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Verfahren zum Fräsen von Nuten und Schlitzen Gegenstand der Erfindung
ist ein Verfahren zum Fräsen von eng tolerierten Nuten und Längsschlitzen mit hohen
Anforderungen an die Oberflächengüte mittels Bohrnuten- oder Schlitzfräsem, deren
Durchmesser kleiner ist als die Nut- bzw. Schlitzbreite, wobei das Werkstück gegenüber
dem auf die gewünschte Frästiefe zugestellten Fräser bzw. der Fräser gegenüber dem
Werkstück mehr als eine Hin-und Herbewegung in Nut- bzw. Schlitzlängsrichtung ausführt
und wobei die Nut bzw. der Schlitz einmal im Schruppschnitt vorgefräst und nach
einer geradlinigen Querverstellung im Schlichtschnittrücklauf auf die fertige Nut-
bzw. Schlitzbreite fertiggefräst wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Werkzeugen grober Durchmesserpassung
Arbeiten mit hoher Passungsgenauigkeit und zugleich hoher Oberflächengüte der bearbeiteten
Flächen des Werkstückes auszuführen, ohne daß der Zeitaufwand zur Durchführung dieser
Arbeiten größer ist als bisher, reit Hilfe der bekannten Maschinen unter Anwendung
der üblichen Methoden. Dabei sollen jedoch so hohe Passungsqualitäten, die mindestens
der sechsten bis siebenten Güte entsprechen, sowie Oberflächenrauhigkeiten an den
bearbeiteten Flächen unter 10 [, selbst bei Serienfabrikation erreicht werden.
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Die bisher bekannten und gebräuchlichen Verfahren zum Fräsen von Paßfedernuten
und Längsschlitzen, die bei den hierzu besonders entwickelten Spezialmaschinen Anwendung
finden, weisen beträchtliche Nachteile auf und sind überdies ungeeignet, die Bedingungen
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung zu erfüllen. So arbeiten z.
B. bekannte Maschinen mit schwingenden Frässpindeln bzw. mit Frässpindeln mit Planetenbewegung
zur Erzielung einer vom Fräserdurchmesser unabhängigen Nutenbreite. Hierbei wird
der Nachteil in Kauf genommen, daß sich keine ebenen und glatten Nutenwände erzielen
lassen, da sich Bogen an Bogen reiht, deren Abstand vom Vorschub abhängig ist; dieser
Bogenabstand ist unerwünscht groß, wenn ein nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten
zweckentsprechender Längsvorschub eingestellt ist. Zwar ließe sich die mangelhafte
Oberflächenqualität dadurch verbessern, daß ein kleiner Längsvorschub bei hohen
Schwingungsfrequenzen bzw. schnellen Planetenbewegungen gewählt wird, doch hat dies
wiederum lange Bearbeitungszeiten zur Folge. Die Passungsgenauigkeit wird dadurch
aber zumindest nicht im Verhältnis zu dem Aufwand verbessert, was darauf zurückzuführen
ist, daß das Werkzeug durch seine Bewegungen stark beansprucht wird und sich Werkzeugschwingungen
infolge Federung der verhältnismäßig unstabilen Fingerfräser bei dieser Arbeitsweise
nicht vermeiden lassen.
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Zur genaueren Herstellung von Kanälen, Nuten u. dgl. in Werkstücken
aus einem weicheren Werkstoff, wie z. B. Aluminium, ist ferner bekannt, durch eine
erste Fräsung annähernd die erforderliche Breite und Tiefe der herzustellenden Kanäle
bzw. Nuten zu erzeugen und darauf erst durch eine weitere Nachfräsung die richtigen
Abmessungen fertigzustellen. Dieser Vorschlag hatte den Zweck, bei weichem und bei
der Bearbeitung schmierendem Material dem Nachteil zu begegnen, daß bei der Bearbeitung
die Breite der Nuten usw. überschritten wurde und außerdem die bearbeiteten Oberflächen
nicht ausreichend glatt waren. Bei diesem Verfahren wird also mit einem Werkzeug
kleinerer Dimension vorgearbeitet und anschließend mit einem anderen Werkzeug mit
Paßmaß nachgearbeitet, welches eine Nut in der geforderten Abmessung erhalten läßt.
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Es sind weiterhin Verfahren bekanntgeworden, mit denen die Paßfedernuten
bzw. Schlitze in der Weise hergestellt werden, daß der Fräser zuerst entlang der
einen Nutenwand geführt wird, wobei er Schrupparbeit leistet und dann nach einer
geradlinigen Querverstellung entlang der anderen Nutenwand zur Ausgangsstellung
zurückgeführt wird, wobei nur noch eine geringe Werkstoffschicht entsprechend der
Differenz zwischen der Nut- bzw. Schlitzbreite und dem Fräserdurchmesser entfernt
zu werden braucht. Es zeigt sich, daß die derart hergestellten Nuten bzw. Schlitze
eine völlig unterschiedliche Oberflächengüte an den beiden sich gegenüberliegenden
Nuten- bzw. Schlitzwänden haben.
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Zur Durchführung dieser Maßnahmen dient einmal eine Maschine, bei
welcher die Frässpindel in einer
Exzenterbüchse gelagert ist, zum
anderen eine Maschine, bei welcher die Frässpindel an einem Schlitten gelagert ist,
welcher zwischen zwei Endlagen beweglich ist. Bei Benutzung der erstgenannten Maschine
erhält man Nuten mit halbkreisförmigen Nutenenden, während die zweitgenannte Maschine
an sich vorteilhaftere Nuten mit rechteckigen Umrissen mit abgerundeten Ecken liefert.
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Auch ist es bereits bekannt, den Fräser entlang eines Rechtecks zu
führen und den Werkstoff schichtweise abzutragen, bis die gewünschte Nutentiefe
erreicht ist. Dieses Verfahren ist ebenso unbefriedigend, da der Fräser ungleichmäßig
beansprucht und gleichfalls die geforderte Oberflächengüte der Nutenwände und eine
sehr gute Passungstoleranz nicht erreicht wird.
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Zur Vermeidung der aufgezeigten Mängel der bekannten Verfahren wird
gemäß der Erfindung zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagen, um Nuten und
Schlitze mit hohen Anforderungen an die Toleranzen und Oberflächengüte zu erhalten,
diese in der Weise herzustellen, daß der auf die gewünschte Frästiefe zugestellte
Bohrnuten- oder Schlitzfräser im Schruppschnitt längs der Mittellinie der Nut bzw.
des Schlitzes vorfräst, dann um die halbe Differenz zwischen Fräserdurchmesser und
Nut- bzw. Schlitzbreite querverstellt wird, im Schlichtschnittrücklauf die erste
und nach weiterer Querverstellung um die volle Differenz die zweite Längsseite der
Nut bzw. des Schlitzes im Schlichtschnitt fertigfräst.
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Hierdurch erfolgt zuerst eine Vorbearbeitung für die nachfolgenden
Feinbearbeitungen, während denen der Fräser in bezug auf seine Achse entlang der
Seiten eines Rechtecks, welches durch die Mittellinie parallel zu deren Längsseiten
symmetrisch geteilt ist, geführt wird, wobei die Nut bzw. der Schlitz die gewünschte
Breite erhält. Bei dieser Feinbearbeitung der Wandflächen der Nut bzw. des Schlitzes
wird von dem Fräser nur noch wenig Werkstoff abgehoben, da die große Masse des zu
entfernenden Werkstoffes beim ersten Arbeitsgang entfernt worden ist. Wegen der
nur verhältnismäßig geringen Spanabnahme während der Nachbearbeitung kann die Vorschubgeschwindigkeit
und auch die Schnittgeschwindigkeit ohne Beeinträchtigung der Maßgenauigkeit bzw.
der Oberflächengüte ein mehrfaches derjenigen während des Vorbearbeitungsganges
betragen, während der Fräsen bei seiner Bewegung entlang der Mittellinie der Nut
bzw. des Schlitzes nur Schrupparbeit leistet, wo es weder auf die Einhaltung von
Passungen noch auf die Güte der Oberfläche ankommt. Daher braucht bei dem Vorbearbeitungsgang
lediglich danach gestrebt zu werden, in möglichst kurzer Zeit den Werkstoff in der
Mitte der Nut bzw. des Schlitzes zu entfernen, so daß die größtzulässige Vorschubgeschwindigkeit
zwecks größtmöglicher Zeitersparnis gewählt werden kann. Die Gesamtbearbeitungszeit
bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit kürzer als bei den bekanntgewordenen
Verfahren, auch wenn bei diesen der Fräser gegenüber dem Werkstück nur eine oder
zwei Bewegungen in Nuten-bzw. Schlitzlängsrichtung ausführt.
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In den Zeichnungen ist einmal der Verfahrensablauf als Einzelschritte
schematisch dargestellt, zum anderen eine bauliche Ausführung einer für die Durchführung
des Verfahrens geeigneten Maschine gezeigt, deren bauliche Einzelheiten jedoch nicht
Gegenstand der Erfindung sind. Im einzelnen zeigen Fig. 1 a bis 1 d einzelne Phasen
des Verfahrens beim Fräsen einer Nut, Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zweckmäßigerweise
anzuwendende Nutenfräsmaschine, Fig. 3 einen vertikalen Längsschnitt durch das Maschinengestell
der Fräsmaschine gemäß Fig. 2, Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch die Vorrichtung
zur Verstellung der Endanschläge für die Schwinge zur Bewegung des Kreuzsupports,
Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch den Schwingenlagerbock.
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Wie Fig. 1 a erkennen läßt, wird der Bohrnutenfräser F zunächst an
dem einen Ende EI der Nut in deren Mitte gegen das Werkstück geführt und ein Loch
in Tiefe der Nut gefräst. Anschließend wird der Fräser F, wie Fig. 1 b zeigt, entlang
der Mittellinie M bis zum entgegengesetzten Ende E2 der Nut geführt (Pfeil 1,),
wobei der Werkstoff in Tiefe der Nut aus dem mittleren Feld I entfernt wird. Dieses
entspricht in der Breite dem Durchmesser des Fräsers F, der kleiner ist als die
Breite der zu fräsenden Nut.
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Wenn der Fräser das Ende E2 der Nut erreicht hat, wird er senkrecht
zur Mittellinie M geführt (q1), und zwar so weit, bis der Fräser mit seinem Außenumfang
die eine Seitenwand S1 der Nut erreicht. Dieser Weg des Fräsers entspricht der halben
Differenz zwischen dem Fräserdurchmesser und der Breite der fertigen Nut. Von diesem
Punkt aus wird der Fräser F parallel zur Mittellinie M zum entgegengesetzten Ende
Ei der Nut zurückgeführt (12), wobei er das schraffierte Feld 1I wegfräst.
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Nachdem der Fräser F das Ende der Nut erreicht hat, führt er erneut
eine Querbewegung senkrecht zur Längsbewegung aus (q2), bis der Fräser mit seinem
Umfang die gegenüberliegende Seitenfläche der fertigen Nut erreicht hat. Diese Querbewegung
entspricht der ganzen Differenz zwischen dem Fräserdurchmesser und der Nutbreite.
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Bei seiner dritten Längsbewegung (1s) nimmt der Fräser F das Feld
III weg. Nach Erreichung des Endes E2 der Nut wird der Fräser zur Nutmitte M senkrecht
zur Längsbewegung zurückgeführt (q3) und anschließend axial zurückgezogen.
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Die derart hergestellten Nuten bzw. Schlitze lassen sich bei einer
Nutlänge von etwa 50 mm und einer Nuttiefe von etwa 5 mm in einer um etwa 10 bis
15 % verkürzten Arbeitszeit gegenüber den bekannten Verfahren völlig automatisch
herstellen, wobei jedoch die Passungsqualität mindestens um eine Stufe höher und
die Oberflächengüte eine beträchtlich bessere ist.
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Die in den Fig. 2 bis 5 der Zeichnungen dargestellte und nachstehend
beschriebene Nutenfräsmaschine, welche sich zur Durchführung des vorbeschriebenen
Verfahrens als besonders geeignet erwiegen hat, ist mit einer horizontal angeordneten
Frässpindel ausgerüstet.
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Die Frässpindelhülse 1 ist in dem Frässupport 2 längsverschieblich
gelagert und bildet ihrerseits die Lagerung für die Frässpindel l
a. Der Frässupport 2 gleitet in einer senkrechten Führung des Kreuzsupports
3, der sich in einer Führung des Maschinenbettes 4, von der Gewindespindel 5 angetrieben,
parallel zum beispielsweise als runde Welle dargestellten Werkstück 6 bewegen kann,
welches mittels einer üblichen Einspannvorrichtung 7 auf dem Tisch festgehalten
wird. An dem Kreuzsupport 3 ist der Schwingenlagerbock 8 und das Maschinenteil 9
für
die Aufnahme der Antriebseinrichtung und der Anschläge für die
Schwinge 10 befestigt. Die Höhenlage des Frässupports kann mit der handbetätigten
Verstelleinrichtung 11 verändert und eingestellt werden. Völlig unabhängig von dieser
Handverstellung, die nur dazu dient, das Werkzeug beim Einrichten der Maschine in
die vom Werkstück bedingte Arbeitslage zu bringen, wird dem Frässupport 2 in einem
bestimmten Rhythmus des Arbeitsablaufes bei der Bearbeitung einer Paßfedernut oder
eines Längsschlitzes über die Schwinge 10 zusätzlich eine vertikale Bewegung erteilt,
deren Größe durch die verstellbaren Endanschläge 12 und 13 begrenzt wird. Der Drehmittelpunkt
14 der Schwinge 10, der Angriffspunkt der Schwinge 10 am Frässupport 2 und die Anschläge
12 und 13 haben solche Entfernungen voneinander, daß ein großer Weg der Schwinge
10 im Bereich der Anschläge 12 und 13 einen kleinen Weg am Frässupport 2 ergibt.
Die Schwinge 10 wird durch den Kolben 15 mittels Öldruck jeweils an den Enden der
zu fräsenden Paßfedernuten, Langschlitze u. dgl. abwechselnd nach oben und unten
durch entsprechende Beaufschlagung des Kolbens bewegt und an die Anschläge 12 und
13 für die Wegbegrenzung mit genügend großer Kraft angedrückt, die ausreicht, um
den Frässupport auch unter der Einwirkung des vom Fräsen herrührenden Arbeitsdruckes
fest in der Anschlagstellung zu halten.
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Beim Bohren und Vorarbeiten der Paßfedernuten, Langschlitze u. dgl.
gemäß Fig. 1 a und 1 b wird der Frässupport durch Andrücken der Schwinge 10 an den
Mittelanschlag 16 in der Mittellage gehalten. Hierbei ist die Mittellinie der Nut
usw. mit der Fräserachse in Deckung. Nach Beendigung dieses Arbeitsganges, d. h.
nachdem das Fräswerkzeug das andere Ende der Nut erreicht hat, wird durch entsprechende
Kontaktgabe, die von einer mit der Gewindespindel n über ein Schneckengetriebe in
Antriebsverbindung stehenden Nockentromme123 und einstellbarem Nocken 24 ausgelöst
wird, der Mittenanschlag 16 der Schwinge 10 durch einen Elektromagneten über den
Winkelhebel 18 zurückgezogen und gleichzeitig der Druckölzufluß zur Kammer 19 über
einen vom Gestänge 20 betätigten Schieber 21 freigegeben. Der Kolben 15 nimmt über
zwei gelenkige Verbindungslaschen 22 die Schwinge 10 an ihrem Angriffsende mit nach
oben, bis die fest mit den beiden Schwingenhälften verbundenen Anlagestücke 25 an
den Endanschlägen 12 unter Druck anliegen. Es wird nun in dem hydraulischen Leitungssystem
von selbst eine Drucksteigerung hervorgerufen, durch die ein Überdruckschalter 26
anspricht, der die Einschaltung des Längsvorschubes des Kreuzsupports 3 und des
Frässupports 2 in der anderen Richtung bewirkt. Der Antrieb des Kreuzsupports 3
erfolgt beispielsweise durch den Elektromotor 27 über den Riementrieb 28, das Stufengetriebe
29, die Reibungskupplungen 30 bzw. 31, ein Zwischengetriebe und die Gewindespindel
5. Für den Vorbearbeitungsgang geht der Antrieb beim Längsvorschub über die Kupplung
30, für die Nachb; -arbeitungsgänge über die Kupplung 31, die über entsprechend
übersetzte Getrieberäder eine mehrfach höhere Drehzahl als die Kupplung 30 erhält
und damit auch die Gewindespindel 5 mit dieser höheren Drehkraft antreibt, so daß
während der beiden Nachbearbeitungsgänge n-it einer mehrfach höheren Vorschubgeschwindigkeit
gefräst wird als beim Vorbearbeitungsgang. Die Umkehrung der Vorschubrichtung für
den ersten Nachbearbeitungsgang kann durch Umsteuern des Motors oder durch ein nicht
gezeichnetes Wendegetriebe erfolgen.
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Vor Beginn des ersten Nachbearbeitungsganges wird der Frässupport
2 verschoben, indem die Schwinge 10 durch den Kolben 15 durch entsprechende Beaufschlagung
in ihrer links vom Drehpunkt 14 liegenden Ausladung nach abwärts bis zum Endanschlag
13 gedrückt und der Frässupport 2 um einen durch das Übersetzungsverhältnis der
Schwinge verminderten Weg gehoben wird. Die Größe dieses Weges kann von Null bis
zu einem Größtwert durch Enger- oder Weiterstellen der Endanschläge 12 und 13 den
jeweiligen Bedürfnissen mit hoher Genauigkeit angepaßt werden. Zum Verstellen der
Anschläge dient, wie Fig. 4 erkennnen läßt, die Gewindespindel 32, die mit Links-
und Rechtsgewinde versehen ist und die Anschläge 12 und 13 mittels der Gewindemuttern
33 und 34 in entgegengesetzter Richtung bewegt. Der Verstellweg an den Anschlägen
12 und 3.3 ist, wenn man an der Schwinge 10 beispielsweise ein 1Jbersetzungsverhältnis
von 1 : 25 annimmt, ebenfalls um fünfundzwanzigmal größer als der Verstellweg am
Frässupport 2, was eine außerordentlich hohe Verstellgenauigkeit an diesem Support
trotz verhältnismäßig grober Verstellung an den Anschlägen verbürgt. Durch diese
Einrichtung wird erreicht, daß beim Fräsen von Nuten, Langschlitzen u. dgl. Passungen
der Qualität 7 auch von nicht fachmännisch geschultem Personal unschwer eingehalten
werden können.
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Am Ende des zweiten Nachbearbeitungsganges, d. h. nach Erreichen des
Nutenendes wird die Schwinge aus ihrer unteren Stellung bis zur Mittelstellung gehoben,
wo der Weg durch den Mittenanschlag 16 begrenzt wird. Danach wird der Fräser zurückgezogen
und die Maschine stillgesetzt.
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Damit die Schwingenbewegung mit möglichst geringer Nachgiebigkeit
und Federung auf den Frässupport übertragen wird, sind an den beiden Schwingenhälften
10, 10' Rundkörper 35, 35' (vgl. Fig. 2 und 5) starr befestigt, die zwischen je
drei Rollen 36, 37 und 38 bzw. 36', 37' und 38' gelagert sind, die in der gleichen
Ebene angeordnet sind wie die in Nuten der Rundkörper gleitenden Übertragungssteine
39, 39'. Auf diese Weise werden für die genaue Bewegungsübertragung schädliche Biegemomente
an der Schwinge weitgehend ausgeschaltet.
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Die oberen Rollen 38, 38' können, weil sie an gelenkigen Laschen 47,
47' befestigt sind, mittels der Gewindetraverse 48, die über das Verbindungsstück
49 auf die Laschen einwirkt, mit Vorspannung an die Rundkörper 35, 35' angedrückt
werden, um jegliches Spiel in der Schwingenlagerung auszuschließen.
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In die Übertragungssteine 39, 39' greifen Zapfen 40' eines Ringes
40, der mittels der Rundmuttern 41 und der Zwischenbüchse 42 die Hülsen 43, 44 axial
spielfrei trägt, welche die Axialbewegungen über die Gewindespindel 45 auf den Frässupport
2 überträgt. Um eine stetige einseitige Anlage der übertragungssteine 39, 39' an
den Nuten der Rundkörper 35, 35' zu gewährleisten, ist die Hülse 43 mittels der
Federn 46 einem genügend starken Druck ausgesetzt.