WO2010139468A1

WO2010139468A1 - Verfahren und vorrichtung zum gleitspanen eines werkstücks

Info

Publication number: WO2010139468A1
Application number: PCT/EP2010/003352
Authority: WO
Inventors: Gregor Hasper; Vanja Mihotovic
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angwandten Forschung E.V.; Technische Universität Berlin
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2010-12-09
Also published as: DE102009024313A1; EP2437917A1; EP2437917B1; EP2437917B8

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung eines über wenigstens eine Funktionsfläche verfügenden Werkstücks vorzugsweise im Wege eines Gleitspanvorganges, bei dem das Werkstück in einen Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter unter Ausübung einer Relativbewegung zu den Schleifpartikeln geführt wird. Die Erfindung zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus: Bereitstellen eines die Oberflächenform der wenigstens einen Funktionsfläche beschreibenden numerischen Datensatzes, Ermitteln einer die Relativbewegung des Werkstücks zu den Schleifpartikeln im Arbeitsbehälter beschreibenden Bewegungstrajektorie unter Berücksichtigung einer auf die wenigstens eine Funktionsfläche im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstückes einwirkenden Beanspruchungskollektivs, und Relativbewegen des Werkstücks zu den Schleifpartikeln im Arbeitsbehälter unter Zugrundelegen der ermittelten Bewegungstrajektorie.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Gleitspanen eines Werkstücks

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Gleitspanen eines über wenigstens eine Funktionsfläche verfügenden Werkstücks, bei dem das Werkstück in einem Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter unter Ausübung einer Relativbewegung zu den Schleifkörpern oder Schleifmitteln geführt wird.

Stand der Technik

Zur Oberflächenformgestaltung von Werkstücken aus Konstruktionswerkstoffen, wie beispielsweise Metalle, keramische Werkstoffe oder Kunststoffe, die überdies über Freiformflächen verfügen, werden häufig spanende Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, beispielsweise Drehen, Fräsen, Bohren, Hobeln oder Sägen eingesetzt. Prozessbedingt entstehen an den bearbeiteten Werkstückseiten, beispielsweise im Wege des Freiformfräsens, rillige Oberflächen mit einer Gestaltabweichung dritter Ordnung gemäß DIN 4760, die jedoch bei hochbeanspruchten Präzisionsbauteilen, wie beispielsweise Triebwerkskomponenten, Gelenkendoprothesen, Dentalimplantaten etc. nicht zulässig sind. Vielmehr sind bei derartigen Werkstücken mit Freiformflächen Gestaltabweichungen von wenigstens vierter oder fünfter Ordnung nach DIN 4760 akzeptabel. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass derartige Werkstücke im Anschluss an die makroskopische Bearbeitung einem Feinbearbeitungsprozess nachträglich zu unterziehen sind, bei dem es darauf zu achten gilt, die Rilligkeit auf der jeweiligen Funktionsfläche des Werkstücks zu beseitigen und dabei eine erforderliche Oberflächenrauheit mit einer Gestaltabweichung vierter oder fünfter Ordnung zu erzeugen und zugleich die Makrogeometrie der jeweiligen Funktionsfläche selbst nicht unzulässig stark zu beeinträchtigen.

Zur Feinbearbeitung der vorstehend beschriebenen Werkstücke bietet sich gemäß DIN 8589-17 das sogenannte Gleitspanen an, bei dem zwischen Werkstücken und einer Vielzahl von losen Schleifkörpern oder Schleifmitteln unregelmäßige Relativbewegungen stattfinden, die die Spanabnahme bewirken. Beispielsweise liegen beim Gleitschleifen Werkstücke und Schleifkörper als lose Schüttung in einem Arbeitsbehälter vor, der durch oszillierende und/oder rotierende Bewegungen einen abrasiven Effekt an der Werkstückoberfläche hervorruft. Durch die Zugabe von Zusatzmitteln als wässrige Lösung kann der Abtrennprozess positiv beeinflusst werden.

Je nach geometrischer Beschaffenheit, Abmaße und Werkstoffspezifikation des Werkstücks und Zielgrößen der Bearbeitung werden die Gleitspanmittel ausgewählt, die in unterschiedlichen Formen, Größen, Materialien und Zusammensetzungen vorliegen. In der Anwendung werden Schleifmittel und Schleifkörper unterschieden, die im Arbeitsbehälter in einer wässrige Lösungen oder Suspension vorliegen können. Dabei stellen Schleifmittel abrasive Schleifkörnungen und Naturstoffe dar, während in Schleifkörpern Abrasivkörnungen in einem Bindungssystem (keramisch, kunstoffgebunden etc.) als Volumenkörper vorliegen.

Unter den Gleitspanverfahren (Gleitschleifen, Gleitläppen) haben sich eine Reihe unterschiedlicher Verfahrenstechniken etabliert, die sich in Bezug auf die Erzeugung der Relativbewegung zwischen den Schleifmitteln und den zu bearbeitenden Werkstücken unterscheiden. Neben dem Trommelgleitspanen, Vibrationsgleitspanen, Fliehkraftgleitspanen hebt sich das sogenannte Tauchgleitspanen dadurch ab, dass Werkstücke nicht wie bei den genannten Verfahrenstypen als Schüttgut gemeinsam mit den Schleifmitteln innerhalb des Arbeitsbehälters vorliegen, sondern kollisionsfrei bearbeitet werden. Hierfür dient ein rotierendes Trägerkarussell, das mit mehreren, typischerweise von bis zu 12 drehenden Spindeln bestückt ist, an denen einzelne Werkstücke getrennt voneinander befestigt werden. Für die Erzeugung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Schleifmittel wird das gesamte mit den daran befestigten Werkstücken bestückte Trägerkarussell in das Schleifmittelbad eingetaucht und in Rotation versetzt. Aufgrund der Kinematik ist das Verfahren ebenso als Schleppschleifen bekannt. Je nach gewählter Eintauchtiefe des Trägerkarussells in den Arbeitsbehälter sowie in Abhängigkeit der gewählten

Rotationsgeschwindigkeiten sämtlicher durch das Trägerkarussell sowie den daran angebrachten Spindeln durchführbaren Drehbewegungen wird eine bis zu 40fach höhere Zerspanleistung an den Werkstücken erzielt als es bei den vorher genannten Gleitschleifverfahren möglich ist.

In der DE 200 05 361 U1 ist zur Durchführung eines vorstehend erläuterten Schleppschleifvorganges ein Werkstückhalter zum Anbringen einzelner Werkstücke beschrieben, bei dem die einzelnen Spindeln zum Zwecke eines sicheren und vereinfachten Befestigen der Werkstücke an den jeweiligen Spindeln, um eine Schwenkachse klappbar gelagert sind.

Aus der DE 10 2007 032 614 A1 ist ein Verfahren zum Schleppschleifen von Gegenständen zu entnehmen, deren Kanten und Grate mit Radien von 20 μm und kleiner verrundet werden sollen. Das hierfür vorgesehene Trägerkarussell ermöglicht die dynamische Überlagerung von wenigstens drei Kreisbewegungen, die in einem bestimmten Verhältnis zueinander ausgeführt werden.

Die US 5,251 ,409 beschreibt ein Verfahren zur Feinbearbeitung von Gehäusen, insbesondere von Außenbordmotoren, mittels Schleppschleifen in einem ringförmigen, Schleifmittel enthaltenen Behälter. An einem zentralen, drehbar und vertikal verschiebbar gelagerten Ring sind mehrere Arbeitsstationen mit jeweils einem vertikalen Arm auf, an dem die Gehäuse so befestigt werden, dass ihre Symmetrieachse im Wesentlichen horizontal, d.h. in der Schleppebene liegt. Zur verbesserten Feinbearbeitung werden die Gehäuse während des Schleppens mittels einer am Arm angebrachten Vorrichtung um verschiedene Winkel verkippt. Die EP 1 219 389 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Glättung der Oberfläche einer Gasturbinenschaufel mittels eines Schlepp-Schleif-Prozesses in einem ersten und in einem zweiten Medium. Während des Schlepp-Vorgangs wird die Turbinenschaufel unter einer mehrachsigen Bewegung geglättet. Die Turbinenschaufel ist an einer drehbar und aus der Vertikalen verkippbaren Halterung befestigt, die wiederum an einer rotierenden Scheibe befestigt ist. Die Turbinenschaufel beschreibt eine Art Planetenbewegung, d.h. während der Rotation um ein Zentrum dreht sie sich noch um sich selbst. Zusätzlich wird die Halterung noch verkippt.

Die US 7 048 613 B2 bezieht sich auf ein Schlepp-Schleif- Verfahren für rotationssymmetrische Werkstücke, insbesondere Autofelgen, bei dem eine besonders hochglänzende Oberfläche erzeugt wird. Hierzu wird das Werkstück ebenfalls durch eine Überlagerung von Bewegungen, insbesondere in Form einer Planetenbewegung, in einem Schleifmittel bearbeitet. Zusätzlich kann eine vertikale Bewegung überlagert sein.

In allen bekannten Schleppschleifvorgängen erfolgt die Auswahl sowohl der Maschinenbetriebsparameter, wie beispielsweise Eintauchtiefen, Orbitalbewegungen, Drehzahlverhältnis, Bahnverhältnis als auch die Verwendung eines geeigneten Gleitschleifmittels ausschließlich auf Basis empirisch ermittelter Kenntnisse, die zum Teil durch aufwendige Voruntersuchungen gewonnen werden. Trotz aller bisherigen Bemühungen zur Ermittlung möglichst optimaler Bearbeitungsparameter ist es aufgrund der bisherigen Bearbeitungspraxis systembedingt nicht möglich, im Rahmen einer geschlossenen analytischen Modellbildung quantitative Aussagen über an einem Werkstück lokal und ortsaufgelöst auftretenden abrasiven Materialabtrennprozess im Voraus zu treffen, zumal die Geschwindigkeitsvektoren der sich längs zur Werkstückoberfläche bewegenden Schleifkörper oder Schleifmittel in Betrag und Richtung einer ständigen Änderung unterliegen. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Gleitspanen eines über wenigstens eine Funktionsfläche verfügenden Werkstücks, bei dem das Werkstück in einem Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter unter Ausübung einer Relativbewegung zu den Schleifkörpern oder Schleifmitteln geführt wird, derart weiterzubilden, dass der insbesondere an der wenigstens einen Funktionsfläche erfolgende Materialabtrennprozess in vordefinierter Weise durchgeführt werden kann, ohne den hohen Aufwand empirischer Vorversuche betreiben zu müssen. Mit dem lösungsgemäßen Verfahren sowie der lösungsgemäßen Vorrichtung soll die Nachbehandlung von Hochpräzisionsbauteilen im Rahmen eines Gleitspanvorganges mit verbesserter Effizienz und verbesserter voraus bestimmbarer Genauigkeit im Hinblick auf die Quantität eines vorzunehmenden Materialabtrennung an der Werkstückoberfläche erfolgen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 9 ist eine lösungsgemäße Vorrichtung. Den lösungsgemäßen Gedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Um das Bearbeitungsergebnis der mittels eines Gleitspanvorganges nachzubearbeitenden Werkstücke insbesondere im Bereich ihrer technischen Funktionsflächen in voraus bestimmbarer Weise angeben und entsprechend beeinflussen zu können, ist es wünschenswert, die an dem jeweiligen Werkstück vorzunehmenden Materialabtrennungen vor Durchführung des eigentlichen Gleitspanvorganges im Rahmen einer analytischen Modellierung zu untersuchen und quantitativ zu bestimmen. Für eine exakte numerische Modellierung des Gleitspanvorganges gilt es weitgehend jegliche Art von statistischen Wechselwirkungen zwischen den in dem Arbeitsbehälter enthaltenen Schleifkörpern oder Schleifmitteln und der zu bearbeitenden Funktionsfläche des Werkstücks, wie dies bei sämtlichen in der Praxis angewandten Gleitspanvorgängen der Fall ist, zu vermeiden. Lösungsgemäß ist erkannt worden, dass für einen vordefinierbaren, quantitativ erfassbaren abrasiven Abtrennprozess an einem Werkstück das Werkstück und insbesondere die jeweils zu bearbeitende Funktionsfläche des Werkstücks mit einer fest vorgegebenen und an die jeweilige Freiformfläche der Funktionsfläche angepassten Bahnkurve durch den die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltende Arbeitsbehälter zu bewegen, so dass gewährleistet ist, dass die im Arbeitsbehälter enthaltenden Schleifkörper oder Schleifmittel, die mit der Werkstückoberfläche in Wechselwirkung treten, eine definiert vorgegebene Relativbewegung im Hinblick auf Richtung und Betrag der den Schleifkörpern oder Schleifmitteln zuordenbaren Geschwindigkeitsvektoren vollziehen.

Von besonderem Interesse ist die Bearbeitung der Funktionsflächen eines jeweiligen Werkstücks, die maßgeblich zum bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks sowie zu dessen Lebensdauer und Funktion beitragen. Zur Verdeutlichung dessen sei als Beispiel eine Turbinenschaufel einer Strömungsrotationsmaschine genannt, deren bestimmungsgemäße Funktion bspw. darin besteht, unter Nutzung einer Fluidströmung ein Drehmoment auf eine Welle zu übertragen. Von entscheidender Bedeutung für die technische Funktion einer derartigen Turbinenschaufel sind die der Fluidströmung unmittelbar ausgesetzte Druck- und Saugseite des Turbinenschaufelblattes, die im vorstehend beschriebenen Sinne die Funktionsflächen der Turbinenschaufeln darstellen.

Lösungsgemäß ist erkannt worden, dass ein definierter und gleichmäßig abrasiver Abtrennprozess längs einer Funktionsfläche eines Werkstücks selbst an komplex konturierten Freiformfunktionsflächen erhalten wird, sofern die wenigstens eine Funktionsfläche des Werkstücks innerhalb des Arbeitsbehälters mit den Schleifkörpern oder Schleifmitteln derart in Wechselwirkung tritt, dass die Schleifkörper oder Schleifmittel relativ zu der wenigstens einen Funktionsfläche in eine Raumrichtung oder entgegengesetzt zu der Raumrichtung bewegt werden, längs der die Funktionsfläche im bestimmungsgemäßem Gebrauch des Werkstücks ausgelenkt wird und/oder mit einem dritten Körper oder einem Stoffstrom in Wechselwirkung tritt.

In Bezug auf die vorstehend beispielhaft erläuterte Turbinenschaufel bedeutet dies, dass die Turbinenschaufel mit ihrem Turbinenschaufelblatt längs einer vordefinierten Bewegungsbahn durch den die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltene Arbeitsbehälter zu bewegen ist, so dass die Schleifkörper oder Schleifmittel die Saug- und Druckfläche der Turbinenschaufel in der gleichen Weise umströmen wie die im bestimmungsgemäßen Gebrauch von der Turbinenschaufel abgelenkte Fluidströmung.

Da die Qualität und Abtrennleistung des auf einer abrasiven Wechselwirkung zwischen den Schleifkörpern oder Schleifmittel und der Turbinenschaufeloberfläche beruhenden Gleitspanprozesses von Einstellparametern wie lokale Strömungsgeschwindigkeit, Druck und Strömungsbild, d.h. laminar oder turbulent, im Wesentlichen abhängt, gilt es für einen möglichst gleichmäßigen Abtrennprozess an der gesamten Turbinenschaufeloberfläche die Geschwindigkeits- und Druckvektoren der sich längs zur Turbinenschaufeloberfläche bewegenden Schleifkörper und Schleifmittel in Betrag und Richtung weitgehend gleich zu wählen. Für die Bearbeitung beliebig komplexer Flächen werden Belastungskollektive dergestalt gebildet, dass diese Voraussetzung erfüllt ist.

Zur Realisierung einer derart in Abhängigkeit von der Formgebung der Funktionsfläche und deren bestimmungsgemäßen Gebrauch bestimmten Bewegungsbahn bzw. Bewegungstrajektorie durch den die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltende Arbeitsbehälter bedarf es eines Kinematiksystems, an dem das jeweils zu bearbeitende Werkstück angebracht ist und das zur Ausführung einer entsprechenden individuellen Bewegungsbahn in der Lage ist. Insbesondere gilt es seitens des Kinematiksystems dafür zu sorgen, dass durch eine entsprechende synchronisierte kinematische Kopplung verschiedener Bewegungsfreiheitsgrade die mit den jeweiligen Funktionsflächen in Wechselwirkung tretenden Schleifkörper oder Schleifmittel innerhalb des Arbeitsbehälters während des gesamten Nachbearbeitungsprozesses im Hinblick auf ihre Geschwindigkeitsvektoren in Betrag und Richtung relativ zu der zu bearbeitenden Funktionsfläche weitgehend gleich bleiben.

Das lösungsgemäße Feinbearbeiten eines über wenigstens eine Funktionsfläche verfügenden Werkstücks, vorzugsweise im Wege eines Gleitspanvorganges, bei dem das Werkstück in einem Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter unter Ausübung einer Relativbewegung zu den Schleifpartikeln geführt wird, zeichnet sich lösungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte aus: Zunächst gilt es einen die Oberflächenform der wenigstens einen Funktionsfläche beschreibenden numerischen Datensatz bereitzustellen. Ist das nachzubearbeitende Werkstück im Rahmen eines computergesteuerten Maschinenprozesses hergestellt worden, so liegen bereits die, die Oberflächenform des gesamten Werkstücks beschreibenden 3D-Konstruktionsdaten vor, die dem lösungsgemäßen Verfahren im weiteren zugrunde gelegt werden können. Sind derartige numerische SD- Konstruktionsdaten nicht vorrätig, so stehen messtechnische Verfahren zur Erfassung der dreidimensionalen Gestalt des nachzubearbeitenden Werkstücks zur Verfügung, wie beispielsweise optische oder taktile Abtastverfahren. Insbesondere eignen sich hierzu besonders bevorzugt Laserscanverfahren, die in vielfältiger Weise zur Erfassung dreidimensionaler Körperformen auf dem Markt verfügbar sind.

In einem nächsten Schritt gilt es, eine die Relativbewegung des Werkstücks zu den Schleifpartikeln im Arbeitsbehälter beschreibende Bewegungsbahnkurve bzw. Bewegungstrajektorie zu ermitteln und dies unter Berücksichtigung eines auf die wenigstens eine Funktionsfläche im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks einwirkenden Beanspruchungskollektivs. Wie bereits in Verbindung mit dem vorstehend erwähnten Beispiel zur Nachbehandlung einer Turbinenschaufel erläutert, gilt es hierbei den Überströmungsvorgang, bei dem die Schleifkörper oder Schleifmittel über die wenigstens eine nachzubearbeitende Funktionsfläche des Werkstücks überströmen, zumindest in Bezug auf die Überströmungsrichtung an den realen Überströmungsvorgang, bei dem die Turbinenschaufel von einer Fluidströmung umströmt wird, weitgehend anzupassen. Insbesondere bei Funktionsflächen, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch bidirektional ausgelenkt oder mit einem Körper oder einem Stoffstrom in Wechselwirkung treten, ist es möglich, die nachzubearbeitende Funktionsfläche des Werkstücks innerhalb des die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter längs einer Bewegungstrajektorie bidirektional, d.h. vorwärts und rückwärts, auszulenken.

Schließlich gilt es, nach Ermittlung der für das Werkstück typischen Bewegungstrajektorie das Werkstück innerhalb des Arbeitsbehälters unter Zugrundelegung der ermittelten Bewegungstrajektorie auszulenken. Dies erfolgt in lösungsgemäßer Weise mit einem Kinematiksystem, beispielsweise in Form eines Roboters oder eines Werkzeugmaschinensystems, das in der Lage ist, das Werkstück um mindestens zwei rotatorische Bewegungsfreiheitsgrade und um mindestens einen translatorischen Bewegungsfreiheitsgrad auszulenken. Das Kinematiksystem weist hierzu einen Manipulatorendbereich auf, an dem eine Befestigungsvorrichtung vorgesehen ist, an der das Werkstück eingespannt werden kann. Ein Steuersystem sorgt für eine präzise Ansteuerung des Kinematiksystems zur Durchführung der an die Oberflächengeometrie der wenigstens einen Funktionsfläche des Werkstücks angepassten Bewegungstrajektorie innerhalb des die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenen Arbeitsbehälters.

Zur Ermittlung der Bewegungstrajektorie gilt es demzufolge, die Geometriedaten des zu bearbeitenden Werkstücks, insbesondere der wenigstens einen Funktionsfläche mit den Technologiedaten des Werkstückes im Hinblick auf dessen bestimmungsgemäßen Gebrauch zu berücksichtigen. Mit Hilfe eines sogenannten Inferenzalgorithmus lassen sich die Bewegungsparameter, d.h. die Bewegungstrajektorie bzw. die Bahnkurven sowie die Geschwindigkeiten, mit denen das jeweilige Werkstück längs einer Bahnkurve durch den die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter bewegt wird, bestimmen. Das lösungsgemäße bahngesteuerte Gleitspanen führt zu einer Reihe positiver Effekte: So lassen sich durch die Ermittlung vorab definierter Bewegungstrajektorien, längs der die Funktionsflächen eines nachzubehandelnden Werkstücks innerhalb des die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenen Arbeitsbehälters bewegt werden, definierte und gleichmäßige abrasive Materialabtrennungen erzielen. Ferner ist es möglich, das Maß der Materialabtrennung selbst an komplex konturierten Freiformflächen quantitativ exakt einzustellen.

Ferner ist durch die Ermittlung werkstückabhängiger Bewegungstrajektorien eine analytische Modellableitung jeweils ortsaufgelöster Materialabtrennverhältnisse möglich. Derartige Modelle erhöhen sowohl die Reproduzierbarkeit als auch die Vorhersagbarkeit von Arbeitsergebnissen. Des Weiteren reduziert die Einführung analytischer Modelle deutlich den Aufwand für Voruntersuchungen bei der Prozessauslegung neuer Bearbeitungsaufgaben.

Schließlich können gezielt richtungsabhängige Bearbeitungstexturen auf den Funktionsflächen des jeweiligen Werkstücks erzeugt werden, ohne dabei die Maß- und Formgenauigkeit des Werkstücks unzulässig zu verändern.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Illustration einer Bewegungstrajektorie an einem als Knieendoprothese ausgebildeten Werkstücks,

Fig. 2 Illustration der Bewegungstrajektorie für ein als Turbinenschaufel ausgebildetes Werkstück,

Fig. 3 Illustration einer Bewegungstrajektorie für ein als Spiralbohrer ausgebildetes Werkstück, sowie

Fig. 4 a, b, c Illustration verschiedener Anstellwinkel einer Turbinenschaufel. Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Figur 1 ist in zwei unterschiedlichen Ansichten eine Knieendoprothese 1 dargestellt, die eine tonnenförmig ausgebildete Kniegelenksfläche 2 aufweist, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch innerhalb einer entsprechenden gegenkonturiert ausgebildeten Gelenkspfanne bidirektionale Rollbewegungen, siehe auch die in Figur 1 angegebenen Pfeile, ausführt. Die Knieendoprothese wird über den Schaft 3 in einem entsprechenden Gelenkknochenbereich fixiert.

Zur Nachbehandlung der tonnenförmig gewölbten Kniegelenksfläche 2, die der nachzubehandelnden Funktionsfläche 2 entspricht, gilt es, die für das Kniegelenk typische Abrollbewegung innerhalb eines die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenen Arbeitsbehälters nachzubilden. Hierzu wird die Knieendoprothese 1 im Bereich des Schaftes 3 an einem nicht weiter dargestellten Manipulatorendarm eines Roboters befestigt, der die Knieendoprothese 1 in einen die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter vorzugsweise vollständig eintaucht und eine durch die Pfeildarstellung charakterisierte bidirektionale Abrollbewegung durchführt. Hierdurch bewegen sich die Schleifkörper oder Schleifmittel längs zur Funktionsfläche 2 in der gleichen Art, in der die Knieendoprothese 1 im implantierten Zustand dem natürlichen dynamischen Belastungsmuster ausgesetzt ist.

Nicht notwendiger Weise ist es erforderlich, die gesamte Knieendoprothese 1 vollständig in den Arbeitsbehälter einzutauchen, lediglich gilt es dafür Sorge zu tragen, dass zumindest die Funktionsfläche 2 mit den Schleifpartikeln des Arbeitsbehälters in Wirkverbindung treten.

In Figur 2 ist das bereits erläuterte Beispiel einer Turbinenschaufel illustriert, die gemäß linker Bilddarstellung in Figur 2 über ein Schaufelblatt 4 verfügt, die eine Saugseite 5 sowie Druckseite 6 aufweist. Zur Bearbeitung von Saug- und Druckseite wird die Turbinenschaufel 4 über die gesamte Turbinenschaufelblattlänge L in den die Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter eingetaucht und nachfolgend längs der in der rechten Bilddarstellung gemäß Figur 2 strichliert angedeuteten spiralförmig ausgebildeten Bewegungstrajektorie 7 bewegt.

Der Erfindungsgedanke des bahngesteuerten Gleitspanens beruht darauf, die zu bearbeitenden Turbinenschaufel dergestalt einer abrasiven Strömung aus Schleif körper oder Schleifmittel auszusetzen, dass sich strömungstechnisch konstante Bedingungen an der Turbinenschaufeloberfläche einstellen. Zur Verdeutlichung der spiralförmigen Bewegungstrajektorie sei auf folgendes verwiesen.

In den Figuren 4a, b, c sind verschiedene Anstellwinkel für ein konkretes Turbinenschaufelprofil dargestellt. Grundsätzliche gilt, dass jedes Schaufelprofil einen geometrischen Anstellwinkel aufweist, bei dem es keinen Auftrieb liefert. Im Falle der in den Figuren 4 a bis c illustrierten unterschiedlichen Anstellgeometrien für das Turbinenschaufelprofil ist die so genannte Nullauftriebslinie in Figur 4b dargestellt. Damit in einem abrasiven Gleitschleifprozess die Geschwindigkeitsvektoren auf der Druck- und Saugseite gleich groß sind, muss ein negativer Anstellwinkel zur umgebenden Strömung eingestellt sein, wie dies in Figur 4 a dargestellt ist. Dieser bewirkt zwar einen negativen Auftrieb (Abtrieb), eine Druckerhöhung auf der Oberseite des Profils, doch kann der auf der Oberseite wirkende Staudruck durch radiales Ausweichen der Turbinenschaufel mit einer nach Innen gerichteten Bewegung entlastet werden. Für den beschriebenen Anwendungsfall ergibt die Überlagerung einer Kreisbahn des angestellten Profils mit der radialen Bewegung eine Spiralbahn.

Der Auftrieb bzw. Abtrieb am Profilquerschnitt stellt ein komplexes Wechselspiel aus reibungsbehafteter Körperumströmung und Grenzschichteinflüssen dar. Daher erfolgt die Berechnung von Geschwindigkeits-, Stromlinienverläufen und Druckverteilungen vorwiegend mit Simulationsprogrammen. Die Bahngeschwindigkeit, der Anstellwinkel sowie die Bahnkurve stehen in Abhängigkeit zur Viskosität bzw. Abrasivität der Schleifkörper. Für die Bearbeitung beliebig komplexer Flächen werden mithilfe von Strömungssimulationen Belastungskollektive in Abhängigkeit einer Bahnkurve dergestalt gebildet, dass Druck und Strömungsgeschwindigkeit entlang der Funktionsflächen konstant eingestellt sind. Das Integral von Druck und Geschwindigkeit bleibt über Ort und Zeit konstant. Ziel einer Simulation ist die Bestimmung einer Bahnkurve, für welche die genannten Voraussetzungen erfüllt sind. Im Fall der Turbinenschaufel stellt die spiralförmige Bahn eine mögliche Lösung dar.

Zur Realisierung einer spiralförmigen Bewegungstrajektorie kann entweder ein Roboter- oder ein entsprechend ausgebildetes Werkzeugmaschinensystem eingesetzt werden, bei dem es gilt, die Rotation des Werkstücks 4 zur Rotation um einen Hauptdrehachse M derart zu synchronisieren, so dass die Strömungsbedingungen der Schleifkörper oder Schleifmittel innerhalb des Arbeitsbehälters längs der Saug- und Druckseite der Turbinenschaufel weitgehend gleich sind.

In Figur 3 ist das Endstück eines Spiralbohrers 8 dargestellt, dessen helikal umlaufende Spannut 9, die für den Spiralbohrer 8 charakteristische Funktionsfläche darstellt. Als Bewegungstrajektorie für den Spiralbohrer 8 eignet sich somit eine synchronisierte Tauchbewegung mit einer Werkstückrotation um die Bohrerlängsachse derart, so dass die Spannut 9 eine gleichmäßige Durch- bzw. Überströmung von Schleifpartikeln innerhalb des Arbeitsbehälters erfährt. Sobald die maximale Tauchtiefe des Spiralnutendes innerhalb des Arbeitsbehälters erreicht ist, wird eine Aufwärtsbewegung mit einer entgegen gesetzten Spindelrotation durchgeführt.

Mit Hilfe des lösungsgemäßen bahngesteuerten Gleitspanens von Werkstücken mit Freiformflächen ist es überdies möglich, spezifische Oberflächentexturen mit Vorzugsrichtungen zu erzeugen. Darüber hinaus können Hochpräzisionsbauteile mit entsprechenden Freiformflächen ohne Beeinträchtigung der Maß- und Formgenauigkeit der jeweiligen Werkstücke mit präzise vorgebbaren Bearbeitungsparametern nachbearbeitet werden. Dies betrifft insbesondere Triebwerkskomponenten wie Turbinenschaufeln, Blisks sowie Impeller. Die Erzeugung von gezielt verrundeten Schneidkanten an Zerspanwerkzeugen, wie Fräs- und Drehwerkzeugen, kann ebenfalls über das bahngesteuerte Gleitspanen vorgenommen werden. Schließlich kommen als Hochpräzisionsbauteile auch Bauteile aus der Medizintechnik mit hohen Anteilen an Freiformflächen, beispielsweise Dental-, Hüft- oder Kniegelenksendoprothesen, in Frage.

Bezugszeichenliste

Knieendoprothese Funktionsfläche Schaft Turbinenschaufel Saugseite Druckseite Sprialförmige Bewegungstrajektorie Bohrer Spannut

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Feinbearbeitung eines über wenigstens eine Funktionsfläche verfügenden Werkstücks im Wege eines Gleitspanvorganges, bei dem das Werkstück in einem Schleifkörper oder Schleifmittel enthaltenden Arbeitsbehälter unter Ausübung einer Relativbewegung zu den Schleifpartikeln geführt wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Bereitstellen eines die Oberflächenform der wenigstens einen Funktionsfläche beschreibenden numerischen Datensatzes,

Ermitteln einer die Relativbewegung des Werkstücks zu den Schleifpartikeln im Arbeitsbehälter beschreibenden Bewegungstrajektorie unter Berücksichtigung eines auf die wenigstens eine Funktionsfläche im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstückes einwirkenden Beanspruchungskollektivs, und

Relativbewegen des Werkstücks zu den Schleifpartikeln im Arbeitsbehälter unter Zugrundelegen der ermittelten Bewegungstrajektorie.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des die Oberflächenform der wenigstens einen Funktionsfläche beschreibenden numerischen Datensatzes durch messtechnisches Erfassen zumindest der Oberflächenform der wenigstens einen Funktionsfläche erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das messtechnische Erfassen durch taktiles oder optisches Abtasten der Oberflächenform der wenigstens einen Funktionsfläche des Werkstücks erfolgt, und dass die dabei gewonnenen Messergebisse in Form eines numerischen 3D-Datensatzes abgespeichert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Wege messtechnischer Erfassung oder mittels 3D-Konstruktionsdaten die Gesamtform des Werkstücks in Form eines numerischen Datensatzes erhalten wird, und dass aus dem numerischen Datensatz ein die Oberflächenform der wenigstens einen Funktionsfläche beschreibender numerischer Datensatzanteil selektiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Bewegungstrajektorie derart erfolgt, dass die mit der wenigstens einen Funktionsfläche in Wirkverbindung tretenden Schleifkörper oder Schleifmittel relativ zu der wenigstens einen Funktionsfläche in eine Raumrichtung oder entgegengesetzt zur der Raumrichtung bewegt werden, längs der die Funktionsfläche im bestimmungsgemäßem Gebrauch des Werkstücks ausgelenkt wird und/oder mit einem dritten Körper oder einem Stoffstrom in Wechselwirkung tritt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Bewegungstrajektorie derart erfolgt, dass die mit der wenigstens einen Funktionsfläche in Wirkverbindung tretenden Schleifkörper oder Schleifmittel des Arbeitsbehälters in Bezug auf Geschwindigkeits- und Druckvektoren der sich längs zu der wenigstens einen Funktionsfläche bewegenden Schleifkörper und Schleifmittel in Betrag und Richtung weitgehend gleich bleiben, so dass ein gleichmäßiges Zurücksetzen der wenigstens einen zugänglichen Funktionsfläche erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Relativbewegen des Werkstücks zu den Schleifpartikeln im Arbeitsbehälter mittels eines Kinematiksystems durchgeführt wird, zu dessen Ansteuerung eine Bewegungsbahnsteuerung auf der Grundlage von Inferenzalgorithmen berechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kinematiksystem ein Roboterarm oder ein Werkzeugmaschinensystem verwendet wird, an dem das zu behandelnde Werkstück angebracht wird und der über wenigstens zwei rotatorische und wenigstens einen translatorischen Freiheitsgrad verfügt.

9. Vorrichtung zur Feinbearbeitung eines über wenigstens eine Funktionsfläche verfügenden Werkstücks im Wege eines Gleitspanvorganges, mit einem Arbeitsbehälter, in den eine Schleifkörper- oder Schleifmittelschüttung einfüllbar ist, sowie einem Kinematiksystem, an dem das Werkstück anbringbar ist und durch das das Werkstück innerhalb des Arbeitsbehälters bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kinematiksystem einen Roboter oder ein Werkzeugmaschinensystem mit einem um mindestens zwei rotatorische Bewegungsfreiheitsgrade und mindestens einen translatorischen Bewegungsfreiheitsgrad beweglichen Manipulatorendbereich aufweist, an dem eine Befestigungsvorrichtung für das wenigstens eine Werkstück vorgesehen ist, und dass ein Steuersystem vorgesehen ist, das den Roboter oder das Werkzeugmaschinensystem zur Durchführung einer an die Oberflächengeometrie der wenigstens einen Funktionsfläche des Werkstücks angepassten Bewegungstrajektorie innerhalb des Arbeitsbehälters derart befähigt, dass ein gleichmäßiges Zurücksetzen der wenigstens einen Funktionsfläche erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem den mindestens einen rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad mit dem translatorischen Bewegungsfreiheitsgrad oder einem weiteren rotatorischen Freiheitsgrad unter Maßgabe der vorgebbaren Bewegungstrajektorie, längs der das am Manipulatorendbereich befestigte Werkstück bewegbar ist, synchronisiert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung als Flansch oder Klemmvorrichtung ausgebildet ist, durch die das Werkstück fest mit dem Manipulatorendbereich des Roboters oder des Werkzeugmaschinensystems verbunden ist.