DE10334035A1 - Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstückflächen durch ein Fräswerkzeug sowie Fräswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstückflächen durch ein Fräswerkzeug sowie Fräswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Abstract

Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstückflächen durch ein Fräswerkzeug sowie Fräswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.
Mit dem Verfahren werden Werkstückflächen durch ein Fräswerkzeug spanend bearbeitet. Das Fräswerkzeug hat Schneidkanten. An der Bearbeitungsfläche treten Formabweichungen auf.
Damit eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit der Werkstückoberfläche auch bei Fräsern mit Rundlaufabweichungen erzielt wird, werden die Formabweichungen meßtechnisch ermittelt. Die ermittelten Formabweichungen werden bei der anschließenden Bearbeitung durch Korrekturbewegungen der Schneidkante berücksichtigt. Die Schneide des Fräswerkzeuges ist relativ zum Grundkörper durch einen Aktuator in Vorschubrichtung verstellbar.
Mit dem Verfahren und dem Fräswerkzeug können vorteilhaft Kurbelwellen bearbeitet werden.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Rundlauffehler des Fräswerkzeuges im Sinne dieser Erfindung sind immer Maßabweichungen der Schneidkanten bezogen auf die Frässpindelachse.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Sind derart hohe Qualitätsanforderungen nicht notwendig, so wird das Verfahren der Einzelschneiden-Längenkorrektur angewendet.
  • 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.
  • 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.
  • Auch Kombinationen der einzelnen Korrekturverfahren sind möglich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
  • 1a in vereinfachter Darstellung eine Anordnung zum Außenfräsen einer rotationssymmetrischen Werkstückfläche,
  • 1b die Abwicklung eines Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 1a,
  • 2a in schematischer Darstellung eine Anordnung zum Außenfräsen einer rotationssymmetrischen Werkstückfläche mit Ausbiegung der Werkstückachse,
  • 2b die Abwicklung eines Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 2a,
  • 3a in schematischer Darstellung eine Anordnung zum Außenfräsen einer rotationssymmetrischen Werkstückfläche, wobei das Werkzeug Rundlauffehler aufweist,
  • 3b die Abwicklung eines Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 3a,
  • 4a in schematischer Darstellung eine Anordnung zum Außenfräsen einer rotationssymmetrischen Werkstückfläche, wobei Ausbiegungen der Werkstückachse auftreten und das Werkzeug Rundlauffehler aufweist,
  • 4b die Abwicklung eines Abschnittes der bearbeiteten Werkstückfläche gemäß 4a,
  • 5 in einem Blockschaltbild eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 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.
  • Zusätzlich oder alternativ können die Schneideinsätze 1 bis 4 in radialer Richtung individuell durch Einzelschneiden-Aktuatoren 35 bewegt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die beschriebenen Verfahren sind nicht auf die Korrektur kreiszylindrischer Konturen beschränkt, sondern auf beliebige Konturen anwendbar, beispielsweise auf ebene oder beliebig gekrümmte Konturen.

Claims (18)

  1. Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstückflächen durch ein Fräswerkzeug, das wenigstens eine Schneidkante aufweist und bei dem Formabweichungen an der Bearbeitungsfläche auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Formabweichungen (Δe) meßtechnisch ermittelt werden, und daß die ermittelten Formabweichungen (Δe) bei der anschließenden Bearbeitung durch Korrekturbewegungen der Schneidkante (1' bis 4') berücksichtigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Formabweichung durch Vermessung der Ist-Geometrie der Werkstückoberfläche erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Formabweichung durch Vermessung der Lage der einzelnen Schneidkanten (1' bis 4') des Werkzeuges (15) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Formabweichung durch Vermessung der Ist-Geometrie der Werkstückoberfläche und durch Vermessung der Lage der einzelnen Schneidkanten (1' bis 4') des Werkzeuges (15) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturbewegung mit der jeweiligen Drehstellung des Fräswerkzeuges (15) gekoppelt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturbewegungen auf die Formabweichung einzelnen Schneideinsätze (1 bis 4) des Fräswerkzeuges (15) bezogen werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturbewegungen auf die Rundlaufabweichung des Fräswerkzeuges (15) bezogen werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturbewegungen durch eine Bewegung des Fräswerkzeuges (15) entlang der Vorschubachse erfolgen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturbewegungen durch Bewegungen der einzelnen Schneideinsätze (1 bis 4) des Fräswerkzeuges (15) erfolgen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der einzelnen Schneideinsätze (1 bis 4) durch Piezoaktuatoren (35) erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Formabweichungen von Flächen kompensiert werden, die parallel zur Fräserachse (16) liegen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Formabweichungen von Flächen kompensiert werden, die senkrecht zur Fräserachse (16) liegen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Formabweichungen von Flächen kompensiert werden, die in beliebiger Richtung zur Fräserachse (16) liegen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Ausbiegungen (Δb) des Werkstückes (10) zur Durchführung der Korrekturbewegungen berücksichtigt werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die bearbeiteten Werkstücke (10) mittels einer Post-Prozeß-Messung vermessen und die Korrekturbewegungen entsprechend aktualisiert werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Formabweichungen (Δe) systematisch bzw. periodisch auftreten.
  17. Fräswerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einem Grundkörper, der wenigstens eine Schneide trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (1 bis 4) relativ zum Grundkörper durch wenigstens einen Aktuator (35) in Vorschubrichtung (20) verstellbar ist.
  18. Fräswerkzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (35) ein Piezoaktuator ist.
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