird entlang der entsprechend berechneten Bearbeitungsbahnen 10 für die Abtragung jeder Bearbeitungsschicht geführt. Durch die fixe Werkzeuganstellung 9 entsteht jedoch in diesem Beispiel durch die Schruppbearbeitung eine Ausnehmung mit einer stufigen Seitenfläche, wodurch auch eine größere Menge an Restmaterial 11 nach dem Schruppen verbleibt. Daher muss bei der späteren Endbearbeitung noch sehr viel Material abgetragen werden, um die gewünschte dreidimensionale Sollfläche der Ausnehmung 3 bzw. des fertigen Bauteils 2 zu erreichen.
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2 zeigt demgegenüber ein Beispiel für die Erzeugung dieser Ausnehmung 3 mit variabler Anstellung des Werkzeugs, wie sie auch bei dem vorgeschlagenen Verfahren einsetzt wird. Auch hier werden zwei übereinander liegende Abtragungsschichten erzeugt. Allerdings wird die Werkzeuganstellung 9 in jeder der Abtragungsschichten entlang der Bearbeitungsbahnen 10 so geändert, dass das Werkzeug 8 an den Rändern der Ausnehmung annähernd parallel zur Wandfläche 5 ausgerichtet ist. Damit werden die in 1 dargestellten Stufen am Rand der Ausnehmung bei der Schruppbearbeitung vermieden. Es verbleibt deutlich weniger Restmaterial 11 nach dem Schruppen, so dass die anschließende Endbearbeitung in kürzerer Zeit erfolgen kann. Die unterschiedlichen Werkzeuganstellungen 9 sind auch in dieser Zeichnung durch die Richtung der jeweiligen Pfeile auf den Bearbeitungsbahnen 10 angedeutet.
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Die 3 und 4 zeigen ein weiteres Beispiel, das die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber der dreiachsigen Schruppbearbeitung gemäß dem Stand der Technik verdeutlicht. 3 zeigt hierbei die Sollfläche des zu fertigenden Bauteils 2 sowie das zunächst eingesetzte Rohmaterial 1 wie bei den 1 und 2. In diesem Beispiel sollen zwei Ausnehmungen auf beiden Seiten des Werkstücks erzeugt werden, wie dies in der Figur durch die beiden Bearbeitungsvolumina 7 angedeutet ist. Bei Nutzung einer dreiachsigen Schruppbearbeitung mit einem Werkzeug 8 in nur einer Aufspannung verbleibt hierbei sehr viel Restmaterial 11 nach der Schruppbearbeitung, wie dies aus der 3 ersichtlich ist. In der Figur sind wiederum die Bearbeitungsbahnen 10 sowie die festen Werkzeuganstellungen 9 angedeutet.
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Im Gegensatz dazu lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren deutlich mehr Material bei der Schruppbearbeitung entfernen, so dass die gewünschten Ausnehmungen mit nur einer Werkzeugaufspannung sehr gut angenähert werden. In der 4 ist hierzu wiederum das entsprechende Rohmaterial 1, das zu erzeugende fertige Bauteil 2 sowie die Ausnehmungen 3 bzw. Bearbeitungsvolumina 7 angedeutet, die jeweils von einer Bodenfläche 4, einer umlaufenden Wandfläche 5 und der oberen Begrenzungsfläche 6 umgeben sind. Durch die Möglichkeit der Verwendung variabler Werkzeuganstellungen 9 in den unterschiedlichen erzeugten Abtragungsschichten lässt sich sehr gut die gewünschte geometrische Form der Ausnehmung durch die erfindungsgemäße Schruppbearbeitung annähern. In diesem Beispiel wurden drei Abtragungsschichten erzeugt, die jeweils durch Hilfsflächen, wie sie die durch die Bearbeitungsbahnen 9 angedeutet sind, voneinander getrennt sind.
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Die 5 und 6 zeigen einen weiteren Vergleich einer bekannten dreiachsigen Schruppbearbeitung mit der Schruppbearbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. 5 zeigt hierzu ein zu fertigendes Bauteil 2, das zwei Ausnehmungen in zueinander senkrechten Flächen aufweist. In der Figur sind hierbei jeweils die Bearbeitungsbahnen 10 für die Schruppbearbeitung in mehreren Abtragungsschichten angedeutet, wobei jede Ausnehmung in einer anderen Aufspannung des Werkzeuges erfolgt.
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6 zeigt demgegenüber ein Beispiel für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens, bei dem das Werkstück mit nur einer Aufspannung für die beiden unterschiedlichen Ausnehmungen bearbeitet wird. Im Gegensatz zur dreiachsigen Bearbeitung gemäß 5 werden hier jedoch jeweils Abtragungsschichten mit zum Teil gekrümmten unteren Grenzflächen erzeugt, wie dies in der Figur durch den Verlauf der Bearbeitungsbahnen 10 angedeutet wird. Die Begrenzungsflächen der Abtragungsschichten, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Hilfsflächen bezeichnet, sind dabei so gewählt, dass sie sich ausgehend von der oberen Begrenzungsfläche 6 in der geometrischen Form mit zunehmender Annäherung an die Bodenfläche 4 an die geometrische Form der Bodenfläche 4 annähern. Durch diese auch als Morphing bezeichnete Vorgehensweise wird das Restmaterial 11, das nach dem Schruppen noch in der Ausnehmung verbleibt, gegenüber der bisherigen Bearbeitung deutlich verringert. Für die anschließende Endbearbeitung muss somit weniger Material entfernt werden, so dass sich die Bearbeitungszeit bis zur Herstellung des fertigen Bauteils 2 gegenüber der bisherigen Vorgehensweise verringert.
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Die bei dem vorliegenden Verfahren eingesetzte Technik der schrittweisen Anpassung der Werkzeuganstellungen oder Hilfsflächen mit jeder Schruppzustellung an die Ziel- bzw. Bodenfläche wird anhand der 7 nochmals beispielhaft dargestellt. Diese Figur zeigt wiederum das zu erzeugende fertige Bauteil 2 mit der darin enthaltenen Ausnehmung. Die Ausnehmung wird wiederum durch eine Bodenfläche 4, eine umlaufende Wandfläche 5 und eine obere Begrenzungsfläche 6 begrenzt, die durch das Rohmaterial vorgegeben ist. Im vorliegenden Beispiel werden für die Schruppbearbeitung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die dargestellten sieben übereinander liegenden Abtragungsschichten erzeugt, von denen jeweils die untere Begrenzungsfläche durch die Bearbeitungsbahn 10 angedeutet ist. Diese unteren Begrenzungsflächen bzw. Hilfsflächen werden so erzeugt, dass sie sich von Schicht zu Schicht ausgehend von der oberen Begrenzungsfläche 6 an die geometrische Form der Bodenfläche 4 annähern. Jede Abtragungsschicht endet dabei seitlich an der Wandfläche 5. Die Anstellwinkel des Werkzeuges (Werkzeuganstellungen 9) sind hierbei so gewählt, dass sie jeweils senkrecht auf der unteren Begrenzungsfläche jeder Abtragungsschicht stehen. Dies ist wiederum durch die Richtung der Pfeile auf den einzelnen Bearbeitungsbahnen 10 veranschaulicht. Auf diese Weise lässt sich durch die Schruppbearbeitung mit dem vorgeschlagenen Verfahren bereits eine sehr gute Annäherung an die gewünschte geometrische Form der Ausnehmung erreichen, so dass für die anschließende Endbearbeitung für das fertige Bauteil 2 eine geringere Bearbeitungszeit benötigt wird.
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In gleicher Weise wie die in den obigen Beispielen beschriebene Erzeugung einer Vertiefung lässt sich selbstverständlich auch ein Bauteil mit einer Auswölbung erzeugen. Der Bereich um diese Auswölbung entspricht dabei dem Bearbeitungsvolumen bzw. der Ausnehmung, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugt wird. Die Ausnehmung umschließt dabei entsprechend die zu erzeugende Auswölbung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohmaterial
- 2
- fertiges Bauteil
- 3
- Ausnehmung
- 4
- Bodenfläche
- 5
- Wandfläche
- 6
- obere Begrenzungsfläche
- 7
- Bearbeitungsvolumen
- 8
- Werkzeug
- 9
- Werkzeuganstellungen
- 10
- Bearbeitungsbahnen bzw. Hilfsflächen
- 11
- Restmaterial
