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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fräsmaschine, insbesondere zum
Planfräsen von Metallproben, wie bspw. Gussproben, oder Werkstücken aus
beliebigen anderen Werkstoffen, mit einem Fräskopf sowie einen Fräskopf für eine
vorgenannte Fräsmaschine.
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Derartige Fräsmaschinen finden Anwendung beispielsweise bei der
Vorbehandlung von Metallproben, wie bspw. Gussproben, an deren Oberfläche
spektrometrische Untersuchungen durchgeführt werden sollen. Bei solchen, wie
auch vielen anderweitigen Anwendungen von Fräsmaschinen ist von
Bedeutung, dass bei möglichst geringer Dauer der Fräsbearbeitung eine zugleich
möglichst hohe Oberflächengüte der gefrästen Werkstückoberfläche erhalten
wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fräskopf
bzw. eine Fräsmaschine mit einem Fräskopf in der Weise weiterzubilden, dass
damit bei der Fräsbearbeitung eine verbesserte Oberflächengüte erzielbar ist.
Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung zunächst und im
Wesentlichen dadurch gelöst, dass der Fräskopf eine oder mehrere
Fluidaustrittsöffnungen aufweist. Dies schafft die Möglichkeit, einem gerade in
Fräsbearbeitung befindlichen oder gerade bearbeiteten Bereich der Werkstückoberfläche
zur Verbesserung und zum Erhalt der Oberflächengüte ein sich hierauf
begünstigend auswirkendes Fluid zuzuführen. Als Fluid kommt zunächst
grundsätzlich ein Gas oder eine Flüssigkeit, wie auch Gemische derselben, Emulsionen
und Suspensionen in Betracht. Zunächst bevorzugt ist als Fluid an ein Intertgas,
vorzugsweise Argon, gedacht, das eine Verdrängung von Luft und darin
enthaltenem Sauerstoff bewirkt und eine Oxidation der frisch bearbeiteten Proben-
bzw. Werkstückoberfläche (die Begriffe Probe und Werkstück werden
gleichwertig verwendet) verhindert. Bei dem nach der Erfindung durch den Fräskopf
bzw. Fräser zuleitbaren Fluid kann es sich alternativ oder kombinativ auch um
ein Kühlmittel handeln, welches an der Werkstückoberfläche während
und/ oder unmittelbar nach der Fräsbearbeitung eine Kühlung bewirkt,
wodurch schon der sich zunächst einstellende Temperaturhöchstwert verringert
werden kann. Unmittelbar wird dadurch zunächst die Gefahr von
temperaturbedingten Oberflächenveränderungen, wie Gefügeveränderungen,
Spannungsrissen oder Brandflecken, wie auch insbesondere bei dünnwandigen
Werkstücken von Formänderungen verringert. Des Weiteren kann das Fluid bzw.
Kühlmedium durch die Fluidaustrittsöffnungen des Fräsers auch den hieran
angeordneten Fräserschneiden direkt zugeführt werden. Durch die damit
verbundene Kühlung der Fräserschneiden wird deren Verschleiß reduziert und durch
die entsprechend bessere Schnittwirkung eine höhere
Werkstückoberflächengüte erzielt. Bei einem als Fluid durch den Fräskopf zuführbaren Kühlmittel kann
es sich bspw. um ein bevorzugt auf etwa minus 20°C abgekühltes Gas, dabei
weiter bevorzugt um Luft oder ein Inertgas, andererseits aber auch um eine
gekühlte Flüssigkeit oder dergleichen handeln. Bevorzugt ist, dass an dem
Fräser eine Anzahl von Fräserschneiden vorgesehen ist, welche ihrerseits an
jeweiligen Schneidenkörpern, welche im Rahmen vorliegender Erfindung auch als
Fräswerkzeuge bezeichnet werden, ausgebildet sein können. Des Weiteren ist
bevorzugt, dass an dem Fräser eine der Anzahl von Fräserschneiden
entsprechende Anzahl von Fluidaustrittsöffnungen vorgesehen ist. Die Fräswerkzeuge
bzw. Fräserschneiden und/oder die Fluidaustrittsöffnungen können an dem
Fräser stirnseitig und/oder umfangsseitig angeordnet sein, wobei bei
stirnseitigen Fräserschneiden auch eine stirnseitige Lage der Fluidaustrittsöffnungen
und bei umfangsseitigen Fräserschneiden auch eine umfangsseitige Lage der
Fluidaustrittsöffnungen bevorzugt ist. Alternativ oder kombinativ können die
Fluidaustrittsöffnungen einzelnen Fräserschneiden hinsichtlich ihrer
Umfangswinkellage an dem Fräser zugeordnet sein. Dies ermöglicht einen
zielgerichteten Zustrom des Inertgases oder sonstigen Fluids zu den jeweiligen
Schneideneingriffen des Fräskopfes in das Werkstück, von wo aus eine weitere Verteilung
auf der Schnittfläche erfolgt. Die eine oder mehrere Fluidaustrittsöffnungen
setzen sich in das Innere des Fräskopfes in Fluidkanäle fort, die in durchlässiger
Verbindung mit einer Fluidzuleitung durch eine Fräserachse bzw. einen
Fräserdorn stehen. Dabei ist bevorzugt, dass das Fluid mittels einer
Dreheinführung in die Fluidzuleitung einleitbar ist und von dort die eine oder mehrere
Fluidaustrittsöffnungen an der Stirnseite des Fräskopfes über Fluidkanäle
erreicht, von wo aus es auf die Schnittfläche an dem Werkstück gelangt. Die
Fluidzuleitung kann sich dazu durch die Dreheinführung, eine
Fräserantriebswelle, eine Frässpindel, einen Fräsdorn sowie den Fräser selbst hindurch
erstrecken. Zur Bereitstellung des Fluids kann die Fluidzuleitung mit einem
Fluidspeicher oder einer sonstigen Fluidversorgungsquelle verbunden sein.
Alternativ oder kombinativ besteht die Möglichkeit, dass an der Fräsmaschine
ein Kühlaggregat zur Abkühlung des Fluids vorgesehen ist. Durch die zuvor
beschriebene Fluidzuleitung durch den Fräser selbst hindurch wird eine
besonders platzsparende Fluidzufuhr erreicht, durch die zur Verbesserung der
Oberflächengüte eine örtlich wie auch zeitlich bedarfsgerechte Fluidzufuhr möglich
ist. So ist bspw. denkbar, dass bei einem Stirnfräser über den Stirnradius
hinweg durch entsprechende Positionierung und/oder Bemessung von
Fluidaustrittsöffnungen eine dem Bedarf entsprechend veränderliche Fluidzufuhr
erfolgt. Auch eine an einen je nach Fräserdrehzahl schwankenden Bedarf
automatisch angepasste Fluidzufuhr wäre möglich, indem bspw. ein von der
Fräserdrehzahl bzw. Fliehkraft beeinflussbares Dosiermittel (Ventil oder
dergleichen) in einen rotierenden Abschnitt der Fluidzuleitung eingebunden ist oder
indem bspw. die unmittelbar auf das austretende Fluid ausgeübte Fliehkraft
dazu ausgenutzt wird.
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Alternativ oder kombinativ zu der zuvor erläuterten, eine Fluidzufuhr durch
den Fräser selbst ermöglichenden Fluidzufuhreinrichtung kann der Fräskopf
auch eine Fräserkühleinrichtung zur Kühlung des Schnitteingriffes mit dem
Werkstück aufweisen, die mit dem Fräskopf synchron in X-, Y- und Z-Richtung
verfahrbar ist. Eine derartige Fräserkühleinrichtung kann bspw. eine Zuleitung
für ein Kühlmedium aufweisen, die im Bereich einer Austrittsöffnung an dem
mit dem Fräskopf verfahrbaren Maschinengehäuse befestigt ist, so dass das
ausströmende Kühlmedium, bspw. auf minus 20°C gekühlte Luft, mit einem
fokussierten Strahl auf den Eingriff des Fräsers in die Probe bzw. das
Werkstück trifft. Grundsätzlich kann durch eine entsprechende, mit Bezug auf den
Fräser externe Zufuhreinrichtung anstelle eines Kühlmittels auch ein anderes
Medium, bspw. ein Inertgas zur Verhinderung von Korrosion, zugeführt
werden, wodurch im Hinblick auf die gestellte Aufgabe ebenfalls eine
Verbesserung der Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstückes erhalten wird. In den
Fällen, in denen zur Vermeidung von Korrosion einerseits und zur Kühlung
anderseits verschiedene Fluide zur Verfügung stehen (bspw. Inertgas einerseits
und gekühlte Luft andererseits) kann je nach den im Einzelfall bestehenden
Anforderungen (bspw. an die jeweilige Zufuhrmenge und Zufuhrort) entweder
das Intertgas durch die Austrittsöffnung des Fräsers und das Kühlmittel durch
die externe Fräserkühleinrichtung zugeführt werden oder auch eine
umgekehrte Zuordnung vorgenommen sein.
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Hinsichtlich des Fräskopfes besteht auch die Möglichkeit, dass dieser als sog.
Messerkopf mit auswechselbaren Schneiden ausgebildet ist. Im Hinblick auf
eine erfindungsgemäße Fräsmaschine kann der Fräskopf daran horizontal in
eine X- und eine Y-Richtung und vertikal in eine Z-Richtung verfahrbar sein.
Die zuvor beschriebenen Merkmale sind im Rahmen vorliegender Erfindung
nicht nur für eine Fräsmaschine von Bedeutung, sondern auch für einen
Fräskopf allein, sowie auch für andere Werkzeugmaschinen (bspw. Räum-, Dreh-
oder Schleifmaschinen) sowie deren Werkzeuge.
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Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der beigefügten Figuren
erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fräsmaschine
darstellen. Darin zeigt:
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Fig. 1 eine bereichsweise Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Fräsmaschine,
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Fig. 2 eine Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform gemäß Linie II-II
in Fig. 1,
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Fig. 3 einen Teilschnitt der bevorzugten Ausführungsform der Fräsmaschine
entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 2,
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Fig. 4 eine Schnittansicht durch die Dornaufnahme des Fräskopfes mit
Fluidzufuhreinrichtung und Werkzeugkühleinrichtung und
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Fig. 5 eine demgegenüber vergrößerte Seitenansicht mit Teilschnitt des
Fräskopfes in einer bevorzugten Ausführungsform.
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Fig. 1 zeigt in einer bereichsweisen Seitenansicht eine bevorzugte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fräsmaschine 1. Darin ist dargestellt eine
Niveauausgleichseinrichtung 2 zur Ausrichtung einer Probenoberfläche 3 einer
Probe 4 parallel zu einer Bearbeitungsebene eines Fräsers 5. Die
Bearbeitungsebene des Fräsers 5 wird dabei durch die an der Stirnfläche 6 des Fräsers 5
angeordneten, in Fig. 1 nicht näher dargestellten Fräswerkzeuge (vgl. in Fig. 5
Bezugszeichen 30) definiert. In der gewählten Darstellung ist die Probe 4 auf
drei Stützelementen 7 der Niveauausgleichseinrichtung 2 abgelegt und dabei
zunächst nur grob ausgerichtet. Des Weiteren ist ein Andruckstempel 8 zu
erkennen, der mit einer unterseitigen Andruckfläche 9 eine zu der
Bearbeitungsebene des Werkstücks parallelen Andruckebene definiert. Der
Andruckstempel 8 befindet sich in der Seitenansicht der Fig. 1 senkrecht zu der
Zeichenebene auf Höhe der Probe 4, während der Fräser 5 dahinter liegt und daher
gestrichelt dargestellt ist.
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Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht gemäß der Blickrichtung II-II in Fig. 1 eine
Draufsicht auf die Niveauausgleichseinrichtung 2, wobei die in Fig. 1 mit
dargestellte Probe 4 in Fig. 2 zur Verdeutlichung abgenommen ist. Dadurch wird
der Blick frei auf die drei mit Umfangswinkeln zueinander von 120°
angeordneten Stützelemente 7 sowie eine Werkstückkühleinrichtung 10 mit
Randausnehmungen 11, durch die die Stützelemente 7 hindurchlaufen. Weiter
dargestellt sind ebenfalls drei Drehkeile 12, deren Drehachsen 13 parallel zur
Längsrichtung der als Zylinderstifte ausgebildeten Stützelemente 7 verlaufen. Weiter
dargestellt ist eine Zuleitung 14 der Werkstückkühleinrichtung 10, die in einem
unteren Bereich der Niveauausgleichseinrichtung 2 in radialer Richtung
verläuft. Über einen Anschluss 15 der Zuleitung 14 kann aus einem zeichnerisch
nicht dargestellten Kühlaggregat ein Kühlmedium, bspw. minus 20°C kalte
Luft, durch die Zuleitung 14 in die Werkstückkühleinrichtung 10 und von dort
durch Mittenöffnungen 16 zur Probe 4 gelangen.
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Wie sich in Verbindung mit Fig. 3, die eine Schnittansicht entlang der
Schnittlinie III-III in Fig. 2 zeigt, ergibt, weisen die Drehkeile 12 an einem der Probe 4
abgewandten Bereich Planetenzahnräder 17 auf, die in Eingriff mit einem
Zahnkranz 18 stehen. Eine Drehung des Zahnkranzes 18 bewirkt darüber eine
synchrone Drehung der Drehkeile 12. Die Drehkeile 12 weisen eine umlaufende
Mantelwand 19 auf, die zum Festspannen der Probe 4 dient und die dazu über
einen Umfangswinkelbereich hinweg einen mit positivem Umfangswinkel
zunehmenden Radialabstand der Mantelwand von der Drehachse besitzen. Die
Drehung des Zahnkranzes 18 bewirkt darüber eine synchrone Änderung, beim
Festspannen eine Verringerung, des Abstandes der Mantelwand 19 zu der
Mantelwand der Probe 4, bis die Probe 4 bei dreiseitiger Anlage an die Drehkeile
festgespannt ist. In weiterer Ausgestaltung weist ein Drehkeil 12 an seiner
umlaufenden Mantelwand 19 eine umlaufende Nut 20 auf. Die Nut ist in einem
Querschnitt der Zeichenebene im Wesentlichen an den unteren vorspringenden
Rand der im Querschnitt trapezförmigen Probe 4 angepasst.
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Weiter ist dargestellt, dass bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die
Stützelemente 7 an einem der Probe 4 bzw. dem Stützende gegenüberliegenden Ende
gemeinsam an einem Druckkolben 21 befestigt sind. Unterhalb des
Druckkolbens 21 befindet sich eine Druckkammer 22, in die ein Druckmedium bzw. ein
Gas oder eine Hydraulikflüssigkeit über eine Zuleitung 36 unter Bildung eines
Innendruckes einleitbar ist. Der Druckkolben 21 ist damit zusammen mit den
Stützelementen 7 durch den auf die Probe 4 drückenden Andruckstempel 8
entgegen dieser Druckkraft nach unten verlagerbar. Vor Beginn der
Verlagerung ist dabei zunächst eine Beabstandung der Probenunterseite von der
Oberseite der Werkstückkühleinrichtung 10 vorgesehen, so dass das durch die
Zuleitung 14 und an deren oberen Ende austretende Kühlmedium über die
Probenunterseite die gesamte Probe 4 kühlen kann, um damit einer ungewollten
Erwärmung bei dem nachfolgenden Fräsvorgang zu begegnen. Nach einem
Verlagerungsweg, der einem Überstand der Stützenden der Stützelemente 7 über
die Oberfläche der Werkstückkühleinrichtung 10 entspricht, kommt es
zumindest bereichsweise zu einem Kontakt der Probenunterseite mit der Oberfläche
der Werkstückkühleinrichtung 10, so dass auch während des folgenden
Fräsvorganges über den gesamten Kontaktbereich hinweg ein Wärmeabfluss aus
der Probe 4 in die gekühlte Werkstückkühleinrichtung 10 möglich ist. Bei einer
noch weiteren Absenkung des Andruckstempels 8 erfolgt zusätzlich eine
Verlagerung der Werkstückkühleinrichtung 10, die in dem gezeigten Beispiel
unterseitig gegen Zylinderdruckfedern 23 abgestützt ist. Die Zylinderdruckfedern 23
sind dabei an den Stützelementen 7 geführt. Auf diese Weise ist eine
Verlagerung bzw. Absenkung der Probe 4 bis auf das für den Fräskopf 5 erforderliche
Bezugsniveau möglich. Nachdem durch die Verlagerung des Andruckstempels
das gewünschte Bezugsniveau der Probe 4 bzw. der Oberfläche der Probe 4
erreicht worden ist, wird durch eine Verdrehung des Zahnkranzes 18 die Probe 4
von den Drehkeilen 12 zentriert und verspannt. Der Druckstempel 8 kann
hierauf in Z-Richtung abgehoben und in X- und/oder Y-Richtung seitlich verfahren
werden, so dass anschließend die festgespannte Probe 4 dem Fräskopf 5
zugänglich ist. Der Fräskopf 5 wird dazu aus der in Fig. 3 dargestellten Position in
X- und/ oder Y-Richtung seitlich verfahren, bis sich dieser an einer für den
Fräsvorgang gewünschten Startposition an der Probe 4 befindet. In Z-Richtung,
d. h. in der zu der Bearbeitungsebene senkrechten Richtung, wird der Fräser
vor, während oder nach der seitlichen Verfahrbewegung bis auf eine
voreingestellte Höhe verfahren, so dass sich in einem Planzug über die Probe 4 in einem
einzigen Durchgang der gewünschte Abtrag der Oberfläche ergibt.
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Fig. 4 zeigt in einer Schnittansicht der den Fräsdorn lagernden Gehäuseeinheit
eine Dreh- bzw. Antriebsachse 24 des Fräsers 5, in derem Inneren sich in
Längsrichtung eine Fluidzuleitung 25 erstreckt. An dem dem Fräser 5
entgegenliegenden Ende ist die Fluidzuleitung 25 mit einem Fluidspeicher (nicht
dargestellt) verbunden, während sich die Fluidzuleitung 25 an dem dem Fräser 5
zugewandten Ende in einen korrespondierenden zentralen Fluidhohlraum 26
innerhalb des Fräsers fortsetzt. In Fig. 4 ist der Fräser 5 und der davon
ausgehende Werkzeugkegel gestrichelt dargestellt um hervorzuheben, wie der Fräser in
der Spannaufnahme 31 halterbar ist. Von diesem zentralen Fluidhohlraum 26
erstrecken sich Bohrungen 27 in radialer Richtung, deren Enden
Fluidaustrittsöffnungen 28 an der Stirnfläche 29 des Fräsers bilden. Dies ist in weiterer
Einzelheit auch Fig. 5 zu entnehmen. Darin sind weiterhin Fräswerkzeuge 30, d. h.
Fräserschneidenkörper bzw. Schneidplatten, dargestellt, die entlang des
unteren Randes des Fräskopfes 5 in dessen Umfangsrichtung verteilt angeordnet
sind. Aus der teilweise geschnittenen Ansicht in Fig. 5 geht hervor, dass dabei
den einzelnen Fräswerkzeugen 30 in deren Umfangslage entsprechende
Fluidaustrittsöffnungen 28 zugeordnet sind. Das austretende Fluid, bei dem es
sich um Inertgas zur Verhinderung von Oberflächenoxidation oder auch um ein
Kühlmittel handeln kann, wird dadurch nach dem Austritt gebündelt auf den
Schneideneingriff des Fräswerkzeuges in der Probenoberfläche gerichtet. Daran
anschließend findet eine Verteilung des Inertgases bzw. Kühlmittels über die
gesamte Oberfläche der Probe 4 statt.
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Darüber hinaus zeigt Fig. 4 eine aus dem Stand der Technik bekannte Spann-
Aufnahme 31 des Fräsers 5. An deren Außengehäuse 32 ist mittels einer
Halterung 33 eine Zuleitung 34 einer zeichnerisch im Weiteren nicht dargestellten
Werkzeugkühleinrichtung befestigt. Dadurch wird erreicht, dass das
Austrittsende 35 der Werkzeugkühleinrichtung sich bei einer Verfahrbewegung des
Fräsers 5 stets mit diesem synchron bewegt. Die Werkzeugkühleinrichtung
kann mit einem gekühlten Gas, beispielsweise mit gekühlter Luft mit einer
Temperatur von vorzugsweise minus 20°C betrieben werden, die der
Zuleitung 34 aus einem nicht dargestellten Kühlaggregat zugeleitet wird.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die
Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der
zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung)
vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in
Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.