EP1073540A1 - Verfahren zur spanenden bearbeitung eines werkstücks - Google Patents

Verfahren zur spanenden bearbeitung eines werkstücks

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Publication number
EP1073540A1
EP1073540A1 EP00912442A EP00912442A EP1073540A1 EP 1073540 A1 EP1073540 A1 EP 1073540A1 EP 00912442 A EP00912442 A EP 00912442A EP 00912442 A EP00912442 A EP 00912442A EP 1073540 A1 EP1073540 A1 EP 1073540A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
workpiece
cutting edge
axis
axes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00912442A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Röders
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
P&L GmbH and Co KG
Original Assignee
Roders Juergen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Roders Juergen filed Critical Roders Juergen
Publication of EP1073540A1 publication Critical patent/EP1073540A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C3/00—Milling particular work; Special milling operations; Machines therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for machining a workpiece.
  • a method for machining a workpiece In the three-dimensional machining of workpieces, it is known to use high-speed milling processes. Relatively good surface qualities can be produced in particular by the high speeds of the tools and the resulting high cutting speeds. It is necessary to move the tool across the workpiece in many closely adjacent paths.
  • the invention has for its object to provide a method for machining a workpiece which has a high degree of surface quality with ease of use, especially in three-dimensional surfaces.
  • a tool provided with at least one cutting edge is moved along the surface in three axes of movement, the tool being positioned with the cutting edge in each case in a fourth axis relative to the surface.
  • the method according to the invention is distinguished by a number of considerable advantages. According to the invention, it is thus possible to make a non-interrupted cut by means of a cutting edge that is moved along the three-dimensional surface.
  • the positioning of the cutting edge of the tool relative to the surface results in the same cutting conditions regardless of the spatial configuration of the surface.
  • These cutting conditions can be optimized in a simple manner by selecting the feed speed and the cutting edge geometry as well as by aligning the cutting edge.
  • the method according to the invention can preferably be carried out on a high-speed milling machine (HSC milling).
  • HSC milling high-speed milling machine
  • the milling spindle present in such a machine is not continuously rotated, but is only rotated depending on the surface geometry of the workpiece in order to position the cutting edge of the tool accordingly.
  • the tool can be cylindrical, spherical or rounded, it is possible to use coiled or straight cutting edges. Furthermore, it can be advantageous if the tool has a coating, for example a diamond coating.
  • the method is therefore not limited to specific tools or specified workpiece geometries.
  • the fourth axis about which the cutting edge of the tool can be positioned is the axis of rotation of the tool.
  • this is not a requirement; rather, other arrangements of the axis of rotation can also be provided.
  • the tool is preferably rotated in the fourth axis with regard to the orientation of its cutting edge relative to the surface.
  • the cutting edge can thus always be optimally aligned.
  • the rotation of the cutting edge of the tool about the fourth axis is preferably carried out continuously, for example using a stepping motor.
  • the tool is rotated in both directions of rotation. It has proven to be particularly advantageous if in each case the surface normal of the workpiece, based on the three-dimensional surface, is taken as the reference variable or output variable and the cutting edge of the tool is aligned with this surface normal. This ensures that the rake angle or the clearance angle always remain constant or the same.
  • the method according to the invention can be adapted in a variety of ways, in particular with regard to the cutting speeds, the cutting edge geometries, the workpiece properties, etc.
  • a tool can be used which is similar to a milling tool, but it is also possible to use a tool to provide, which is more similar in terms of its geometry to a planing tool.
  • the cutting speed that is the three-dimensional feed speed of the tool, can also be optimally designed. For example, it is possible to greatly reduce the cutting speed with small inner radii.
  • the chip to be removed is kept correspondingly small in order to avoid overloading the tool and to ensure that no disturbing vibrations occur.
  • the machine tool according to the invention which is used to carry out the method, preferably has a very high travel and positioning accuracy. This can be achieved, for example, by using linear motors. Furthermore, it can be advantageous if hydrostatic guides or air-bearing guides are provided for the individual slides of the machine.
  • Fig. 1 is a schematic, simplified representation of the method according to the invention when machining a three-dimensional surface
  • Fig. 2 is a greatly simplified, enlarged top view of a processing area according to the invention.
  • a tool 2 which is provided with at least one cutting edge 3, is moved along a plurality of mutually parallel tracks 7, the movement of the tool 2 to produce the three-dimensional surface 1 taking place along three axes x, y and z.
  • the tool 2 is mounted on a spindle 6, which can be pivoted about an axis W, as indicated by the double arrow.
  • the tool 2 is thus guided along the track 7 over the three-dimensional surface 1.
  • 2 shows an enlarged detailed view of the processing area.
  • Several surface normals 4 are shown for the three-dimensional surface 1. These surface normals 4 are particularly advantageously suitable for aligning the position of the cutting edge 3 with the surface 1 (by rotating the spindle 6 about the axis W).
  • the tool 2 has two symmetrical cutting edges located opposite one another. It is understood that in the context of the invention only one of these cutting edges is continuously engaged, while the other cutting edge can either be used as a reserve or can be provided with other cutting geometries, for example to produce a fine cut or the like.
  • the invention relates to a method for machining a workpiece 5, in which in particular a three-dimensional, spatial surface 1 is machined, a tool 2 provided with at least one cutting edge being moved in three movement axes x, y, z along the surface 1 and wherein the tool 2 is positioned in a fourth axis W with a cutting edge 3 to the surface 1.
  • a tool 2 provided with at least one cutting edge being moved in three movement axes x, y, z along the surface 1 and wherein the tool 2 is positioned in a fourth axis W with a cutting edge 3 to the surface 1.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Milling Processes (AREA)

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

Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks. Bei der spanenden, dreidimensionalen Bearbeitung von Werkstücken, ist es bekannt, Hochgeschwindigkeit-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 erforderlich, das Werkzeug in vielen, eng nebeneinanderliegenden Bahnen über das Werkstück zu- ewegen.
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 Oberflächenungenauigkeiten, Rattermarken oder ähnliche Fehler auftreten.
Ein weiterer, systembedingter Nachteil bei Fräsverfahren liegt darin, daß es sich stets um einen unterbrochenen Schnitt handelt. Durch diese Schnitt-Unterbrechung wird das Werkzeug zusätzlich 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 vorteilhafte 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 positioniert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Erfindungsgemäß ist somit möglich, mittels einer Schneide, die entlang der dreidimensionalen Fläche bewegt wird, einen nicht-unterbrochenen Schnitt zu realisieren. Durch die Positionierung der Schneide des Werkzeugs zu der Fläche ergeben sich, unabhängig von der räumlichen Ausgestaltung 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 Frässpindel wird jedoch nicht kontinuierlich in Drehung versetzt, sondern 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 dreidimensionale 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, vielmehr 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 erfolgt 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 dreidimensionale Fläche als Bezugsgröße oder Ausgangsgröße genommen wird und die Schneide des Werkzeugs zu dieser Flächennormale ausgerichtet wird. Hierdurch ist gewährleistet, daß der Spanwinkel beziehungsweise der Freiwinkel stets konstant beziehungsweise gleich bleiben.
Hinsichtlich der Geometrie des Werkzeugs ist das erfindungsgemäße Verfahren in vielfältiger Weise anpaßbar, insbesondere hinsichtlich der Schnittgeschwindigkeiten, der Schneiden-Geometrien, der Werkstückeigenschaften etc. Es kann ein Werkzeug verwendet werden, welches ähnlich einem Fräswerkzeug ausgebildet 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 reduzieren. 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 erfindungsgemäßen 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 dreidimensionale Fläche 1 geführt. Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Detail-Ansicht des Bearbeitungsbereichs. Zu der dreidimensionalen Fläche 1 sind jeweils einige Flächennormalen 4 dargestellt. Diese Flächennormalen 4 eignen sich in besonders vorteilhafter 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

Patentansprüche
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 Ausrichtung 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 Drehrichtungen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (3) des Werkzeugs (2) zur Flächennormale (4) der Fläche (1) des Werkstücks (5) positioniert wird.
7. Werkzeugmaschine zur Druchführung 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 dreidimensionalen, 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen zur Bewegung um die Achsen x, y, z, w in Form von hydrostatischen Führungen ausgebildet sind.
10. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen zur Bewegung um die Achsen x, y, z, w in Form von luftgelagerten Führungen ausgebildet sind.
EP00912442A 1999-02-18 2000-02-01 Verfahren zur spanenden bearbeitung eines werkstücks Withdrawn EP1073540A1 (de)

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