DE69619789T2

DE69619789T2 - Methode zum Bearbeiten mit hoher Geschwindigkeit von Matrizen und Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine

Info

Publication number: DE69619789T2
Application number: DE69619789T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Anzai; Toshitaka Matsuoka; Takeo Nakagawa; Ichiro Takahashi
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: DE69619789D1; EP0788040B1; US5919012A; EP0788040A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fräsen einer Form mit hoher Geschwindigkeit, und auch eine Fräsmaschine ultrahoher Geschwindigkeit, die das Verfahren ausführt. COMPUTERS IN INDUSTRY, Band 26, Nr. 2, Mai 1995, AMSTERDAM NL, Seiten 161-173, XP000505236 CHUN-FONG YOU: "An automatic path generation method of NC rough cut maschining from solid models" legt ein Verfahren nach der Präambel von Anspruch 1 offen.

Beschreibung des Stands der Technik

Die meisten mechanischen Teile werden unter Verwendung einiger Formen hergestellt, und nun sind solche Formen unabdingbar für die Massenproduktion von mechanischen Teilen mit hoher Qualität und niedrigen Kosten. Konventionell werden viel Zeit und hohe Kosten aufgewendet, um Formen herzustellen. Da es jedoch im Zug der Zeit ist, nur genau die benötigte kleine Menge an industriellen Teilen zu produzieren, wodurch ihr Lebenszyklus kürzer wird, ist es in besonderem Maß erforderlich, die Zeit für die Herstellung einer Form zu verkürzen, und die Kosten dafür zu senken.
Im Allgemeinen umfasst die Herstellung einer Form die Schritte in der folgenden Reihenfolge: Entwerfen, Fräsen, Zusammenbauen und Fertigstellen, Erproben und Modifizieren. Von diesen Schritten ist es gegenwärtig möglich, den Entwurf wegen der Entwicklung computergestützten Entwerfens (CAD) und der Formsimulation in einer relativ kurzen Zeitspanne durchzuführen. Gegenwärtig wird die längste Zeit benötigt, um die numerische Steuerungsprogrammierung für die Herstellung einer Form und die Herstellung der Form selbst durchzuführen.
Die Herstellung von Formen wird meistens durch Fräsen mittels eines Stiftfräsers durchgeführt. Jedoch ist es unmöglich, ein Fräswerkzeug mit großem Durchmesser für die Herstellung einer Form mit einer komplizierten Gestalt zu verwenden, außer für die Rohbearbeitung. So wird die Formherstellung in den meisten Fällen durchgeführt durch ein Feinfräsen unter Verwendung eines Fräswerkzeugs mit kleinem Durchmesser. Dies führt zu einem Problem, dass die Frästiefe klein sein muss, und deshalb das Fräsen zu viel Zeit benötigt. Um die Zeit für das Fräsen zu verkürzen, ist es notwendig, die Rotationsgeschwindigkeit zu vergrößern und daher auch die Führungsgeschwindigkeit des Fräswerkzeugs. Jedoch entstehen bei einem konventionellen Fräsprozeß viele Probleme bei einer derartigen Vorgehensweise: (a) kurze Standzeit eines Fräswerkzeugs, (b) Schwierigkeiten bei der Rotation mit hoher Geschwindigkeit, (c) Haltbarkeit des Lagers, (d) Genauigkeit des Werkzeughalters, (e) Mechanismus für das Führen eines Fräswerkzeugs bei hoher Geschwindigkeit, (f) Entwurf eines Numerischen-Steuerungs-(NC-)Bandes, (g) thermische Verformung einer Verarbeitungsmaschine, (h) Erzeugung von Oberflächenstufen eines Werkstücks aufgrund der Auswechselung von Werkzeugen und (i) Beschädigung der Werkzeuge aufgrund unerwarteter Vergrößerung der Frästiefe.
Im Folgenden werden die oben angeführten Probleme im Einzelnen diskutiert.
Falls ein Fräswerkzeug mit hoher Geschwindigkeit rotiert und geführt wird, verkürzt sich die Standzeit des Werkzeugs, und so ist es notwendig, häufig das Werkzeug auszutauschen. Folglich ist es unmöglich, Fräsen mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
Obgleich eine konventionelle Rotationsgeschwindigkeit eines Werkzeugs kleiner als einige wenige Tausend Umdrehungen pro Minute (UpM) ist, ist es erforderlich, die Rotationsgeschwindigkeit über die wenigen Tausend Umdrehungen pro Minute zu erhöhen.
Ein konventionelles Kugellager ist in der Lage, einer Rotationsgeschwindigkeit von 10000 bis 50000 UpM standzuhalten, aber ist praktisch nicht in der Lage, eine höhere Rotationsgeschwindigkeit auszuhalten, weil es eine nur kurze Lebensdauer bei einer solchen Rotationsgeschwindigkeit hat.
Bei einer Rotation mit einer höheren Geschwindigkeit als einige wenige Tausend Umdrehungen pro Minute, würde ein konventioneller Werkzeughalter ein Problem des Lockerns und der dynamischen Balance haben aufgrund der Zentrifugalkraft in den Klammern, mit denen das Werkzeug fest eingeklemmt wird.
Ein Führen mit hoher Geschwindigkeit ist unerläßlich für eine hocheffiziente Herstellung, aber eine konventionelle Kugelschraube hat eine obere Grenze im Bereich von 20 bis 60 m/min. Zusätzlich sind Beschleunigungs- und Abbremsungsleistung sehr wichtig für das Führen mit hoher Geschwindigkeit, aber ein Treiber und/oder eine Steuerung werden zwangsläufig größer in den Abmessungen, um es möglich zu machen, eine Kugelschraube in einer kurzen Zeitspanne zu beschleunigen und abzubremsen.
Selbst gegenwärtig bedarf es einer geraumen Zeit für die Herstellung eines Steuerungsbandes für numerische Steuerung. Insbesondere bedarf eine konventionelle, dreiachsige Steuerung zu viel Zeit für die Herstellung eines Steuerungsbandes für numerische Steuerung, um das Fräsen eines Werkstücks mit einer kleinen Frästiefe und -breite durchzuführen.
Falls eine Rotation und ein Vorschub mit hohen Geschwindigkeiten durchgeführt wird, verursacht die durch den Antrieb der Spindel mit hoher Geschwindigkeit erzeugte Hitze und die durch das Fräsen eines Werkstücks erzeugte Hitze eine thermische Verformung der Fräsmaschine. Insbesondere kann eine solche thermische Verformung bei der Herstellung einer Form nicht ignoriert werden, welche akkurat dimensioniert sein muss.
Bei der Auswechselung von Werkzeugen kann aufgrund eines Versatzes eines neu eingesetzten Werkzeugs, der elastischen Verformung eines Werkzeugs und Abweichungen in der Dimension eines Werkzeugs eine Stufe in der Fräsebene eines Werkstücks erzeugt werden, was zu der Entstehung von Fehlern in der Oberflächengenauigkeit führt.
Im Allgemeinen ist konventionell eine Rohbearbeitung und anschließend eine Feinbearbeitung ausgeführt worden, um dadurch die Herstellungseffizienz zu steigern. Jedoch häufig wird die Frästiefe bei der Feinbearbeitung im Anschluß an die Rohbearbeitung zu groß, und dadurch wird ein Feinbearbeitungswerkzeug beschädigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben angeführten Probleme nach dem Stand der Technik zu lösen. Es ist nämlich ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Fräsen einer Form bei hoher Geschwindigkeit und eine Fräsmaschine mit ultrahoher Geschwindigkeit vorzusehen, auf welche das Verfahren angewendet wird, wobei beide in der Lage sind, die Rotationsgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit eines Fräswerkzeugs signifikant zu erhöhen, um dadurch die Zeitspanne bemerkenswert zu verkürzen, die für die Herstellung einer Form durch Fräsen notwendig ist.
Die Erfinder wiederholten Experimente und fanden die Tatsache heraus, dass ein hoch verdichtetes, gesintertes Fräswerkzeug, das aus einem kubischen System-Bor-Nitrid (im Folgenden einfach als "cBN" bezeichnet) hergestellt ist, für das Fräsen eisenhaltiger Metalle geeignet ist, aus denen eine Form mit ultrahoher Geschwindigkeit herzustellen ist, und dass es eine längere Standzeit im Hochgeschwindigkeitsbereich haben kann. Die vorliegende Erfindung verwendet solch neuartige, einzigartige Charakteristik eines aus cBN hergestellten Werkzeugs und löst die oben angeführten Probleme durch Verwendung eines einzigen Werkzeugs mit kleinem Durchmesser, das aus einem Material mit hoher thermischer Standfestigkeit hergestellt ist, und durch Rotation und Vorschub mit hoher Geschwindigkeit.
Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung in einem Aspekt ein Verfahren vor für das dreidimensionale Fräsen einer Form einschließlich der Schritte in der folgenden Reihenfolge von (a) Rotieren eines einzigen kugelförmigen Fräsers, der aus einem Material hergestellt ist, das eine hohe thermischen Standfestigkeit hat, mit einer Drehgeschwindigkeit im Bereich von 50 000 bis 200 000 UpM (Umdrehungen pro Minute), (b) Vorschieben des kugelförmigen Fräsers in einer horizontalen Pendelbewegung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100 m/min. und Vorschieben des kugelförmigen Fräsers in Querrichtung in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in welcher der kugelförmige Fräser in der Pendelbewegung geführt wird, an den gegenüberliegenden Enden der Pendelbewegung mit einer gemeinsamen Frästiefe, um ein Werkstück in seiner Oberfläche mit einer gemeinsamen Frästiefe zu fräsen; und (c) Vorschieben des kugelförmigen Fräsers in vertikaler Richtung mit einer vorbestimmten Frästiefe.
Nach dem oben angeführten Verfahren ist es möglich, eine Form mit einer komplizierten Gestalt oder mit kleinen abgerundeten Ecken durch Rotation eines einzigen kugelförmigen Fräsers aus einem Material mit hoher thermischen Standfestigkeit und mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 50000 bis 200000 UpM herzustellen. Es ist ebenfalls möglich, die Oberfläche eines Werkstücks mit einer hohen Geschwindigkeit und mit hoher Effizienz durch Antrieb eines kugelförmigen Fräsers in horizontaler Pendelbewegung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100 m/min zu fräsen.
In dem Verfahren wird die Oberfläche eines Werkstücks mit einer gemeinsamen Frästiefe durch Antrieb des kugelförmigen Fräsers in einer Pendelbewegung mit hoher Geschwindigkeit gefräst, und dann wird der kugelförmige Fräser vertikal mit einer vorbestimmten Frästiefe vorgeschoben. So wird ein Werkstück gefräst, wobei die durch den kugelförmigen Fräser eingerichtete Frästiefe fast konstant gehalten wird. Daher ist es relativ einfach, die Fräsbedingungen optimal zu halten, und es ist möglich, die Standzeit des kugelförmigen Fräsers zu verlängern.
Da der kugelförmige Fräser mit einer hohen Geschwindigkeit nur in einer Pendelbewegung geführt wird, kann das Steuerungsprogramm der numerischen Steuerung (NC, numerical control) vereinfacht werden, und daher ist es möglich, numerische Steuerung in Echtzeit durchzuführen mit Daten, die mittels eines Computers produziert werden. Da die Produktion von numerischen Steuerungsprogrammen gegenwärtig signifikant lange Zeit benötigt, trägt die bemerkenswerte Reduktion in der Programmproduktionszeit für die numerische Steuerung zur Reduktion der Zeit bei, die für die Herstellung einer Form benötigt wird.
Da in dem Verfahren nur ein einziger kugelförmiger Fräser verwendet wird, entstehen keine Probleme des Versatzes des kugelförmigen Fräsers bei einem Auswechseln der Werkzeugs und durch Abweichungen in der Dimension der Werkzeuge. Zusätzlich wird ein Werkstück für jede seiner Oberflächen durch einen einzigen Fräser gefräst, ohne Unterscheidung von Rohbearbeitung und Feinbearbeitung. Somit gibt es keine drastischen Änderungen der Frästiefe, die durch große Reste verursacht werden, weiche während der Rohbearbeitung nicht weggefräst wurden, und daher ist es relativ einfach, die Frästiefe konstant zu halten. Ferner ist es weniger wahrscheinlich, dass das Fräswerkzeug beschädigt wird. Es ist ebenfalls möglich, die Beschädigung des Fräswerkzeugs aufgrund der Streubreite der Frästiefe zu vermeiden, die durch eine Falschprogrammierung der numerischen Steuerung verursacht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Verfahren vor dem Schritt (b) des Vorschubs des kugelförmigen Fräsers in horizontaler Pendelbewegung und der Querbewegung mit einer vorbestimmten Frästiefe den Schritt (d) des Führens des kugelförmigen Fräsers in horizontaler Richtung entlang einer Umrißlinie mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit und mit der vorbestimmten Frästiefe.
Da der kugelförmige Fräser nach dem Verfahren in der horizontalen Richtung entlang einer Umrißlinie mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit geführt wird, ist es einfach, der Bewegung nach den Programmdaten der numerischen Steuerung zu folgen, und ebenfalls einfach, die Programmdaten der numerischen Steuerung in Echtzeit automatisch zu produzieren.
Es ist schwierig, den kugelförmigen Fräser mit hoher Geschwindigkeit nur in der Pedelbewegung zu führen, weil die erste Führung das Fräsen einer Rille ist, und die Belastung des Werkzeugs groß ist. Da das Verfahren jedoch den Schritt (d) des Vorschubs des kugelförmigen Fräsers entlang einer Umrißlinie mit der vorbestimmten Frästiefe vor dem Schritt (b) des Führens mit hoher Geschwindigkeit enthält, kann die Werkzeugbelastung bei Führen mit hoher Geschwindigkeit außerordentlich reduziert werden.
Da der kugelförmige Fräser entlang einer Umrißlinie geführt wird, wird die Rauigkeit entlang der Umrißwand besser. Da ferner ein Überschießen des Führens mit hoher Geschwindigkeit vernachlässigt werden kann, verschwindet der Einfluß des Werkzeugpositionsfehlers.
In einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Fräsmaschine mit ultrahoher Geschwindigkeit vor, die für das dreidimensionale Fräsen einer Form zu verwenden ist, einschließlich (a) einem einzigen kugelförmigen Fräser, der aus einem Material mit hoher thermischer Standfestigkeit hergestellt ist, (b) einem Antrieb für die Rotation des kugelförmigen Fräsers mit einer Geschwindigkeit im Bereich 50000 bis 200000 UpM, (c) einer Lagerung für die Lagerung des kugelförmigen Fräsers darin, (d) einen dreiachsigen Vorschub für das Führen des kugelförmigen Fräsers in den x-, y- und z-Achsen, und (e) eine Steuerung für die numerische Steuerung des dreiachsigen Vorschub. Der dreiachsige Vorschub führt den kugelförmigen Fräser in einer Pendelbewegung nur in der x-Achse mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100 m/min. Die Steuerung steuert den dreiachsigen Vorschub, so dass der kugelförmige Fräser in einer Pendelbewegung in der x-Achsenrichtung geführt wird, an den gegenüberliegenden Enden der Pendelbewegung quer dazu mit einer vorbestimmten Frästiefe in der y-Achsenrichtung, um ein Werkstück in einer Ebene mit einer gemeinsamen Frästiefe zu fräsen, und dass er dann vertikal mit einer vorbestimmten Frästiefe in der z-Achsenrichtung geführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Pendelbewegung des kugelförmigen Fräsers in der x-Achsenrichtung durch einen Linearmotor bewerkstelligt. Der Antrieb für die Rotation des kugelförmigen Fräsers ist vorzugsweise ein Hochfrequenzmotor.
Der kugelförmige Fräser kann aus einem anderen Material hergestellt werden als ein Material mit hoher thermischer Standfestigkeit. Z. B. kann der kugelförmige Fräser mit einem hitzebeständigen Material überzogen werden. Als eine Alternative kann der kugelförmige Fräser aus kubischem System-Bor-Nitrid (cBN) hergestellt werden. Es ist auch vorzuziehen, dass der kugelförmige Fräser aus einem ultraharten Legierungssubstrat hergestellt ist, auf das vielschichtige Keramiküberzüge aufgebracht werden.
Die Lagerung für das Lagern des kugelförmigen Fräsers kann ausgewählt werden aus einem pneumatischen Lager und einem magnetischen Lager.
Die Steuerung kann vorzugsweise durch ein Programm für das Abtasten mit Lichtstrahlen in Laser-Stereo-Lithographie angetrieben werden.
Entsprechend der oben dargestellten Fräsmaschine mit ultrahoher Geschwindigkeit wird ein Werkstück gefräst, wobei die Frästiefe durch Rotation des kugelförmigen Fräsers mit hoher Geschwindigkeit konstant gehalten wird. Somit ist es möglich, ein Fräsen mit hoher Geschwindigkeit auszuführen, selbst wenn die Frästiefe klein eingestellt wird. Da die Belastung, die auf den kugelförmigen Fräser wirkt, klein gehalten werden kann, kann zusätzlich die Lagerung des kugelförmigen Fräsers mit einem Hochgeschwindigkeitslager und bei einer Rotation des kugelförmigen Fräsers mit hoher Geschwindigkeit mittels eines Hochfrequenzmotors erreicht werden.
Da nur ein einziger kugelförmiger Fräser in der Fräsmaschine mit ultrahoher Geschwindigkeit ohne ein Wechseln zu anderen Werkzeugen verwendet wird, ist es möglich, einen leichtgewichtigen Werkzeughalter mit geringen Abmessungen zu verwenden, und Probleme zu vermeiden, dass sich die Klemmabschnitte des Werkzeughalters, zwischen denen der kugelförmige Fräser eingeklemmt wird, lockern und die dynamische Balance des kugelförmigen Fräsers aufgrund der Zentrifugalkraft verloren geht.
Da der kugelförmige Fräser in einer Pendelbewegung mit hoher Geschwindigkeit nur in der x-Achsenrichtung geführt wird, ist es möglich, die Charakteristiken der Hochgeschwindigkeitsführung und der Beschleunigung/Abbremsung zu verbessern, und daher schnell Beschleunigung/Abbremsung mittels eines Vorschubs mit relativ kleinen Abmessungen zu bewerkstelligen durch leichtgewichtiges Gestalten des Kopfes, der den kugelförmigen Fräser rotiert.
Da der kugelförmige Fräser mit hoher Geschwindigkeit nur in der Pendelbewegung vorgeschoben wird, kann das Steuerungsprogramm der numerischen Steuerung (NC) vereinfacht werden, selbst wenn Fräsbreite und Frästiefe klein eingestellt werden, und daher ist es möglich, die numerische Steuerung in Echtzeit mit Daten durchzuführen, die mittels eines Computers produziert werden.
Der kugelförmige Fräser wird kontinuierlich und mit hoher Geschwindigkeit eine lange Zeit und ohne Wechseln zu anderen Werkzeugen rotiert und geführt, und daher wird eine fast konstante Menge von Hitze während des Betriebs des kugelförmigen Fräsers erzeugt mit dem Ergebnis einer Sättigung des thermischen Gleichgewichts, was zu einem stabilerem Fräsen beiträgt. Da nur ein einziger kugelförmiger Fräser in dem Verfahren verwendet wird, ergeben sich zusätzlich keine Probleme eines Versatzes eines kugelförmigen Fräsers, der mit dem Auswechseln von Werkzeugen und mit einer Abweichung in der Dimension von Werkzeugen einher geht. Ferner wird ein Werkstück in einer jeden Oberfläche durch einen einzigen Fräser ohne Unterscheidung von Rohbearbeitung und Feinbearbeitung gefräst. Deshalb gibt es kein drastischen Wechsel in der Frästiefe, der durch große Reste verursacht werden, welche in der Rohbearbeitung nicht abgetragen wurden, und daher ist es relativ leicht, die Frästiefe konstant zu halten, und es ist wenig wahrscheinlich, dass der kugelförmige Fräser beschädigt wird.
Die oben dargestellten Ziele und vorteilhafte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlicher werden, in denen gleiche Bezugszeichen dieselben oder ähnliche Teile in allen Zeichnungen bezeichnen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Fräslänge und dem Abriebverlust zeigt, wenn die Fräsgeschwindigkeit verändert wird.
Fig. 2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Fräslänge und dem Abriebverlust zeigt, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs verändert wird.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, welche die zukünftige Vorhersage für Fräsen zeigt.
Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung, die eine Fräsmaschine mit ultrahoher Geschwindigkeit veranschaulicht, auf die das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Fig. 5A bis 5C sind schematische Darstellungen, die zeigen, wie das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf die Praxis zurückgeführt wird.
Fig. 6A und 6B sind andere schematische Darstellungen, die zeigen, wie das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf die Praxis zurückgeführt wird.
Fig. 7A und 7B sind schematische Darstellungen, die Fräsbereiche durch einen kugelförmigen Fräser zeigen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Das grundlegende Prinzip der vorliegenden Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung werden hier im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 und 2 zeigen die Ergebnisse von Experimenten, die durch die Erfinder durchgeführt worden sind, insbesondere die Ergebnisse, die ermittelt wurden, wenn ein Werkstück aus der Familie der Eisenmetalle mit ultrahoher Geschwindigkeit mittels eines hoch verdichteten, gesinterten Fräswerkzeugs, das aus einem kubischen System-Bor-Nitrid (cBN) hergestellt worden ist, gefräst wurde.
Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Fräslänge und dem Abriebverlust, wenn die Fräsgeschwindigkeit verändert wird. Ein konventionelle Fräsgeschwindigkeit beim Fräsen liegt im Bereich von 200 bis 500 m/min. Mit Blick auf Fig. 1 ist zu verstehen, dass die Experimente mit einer Geschwindigkeit ausgeführt wurden, die um den Faktor fünf bis zehn höher als die konventionelle Fräsgeschwindigkeit waren. Es konnte die einzigartige Charakteristik in Fig. 1 herausgefunden werden, dass je höher die Fräsgeschwindigkeit war, desto geringer die Abriebverluste bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 1000 bis 3000 m/min wurden, mit anderen Worten: ein Fräswerkzeug kann bei einer höheren Fräsgeschwindigkeit eine längere Standzeit haben.
Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Fräslänge und dem Abriebverlust, wenn die Rotationsgeschwindigkeit eines Werkzeugs oder eines kugelförmigen Fräsers verändert wird. Die konventionelle Rotationsgeschwindigkeit eines kugelförmigen Fräsers liegt im Bereich von 3000 bis 4000 UpM. Die Experimente wurden mit einer fünf bis zwanzig mal höheren Geschwindigkeit als die konventionelle Rotationsgeschwindigkeit durchgeführt. Es konnte die Charakteristik in Fig. 2 herausgefunden werden, dass je größer die Fräsgeschwindigkeit ist, desto geringer der Abriebverlust bei einer Geschwindigkeit von gleich oder größer 35000 UpM wird, ähnlich wie in Fig. 1.
So ist mit Blick auf die in Fig. 1 und 2 gezeigten Ergebnisse zu verstehen, dass die oben geschilderten Probleme nach dem Stand der Technik gelöst werden können, und daher Fräsen mit ultrahoher Geschwindigkeit ausgeführt werden kann unter Verwendung eines einzigen Fräswerkzeugs, das aus cBN hergestellt ist, und durch Rotieren/Vorschieben des Werkzeugs mit hoher Geschwindigkeit. Als eine Alternative zu dem aus cBN hergestellten Fräswerkzeug kann ein Fräswerkzeug verwendet werden, dass mit einem hitzebeständigen Material überzogen ist.
Fig. 3 zeigt die Zukunftsvorhersage des Fräsens. Das für die Herstellung von Formen zu verwendende Fräsen ist entwickelt worden, und obgleich die konventionelle Fräsgeschwindigkeit nur im Bereich von 30 bis 50 m/min liegt, ist daher die Fräsgeschwindigkeit gegenwärtig auf etwa 200 m/min verbessert worden. Andererseits wurde im Kontrast zu den signifikanten Verbesserungen bei der Fräsgeschwindigkeit die Frästiefe nur geringfügig vergrößert.
Es wird erwartet, dass die Entwicklung der Technik die Fräsgeschwindigkeit in der nahen Zukunft bis zu einem Bereich von 400 bis 500 m/min erhöhen wird. Es wird ebenfalls erwartet, dass die Frästiefe kleiner gemacht wird aufgrund der Notwendigkeit eines noch genaueren Fräsens. Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und einen Apparat vor für die Bewerkstelligung von Fräsen mit ultrahoher Geschwindigkeit unter den oben angeführten Vorhersagen.
Fig. 4 veranschaulicht eine Fräsmaschine mit ultrahoher Geschwindigkeit, auf welche das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung angewendet wird. Die veranschaulichte Fräsmaschine 10 enthält einen einzigen kugelförmigen Fräser 12 mit kleinem Durchmesser, der aus einem Material mit hoher thermischen Standfestigkeit hergestellt ist, einen Hochfrequenzmotor 14 für das Rotieren des kugelförmigen Fräsers 12 mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 50000 bis 200000 UpM, ein Hochgeschwindigkeitslager 16 für das Lagern des kugelförmigen Fräsers 12 bei hoher Geschwindigkeit, einen dreiachsigen Vorschub 18 für das Vorschieben des kugelförmigen Fräsers 12 in x- und y-Achsen, die in einer horizontalen Ebene zueinander rechtwinklig liegen, und in der z-Achse, die vertikal zu den x- und y- Achsen liegt, und einen Apparat 20 für die numerische Steuerung (NC) für das numerische Steuern der dreiachsigen Vorschubs 18. Der kugelförmige Fräser 12 ist eingestellt, um ein Werkstück 1 zu fräsen, das unter ihm liegt. Der dreiachsige Vorschub 18 schiebt den kugelförmigen Fräser 12 in der z-Achse entweder durch vertikale Bewegung eines Tisches, auf dem das Werkstück 1 plaziert ist, oder durch vertikale Bewegung eines Schlittens 21, welcher den kugelförmigen Fräser 12 in x-Achsenrichtung führt.
Der kugelförmige Fräser 12 ist aus hochverdichtetem, gesintertem, kubischen System-Bor- Nitrid (cBN) hergestellt. Das kubische System-Bor-Nitrid, das als ein neues Material angesehen wird, aus dem ein Fräswerkzeug herzustellen ist, hat eine hohe Hitzebeständigkeit und -ausdauer, und ist nur in geringem Maß anfällig für Absplitterungen. In Übereinstimmung mit den oben erwähnten Experimenten, in denen ein kugelförmiger Fräser verwendet wurde, der aus hochverdichtetem cBN gefertigt war, ermöglichte der kugelförmige Fräser 12 ein Fräsen mit ultrahohen Geschwindigkeiten bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 1000 bis 1500 m/min für Gesenkstahl und im Bereich von 2000 bis 3000 m/min für Gußeisen.
Es ist zu bemerken, dass der kugelförmige Fräser 12 aus irgendeinem anderen Material als cBN hergestellt werden kann, falls es eine hohe thermische Standfestigkeit hat. Z. B. kann der kugelförmige Fräser 12 aus einem ultraharten Legierungssubstrat gefertigt sein, auf das vielschichtige Keramiküberzüge aufgebracht sind, oder aus Keramik.
Zur Veranschaulichung der Fräsmaschine ultrahoher Geschwindigkeit, wird der kugelförmige Fräser 12 bezeichnet, dass er um die z-Achse rotiert wird, und wird in einem Trägerblock 17 durch das Hochgeschwindigkeitslager 16 gelagert. Der Trägerblock 17 ist entworfen, um entlang eines Schlitzes 21a, der mit einem Schlitten 21 ausgebildet ist, mit einer hohen Geschwindigkeit in der Art einer Pendelbewegung in der x-Achse zu gleiten. Ein kugelförmiger Fräser mit einer Fräserspitze mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 2 bis 10 mm ist am besten für eine Oberflächenendbearbeitung einer Form geeignet. Es ist erforderlich, dass der kugelförmige Fräser 12 mit einer Geschwindigkeit im Bereich 50000 bis 200000 UpM rotiert, um die oben angeführte hohe Fräsgeschwindigkeit zu bewerkstelligen. Zu diesem Zweck verwendet die Fräsmaschine hoher Geschwindigkeit den Hochfrequenzmotor 14 und ein pneumatisches Lager als das Hochgeschwindigkeitslager 16. Da die Fräsmaschine ultrahoher Geschwindigkeit den kugelförmigen Fräser 12 mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert, ist die Frästiefe pro Fräsbewegung sehr klein, mit dem Ergebnis eines kleinen Fräswiderstands. Daher kann die Lagerung des kugelförmigen Fräsers 12 mit dem pneumatischen Lager 16 und der Rotation des kugelförmigen Fräsers 12 mit hoher Geschwindigkeit mittels des Hochfrequenzmotors 14 bewerkstelligt werden. Als eine Alternative zu dem pneumatischen Lager 16 kann ein magnetisches Lager oder ein Hochgeschwindigkeitskugellager unter Verwendung von Keramik benutzt werden.
Der dreiachsige Vorschub 18 ist entworfen, um in der Lage zu sein, den kugelförmigen Fräser 12 in einer Pendelbewegung nur in der x-Achsenrichtung mit einer Geschwindigkeit im Bereich 10 bis 100 m/min zu führen. Um die schnelle Beschleunigung/Abbremsung des kugelförmigen Fräsers 12 bei dem Vorschub hoher Geschwindigkeit eines Hauptschaftes zu erreichen und ferner den kugelförmigen Fräser 12 genau zu positionieren, ist es notwendig, den beweglichen Abschnitt des Hauptschaftes leichtgewichtig zu machen. So ist in der Fräsmaschine ultrahoher Geschwindigkeit nur eine der drei Achsen, die x-Achse, ausgelegt, um mit hoher Geschwindigkeit geführt zu werden, und die anderen beiden Achsen, die y- und die z-Achse, werden mit niedriger Geschwindigkeit geführt.
In Fig. 4 ist der dreiachsige Vorschub 18 laufschienengeführt. Jedoch ist der dreidimensionale Vorschub 18 nicht auf diesen Typ einer Laufschienenführung begrenzt, sondern kann irgendein Typ sein ohne Rücksicht auf Längs- oder Queranordnung. Die Pendelbewegung des kugelförmigen Fräsers 12 in der x-Achsenrichtung wird durch eine Kugelschraube ausgeführt, aber vorzugsweise durch einen Linearmotor.
Die Fräsmaschine ultrahoher Geschwindigkeit, die nach der Ausführungsform hergestellt ist, macht es möglich, die Charakteristiken des Vorschubs hoher Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Abbremsung zu verbessern, und so kann schnelle Beschleunigung/Abbremsung erreicht werden durch einen relativ kleinen Vorschub. Da der Fräswiderstand klein ist, kann die Vorschubachse hoher Geschwindigkeit (x-Achse) leichtgewichtig gemacht werden. Somit kann sowohl ein Fräsen mit hoher Geschwindigkeit und eine leichtgewichtige Auslegung der Fräsmaschine erreicht werden, was zu niedrigeren Kosten beiträgt.
Fig. 5A bis 5C zeigen, wie das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf die Praxis bezogen wird. Fig. 5A ist eine Querschnittseitensicht, welche die Bewegung des kugelförmigen Fräsers 12 gegen ein Werkstück 1 in der x- und der z-Achsenrichtung veranschaulichen, Fig. 5B ist eine Aufsicht, welche die Bewegung des kugelförmigen Fräsers 12 gegen das Werkstück 1 in der x- und der y-Achsenrichtung veranschaulicht, und Fig. 5C veranschaulicht schematisch den Ort des kugelförmigen Fräsers 12 in einer gemeinsamen Ebene.
Da nach dem Verfahren der einzige kugelförmige Fräser 12 mit kleinem Durchmesser, der aus hoch hitzebeständigem Material hergestellt ist, mit einer Geschwindigkeit im Bereich 50000 bis 200000 UpM rotiert wird, wird der kugelförmige Fräser 12 zuerst in horizontaler Pendelbewegung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100 m/min geführt. Ferner wird der kugelförmige Fräser 12 an den gegenüberliegenden Enden der Pendelbewegung des kugelförmigen Fräsers 12 in einer Querbewegung mit einer vorbestimmten Frästiefe in einer Richtung senkrecht zu der Richtung geführt, in welcher der kugelförmige Fräser 12 in der Pendelbewegung geführt wird, um dadurch ein Werkstück in seiner Oberfläche bei einer gemeinsamen Frästiefe zu fräsen. Dann wird der kugelförmige Fräser 12 vertikal in das Werkstück mit einer vorbestimmten Frästiefe geführt. Somit wird das Werkstück dreidimensional durch eine Rotation hoher Geschwindigkeit und einer Pendelbewegung hoher Geschwindigkeit des einzigen kugelförmigen Fräsers mit kleinem Durchmesser gefräst.
Der NC-Apparat 20 steuert nämlich den dreiachsigen Vorschub 18 auf solch eine Weise, dass der kugelförmige Fräser 12 mit einer hohen Geschwindigkeit in einer Pendelbewegung in der x-Achsenrichtung geführt wird, und an den gegenüberliegenden Enden der Pendelbewegung quer dazu mit einer vorbestimmten Frästiefe in der y-Achsenrichtung geführt wird, um dadurch ein Werkstück in einer Ebene von ihm mit einer gemeinsamen Frästiefe zu fräsen, und dass er dann vertikal mit einer vorbestimmten Frästiefe in der z-Achsenrichtung geführt wird. Der während des Fräsens erzeugte Fräsabfall ist puderförmig und kann daher mit einem Vakuumsauger weggesaugt oder mit einem Luftgebläse weggeblasen werden.
Die oben angeführten Schritte korrespondieren mit den NC-Daten für das Fräsen einer Oberfläche eines Werkstücks, das in einer einachsigen Pendelbewegung zu fräsen ist. Das ist fast dasselbe wie ein Programm für das Abtasten mit Lichtstrahlen in der Laser-Stereo- Lithographie, und deshalb kann das Programm in dem Verfahren verwendet werden, wie es ist. Zusätzlich ist es möglich, die NC-Daten für das Fräsen in Echtzeit direkt von dreidimensionalen CAD-Daten über die Oberfläche eines zu fräsenden Werkstücks zu erhalten. Dementsprechend macht die vorliegende Erfindung es möglich, die für die Ermittlung der NC- Daten erforderliche Zeit zu reduzieren, und das Problem der stark angewachsenen NC- Daten zu überwinden.
Da in dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung alle Oberflächen einer Form mit nur einem einzigen kugelförmigen Fräser gefräst werden, werden keine Fehler erzeugt aufgrund eines Auswechseln von kugelförmigen Fräsern, und es ist fast möglich, das Problem der Ungenauigkeit zu überwinden, das durch thermische Verformung einer Fräsmaschine verursacht wird. Selbst wenn ein einziger kugelförmiger Fräser verwendet wird, können in einer Form auszubildende Löcher geformt werden durch ein schraubenförmiges Führen eines kugelförmigen Fräsers.
Fig. 6A bis 6C zeigen eine andere Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. In der Ausführungsform enthält das Verfahren vor dem Führen des kugelförmigen Fräsers 12 in der horizontalen Pendelbewegung und der Querbewegung mit einer vorbestimmten Frästiefe, wie in Fig. 5C gezeigt, den Schritt des Führens des kugelförmigen Fräsers 12 in einer horizontalen Umrißlinie 2 mit einer relativ geringen Geschwindigkeit und mit der vorbestimmten Frästiefe. Danach werden die Pendelbewegungen hoher Geschwindigkeit und die Querbewegungen durchgeführt. Die anderen Schritte sind dieselben wie in Fig. 5A bis 5C.
Da nach dem Verfahren der kugelförmige Fräser in einer horizontalen Umrißlinie 2 mit einer relativ niedrigen Geschwindigkeit geführt wird, ist es leicht, den Bewegungen nach dem NC- Programm zu folgen, und auch einfach, die NC-Programmdaten automatisch in Echtzeit zu produzieren.
Es ist schwierig, den kugelförmigen Fräser 12 mit hoher Geschwindigkeit nur in der Pendelbewegung zu führen, weil das erste Führen ein Rillenfräsen ist, wie in Fig. 7A gezeigt, und die Werkzeugbelastung groß ist. Da jedoch nach dem Verfahren das Verfahren den Schritt des Führens des kugelförmigen Fräsers 12 entlang einer Umrißlinie mit der vorbestimmten Frästiefe umfasst, bevor das Führen 3 mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird, kann die Werkzeugbelastung beim Führen 3 mit hoher Geschwindigkeit extrem reduziert werden, wie in Fig. 7B gezeigt.
Da der kugelförmige Fräser 12 entlang der Umrißlinie 2 geführt wird, verbessert sich die Rauigkeit entlang der Umfangswand. Da ferner ein Überschießen durch das Führen mit hoher Geschwindigkeit vernachlässigt werden kann, verschwindet der Einfluß des Werkzeugpositionsfehlers.
Wie soweit vorgetragen, sind das Verfahren des Fräsens einer Form mit hoher Geschwindigkeit und die Fräsmaschine ultrahoher Geschwindigkeit, auf die das Verfahren angewendet wird, in der Lage, die Probleme nach dem Stand der Technik zu lösen, und die Rotations- und die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs signifikant zu erhöhen, wodurch die für die Herstellung einer Form notwendige Zeitspanne bemerkenswert verkürzt wird, was zu einer Reduktion der Vorlaufzeit für die Herstellung einer Form und die Entwicklung neuer Artikel beiträgt, und auch zur Reduktion der Herstellungskosten und zur Verbesserung der Genauigkeit einer Form.
Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit gewissen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass der durch die vorliegende Erfindung betroffene Gegenstand nicht durch diese spezifischen Ausführungsformen begrenzt wird. Es ist im Gegenteil für den Gegenstand der Erfindung beabsichtigt, dass alle Alternativen, Modifikationen und Gleichwertigkeiten eingeschlossen sind, die in dem Umfang und Geist der folgenden Ansprüche eingeschlossen werden können.

Claims

1. Verfahren des dreidimensionalen Fräsens einer Form, das die folgenden Schritte in der folgenden Reihenfolge umfasst:

(a) Rotieren eines einzigen kugelförmigen Fräsers (12) mit einer Drehgeschwindigkeit im Bereich von 50000 bis 200000 UpM (Umdrehungen pro Minute), wobei der kugelförmige Fräser (12) aus einem Material hergestellt ist, das eine hohe thermische Standfestigkeit hat;

(b) Führen des kugelförmigen Fräsers (12) in einer horizontalen Pendelbewegung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100 m/min. und Führen des kugelförmigen Fräsers (12) in Querrichtung mit einer vorbestimmten Frästiefe in einer Richtung senkrecht zu der Richtung, in welcher der kugelförmige Fräser (12) in der Pendelbewegung geführt wird, an den gegenüberliegenden Enden der Pendelbewegung, um ein Werkstück (1) in seiner Oberfläche mit einer bestimmten Frästiefe zu fräsen; und

(c) Führen des kugelförmigen Fräsers (12) in vertikaler Richtung mit einer vorbestimmten Frästiefe;

dadurch gekennzeichnet, dass

vor der Ausführung des obigen Schrittes (b) ein Schritt (d) ausgeführt wird, um den kugelförmigen Fräsers (12) in horizontaler Richtung entlang einer Höhenlinie mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit bei einer vorbestimmten Frästiefe zu führen.

2. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10), die für das dreidimensionale Fräsen einer Form zu verwenden ist, und die enthält:

(a) einen einzigen kugelförmigen Fräser (12), der aus einem Material mit hoher thermischer Standfestigkeit hergestellt ist;

(b) einer Einrichtung (14) für die Rotation des kugelförmigen Fräsers (12) mit einer Drehgeschwindigkeit im Bereich von 50000 bis 200000 UpM;

(c) ein Lager (16) für die Lagerung des kugelförmigen Fräsers (12) dort drin;

(d) einen dreiachsigen Vorschub (18) für das Führen des kugelförmigen Fräsers (12) in x-, y- und z-Achse; und

(e) eine Steuerung (20) für das numerische Steuern des dreiachsigen Vorschubs (18), wobei der dreiachsige Vorschub (18) den kugelförmigen Fräser (12) in einer Pendelbewegung nur in x-Achsenrichtung mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 10 bis 100 m/s führt, und

die Steuerung (20) den dreiachsigen Vorschub (18) so steuert, dass der kugelförmige Fräser (12) zuerst horizontal entlang einer Umrißlinie mit einer relativ geringen Geschwindigkeit und mit der vorbestimmten Frästiefe geführt wird, und dann in einer Pendelbewegung in x- Achsenrichtung angetrieben und an den entgegengesetzten Enden der Pendelbewegung quer dazu in y-Achsenrichtung mit einer vorbestimmten Frästiefe geführt wird, um ein Werkstück (1) in einer Ebene mit einer gemeinsamen Frästiefe zu fräsen, und der kugelförmige Fräser (12) dann vertikal mit einer vorbestimmten Frästiefe in z-Achsenrichtung geführt wird.

3. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei die Pendelbewegung des kugelförmigen Fräsers (12) in x-Achsenrichtung durch einen Linearmotor bewerkstelligt wird.

4. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung (14) für die Rotation des kugelförmigen Fräsers (12) ein Hochfrequenzmotor ist.

5. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei der kugelförmige Fräser (12) mit einem hitzebeständigen Material überzogen ist.

6. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei der kugelförmige Fräser (12) hergestellt ist aus einem kubischen System-Bor-Nitrid (cBN).

7. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei der kugelförmige Fräser (12) hergestellt ist aus einem ultraharten Legierungssubstrat, auf das vielschichtige Keramiküberzüge aufgebracht sind.

8. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei das Lager (16) ein pneumatisches Lager ist.

9. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei das Lager (16) ein magnetisches Lager ist.

10. Ultrahochgeschwindigkeitsfräsmaschine (10) nach Anspruch 2, wobei die Steuerung (20) durch ein Programm für die Abtastung mit Lichtstrahlen in Laser-Stereo-Lithographie angetrieben wird.