WO2008055489A2 - Vorrichtung zur spanenden bearbeitung eines werkstücks - Google Patents

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WO2008055489A2
WO2008055489A2 PCT/DE2007/002016 DE2007002016W WO2008055489A2 WO 2008055489 A2 WO2008055489 A2 WO 2008055489A2 DE 2007002016 W DE2007002016 W DE 2007002016W WO 2008055489 A2 WO2008055489 A2 WO 2008055489A2
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action
rolling
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Friedrich-Wilhelm Bach
Berend Denkena
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
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    • B23B2200/208—Top or side views of the cutting edge with wiper, i.e. an auxiliary cutting edge to improve surface finish
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2270/00—Details of turning, boring or drilling machines, processes or tools not otherwise provided for
    • B23B2270/26—Burnishing

Definitions

  • the invention relates to a device for machining a workpiece, in particular a metallic workpiece, in a direction of action, with a cutting edge and / or a receptacle for a cutter having a cutting element.
  • the invention relates to a machining method.
  • Cutting tools for manufacturing by cutting with a geometrically defined cutting edge such as milling cutters, turning tools, broaching and impact tools are known.
  • Such devices serve to remove chips from a workpiece in the course of a manufacturing process and thus lend it a geometrically determined shape.
  • the workpiece When machining workpieces with the aid of such cutting tools, the workpiece is influenced in its edge zone.
  • the edge zone extends from a surface of the workpiece into its interior and ends where no influence of the processing can be detected.
  • the edge zone ends in particular 300 microns below the surface. This influence on the edge zone depends on the processing parameters, such as the cutting speed, the feed, the depth of cut and the like.
  • the changes in the edge zone influence the properties of the finished component. It is known, for example, that pronounced residual compressive stresses in the edge zone can significantly increase the tensile-to-tensile strength of the workpiece.
  • the invention has for its object to reduce disadvantages in the prior art.
  • the invention solves the problem by a generic device which has a respect to the direction of action behind the cutting edge arranged active element for acting on a surface of the workpiece. According to a second aspect, the invention solves the problem by a machining method having the features of claim 13.
  • An advantage of the invention is that an action on the surface of the workpiece immediately after the production of the new surface of the workpiece by the cutting edge is possible.
  • machining parameters are selected for machining with the cutting edge, which influence the edge zone of the workpiece in an undesired manner, these unwanted changes in the edge zone can be reduced, compensated or even overcompensated by acting on the active element.
  • the edge zone of the workpiece is in a plasticized state immediately after machining.
  • the plasticized state is due to high temperatures that occur at the cutting edge during machining.
  • the active element arranged in the direction of action behind the cutting edge can therefore act on the edge zone of the workpiece in a state which is present only for a very short time. This advantageously opens up the possibility of particularly positively influencing the properties of the edge zone by exploiting the thermal and mechanical interactions of chip removal and of action. This allows workpieces with improved resistance to dynamic loads to be manufactured.
  • Another advantage is that smoother surfaces of the workpiece can be achieved by the invention.
  • a device according to the invention makes it possible to machine the workpiece and to selectively alter the properties of the edge zone in a single operation by introducing normal forces, thrust forces and / or frictional forces. This leads to a simpler production and avoids an otherwise necessary tool change and the associated set-up times and costs.
  • a cutting edge is understood to mean, in particular, a cutting edge with a geometrically determined shape according to DIN 8589 part 0.
  • a receptacle for a cutting element having a cutting element is understood in particular to mean all devices which serve to receive a cutting insert, an indexable insert or other components designed as wearing parts on which a cutting edge is formed.
  • the direction of action is understood in particular to mean the direction of action defined according to DIN 8589.
  • the active element is arranged behind the cutting edge with regard to effective direction, it is to be understood that a position of the workpiece is always influenced first by the cutting edge and then by the active element.
  • An active element is to be understood as a device by means of which properties of the workpiece, in particular of the edge zone of the workpiece, can be changed by acting on the surface of the workpiece.
  • properties are in particular the texture, the Vickers hardness (according to DIN EN ISO 6507), the fracture toughness, the strength, the ductility, the density, the eigenstate state, the dislocation density, the mean grain size and the geometric shape of the surface.
  • the geometric shape of the surface is characterized, for example, by variables such as the roughness depth or the center rough value.
  • Under the active element are in particular rolling elements, nozzles for liquids or gases and exit openings for laser beams, other matter beams or electromagnetic rays to understand.
  • the active element is preferably formed for plastic deformation and / or solidification of the edge zone of the workpiece by acting on the surface of the workpiece.
  • the active element is preferably arranged behind the cutting edge and designed for direct action on a workpiece surface produced by the cutting edge.
  • the distance in the effective direction between the cutting edge and the active element is less than 10 cm, in particular less than 3 cm. It is also advantageous if there is an open space between the cutting edge and the active element or if the active element is arranged on the free surface.
  • the active element is arranged such that a surface of the workpiece which has been swept by the cutting edge during machining is subsequently completely swept over by the active element at least once.
  • the number of scans with which the active element subsequently passes over a surface swept by the cutting edge defines the degree of coverage.
  • the degree of overlap is preferably greater than 1. The advantage of this is that the edge zone of the workpiece can be influenced in a particularly sustainable manner. In addition, the degree of overlap is preferably less than 6, which leads to faster processing.
  • the operative element has a projection for applying a force having a normal force component to the surfaces of the workpiece.
  • the active element is formed by the projection.
  • a force acting on the surface of the workpiece in the normal direction can be applied during the machining process, which leads to a change in the state of inherent stress in the edge zone. It is advantageously possible to reduce residual stresses in the edge zone below the surface of the workpiece or to generate residual compressive stresses in the edge zone.
  • the active element comprises one, two, three or more rotationally symmetrical rolling elements.
  • the rolling body or bodies are particularly preferably rotatably mounted in the direction of action. This makes it possible to exert a preset force on the surface of the workpiece, which acts substantially completely in the normal direction on the surface. With the help of such a device, the residual stresses of the edge zone of the workpiece can be particularly effective low influence.
  • the rolling body or the rolling elements are hydrodynamically supported.
  • Such storage has a particularly low slip and is also suitable for use at high speeds.
  • the device has a base body on which the rolling body or is mounted or are.
  • the device comprises means for regulating or controlling the pressure of the fluid and / or the position of the rolling body relative to the main body. As a result, its intensity and thus changes in the peripheral zone can be controlled.
  • the main body has a fluid feed for supplying a fluid for supporting the rolling body.
  • the device also comprises a braking device for braking the rolling body.
  • a braking device has, for example, a brake body which can be pressed against the rolling body.
  • the braking device comprises means for varying the pressure of the fluid with which the rolling body is mounted.
  • the rolling body is a rolling ball.
  • An advantage of a rolling ball is that when it is stored hydrodynamically, it is rotatable in all spatial directions and can exert a particularly high pressure on the surface of the workpiece.
  • rollers or conical sections may be provided as rolling elements.
  • the device is designed as a milling tool or turning tool. If it is a milling tool, the rolling bodies are preferably arranged on the end face and / or on the circumference of the milling tool.
  • An advantage of this is that prismatic components can also be machined. It is then a flat, homogeneous action, in particular solidification, the edge zone of the workpiece achievable. As a result, the strength of the machined workpieces can be increased.
  • the device comprises a fluid supply for supplying fluid between the cutting edge and the active element.
  • a fluid supply for supplying fluid between the cutting edge and the active element. This makes it possible to supply fluid and thus to cool the edge zone of the workpiece before the active element acts on the surface of the workpiece.
  • Such a fluid supply also makes it possible to supply a lubricant in order to influence, for example reduce, the friction between the active element and the workpiece.
  • a "simultaneous" carrying out of the two steps is given in particular if both steps are carried out with the same tool.
  • the time interval between the stock removal and the action is preferably less than one second, in particular less than 0.1 seconds.
  • the method is performed in such a time lent and / or spatial proximity to Abspanen that the
  • the action is preferably exerting a force with a normal component on the surface.
  • the action is realized for example by the pressing of rolling elements or by a high-pressure liquid jet.
  • FIG. 1 shows a device for machining a workpiece according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for machining a workpiece in the form of a cutting tool 10, which is in engagement with a schematically drawn workpiece 12.
  • the workpiece 12 moves relative to the cutting tool 10 at an effective speed, which is indicated by an arrow 14.
  • the cutting tool 10 comprises on its front side in the direction of action a cutting edge 16 for penetration into the workpiece 12, so that a chip 18 is lifted off.
  • a projection 24 is arranged, which is designed to act on a surface 26 of the workpiece 12.
  • the surface 26 has been newly created by the action of the blades 16.
  • the projection 24 is formed and arranged so that the newly created during the machining surface 26 is exactly once again swept by the projection 24.
  • the degree of coverage is therefore equal to 1.
  • the projection 24 is formed on the cutting tool 10 so that, in use, it applies a force F to the surface 26 of the workpiece 12 having a strong normal component FN. Due to the friction of the projection 24 on the surface 26, the projection 24 also applies a frictional force component F R to the surface 26, which is less than two thirds of the normal force component FN. By applying the force F, an edge zone 27 of the workpiece 12 is influenced, so that their properties change.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a cutting tool 10 according to the invention.
  • the active element is formed by a rolling body in the form of a rolling ball.
  • the rolling ball 28 is mounted hydrodynamically in a recess 30 in a base body 32 of the cutting tool 10.
  • a fluid supply 34 for supplying fluid, for example, from cooling lubricant, oil or water is formed. Through the fluid supply 34, fluid is guided into the recess 30, so that during operation of the cutting tool 10, a thin fluid layer between the rolling ball 28 and the recess 30 is formed, in which the rolling ball 28 is mounted.
  • a brake device 36 for braking the rolling ball 28 is provided in the main body 32.
  • the braking device 36 comprises a brake body 38, which is designed to be movable by means of a spring 40 on the rolling ball 38.
  • the brake body 38 be brought into contact with the rolling ball 28.
  • a frictional force FR can thus also be applied to the surface 26 of the workpiece 12.
  • the normal force FN and the frictional force FR add up to the force F in terms of the vector. If this frictional force FR exceeds the static friction between the radial ball 28 and the surface 26 of the workpiece 12, slippage occurs. That is, the speed of the circumference of the rolling ball 28 is less than the effective speed.
  • the brake body 38 is placed on the rolling ball 28 instead of by a spring 40 by the pressure of a fluid, wherein the
  • Fluid is passed through a not shown in Figure 2 channel to the rolling ball 28 side facing away from the brake body 38.
  • the fluid exerts an adjustable pressure on the brake body, so that the force can be adjusted, presses with the brake body 38 on the rolling ball. If desired, this can be acted differently on the edge zone 27 as a function of the position in the surface.
  • it is possible to introduce particularly pronounced residual compressive stresses into regions of the workpiece 12 that are subjected to high mechanical and / or dynamic loads. This is advantageous, for example, for workpieces for aircraft construction
  • Both the cutting tool 10 according to FIG. 1 and that according to FIG. 2 can be arranged in a milling, turning, planing, broaching, pushing or boring, countersinking, friction, sawing, filing, rasping tool.
  • the cutting edge 16 is not integrally connected to the base body 32, as in the embodiments of Figures 1 and 2, but arranged on a cutting element.
  • the cutting element is secured by means of a receptacle on the base body 32, for example by a clamping claw or a screw.
  • the cutting tool 10 is arranged relative to the workpiece 12 such that it picks up a chip 18 on the one hand and acts on the surface 26 of the workpiece 12 in the form of the rolling ball 28 or in the form of the projection 24 on the other hand. As a result of this action, the properties of the edge zone of the workpiece 12 change.
  • the effective speed is selected such that the edge zone of the workpiece is in a plastified state at the time of the action. In this state, particularly significant modifications to the properties of the edge zone can be carried out.
  • the active element is arranged relative to the workpiece 12 in such a way that its effect corresponds to a surface finish rolling. Depending on the application, the active element is arranged so that its effect corresponds to a smooth, washer- and hard rolling.
  • a method according to the invention can be referred to as a friction stir chip and a device according to the invention as a friction stir chip tool.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks (12), insbesondere eines metallischen Werkstücks (12), in einer Wirkrichtung (14) mit einer Schneide (16) und/oder einer Aufnahme für ein eine Schneide aufweisendes Schneidelement. Erfindungsgemäß wird ein in der Wirkrichtung (14) hinter der Schneide (16) angeordnetes Wirkelement (24, 28) zum Einwirken auf eine Oberfläche (26) des Werkstückes (12) vorgeschlagen. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Bearbeitungsverfahren.

Description

Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks, in einer Wirkrichtung, mit einer Schneide und/oder einer Aufnahme für ein eine Schneide aufweisendes Schneidelement. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Bearbeitungsverfahren.
Vorrichtungen zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken sind in einer gro- ßen Vielzahl bekannt. Bekannt sind beispielsweise Schneidwerkzeuge zum Fertigen durch spanendes Trennen mit geometrisch bestimmter Schneide, wie beispielsweise Fräser, Drehmeißel, Räum- und Stoßwerkzeuge. Derartige Vorrichtungen dienen dazu, im Rahmen eines Fertigungsverfahrens Späne von einem Werkstück abzutragen und ihm so eine geometrisch bestimmte Gestalt zu ver- leihen.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Hilfe derartiger Schneidwerkzeuge wird das Werkstück in seiner Randzone beeinflusst. Die Randzone erstreckt sich von einer Oberfläche des Werkstücks in dessen Inneres und endet dort, wo sich kein Einfluss der Bearbeitung mehr nachweisen lässt. Die Randzone endet insbesondere 300 μm unter der Oberfläche. Diese Beeinflussung der Randzone hängt von den Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise der Schnittgeschwindigkeit, dem Vorschub, der Schnitttiefe und Ähnlichem ab. Die Veränderungen in der Randzone beeinflussen die Eigenschaften des gefertigten Bau- teils. So ist bekannt, dass ausgeprägte Druckeigenspannungen in der Randzone die Zug-Druck-Wechselfestigkeit des Werkstücks deutlich erhöhen kann.
Um vorteilhafte Eigenschaften der Randzone des Werkstücks zu erhalten, müssen daher nachteiligerweise in der Regel Bearbeitungsparameter gewählt wer- den, die wirtschaftlich nicht optimal sind. Sind umgekehrt die Bearbeitungsparameter vorgegeben, so kommt es nachteiligerweise in der Regel zu uner- wünschten Einflüssen auf die Werkstückrandzone, die gegebenenfalls eine Nachbearbeitung notwendig machen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu verringern.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung, die ein bezüglich der Wirkrichtung hinter der Schneide angeordnetes Wirkelement zum Einwirken auf eine Oberfläche des Werkstücks aufweist. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Bearbeitungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 13.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass ein Einwirken auf die Oberfläche des Werkstücks unmittelbar nach dem Erzeugen der neuen Oberfläche des Werk- Stücks durch die Schneide möglich ist. Sofern also für die Bearbeitung mit der Schneide Bearbeitungsparameter gewählt sind, die die Randzone des Werkstücks auf eine unerwünschte Weise beeinflussen, so können diese nicht erwünschten Veränderungen in der Randzone durch ein Einwirken mit dem Wirkelement vermindert, kompensiert oder sogar überkompensiert werden.
Vorteilhaft ist zudem, dass die Randzone des Werkstücks unmittelbar nach der Bearbeitung in einem plastifizierten Zustand ist. Der plastifizierte Zustand rührt von hohen Temperaturen her, die an der Schneide bei der spanenden Bearbeitung entstehen. Das in der Wirkrichtung hinter der Schneide angeordnete Wirk- element kann daher auf die Randzone des Werkstücks in einem Zustand einwirken, der nur sehr kurzzeitig vorliegt. Das eröffnet vorteilhafterweise die Möglichkeit, die Eigenschaften der Randzone besonders nachhaltig positiv zu beeinflussen, indem die thermischen und mechanischen Wechselwirkungen des Abspanens und des Einwirkens ausgenutzt werden. So können Werkstücke mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber dynamischen Belastungen gefertigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Erfindung glattere Oberflächen des Werkstücks erreichbar sind. Vorteilhaft ist zudem, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Bearbeiten des Werkstücks und ein gezieltes Verändern der Eigenschaften der Randzone in einem einzigen Arbeitsgang durch Einbringen von Normal-, Schub- und/oder Reibkräften ermöglicht. Das führt zu einer einfacheren Fertigung und vermeidet einen ansonsten notwendigen Werkzeugwechsel und die damit verbundenen Rüstzeiten und -kosten.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Schneide insbe- sondere eine Schneide mit geometrisch bestimmter Gestalt nach DIN 8589 Teil 0 verstanden. Unter einer Aufnahme für ein eine Schneide aufweisendes Schneidelement werden insbesondere alle Vorrichtungen verstanden, die dazu dienen, eine Schneidplatte, eine Wendeschneidplatte oder sonstige als Verschleißteile ausgebildete Bauteile aufzunehmen, an denen eine Schneide aus- gebildet ist.
Unter der Wirkrichtung wird insbesondere die nach DIN 8589 definierte Wirkrichtung verstanden. Unter der Angabe, dass das Wirkelement bezüglich Wirkrichtung hinter der Schneide angeordnet ist, ist zu verstehen, dass eine Stelle des Werkstücks stets zuerst durch die Schneide und dann durch das Wirkelement beeinflusst wird.
Unter einem Wirkelement ist eine Vorrichtung zu verstehen, mit deren Hilfe Eigenschaften des Werkstücks, insbesondere der Randzone des Werkstücks, durch ein Einwirken auf die Oberfläche des Werkstücks verändert werden können. Derartige Eigenschaften sind insbesondere die Textur, die Vickershärte (nach DIN EN ISO 6507), die Risszähigkeit, die Festigkeit, die Duktilität, die Dichte, der Eigenstandszustand, die Versetzungsdichte, die mittlere Korngröße sowie die geometrische Gestalt der Oberfläche. Die geometrische Gestalt der Oberfläche wird beispielsweise durch Größen wie die Rautiefe oder den Mitten- rauwert charakterisiert. Unter dem Wirkelement sind insbesondere Walzkörper, Düsen für Flüssigkeiten oder Gase sowie Austrittsöffnungen für Laserstrahlen, andere Materiestrahlen oder elektromagnetische Strahlen zu verstehen. Das Wirkelement ist dabei bevorzugt zum plastischen Verformen und/oder ein Verfestigen der Randzone des Werkstücks durch ein Einwirken auf die Oberfläche des Werkstücks ausgebildet. Das Wirkelement ist dabei vorzugsweise hinter der Schneide angeordnet und zum unmittelbaren Einwirken auf eine von der Schneide erzeugte Werkstückoberfläche ausgebildet. Bevorzugt beträgt der Abstand in Wirkrichtung zwischen der Schneide und dem Wirkelement weniger als 10 cm, insbesondere weniger als 3 cm. Vorteilhaft ist es zudem, wenn sich zwischen der Schneide und dem Wirkelement eine Freifläche befindet oder wenn das Wirkelement an der Freifläche angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wirkelement so angeordnet, dass eine bei der spanenden Bearbeitung von der Schneide überstrichene Oberfläche des Werkstücks nachfolgend zumindest einmal vollständig von dem Wirkelement überstrichen wird. Die Zahl der Überstreichungen, mit der das Wirkelement eine von der Schneide überstrichene Fläche nachfolgend überstreicht, definiert den Überdeckungsgrad. Der Überdeckungsgrad ist bevorzugt größer als 1. Vorteilhaft daran ist, dass die Randzone des Werkstücks besonders nachhaltig beeinflusst werden kann. Bevorzugt ist der Überdeckungsgrad zudem kleiner als 6, was zu einer schnelleren Bearbeitung führt.
Bei einer bevorzugten Vorrichtung hat das Wirkelement einen Vorsprung zum Aufbringen einer eine Normalkraftkomponente aufweisenden Kraft auf die Oberflächen des Werkstücks. Insbesondere ist das Wirkelement durch den Vorsprung gebildet. Durch einen derartigen Vorsprung kann bei der spanenden Bearbeitung eine in Normalenrichtung auf die Oberfläche des Werkstücks wirkende Kraft aufgebracht werden, was zu einer Veränderung des Eigenspan- nungszustands in der Randzone führt. Es ist dabei vorteilhafterweise möglich, Eigenspannungen in der Randzone unterhalb der Oberfläche des Werkstücks zu verringern bzw. Druckeigenspannungen in der Randzone zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wirkelement einen, zwei, drei oder mehr rotationssymmetrische Walzkörper. Der bzw. die Walzkörper sind besonders bevorzugt in Wirkrichtung drehbar gelagert. Hierdurch ist es möglich, eine voreingestellte Kraft auf die Oberfläche des Werkstücks auszuüben, die im Wesentlichen vollständig in Normalenrichtung auf die Oberfläche wirkt. Mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung lassen sich die Eigenspannungen der Randzone des Werkstücks besonders effektiv günstig beeinflussen.
Besonders bevorzugt ist der Walzkörper bzw. sind die Walzkörper hydrodynamisch gelagert. Eine derartige Lagerung weist einen besonders geringen Schlupf auf und ist auch für die Anwendung bei hohen Wirkgeschwindigkeiten geeignet.
Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung einen Grundkörper auf, an dem der bzw. die Walzkörper gelagert ist bzw. sind. Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung dabei Mittel zum Regeln bzw. Steuern des Drucks des Fluids und/oder der Lage des Walzkörpers relativ zum Grundkörper. Dadurch können das Einwirken in seiner Intensität und damit Veränderungen in der Randzone gesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Grundkörper eine Fluidzufüh- rung zum Zuführen eines Fluids zur Lagerung des Walzkörpers auf. Alternativ oder additiv umfasst die Vorrichtung zudem eine Bremsvorrichtung zum Brem- sen des Walzkörpers. Eine derartige Bremsvorrichtung besitzt beispielsweise einen Bremskörper, der gegen den Walzkörper gedrückt werden kann. Alternativ umfasst die Bremsvorrichtung ein Mittel zum Variieren des Drucks des Fluids, mit dem der Walzkörper gelagert ist. Dadurch wird die Reibung des Walzkörpers in seiner Lagerung verändert und Einfluss auf dessen Schlupf genom- men. Besonders bevorzugt ist der Walzkörper eine Walzkugel. Vorteilhaft an einer Walzkugel ist, dass sie dann, wenn sie hydrodynamisch gelagert ist, in alle Raumrichtungen drehbar ist und einen besonders hohen Druck auf die Oberfläche des Werkstücks ausüben kann. Alternativ können Rollen oder Kegelab- schnitte als Walzkörper vorgesehen sein.
Bevorzugt ist die Vorrichtung als Fräswerkzeug oder Drehwerkzeug ausgebildet. Wenn es sich um ein Fräswerkzeug handelt, sind die Walzkörper bevorzugt an der Stirnfläche und/oder am Umfang des Fräswerkzeugs angeordnet. Vor- teilhaft daran ist, dass auch prismatische Bauteile bearbeitet werden können. Es ist dann eine flächige, homogene Einwirkung, insbesondere Verfestigung, der Randzone des Werkstücks erreichbar. Dadurch kann die Festigkeit der bearbeiteten Werkstücke erhöht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Fluidzufüh- rung zum Zuführen von Fluid zwischen der Schneide und dem Wirkelement. Das ermöglicht es, Fluid zuzuführen und so die Randzone des Werkstücks zu kühlen, bevor das Wirkelement auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkt. Eine derartige Fluidzuführung ermöglicht es zudem, einen Schmierstoff zuzu- führen, um die Reibung zwischen dem Wirkelement und dem Werkstück beeinflussen, beispielsweise zu verringern.
Für das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ist ein "gleichzeitiges" Durchführen der beiden Schritte insbesondere dann gegeben, wenn beide Schritte mit dem gleichen Werkzeug durchgeführt werden. Der zeitliche Abstand zwischen dem Abspanen und dem Einwirken liegt bevorzugt unter einer Sekunde, insbesondere unter 0,1 Sekunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren in einer solchen zeit- liehen und/oder räumlichen Nähe zum Abspanen durchgeführt, dass sich die
Oberfläche des Werkstücks zu dem Zeitpunkt des Einwirkens in einem plastifi- zierten Zustand befindet. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise besonders starke Änderungen der Eigenschaften der Randzone des Werkstücks erreichen.
Das Einwirken ist bevorzugt ein Ausüben einer Kraft mit einer Normalenkompo- nente auf die Oberfläche. Das Einwirken wird beispielsweise durch das Aufpressen von Walzkörpern oder durch einen Hochdruckflüssigkeitsstrahl realisiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Da- bei zeigt
Figur 1 eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Figur 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks in Form eines Zerspanungswerkzeugs 10, das im Eingriff mit einem schematisch eingezeichneten Werkstück 12 steht. Das Werkstück 12 bewegt sich relativ zum Zerspanungswerkzeug 10 mit einer Wirkgeschwindigkeit, die durch einen Pfeil 14 angedeutet ist. Das Zerspanungswerkzeug 10 um- fasst an seiner in der Wirkrichtung vorne liegenden Seite eine Schneide 16 zum Eindringen in das Werkstück 12, so dass ein Span 18 abgehoben wird.
In Wirkrichtung hinter der Schneide 16 befindet sich eine Freifläche 20, die nur an einem der Schneide 16 benachbarten Abschnitt 22 mit dem Werkstück 12 in Kontakt steht. In Wirkrichtung hinter der Freifläche 20 ist ein Vorsprung 24 an- geordnet, der ausgebildet ist, um auf eine Oberfläche 26 des Werkstücks 12 einzuwirken. Die Oberfläche 26 ist durch die Einwirkung der Schneiden 16 neu erzeugt worden. Der Vorsprung 24 ist so ausgebildet und angeordnet, dass die bei der spanenden Bearbeitung neu entstandene Oberfläche 26 genau einmal vollständig von dem Vorsprung 24 überstrichen wird. Der Überdeckungsgrad ist daher gleich 1.
Der Vorsprung 24 ist so an dem Zerspanungswerkzeug 10 ausgebildet, dass er im Einsatz eine Kraft F auf die Oberfläche 26 des Werkstücks 12 aufbringt, die eine starke Normalkomponente FN aufweist. Aufgrund der Reibung des Vor- Sprungs 24 auf der Oberfläche 26 bringt der Vorsprung 24 zudem eine Reibkraftkomponente FR auf die Oberfläche 26 auf, die weniger als zwei Drittel der Normalkraftkomponente FN beträgt. Durch das Aufbringen der Kraft F wird eine Randzone 27 des Werkstücks 12 beeinflusst, so dass sich deren Eigenschaften ändern.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs 10. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist das Wirkelement durch einen Walzkörper in Form einer Walzkugel 28 gebildet.
Die Walzkugel 28 ist in einer Ausnehmung 30 in einem Grundkörper 32 des Zerspanungswerkzeugs 10 hydrodynamisch gelagert. In dem Grundkörper 32 ist zur Lagerung der Walzkugel 28 eine Fluidzuführung 34 zum Zuführen von Fluid, beispielsweise von Kühlschmierstoff, Öl oder Wasser gebildet. Durch die Fluidzuführung 34 wird Fluid in die Ausnehmung 30 geführt, so dass sich beim Betrieb des Zerspanungswerkzeugs 10 eine dünne Fluidschicht zwischen der Walzkugel 28 und der Ausnehmung 30 ausbildet, in der die Walzkugel 28 gelagert ist.
Im Grundkörper 32 ist zudem eine Bremsvorrichtung 36 zum Bremsen der Walzkugel 28 vorgesehen. Die Bremsvorrichtung 36 umfasst einen Bremskörper 38, der mittels einer Feder 40 auf die Walzkugel 38 zu bewegbar ausgebildet ist. Beim Betrieb des Zerspanungswerkzeugs 10 kann der Bremskörper 38 in Kontakt mit der Walzkugel 28 gebracht werden. Neben einer Normalkraft FN kann so zudem eine Reibkraft FR auf die Oberfläche 26 des Werkstücks 12 aufgebracht werden. Die Normalkraft FN und die Reibkraft FR addieren sich vek- toriell zur Kraft F. Sofern diese Reibkraft FR die Haftreibung zwischen der WaIz- kugel 28 und der Oberfläche 26 des Werkstücks 12 überschreitet, kommt es zu einem Schlupf. Das heißt, dass die Geschwindigkeit des Umfangs der Walzkugel 28 geringer ist als die Wirkgeschwindigkeit.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Bremskörper 38 statt durch eine Feder 40 durch den Druck eines Fluids auf die Walzkugel 28 zu gestellt, wobei das
Fluid durch einen in Figur 2 nicht eingezeichneten Kanal auf die der Walzkugel 28 abgewandte Seite des Bremskörpers 38 zu geleitet wird. Dort übt das Fluid einen einstellbaren Druck auf den Bremskörper aus, so dass die Kraft einge- stellt werden kann, mit der Bremskörper 38 auf die Walzkugel drückt. Sofern gewünscht, kann dadurch auf die Randzone 27 in Abhängigkeit von der Position in der Oberfläche unterschiedlich eingewirkt werden. So ist es möglich, in mechanisch und/oder dynamisch hoch belastete Regionen des Werkstücks 12 besonders ausgeprägte Druckeigenspannungen einzubringen. Das ist bei- spielsweise bei Werkstücken für den Flugzeugbau vorteilhaft
Sowohl das Zerspanungswerkzeug 10 gemäß Figur 1 als auch das gemäß Figur 2 können in einem Fräs-, Dreh-, Hobel-, Räum-, Stoß- oder Bohr-, Senk-, Reib-, Säge-, Feil-, Raspelwerkzeug angeordnet sein.
In einer alternativen Ausführungsform ist die Schneide 16 nicht wie in den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 einstückig mit dem Grundkörper 32 verbunden, sondern an einem Schneidelement angeordnet. Das Schneidelement ist mittels einer Aufnahme an dem Grundkörper 32 befestigt, beispielsweise durch eine Spannpratze oder eine Schraube. Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Zerspanungswerkzeug 10 so relativ zu dem Werkstück 12 angeordnet, dass es einerseits einen Span 18 abhebt und andererseits das Wirkelement in Form der Walzkugel 28 oder in Form des Vorsprungs 24 auf die Oberfläche 26 des Werkstücks 12 ein- wirkt. Durch diese Einwirkung verändern sich die Eigenschaften der Randzone des Werkstücks 12. Die Wirkgeschwindigkeit wird dabei so gewählt, dass sich die Randzone des Werkstücks zum Zeitpunkt des Einwirkens in einem plastifi- zierten Zustand befindet. In diesem Zustand können besonders deutliche Modifikationen an den Eigenschaften der Randzone durchgeführt werden. Das Wirk- element wird dazu insbesondere so relativ zum Werkstück 12 angeordnet, dass seine Wirkung einem Oberflächen-Feinwalzen entspricht. Je nach Anwendungsbereich wird das Wirkelement so angeordnet, dass seine Wirkung einem Glatt-, Maß- und Festwalzen entspricht.
Aufgrund der Kombination des Abspanens und des Einwirkens auf die Oberfläche des Werkstücks kann ein erfindungsgemäßes Verfahren als Reibrührspanen und eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Reibrührspanwerkzeug bezeichnet werden.
Bezuαszeichenliste
10 Zerspanungswerkzeug
12 Werkstück
14 Pfeil
16 Schneide
18 Span
20 Freifläche
22 Abschnitt
24 Vorsprung
26 Oberfläche
27 Randzone
28 Walzkugel
30 Ausnehmung
32 Grundkörper
34 Fluidzuführung
36 Bremsvorrichtung
38 Bremskörper
40 Feder
F Kraft
FN Normalkraft
FR Reibkraft

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks (12), insbesondere eines metallischen Werkstücks, in einer Wirkrichtung (14) mit einer Schneide (16) und/oder einer Aufnahme für ein eine Schneide aufweisendes Schneidelement, gekennzeichnet durch ein bezüglich der Wirkrichtung hinter der Schneide (16) angeordnetes Wirkelement (24; 28) zum Einwirken auf eine Oberfläche (26) des Werkstückes (12).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement (24; 28) so angeordnet ist, dass eine bei der spanenden Bearbeitung von der Schneide (16) überstrichene Oberfläche (26) nachfolgend zumindest einmal vollständig von dem Wirkelement (24; 28) ü- berstrichen wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Wirkelement einen Vorsprung (24) zum Aufbringen einer eine Normalkomponente (FN) besitzenden Kraft (F) auf die Oberfläche (26) des Werkstücks (12) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirkelement einen, zwei, drei oder mehr rotationssymmetrische Walzkörper (28) umfasst.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Walzkörper (28) in Wirkrichtung drehbar gelagert ist bzw. sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Walzkörper (28) hydrodynamisch gelagert ist bzw. sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einen Grundkörper (32) umfasst und der bzw. die Walzkörper (28) am Grundkörper (32) gelagert ist bzw. sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (32) eine Fluidzuführung (34) zum Zuführen eines Fluids zur Lagerung des Walzkörpers (28) umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Bremsvorrichtung (36) zum Bremsen des Walzkörpers (28) umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Walzkörper eine Walzkugel (28) oder eine Walzrolle ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Fräswerkzeug oder ein Drehwerkzeug ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fluidzuführung (34) zum Zuführen von Fluid zwischen der
Schneide (16) und dem Wirkelement (24; 28).
13. Bearbeitungsverfahren mit den Schritten
(a) Abspanen von Material von einem Werkstück (12) mittels einer Schneide (16) in einer Wirkrichtung und
(b) Einwirken auf eine Oberfläche (26) des Werkstücks (12) in der Wirkrichtung hinter der Schneide (16) dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (a) und (b) gleichzeitig durchgeführt werden.
14. Bearbeitungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken in einer solchen zeitlichen und/oder räumlichen Nähe zum Abspanen durchgeführt wird, dass sich eine Randzone (27) des Werkstücks (12) zu einem Zeitpunkt des Einwirkens in einem plastifizier- ten Zustand befindet.
15. Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken ein Ausüben einer Kraft (F) mit einer Normalkomponente (FN) auf die Oberfläche (26) umfasst.
16. Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken ein Ausüben einer Schub- und/oder Reibkraft (FR) auf die Oberfläche (26) umfasst.
17. Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.
18. Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Fräs- oder Drehverfahren ist.
19. Bearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei der spanenden Bearbeitung von der Schneide (16) überstrichene Oberfläche (26) nachfolgend zumindest einmal vollständig von dem Wirkelement (24; 28) überstrichen wird.
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