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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstückflächen durch
ein Fräswerkzeug
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Fräswerkzeug
zur Durchführung
eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 17.
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Für solche
bekannte Verfahren werden beispielsweise Scheibenfräser, Stirnfräser oder
Eckfräser
eingesetzt. Die zu erzeugenden Formen können ebene oder gekrümmte Flächen sein.
Eine ebene Fläche
wird beispielsweise bei einer mit den Umfangsschneiden eines Eckfräsers bearbeiteten
Seitenfläche
an der Lagergasse eines Zylinderkurbelgehäuses erzeugt. Eine gekrümmte Fläche kann
beispielsweise eine Nocke einer Nockenwelle sein, die mit einem
Scheibenfräser
durch Umfangsfräsen
bearbeitet worden ist.
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Die
Fräser
weisen über
den Umfang verteilt mehrere Schneideinsätze mit entsprechend ausgebildeten
Schneidkanten auf. Aufgrund der Bewegungskinematik entsteht beim
Umfangsfräsen
auch bei exaktem Fräserrundlauf
eine wellenförmige Oberfläche, wobei
der Abstand der Wellenberge dem Vorschub pro Zahn entspricht. Bei
genauem Fräserrundlauf,
der dann gegeben ist, wenn alle Schneidkanten von der Frässpindelachse
aus den gleichen Abstand aufweisen, weisen die Wellentäler eine
sehr geringe Tiefe auf, die in vielen Fällen den Anforderungen an die
Oberflächenqualität genügt.
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In
der Praxis weisen die Fräswerkzeuge
häufig
Schneidkanten auf, die maßlich
nicht exakt in der Soll-Position liegen. Dadurch entstehen beim
Umfangsfräsen
tiefere Wellentäler
und beim Stirnfräsen Unebenheiten
in der Werkstückoberfläche. In
Fällen, in
denen Werkstückoberflächen mit
hoher Formgenauigkeit erzielt werden müssen, werden deshalb Fräser mit
hoher Rundlaufgenauigkeit eingesetzt. Dies bedeutet, daß alle Schneidkanten
radial und axial, bezogen auf die Frässpindelachse, auf gleichem Maß liegen
müssen.
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Eine
hohe Fräserrundlaufgenauigkeit
kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Beispielsweise können Schneideinsätze verwendet
werden, die mit sehr hoher Genauigkeit gefertigt wurden, z.B. mit
Längenmaßtoleranzen
von unter fünf
Mikrometern. Diese Schneideinsätze
werden dann im Fräser in
Plattensitze eingebaut, die sehr genau gefertigt oder aber mittels
Distanzelementen sehr genau abgestimmt worden sind. Schneideinsätze und
Fräswerkzeuge
dieser Art sind sehr teuer. Bei einer zweiten Möglichkeit werden Schneideinsätze von
geringerer Fertigungsgenauigkeit verwendet. Die Rundlaufgenauigkeit
des Fräsers
wird dann durch einstellbare Plattensitze erreicht. Jeder Schneideinsatz
muß dann
bei der Bestückung
justiert werden, was sehr zeitintensiv ist. Diese Art der Bestückung wird
häufig angewendet
bei Werkzeugen, die außerhalb
der Maschine bestückt
werden, weil dabei keine bestückungsbedingten
Maschinenstillstandzeiten auftreten. Werden die Schneideinsätze in ein
Werkzeug bestückt,
das während
der Bestückung
in der Maschine verbleibt, entstehen kostenintensive Maschinenstillstandzeiten.
Solche Werkzeuge, die zur Bestückung
in der Maschine verbleiben, sind beispielsweise Scheibenfräser zur
Bearbeitung von großen Werkstücken, z.B.
von Flugzeugkomponenten. Eine Demontage der Werkzeuge wäre insgesamt
noch aufwendiger als das Bestücken
in der Maschine. Um die Maschi nenstillstandzeiten dennoch möglichst
gering zu halten, werden in diesem Fall meistens die teuren Präzisions-
Schneideinsätze
und Präzisionsfräskörper verwendet.
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Ein
Fräserrundlauffehler
wirkt sich auf der Werkstückfläche insbesondere
dann besonders stark aus, wenn wenige oder gar nur eine einzelne
Schneide über
den Solldurchmesser hinausstehen. Beim Umfangsfräsen erzeugen diese Schneiden
dann periodisch wiederkehrende Vertiefungen, durch die die erreichbaren
Form- und Maßgenauigkeiten
mit dem angewendeten Verfahren begrenzt werden und eine nachfolgende
Fertigbearbeitung mit einem anderen Verfahren erforderlich machen.
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Eine
weitere Form eines Rundlauffehlers entsteht dann, wenn die Schneidkanten,
bezogen auf die Fräserachse,
zwar alle auf gleichem Maß liegen, jedoch
ein Achsversatz zwischen Fräserachse
und Frässpindelachse
vorliegt. Dann entstehen periodische, sinusförmige Formabweichungen der
Werkstückoberfläche. Dies
tritt insbesondere dann auf, wenn die Schnittstelle zwischen Werkzeug
und Frässpindel
zylindrisch ausgeführt
ist und immer ein gewisses Spiel zwischen einem Zapfen und einer
Bohrung vorliegen muß,
um das Fräswerkzeug
montieren zu können.
Dieses Problem wird heute gelöst durch
konische Fräseraufnahmen,
die eine exakte Zentrierung von Fräserachse zu Frässpindelachse gewährleisten.
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Rundlauffehler
des Fräswerkzeuges
im Sinne dieser Erfindung sind immer Maßabweichungen der Schneidkanten
bezogen auf die Frässpindelachse.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren
und das gattungsgemäße Fräswerkzeug
so auszubilden, daß eine
hohe Bearbeitungsgenauigkeit einer Werkstückoberfläche auch bei Fräsern mit
Rundlaufabweichungen erzielt wird.
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Diese
Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Fräswerkzeug
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 17 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
werden die Formabweichungen meßtechnisch
erfaßt
und bei der anschließenden
Bearbeitung des Werkstückes durch
Korrekturbewegungen der Schneidkante berücksichtigt. So können beispielsweise
auftretende Rundlaufabweichungen des Fräswerkzeuges durch Korrekturbewegungen
kompensiert werden. Je nach Art der Rundlaufabweichung und je nach
erforderlicher Korrekturgüte
können
verschiedene Rundlaufkorrekturverfahren unterschieden werden, beispielsweise
eine Einzelschneiden-Bahnkorrektur, eine Einzelschneiden-Längenkorrektur
oder eine Gesamtwerkzeug-Rundlaufkorrektur. Die Rundlaufabweichungen
des Fräswerkzeuges
können
beispielsweise direkt durch eine Vermessung des Fräswerkzeuges
oder indirekt durch eine Vermessung des Werkstückes erfolgen. Bei der Einzelschneidenkorrektur werden
die Rundlaufabweichungen jeder einzelnen Schneide berücksichtigt
und durch eine Wegkorrektur des Schneideneingriffes beseitigt. Mit
der Einzelschneiden-Bahnkorrektur werden die qualitativ hochwertigsten
Rundlaufkorrekturen erzielt. Mit diesem Verfahren wird insbesondere
beim Umfangsfräsen die
durch den kinematischen Bewegungsablauf entstehende Welligkeit eliminiert.
Die Schneidkante wird dabei so über
das Werkstück
bewegt, daß die
geforderte Oberflächenform,
z.B. Kreisform, entsteht. Das Verfahren erfordert eine hohe Maschinendynamik und
eine hohe Rechenleistung der Maschinensteuerung.
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Sind
derart hohe Qualitätsanforderungen nicht
notwendig, so wird das Verfahren der Einzelschneiden-Längenkorrektur
angewendet.
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Dabei
werden die Schneid kanten noch vor dem Materialeingriff durch Stellbewegungen
auf die Schneidkanten-Sollposition gebracht. Die für dieses Verfahren
erforderliche Maschinendynamik und Rechenleistung sind gegenüber der
Einzelschneiden-Bahnkorrektur geringer.
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Eine
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur
Korrektur des Fräserrundlaufes
kommt zur Anwendung, wenn die Schneidkanten, bezogen auf die Fräswerkzeugachse,
exakt rundlaufen, die Fräswerkzeugachse
jedoch gegenüber
der Frässpindelachse einen
Versatz aufweist. Dies führt
zu sinusförmigen Rundlaufabweichungen
während
eines Fräserumlaufes.
Die Korrektur dieser Rundlaufabweichung erfordert, obwohl letztlich
jede Schneide einzeln korrigiert wird, noch weniger Maschinendynamik
und weniger Rechenleistung wie die beiden oben beschriebenen Verfahren.
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Auch
Kombinationen der einzelnen Korrekturverfahren sind möglich.
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Die
Ermittlung der Korrekturwerte zur Kompensation der Formabweichungen
kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen. Erstens durch die Vermessung
der Ist-Geometrie der Werkstückoberfläche. Bei diesem
Verfahren werden alle werkzeugbedingten periodischen Formabweichungen
erkannt, die sich aus verschiedenen Einzelfaktoren zusammensetzen können. Diese
Vorgehensweise ist anwenderfreundlich, weil bekannte Meßverfahren
eingesetzt werden können
und alle auftretenden Abweichungen erfaßt werden. Es ist jedoch erforderlich,
nach jeder Neubestückung
des Werkzeuges mit Schneidplatten wenigstens ein Werkstück zu bearbeiten
und anschließend
zu vermessen, bevor eine Korrektur durchgeführt werden kann.
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Die
zweite Möglichkeit
zur Ermittlung der Korrekturwerte zur Kompensation der Formabweichungen
besteht in der Vermessung der einzelnen Schneideinsätze des
Fräswerkzeuges.
Dies kann außerhalb
oder innerhalb der Maschine erfolgen. Erfolgt die Messung außerhalb,
bleibt der beim Einbau in die Frässpindel
entstehende Achsversatz außer Betracht,
wodurch unter Umständen
eine nicht ausreichende Korrekturgenauigkeit erzielt wird. Deshalb wird
die Messung vorteilhaft in der Maschine am mit der Frässpindel
fest verbundenen Fräswerkzeug durchgeführt. Die
Messung erfolgt mit bekannten Verfahren, z.B. mit taktilen Sensoren,
oder auch mit optischen Meßeinrichtungen.
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Die
Wegkorrektur des Schneideneingriffes kann über den herkömmlichen
Vorschubantrieb der Werkzeugmaschine erfolgen. Alternativ können die Korrekturbewegungen
von Aktuatoren ausgeführt werden,
die direkt im Fräswerkzeug
vorgesehen und einer jeden einzelnen Schneide zugeordnet sind. Der Vorteil
der Aktuatoren, beispielsweise Piezoelemente, liegt darin, daß nicht
das gesamte schwere Fräswerkzeug
mitsamt des Vorschubantriebes bewegt werden muß, sondern nur die Schneideinsätze und ggf.
mit diesen verbundene Bauelemente. Dadurch wird eine wesentlich
höhere
Dynamik erreichbar.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt darin, daß Schneideinsätze mit
relativ großen
Längenmaßtoleranzen
verwendet werden können.
Derartige Schneideinsätze
werden beispielsweise durch Sintern preisgünstig hergestellt. Die Leistungsfähigkeit dieser
Schneideinsätze,
die sich beispielsweise in der Standmenge ausdrückt, unterscheidet sich grundsätzlich nicht
von derjenigen von geschliffenen Präzisions-Schneideinsätzen. Die
Stückkosten
der gefertigten Werkstücke
werden somit reduziert.
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Als
weiterer Vorteil der Erfindung entfällt das Justieren der Schneideinsätze bei
der Bestückung der
Fräswerkzeuge.
Dadurch kann die Bestückung sehr
schnell und kostengünstig
hergestellt werden. Gerade bei der Bestückung von Werkzeugen in der Bearbeitungsmaschine
können
die preisgünstigen ungeschliffenen
Schneidplatten eingesetzt werden, ohne daß eine zeitaufwendige Justierung
durchgeführt
werden muß.
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Korrigierbar
sind sowohl umfangsseitige als auch stirnseitige Rundlaufabweichungen.
Stirnseitige Rundlaufabweichungen werden häufig auch als Planlaufabweichungen
bezeichnet. Korrekturen beim Stirnfräsen sind besonders vorteilhaft
beim orthogonalen Drehfräsen.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter
Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen
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1a in vereinfachter Darstellung
eine Anordnung zum Außenfräsen einer
rotationssymmetrischen Werkstückfläche,
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1b die Abwicklung eines
Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 1a,
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2a in schematischer Darstellung
eine Anordnung zum Außenfräsen einer
rotationssymmetrischen Werkstückfläche mit
Ausbiegung der Werkstückachse,
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2b die Abwicklung eines
Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 2a,
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3a in schematischer Darstellung
eine Anordnung zum Außenfräsen einer
rotationssymmetrischen Werkstückfläche, wobei
das Werkzeug Rundlauffehler aufweist,
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3b die Abwicklung eines
Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 3a,
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4a in schematischer Darstellung
eine Anordnung zum Außenfräsen einer
rotationssymmetrischen Werkstückfläche, wobei
Ausbiegungen der Werkstückachse
auftreten und das Werkzeug Rundlauffehler aufweist,
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4b die Abwicklung eines
Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 4a,
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5 in einem Blockschaltbild
eine Einrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1a zeigt idealtypisch die
Bearbeitung einer kreiszylinderförmigen
Fläche
eines Werkstückes 10 mit
einem Soll-Radius Rw durch ein Fräswerkzeug 15.
Das Werkstück 10 führt bei
dieser Bearbeitung die Vorschubbewegung aus, die durch die Rotation um
die Werkstückachse 11 in
Rotationsrichtung X erzeugt wird. Das Fräswerkzeug 15 erzeugt
durch Rotation um die Frässpindelachse 17 in
Rotationsrichtung Y die Schnittbewegung. Im Ausführungsbeispiel drehen das Werkzeug 15 und
das Werkstück 10 entgegengesetzt
zueinander. Sie können
aber auch gleichsinnig um ihre jeweiligen Achsen 11, 17 drehen.
Das Fräswerkzeug 15 weist
an seinem Umfang vier Schneideinsätze 1 bis 4 auf,
deren Schneidkanten 1' bis 4' umfangsseitig
auf dem Soll-Radius RT liegen. Abweichungen
der Schneidkanten 1' bis 4' vom Soll-Radius
RT sind mit Δr bezeichnet und können sich
in positiver oder in negativer radialer Richtung erstrecken. Die
Soll-Position der Achse 11 des Werkstückes 10 liegt in Position
E, die Soll-Position der Frässpindelachse 17 in
Position F. Abweichungen der Achse 11 bzw. 17 von
ihrer Soll-Position
können in
jeder räumlichen
Richtung auftreten. Einfluß auf die
Maßgenauigkeit
haben jedoch nur die Komponenten der Abweichung in Richtung der
Verbindungslinie der Achsen 11 und 17. Die Distanz
zwischen den Achsen 11 und 17 beträgt bei der
idealtypischen Betrachtung DE bzw. DF. Durch eine Vorschubeinrichtung 30 wird
das Fräswerkzeug 15 entlang
der Zustellrichtung 40 auf das Werkstück 10 zu oder vom
Werkstück 10 wegbewegt.
Außerdem
kann zur Durchführung
von Korrekturbewegungen das Fräswerkzeug 15 um
Korrekturwerte –Δf und +Δf in Zustellrichtung 40 bewegt
werden.
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Zusätzlich oder
alternativ können
die Schneideinsätze 1 bis 4 in
radialer Richtung individuell durch Einzelschneiden-Aktuatoren 35 bewegt werden.
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1b zeigt die Abwicklung 5 eines
Abschnittes der kreiszylinderförmigen
Werkstückoberfläche sowie
die Abwicklung 6 eines Abschnittes der Umfangsfläche des
Fräswerkzeuges 15 mit
den die Oberfläche
jeweils bearbeitenden Schneidkanten 1' bis 4' der Schneideinsätze 1 bis 4.
Aufgrund der beim Außenfräsen auftretenden
Bewegungskinematik zwischen den Schneidkanten 1' bis 4' und dem Werkstück 10 ergibt
sich in Vorschubrichtung 20 zwangsläufig eine wellige Werkstückoberfläche. Im
dargestellten idealtypischen Fall liegen die Schneidkanten 1' bis 4' auf dem Soll-Radius
RT, wodurch sich eine gleichförmige Welligkeit
ergibt. Die Abweichung Δr beträgt in diesem
Fall Null. Das Maß eg definiert dabei die entstehende geometrische
Wellentiefe, gemessen vom Soll-Radius
Rw, auf dem die Wellenberge liegen. Die
Abstände
zwi schen den Wellenbergen entsprechen dem Vorschub pro Zahn sz. Erfindungsgemäß wird die Bewegung des Schneideneingriffes jeder
einzelnen Schneidkante 1' bis 4' nun so gesteuert,
daß die
Welligkeit der Oberfläche
eliminiert wird. Dazu wird die Bahn jeder einzelnen Schneide 1 bis 4 so
berechnet und gesteuert, daß die
Schneidkante 1' bis 4' exakt entlang
der zu erzeugenden Werkstück-Sollkontur
bewegt wird. Zur NC-Achseninterpolation der berechneten Bahn ist
die Kenntnis über die
Drehstellung des Fräsers 15 und
der einzelnen Schneiden 1 bis 4 notwendig. Dies
kann vorzugsweise über
ein an der Frässpindel
angebrachtes Winkelwegmeßsystem
erfolgen.
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Zur
Durchführung
dieser Einzelschneiden-Bahnkorrektur kann beispielsweise das gesamte Fräswerkzeug 15 mittels
der Vorschubeinrichtung 30 periodische Bahnkorrekturbewegungen
in Zustellrichtung 40 ausführen, die mit den einzelnen
Schneideneingriffen synchronisiert sind. Alternativ kann die Einzelschneiden-Bahnkorrektur
von Aktuatoren 35 (1)
ausgeführt
werden, die im Fräswerkzeug 15 vorgesehen
und jeder einzelnen Schneide 1 bis 4 zugeordnet
sind. Der Vorteil von Aktuatoren 35, beispielsweise Piezoelemente,
liegt darin, daß nicht
das gesamte schwere Fräswerkzeug 15 mitsamt
der Vorschubeinrichtung 30 bewegt werden muß, sondern nur
die Schneideinsätze 1 bis 4 und
ggf. mit diesen verbundene Bauelemente. Dadurch wird eine sehr hohe
Dynamik erzielt. Im vorliegenden Fall mit idealtypischen Bedingungen
ist das Maß eg allerdings so gering, daß Korrekturen
nicht immer erforderlich sind.
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2a zeigt wiederum die Bearbeitungssituation
in Anlehnung an 1a.
Im Unterschied zu 1a sind
hier keine idealtypischen Randbedingungen unterstellt. Dargestellt
sind Ausbiegungen Δb der
Achse 11 des Werkstückes 10 von
ihrer Soll-Position E. Die Ausbiegung Δb kann sowohl in positiver als
auch in negativer Rich tung auftreten. Die Ausbiegungen Δb treten
vor allem bei labilen Werkstücken auf,
insbesondere bei Kurbelwellen und Nockenwellen, und entstehen beispielsweise
durch Bearbeitungskräfte
oder durch das Freiwerden von Werkstückeigenspannungen. Die Ausbiegungen Δb treten häufig systematisch
auf, das heißt,
bezogen auf die Drehlage des Werkstückes immer an gleichen Positionen.
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2b zeigt die Abwicklung
eines Abschnittes 5 der kreiszylinderförmigen Werkstückoberfläche aus 2a sowie die Abwicklung 6 eines
Abschnittes der Umfangsfläche
des Fräswerkzeuges 15 mit den
die Oberfläche
jeweils bearbeitenden Schneidkanten 1' bis 4' der Schneideinsätze 1 bis 4.
Es ist zu erkennen, daß an
der bearbeiteten Werkstückoberfläche Wellentäler unterschiedlicher
Größe entstehen.
Die Schneidkanten 1' bis 4' der Schneideinsätze 1 bis 4 liegen
auf dem Soll-Radius RT, sind also nicht die
Ursache dafür.
Verursacht wird dies durch die Ausbiegung Δb der Achse 11 des
Werkstückes 10 aus
ihrer Soll-Position E. Am Werkstück 10 bilden sich
diese Ausbiegungen Δb
durch unterschiedlich tiefe Wellentäler ab. Die Tiefe dieser Wellentäler beträgt Δe, gemessen
vom Soll-Radius
RT. Das Maß Δe kann kleiner oder größer als
das Maß eg der geometrischen Welligkeit sein, abhängig von
der Richtung der Ausbiegung Δb
des Werkstückes 10.
Zur Errechnung der Korrekturfunktion ist es erforderlich, die Welligkeit
der Werkstückoberfläche exakt
zu ermitteln.
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Zur
Erlangung von repräsentativen
Meßauswertungen
ist es vorteilhaft, die Meßergebnisse
mehrerer Werkstücke 10 mit
statistischen Methoden auszuwerten. Besonders vorteilhaft ist es,
mittels einer Post-Prozeß-Messung
die bearbeiteten Werkstücke zu
vermessen und laufend die bestehende Korrekturfunktion zu aktualisieren.
Die ermittelten Formfehler können
dann wiederum durch einen entsprechend korrigierten Bewegungsablauf
des Schneideneingriffes eliminiert werden.
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Für die Korrektur
im hier beschriebenen Fall ist es zusätzlich erforderlich, auch die
Drehstellung des Werkstückes
zu kennen. Eine vollständige
Korrektur der Welligkeit der Werkstückoberfläche mittels der Einzelschneiden-Bahnkorrektur
erfordert eine hohe Maschinendynamik und zur Berechnung der Korrekturbewegung
eine sehr hohe Rechenleistung der Maschinensteuerung. Deshalb ist
die vollständige
Elimination der Welligkeit nicht immer realisierbar. Dann besteht
aber immer noch die Möglichkeit,
mittels einer Einzelschneiden-Längenkorrektur
die Welligkeit zwar zuzulassen, jedoch nur in dem Maße, daß eine gleichmäßige Wellentiefe
entsteht, die der geometrischen Welligkeit eg entspricht.
Die dazu benötigten
Korrekturbewegungen Δf
des Schneideneingriffes in Zustellrichtung 40 erfordern
eine wesentlich geringere Maschinendynamik und Rechenleistung. Die
erforderliche Korrekturbewegung Δf
korrigiert dann den Schneideneingriff um das Maß Δe – eg.
Die erforderliche Korrekturbewegung, ausgeführt beispielsweise durch den
Vorschubantrieb 30 des Fräswerkzeuges 15 oder
durch den einzelnen Schneiden 1 bis 4 zugeordnete
Piezoaktuatoren 35, kann dann bereits vor dem Eintritt
der jeweiligen Schneidkante 1' bis 4' in den Werkstoff ausgeführt werden.
In vielen Fällen
ist die Genauigkeit dieser Korrekturmethode ausreichend, weil das
Maß eg gewöhnlich
sehr klein ist, beispielsweise kleiner 5 μm, insbesondere kleiner 2 μm, insbesondere
kleiner 0,5 μm.
Trotz dieser sehr geringen Größe des Maßes eg bilden
sich an der Werkstückoberfläche deutlich
sichtbare Facetten ab, die die Nutzung der Oberfläche z.B.
als Lagerstellenfunktion aus technischen Gründen ausschließen. Deshalb
erfolgt im Anschluß an
die Fräsbearbeitung meist
ein Schleifprozeß.
Erfolgt die Bearbeitung jedoch mit der Einzelschneiden-Bahnkorrektur, kann die
Facettenbildung in hohem Maße
reduziert und nachfolgende Schleifprozesse eliminiert werden.
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3a zeigt wiederum die Bearbeitungssituation
in Anlehnung an 1a.
Im Unterschied zu 1a sind
hier keine idealtypischen Randbedingungen unterstellt. Dargestellt
ist das Fräswerkzeug 15 mit
den Schneideinsätzen 1 bis 4,
die jedoch nicht allesamt auf dem Soll-Radius RT liegen,
sondern einzelne Schneiden weichen um den Betrag Δr positiv oder
negativ davon ab.
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3b zeigt die Abwicklung 5 eines
Abschnittes der kreiszylinderförmigen
Werkstückoberfläche aus 3a sowie die Abwicklung 6 eines
Abschnittes der Umfangsfläche
des Fräswerkzeuges 15 mit
den die Oberfläche
jeweils bearbeitenden Schneidkanten 1' bis 4' der Schneideinsätze 1 bis 4. Auch
hier ist zu erkennen, daß an
der bearbeiteten Werkstückoberfläche Wellentäler unterschiedlicher Größe entstehen.
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Die
Wellentäler
unterschiedlicher Größe werden
in diesem Fall durch den Schneidkantenversatz Δr einzelner Schneiden erzeugt.
Die Korrektur erfolgt prinzipiell gleich wie bei den vorher beschriebenen Verfahren,
denn prinzipiell ist es gleichgültig,
ob die Maßabweichung Δe von einem
Schneidkantenversatz Δr
oder einer Werkstückausbiegung Δb verursacht
wird. In der Praxis treten beide Fälle meist gleichzeitig auf,
wie anhand der 4a und 4b noch erläutert werden
wird. Die Ermittlung der periodisch auftretenden Formabweichungen
kann hier ebenfalls über
eine Vermessung des Werkstückes 10 erfolgen. Es
ist aber auch möglich,
mittels geeigneter Meßeinrichtungen,
die zum Stand der Technik gehören,
den Fräserrundlauf
am Werkzeug direkt zu messen. Die durch Schneidenversatz verursachte
Welligkeit bildet sich am Umfang periodisch ab, abhängig von
der Schneidenanzahl und dem Vorschub pro Zahn sz. Verfügt der Fräser 15 wie
im Beispiel gezeigt über vier
Schneiden und beträgt
der Vorschub pro Zahn 0,4 mm, so wiederholt sich das Wellenmuster
alle 1,6 mm. Betrachtet man ein Beispiel aus der Bearbeitung von
Kurbelwellen, so weisen dort ein gesetzte übliche Scheibenfräser einen
Durchmesser von 700 mm und 50 Schneiden auf. Bei einem Vorschub
pro Zahn von 0,25 mm ergibt sich eine Vorschublänge pro Werkzeug-Umdrehung
von 12,5 mm, so daß sich
das Wellenmuster bei einem Bearbeitungsdurchmesser von 50 mm ca.
12 mal abbildet. Um eine Zuordnung des Wellenmusters zum Fräsereingriff
vornehmen zu können,
muß eine
NC-Achseninterpolation zwischen der Fräserdrehbewegung und der Werkstückdrehung durchgeführt werden.
Dazu sind Meßsysteme
vorzusehen, die die Winkelstellung der Frässpindel und der Werkstückspindel
mit einer Meßauflösung < 1°, insbesondere < 0,001°, messen
können.
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Eine
weitere Variante für
die Erzeugung periodisch auftretender Rundlaufabweichungen während eines
Fräserumlaufes
tritt auf, wenn die Schneidkanten 1' bis 4' bezogen auf die Fräswerkzeugachse 16 auf
dem Soll-Radius RT liegen, die Fräswerkzeugachse 16 jedoch
nicht mit der Frässpindelachse 17 identisch
ist. Dies kann dann der Fall sein, wenn das Fräswerkzeug nicht zentrisch montiert
wird. Es ergibt sich dann während
einer Werkzeugumdrehung eine sinusförmige Rundlaufabweichung. Die
Korrektur dieser Maßabweichung
erfordert, obwohl letztlich jede Schneide 1' bis 4' einzeln korrigiert wird, weniger
Maschinendynamik und weniger Rechenleistung und wird bevorzugt mit
der Vorschubeinheit 30 ausgeführt. Diese führt dann
relativ niederfrequente hin- und hergehende Korrekturbewegungen
in Zustellrichtung 40 entsprechend der Drehfrequenz des Fräswerkzeuges 15 aus.
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Die
Korrekturbewegung kann sich auch zusammensetzen aus der Bewegung
der Vorschubeinheit 30 in Zustellrichtung 40 und
der Bewegung von Einzelschneidenaktuatoren 35. Ein Anwendungsfall wäre zum Beispiel
die Korrektur eines nicht zentrisch montierten Fräswerkzeuges 15 durch
die Vorschubeinrichtung 30, wobei der Fräser zusätzlich Schneiden
mit Schneidenversatz Δr
aufweist, der dann durch den zugehörigen Einzelschneidenaktuator 35 kompensiert
wird.
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4a zeigt wiederum die Bearbeitungssituation
in Anlehnung an 1a.
Im Unterschied zu 1a sind
hier keine idealtypischen Randbedingungen unterstellt. Dargestellt
ist die Kombination der Abweichungen aus 2a und 3a,
nämlich Ausbiegungen Δb der Achse 11 des
Werkstückes 10 von
ihrer Soll-Position E sowie die Schneideinsätze 1 bis 4,
die nicht allesamt auf dem Soll-Radius RT liegen.
Dieser Fall dürfte
wohl in der Praxis auftreten.
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4b zeigt die Abwicklung 5 eines
Abschnittes der kreiszylinderförmigen
Werkstückoberfläche aus 4a sowie die Abwicklung 6 eines
Abschnittes der Umfangsfläche
des Fräswerkzeuges 15 mit
den die Oberfläche
jeweils bearbeitenden Schneidkanten 1' bis 4' der Schneideinsätze 1 bis 4. Auch
hier ist zu erkennen, daß an
der bearbeiteten Werkstückoberfläche Wellentäler unterschiedlicher Größe entstehen.
Um sie zu korrigieren, werden die anhand der 2a, 2b und 3a, 3b beschriebenen Korrekturmaßnahmen
in Kombination eingesetzt.
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Die
durch die beschriebenen Korrekturmaßnahmen bearbeitete Werkstückoberfläche ist,
ebenfalls in Form einer Abwicklung 5 der kreiszylindrischen
Werkstückoberfläche, in 4b, unten, dargestellt.
Die erzeugte Kontur entspricht dann der Werkstück-Sollkontur bzw. kommt dieser
sehr nahe. Das Maß Δe wird zu
Null bzw. nahezu Null.
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5 zeigt in Form eines Blockschaltbildes die
verschiedenen Bestandteile des erfindungsgemäßen Verfahrens. Den zentralen
Bestandteil bildet eine CNC-Steuerung 62, die verschiedene
Eingangsdaten verrechnet und entsprechende Stellbefehle ausgibt.
In einem Werkstückvermessungs-Modul 100 wird
die Ist-Geometrie des Werkstückes 10 an
wenigstens einer Position mittels Meßeinrichtungen 60 gemessen.
Diese Messung dient dazu, die Rundlaufgenauigkeit des Fräswerkzeuges
zu ermitteln, ist also primär
keine Messung zur Ermittlung der Werkstückqualität. Die Messung kann als In-Prozeß- oder als
Post-Prozeß-Messung
erfolgen. Die Meßergebnisse
werden an die CNC-Steuerung 62 weitergeleitet. In einem
Werkzeugvermessungs-Modul 200 wird der Rundlauf der Schneideinsätze 1 bis 4 gemessen. Diese
Messung kann als Pre-Prozeß- oder
als In-Prozeß-Messung
erfolgen. Vorzugsweise wird die Messung als Pre-Prozeß-Messung
durchgeführt, weil
dann bereits beim ersten zu bearbeitenden Werkstück die Korrektur wirksam angewendet
werden kann. Auch diese Meßergebnisse
werden an die CNC-Steuerung 62 weitergeleitet. Die CNC-Steuerung 62 erhält weitere
Daten über
die Winkelposition von Werkstück
und Werkzeug. Die dazu erforderlichen Meßwertaufnehmer sind aus dem
Stand der Technik hinreichend bekannt und werden deshalb nicht näher erläutert. Schließlich kommuniziert
die CNC-Steuerung 62 mit einem SPC-Modul 64. Dieses Modul
erhält
sämtliche
Meßergebnisse
von Werkstück
und Werkzeug und bildet daraus statistische Kenngrößen. Dadurch
wird die Korrekturqualität
verbessert, weil zum Beispiel mehrere Meßergebnisse systematische Einflüsse, wie
etwa Ausbiegungen Δb des
Werkstückes,
mit höherer
statistischer Sicherheit erkennen lassen. Der Einsatz des SCP-Moduls 64 ist aber
nicht zwingend erforderlich. Aus allen Eingangsdaten errechnet die
CNC-Steuerung 62 dann die erforderlichen Korrekturbewegungen.
Die entsprechenden Korrekturdaten werden entweder an ein NC-Achskorrektur-Modul 66 für den Vorschubantrieb geleitet
oder an ein NC-Achskorrektur-Modul 68 für die Einzelschneidenaktuatoren
im Werkzeug 15. Die Korrekturdaten können entweder nur an jeweils
ein NC-Achskorrektur-Modul 66, 68 geleitet werden;
es können
aber auch beide NC-Achskorrektur-Module gleichzeitig angesteuert
werden.
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Die
beschriebenen Verfahren sind nicht auf die Korrektur kreiszylindrischer
Konturen beschränkt, sondern
auf beliebige Konturen anwendbar, beispielsweise auf ebene oder
beliebig gekrümmte
Konturen.