DE19906858A1 - Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks - Google Patents

Abstract

Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks 5, bei welchem insbesondere eine dreidimensionale, räumliche Fläche 1 bearbeitet wird, wobei ein mit zumindest einer Schneide versehenes Werkzeug 2 in drei Bewegungsachsen x, y, z längs der Fläche 1 bewegt wird und wobei das Werkzeug 2 jeweils in einer vierten Achse W mit einer Schneide 3 zu der Fläche 1 positioniert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks. Bei der spanenden, dreidimensio­ nalen Bearbeitung von Werkstücken, ist es bekannt, Hochge­ schwindigkeit-Fräsverfahren einzusetzen. Insbesondere durch die hohen Drehzahlen der Werkzeuge und die sich daraus ergebenden hohen Schnittgeschwindigkeiten können relativ gute Oberflächenqualitäten hergestellt werden. Dabei ist es erfor­ derlich, das Werkzeug in vielen, eng nebeneinanderliegenden Bahnen über das Werkstück zu bewegen.

Der durch diese Verfahren zu erzielenden Oberflächenqualität sind jedoch Grenzen gesetzt. Insbesondere durch die hohen Drehzahlen besteht die Gefahr, daß das Werkzeug (Fräswerkzeug) in Schwingungen gerät. Diese Gefahr besteht insbesondere dann, wenn größere Auskraglängen vorhanden sind. Die Schwingungen des Werkzeugs übertragen sich selbstverständlich entsprechend auf die Oberfläche des Werkstücks, so daß Oberflächenungenau­ igkeiten, Rattermarken oder ähnliche Fehler auftreten.

Ein weiterer, systembedingter Nachteil bei Fräsverfahren liegt darin, daß es sich stets um einen unterbrochenen Schnitt han­ delt. Durch diese Schnitt-Unterbrechung wird das Werkzeug zu­ sätzlich zu Schwingungen angeregt.

Alles in allem ergeben sich bei dem beschriebenen Fräsverfahren auch bei extrem feinen Zeilenabständen Oberflächenrauhigkeiten oder sonstige Fehler des Werkstücks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks zu schaffen, welches bei einfacher Anwendbarkeit insbesondere bei dreidimensionalen Flächen ein hohes Maß an Oberflächengüte aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, daß bei der Bearbeitung einer dreidimensionalen, räumlichen Fläche ein mit zumindest einer Schneide versehenes Werkzeug in drei Bewegungsachsen längs der Fläche bewegt wird, wobei das Werkzeug jeweils in einer vierten Achse mit seiner Schneide zu der Fläche positio­ niert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Erfindungsgemäß ist somit möglich, mittels einer Schneide, die entlang der dreidimensionalen Flä­ che bewegt wird, einen nicht-unterbrochenen Schnitt zu reali­ sieren. Durch die Positionierung der Schneide des Werkzeugs zu der Fläche ergeben sich, unabhängig von der räumlichen Ausge­ staltung der Fläche, jeweils gleiche Schnittbedingungen. Diese Schnittbedingungen können in einfacher Weise durch Wahl der Vorschubgeschwindigkeit und der Schneidengeometrie sowie durch die Ausrichtung der Schneide optimiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bevorzugterweise auf einer Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschine (HSC-Fräsen) durchgeführt werden. Die bei einer derartigen Maschine vorhandene Frässpin­ del wird jedoch nicht kontinuierlich in Drehung versetzt, son­ dern lediglich in Abhängigkeit von der Oberflächengeometrie des Werkstücks gedreht, um die Schneide des Werkzeugs entsprechend zu positionieren.

Es ergeben sich somit Schnittbedingungen, die denen einer Drehbank oder Drehmaschine vergleichbar sind. Andererseits be­ steht erfindungsgemäß die Möglichkeit, beliebige dreidimensio­ nale Flächen zu bearbeiten.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Werkzeug selbst nicht in Drehung versetzt wird, werden sämtliche aus dieser Drehung und der möglicherweise dabei auftretenden Schwingung des Werkzeuges hervorgerufenen Fehler vermieden.

Das Werkzeug kann erfindungsgemäß zylindrisch, kugelförmig oder abgerundet ausgebildet sein, es ist möglich, gewendelte oder gerade Schneiden einzusetzen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Werkzeug eine Beschichtung aufweist, beispielsweise eine Diamantbeschichtung. Das Verfahren ist somit nicht auf bestimmte Werkzeuge oder vorgegebene Werkstückgeometrien beschränkt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die vierte Achse, um welche die Schneide des Werkzeugs positionierbar ist, die Drehachse des Werkzeugs ist. Dies ist jedoch nicht Voraussetzung, viel­ mehr können auch andere Anordnungen der Drehachse vorgesehen sein.

Das Werkzeug wird erfindungsgemäß bevorzugterweise in der vierten Achse hinsichtlich der Ausrichtung seiner Schneide relativ zu der Fläche gedreht. Bei einer CNC-gesteuerten Maschine, bei welcher die Oberfläche in ihrer dreidimensionalen Form maschinenseitig vorgegeben ist, kann somit die Schneide stets in optimaler Weise ausgerichtet werden.

Die Drehung der Schneide des Werkzeugs um die vierte Achse er­ folgt bevorzugterweise kontinuierlich, beispielsweise unter Verwendung eines Schrittmotors.

Um beliebige dreidimensionale Flächen bearbeiten zu können, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Drehung des Werkzeugs jeweils in beide Drehrichtungen erfolgt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn jeweils die Flächennormale des Werkstücks, bezogen auf die dreidimen­ sionale Fläche als Bezugsgröße oder Ausgangsgröße genommen wird und die Schneide des Werkzeugs zu dieser Flächennormale ausgerichtet wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Span­ winkel beziehungsweise der Freiwinkel stets konstant bezie­ hungsweise gleich bleiben.

Hinsichtlich der Geometrie des Werkzeugs ist das erfindungsge­ mäße Verfahren in vielfältiger Weise anpaßbar, insbesondere hinsichtlich der Schnittgeschwindigkeiten, der Schneiden-Geo­ metrien, der Werkstückeigenschaften etc. Es kann ein Werkzeug verwendet werden, welches ähnlich einem Fräswerkzeug ausgebil­ det ist, es ist jedoch auch möglich, ein Werkzeug vorzusehen, welches hinsichtlich seiner Geometrie mehr einem Hobelwerkzeug ähnelt.

Auch die Schnittgeschwindigkeit, das heißt die dreidimensionale Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges kann optimal ausgebildet werden. So ist es beispielsweise möglich, die Schnittgeschwindigkeit bei kleinen Innenradien stark zu redu­ zieren. Der abzutragende Span wird dabei entsprechend klein gehalten, um Überlastungen des Werkzeugs zu vermeiden und um sicherzustellen, daß keine störenden Schwingungen auftreten.

Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine, die zur Durchführung des Verfahrens dient, verfügt bevorzugterweise über eine sehr hohe Verfahr- und Positioniergenauigkeit. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Linearmotoren realisiert werden. Weiterhin kann es günstig sein, wenn hydrostatische Führungen oder luftgelagerte Führungen für die einzelnen Schlitten der Maschine vorgesehen sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische, vereinfachte Darstellung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens bei Bearbeitung einer dreidimensionalen Fläche, und

Fig. 2 eine stark vereinfachte, vergrößerte Draufsicht eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsbereichs.

Die Fig. 1 zeigt einen Teil eines Werkstücks 5, welches eine zu bearbeitende oder zu erzeugende dreidimensionale Fläche 1 aufweist. Ein Werkzeug 2, welches mit zumindest einer Schneide 3 versehen, ist, wird entlang einer Vielzahl von zueinander parallelen Spuren 7 bewegt, wobei die Bewegung des Werkzeugs 2 zur Erzeugung der dreidimensionalen Fläche 1 längs dreier Achsen x, y und z erfolgt.

Das Werkzeug 2 ist an eine Spindel 6 gelagert, welche um eine Achse W, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, verschwenkbar ist.

Das Werkzeug 2 wird somit längs der Spur 7 über die dreidimen­ sionale Fläche 1 geführt. Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Detail-Ansicht des Bearbeitungsbereichs. Zu der dreidimensio­ nalen Fläche 1 sind jeweils einige Flächennormalen 4 darge­ stellt. Diese Flächennormalen 4 eignen sich in besonders vor­ teilhafter Weise, um die Lage der Schneide 3 zur Fläche 1 (durch Drehung der Spindel 6 um die Achse W) auszurichten. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Werkzeug 2 zwei einander gegenüberliegende, symmetrische Schneiden auf. Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung nur eine dieser Schneiden kontinuierlich im Eingriff ist, während die andere Schneide entweder als Reserve verwendet werden kann oder mit anderen Schnittgeometrien versehen sein kann, um beispielsweise einen Feinschnitt oder ähnliches zu erzeugen.

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abhandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks 5, bei welchem insbesondere eine dreidimensionale, räumliche Fläche 1 bearbeitet wird, wobei ein mit zumindest einer Schneide versehenes Werkzeug 2 in drei Bewegungsachsen x, y, z längs der Fläche 1 bewegt wird und wobei das Werkzeug 2 jeweils in einer vierten Achse W mit einer Schneide 3 zu der Fläche 1 positioniert wird. (Fig. 2)

Claims (10)

1. Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks (5), bei welchem insbesondere eine dreidimensionale, räumliche Fläche (1) bearbeitet wird, wobei ein mit zumindest einer Schneide versehenes Werkzeug (2) in drei Bewegungsachsen x, y, z längs der Fläche (1) bewegt wird und wobei das Werkzeug (2) jeweils in einer vierten Achse W mit einer Schneide (3) zu der Fläche 1 positioniert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Achse W eine Drehachse des Werkzeugs (2) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (2) in der vierten Achse W hinsichtlich der Aus­ richtung seiner Schneide (3) relativ zu der Fläche (1) gedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung schrittweise erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung jeweils in beide Drehrich­ tungen erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schneide (3) des Werkzeugs (2) zur Flächennormale (4) der Fläche (1) des Werkstücks (5) posi­ tioniert wird.

7. Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem ein Werkstück (5) haltenden Tisch, und einem an einer drehbaren Spindel (6) gelagerten Werkzeug (2), wobei zwischen dem Werkstück (5) und dem Werkzeug (2) zur Erzeugung einer dreidimensiona­ len, räumlichen Fläche (1) eine Relativbewegung in drei Achsen x, y, z möglich ist und das Werkzeug (2) um die Längsachse W der Spindel (6) als vierte Achse kontinuierlich bewegbar ist.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung um die vier Achsen x, y, z, w mittels Linearmotoren erfolgt.

9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Führungen zur Bewegung um die Achsen x, y, z, w in Form von hydrostatischen Führun­ gen ausgebildet sind.

10. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Führungen zur Bewegung um die Achsen x, y, z, w in Form von luftgelagerten Führungen ausgebildet sind.