EP2817686A1 - Verfahren für die zerspanung eines werkstoffs und nach diesem verfahren arbeitende vorrichtungen - Google Patents

Verfahren für die zerspanung eines werkstoffs und nach diesem verfahren arbeitende vorrichtungen

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EP2817686A1
EP2817686A1 EP13706486.1A EP13706486A EP2817686A1 EP 2817686 A1 EP2817686 A1 EP 2817686A1 EP 13706486 A EP13706486 A EP 13706486A EP 2817686 A1 EP2817686 A1 EP 2817686A1
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EP
European Patent Office
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tool
cutting
chip
wear
machining
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Withdrawn
Application number
EP13706486.1A
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Egbert SCHÄPERMEIER
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Original Assignee
Individual
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    • B23Q15/007—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work while the tool acts upon the workpiece
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the present invention relates to a method for the machining of ductile materials with a geometrically defined cutting edge, in particular by milling. Furthermore, the invention relates to devices operating according to this method.
  • Ductile materials are machined, for example, by turning, drilling and milling.
  • Cutting data recommendations of the tool manufacturer takes. Cutting data, which provide qualitatively and economically acceptable machining results, have so far been determined empirically. The influence of individual process parameters is not readily apparent.
  • the tool was made in a turning or milling machine at different
  • Milling machines are usually set. This type of cutting data determination requires a lot of experience of the operator of the machine.
  • connection with the tool wear is missing here as well.
  • thermoelastoplastic influence due to friction at the interface between tool and chip is taken into account Strenkowski and Mitchum have developed a material model that takes into account thermoelastopolastic factors resulting from friction at the interface between tool and chip.
  • the present invention seeks to provide a method for the machining of ductile materials with geometrically defined
  • Cutting edge to provide that less effort for the determination and the application of qualitatively and economically acceptable cutting data in practice.
  • the task is also to provide tool manufacturers with a method in which the wear data of his tools are deposited and thus the optimization of the use of these tools for the user for any application cost and without consulting and preliminary tests are feasible.
  • this object is achieved by a method with the
  • chip flow The solution according to the invention for these tasks is based on the following considerations, wherein the material removal is referred to below by the term "chip flow":
  • the peeling of the chip from a workpiece is a non-linear physical process. This automatically creates new surfaces and there are large, related to the chip formation deformations that lead to the generation of heat. Sources of this heat generation are the sliding contact along the
  • Chip formation is thus a highly dynamic process, which can not only be described according to the laws of strength theory and not only according to the laws of plasticity theory.
  • the work performed during the material removal process leads directly to the generation of heat.
  • the elevated temperature affects both the
  • the temperature at the underside of the chip influences the shear strength in this area, whereby this shear resistance is decisive for the power that has to be applied for pushing out the chip over the rake face.
  • the Peclet number Pe is a dimensionless metric.
  • the Peclet number is formed from the ratio the relative velocity between the two bodies and the
  • the chip formation takes place with the cutting speed v c and the chip thickness h.
  • the thickness of the resulting chip h spa n is greater than the chip thickness h by the compression factor ⁇ .
  • the chip thickness thus results from the product h * A. Due to the chip compression, the chip is pushed out over the rake face at a value which is lower than the cutting speed. This is the
  • Temperature code of the body a divided by the distance from the sliding surface. In the present case, this distance corresponds to the chip thickness h spa n.
  • the product v c * h is referred to as the chip removal volume and is a measure of the volume cut off per mm span width.
  • the extension force related to 1 mm chip width depends on steel
  • Flow chip formation from the temperature For unalloyed and alloyed steels, the dependence of the extension force on the Peclet number can be represented in a curve as shown in FIG. In the diagram of Fig. 1 are plotted on the ordinate the Ausschubkraft and on the abscissa the Peclet number. The boundaries of these regions are marked by values of the Peclet number Pei-n and Pen-m, which are about the same for all materials with continuous chip formation, and which are at 6 to 8 and at 12 to 14, respectively.
  • the machinability of ductile materials can thus be characterized by the thermal conductivity of the material to be processed in the associated temperature range. As a result, the faster the chip absorbs the resulting heat, the higher the chip removal rate can be.
  • FIG. 1 has three regions I, II and III. In the three areas, the contact conditions differ between the underside of the chip and the chip surface.
  • the temperature in area I is lower than in areas II and III.
  • the temperature in area I is below 721 ° C.
  • the temperature is not enough to soften the chip bottom.
  • the contact in this area consists only of the contact of the above microscopic irregularities of
  • Chip underside and clamping surface When pushing out the chip, the edges of the chip lower side are sheared off and transported away into the hollows of the chip underside.
  • the chip underside is heated to such an extent that the unevenness of the two contact surfaces penetrates more strongly.
  • the volume of the sheds sheared when pushing out the chip increases.
  • part of the sheared material will remain in the troughs of the rake face, tending to weld. If the weld is too high, the coating dissolves again. This process is periodic and leads to uncontrolled Abtrags disagree.
  • Residues on the rake surface leaves.
  • the tool steels can not be used in the range above 721 ° C for reasons of wear resistance. Can therefore be used economically only in the area I.
  • the hard cutting materials can be used at temperatures that allow processing in the area III. These cutting materials are underused, as long as they are used in area I. Because of the uncontrolled
  • the temperature in the area of the cutting surface of the tool also determines the service life of the tool.
  • the dependency illustrated in FIG. 2 results for region III:
  • the Peclet number is plotted logarithmically against the chip thickness.
  • the logarithmic graph shows a linear dependence between Peclet number and
  • Chip thickness The straight line for a service life of the tool of 15 minutes is to be determined by lifetime tests.
  • the two values are exclusively tool-specific and apply unchanged to the machining of ductile materials.
  • the wear constants provide the Peclet number for a given chip thickness, which gives the tool life T.
  • the cutting edge is machined during milling
  • the chip thickness h can be calculated, which determines the wear of the tool. This is the largest thickness of the Varaspans h max , which corresponds to the feed / tooth s z in the case of the full cut of a milling cutter.
  • the cutting speed is the relative speed between
  • the feed is the movement of the tool in relation to the workpiece.
  • the illustration in FIG. 2 reveals that the value for the Peclet number is greater the greater the maximum chip thickness for a particular machining case is selected for a given tool life. Since the removal rate is proportional to the value of the Peclet number, the method eliminates the need to choose the chip thickness as large as possible.
  • the chip thickness stands for the load of the cutting edge. For this is from the
  • the wear data of a tool can be determined with just a few puncture tests and are the same for machining different ductile materials
  • the machining program can be used without modification for machining the same workpiece made of different ductile materials.
  • Processing step can be regulated with regard to constant levels.
  • the present invention manifests itself in
  • Control device the optimal cutting speed and the optimal feed rate is calculated continuously from the changing during machining engagement conditions and passed to the control of a processing device, or
  • a programmable control device characterized in that the programmable control device is adapted to detect the following values as input variables:
  • control device is further designed to continuously calculate the optimum cutting speed and the optimum feed speed on the basis of these values and to transmit them to a control device of the device, or
  • a V-groove with a width of 20 mm is produced by means of a milling cutter.
  • the software generates a user interface in a computer via which the following values are specified.
  • the processing unit can be o A pure output unit for the visualization of the calculated results o A CAM / CAD program o The control of the machine selected for machining
  • the material-specific thermal diffusivity a in this case is 8 mm 2 / s
  • the tool is an end mill.
  • v c 223 m / min
  • the machine setting data results in a processing in the area III.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Zerspanung eines Werkstoffs mit einem gesteuerten/geregelten Werkzeug mit einer Schneide, insbesondere durch Fräsen, bei dem unter Zugrundelegung der Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs, der Spanungsdicke, der Geometrie der Schneide, sowie der Standzeit des Werkzeugs und von Verschleißdaten, die das Verschleißverhalten des Werkzeugs charakterisieren, mittels einer programmierbaren Steuerungseinrichtung eine Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme der Peclet Zahl laufend berechnet und zur Steuerung/Regelung des Werkzeugs verwendet werden.

Description

Verfahren für die Zerspanung eines Werkstoffs und nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtungen
Beschreibung
Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Zerspanung duktiler Werkstoffe mit geometrisch definierter Schneide, insbesondere durch Fräsen. Weiterhin betrifft die Erfindung nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtungen.
Duktile Werkstoffe werden beispielsweise durch Drehen, Bohren und Fräsen zerspanend bearbeitet.
Stand der Technik
Die Steuerung solcher Prozesse beruht zurzeit noch weitgehend auf den empirischen Vorgaben, die das Bedienpersonal oder die Arbeitsvorbereitung aus den
Schnittdatenempfehlungen der Werkzeughersteller entnimmt. Schnittdaten, welche qualitativ und wirtschaftlich akzeptable Bearbeitungsergebnisse liefern, werden bisher empirisch ermittelt. Der Einfluss einzelner Prozessparameter ist dabei nicht ohne weiteres erkennbar.
Ursprünglich verfuhr man bei der Bestimmung solcher Daten wie folgt:
Das Werkzeug wurde in einer Dreh- oder Fräsmaschine bei verschiedenen
Schnittgeschwindigkeiten und Schnitttiefen eingesetzt. Beobachtungen des
Schnittvorgangs, sowie die visuelle Beurteilung der entstehenden Späne ermöglichten es, die Schnittbedingungen zu beschreiben, unter denen ein Werkzeug die beste Leistung erzielt, um den Verschleiß des Werkzeuges vorauszusagen. Die Ergebnisse solcher Zerspanungsstudien liefern empirisch erhobene Daten, die in Tabellenwerken zusammengefasst werden und nach denen die Dreh- bzw.
Fräsmaschinen üblicherweise eingestellt werden. Diese Art der Schnittdatenermittlung bedarf einer hohen Erfahrung des Bedieners der Maschine.
Jüngere Methoden versuchen den Spanfluss mit mathematischen Modellen zu simulieren, um damit den realen Bedingungen während der Zerspanung in objektiverer Art näher zu kommen und um damit die optimalen Maschineneinstelldaten vorab zu bestimmen. Aus dem Stand der Technik sind zudem Verfahren bekannt, welche auf der Entwicklung von Zerspanungswerkzeugen beruhen. Beispielhaft sei hier die EP 592 541 A1 genannt. Hier wird versucht, mit Hilfe der Methode der künstlichen Intelligenz den Spanbildungsprozess mathematisch zu erfassen. Das Modell berücksichtigt jedoch nicht den Werkzeugverschleiß. Der Einsatz im Hinblick auf die Berechnung
wirtschaftlicher Schnittdaten ist deshalb nur eingeschränkt möglich.
Als Folge werden seit geraumer Zeit mathematische Modelle von
Metallschneidevorgängen entwickelt, um den Scherwinkel, die entstehende Spandicke und Kräfte vorherzusagen, die auf die Schneide einwirken. Die meisten dieser Modelle umfassen ein elastoplastisches Werkstoffmodell, wobei jedoch im Allgemeinen der Einfluss temperaturbedingter Diffusion nicht berücksichtigt ist. Damit werden aber die Reibung entlang der Werkzeug/Span-Grenzfläche, sowie die temperatur- und
geschwindigkeitsabhängigen Eigenschaften des zu zerspanenden Werkstoffs, und die Mechanik der Spanabhebung vom Werkstück nur unvollständig wiedergegeben.
Außerdem fehlt auch hier die Verbindung mit dem Werkzeugverschleiß.
Als eine weitere Methode ist das Finite-Elemente-Modell für den Schneidevorgang nach Strenkowski/Carroll und nach Usui bekannt geworden. Die Simulationen mit diesen Modellen sind jedoch nur für sehr geringe Schnittgeschwindigkeiten anwendbar.
In der Folge wurde von Iwatas ein Modell zur Bruchvoraussage des Spans vom
Werkstück auf der Grundlage der Bruchdehnung der betrachteten Stahlsorte entwickelt.
Um ein Werkstoffmodell zu gestalten, bei dem der thermoelastoplastische Einfluss durch Reibung an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Span Berücksichtigung findet, haben Strenkowski und Mitchum ein Werkstoffmodell entwickelt, bei dem thermoelastopolastische Einflussgrößen, die durch die Reibung an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Span entstehen, mit berücksichtigt werden. Für die
Abtrennung des Spans vom Werkstück wurde ein Trennlinienkriterium eingeführt und ein kritisches Belastungsmaß implementiert. Auch hier fehlt die Koppelung der
Schnittdaten mit dem Werkzeugverschleiß.
Technische Aufgabenstellung
Dem Stand der Technik fehlt damit nach wie vor eine allumfassende rechnerische Beschreibung der physikalischen Erscheinungen bei Schnittvorgängen. Somit gelingt es derzeit nicht, wirtschaftliche Schnittdaten in Abhängigkeit von beliebigen möglichen Einsatzbedingungen eines Werkzeugs rein rechnerisch zu ermitteln. Die alleinige Methode bleibt bislang die experimentelle Bestimmung wirtschaftlicher Schnittdaten, wobei der Wert für die entsprechende Schnittgeschwindigkeit eines Werkzeugs abhängt von
• der Spanungsdicke,
• der Spanungsbreite,
• dem Werkstückwerkstoff und
• der Standzeit.
Eine Nutzung des Werkzeugs für ein Spektrum von Werkstückwerkstoffen unter diversen Eingriffsverhältnissen ergibt ein umfangreiches Tabellenwerk.
Bei der Programmierung der Bearbeitung eines Werkstücks mit unterschiedlichen Eingriffsverhältnissen muss daher für jeden Einzelschritt der Bearbeitung, welche mit diesem Werkzeug ausgeführt wird, die entsprechende Schnittgeschwindigkeit dem Tabellenwerk entnommen und dem Bearbeitungsschritt zugeordnet werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Zerspanung duktiler Werkstoffe mit geometrisch definierter
Schneide zur Verfügung zu stellen, das einen geringeren Aufwand für die Ermittlung und die Anwendung qualitativ und wirtschaftlich akzeptabler Schnittdaten in der Praxis ermöglicht.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung und eine Methode für deren Betreib anzugeben, die einfach einzustellen und zu bedienen ist, und die eine Nachrüstung bestehender Anlagen ermöglicht.
Die Aufgabe besteht auch darin, Werkzeugherstellern eine Methode an die Hand zu geben, bei der die Verschleißdaten seiner Werkzeuge hinterlegt sind und damit die Optimierung des Einsatzes dieser Werkzeuge beim Anwender für beliebige Einsatzfälle kostengünstig und ohne Beratung und Vorversuche durchführbar sind.
Kurzdarstellung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den
technischen Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Verfahrensansprüche.
Der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgaben liegen dabei folgende Überlegungen zugrunde, wobei die Materialabnahme nachfolgend mit dem Begriff„Spanfluss" bezeichnet wird:
Das Abschälen des Spans von einem Werkstück ist ein nicht-linearer physikalischer Vorgang. Dabei bilden sich automatisch neue Oberflächen und es treten große, mit der Spanbildung zusammenhängende Verformungen auf, die zur Erzeugung von Wärme führen. Quellen dieser Wärmebildung sind der Gleitkontakt entlang der
Werkzeugoberfläche und die permanente Verformung von Werkstück und Span.
Um das abzuspanende Material umzuformen und über die Spanfläche abzuschieben, ist mechanische Arbeit erforderlich, die durch die Schnittkraft geleistet wird. Dabei wird die mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Rechnet man die geleistete Arbeit entsprechend um, so ergibt sich pro Volumeneinheit abgespantem Material eine bestimmte Wärmemenge, deren Wert in etwa dem der Schmelzwärme entspricht. Da die Spanbildung aber im Bereich von Millisekunden liegt, reicht die lokale Einwirkungsdauer des Werkzeugs nicht aus, um das abgespante Material tatsächlich zu schmelzen. Es bildet sich jedoch ein Temperaturfeld aus, welches die physikalischen Eigenschaften des Werkstückwerkstoffs in der Umformzone verändert.
Das Temperatur- und das Spanungsfeld stehen dabei in Wechselwirkung, zusätzlich beeinflusst von Diffusionsvorgängen. Die Spanbildung ist damit ein hoch dynamischer Vorgang, welcher nicht nur nach den Gesetzen der Festigkeitslehre und auch nicht nur nach den Gesetzen der Plastizitätstheorie zu beschreiben ist.
Die Arbeit, die bei der Materialabnahme verrichtet wird, führt unmittelbar zur Erzeugung von Wärme. Die erhöhte Temperatur beeinflusst dabei sowohl die
Materialeigenschaften des Werkstücks als auch jene des Werkzeugs. Jener
Wärmeanteil, der durch die Verformung des Spans entsteht, verbleibt in diesem, ebenso ein Anteil jener Wärme, die durch das Ablösen des Spans vom Werkstück entsteht. Schließlich verbleibt auch ein Gutteil der Reibungswärme im Span. Diese Wärmemengen werden über den entstehenden Span und den Spanfluss
abtransportiert.
Der Einfluss der Temperatur auf die Spanbildung ist dabei in der Kontaktzone zwischen Spanunterseite und Spanfläche des Werkzeugs am größten, da hier die
Reibungswärme zusätzlich zu jener Wärme entsteht, die die Umformarbeit liefert. Dabei beeinflusst die Temperatur an der Unterseite des Spans die Schubfestigkeit in diesem Bereich, wobei diese Schubfestigkeit mitentscheidend ist für die Leistung, die zum Ausschieben des Spans über die Spanfläche aufzubringen ist.
Mit Hilfe der Ähnlichkeitsmechanik sowie der Leistungsbilanz der Spanbildung lässt sich für duktile Werkstoffe ein Modell für die Wärmeentstehung und den Wärmefluss aufstellen, aus dem hervor geht, dass der Wärmefluss über das Werkzeug in der Praxis vernachlässigbar ist.
In der Ähnlichkeitsmechanik wird der Wärme- und der Stoffaustausch zwischen zwei gegeneinander bewegte Körper durch die Peclet Zahl Pe beschrieben. Die Peclet Zahl Pe ist eine dimensionslose Kennzahl. Die Peclet Zahl wird gebildet aus dem Verhältnis der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Körpern und der
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Temperaturfeldes orthogonal zur Gleitfläche.
Die Spanbildung erfolgt mit der Schnittgeschwindigkeit vc und der Spanungsdicke h.. Die Dicke des entstehenden Spans hspan ist um den Stauchungsfaktor λ größer als die Spanungsdicke h. Die Spandicke ergibt sich somit aus dem Produkt h*A. Der Span wird wegen der Spanstauchung mit einem gegenüber der Schnittgeschwindigkeit verringerten Wert über die Spanfläche ausgeschoben. Damit beträgt die
Relativgeschwindigkeit zwischen Span und Spanfläche vc/A.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Temperaturfeldes hängt ab von der
Temperaturleitzahl des Körpers a dividiert durch den Abstand von der Gleitfläche. Dieser Abstand entspricht im vorliegenden Fall der Spandicke hspan.
Für die Peclet Zahl Pe erhält man
a a
h * Ä
Das Produkt vc * h wird als Zeitspanvolumen bezeichnet und ist ein Maß für das zeitlich pro mm Spanbreite abgespante Volumen.
Erfolgen zwei Zerspanungsvorgänge mit gleicher Peclet Zahl, so ist die Temperatur im Kontaktbereich zwischen Spanunterseite und Spanfläche gleich.
Die auf 1 mm Spanbreite bezogene Ausschubkraft hängt bei Stählen mit
Fließspanbildung von der Temperatur ab. Für unlegierte und legierte Stähle lässt sich die Abhängigkeit der Ausschubkraft von der Peclet Zahl wie in Fig. 1 gezeigt in einer Kurve darstellen. Im Diagramm von Fig. 1 sind auf der Ordinate die Ausschubkraft und auf der Abszisse die Peclet-Zahl aufgetragen. Die Grenzen dieser Bereiche sind durch Werte der Peclet Zahl Pei-n und Pen-m markiert, welche für alle Werkstoffe mit Fließspanbildung etwa gleich groß sind, und die bei 6 bis 8 beziehungsweise bei 12 bis 14 liegen.
Die Spanbarkeit duktiler Werkstoffe lässt sich damit durch die Temperaturleitfähigkeit des zu bearbeitenden Werkstoffs im zugehörigen Temperaturbereich charakterisieren. Daraus folgt, je schneller der Span die entstehende Wärme aufnimmt, desto höher kann das Zeitspanvolumen gewählt werden.
Die Darstellung in Fig. 1 weist drei Bereiche I, II und III auf. In den drei Bereichen unterscheiden sich die Kontaktbedingungen zwischen Spanunterseite und Spanfläche.
Im Bereich I liegt die Temperatur niedriger als in den Bereichen II und III. Für übliche Normstähle liegt die Temperatur im Bereich I unter 721 °C. Die Temperatur reicht nicht aus, die Spanunterseite zu erweichen. Der Kontakt besteht in diesem Bereich lediglich aus der Berührung der vorstehenden mikroskopischen Unebenheiten von
Spanunterseite und Spanfläche. Beim Ausschieben des Spans werden die Kuppen der Spanunterseite abgeschert und in den Mulden der Spanunterseite abtransportiert.
Im Bereich II wird die Spanunterseite soweit erwärmt, dass sich die Unebenheiten der beiden Kontaktflächen stärker durchdringen. Das Volumen der beim Ausschieben des Spans abgescherten Kuppen steigt an. Dadurch bleibt ein Teil des abgescherten Materials in den Mulden der Spanfläche hängen, wobei es dazu neigt anzuschweißen. Wird die Aufschweißung zu hoch, löst sich der Belag wieder. Dieser Vorgang läuft periodisch ab und führt zu unkontrollierten Abtragsbedingungen.
Im Bereich III ist die Temperatur soweit gestiegen, dass sich die Spanunterseite durch das Erweichen an die Unebenheiten der Spanfläche anpasst und damit keine
Rückstände auf der Spanfläche hinterlässt.
Die Werkzeugstähle sind im Bereich über 721 °C aus Gründen der Verschleißresistenz nicht einsetzbar. Können daher nur im Bereich I wirtschaftlich eingesetzt werden. Die harten Schneidstoffe lassen sich dagegen bei Temperaturen einsetzen, welche die Bearbeitung im Bereich III ermöglichen. Diese Schneidstoffe sind unterausgenützt, solange sie im Bereich I eingesetzt werden. Wegen der unkontrollierten
Bearbeitungsbedingungen, welche zudem einen erhöhten Verschleiß verursachen, muss die Bearbeitung im Bereich II generell gemieden werden.
Die Temperatur im Bereich der Spanfläche des Werkzeugs bestimmt auch die Standzeit des Werkzeugs. Für Kurven konstanter Standzeit T ergibt sich dabei für den Bereich III die in Fig. 2 dargestellte Abhängigkeit:
In diesem Diagramm ist die Peclet-Zahl gegen die Spanungsdicke logarithmisch aufgetragen. Für eine vorgegebene konstante Standzeit des Werkzeugs zeigt sich im logarithmischen Diagramm eine lineare Abhängigkeit zwischen Peclet-Zahl und
Spanungsdicke. Die Gerade für eine Standzeit des Werkzeugs von 15 Minuten ist durch Standzeitversuche zu ermitteln.
Pe 15
Sie ist durch die zwei Verschleißkennwerte C15 und x festgelegt.
Die beiden Werte sind ausschließlich werkzeugspezifisch und gelten unverändert bei der Zerspanung duktiler Werkstoffe.
Für Werte der Standzeit T, welche von 15 Minuten abweichen, gilt allgemein
Die Verschleißkonstanten liefern zu einer vorgegebenen Spanungsdicke die Peclet Zahl, welche die Standzeit T ergibt.
Gegenüber dem Drehen und Bohren erfolgt der Spaneingriff beim Fräsen
intermittierend. Dabei wird von jeder Schneide bei jeder Umdrehung des Werkzeugs ein Kommaspan abgehoben. Die Peclet Zahl ist damit während des Bearbeitungsvorgangs auch bei zeitlich gleichbleibenden Eingriffsbedingungen des Werkzeugs in das
Werkstück wegen der zeitlichen Veränderung der Spanungsdicke veränderlich. Aus dem seitlichen Eingriff des Werkzeugs in das Werkstück lässt sich die Spanungsdicke h berechnen, welche den Verschleiß des Werkzeugs bestimmt. Dies ist die größte Dicke des Kommaspans hmax, welche im Falle des Vollschnittes eines Fräsers dem Vorschub / Zahn sz entspricht.
DF * π * vf
z = —
vc * z
DF = Fräserdurchmesser
vf = Vorschubgeschwindigkeit
vc = Schnittgeschwindigkeit
z = Zähnezahl
Die Schnittgeschwindigkeit ist die relative Geschwindigkeit zwischen
Werkzeugschneide und Werkstück. Der Vorschub ist die Bewegung des Werkzeugs in Beziehung zum Werkstück.
Aus der Grafik 2 lässt sich für diese Spanungsdicke sz, sowie für die gewünschte Standzeit T die zugehörige Peclet Zahl Pebearb ablesen. Die Gleichung für die Peclet Zahl liefert nach Umstellung den Wert für die Schnittgeschwindigkeit vc bearb
Die Darstellung in Fig 2 lässt erkennen, dass der Wert für die Peclet Zahl umso größer ist je größer die maximale Spanungsdicke für einen bestimmten Bearbeitungsfall bei vorgegebener Standzeit gewählt wird. Da die Abtragsleistung proportional ist zum Wert der Peclet Zahl, hebt das Verfahren darauf ab, die Spanungsdicke möglichst groß zu wählen.
Die Spanungsdicke steht für die Belastung der Schneide. Hierfür wird vom
Werkzeughersteller ein Grenzwert szmax empfohlen. Mit dem Wert sz bearb ^ sz max lässt sich dann die Schnittgeschwindigkeit vCbearb berechnen. Die Vorschubgeschwindigkeit vf bearb erhält man mit den zuvor gewählten bzw.
ermittelten Werten zu. s z bearb * V c bearb * z
Damit liegen alle Daten für die Maschineneinstellung vor.
Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt damit bei der Bearbeitung duktiler Werkstoffe gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise nach dem Stand der Technik folgende Vorteile:
• Die Verschleißdaten eines Werkzeugs lassen sich mit wenigen Stichversuchen ermitteln und sind gleich für die Bearbeitung unterschiedlicher duktiler Werkstoffe
• Die Festlegung wirtschaftlicher Schnittdaten erfolgt rein rechnerisch auf Basis der Vorgaben
- Verschleißdaten des Werkzeugs
- Thermischen Kennwerte zum Werkstückwerkstoff
- Seitliche Zustellung des Werkzeugs
- Standzeit
• Die Programmierung von Bearbeitungsprogrammen wird erleichtert und verallgemeinert
- Programmiert werden ausschließlich Eingriffsbedingungen für jedes eingesetzte Werkzeug - Die Schnittgeschwindigkeiten werden während des Fräsvorgangs laufend berechnet
- Das Bearbeitungsprogramm ist für die Bearbeitung des gleichen Werkstücks aus unterschiedlichen duktilen Werkstoffen ohne Änderung einsetzbar.
• Bearbeitungen mit wechselnden Eingriffsbedingungen während eines
Bearbeitungsschrittes lassen sich im Hinblick auf konstante Standmengen regeln. vorliegende Erfindung manifestiert sich beispielsweise in
• einem Verfahren für die Zerspanung duktiler Werkstoffe mit geometrisch
definierter Schneide, insbesondere durch Fräsen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
- für den zu bearbeitenden Werkstückwerkstoff wird der Wert der
Temperaturleitfähigkeit ermittelt,
- ein für die Bearbeitung dieses Werkstückwerkstoffs geeignetes Werkzeug wird gewählt
- die Verschleißdaten für dieses Werkzeug werden durch Stichversuche ermittelt
- die Eingriffsbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück werden festgelegt
- die gewünschte Standzeit des Werkzeugs wird gewählt und
- auf Basis dieser Vorgaben wird mittels einer programmierbaren
Steuerungseinrichtung die optimale Schnittgeschwindigkeit und die optimale Vorschubgeschwindigkeit laufend aus den sich während der Zerspanung ändernden Eingriffsbedingungen berechnet und an die Steuerung einer Bearbeitungsvorrichtung weiter gegeben, oder
• einer Vorrichtung für die Zerspanung duktiler Werkstoffe mit geometrisch
definierter Schneide mit einer programmierbaren Steuerungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die programmierbare Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, folgende Werte als Eingabegrößen zu erfassen:
- den Wert der Temperaturleitfähigkeit des zu bearbeitenden
Werkstückwerkstoffs,
- die Verschleißdaten des gewählten Werkzeugs
- die Eingriffsbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück
- die gewünschte Standzeit des Werkzeugs und dass die Steuerungseinrichtung weiters dazu ausgebildet ist, auf Basis dieser Werte laufend die optimale Schnittgeschwindigkeit und die optimale Vorschubgeschwindigkeit zu berechnen und an eine Regeleinrichtung der Vorrichtung zu übertragen, oder
• einer Programmlogik für die Steuerung einer Zerspanungsvorrichtung für duktile Werkstoffe mit geometrisch definierter Schneide, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der Basis
- der Temperaturleitfähigkeit eines zu bearbeitenden Werkstückwerkstoffs,
- der Charakteristik eines für die Bearbeitung dieses Werkstückwerkstoffs ausgewählten Werkzeugs,
- den Verschleißdaten dieses Werkzeugs, - den anfangs vorgegebenen und sich im Verlauf der Bearbeitung ständig ändernden Eingriffsbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück
- und der gewünschten Standzeit des Werkzeugs die optimale Schnittgeschwindigkeit und die optimale Vorschubgeschwindigkeit laufend berechnet und an die Steuerung der Zerspanungsvorrichtung weiter gibt, oder.
• einer Programmlogik für die Regelung einer Zerspanungsvorrichtung für duktile Werkstoffe mit geometrisch definierter Schneide, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf der Basis
- der Temperaturleitfähigkeit eines zu bearbeitenden Werkstückwerkstoffs,
- der Charakteristik eines für die Bearbeitung dieses Werkstückwerkstoffs ausgewählten Werkzeugs,
- den Verschleißdaten dieses Werkzeugs,
- den anfangs vorgegebenen und sich im Verlauf der Bearbeitung ständig ändernden Eingriffsbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück
- und der gewünschten Standzeit des Werkzeugs die optimale
Schnittgeschwindigkeit und die optimale Vorschubgeschwindigkeit laufend berechnet und an die Steuerung der Zerspanungsvorrichtung weiter gibt.
Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In einem Werkstück aus Edelstahl (X5CrNi18-10) wird mittels eines Fräsers eine V-Nut mit einer Breite von 20 mm erzeugt.
Zur Vorbereitung bzw. Durchführung der Fräsung wird eine computergesteuerte
Vorrichtung eingesetzt. Diese besteht aus • einer Software zur Berechnung der Schnitt- und der Vorschubgeschwindigkeit
• einer Schnittstelle zu einer Verarbeitungseinheit zur Übergabe und
Weiterverarbeitung der beiden berechneten Werte.
Die Software generiert in einem Rechner eine Bedienoberfläche, über die folgende Werte vorgegeben werden.
• Werkstück o Temperaturleitfähigkeit
• Werkzeug o Fräserdurchmesser o Schneidenanzahl o Maximale Spanungsdicke o Standzeit o Verschleißkennzahlen
• Eingriffsverhältnisse des Werkzeugs in das Werkstück o Seitliche Zustellung und berechnet mit Hilfe der oben angegebenen Formeln o die Schnittgeschwindigkeit o die Vorschubgeschwindigkeit
Dabei wird rechnerisch überpüft, ob die gewählten Vorgaben eine Bearbeitung ergeben, deren Peclet Zahl oberhalb des kritischen Wertes von 15 liegt, und damit eine
wirtschaftlich vertretbare Bearbeitung liefert.
Die Verarbeitungseinheit kann sein o Eine reine Ausgabeeinheit zur Visualisierung der berechneten Ergebnisse o Ein CAM / CAD Programm o Die Steuerung der für die Bearbeitung ausgewählten Maschine
Vorrichtung wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt, im Folgenden an einem Beispiel näher erläutert wird.
• Die werkstoffspezifische Temperaturleitfähigkeit a beträgt in diesem Fall 8 mm2/s
• Bei dem Werkzeug handelt es sich um einen Schaftfräser.
DF = 20 mm
z = 6
Szmax = 0,24 mm
• Seine Standzeit wird auf 240 Minuten vorgeben.
• Die Verschleißkennzahlen betragen
C = 550 x = 0,65
• Aus den damit vorliegenden Werten wird vc nach obiger Gleichung berechnet: vc = 223 m/ min
• Unter Zugrundelegung dieser Angaben erhält man die erforderliche
Vorschubgeschwindigkeit vf:
vf = 5.125 mm/min Mit den berechneten Werten wird die Peclet Zahl berechnet Pe = 1 1 1 ,5
Damit ergeben die Maschineneinstelldaten eine Bearbeitung im Bereich III.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren für die Zerspanung eines Werkstoffs mit einem gesteuerten/geregelten Werkzeug, insbesondere durch Fräsen, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zugrundelegung der Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs, der Spanungsdicke, sowie der Standzeit des Werkzeugs und von Verschleißdaten, die das
Verschleißverhalten des Werkzeugs charakterisieren, mittels einer
programmierbaren Steuerungseinrichtung eine Schnitt- und
Vorschubgeschwindigkeit unter Zuhilfenahme der Peclet Zahl laufend berechnet und zur Steuerung/Regelung des Werkzeugs verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine Schneide aufweist, und dass auch die Geometrie der Schneide der Berechnung der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit zugrunde gelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verschleißdaten für das gewählte Werkzeug durch 2 bis 7, vorzugsweise 2 bis 5, Stichversuche ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten des Werkzeugs auf ein konstantes Zeitspanvolumen geregelt wird.
5. Vorrichtung für die Zerspanung eines Werkstoffs mit einem gesteuerten/geregelten
Werkzeug, aufweisend eine programmierbare Steuerungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die programmierbare Steuerungseinrichtung dazu
ausgebildet ist, folgende Werte als Eingabegrößen zu erfassen:
- die Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffs,
- Verschleißdaten, die das Verschleißverhalten des Werkzeugs
charakterisieren, - die Spanungsdicke, und
- die Standzeit des Werkzeugs und dass die Steuerungseinrichtung weiters dazu ausgebildet ist, auf Basis dieser Werte mit Hilfe der Peclet Zahl laufend Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit zu berechnen und die berechneten Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten an eine Steuereinrichtung der Vorrichtung zur Steuerung des Werkzeuges zu übertragen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabegrößen außerdem den geometrischen Aufbau des Werkzeugs umfassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Eingabegrößen außerdem die seitliche Eingriffsbreite umfassen.
8. Verfahren zur Verarbeitung von Daten, die für die Steuerung/Regelung einer
Vorrichtung zur Zerspanung eines Werkstoffes mit einem gesteuerten Werkzeug relevant sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einer
Datenverarbeitungseinrichtung abgelegtes Programmmittel auf Basis der
Temperaturleitfähigkeit des Werkstoffes, der Spanungsdicke, der Standzeit des Werkzeugs und von Verschleißdaten, die das Verschleißverhalten des Werkzeugs charakterisieren, eine Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs laufend berechnet und die berechneten Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten an eine Steuerungseinheit der Zerspanungsvorrichtung ausgibt, wobei die berechneten Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten zur Steuerung/Regelung des Werkzeugs verwendet werden.
EP13706486.1A 2012-02-24 2013-02-21 Verfahren für die zerspanung eines werkstoffs und nach diesem verfahren arbeitende vorrichtungen Withdrawn EP2817686A1 (de)

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