DE102017106591A1

DE102017106591A1 - Werkzeuge und Verfahren zum interpolierten Fräsen

Info

Publication number: DE102017106591A1
Application number: DE102017106591.1A
Authority: DE
Inventors: Emenike Nick Chukwuma; Michael Joseph Habel; Gregory S. Carlone; Youssef Ziada
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-10-05
Also published as: CN107262793A; US10343224B2; US20190283147A1; US20170282259A1; US10695846B2

Abstract

Offenbart sind Fräswerkzeuge und -verfahren. Das Verfahren kann das Bewegen eines Fräswerkzeugs mit zumindest zwei axial voneinander beabstandeten Sätzen von Schneideinsätzen zu einer axialen Position innerhalb einer Bohrung in einem Material und das Rotieren des Fräswerkzeugs um eine Längsachse umfassen. Kontakt zwischen dem Fräswerkzeug und einer Wand der Bohrung kann in einer Region der Wand mit der geringsten Menge an Material an der axialen Position initiiert werden. Das Fräswerkzeug kann einen Werkzeugschaft mit einer Längsachse, einen ersten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen, die mit dem Werkzeugschaft verbunden sind, und einen direkt angrenzenden zweiten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen, die mit dem Werkzeugschaft verbunden sind und mit Abstand zum ersten Satz von Schneideinsätzen entlang der Längsachse angeordnet sind, umfassen. Der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen können zueinander um zumindest 10 Grad versetzt sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Werkzeuge und Verfahren zum interpolierten Fräsen, beispielsweise zum Fräsen von Nuten und/oder Flächen in einem Ventilkörper.
HINTERGRUND
Ventile werden für zahlreiche Verwendungszwecke eingesetzt, einschließlich für Fahrzeuge betreffende Verwendungszwecke. Ein Beispiel kann für ein Automatikgetriebe sein, das ein Hydrauliksystem zur Regulierung des Fluiddrucks und des Flusses des Hydraulikfluids in verschiedenen Leitungen, die mit Komponenten des Getriebes verbunden sind, umfasst. Das System kann ein Reglerschieberventil umfassen, das in einem Hauptsteuergussteil untergebracht ist. Das Gussteil, das aus einer Aluminiumlegierung bestehen kann, wird im Allgemeinen als Ventilkörper bezeichnet. Die Komponenten des Systems sind im Ventilkörper zusammengesetzt. Bestimmte Merkmale des Ventilkörpers können nach dem Gießen bearbeitet werden, wie z. B. Nuten und Oberflächen. Die Geschwindigkeit und/oder Qualität der Bearbeitungsvorgänge kann durch Vibrationen, wie z. B. vom System oder von Oberschwingungen, beeinflusst werden.
KURZDARSTELLUNG
In zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren kann das Bewegen eines Fräswerkzeugs mit zumindest zwei axial voneinander beabstandeten Sätzen von Schneideinsätzen zu einer axialen Position innerhalb einer Bohrung in einem Material, das Drehen des Fräswerkzeugs um eine Längsachse, das Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und einer Wand der Bohrung in einer die geringste Materialmenge an der axialen Position aufweisenden Region der Wand und das Bewegen des Fräswerkzeugs um einen Umfang der Bohrung herum umfassen.
Der Bewegungsschritt kann zumindest ein einmaliges Bewegen des Fräswerkzeugs um einen gesamten Umfang der Bohrung herum an der axialen Position umfassen, um zumindest eine Nut in der Bohrung zu bilden. In einer Ausführungsform umfasst der Bewegungsschritt zumindest ein einmaliges Bewegen des Fräswerkzeugs um einen gesamten Umfang der Bohrung herum an der axialen Position, um eine Fläche und eine Nut in der Bohrung auszubilden. Der Initiierungsschritt kann das Bewegen des Fräswerkzeugs auf einer bogenförmigen Bahn und das Kontaktieren der Wand der Bohrung in einem spitzen Winkel umfassen. In einer Ausführungsform kann die Wand zumindest teilweise zumindest zwei Kanäle definieren, die sich orthogonal zur Bohrung erstrecken und sie schneiden, wobei jeder der zumindest zwei axial voneinander beabstandeten Sätze von Schneideinsätzen auf einen der zumindest zwei Kanäle ausgerichtet ist, wenn das Fräswerkzeug sich in der axialen Position befindet, sodass das Bewegen des Fräswerkzeugs um den Umfang der Bohrung herum die zumindest zwei Kanäle, die mit den Sätzen von Schneideinsätzen ausgerichtet sind, vergrößert. Die zumindest zwei Kanäle, die auf die Sätze von Schneideinsätzen ausgerichtet sind, können jeweils verjüngt sein, sodass sie an einem ersten Ende breiter sind als an einem zweiten Ende; und der Initiierungsschritt kann das Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und der Wand der Bohrung in einer Region der Wand umfassen, die das erste Ende der zumindest zwei Kanäle umfasst.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren das Bereitstellen eines Schmiermittels in einem Druckluftstrom durch das Fräswerkzeug zu zumindest einem der Sätze von Schneideinsätzen umfassen, während das Fräswerkzeug um den Umfang der Bohrung herum bewegt wird. Eine Fließgeschwindigkeit des Schmiermittels, das mit Druckluftstrom bereitgestellt wird, kann 5 bis 200 ml/Stunde betragen. Vor dem Bewegungsschritt kann das Verfahren außerdem das Durchführen eines Modaltests an zumindest entweder dem Fräswerkzeug oder dem Material; und das Erstellen eines Schnitttiefe-über-Spindelgeschwindigkeit-Stabilitätskeulendiagramms umfassen, das eine Vielzahl von benachbarten Keulen umfasst, die auf dem Modaltest basieren; wobei eine Schnitttiefe und eine Spindelgeschwindigkeit des Fräswerkzeugs während des Bewegungsschritts auf einen Punkt zwischen einem Paar von benachbarten Keulen im Stabilitätskeulendiagramm eingestellt werden.
In zumindest einer Ausführungsform ist ein Verfahren bereitgestellt. Das Verfahren kann das Bewegen eines Fräswerkzeugs, das zwei axial voneinander beabstandete Sätze von Schneideinsätzen umfasst, zu einer axialen Position innerhalb einer Bohrung, das Rotieren des Fräswerkzeugs um eine Längsachse, das Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und einer Wand der Bohrung in einer die kleinste Oberfläche an der axialen Position aufweisenden Region der Wand und das Bewegen des Fräswerkzeugs um den Umfang der Bohrung herum umfassen.
In zumindest einer Ausführungsform wird ein Werkzeug zum interpolierten Fräsen bereitgestellt. Das Werkzeug kann einen Werkzeugschaft mit einer Längsachse, einen ersten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen, die mit dem Werkzeugschaft verbunden sind und einen direkt angrenzenden zweiten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen umfassen, die mit dem Werkzeugschaft verbunden sind und vom ersten Satz von Schneideinsätzen entlang der Längsachse beabstandet sind. Der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen können zueinander um zumindest 10 Grad versetzt sein. Der Werkzeugschaft kann einen axialen Schmiermitteldurchgang umfassen und zumindest ein radialer Schmiermitteldurchgang kann mit dem axialen Schmiermitteldurchgang kommunizieren und konfiguriert sein, um ein Schmiermittel zu jedem Satz von Schneideinsätzen zuzuführen.
Der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen können um zumindest 40 Grad zueinander versetzt sein. In einer Ausführungsform umfassen der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen jeweils drei Schneideinsätze und der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen sind um etwa 60 Grad zueinander versetzt. Das Werkzeug kann einen dritten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen umfassen, die mit dem Werkzeugschaft direkt angrenzend an den zweiten Satz von Einsätzen, und dem ersten Satz von Einsätzen entgegengesetzt, verbunden sind, und dieser kann vom zweiten Satz von Einsätzen entlang der Längsachse beabstandet sein. Der erste, zweite und dritte Satz von Schneideinsätzen können um zumindest 20 Grad zueinander versetzt sein. In einer Ausführungsform sind der erste, zweite und dritte Satz von Schneideinsätzen um etwa 40 Grad zueinander versetzt. Der erste Satz von Schneideinsätzen kann einen größeren Schneidradius aufweisen als der zweite Satz von Schneideinsätzen. In einer Ausführungsform können der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen jeweils einen positiven Spanwinkel aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Querschnitts eines Ventilkörpers gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine Seitenansicht des Querschnitts aus 1;
3 ist ein Querschnitt eines Fräswerkzeugs gemäß einer Ausführungsform;
4 ist ein Querschnitt eines weiteren Fräswerkzeugs gemäß einer Ausführungsform;
5 ist eine Endansicht eines Fräswerkzeugs mit ausgerichteten Schneideinsätzen gemäß einer Ausführungsform;
6 ist eine Endansicht eines Fräswerkzeugs mit versetzten Schneideinsätzen gemäß einer Ausführungsform;
7 ist eine Endansicht eines weiteren Fräswerkzeugs mit versetzten Schneideinsätzen gemäß einer Ausführungsform;
8 ist eine Endansicht eines Fräswerkzeugs mit Schneideinsätzen mit einem positiven Spanwinkel gemäß einer Ausführungsform;
9 ist ein schematischer Querschnitt eines Schneideinsatzes, der einen Materialspan von einem Werkstück entfernt, gemäß einer Ausführungsform;
10 ist ein schematischer Querschnitt eines Schneideinsatzes mit einem Voreilwinkel gemäß einer Ausführungsform;
11 ist ein Diagramm einer Fräswerkzeugbahn gemäß einer Ausführungsform;
12 ist eine Tabelle von Koordinaten, die mit den Punkten in 11 zusammenhängen;
13 ist ein Beispiel für ein Stabilitätskeulendiagramm für ein Fräswerkzeug; und
14 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Fräsen einer oder mehrerer Nuten in einem Ventilkörper gemäß einer Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich ist, sind hierin detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele der Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; manche Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten darzustellen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als Veranschaulichungsbasis zur Lehre für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung, damit diese die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weisen einsetzen können.
Das US-Patent Nr. 8,555,503 desselben Anmelders, das am 20. Juli 2011 eingereicht wurde, beschreibt Werkzeuge und Verfahren zum interpolierten Fräsen und seine Offenbarung ist durch Bezugnahme darauf in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen. Die Werkzeuge und Verfahren der vorliegenden Offenbarung können für die Werkzeuge und Verfahren, die im obigen Patent offenbart sind, verwendet werden und umgekehrt. Das obige Patent offenbart außerdem Werkzeuge und Verfahren, die das Bereitstellen von Schmiermittel in einem Druckluftstrom durch das Werkzeug zu den Schneidkanten umfasst. Die Menge an Schmiermittel, die verwendet wird, kann sehr gering sein, und diese kann als Schmiermittelmindestmenge (MQL) bezeichnet werden. Die Fließgeschwindigkeit des Schmiermittels kann beispielsweise 10 bis 200 ml/Stunde betragen. Im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung werden Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung in der Lage sein, Ausführungsformen oder Elemente der beiden Offenbarungen zu kombinieren.
Unter Bezugnahme auf die 1–2 ist ein Ventilkörper 12 dargestellt. Der Ventilkörper 12 kann ein Ventil, wie z. B. ein in ein Gussteil integriertes, direkt wirkendes Solenoidhydraulikventil umfassen, wie beispielsweise in der US 8,555,503 beschrieben wird. Das offenbarte Ventilgehäuse 12 kann jedoch auch für andere Ventile eingesetzt werden. Außerdem kann die vorliegende Offenbarung in anderen Bereichen als Ventilkörpern implementiert werden, und sie kann in jeder beliebigen Situation eingesetzt werden, in denen mehrere Nuten, Kanten und/oder Flächen gleichzeitig bearbeitet werden. Der Ventilkörper 12 kann ein Gussteil sein, wie z. B. ein Metallgussteil. In einer Ausführungsform kann der Ventilkörper 12 aus gegossenem Aluminium sein (z. B. rein oder eine Legierung davon). Jedes beliebige Gussverfahren kann eingesetzt werden, wie z. B. Druckguss (z. B. Hochdruckguss).
Der Ventilkörper 12 kann eine in ihm vorgesehene Bohrung 14 umfassen, die eine Mittelachse 16 aufweisen kann. Die Bohrung 14 kann zylindrisch oder im Wesentlichen zylindrisch sein. Die Bohrung 14 kann in den Körper 12 eingeformt sein oder anschließend eingearbeitet werden. In zumindest einer Ausführungsform kann der Ventilkörper 12 in ihm ausgebildete Kanäle oder Durchgänge 18 umfassen, die orthogonal zur Mittelachse 16 sein können. In den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen gibt es sieben Kanäle 18, die mit 20, 22, 24, 26, 28, 30 und 32 (von links nach rechts) gekennzeichnet werden können. Die Kanäle 18 können während des Gießens ausgebildet werden, beispielsweise unter Verwendung von Einsätzen in der Form. Die Einsätze können verjüngt sein, was auch als eine Entformungsschräge aufweisend bezeichnet werden kann, um die Entnahme aus dem Gussteil zu erleichtern. Als Ergebnis können die Kanäle 18 eine Verjüngung oder eine Entformungsschräge aufweisen. In den dargestellten Ausführungsformen sind die Kanäle so verjüngt, dass sie oben enger und unten breiter sind. Die Verjüngung kann jedoch jeden beliebigen Winkel aufweisen, je nachdem, wie die Einsätze positioniert sind.
Nach dem Gießen des Ventilkörpers 12 können ein oder mehrere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden, um Nuten, Kanten oder Flächen zum Ventilkörper 12 hinzuzufügen. In zumindest einer Ausführungsform können die Nuten, Kanten oder Flächen in einem oder mehreren der Kanäle 18 ausgebildet werden. Beispielsweise können die Kanäle 20, 24 und 28 in den dargestellten Ausführungsformen eine darin ausgebildete Nut oder Fläche aufweisen. Eine Fläche 34 ist dargestellt, die sich von einer Seite des Kanals 20 aus erstreckt, und Nuten 36 und 38 sind dargestellt, die die Kanäle 24 und 28 auf beiden Seiten erweitern. Da die Kanäle 18 eine Verjüngung oder eine Entformungsschräge aufweisen, kann mehr Material von der Oberseite der Fläche 34 und der Nuten 36 und 38 entfernt werden als von der Unterseite. Die Flächen und/oder Nuten können mit zwei Seitenwänden 40, die orthogonal zur Mittelachse 16 sind, und einer Endwand 42, die parallel zur Mittelachse 16 ist, ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen können jedoch eine oder beide der Seitenwände 40 verjüngt sein oder eine Abschrägung aufweisen.
Während die dargestellten Ausführungsformen des Ventilkörpers 12 eine Fläche und zwei in ihm ausgebildete Nuten aufweisen, kann es mehr oder weniger Flächen und/oder Nuten in jeder beliebigen Kombination geben. Es kann eine oder mehrere Nuten und/oder Flächen geben. In einer Ausführungsform kann die Gesamtzahl an Flächen und Nuten zumindest zwei betragen, z. B. zumindest 3 oder 4. In einer weiteren Ausführungsform kann die Gesamtzahl an Flächen und Nuten 2 bis 5, z. B. 2 bis 4 oder 2 bis 3, betragen. Zumindest zwei der Gesamtzahl an Flächen und Nuten können in einem einzigen Bearbeitungsschritt ausgebildet werden. Beispielsweise kann ein einziger Bearbeitungsvorgang (z. B. interpoliertes Fräsen) zumindest 3 oder zumindest 4 Flächen/Nuten ausbilden. In einer Ausführungsform können alle der Gesamtzahl an Flächen und Nuten in einem einzigen Bearbeitungsvorgang ausgebildet werden.
Die Flächen und/oder Nuten können durch einen interpolierten Fräsvorgang ausgebildet werden. Interpoliertes Fräsen kann das Einführen eines Fräswerkzeugs in eine Bohrung (oder andere Öffnung) umfassen, wobei das Fräswerkzeug einen kleineren Durchmesser/Radius aufweist als die Bohrung. Das Fräswerkzeug kann um seine eigene Längsachse rotieren und auch auf einer Bahn um den Umfang oder Umkreis der Bohrung bewegt werden, um Material davon zu entfernen. Im Falle einer Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt kann das Fräswerkzeug um eine kreisförmige Schneidbahn rotiert werden, die zu einem größeren Nutradius führt als der Radius der Bohrung (die Schneidbahn und die Bohrung können einen gemeinsamen Mittelpunkt haben). Demgemäß kann die Menge an Material, die aus der Bohrung entfernt wird, Schneidradius (z. B. von der Schneidkante zum Bohrungsmittelpunkt) minus Bohrungsradius sein. Das Fräswerkzeug kann eine oder mehrere Umdrehungen oder Umläufe um den Umkreis der Bohrung durchlaufen. Der Schneidradius kann bei nachfolgenden Umläufen erhöht werden oder gleich gehalten werden, um eine zylindrischere Oberfläche nach dem Fräsvorgang sicherzustellen.
In zumindest einer Ausführungsform kann es einen Planfräsvorgang geben, der bei der Ausarbeitung der Flächen und/oder Nuten enthalten ist. Das Planfräsen kann Schneiden in eine Richtung orthogonal zur Längsachse des Werkzeugs umfassen. Es kann jedoch dasselbe Werkzeug verwendet werden, um den Planfräsvorgang und den interpolierten Fräsvorgang durchzuführen. In einem Beispiel kann ein erster oder proximalster Satz von Einsätzen den Planfräsvorgang ausführen, während die restlichen Sätze der distaleren Einsätze nur interpolierte Fräsvorgänge ausführen. In diesem Beispiel kann der erste Satz von Einsätzen einen Durchmesser aufweisen, der größer als ein Abschnitt der Bohrung ist, sodass, wenn das Werkzeug axial in die Bohrung eingeführt wird, der erste Satz von Einsätzen in Kontakt mit dem Abschnitt der Bohrung kommt. Die Rotation des Werkzeugs kann einen Flächenschnitt in dem Abschnitt der Bohrung vornehmen, wodurch ihr Durchmesser auf den Durchmesser der Werkzeug-Schneideinsätze vergrößert wird. Nach dem Planfräsvorgang kann das Werkzeug interpoliert werden und der erste Satz von Einsätzen kann den Durchmesser der Bohrung vom plangefrästen Durchmesser weiter auf einen größeren Durchmesser vergrößern, wie oben beschrieben ist.
Der interpolierte Fräsvorgang kann unter Verwendung eines Fräswerkzeugs 50 durchgeführt werden, für das Beispiele in den 3 und 4 dargestellt sind. Dasselbe Werkzeug 50 kann auch den Planfräsvorgang durchführen, in Ausführungsformen, in denen ein solcher enthalten ist. Die Ausführungsform des Werkzeugs 50, die in 3 dargestellt ist, umfasst zwei Sätze von Schneideinsätzen 52, während die Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, drei Sätze von Schneideinsätzen 52 umfasst. Ein erster Satz 54 von Einsätzen 52 kann an oder nahe einem proximalen Ende des Werkzeugschafts 56 angeordnet sein, während ein zweiter Satz 58 von Einsätzen 52 an oder nahe einem distalen Ende des Werkzeugschafts 56 angeordnet sein kann. In der in 4 dargestellten Ausführungsform kann ein dritter Satz 60 von Einsätzen 52 zwischen dem ersten und zweiten Satz angeordnet sein. Es kann zusätzliche Sätze von Einsätzen 52 geben, die zwischen dem ersten, zweiten und dritten Satz angeordnet sein können.
Jeder Satz von Schneideinsätzen kann einen oder mehrere Schneideinsätze 52 aufweisen. Beispielsweise kann jeder Satz 2, 3, 4, 5 oder mehr Einsätze umfassen. Jeder Satz von Einsätzen kann dieselbe Anzahl an Einsätzen aufweisen, was jedoch nicht erforderlich ist. Jeder Einsatz 52 in einem Satz von Einsätzen kann an der gleichen oder im Wesentlichen gleichen Längsposition auf dem Werkzeugschaft 56 sein. Jeder Einsatz 52 kann auch eine Schneidoberfläche mit gleicher Größe, den gleichen Spanwinkel und/oder andere Merkmale aufweisen. Die Anzahl an Sätzen von Einsätzen 52 kann der Anzahl an Flächen und Nuten entsprechen, die im Ventilkörper 12 ausgebildet werden. Wenn beispielsweise zwei Nuten und eine Fläche im Ventilkörper 12 bearbeitet werden sollen, kann es drei Sätze von Schneideinsätzen geben, wie in 4 dargestellt ist.
Demgemäß kann die Positionierung der Sätze von Schneideinsätzen auch den Positionen der Nuten/Flächen entsprechen, die im Ventilkörper 12 bearbeitet werden sollen. Die Schneideinsätze 52 jedes Satzes können eine Schneidkante 62 mit einer Schneidlänge (z. B. parallel zum Werkzeugschaft und zur Mittelachse 16) aufweisen. Der erste, zweite und dritte Satz von Einsätzen können Schneidlängen 64, 66 bzw. 68 aufweisen. Die Schneidlänge der Einsätze kann die Länge der Nute/Fläche bestimmen, die im Ventilkörper ausgebildet wird. Wenn beispielsweise das Werkzeug aus 4 verwendet wird, um die Fläche 34 und Nuten 36 und 38 in den 1 und 2 zu formen, kann die Länge der Fläche 34 und der Nuten 36 und 38 durch die Schneidlängen 64, 68 bzw. 66 bestimmt werden (der dritte Satz befindet sich zwischen dem ersten und zweiten Satz).
Zusätzlich zu Schneidlängen kann jeder Satz von Schneideinsätzen einen Schneidradius oder eine Schneidtiefe aufweisen (z. B. Abstand orthogonal zum Werkzeugschaft und zur Mittelachse). Ähnlich wie die Schneidlänge kann der Schneidradius die Tiefe der Flächen und/oder Nuten bestimmen, die durch das Werkzeug gebildet werden. In dem in den 3 und 4 dargestellten Beispiel weist der erste Satz 54 von Einsätzen einen Schneidradius 70 auf, der größer ist als ein Schneidradius 72 des zweiten Satzes 58 von Einsätzen. In dem in 4 dargestellten Beispiel weist der dritte Satz 60 von Einsätzen einen Schneidradius 74 auf, der gleich dem Schneidradius 72 ist. Dies sind jedoch lediglich Beispiele, und jeder Satz von Einsätzen kann einen anderen Schneidradius, den gleichen Schneidradius oder eine beliebige Mischung aus Schneidradien aufweisen. Auf ähnliche Weise muss der erste Satz 54 von Einsätzen nicht notwendigerweise den größten Schneidradius aufweisen, und der zweite/dritte Satz 58, 60 nicht den kleinsten.
Unter Bezugnahme auf die 5–7 sind verschiedene Beispiele für Anordnungen von Einsätzen in Endansichten dargestellt. In jeder der 5–7 umfasst der Satz von Einsätzen drei voneinander beabstandete Einsätze 52. In 5 ist jeder Satz von Einsätzen auf den anderen ausgerichtet. Wie in 5 dargestellt ist, sind die Einsätze gleichmäßig voneinander beabstandet, wobei sich ein Einsatz in jedem Satz bei 0° befindet, ein weiterer bei 120° und ein weiterer bei 240°. Demgemäß sind die Sätze in der Endansicht nur durch ihre unterschiedlichen Schneidradien voneinander unterscheidbar. Ähnlich wie in 3 weist der erste Satz 54 von Einsätzen 52 einen Schneidradius 70 auf, der größer ist als der Schneidradius 72 des zweiten Satzes 58. Somit erstrecken sich die Einsätze 52 des ersten Satzes 54 radial nach außen über die Einsätze des zweiten Satzes 58 hinaus.
In den in den 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen sind die Sätze von Einsätzen zueinander versetzt. In dem in 6 dargestellten Beispiel sind der erste Satz 54 und der zweite Satz 58 um 60 Grad zueinander versetzt. Ähnlich wie in 3 weist der erste Satz 54 von Einsätzen 52 einen Schneidradius 70 auf, der größer ist als der Schneidradius 72 des zweiten Satzes 58. Wie in 6 dargestellt ist, ist der zweite Satz 58 von Einsätzen gleichmäßig beabstandet, wobei sich ein Einsatz bei 0° befindet, ein weiterer bei 120° und ein weiterer bei 240°. Demgemäß befinden sich die Einsätze des zweiten Satzes 58 an den gleichen Positionen wie in 5. Der erste Satz 54 von Einsätzen ist jedoch gleichmäßig beabstandet, wobei sich ein Einsatz bei 60° befindet, ein weiterer bei 180° und ein weiterer bei 300°.
In dem in 7 dargestellten Beispiel gibt es drei Sätze von Einsätzen, ähnlich wie in 4. In dieser Ausführungsform sind der erste Satz 54, der zweite Satz 58 und der dritte Satz 60 um 40 Grad zueinander versetzt. Wie in 7 dargestellt ist, ist der dritte Satz 60 von Einsätzen gleichmäßig beabstandet, wobei sich ein Einsatz bei 0° befindet, ein weiterer bei 120° und ein weiterer bei 240°. Der erste Satz 54 von Einsätzen ist gleichmäßig beabstandet, wobei sich ein Einsatz bei 40° befindet, ein weiterer bei 160° und ein weiterer bei 280°. Der zweite Satz 58 von Einsätzen ist gleichmäßig beabstandet, wobei sich ein Einsatz bei 80° befindet, ein weiterer bei 200° und ein weiterer bei 320°.
Obwohl die 6 und 7 zwei Beispiele für versetzte Einsätze, 60 und 40 Grad, zeigen, können jedoch auch andere Versetzungswinkel verwendet werden. Beispielsweise können die Einsätze um 10 bis 80 Grad oder einen beliebigen Unterbereich darin, wie z. B. 20 bis 70 Grad, 30 bis 70 Grad, 30 bis 60 Grad oder 40 bis 60 Grad, versetzt sein. In einer Ausführungsform können die Einsätze um zumindest 15, 20, 25 oder 30 Grad versetzt sein. In zumindest einer Ausführungsform liegen die oben offenbarten Versetzungswerte zwischen benachbarten Sätzen von Einsätzen. In einer weiteren Ausführungsform kann die offenbarte Versetzung zwischen allen Sätzen von Einsätzen auf dem Werkzeug vorliegen. Die Versetzung kann von der Anzahl an Sätzen von Einsätzen oder von der Anzahl an Einsätzen in jedem Satz abhängen. Die Sätze sind mit drei Einsätzen dargestellt, es können aber auch andere Anzahlen verwendet werden. Wenn beispielsweise vier Einsätze pro Satz vorhanden sind, können sie um 90 Grad beabstandet sein und die Sätze können um 45 Grad versetzt sein.
Zusätzlich zum Versetzen der Sätze von Einsätzen kann jeder Satz von Einsätzen gleichmäßig oder ungleichmäßig beabstandet sein. Wenn beispielsweise drei Einsätze vorhanden sind, wäre eine gleichmäßige Beabstandung 120 Grad zwischen jeweils zwei Einsätzen, und wenn vier Einsätze vorhanden sind, dann wäre eine gleiche Beabstandung 90 Grad. Die Einsätze in jedem Satz können aber auch ungleichmäßig beabstandet sein. Wenn beispielsweise drei Einsätze vorhanden sind, können sie Beabstandungen von 117, 121 und 122 Grad aufweisen. Auf ähnliche Weise kann bei vier Einsätzen ein Beispiel für ungleichmäßige Beabstandungen von 87, 89, 91 und 93 Grad umfassen. Diese Werte sind jedoch lediglich Beispiele und nicht als Einschränkung zu verstehen. In einer Ausführungsform können die Sätze von Einsätzen zumindest zwei ungleichmäßig beabstandete Einsätze umfassen. In einer weiteren Ausführungsform können die Sätze von Einsätzen nur ungleichmäßig beabstandete Einsätze aufweisen (z. B. keine zwei Einsätze sind gleich beabstandet). Die Einsätze können um bis zu 2, 3, 5 oder 10 Grad ungleichmäßig beabstandet sein.
Es wurde herausgefunden, dass das Versetzen der Sätze von Einsätzen und/oder ungleichmäßiges Beabstanden der Einsätze die Verringerung von Vibrationen im System während des Fräsvorgangs unterstützen kann. Beispielsweise kann eine ungleichmäßige Beabstandung der Einsätze in jedem Satz von Einsätzen die harmonische Erregung durch das Schneidelement unterbrechen. Das Versetzen der Sätze von Einsätzen kann ebenfalls Vibrationen verringern, es wird aber davon ausgegangen, dass dies durch eine Verringerung der Erregerkraft erfolgt. Wenn beispielsweise das Fräswerkzeug aus 6 anstelle von zwei Sätzen von Fräswerkzeugen, die gleichzeitig auf das Arbeitsmaterial wirken (z. B. wie in 5), verwendet wird, gibt es zwei separate Einwirkungen durch jeden Einsatz des Satzes. Auf ähnliche Weise hätte das Werkzeug aus 7 drei separate Einwirkungen für jeden Einsatz des Satzes. Demgemäß wird die durch das Werkzeug ausgeübte Kraft, die eine Vibrationserregungskraft sein kann, verringert und über mehrere Einwirkungen verteilt. Die beiden Vorgehensweisen können separat oder zusammen eingesetzt werden. Daher können versetzte und ungleichmäßig beabstandete Sätze von Einsätzen sowohl die Erregerkraft verringern als auch die harmonische Erregung des Schneidelements unterbrechen.
Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 sind eine Endansicht eines einzelnen Satzes 80 von Einsätzen 82 und ein schematischer Querschnitt eines Einsatzes 82, der das Arbeitsmaterial 84 schneidet, dargestellt. Es wurde herausgefunden, dass zusätzlich zur Versetzung und/oder ungleichmäßige Beabstandung der Einsätze auch der Spanwinkel 86 der Einsätze die Vibration im System beeinflussen kann. Der Spanwinkel 86 kann den Winkel der Schneidoberfläche in Bezug auf das Arbeitsmaterial beschreiben. Ein positiver Spanwinkel, der in den 8 und 9 dargestellt ist, wird gebildet, wenn der Winkel der Schneidoberfläche in Richtung auf das Werkstück weist. Ein negativer Spanwinkel wird gebildet, wenn der Winkel der Schneidoberfläche vom Werkstück weg weist und ein Spanwinkel von null Grad oder ein neutraler Spanwinkel wird gebildet, wenn die Schneidoberfläche orthogonal zum Werkstück ist. Insbesondere wurde herausgefunden, dass ein positiver Spanwinkel die Schneidkraft verringern kann. In einer Ausführungsform können die Schneideinsätze auf einem oder mehreren der Sätze von Einsätzen einen Spanwinkel von –20 bis +30 Grad aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Spanwinkel –5 bis +10 Grad betragen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Spanwinkel 0 bis +30 Grad betragen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Spanwinkel +5 bis +30 Grad betragen.
Unter Bezugnahme auf die 9 kann zusätzlich zum Spanwinkel 86 auch die Schneidkante 88 des Einsatzes 82 den Schneidvorgang beeinflussen. Wie in 9 dargestellt ist, entfernt der Einsatz 82 Material aus dem Arbeitsmaterial 84, einen Span 90 nach dem anderen. Die Schneidkante 88 kann einen variierenden Schärfegrad aufweisen, was als Kantenvorbereitung bezeichnet werden kann. Der Grad der Kantenvorbereitung kann sich unter anderem auf die Schneidkraft auswirken, die erforderlich ist, sowie auf die Beständigkeit des Einsatzes. Ein geringer Grad an Kantenvorbereitung kann sich auf eine weniger runde oder schärfere Schneidkante 88 beziehen, während sich ein höherer Grad an Kantenvorbereitung auf eine rundere oder weniger scharfe Schneidkante 88 beziehen kann. In einer Ausführungsform kann die Schneidkante 88 einen Radius von 0,005 bis 0,05 mm aufweisen. Eine Schneidkante mit einem hohen Grad an Kantenvorbereitung kann beständiger sein und/oder eine längere Werkzeugstandzeit aufweisen als eine Schneidkante mit geringer Kantenvorbereitung. Der Grad der Kantenvorbereitung kann auch vom Material der Schneidkante 88 abhängen. In einer Ausführungsform können der Schneideinsatz und/oder die Kante aus einem polykristallinen Diamanten (PCD), kubischem Bornitrid (CBN), Carbid, Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder einem beliebigen anderen Schneideinsatzmaterial bestehen. Diese Einsatzmaterialien können beschichtet sein, eine Beschichtung ist aber nicht notwendig.
Unter Bezugnahme auf 10 können die Einsätze 82 zusätzlich zum Spanwinkel und zur Kantenvorbereitung auch einen Freischliff- oder Hinterschliffwinkel 92 aufweisen. Der Freischliffwinkel kann eine Verjüngung des Schneideinsatzes 82 von der Schneidkante 88 zum Werkzeugkörper 94 hin sein. Der Freischliffwinkel kann verhindern, dass die Seiten 96 des Schneideinsatzes mit den neu gebildeten Oberflächen des Arbeitsmaterials in Kontakt kommen, da sich die Schneidkante 88 in das Arbeitsmaterial hinein erstreckt. Dies kann sicherstellen, dass eine glattere und/oder genauere Nut oder Fläche gebildet wird. In einer Ausführungsform kann der Freischliffwinkel 1 bis 15 Grad betragen.
Beliebige oder alle der in Bezug auf die 3–10 beschriebenen Merkmale können in einer beliebigen Kombination in einem Fräswerkzeug enthalten sein. Das Fräswerkzeug kann zur Erzeugung von Nuten, Flächen und/oder Kanten verwendet werden, wie sie beispielsweise in Bezug auf die 1 und 2 dargestellt und beschrieben sind. Die Merkmale können auch in den in der US 8,555,503 dargestellten und beschriebenen Werkzeugen enthalten sein und umgekehrt. Beispielsweise können die Schmiermitteldurchgänge (z. B. axial und radial) und ihr Betrieb, die in der US 8,555,503 offenbart sind, in den offenbarten Werkzeugen und Verfahren enthalten sein. Neben den offenbarten Werkzeugen und Schneideinsatzmerkmalen sind auch Bearbeitungsverfahren offenbart. Die Verfahren können unter Verwendung von offenbarten und enthaltenen Werkzeugen und Schneideinsatzmerkmalen durchgeführt werden, sie können aber auch unter Verwendung von bekannten oder herkömmlichen Werkzeugen oder in Zukunft entwickelten Werkzeugen umgesetzt werden.
Die offenbarten Werkzeuge können verwendet werden, um innere Flächen und Nuten in einer Bohrung auszubilden, die glatte Flächen/Nuten sein können. Die Werkzeuge können in einem Endbearbeitungsvorgang (z. B. nach einem Roh- oder Vorbearbeitungsvorgang) verwendet werden. Die Schneideeinsätze können jeweils die gleiche Schneidkantenform aufweisen. Die Sätze von Schneideinsätzen können eine gerade oder ungerade Anzahl von Schneideinsätzen pro Satz aufweisen. Die Schneideinsätze können austauschbar sein. Wie oben beschrieben, kann der Abstand zwischen den Einsätzen innerhalb jedes Satzes von Einsätzen gleichförmig oder unregelmäßig sein. Außerdem kann der Spanwinkel der Einsätze innerhalb jedes Satzes von Einsätzen gleichförmig oder unregelmäßig sein. Das Werkzeug kann konfiguriert sein, um an verschiedenen axialen Positionen entlang der Bohrung zu schneiden. Beispielsweise kann es zwei oder mehr voneinander beabstandete Sätze von Einsätzen geben, die zwei oder mehr beabstandete Flächen/Nuten in der Bohrung ausbilden (z. B. nichtkontinuierliches axiales Schneiden).
Unter Bezugnahme auf 11 ist ein schematisches Diagramm 100 dargestellt, das eine Werkzeugbahn 102 während eines interpolierten Fräsvorgangs zeigt. Die Werkzeugbahn 102 ist ein Beispiel für eine Werkzeugbahn, die für den in den 1 und 2 dargestellten Ventilkörper 12 verwendet werden kann. 12 zeigt ein Beispiel für eine Positionstabelle für die in 11 dargestellten Punkte. Die X-, Y- und Z-Positionen entsprechen den X-, Y- und Z-Achsen, die in den 1 und 2 dargestellt sind, wobei die X-Achse aus der Seite heraustritt, die Y-Achse in vertikaler Richtung verläuft und die Z-Achse der Mittelachse 16 aus 2 entspricht. Demgemäß entspricht ein Punkt bei 0, 0 in der X-Y-Ebene einem Punkt auf der Mittelachse 16. Die Z-Achse ist in 11 nicht dargestellt, da die Bahn zweidimensional verläuft. Die Z-Achse verläuft jedoch in die Seite hinein/aus der Seite heraus, ähnlich wie die X-Achse in 2.
Bei herkömmlichen interpolierten Fräsvorgängen ist der erste Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Arbeitsmaterial zufällig und die Hauptanforderung ist, dass zumindest ein voller Umlauf gemacht wird. Es wurde jedoch herausgefunden, dass der anfängliche Kontaktpunkt eine signifikante Auswirkung auf den Fräsvorgang haben kann. Die Auswirkung betrifft nicht nur den ersten Schnitt, sondern kann sich auf den gesamten Fräsvorgang auswirken. Es wurde herausgefunden, dass ein anfänglicher Kontakt mit dem Arbeitsmaterial in einer Region mit dem wenigsten zu entfernenden Material, auch als Minimum-Material-Bedingung (LMC) bezeichnet, die Schneidkraft des Fräsvorgangs signifikant verringern kann. Die Schneidkraft kann nicht nur beim ersten Schnitt, sondern über den gesamten Schneidvorgang (z. B. ein oder mehrere volle Umläufe) verringert werden. Geringere Kräfte können zu verringerten Vibrationsamplituden führen.
Wie oben beschrieben, sind eine Fläche 34 und zwei Nuten 36, 38 in Kanälen 20, 24 und 28 des Ventilkörpers 12, der in den 1 und 2 dargestellt ist, auszubilden. Die Kanäle können eine Entformungsschräge aufweisen, um das Entfernen aus dem Gussteil zu erleichtern. Als Folge können die Kanäle oben enger und unten breiter sein. Demgemäß muss weniger Material von der Unterseite des Ventilkörpers 12 an der Unterseite der Bohrung 14 entfernt werden als auf der Oberseite. Somit kann der interpolierte Fräsvorgang in zumindest einer Ausführungsform programmiert sein, um anfänglichen Kontakt mit der Bohrungswand an oder nahe der Unterseite der Bohrungswand aufzunehmen, wo am wenigsten Material zu entfernen ist. Dieser Bereich oder diese Region kann auch einer Region entsprechen, in der die Oberfläche der Bohrungswand am kleinsten ist. Das Werkzeug kann an einem Punkt oder in einer Region in das Arbeitsmaterial eingreifen, wo am wenigsten Material zu entfernen ist (oder wo die kleinste Oberfläche vorhanden ist) und vollständig mit dem Arbeitsmaterial in Eingriff sein, bevor es die Region mit dem meisten zu entfernenden Material erreicht.
In dem in den 11 und 12 dargestellten Beispiel kann das Fräswerkzeug an einer zentralen Position, die als Punkt 1 identifiziert ist, beginnen. Die Punkte können einer zentralen Längsachse des Fräswerkzeugs entsprechen. Punkt 1 kann das Werkzeug an oder nahe der Mittelachse der Bohrung 14 und an einer vorbestimmten axialen Position in der Bohrung 14 positionieren. In diesem Beispiel entspricht Punkt 1 Punkt 0, 0, –42,5 im XYZ-Koordinatensystem. Wie in 12 dargestellt ist, kann die Z-Position des Werkzeugs während des gesamten Fräsvorgangs konstant bleiben (z. B. keine axiale Bewegung innerhalb der Bohrung). Demgemäß können die Flächen/Nuten/Kanten gleichzeitig geschnitten werden. Alternativ dazu könnte eine Fläche/Nut nach der anderen geschnitten werden, indem das Werkzeug auf der Z-Achse bewegt wird und ein weiterer interpolierter Fräsvorgang durchgeführt wird.
Um den interpolierten Fräsvorgang zu beginnen, kann das Werkzeug zu Punkt 2 bewegt werden, der 1,125, –1,125 im XY-Koordinatensystem entspricht. Natürlich kann es Punkte geben, die sich zwischen den identifizierten Punktezahlen befinden, aber nicht alle Punkte sind ausdrücklich identifiziert. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden anhand der vorliegenden Offenbarung verstehen, dass die Zwischenpunkte programmiert werden können. Die Bewegung von Punkt 1 zu Punkt 2 kann eine bogenförmige Bahn sein, wie dargestellt ist, dies ist jedoch nicht erforderlich (z. B. könnte es sich um eine gerade Linie handeln). Von Punkt 2 kann das Werkzeug zu Punkt 3 bei 0, –2,25 im XY-System bewegt werden. Das Werkzeug kann mit der Bohrungswand in Kontakt treten, wenn oder kurz bevor es Punkt 3 erreicht. Wie oben beschrieben, kann Punkt 3 einer Region mit dem wenigsten durch den interpolierten Fräsvorgang zu entfernenden Material entsprechen und/oder wo die Oberfläche der Bohrungswand an dieser axialen Position am kleinsten ist. Ähnlich wie die Bewegung von Punkt 1 zu Punkt 2 kann die Bewegung von Punkt 2 zu Punkt 3 eine bogenförmige Bahn sein. Dies kann es den Schneideinsätzen ermöglichen, zu Beginn mit einem Winkel mit der Bohrungswand in Kontakt zu treten und nicht orthogonal.
Von Punkt 3 aus kann das Fräswerkzeug einer kreisförmigen Bahn um den Umfang oder Umkreis der Bohrungswand folgen, um Material daraus zu entfernen. Die kreisförmige Bahn kann einen Schneidradius vom Mittelpunkt der Bohrung aufweisen, der um ein bestimmtes Ausmaß größer ist als der ursprüngliche Bohrungsradius, wodurch eine Fläche, Nut oder Kante gebildet wird, die sich um das vorbestimmte Mass von der Bohrung weg erstreckt. Das Werkzeug kann zu Punkt 4 bewegt werden, der –2,25, 0 im XY-System entspricht, oder zur linken Seite der Bohrung, wie in 1 dargestellt ist. Das Werkzeug kann zu Punkt 5 weitergehen, der 0, 2,25 im XY-System entspricht, oder zur Oberseite der Bohrung, wie in 1 dargestellt ist. Punkt 5 kann einer Region der Bohrung entsprechen, wo aufgrund der Verjüngung der Kanäle das meiste Material zu entfernen ist. Wie oben beschrieben wurde, wurde herausgefunden, dass durch Beginnen des Fräsvorgangs in dem Bereich mit dem wenigsten Material die Schneidkräfte für die gesamte Schneidbahn verringert werden können, einschließlich des Bereichs mit dem meisten zu entfernenden Material. Wenn das Werkzeug Punkt 5 erreicht, ist es in vollem Eingriff mit der Bohrungswand, weshalb weniger Kraft zur Ausführung des Schnitts erforderlich ist.
Von Punkt 5 kann das Werkzeug zu Punkt 6 weitergehen, der 2,25, 0 im XY-System entspricht, oder zur rechten Seite der Bohrung wie in 1 dargestellt ist. Von Punkt 6 kann das Werkzeug auf der kreisförmigen Bahn zu Punkt 3 zurückgehen, dem anfänglichen Kontaktpunkt des Werkzeugs und der Unterseite der Bohrung bei 0, –2,25. Die Punkte 1–6 beschreiben somit eine anfängliche Drehung des Werkzeugs um die Bohrungswand, um Flächen und/oder Nuten auszubilden. Das Werkzeug kann programmiert sein, weitere Umläufe um die Bohrungswand auszuführen, oder der Prozess kann nach einem einzigen Umlauf abgeschlossen sein. Wenn weitere Umläufe durchgeführt werden, können sie die gleiche Tiefe aufweisen oder die Tiefe kann erhöht werden, um die Tiefe der Flächen/Nuten weiter zu erhöhen. Wenn die Umläufe mit der gleichen Tiefe erfolgen, kann die Bahn gleich oder im Wesentlichen gleich sein wie die Bahn von Punkt 3 zu 6 und zurück zu 3, wie oben beschrieben wurde. Wenn die Umläufe mit einer unterschiedlichen Tiefe erfolgen, kann die Bahnform ähnlich sein wie oben, aber mit größeren X- und Y-Werten (z. B. absolute Werte). Die zusätzlichen Umläufe können aber immer noch mit dem gleichen Z-Wert erfolgen, sodass sich das Werkzeug nicht in die axiale Richtung bewegt.
Wie oben beschrieben wurde, ist die in den 11 und 12 dargestellte und beschriebene Bahn 102 lediglich ein Beispiel und nicht als Einschränkung zu verstehen. Die Region mit dem wenigsten Material kann sich irgendwo innerhalb der Bohrungswand (oder einem anderen Durchgang, der nicht notwendigerweise zylindrisch ist) befinden. Demgemäß kann sich der Punkt 3 (erster Kontaktpunkt) an einer beliebigen Position befinden, wo am wenigsten Material zu entfernen ist. Es wurde herausgefunden, dass die offenbarte interpolierte Frässchneidbahn die Schneidkraft des Fräsvorgangs um etwa 33 % verringern kann. Beispielsweise kann ein Schnitt, der bei Punkt 5 anstelle von Punkt 3 beginnt, eine Spitzenkraft von 200 Newton anstelle einer Spitzenkraft von 150 Newton bei Punkt 3 erfordern. Durch Verringern der Schneidkraft wird auch die Vibrationserregerkraft verringert, was die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs und die Qualität des Teils verbessern kann.
Außerdem wurde herausgefunden, dass zusätzlich zu oder anstelle von Änderungen am Werkzeug, an den Einsätzen und/oder an der Fräsbahn Verbesserungen am interpolierten Fräsvorgang aus einer Analyse der Vibrationseigenschaften der Komponenten im System und Identifizieren von Regionen mit guter Leistung resultieren können. Es kann zwei unterschiedliche Arten von Vibrationen geben, die in der Analyse berücksichtigt werden, erzwungene Vibrationen aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Fräswerkzeug und dem Arbeitsmaterial und harmonische Vibrationen, die aufgrund der harmonischen Frequenzen der Komponenten entstehen. Durch Abstimmung des Werkzeugs können selbsterzeugte Vibrationen minimiert werden. Der Aufbau des Werkzeugs wie oben offenbart kann erzwungene Vibrationen verringern.
In zumindest einer Ausführungsform kann ein Modaltest an den Komponenten des Frässystems, z. B. dem Werkzeug (mit oder ohne Einsätze) und dem Arbeitsmaterial (z. B. Ventilkörper) durchgeführt werden. Ein Modaltest ist eine Art von Vibrationstest, bei dem die Eigenfrequenzen, modalen Massen, modalen Dämpfungsverhältnisse und Schwingungsformen von getesteten Objekten bestimmt werden. Modaltests können unter Verwendung verschiedener Verfahren durchgeführt werden, die Schlaghammer-Modaltests oder Rüttler-Modaltests umfassen. Bei beiden Verfahren wird Energie mit einer bekannten Frequenz auf das System angewandt und das Antwortspektrum wird analysiert. Eine Transferfunktion oder Frequenzantwortfunktion kann unter Verwendung des Antwortspektrums und eines Kraftspektrums bestimmt werden. Schlaghammer-Tests umfassen rasches Schlagen der Komponente mit einem Hammer.
Sobald die modalen Parameter der Komponenten im System bestimmt wurden, kann eine Stabilitätsanalyse verwendet werden, um die Werkzeugpunkt-Frequenzantwortfunktionen in ein Stabilitätskeulendiagramm umzuwandeln, von dem ein Beispiel in 13 dargestellt ist. Die Stabilitätskeulendiagramme können eine Y-Achse der Schnitttiefe und eine X-Achse der Spindelgeschwindigkeit (z. B. Rotationsgeschwindigkeit – U/min) umfassen. Die Keulen, die dargestellt sind, beschreiben Bereiche mit vorhergesagter Instabilität – die Flächen innerhalb der Keulen sind instabil und die Flächen unter den Keulen sind stabil. Es gibt mehrere Sätze von Keulen in 13, die verschiedene Modelle darstellen können. Beispielsweise stellt der diagonal gestrichelte Bereich eine instabile Region dar und die horizontal gestrichelte Region stellt 20 Prozent Unsicherheit um die Stabilitätsgrenze herum dar. Die vertikalen Bänder, die im Diagramm dargestellt sind, entsprechen einer Harmonischen der natürlichen Frequenzen des Systems. Diese Bereiche können vermieden werden. Flächen zwischen benachbarten Keulen können möglicherweise vorteilhafte Betriebsbereiche darstellen, wo die Schnitttiefe relativ groß sein kann, aber immer noch stabil ist. Außerdem können Flächen zwischen benachbarten Keulen und zwischen den vertikalen harmonischen Bändern noch stabiler sein. Insbesondere Flächen zwischen benachbarten Keulen auf der rechten Seite des Diagramms können Flächen mit großer Schnitttiefe und hoher Spindelgeschwindigkeit darstellen, die eine relativ rasche und tiefe Materialentfernung ermöglichen und gleichzeitig stabil bleiben können.
Bisher wurden die Spindelgeschwindigkeit und/oder Schnitttiefe durch Versuch und Irrtum bestimmt oder die Schnitttiefe wurde relativ gering gehalten, da, wie in 13 dargestellt ist, alle Spindelgeschwindigkeiten unter einer bestimmten Schnitttiefenschwelle stabil sind (z. B. etwa 0,085 Zoll in 13). Durch Ausführung des Modaltests an den Komponenten des Systems und Modellieren des Vibrationsverhaltens können jedoch tiefere und schnellere Schneidvorgänge mit höherer erwarteter Stabilität durchgeführt werden. Die optimalen Regionen zwischen den Keulen können je nach Werkzeugkonfiguration (z. B. Einsatzkonfiguration), Werkzeugmaterial, dem bearbeiteten Material und anderen Faktoren variieren. Demgemäß muss, um optimale Regionen zu identifizieren, gegebenenfalls eine neue Stabilitätskeulenanalyse durchgeführt werden, wenn einer oder mehrere dieser Faktoren zwischen Bearbeitungsvorgängen verändert werden.
Unter Bezugnahme auf 14 ist ein Beispiel für ein Ablaufdiagramm 200 eines Verfahrens zur Bearbeitung eines Ventilkörpers dargestellt. Das Verfahren kann jedoch auch bei anderen Bearbeitungsprozessen als bei Ventilkörpern eingesetzt werden. Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung werden erkennen, dass Schritte dem Ablaufdiagramm 200 hinzugefügt oder daraus entfernt werden können oder dass die Schritte umgeordnet werden können.
In Schritt 202 kann eine Stabilitätskeulenanalyse vor dem Bearbeitungsvorgang durchgeführt werden. Die Erstellung des Stabilitätskeulendiagramms ist oben beschrieben und wird hier nicht im Detail wiederholt. Einige oder alle der Komponenten des Systems, einschließlich des Fräswerkzeugs und des zu bearbeitenden Körpers, können unter Verwendung einer Modalanalyse getestet werden (z. B. Schlaghammertest). Dann können die modalen Parameter aus dem Test in ein Computermodell eingegeben werden, um ein Stabilitätskeulendiagramm zu erstellen. In Schritt 204 können eine Schnitttiefe und/oder Spindelgeschwindigkeit basierend auf dem Stabilitätskeulendiagramm bestimmt werden. Wie oben beschrieben wurde, können Lücken oder Zwischenräume zwischen benachbarten Keulen Regionen mit besserer Systemleistung bereitstellen, die beispielsweise eine größere Schnitttiefe oder Spindelgeschwindigkeit ohne Instabilität ermöglichen. Dieser Schritt kann wiederholt werden, wenn sich ein Element des Systems (z. B. Teil, Werkzeug, Werkzeughalterung, Maschine, Einspannvorrichtung, Bearbeitungsparameter usw.) verändert.
In Schritt 206 kann ein Fräswerkzeug in die Bohrung des Ventilkörpers (oder Bohrung eines anderen Objekts) eingeführt werden. Das Fräswerkzeug kann eine Längsachse oder Rotationsachse aufweisen und das Einführen kann in Axialrichtung erfolgen. Das Werkzeug kann entlang der Mittelachse der Bohrung eingeführt werden (z. B. XY-Koordinate 0, 0). Während des Einführens kann sich das Fräswerkzeug um die Längsachse drehen oder es kann statisch sein. Als Teil des Einführens kann in Schritt 208 ein optionaler Planfräsvorgang durchgeführt werden. Wie oben beschrieben wurde, kann ein erster oder proximaler Satz von Einsätzen den Planfräsvorgang durchführen. Die Bohrung kann einen Abschnitt mit einem Durchmesser umfassen, der kleiner als der des ersten Satzes von Einsätzen, jedoch größer als der der restlichen Sätze von distaleren Einsätzen ist. Der Abschnitt kann einen Absatz relativ zu einem proximaleren Abschnitt der Bohrung (z. B. orthogonaler oder fast orthogonaler Abschnitt) umfassen. Demgemäß können sich die distaleren Einsätze in die Bohrung hinein über den Bohrungsabschnitt hinaus erstrecken, ohne mit dem Bohrungsabschnitt in Kontakt zu kommen. Der erste Satz von Einsätzen kann während der Rotation mit dem Bohrungsabschnitt mit einem kleineren Durchmesser in Kontakt treten und eine Fläche in der Bohrung ausarbeiten. Die Einsätze können mit dem Schulterabschnitt in Kontakt treten. Die Fläche kann eine Länge aufweisen, die gleich oder im Wesentlichen gleich einer Länge der Schneideinsätze ist. Die Fläche kann eine Wand aufweisen, die im Wesentlichen orthogonal zur Längsachse ist, und eine Wand, die im Wesentlichen parallel dazu ist.
In Schritt 210 kann ein interpolierter Fräsvorgang initiiert werden. Wie oben beschrieben wurde, kann das Werkzeug zuerst in Regionen mit dem Arbeitsmaterial in Kontakt treten, in denen das wenigste Material zu entfernen ist. Wenn beispielsweise Nuten in eingegossenen Kanälen ausgebildet werden sollen, können die Kanäle so gestaltet sein, dass die Kanäle verjüngt sind. In diesem Beispiel kann der erste Kontakt zwischen den Sätzen von Schneideinsätzen und den Kanälen am breiteren Ende des Kanals stattfinden. Demgemäß wird am breiten Teil des Kanals weniger Material entfernt. Es wurde herausgefunden, dass das Beginnen oder Initiieren des interpolierten Fräsvorgangs an diesem Punkt das Ausmaß an Schneidkraft, die für den Bearbeitungsvorgang erforderlich ist, signifikant verringert.
In Schritt 212 kann, nachdem der Fräsvorgang in Schritt 210 initiiert wurde, ein vollständiger Umlauf des Fräswerkzeugs um den Umfang oder Umkreis der Bohrung vorgenommen werden. Der Umlauf kann durchgeführt werden, während die axiale Position des Werkzeugs konstant gehalten wird (z. B. bewegt sich das Werkzeug nicht axial innerhalb der Bohrung, keine Veränderung der Z-Position). Der Umlauf kann eine vorbestimmte Tiefe aus der Bohrung entfernen, um eine Fläche und/oder Nut zu erzeugen oder zu erweitern. Es kann zwei oder mehr Sätze von axial voneinander beabstandeten Schneideinsätzen geben, sodass während eines einzigen Umlaufs des Werkzeugs um die Bohrung mehrere Flächen oder Nuten ausgebildet oder erweitert werden können. Die Sätze von Einsätzen können die gleichen oder unterschiedliche Schneidradien aufweisen, sodass die Tiefe der Flächen oder Nuten gleich oder unterschiedlich sein kann. Ein Umlauf um die Bohrung kann ausreichen, um die Flächen und/oder Nuten auszubilden. Der interpolierte Fräsumlauf kann gemäß der Stabilitätskeulenanalyse aus Schritt 202 durchgeführt werden. Die Schnitttiefe und/oder die Spindel-/Rotationsgeschwindigkeit kann so gewählt werden, dass sie in einem Bereich zwischen zwei benachbarten Stabilitätskeulen im Diagramm liegt. Alternativ dazu könnte jede Seite der Nut unabhängig geschnitten werden.
In Schritt 214 kann das Verfahren gegebenenfalls das Durchführen weiterer Umläufe des Werkzeugs um die Bohrung umfassen. Die zusätzlichen Umläufe können derselben Bahn folgen, um eine exaktere oder gleichförmigere Flächen-/Nutentiefe sicherzustellen, oder die zusätzlichen Umläufe können weiteres Material aus der Bohrung entfernen, um die Flächen/Nuten zu vergrößern. Die Anzahl an zusätzlichen Umläufen kann von der Menge an Material abhängen, die entfernt werden soll. Die Anzahl an Umläufen kann daher auch zumindest teilweise von der Stabilitätskeulenanalyse in Schritt 202 abhängen. Wenn beispielsweise die Schnitttiefe innerhalb bestimmter Fenster im Stabilitätsdiagramm erhöht werden kann, dann kann die Anzahl an Umläufen verringert werden. In einer Ausführungsform kann es 1 bis 5 zusätzliche Umläufe oder einen beliebigen Unterbereich darin, wie z. B. 1 bis 4, 1 bis 3, 2 bis 3 oder 1 bis 2 geben.
In Schritt 216 kann das Werkzeug aus der Bohrung entfernt werden. Dies kann erfolgen, indem das Werkzeug in der Bohrung neu zentriert wird, beispielsweise auf eine XY-Position 0, 0 oder auf dieselben Koordinaten wie bei dem anfänglichen Einführen. Es können jedoch jegliche Koordinaten verwendet werden, die verhindern, dass Einsätze des Werkzeugs mit der Bohrungswand in Kontakt sind.
Oben wurden zwar beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, es ist jedoch nicht vorgesehen, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Patentschrift verwendeten Wörter dienen eher der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung bereitzustellen.
Es wird ferner beschrieben:

A. Verfahren, umfassend: Bewegen eines Fräswerkzeugs mit zumindest zwei axial voneinander beabstandeten Sätzen von Schneideinsätzen zu einer axialen Position innerhalb einer Bohrung in einem Material; Rotieren des Fräswerkzeugs um eine Längsachse; Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und einer Wand der Bohrung in einer Region der Wand mit der geringsten Menge an Material an der axialen Position; und Bewegen des Fräswerkzeugs um einen Umfang der Bohrung herum.
B. Verfahren nach A, wobei der Bewegungsschritt zumindest ein einmaliges Bewegen des Fräswerkzeugs um einen gesamten Umfang der Bohrung herum an der axialen Position umfasst, um zumindest eine Nut in der Bohrung auszubilden.
C. Verfahren nach A, wobei der Bewegungsschritt zumindest ein einmaliges Bewegen des Fräswerkzeugs um einen gesamten Umfang der Bohrung herum an der axialen Position umfasst, um eine Fläche und eine Nut in der Bohrung auszubilden.
D. Verfahren nach A, wobei der Initiierungsschritt das Bewegen des Fräswerkzeugs auf einer bogenförmigen Bahn und Kontaktieren der Wand der Bohrung in einem spitzen Winkel umfasst.
E. Verfahren nach A, wobei die Wand zumindest teilweise zumindest zwei Kanäle definiert, die sich orthogonal zur Bohrung erstrecken und diese schneiden, und wobei jeder der zumindest zwei axial voneinander beabstandeten Sätze von Schneideinsätzen auf einen der zumindest zwei Kanäle ausgerichtet ist, wenn sich das Fräswerkzeug in der axialen Position befindet, sodass das Bewegen des Fräswerkzeugs um den Umfang der Bohrung herum die zumindest zwei Kanäle vergrößert, die auf die Sätze von Schneideinsätzen ausgerichtet sind.
F. Verfahren nach E, wobei die zumindest zwei Kanäle, die auf die Sätze von Schneideinsätzen ausgerichtet sind, jeweils verjüngt sind, sodass sie an einem ersten Ende breiter sind als an einem zweiten Ende, und der Initiierungsschritt das Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und der Wand der Bohrung in einer Region der Wand umfasst, die die ersten Enden der zumindest zwei Kanäle umfasst.
G. Verfahren nach A, das ferner das Bereitstellen eines Schmiermittels in einem Druckluftstrom durch das Fräswerkzeug zu zumindest einem der Sätze von Schneideinsätzen umfasst, während das Fräswerkzeug um den Umfang der Bohrung herum bewegt wird.
H. Verfahren nach G, wobei eine Fließgeschwindigkeit des Schmiermittels, das in dem Druckluftstrom bereitgestellt wird, 5 bis 200 ml/Stunde beträgt.
I. Verfahren nach A, wobei das Verfahren vor dem Bewegungsschritt ferner umfasst: Ausführen eines Modaltests an zumindest entweder dem Fräswerkzeug oder dem Material; und Erstellen eines Schnitttiefen-über-Spindelgeschwindigkeit-Stabilitätskeulendiagramms, das eine Vielzahl von benachbarten Keulen umfasst, die auf dem Modaltest basieren; wobei eine Schnitttiefe und eine Spindelgeschwindigkeit des Fräswerkzeugs während des Bewegungsschritts auf einen Punkt zwischen einem Paar von benachbarten Keulen im Stabilitätskeulendiagramm eingestellt werden.
J. Verfahren, umfassend: Bewegen eines Fräswerkzeugs, das zwei axial voneinander beabstandete Sätze von Schneideinsätzen umfasst, zu einer axialen Position innerhalb einer Bohrung; Rotieren des Fräswerkzeugs um eine Längsachse; Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und einer Wand der Bohrung in einer Region der Wand mit der kleinsten Oberfläche an der axialen Position; und Bewegen des Fräswerkzeugs um einen Umfang der Bohrung herum.
K. Werkzeug zum interpolierten Fräsen, umfassend: einen Werkzeugschaft mit einer Längsachse; einen ersten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen, die mit dem Werkzeugschaft verbunden sind; und einen direkt angrenzenden zweiten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen, die mit dem Werkzeugschaft verbunden sind und mit Abstand zum ersten Satz von Schneideinsätzen entlang der Längsachse angeordnet sind; wobei der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen zueinander um zumindest 10 Grad versetzt sind; wobei der Werkzeugschaft einen axialen Schmiermitteldurchgang und zumindest einen radialen Schmiermitteldurchgang umfasst, der mit dem axialen Schmiermitteldurchgang kommuniziert und konfiguriert ist, Schmiermittel zu jedem Satz von Schneideinsätzen zuzuführen.
L. Werkzeug nach K, wobei der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen zueinander um zumindest 40 Grad versetzt sind.
M. Werkzeug nach K, wobei der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen jeweils drei Schneideinsätze umfassen und der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen zueinander um etwa 60 Grad versetzt sind.
N. Werkzeug nach K, das ferner einen dritten Satz von radial beabstandeten Schneideinsätzen umfasst, der mit dem Werkzeugschaft direkt an den zweiten Satz von Einsätzen angrenzend und dem ersten Satz von Einsätzen entgegengesetzt, verbunden ist und vom zweiten Satz von Einsätzen entlang der Längsachse beabstandet ist.
O. Werkzeug nach N, wobei der erste, zweite und dritte Satz von Schneideinsätzen zueinander um zumindest 20 Grad versetzt sind.
P. Werkzeug nach N, wobei der erste, zweite und dritte Satz von Schneideinsätzen zueinander um etwa 40 Grad versetzt sind.
Q. Werkzeug nach N, wobei der erste Satz von Schneideinsätzen einen größeren Schneidradius aufweist als der zweite Satz von Schneideinsätzen.
R. Werkzeug nach K wobei der erste und zweite Satz von Schneideinsätzen jeweils einen positiven Spanwinkel aufweisen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8555503 [0024, 0025, 0044, 0044]

Claims

Verfahren, umfassend: Bewegen eines Fräswerkzeugs mit zumindest zwei axial voneinander beabstandeten Sätzen von Schneideinsätzen zu einer axialen Position innerhalb einer Bohrung in einem Material; Rotieren des Fräswerkzeugs um eine Längsachse; Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und einer Wand der Bohrung in einer Region der Wand mit der geringsten Menge an Material an der axialen Position; und Bewegen des Fräswerkzeugs um einen Umfang der Bohrung herum.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bewegungsschritt zumindest ein einmaliges Bewegen des Fräswerkzeugs um einen gesamten Umfang der Bohrung herum an der axialen Position umfasst, um zumindest eine Nut in der Bohrung auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bewegungsschritt zumindest ein einmaliges Bewegen des Fräswerkzeugs um einen gesamten Umfang der Bohrung herum an der axialen Position umfasst, um eine Fläche und eine Nut in der Bohrung auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Initiierungsschritt das Bewegen des Fräswerkzeugs auf einer bogenförmigen Bahn und Kontaktieren der Wand der Bohrung in einem spitzen Winkel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wand zumindest teilweise zumindest zwei Kanäle definiert, die sich orthogonal zur Bohrung erstrecken und diese schneiden, und wobei jeder der zumindest zwei axial voneinander beabstandeten Sätze von Schneideinsätzen auf einen der zumindest zwei Kanäle ausgerichtet ist, wenn sich das Fräswerkzeug in der axialen Position befindet, sodass das Bewegen des Fräswerkzeugs um den Umfang der Bohrung herum die zumindest zwei Kanäle vergrößert, die auf die Sätze von Schneideinsätzen ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zumindest zwei Kanäle, die auf die Sätze von Schneideinsätzen ausgerichtet sind, jeweils verjüngt sind, sodass sie an einem ersten Ende breiter sind als an einem zweiten Ende, und der Initiierungsschritt das Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und der Wand der Bohrung in einer Region der Wand umfasst, die die ersten Enden der zumindest zwei Kanäle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Bereitstellen eines Schmiermittels in einem Druckluftstrom durch das Fräswerkzeug zu zumindest einem der Sätze von Schneideinsätzen umfasst, während das Fräswerkzeug um den Umfang der Bohrung herum bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Fließgeschwindigkeit des Schmiermittels, das in dem Druckluftstrom bereitgestellt wird, 5 bis 200 ml/Stunde beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren vor dem Bewegungsschritt ferner umfasst: Ausführen eines Modaltests an zumindest entweder dem Fräswerkzeug oder dem Material; und Erstellen eines Schnitttiefen-über-Spindelgeschwindigkeit-Stabilitätskeulendiagramms, das eine Vielzahl von benachbarten Keulen umfasst, die auf dem Modaltest basieren; wobei eine Schnitttiefe und eine Spindelgeschwindigkeit des Fräswerkzeugs während des Bewegungsschritts auf einen Punkt zwischen einem Paar von benachbarten Keulen im Stabilitätskeulendiagramm eingestellt werden.
Verfahren, umfassend: Bewegen eines Fräswerkzeugs, das zwei axial voneinander beabstandete Sätze von Schneideinsätzen umfasst, zu einer axialen Position innerhalb einer Bohrung; Rotieren des Fräswerkzeugs um eine Längsachse; Initiieren eines Kontakts zwischen dem Fräswerkzeug und einer Wand der Bohrung in einer Region der Wand mit der kleinsten Oberfläche an der axialen Position; und Bewegen des Fräswerkzeugs um einen Umfang der Bohrung herum.