EP1757405B1 - Verfahren zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen, insbesondere zum Schleifen von Turbinenschaufeln, Werkzeugmaschine - Google Patents

Verfahren zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen, insbesondere zum Schleifen von Turbinenschaufeln, Werkzeugmaschine Download PDF

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EP1757405B1
EP1757405B1 EP06017125A EP06017125A EP1757405B1 EP 1757405 B1 EP1757405 B1 EP 1757405B1 EP 06017125 A EP06017125 A EP 06017125A EP 06017125 A EP06017125 A EP 06017125A EP 1757405 B1 EP1757405 B1 EP 1757405B1
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EP
European Patent Office
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axis
workpiece
machining
machine tool
workpieces
Prior art date
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EP06017125A
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English (en)
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EP1757405A1 (de
Inventor
Heinrich Dr. Mushardt
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BLOHM JUNG GmbH
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Blohm Jung GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B19/00—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group
    • B24B19/14—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group for grinding turbine blades, propeller blades or the like

Definitions

  • the invention relates to a method for machining curved surface workpieces, wherein the workpiece is traversed along a first axis and simultaneously rotated about a second axis that includes a finite angle with the first axis, and a machining tool along a third axis Axis is deliverable, which also includes a finite angle with the first axis and with the second axis.
  • the invention further relates to a machine tool for machining workpieces having a curved surface, with a tool holder which can be moved along a first axis and at the same time is rotated about a second axis, wherein the second axis includes a finite angle with the first axis, and a machining tool that is deliverable along a third axis that also includes a finite angle with the first axis and with the second axis.
  • the invention finally relates to a programming system.
  • a method and a machine tool of the aforementioned type are known from DE 36 25 565 C2 known.
  • the present invention relates generally to methods and machines for machining workpieces having curved surfaces.
  • this will be explained below using the example of turbine blade grinding.
  • Turbine blades consist of an airfoil and a foot attached to one end of the airfoil and used to secure the blade to the rotor. At the opposite end turbine blades may have a so-called. Platform which is provided with Abdichtprofilen to avoid flow losses.
  • Turbine vanes on the other hand, have platforms at the inner and outer ends of the airfoil for attachment and sealing.
  • Turbine blades usually occupy a circular sector of 6 to 15 °.
  • the platforms have a large radius, which corresponds to the radius of the respective turbine.
  • Such a grinding machine is described in which a workpiece holder is arranged on a carriage which can be moved vertically on a stand, while a grinding spindle can be moved in front of the stator along two horizontal directions which are perpendicular to one another and can additionally be pivoted about a vertical axis.
  • this grinding machine can also grind circularly curved contact surfaces of turbine blades, but only under very limited conditions, because the adjustment options of the grinding machine are limited and allow only a small variation. The machine is also not intended for this application.
  • One from the DE 36 11 103 A1 known, seven-axis grinding machine is designed specifically for grinding turbine blades.
  • the machine has a workpiece holder, which can also be moved in a vertical direction on a stand, but in addition can also be rotated about a horizontal axis and can also be moved together with the stand along a horizontal axis.
  • the grinding spindle in turn is movable against the stand and transversely thereto in the horizontal direction and rotatable about a vertical axis.
  • the desired contact surfaces can be ground in this way.
  • Another grinder for this application is in the EP 0 254 526 B1 described.
  • the workpiece holder is in turn movable on a stand in the vertical direction and rotatable on the stand about a horizontal axis.
  • the stand as a whole can move around a horizontal axis and be rotated about a vertical axis.
  • the grinding spindle can be moved around two mutually perpendicular, horizontal axes.
  • a CNC path control is provided.
  • Another similar machine for the same purpose is from the EP 0 666 140 B1 known.
  • This known machine has five axes and allows the alternate machining of two turbine blades, for which two workpiece holders are provided. These workpiece holders can be moved along a first horizontal axis and rotated about a vertical axis.
  • the grinding spindle can be moved along a second, to the first transverse horizontal axis and along a vertical axis and rotated about this vertical axis.
  • the deep grinding has the disadvantage that the contact length of the grinding wheel on the workpiece is also very large because of the large engagement thickness. This leads to high grinding forces and temperatures, high wear on the grinding wheel and a significant deviation in shape. If these quantities are kept within limits by a correspondingly smaller feed, this in turn restricts the achievable chip removal volume.
  • a pendulum grinding machine is a surface grinding machine in which a flat workpiece is placed on a workpiece carriage which is periodically reciprocable in the direction of a horizontal axis, typically with stroke times of a few seconds. A grinding spindle disposed above the workpiece engages a grinding wheel on the workpiece being moved past. The purpose of this procedure is to divide this total allowance into several passes given a very large overall oversize of a grinding process. Pendulum grinding machines are used, for example, for grinding guide rails.
  • the workpiece during the grinding process oscillates in a frequency range of 50 Hz to 40 MHz, referred to as ultrasound.
  • a grinding wheel oscillates on the workpiece with a given stroke.
  • the oscillation amplitude should be equal to half the pendulum stroke, on the other hand it should be 0.023 mm at an oscillation frequency of 1 MHz.
  • the invention is based on the object of developing a method and a grinding machine of the type mentioned in such a way that the above-mentioned disadvantages of conventional grinding methods or machines are avoided.
  • this object is achieved in that the workpiece is moved along the first axis in a fast oscillating motion, wherein the oscillating movement at a speed of more than 20 m / min, preferably more than 50 m / min, and a reversing acceleration of more than 3 m / s 2 , preferably of more than 10 m / s 2 , with an adjustable variable stroke length, the stroke length being substantially equal to the distance traveled by the machining tool during the respective oscillating movement in the Workpiece is.
  • the tool holder is connected to a first carriage which moves the workpiece along the first axis in a fast oscillating motion, wherein the oscillating movement at a speed of more than 20 m / min, preferably of more than 50 m / min, and a reversal acceleration of more than 3 m / s 2 , preferably of more than 10 m / s 2 , is performed with an adjustable variable stroke length, wherein the stroke length is substantially equal to that in the respective oscillating movement of the machining tool traversed path in the workpiece.
  • the fast oscillating movement of the workpiece ie by its rapid lifting movement in a direction substantially tangential to the machining tool direction that the material with significantly shorter contact length and lower machining forces is istspant, thereby reducing the processing temperature and the shape deviation.
  • the material with significantly shorter contact length and lower machining forces is istspant, thereby reducing the processing temperature and the shape deviation.
  • the invention has the advantage that the total grinding time is minimized by the specially set stroke length, because the stroke length is limited to the amount necessary for a complete material removal.
  • the oscillating movement ( ⁇ X) is carried out with a frequency between 200 and 500 min -1 .
  • first axis, the second axis and the third axis are perpendicular to each other.
  • This measure has the advantage that conventional controls for three-axis machine tools can be used insofar as the three axes form a Cartesian coordinate system.
  • a particularly simple control is achieved if the second axis encloses a right angle with the radius of curvature of the surface at an engagement point of the machining tool on the surface.
  • This measure has the advantage that, for the essential portion of the total allowance, the method according to the invention is used with the already indicated advantages, while only a residual allowance which is unavoidable in the case of concave surfaces is removed in a conventional manner.
  • the workpiece is additionally pivoted during machining about the second axis.
  • This measure has the advantage that during the stroke of the workpiece, the material is removed along crescent-shaped arches, which in convex surfaces brings about an improvement in dimensional accuracy and a shortening of the processing time.
  • machining tool also to be moved along a fourth axis which preferably runs parallel to the second axis and or to further rotate the machining tool about a fifth axis, which is preferably parallel to the first axis.
  • two different tools may alternatively be brought into engagement with the workpiece by turning the machining tool about the fifth axis.
  • the present invention is applicable to a variety of machining processes, it is preferably used when the workpieces are ground.
  • the workpieces are preferably turbine blades, the surfaces being, in particular, cylindrical surfaces on a platform of the turbine blade.
  • the method according to the invention and the grinding machine according to the invention can also be used, as already mentioned, for spatially arbitrarily curved surfaces, the so-called free-form surfaces.
  • the so-called free-form surfaces are artificial joints, such as knee joints, called whose shape to grind along enveloping cuts.
  • a fast oscillating movement also reduces the thermal effect of the grinding wheel on the workpiece.
  • a high machine dynamics shortens the grinding time per enveloping cut and thus the processing time.
  • different drives can be used for carrying out the oscillating stroke movement. It is preferred if the first carriage is coupled with a linear motor, a threaded or spindle drive, or with a crank drive.
  • the first carriage runs on a machine bed along the first axis
  • the machining tool runs on a second carriage on a cross member of a machine bed spanning portal along the third axis.
  • This measure has the advantage that for the fast-moving axes, the lighter components, namely the tool carrier with its rotary drive, run directly on the machine bed, while for the slower moving axes, a heavy and highly stable gantry design is available.
  • FIG. 1 Figure 10 as a whole indicates an embodiment of a machine tool according to the invention, illustrated in the case of a grinding machine suitable for grinding workpieces with curved surfaces.
  • a grinding machine suitable for grinding workpieces with curved surfaces.
  • the invention is described below with reference to the application example of a grinding process on turbine blades, it is understood that the invention is not limited to this type of machining, nor to this application or this type of workpiece.
  • the grinding machine 10 has a machine base 12 which carries a machine bed 14. On the front of the grinding machine 10, a chip pan 16 is provided. In the rear area, the machine bed 14 carries a portal 18 with a cross member 20th
  • first axis 26 On the cross member 20 parallel horizontal guide rails 22 and 24 are arranged, which constitute a first axis 26, the so-called. Z-axis.
  • a first carriage 30 is movable in the Z direction.
  • first carriage 30 parallel vertical guide rails 32 and 34 are arranged, which constitute a second axis 36, the so-called. Y-axis.
  • a second carriage 40 is movable.
  • the second carriage 40 carries a grinding spindle 42.
  • the grinding spindle 42 is on the in FIG. 1 provided on the left side with a first grinding wheel 44.
  • On the right side of the grinding spindle 42 is in FIG. 1 to recognize a stub shaft 46, which may carry a second grinding wheel 48 (see. FIG. 2 ).
  • the grinding spindle is optionally rotatably mounted on the second carriage 40 about a third, horizontal axis 50, the so-called. A-axis.
  • a guide 52 is arranged on this, which extends rearwardly into the area below the portal 18.
  • the guide 52 has mutually parallel, horizontal guide rails 54 and 56, which represent a fourth axis 58, the so-called. X-axis.
  • the fourth axis 58 (X) forms in the illustrated embodiment, together with the first axis 26 (Z) and the second axis 36 (Y) a Cartesian coordinate system.
  • a third carriage 60 is movable.
  • the third carriage 60 carries a turntable or turntable 62 which is rotatable about a fifth axis 64, the so-called. B-axis.
  • On the turntable 62 is a workpiece holder 66, in which workpieces are clamped.
  • the third carriage 60 with its components thereon is designed in lightweight construction. The workpiece is thus movable only in the X direction and rotatable about the B axis. This restriction to two axes benefits a high dynamic of the grinding machine 10, as will be explained.
  • the linear drives of the first carriage 30 and the second carriage 40, as well as the rotary drives for the grinding spindle 42 and the turntable 62 are preferably of conventional design, as used for supports in machine tools. Therefore, they require no further explanation for the expert.
  • the linear drive of the third carriage 60 is of a special design. Besides conventional control, this drive is capable of reciprocating the third carriage 60 together with the tool carrier 66 and the workpiece clamped therein in rapid oscillatory or reciprocating motion along the fourth axis 58 (X).
  • a "fast" movement is to be understood as speeds of more than 20 m / min, preferably of more than 50 m / min, and reversal accelerations in the range of more than 3 m / s 2 , preferably more than 10 m / s 2 .
  • this as a result of their dimensions to stroke rates between 200 and 500 min -1. It is understood that the above values are to be understood as an indication only. It may well be that as a result of new materials, both in the field of moving components as well as in the field of tools (abrasives) or new drive technologies in the future, other, especially higher values of speed and / or acceleration can be achieved. On the other hand, smaller values are possible for very large workpieces, without departing from the scope of the present invention.
  • the front view in FIG. 2 shows that at the two ends of the grinding spindle 42 two different grinding wheels 44 and 48 can be arranged to grind the workpiece shown, namely a turbine blade 68, in particular their so-called platforms 69a and 69b. It can be seen in the dot-dashed representation that the grinding spindle 42 can be brought into engagement with the left platform 69a of the turbine blade 68 while maintaining its rotational position (A-axis 50) with the first grinding wheel 44 '. In contrast, when the grinding spindle 42 is rotated by 180 ° about the A-axis 50 and correspondingly moved in the Z-direction and possibly also in the Y-direction, the second grinding wheel 48 'can now machine the right-hand platform 69b.
  • FIG. 1 Finally, on the right side of the grinding machine 10 is still a magazine 70 to recognize, in the different grinding wheels and / or workpieces and / or dressing tools are included to be switched on and replaced as needed.
  • the exchangers and conveyors required for this purpose are likewise known to the person skilled in the art and are therefore not shown.
  • These devices are preferably rotary dressing spindles with diamond dressing rollers. They can be permanently installed on the machine bed 14 so that the moving masses do not increase in the selected machine concept
  • FIGS. 3 and 4 show in two views more details of the third carriage 60th
  • the third carriage 60 can be driven via a first drive 72 along the guide 52 in the X direction.
  • the first drive 72 is preferably a linear motor, but may also be a crank mechanism or the like.
  • the first drive 72 is capable of rapidly moving the entire third carriage 60 with jigs and clamped workpiece with high stroke rate and registration along the fourth axis 58 (X-axis).
  • a second drive 74 On the first carriage 60 is seated a second drive 74, namely a rotary drive, for the fifth axis (B-axis).
  • the second drive 74 rotates the turntable 62 by predetermined angle or angle increments.
  • the rotation of the workpiece 68 on the turntable 62 can be performed by a rotary table of known type, as in FIG. 2 indicated, or - as an alternative in the FIGS. 3 and 4 represented - by a pivoting device.
  • the turntable 62 is in FIG. 3 guided and supported in an indicated there arcuate rotary guide 78.
  • the second drive 74 can perform a slow rotational or pivotal movement, in embodiments of the invention but also a fast oscillatory movement, preferably superimposed on the slow rotational movement.
  • so-called direct drives are advantageously used, which consist of electromotive rotors and stators, require no further mechanical transmission parts and allow high angular acceleration.
  • the machine concept according to the invention is thus characterized overall by the following distribution of the machine axes X, Y, Z and B required for the path grinding and the pivot axis A required for positioning the grinding spindle 42:
  • the workpiece 68 is clamped in the workpiece holder 66 on the turntable 62 (B-axis), which in turn is arranged on the X-carriage 60.
  • the grinding spindle 42 is optionally arranged on a pivoting device (A-axis) and on a cross slide 22,24, 26, 30, 32, 34, 36, 40 in the Y and Z directions movable.
  • the web feed tangential to the workpiece surface, which is to be particularly fast, is performed by the relatively light X-carriage 60, which is equipped with strong drive elements and rigidly supported against the massive machine bed 14.
  • the X-carriage 60 carries only the turntable 62 (B-axis) with the workpiece holder 66th
  • the velocity and acceleration vectors of the other slide units may be smaller by about a factor of 3 to 10, for example. These sled units are associated with the massive components.
  • the grinding spindle 42 is movable on the cross slide 22, 24, 26, 30, 32, 34, 36, 40 in Y and Z directions.
  • the elements of the cross slide 22,24, 26, 30, 32, 34, 36, 40, the grinding spindle 42, and an optionally installed pivoting device (A-axis) are usually considerably heavier than the workpiece holder 66 and the associated turntable 62nd In addition, their dynamics are limited by the generally larger projection.
  • the gantry design of the grinding machine 10 according to FIG. 1 represents an advantageous embodiment of the machine dynamics embodiment. However, it is not the only conceivable design, because in the context of the present invention also alternatives are possible.
  • FIG. 5 is drawn through a (here any) workpiece 79 shown in a first position.
  • the workpiece 80 has a convexly shaped surface 80 in certain areas.
  • 81 denotes an engagement point of the grinding wheel 44 on the convex surface 80, where a radius of curvature at R K is also drawn.
  • the convex curved surface is a cylindrical surface
  • the radius of curvature has R K is a constant size and includes a right angle with the fifth axis 64 (B-axis). For a conically shaped surface, this angle is finite, and for a surface with a higher order curvature, the angle is finite and dependent on the point of engagement.
  • the workpiece 79 is rapidly oscillated and moved at a predetermined stroke along the fourth axis 58 (X-axis).
  • This lifting movement is in FIG. 5 indicated by a double arrow and the symbol ⁇ X.
  • the end positions of the workpiece within the lifting movement are represented by reference numerals 79 (solid line) and 79 '(dashed lines).
  • FIG. 5 clearly that the oscillating movement of the workpiece 79, 79 'is effected such that the workpiece 79, 79' and the grinding wheel 44 are guided past each other substantially tangentially.
  • the workpiece 79, 79 'additionally oscillated about the fifth axis (B-axis) can be pivoted, as indicated by a double arrow 82. Then there is a material removal in crescent-shaped areas, which is closer to the convex shape of the surface 80, 80 'and allows longer stroke lengths ⁇ X.
  • the grinding wheel 44 is delivered along the first axis 26 (Z-axis) as indicated by the symbol ⁇ Z.
  • This sets the desired partial allowance for each stroke, but also determines the shape of the machined surface 80, 80 'because at the same time the workpiece 79, 79' is slowly rotated about the fifth axis 64, 64 'as shown by an arrow B.
  • the shape of the surface 80, 80 ', in the representation of FIG. 5 is generated from left to right, thus results from a superposition of the delivery (Z) and the slow rotational movement (B).
  • FIGS. 6 to 8 illustrate on the basis of machining a turbine blade 68 a way to optimize the stroke length .DELTA.X.
  • FIG. 6 In the presentation of FIG. 6 is the turbine blade 68 in a first rotational position in which a center line 84 of the turbine blade 68 is rotated by an angle B 1 in a clockwise direction with respect to a vertical.
  • the grinding wheel 44 can only ablate a material region from a first engagement point 85a to a second engagement point 85b. Therefore, a stroke length ⁇ 1 X is set which corresponds to just the distance between the two engagement points 85a and 85b, to avoid an additional idle stroke that would take time.
  • FIG. 7 shows a second rotational position in which the turbine blade 68 'has been rotated by the angle B 1 in the counterclockwise direction, so that now the center line 84' coincides with the vertical.
  • the grinding wheel can now be guided over the entire width of the platform 69a, ie from a third engagement point 85c to a fourth engagement point 85d.
  • the distance between these two engagement points 85c, 85d now also determines the stroke length ⁇ 2 X.
  • FIG. 8 a third rotational position is shown in which the turbine blade against the second rotational position by an angle B 2 has been further rotated counterclockwise.
  • the possible distance of the material removal between a fifth engagement point 85e and a sixth engagement point 85f is now limited by the reaching of the limit of the total allowance 83, and accordingly also the length of the now to be set stroke ⁇ 3 X.
  • FIGS. 6 to 8 corresponding representation is, again in a slightly enlarged scale, the FIGS. 9 to 12 in the case of a concavely curved surface 86 on the opposite platform 69b of the turbine blade 68 to be removed with a total allowance 88.
  • FIG. 9 is, analogous to FIG. 6 , a first rotational position of the turbine blade 68 is shown.
  • FIG. 10 is, analogous to FIG. 7 , A second rotational position shown in which a third and a fourth engagement point 89c, 89d lie at the edges of the platform 69b and thus define a maximum distance or a maximum stroke ⁇ 2 X.
  • FIG. 12 shows that the described approach reaches its limits on concave mold elements of the workpiece 68 ", if the dynamics of the linear axes are not sufficient to follow tight bends at the desired high speed
  • Such crescent-shaped sections 90 can be finished with reduced web speed and correspondingly reduced removal rate This movement is in FIG. 12 indicated by an arrow 91.
  • FIG. 13 in one too FIG. 5 sketched analogous manner for the general workpiece 79.
  • the workpiece 79 (drawn in a solid line) is rotated in the clockwise direction about the fifth axis 64 (B-axis) by an angle ⁇ B and at the same time along the fourth axis 58 (X-axis) by a distance ⁇ X to the left, until it assumes a rotational position 79 "(shown by dashed lines)
  • the grinding wheel 44 is simultaneously moved downwards along the first axis 26 (Z-axis) by a distance ⁇ Z until it assumes the position 44".
  • the component "rotation" must be adapted to the workpiece curvature, the grinding wheel diameter and the acceleration capacity of the linear axes. It is favorable for the grinding process from the viewpoint of accuracy, if the engagement point 89, 89 'relative to the grinding wheel coordinates shifts only slightly, as in FIG. 13 entered as ⁇ U.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding Of Cylindrical And Plane Surfaces (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Milling Processes (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken mit gekrümmter Oberfläche, bei dem das Werkstück entlang einer ersten Achse verfahren und gleichzeitig um eine zweite Achse gedreht wird, die mit der ersten Achse einen endlichen Winkel einschließt, und bei dem ein Bearbeitungswerkzeug entlang einer dritten Achse zustellbar ist, die mit der ersten Achse und mit der zweiten Achse ebenfalls einen endlichen Winkel einschließt.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Werkzeugmaschine zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken mit gekrümmter Oberfläche, mit einem entlang einer ersten Achse verfahrbaren und gleichzeitig um eine zweite Achse verdrehbaren Werkzeughalter, wobei die zweite Achse mit der ersten Achse einen endlichen Winkel einschließt, und mit einem Bearbeitungswerkzeug, das entlang einer dritten Achse zustellbar ist, die mit der ersten Achse und mit der zweiten Achse ebenfalls einen endlichen Winkel einschließt.
  • Die Erfindung betrifft schließlich ein Programmiersystem.
  • Ein Verfahren und eine Werkzeugmaschine der vorstehend genannten Art sind aus der DE 36 25 565 C2 bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Maschinen zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen. Nur beispielhaft - und keinesfalls einschränkend zu verstehen - wird dies nachstehend am Beispiel des Schleifens von Turbinenschaufeln erläutert. Daneben sind auch Anwendungen bei vielen anderen Werkstücken, auch mit beliebig räumlich gekrümmter Oberfläche (Freiformfläche) zu verstehen, beispielsweise bei künstlichen Gelenken.
  • Turbinenlaufschaufeln bestehen aus einem Schaufelblatt und einem Fuß, der an einem Ende des Schaufelblatts befestigt ist und zur Befestigung der Schaufel am Rotor dient. Am entgegen gesetzten Ende können Turbinenlaufschaufeln eine sog. Plattform aufweisen, die mit Abdichtprofilen versehen ist, um Strömungsverluste zu vermeiden.
  • Turbinenleitschaufeln hingegen weisen am inneren und am äußeren Ende des Schaufelblatts Plattformen auf, die zur Befestigung und zur Abdichtung dienen.
  • Turbinenschaufeln nehmen üblicherweise einen Kreissektor von 6 bis 15° ein. Die Plattformen weisen einen großen Radius auf, der dem Radius der jeweiligen Turbine entspricht.
  • Zum Schleifen von deren Anlageflächen hat man im Stand der Technik früher die Turbinenschaufeln auf einem drehbaren, kreisförmigen Werkstücktisch montiert, dessen Radius etwa dem Krümmungsradius der Anlageflächen entsprach, wobei die Anlageflächen längs des Umfanges des Werkstücktisches angeordnet waren. Dann konnten diese Anlageflächen mittels eines ebenfalls am Umfang des Werkstücktischs angeordneten, stationären Schleifwerkzeugs mit dem gewünschten Radius geschliffen werden. Diese Vorgehensweise hatte jedoch den Nachteil, dass sehr große Schleifmaschinen entstanden, die sehr umständlich zu handhaben waren und nur einen geringen Durchsatz ermöglichten.
  • Im Zuge der Entwicklung von numerisch gesteuerten, mehrachsigen Werkzeugmaschinen sind dann später zahlreiche derartige Maschinen zum Schleifen von Turbinenschaufeln vorgeschlagen worden.
  • In der DE 32 46 168 C2 ist eine solche Schleifmaschine beschrieben, bei der ein Werkstückhalter an einem vertikal an einem Ständer verfahrbaren Schlitten angeordnet ist, während eine Schleifspindel vor dem Ständer entlang von zwei senkrecht zueinander verlaufenden horizontalen Richtungen verfahrbar und zusätzlich um eine Vertikalachse verschwenkbar ist. Mit dieser Schleifmaschine kann man zwar auch kreisförmig gekrümmte Anlageflächen von Turbinenschaufeln schleifen, jedoch nur unter sehr eingeschränkten Bedingungen, weil die Einstellmöglichkeiten der Schleifmaschine begrenzt sind und nur eine geringe Variation erlauben. Die Maschine ist auch nicht für diesen Anwendungsbereich vorgesehen.
  • Eine aus der DE 36 11 103 A1 bekannte, siebenachsige Schleifmaschine ist speziell für das Schleifen von Turbinenschaufeln vorgesehen. Die Maschine weist einen Werkstückhalter auf, der ebenfalls in einer vertikalen Richtung an einem Ständer verfahrbar, zusätzlich aber auch um eine horizonale Achse verdrehbar und ferner zusammen mit dem Ständer entlang einer horizontalen Achse verfahrbar ist. Die Schleifspindel ihrerseits ist entgegen dem Ständer sowie quer dazu in horizontaler Richtung verfahrbar und um eine Vertikalachse drehbar. Durch eine geeignete CNC-Bahnsteuerung können auf diese Weise die gewünschten Anlageflächen geschliffen werden.
  • Eine weitere Schleifmaschine für diese Anwendung ist in der EP 0 254 526 B1 beschrieben. Bei dieser bekannten, sechsachsigen Maschine ist der Werkstückhalter wiederum an einem Ständer in Vertikalrichtung verfahrbar sowie am Ständer um eine Horizontalachse verdrehbar. Der Ständer als ganzes kann um eine Horizontalachse verfahren sowie um eine Vertikalachse verdreht werden. Die Schleifspindel ist um zwei zueinander senkrechte, horizontale Achsen verfahrbar. Auch bei dieser Werkzeugmaschine ist eine CNC-Bahnsteuerung vorgesehen.
  • Eine weitere ähnliche Maschine für den selben Einsatzzweck ist aus der EP 0 666 140 B1 bekannt. Diese bekannte Maschine besitzt fünf Achsen und gestattet die abwechselnde Bearbeitung von zwei Turbinenschaufeln, für die zwei Werkstückhalter vorgesehen sind. Diese Werkstückhalter sind entlang einer ersten Horizontalachse verfahrbar sowie um eine Vertikalachse verdrehbar. Die Schleifspindel kann entlang einer zweiten, zur ersten quer verlaufenden Horizontalachse sowie entlang einer Vertikalachse verfahren und um diese Vertikalachse verdreht werden.
  • Ein etwas anderes Konzept ist bei einer Maschine zum Schleifen von Turbinenschaufeln vorgesehen, die in der eingangs genannten DE 36 25 565 C2 beschrieben ist. Bei dieser bekannten Maschine wird die gewünschte Kreisbahn des Wirkpunktes der Schleifscheibe am Werkstück nicht durch eine CNC-Bahnsteuerung, sondern durch eine Überlagerung von zwei Einzelbewegungen erzielt, nämlich einer Horizontalbewegung sowie einer Schwenkbewegung des Werkstückträgers. Die Zustellung wird durch eine Vertikalbewegung der Schleifspindel erzielt.
  • Die vorstehend beschriebenen bekannten Maschinen haben gemeinsam, dass der Schleifprozeß im sog. Tiefschleifverfahren stattfindet, d.h. dass das gesamte Aufmaß in einem einzigen Durchgang der Schleifscheibe abgetragen wird. Das schließt natürlich nicht aus, dass nacheinander beispielsweise ein Schruppvorgang und ein Schlichtvorgang mit jeweils eigenem Gesamtaufmaß stattfinden.
  • Das Tiefschleifen hat jedoch den Nachteil, dass die Kontaktlänge der Schleifscheibe am Werkstück wegen der großen Eingriffsdicke ebenfalls sehr groß ist. Dies führt zu hohen Schleifkräften und -temperaturen, zu einem hohen Verschleiß an der Schleifscheibe sowie zu einer nicht unerheblichen Formabweichung. Hält man diese Größen durch einen entsprechend kleineren Vorschub in Grenzen, beschränkt dies wiederum das erreichbare Zeitspanvolumen.
  • Aus der EP 0 981 419 B1 ist eine so genannte Pendelschleifmaschine bekannt. Diese Maschine ist eine Flachschleifmaschine, bei der ein flaches Werkstück auf einem Werkstückschlitten angeordnet wird, der in Richtung einer Horizontalachse periodisch hin und her verfahrbar ist, typischerweise mit Hubzeiten von einigen Sekunden. Eine oberhalb des Werkstücks angeordnete Schleifspindel bringt eine Schleifscheibe in Eingriff an dem vorbei bewegten Werkstück. Sinn dieser Vorgehensweise ist es, bei einem erforderlichen sehr großen Gesamtaufmaß eines Schleifvorganges dieses Gesamtaufmaß in mehrere Durchgänge aufzuteilen. Pendelschleifmaschinen werden beispielsweise zum Schleifen von Führungsleisten eingesetzt.
  • Aus der WO 93/15877 ist eine Vorrichtung zum Schleifen von Werkstücken bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung oszilliert das Werkstück während des Schleifvorganges mit in einem als Ultraschall bezeichneten Frequenzbereich von 50 Hz bis 40 MHz. Eine Schleifscheibe pendelt am Werkstück mit vorgegebenem Hub. Die Oszillationsamplitude soll einerseits gleich dem halben Pendelhub sein, andererseits soll sie bei einer Oszillationsfrequenz von 1 MHz 0,023 mm betragen.
  • Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Schleifmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die oben genannten Nachteile herkömmlicher Schleifverfahren bzw. -maschinen vermieden werden. Insbesondere soll es möglich werden, auf einer kompakten Maschine Werkstücke mit gekrümmten Oberflächen, insbesondere Turbinenschaufeln, in hoher Formtreue mit hohem Zeitspanvolumen bei geringem Verschleiß der Schleifscheibe zu schleifen, indem die Schleifkräfte und -temperaturen vermindert werden.
  • Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Werkstück entlang der ersten Achse in einer schnell oszillierenden Bewegung verfahren wird, wobei die oszillierende Bewegung mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20 m/min, vorzugsweise von mehr als 50 m/min, und einer Umkehrbeschleunigung von mehr als 3 m/s2, vorzugsweise von mehr als 10 m/s2, mit einer einstellbaren variablen Hublänge ausgeführt wird, wobei die Hublänge im Wesentlichen gleich dem bei der jeweiligen oszillierende Bewegung vom Bearbeitungswerkzeug durchfahrenen Weg im Werkstück ist.
  • Bei einer Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, der Werkzeughalter mit einem ersten Schlitten verbunden ist, der das Werkstück entlang der ersten Achse in einer schnell oszillierenden Bewegung verfährt, wobei die oszillierende Bewegung mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20 m/min, vorzugsweise von mehr als 50 m/min, und einer Umkehrbeschleunigung von mehr als 3 m/s2, vorzugsweise von mehr als 10 m/s2, mit einer einstellbaren variablen Hublänge ausgeführt wird, wobei die Hublänge im Wesentlichen gleich dem bei der jeweiligen oszillierende Bewegung vom Bearbeitungswerkzeug durchfahrenen Weg im Werkstück ist.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird nämlich durch die schnell oszillierende Bewegung des Werkstücks, d.h. durch dessen schnelle Hubbewegung in einer zum Bearbeitungswerkzeug im Wesentlichen tangentialen Richtung erreicht, dass das Material mit wesentlich kürzerer Kontaktlänge und geringeren Bearbeitungskräften abgespant wird, wodurch sich die Bearbeitungstemperatur und die Formabweichung vermindern. Im Vergleich zum herkömmlichen Flach-Pendelschleifen ergibt sich der Vorteil von kürzeren Überlaufzeiten und damit von einem größeren Zeitspanvolumen und einer insgesamt kürzeren Schleifzeit.
  • Die Werte für die oszillierende Bewegung liegen wesentlich höher als vergleichbare Werte beim herkömmlichen Flach-Pendelschleifen, haben sich zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe in Versuchen für heute verfügbare Bearbeitungswerkzeuge als optimal erwiesen.
  • Die Erfindung hat durch die speziell eingestellte Hublänge ferner den Vorteil, dass die Gesamt-Schleifzeit minimiert wird, weil die Hublänge auf den für einen vollständigen Materialabtrag notwendigen Betrag begrenzt ist.
  • Für Werkstücke der hier interessierenden Art, insbesondere für Turbinenschaufeln, wird infolge deren Abmessungen die oszillierende Bewegung (ΔX) mit einer Frequenz zwischen 200 und 500 min-1 ausgeführt.
  • Weiterhin ist bevorzugt, wenn die erste Achse, die zweite Achse und die dritte Achse jeweils senkrecht aufeinander stehen.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass insoweit herkömmliche Steuerungen für Dreiachsen-Werkzeugmaschinen verwendet werden können, bei denen die drei Achsen ein kartesisches Koordinatensystem bilden.
  • Eine besonders einfache Steuerung wird erreicht, wenn die zweite Achse mit dem Krümmungsradius der Oberfläche in einem Eingriffspunkt des Bearbeitungswerkzeugs an der Oberfläche einen rechten Winkel einschließt.
  • Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird berücksichtigt, dass beim Bearbeiten einer konkav gekrümmten Oberfläche ein Restaufmaß mittels Bahnsteuerung von Werkstück und Bearbeitungswerkzeug mit verminderter Bahngeschwindigkeit entfernt wird.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass für den wesentlichen Anteil des Gesamtaufmaßes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den bereits angegebenen Vorteilen gearbeitet wird, während nur ein bei konkaven Oberflächen unvermeidbares Restaufmaß in herkömmlicher Weise abgetragen wird.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung wird das Werkstück beim Bearbeiten zusätzlich oszillierend um die zweite Achse verschwenkt.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass während des Hubes des Werkstücks das Material entlang von sichelförmigen Bögen abgetragen wird, was bei konvexen Oberflächen eine Verbesserung der Formtreue sowie eine Verkürzung der Bearbeitungszeit mit sich bringt.
  • Wenn in diesem Zusammenhang der oszillierenden Bewegung des Werkstücks eine Bahnsteuerung zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug überlagert wird, hat dies den Vorteil, dass auch konkave Oberflächen mit den vorstehend genannten Vorteilen bearbeitet werden können.
  • Um hinsichtlich der Bearbeitung ein noch höheres Maß an Flexibilität zu erhalten und um auch Oberflächen mit Krümmungen höherer Ordnung bearbeiten zu können, ist bei weitern Ausführungsbeispielen der Erfindung vorgesehen, das Bearbeitungswerkzeug ferner entlang einer vierten Achse zu verfahren, die vorzugsweise parallel zur zweiten Achse verläuft und/oder das Bearbeitungswerkzeug ferner um eine fünfte Achse zu verdrehen, die vorzugsweise parallel zur ersten Achse verläuft.
  • Im letztgenannten Fall können bevorzugt durch Verdrehen des Bearbeitungswerkzeugs um die fünfte Achse alternativ zwei unterschiedliche Werkzeuge in Eingriff mit dem Werkstück gebracht werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich nicht nur einfach gekrümmte Oberflächen, also zylindrische Oberflächen, sondern ganz allgemein beliebig im Raum gekrümmte Oberflächen, so genannte Freiformflächen, bearbeiten.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung bei einer Vielzahl von spanabhebenden Bearbeitungsprozessen einsetzbar ist, wird sie bevorzugt dann eingesetzt, wenn die Werkstücke geschliffen werden.
  • Bevorzugt handelt es sich bei den Werkstücken um Turbinenschaufeln, wobei die Oberflächen insbesondere zylindrische Oberflächen an einer Plattform der Turbinenschaufel sind.
  • Darüber hinaus lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schleifmaschine aber auch, wie bereits erwähnt, bei räumlich beliebig gekrümmten Flächen, den so genannten Freiformflächen, einsetzen. Als Beispiel dazu seien hier künstliche Gelenke, beispielsweise Kniegelenke, genannt, deren Form entlang einhüllender Schnitte zu schleifen ist. Eine schnell oszillierende Bewegung reduziert auch hier die thermische Einwirkung der Schleifscheibe auf das Werkstück. Eine hohe Maschinendynamik verkürzt die Schleifzeit pro Hüllschnitt und damit die Bearbeitungszeit.
  • Bei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine können für das Ausführen der oszillierenden Hubbewegung unterschiedliche Antriebe verwendet werden. Bevorzugt ist, wenn der erste Schlitten mit einem Linearmotor, einem Gewinde- oder Spindeltrieb, oder mit einem Kurbeltrieb gekoppelt ist.
  • Bei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine läuft der erste Schlitten auf einem Maschinenbett entlang der ersten Achse, und das Bearbeitungswerkzeug läuft auf einem zweiten Schlitten an einem Querträger eines das Maschinenbett überspannenden Portals entlang der dritten Achse.
  • Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass für die schnell zu bewegenden Achsen die leichteren Komponenten, nämlich der Werkzeugträger mit seinem Drehantrieb, unmittelbar am Maschinenbett laufen, während für die langsamer zu bewegenden Achsen eine schwere und hochstabile Portalbauweise zur Verfügung steht.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine;
    Figur 2:
    eine schematisierte Vorderansicht der Schleifmaschine von Figur 1;
    Figur 3:
    eine schematisierte Vorderansicht auf einen Werkstückschlitten der Schleifmaschine von Figur 1 und 2;
    Figur 4:
    eine Draufsicht auf den Werkstückschlitten von Figur 3;
    Figur 5:
    ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
    Figur 6 bis 8:
    in vergrößerter Darstellung drei Diagramme zur weiteren Erläuterung des in Figur 5 veranschaulichten Verfahrens für die Bearbeitung einer konvex gekrümmten Fläche;
    Figur 9 bis 12:
    in weiter vergrößerter Darstellung vier Diagramme zur weiteren Erläuterung des in Figur 5 veranschaulichten Verfahrens für die Bearbeitung einer konkav gekrümmten Fläche; und
    Figur 13:
    eine Darstellung ähnlich Figur 5 zur Erläuterung eines weiteren Verfahrensschritts bei der Bearbeitung einer konkav gekrümmter Oberfläche.
  • In Figur 1 bezeichnet 10 als Ganzes ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, dargestellt am Fall einer Schleifmaschine, die zum Schleifen von Werkstücken mit gekrümmten Oberflächen geeignet ist. Obwohl die Erfindung nachstehend anhand des Anwendungsbeispiels eines Schleifvorganges an Turbinenschaufeln beschrieben wird, versteht sich, dass die Erfindung weder auf diese Art der spanabhebenden Bearbeitung, noch auf diesen Anwendungsfall bzw. diese Werkstückart beschränkt ist.
  • Die Schleifmaschine 10 weist einen Maschinenfuß 12 auf, der ein Maschinenbett 14 trägt. Auf der Vorderseite des Schleifmaschine 10 ist eine Spänewanne 16 vorgesehen. Im hinteren Bereich trägt das Maschinenbett 14 ein Portal 18 mit einem Querträger 20.
  • An dem Querträger 20 sind zueinander parallele, horizontale Führungsleisten 22 und 24 angeordnet, die eine erste Achse 26, die sog. Z-Achse, darstellen. Entlang der Führungsleisten 22, 24 ist ein erster Schlitten 30 in Z-Richtung verfahrbar.
  • An dem ersten Schlitten 30 sind zueinander parallele, vertikale Führungsleisten 32 und 34 angeordnet, die eine zweite Achse 36, die sog. Y-Achse, darstellen. Entlang der Führungsleisten 32, 34 ist ein zweiter Schlitten 40 verfahrbar.
  • Der zweite Schlitten 40 trägt eine Schleifspindel 42. Die Schleifspindel 42 ist auf der in Figur 1 linken Seite mit einer ersten Schleifscheibe 44 versehen. Auf der rechten Seite der Schleifspindel 42 ist in Figur 1 ein Wellenstummel 46 zu erkennen, der eine zweite Schleifscheibe 48 tragen kann (vgl. Figur 2). Die Schleifspindel ist optional an dem zweiten Schlitten 40 um eine dritte, horizontale Achse 50, die sog. A-Achse, drehbar gelagert.
  • Im vorderen Bereich des Maschinenbetts 14 ist auf diesem eine Führung 52 angeordnet, die sich nach hinten bis in den Bereich unterhalb des Portals 18 erstreckt. Die Führung 52 weist zueinander parallele, horizontale Führungsleisten 54 und 56 auf, die eine vierte Achse 58, die sog. X-Achse darstellen.
  • Die vierte Achse 58 (X) bildet bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit der ersten Achse 26 (Z) und der zweiten Achse 36 (Y) ein kartesisches Koordinatensystem.
  • Entlang der Führungsleisten 54, 56 ist ein dritter Schlitten 60 verfahrbar. Der dritte Schlitten 60 trägt einen Drehtisch oder Drehteller 62, der um eine fünfte Achse 64, die sog. B-Achse verdrehbar ist. Auf dem Drehteller 62 befindet sich ein Werkstückhalter 66, in dem Werkstücke einspannbar sind. Der dritte Schlitten 60 mit seinen darauf befindlichen Komponenten ist in Leichtbauweise ausgeführt. Das Werkstück ist somit nur in X-Richtung verfahrbar und um die B-Achse verdrehbar. Diese Beschränkung auf zwei Achsen kommt einer hohen Dynamik der Schleifmaschine 10 zugute, wie noch erläutert werden wird.
  • Die Linearantriebe des ersten Schlittens 30 und des zweiten Schlittens 40 sind, ebenso wie die Drehantriebe für die Schleifspindel 42 und den Drehteller 62 vorzugsweise von herkömmlicher Bauart, wie sie für Supporte in Werkzeugmaschinen verwendet werden. Sie bedürfen daher für den Fachmann keiner näheren Erläuterung.
  • Der Linearantrieb des dritten Schlittens 60 hingegen ist besonderer Bauart. Neben einer herkömmlichen Steuerung ist dieser Antrieb in der Lage, den dritten Schlitten 60 zusammen mit dem Werkzeugträger 66 und dem darin eingespannten Werkstück in schneller Oszillations- oder Hubbewegung entlang der vierten Achse 58 (X) hin und her zu bewegen.
  • Unter einer "schnellen" Bewegung sind dabei Geschwindigkeiten von mehr als 20 m/min, vorzugsweise von mehr als 50 m/min zu verstehen sowie Umkehrbeschleunigungen im Bereich von mehr als 3 m/s2, vorzugsweise von mehr als 10 m/s2. Bei den im Ausführungsbeispiel dargestellten und beschriebenen Werkstücken (Turbinenschaufeln) führt dies infolge von deren Abmessungen zu Hubfrequenzen zwischen 200 und 500 min-1. Dabei versteht sich, dass die vorstehend genannten Werte nur als Anhalt zu verstehen sind. So kann es durchaus sein, dass als Folge von neuen Werkstoffen, sowohl im Bereich der bewegten Komponenten als auch im Bereich der Werkzeuge (Schleifmittel) oder neuen Antriebstechniken zukünftig auch andere, insbesondere höhere Werte der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung erzielbar sind. Andererseits sind bei sehr großen Werkstücken auch kleinere Werte möglich, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Vorderansicht in Figur 2 zeigt, dass an den beiden Enden der Schleifspindel 42 zwei unterschiedliche Schleifscheiben 44 und 48 angeordnet sein können, um das dargestellte Werkstück, nämlich eine Turbinenschaufel 68, insbesondere deren so genannte Plattformen 69a und 69b zu schleifen. In der strichpunktierten Darstellung ist zu erkennen, dass die Schleifspindel 42 unter Beibehaltung ihrer Drehlage (A-Achse 50) mit der ersten Schleifscheibe 44' in Eingriff mit der linken Plattform 69a der Turbinenschaufel 68 gebracht werden kann. Wenn die Schleifspindel 42 hingegen um 180° um die A-Achse 50 gedreht und entsprechend in Z-Richtung sowie ggf. auch in Y-Richtung verfahren wird, kann nun die zweite Schleifscheibe 48' die rechte Plattform 69b bearbeiten.
  • In Figur 1 ist schließlich auf der rechten Seite der Schleifmaschine 10 noch ein Magazin 70 zu erkennen, in dem unterschiedliche Schleifscheiben und/oder Werkstücke und/oder Abrichtwerkzeuge enthalten sind, um je nach Bedarf ein- und ausgewechselt werden zu können. Die dazu erforderlichen Wechsler und Förderer sind dem Fachmann ebenfalls bekannt und daher nicht dargestellt.
  • Ebenfalls nicht dargestellt sind die notwendigen Einrichtungen zum Abrichten der Schleifscheiben 44 und 48. Diese Einrichtungen sind vorzugsweise rotierende Abrichtspindeln mit Diamantabrichtrollen. Sie können auf dem Maschinenbett 14 fest installiert sein, so dass sich bei dem gewählten Maschinenkonzept die bewegten Massen nicht erhöhen
  • Die Figuren 3 und 4 zeigen in zwei Ansichten weitere Einzelheiten des dritten Schlittens 60.
  • Man erkennt, dass der dritte Schlitten 60 über einen ersten Antrieb 72 entlang der Führung 52 in X-Richtung antreibbar ist. Der erste Antrieb 72 ist vorzugsweise ein Linearmotor, kann aber auch ein Kurbeltrieb oder dergleichen sein. Wichtig ist, dass der erste Antrieb 72 in der Lage ist, den gesamten dritten Schlitten 60 mit Aufbauten und eingespanntem Werkstück mit hoher Hubfrequenz und Lagegenauigkeit schnell oszillierend entlang der vierten Achse 58 (X-Achse) zu bewegen.
  • Auf dem ersten Schlitten 60 sitzt ein zweiter Antrieb 74, nämlich ein Dreh- bzw. Schwenkantrieb, für die fünfte Achse (B-Achse). Der zweite Antrieb 74 dreht den Drehteller 62 um vorgegebene Winkel bzw. Winkelinkremente. Die Drehung des Werkstücks 68 Auf dem Drehteller 62 kann durch einen Rundtisch bekannter Art ausgeführt werden, wie in Figur 2 angedeutet, oder - wie alternativ in den Figuren 3 und 4 dargestellt - durch eine Schwenkeinrichtung.
  • Der Drehteller 62 ist in Figur 3 in einer dort angedeuteten bogenförmigen Drehführung 78 geführt und abgestützt. Der zweite Antrieb 74 kann eine langsame Dreh- bzw. Schwenkbewegung, bei Ausführungsbeispielen der Erfindung aber auch eine schnelle Oszillationsbewegung, vorzugsweise der langsamen Drehbewegung überlagert, ausführen. In beiden Fällen kommen in vorteilhafter Weise so genannte Direktantriebe zum Einsatz, die aus elektromotorischen Rotoren und Statoren bestehen, keine weiteren mechanischen Getriebeteile benötigen und hohe Winkelbeschleunigungen ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Maschinenkonzept ist somit insgesamt gekennzeichnet durch die folgende Verteilung der für das Bahnschleifen erforderlichen Maschinenachsen X, Y, Z und B sowie der zum Positionieren der Schleifspindel 42 erforderlichen Schwenkachse A:
  • Das Werkstück 68 wird im Werkstückhalter 66 auf dem Drehteller 62 (B-Achse) gespannt, der seinerseits auf dem X-Schlitten 60 angeordnet ist. Die Schleifspindel 42 ist optional auf einer Schwenkvorrichtung (A-Achse) angeordnet und auf einem Kreuzschlitten 22,24, 26, 30, 32, 34, 36, 40 in Y- und Z-Richtung verfahrbar.
  • Der Bahnvorschub tangential zur Werkstückoberfläche, der besonders schnell erfolgen soll, wird durch den verhältnismäßig leichten X-Schlitten 60 ausgeführt, der mit starken Antriebselementen ausgerüstet und steif gegen das massereiche Maschinenbett 14 abgestützt ist. Der X-Schlitten 60 trägt lediglich den Drehteller 62 (B-Achse) mit dem Werkstückhalter 66.
  • Die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren der anderen Schlitteneinheiten können etwa um den Faktor 3 bis 10 kleiner sein. Diesen Schlitteneinheiten sind die massereichen Bauelemente zugeordnet. Die Schleifspindel 42 ist auf dem Kreuzschlitten 22,24, 26, 30, 32, 34, 36, 40 in Y- und in Z-Richtung verfahrbar. Die Elemente des Kreuzschlittens 22,24, 26, 30, 32, 34, 36, 40, die Schleifspindel 42, sowie eine optional installierte Schwenkvorrichtung (A-Achse) sind in der Regel erheblich schwerer als der Werkstückhalter 66 und der damit verbundene Drehteller 62. Außerdem wird deren Dynamik durch die in der Regel größere Auskragung begrenzt. Die zahlreichen Versorgungs- und Steuerleitungen, die zur Schleifspindel zu führen und bei deren Bewegungen mitzuschleppen sind, schränken deren Beschleunigungsvermögen weiter ein.
  • Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung entwickelte Konzept stellt somit eine besonders vorteilhafte Anordnung der Maschinenachsen dar. Keine andere Achsfolge böte vergleichbar günstige Voraussetzungen für hohe Bahngeschwindigkeiten und Bahnbeschleunigungen sowie schnelle Oszillationshübe.
  • Die Portalbauweise der Schleifmaschine 10 gemäß Figur 1 stellt eine aus Sicht der Maschinendynamik vorteilhafte Ausführungsform dar. Sie ist jedoch nicht die einzig denkbare Bauweise, weil im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Alternativen dazu möglich sind.
  • Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es auf der Schleifmaschine gemäß den Figuren 1 bis 4 ausführbar ist, soll nun anhand der Figuren 5 bis 8 erläutert werden.
  • In Figur 5 ist durchgezogen ein (hier beliebiges) Werkstück 79 in einer ersten Stellung gezeigt. Das Werkstück 80 hat bereichsweise eine konvex geformte Oberfläche 80. Mit 81 ist ein Eingriffspunkt der Schleifscheibe 44 an der konvexen Oberfläche 80 bezeichnet, wo auch ein Krümmungsradius bei RK eingezeichnet ist. Wenn die konvex gekrümmte Oberfläche eine zylindrische Oberfläche ist, hat der Krümmungsradius RK eine konstanten Größe und schließt mit der fünften Achse 64 (B-Achse) einen rechten Winkel ein. Bei einer kegelig geformten Oberfläche ist dieser Winkel endlich, und bei einer Oberfläche mit einer Krümmung höherer Ordnung ist der Winkel endlich und abhängig vom Eingriffspunkt.
  • Um die konvexe Oberfläche 80 zu schleifen, wird das Werkstück 79 schnell oszillierend und mit vorbestimmtem Hub entlang der vierten Achse 58 (X-Achse) bewegt. Diese Hubbewegung ist in Figur 5 mit einem Doppelpfeil und dem Symbol ΔX bezeichnet. Die Endlagen des Werkstücks innerhalb der Hubbewegung sind durch die Bezugszeichen 79 (durchgezogen) und 79' (gestrichelt) dargestellt.
  • Man erkennt aus Figur 5 deutlich, dass die oszillierende Bewegung des Werkstücks 79, 79' derart bewirkt wird, dass das Werkstück 79, 79' und die Schleifscheibe 44 im wesentlichen tangential aneinander vorbeigeführt werden. Das Material des Werkstücks 79, 79' wird somit in streifenförmigen Bereichen abgetragen. Als Alternative kann das Werkstück 79, 79' zusätzlich oszillierend um die fünfte Achse (B-Achse) verschwenkt werden, wie mit einem Doppelpfeil 82 angedeutet. Dann ergibt sich ein Materialabtrag in sichelförmigen Bereichen, was der konvexen Form der Oberfläche 80, 80' näher kommt und größere Hublängen ΔX ermöglicht.
  • Gleichzeitig wird die Schleifscheibe 44 entlang der ersten Achse 26 (Z-Achse) zugestellt, wie mit dem Symbol ΔZ angedeutet. Dadurch wird das gewünschte Teilaufmaß für jeden Hub eingestellt, aber auch die Form der bearbeiteten Oberfläche 80, 80' bestimmt, weil gleichzeitig das Werkstück 79, 79' langsam um die fünfte Achse 64, 64' gedreht wird, wie mit einem Pfeil B gezeigt. Die Form der Oberfläche 80, 80', die in der Darstellung von Figur 5 von links nach rechts erzeugt wird, ergibt sich somit aus einer Überlagerung der Zustellung (Z) und der langsamen Drehbewegung (B).
  • Die Figuren 6 bis 8 veranschaulichen anhand der Bearbeitung einer Turbinenschaufel 68 eine Möglichkeit, die Hublänge ΔX zu optimieren. Man erkennt dort in vergrößertem Maßstab die konvex gekrümmte Oberfläche 80 im Bereich der Plattform 69a sowie das gewünschte Gesamtaufmaß 83, das in einer vorbestimmten Anzahl von Hüben abgetragen werden soll.
  • In der Darstellung von Figur 6 befindet sich die Turbinenschaufel 68 in einer ersten Drehlage, bei der eine Mittellinie 84 der Turbinenschaufel 68 um einen Winkel B1 im Uhrzeigersinn gegenüber einer Senkrechten verdreht ist. In dieser ersten Drehlage kann die Schleifscheibe 44 nur einen Materialbereich von einem ersten Eingriffspunkt 85a bis zu einem zweiten Eingriffspunkt 85b abtragen. Daher wird eine Hublänge Δ1X eingestellt, die gerade der Strecke zwischen den beiden Eingriffspunkten 85a und 85b entspricht, um einen darüber hinaus gehenden Leerhub zu vermeiden, der Zeit kosten würde.
  • Figur 7 zeigt eine zweite Drehstellung, bei der die Turbinenschaufel 68' um den Winkel B1 im Gegenuhrzeigersinn verdreht wurde, so dass nunmehr die Mittellinie 84' mit der Senkrechten zusammenfällt. Die Schleifscheibe kann jetzt über die gesamte Breite der Plattform 69a geführt werden, d.h. von einem dritten Eingriffspunkt 85c zu einem vierten Eingriffspunkt 85d. Der Abstand dieser beiden Eingriffspunkte 85c, 85d bestimmt nun auch hier die Hublänge Δ2X.
  • In Figur 8 ist eine dritte Drehlage gezeigt, bei der die Turbinenschaufel gegenüber der zweiten Drehlage um einen Winkel B2 weiter im Gegenuhrzeigersinn verdreht wurde. Die mögliche Strecke der Materialabnahme zwischen einem fünften Eingriffspunkt 85e und einem sechsten Eingriffspunkt 85f ist jetzt durch das Erreichen der Grenze des Gesamtaufmaßes 83 begrenzt und damit entsprechend auch die Länge des nunmehr einzustellenden Hubs Δ3X.
  • Eine den Figuren 6 bis 8 entsprechende Darstellung ist, in nochmals leicht vergrößertem Maßstab, den Figuren 9 bis 12 für den Fall einer konkav gekrümmten Oberfläche 86 an der gegenüberliegenden Plattform 69b der Turbinenschaufel 68 zu entnehmen, die mit einem Gesamtaufmaß 88 abgetragen werden soll.
  • In Figur 9 ist, analog zu Figur 6, eine erste Drehlage der Turbinenschaufel 68 dargestellt. Auch hier haben wir zunächst nur eine verhältnismäßig kurze Strecke zwischen einem ersten und einem zweiten Eingriffspunkt 89a, 89b, die den Hub Δ1X in dieser Drehlage bestimmt.
  • In Figur 10 ist, analog zu Figur 7, eine zweite Drehlage eingezeichnet, bei der ein dritter und ein vierter Eingriffspunkt 89c, 89d an den Rändern der Plattform 69b liegen und damit eine maximale Strecke bzw. einen maximalen Hub Δ2X definieren.
  • Der Materialabtrag kann nun mit jeweils maximalem Hub fortgesetzt werden, der sich infolge der sich in Z-Richtung erweiternden Form der Plattform 69b noch geringfügig bis zu einem Wert Δ3X vergrößert, bis die Grenze des Gesamtaufmaßes 88 erreicht ist, wie Figur 11 zeigt.
  • Figur 12 zeigt, dass die beschriebene Vorgehensweise an konkaven Formelementen des Werkstücks 68" an Grenzen stößt, wenn die Dynamik der Linearachsen nicht ausreicht, engen Krümmungen mit der gewünschten hohen Geschwindigkeit zu folgen. Man kann derartige sichelförmige Abschnitte 90 mit reduzierter Bahngeschwindigkeit und dementsprechned verminderter Abtragsleistung fertig bearbeiten. Diese Bewegung ist in Figur 12 mit einem Pfeil 91 angedeutet.
  • Alternativ kann an solchen konkaven Abschnitten eine höhere Bahngeschwindigkeit erreicht werden, wenn das Werkstück eine zusätzliche Schwenkbewegung ausführt, wie in Figur 13 in einer zu Figur 5 analogen Weise für das allgemeine Werkstück 79 skizziert. Aus einer Ausgangs-Drehlage wird das Werkstück 79 (durchgezogen gezeichnet) in Uhrzeigerrichtung um die fünfte Achse 64 (B-Achse) um einen Winkel ΔB verdreht und gleichzeitig entlang der vierten Achse 58 (X-Achse) um eine Strecke ΔX nach links verfahren, bis es eine Drehlage 79" einnimmt (gestrichelt gezeichnet). Die Schleifscheibe 44 wird gleichzeitig entlang der ersten Achse 26 (Z-Achse) um eine Strecke ΔZ nach unten verfahren, bis sie die Stellung 44" einnimmt. Durch diese überlagerten Bewegungen wandert der Eingriffspunkt 89 entlang der konkaven Oberfläche 86, 86" nach 89". Es ist aus Figur 13 ersichtlich, dass sich der Kontaktpunkt zwischen der Schleifscheibe 44 und dem Werkstück 79 bei der Drehung des Werkstücks 79 um den Winkel ΔB von 89 nach 89" bewegt, während gleichzeitig die schnelle vierte Achse 58 (X-Achse) die Strecke ΔX und die erste Achse 26 (Z-Achse) die erheblich kleinere Strecke ΔZ zurücklegen müssen.
  • Zur Optimierung der Bahngeschwindigkeit ist die Komponente "Drehung" auf die Werkstückkrümmung, den Schleifscheibendurchmesser und das Beschleunigungsvermögen der Linearachsen abzustimmen. Dabei ist es für den Schleifprozess aus Sicht der Genauigkeit günstig, wenn sich der Eingriffspunkt 89, 89' relativ zu den Schleifscheibenkoordinaten nur geringfügig verlagert, wie in Figur 13 als ΔU eingetragen.

Claims (27)

  1. Verfahren zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken (68; 79) mit gekrümmter Oberfläche (80, 86), bei dem das Werkstück (68; 79) entlang einer ersten Achse (58; X) verfahren und gleichzeitig um eine zweite Achse (64; B) gedreht wird, die mit der ersten Achse (58; X) einen endlichen Winkel einschließt, und bei dem ein Bearbeitungswerkzeug entlang einer dritten Achse (26; Z) zustellbar ist, die mit der ersten Achse (58; X) und mit der zweiten Achse (64; B) ebenfalls einen endlichen Winkel einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (68; 79) entlang der ersten Achse (58; X) in einer schnell oszillierenden Bewegung (ΔX) verfahren wird, wobei die oszillierende Bewegung (ΔX) mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20 m/min, vorzugsweise von mehr als 50 m/min, und einer Umkehrbeschleunigung von mehr als 3 m/s2, vorzugsweise von mehr als 10 m/s2, mit einer einstellbaren variablen Hublänge (Δ1X, Δ2X, Δ3X) ausgeführt wird, wobei die Hublänge (Δ1X, Δ2X, Δ3X) im Wesentlichen gleich dem bei der jeweiligen oszillierende Bewegung (ΔX) vom Bearbeitungswerkzeug durchfahrenen Weg im Werkstück (68; 79) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierende Bewegung (ΔX) mit einer Frequenz zwischen 200 und 500 min-1 ausgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (58; X), die zweite Achse (64; B) und die dritte Achse (26; Z) jeweils senkrecht aufeinander stehen.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Achse (64; B) mit dem Krümmungsradius (RK) der Oberfläche (80; 86) in einem Eingriffspunkt (81; 89) des Bearbeitungswerkzeugs an der Oberfläche (80; 86) einen rechten Winkel einschließt.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bearbeiten einer konkav gekrümmten Oberfläche (86) ein Restaufmaß (90) mittels Bahnsteuerung von Werkstück (68) und Bearbeitungswerkzeug bei verminderter Bahngeschwindigkeit entfernt wird.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (68; 79) beim Bearbeiten zusätzlich oszillierend um die zweite Achse (64; B) verschwenkt wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oszillierenden Bewegung (ΔX) des Werkstücks (68, 79) eine Bahnsteuerung zwischen Werkstück (68, 79) und Bearbeitungswerkzeug überlagert wird.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ferner entlang einer vierten Achse (36; Y) verfahren wird, die vorzugsweise parallel zur zweiten Achse (64; B) verläuft.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ferner um eine fünfte Achse (50; A) verdreht wird, die vorzugsweise parallel zur ersten Achse (58; X) verläuft.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehen des Bearbeitungswerkzeugs um die fünfte Achse (50; A) alternativ zwei unterschiedliche Werkzeuge in Eingriff mit dem Werkstück (68) gebracht werden.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen mit beliebiger Krümmung an den Werkstücken (68; 79) bearbeitet werden.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (68; 79) geschliffen werden.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke Turbinenschaufeln (68) sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (80, 86) zylindrische Oberflächen an einer Plattform der Turbinenschaufel (68) sind.
  15. Werkzeugmaschine zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken (68; 79) mit gekrümmter Oberfläche (80, 86), mit einem entlang einer ersten Achse (58; X) verfahrbaren und gleichzeitig um eine zweite Achse (64; B) verdrehbaren Werkzeughalter (66), wobei die zweite Achse (64; B) mit der ersten Achse (58; X) einen endlichen Winkel einschließt, und mit einem Bearbeitungswerkzeug, das entlang einer dritten Achse (26; Z) zustellbar ist, die mit der ersten Achse (58; X) und mit der zweiten Achse (64; B) ebenfalls einen endlichen Winkel einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (66) mit einem ersten Schlitten (30) verbunden ist, der das Werkstück (68; 79) entlang der ersten Achse (58; X) in einer schnell oszillierenden Bewegung (ΔX) verfährt, wobei die oszillierende Bewegung (ΔX) mit einer Geschwindigkeit von mehr als 20 m/min, vorzugsweise von mehr als 50 m/min, und einer Umkehrbeschleunigung von mehr als 3 m/s2, vorzugsweise von mehr als 10 m/s2, mit einer einstellbaren variablen Hublänge (Δ1X, Δ2X, Δ3X) ausgeführt wird, wobei die Hublänge (Δ1X, Δ2X, Δ3X) im Wesentlichen gleich dem bei der jeweiligen oszillierende Bewegung (ΔX) vom Bearbeitungswerkzeug durchfahrenen Weg im Werkstück (68; 79) ist.
  16. Werkzeugmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie oszillierende Bewegung (ΔX) mit einer Frequenz zwischen 200 und 500 min-1 ausführt.
  17. Werkzeugmaschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitten (30) mit einem Linearmotor (72) gekoppelt ist.
  18. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitten mit einem Kurbeltrieb gekoppelt ist.
  19. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Achse (58; X), die zweite Achse (64; B) und die dritte Achse (26; Z) jeweils senkrecht aufeinander stehen.
  20. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Achse (64; B) mit dem Krümmungsradius (RK) der Oberfläche (80; 86) in einem Eingriffspunkt (81; 89) des Bearbeitungswerkzeugs an der Oberfläche (80; 86) einen rechten Winkel einschließt.
  21. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15. bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (66) mit einem Drehantrieb (76) versehen ist, der wahlweise kontinuierlich oder oszillierend betreibbar ist.
  22. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ferner entlang einer vierten Achse (36; Y) verfahrbar ist, die vorzugsweise parallel zur zweiten Achse (64; B) verläuft.
  23. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug ferner um eine fünfte Achse (50; A) verdrehbar ist, die vorzugsweise parallel zur ersten Achse (58; X) verläuft.
  24. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schlitten (60) auf einem Maschinenbett (14) entlang der ersten Achse (58; X) läuft, und dass das Bearbeitungswerkzeug auf einem zweiten Schlitten (30) an einem Querträger (20) eines das Maschinenbett (14) überspannenden Portals (18) entlang der dritten Achse (26; Z) läuft.
  25. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug mindestens eine Schleifscheibe (44, 48) ist, mit der die Werkstücke (68; 79) geschliffen werden.
  26. Werkzeugmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke Turbinenschaufeln (68) sind.
  27. Werkzeugmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (80, 86) im Wesentlichen zylindrische Oberflächen an einer Plattform der Turbinenschaufel (68) sind.
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