Verfahren zur spanenden Bearbeitung gekrümmter Werkstückoberflächen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung gekrümmter Werkstückoberflächen bei dem ein um eine Werkzeuglängsachse rotierendes, im wesentlichen zylinder- oder kegelförmiges Bearbeitungswerkzeug mit einer Arbeitskante bzw. -linie, welche eine im wesentlichen kreis- bzw. kreisringförmige Kontur aufweist, entlang eines Bearbeitungsweges über die Werkstückoberfläche geführt wird.

Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden in vielfältiger Weise eingesetzt. Unter spanender Bearbeitung im Sinne dieser Erfindung ist dabei jegliches Formgebungsverfahren zu verstehen, bei dem das Werkstück mittels abrasivem Materialabtrages in die gewünschte Form gebracht wird. Insbesondere stellen Schleifen und Fräsen, aber auch Polieren spanende Bearbeitungsgänge im Sinne der Erfindung dar.

Bekannte Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstückoberflächen verwenden z.B. im Falle des Fräsens häufig

kreiszylinderförraige Fräswerkzeuge, die am Rand einer unteren, kreisförmigen Stirnfläche umfangsseitig und damit im wesentlichen entlang eines Kreises angeordnete Frässchneiden aufweisen. Derartige Fräswerkzeuge werden regelmäßig für die Bearbeitung von flachen bzw. ebenen Werkstückflächen verwendet. Das Fräswerkzeug wird dabei vollflächig mit seiner unteren Stirnfläche auf das Werkstück aufgesetzt und bearbeitet dieses entlang einer Arbeitsbreite, die dem Durchmesser der Stirnfläche entspricht. Im Falle zu erzeugender bzw. zu bearbeitender gekrümmter Werkstückoberflächen wird selten ein solches Fräswerkzeug verwendet, wobei dieses dann mit seiner unteren Stirnfläche planparallel zu einer Tangentialebene in einem Bearbeitungspunkt aufgesetzt wird. Dadurch entsteht eine im wesentlichen punktuelle Bearbeitung, was für die Bearbeitung eines kompletten Werkstückes ein zeilenartiges Abarbeiten mit einer hohen Zeilenzahl bei geringer Zeilenbreite und damit eine entsprechende Bearbeitungsdauer bedeutet .

Häufiger wird für die Bearbeitung von gekrümmten Oberflächen ein kugelförmig geformtes Fräswerkzeug (oder Schleifwerkezeug) verwendet, das mit einem Punkt seiner Kugeloberfläche mit der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird. Auch hierbei entsteht in einem Bearbeitungspunkt eine nahezu punktuelle Bearbeitung mit einer äußerst geringen Bearbeitungsbreite. Damit ist auch hier ein Abfahren des zu bearbeitenden Werkstückes mit dem Bearbeitungswerkzeug (Fräs- bzw. Schleifwerkzeug) in einer hohen Vielzahl von Zeilen mit geringer Zeilenbreite erforderlich, um dem gesamten Werkstück mit der Bearbeitung die gewünschte Form geben zu können.

Im Ergebnis sind also die bekannten Verfahren zum spanenden Bearbeiten gekrümmter Werkstückoberflächen in einem hohen

Maße zeitaufwendig und damit kostenintensiv. Hinzu kommt, dass bei der langwierigen Bearbeitung auch ein entsprechend hoher Werkzeugverschleiß hingenommen werden muss. Auch bringt eine lange Bearbeitung einen entsprechend erhöhten Energieverbrauch mit sich. Schließlich ergeben sich bei einer lang andauernden Bearbeitung Probleme hinsichtlich der Genauigkeit der Bearbeitung, da Werkstückverformungen aufgrund von während der Bearbeitung auftretenden Temperaturschwankungen auftreten und nur mit erheblichem Aufwand zu kompensieren sind.

Hier soll mit der Erfindung Abhilfe geschaffen werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung gekrümmter Werkstückoberflächen anzugeben, welches eine gegenüber den bekannten Verfahren schnellere und damit kostengünstigere Bearbeitung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Die entscheidende Idee der Erfindung besteht darin, dass mit Hilfe eines zylinder- oder kegelförmigen Bearbeitungswerkzeuges mit einer im wesentlichen kreis- bzw. kreisringförmigen Arbeitskante durch relatives Verkippen der Werkzeuglängsachse gegenüber der Flächennormalen der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ein Radienverlauf mit einem im Bereich eines Bearbeitungspunktes liegenden, beliebigen Radius zwischen dem Radius der Arbeitskante und einem unendlichen Radius eingestellt werden kann. Am einfachsten lässt sich dies veranschaulichen anhand des folgenden Gedankenexperimentes:

Man stelle sich einen Kreis vor, der in einer Ebene parallel zu einer Projektionsebene liegt. Die Projektion dieses Kreises auf die Projektionsebene bildet wiederum einen Kreis ab. Wird die Ebene des Kreises nunmehr gegenüber der Projektionsebene verkippt, so ergibt sich in der Projektion eine Ellipse, die in ihrem schwächer gekrümmten Bereich einen größeren Radius aufweist als der Radius des Kreises. Je nach Winkel zwischen diesen Ebenen wird die Ellipse flacher und damit der Radius in dem Bereich der geringeren Krümmung der Ellipse größer.

Diese Eigenschaft macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zu nutze, indem abhängig von einem in einem Bereich um einen Bearbeitungspunkt vorgegebenen Zielradius ein entsprechend durch Verkippung der Werkzeuglängsachse gegenüber der Flächennormalen abgebildeter „virtueller" Radienverlauf des Bearbeitungswerkzeuges eingestellt wird, der im Wesentlichen einer elliptischen Bahn folgt. Je nach Vorgabe einer Toleranz kann auf diese Weise in einem größeren Bereich eine innerhalb der Toleranz zu der vorgegebenen Krümmung der Werkstückoberfläche liegende Krümmung bzw. ein solcher Radienverlauf generiert werden. Dies bedeutet in der Konsequenz eine deutliche Verbreitung der nutzbaren Arbeitsbreite und damit der Zeilenbreite bei einer zeilenartigen Abarbeitung der Werkstückoberfläche.

In einem Versuch konnte bei der Anmelderin so ein Werkstück innerhalb einer vorgegebenen Toleranz mit einem zylinderförmigen Standardfräskopf mit 160 mm Durchmesser mit einer Zeilenbreite von 80 mm gefräst werden, wohingegen mit einem Standardkugelfräser mit einem Durchmesser von 50 mm zum Erreichen derselben Toleranz nur Zeilenbreiten 2 mm erzielt werden konnten. Dies bedeutet eine Verbesserung um einen

Faktor von 40, was sich in einer entsprechenden drastischen Zeitersparnis und damit letztlich Kostenersparnis auswirkt.

Wenn im Patentanspruch eine Arbeitskante des Bearbeitungswerkzeuges mit einer im wesentlichen kreis- bzw. kreisringförmigen Kontur genannt ist, so ist hiermit insbesondere gemeint, dass das Bearbeitungswerkzeug in der Verwendung eine solche Arbeitskontur erzeugt. Dass kann am Beispiel von Fräswerkzeugen z.B. durch eine Anzahl von radial aus dem Werkzeug vorstehenden Schneidmessern gebildet sein, die mit ihren Schneidspitzen im wesentlichen auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind. Dabei ist die Anzahl derartiger Schneidmesser nicht beschränkt, im Rahmen der Erfindung genügt beispielsweise ein einziges Schneidmesser, welches dann auf einer kreisförmigen Bahn umläuft.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 2 beschrieben. Danach wird das Bearbeitungswerkzeug mit seiner Werkzeuglängsachse in der dort beschriebenen Weise, also im wesentlichen in Richtung des Fortschreitens des Werkzeuges bzw. entgegen dieser Richtung verkippt. Diese Art der Verkippung wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als „Anstellung" bezeichnet, um sie von der später beschriebenen zweiten Verkippungsmöglichkeit unterscheiden zu können. Durch diese Anstellung wird der oben beschriebene Effekt erreicht, wobei im Bearbeitungspunkt eine symmetrische Situation geschaffen wird, in welcher sich die effektive Bearbeitungskurve zu beiden Seiten des Bearbeitungspunktes gleichermaßen verhält bzw. verändert. Im Bild der Ellipse befindet man sich hier an einem Schnittpunkt der entlang der kürzeren Ausdehnung der Ellipse verlaufenden Symmetrieachse mit der Begrenzungslinie der Ellipse.

Um einen je nach Zielvorgabe der Werkstückoberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes asymmetrischen Verlauf der effek-

tiven Bearbeitungskurve (des effektiven Radienverlaufes) im Bereich des Bearbeitungspunktes zu erreichen, kann die Werkzeuglängsachse gegenüber der Flächennormalen zusätzlich in einer wie in Anspruch 3 angegebenen Weise verkippt werden. Diese Verkippung wird zur Unterscheidung gegenüber der oben beschriebenen Anstellung als „Neigung" beschrieben. Durch eine zusätzliche Neigung wandert im Bild der Ellipse der Bearbeitungspunkt ausgehend von dem oben beschriebenen Schnittpunkt zwischen der entlang der kürzeren Ausdehnung der Ellipse verlaufenden Symmetrieachse und der Begrenzungslinie der Ellipse in Richtung eines der Punkte mit stärkerer Krümmung aus, so dass sich eine unsymmetrische effektive Bearbeitungskurve ergibt.

Eine Weiterbildung des Verfahrens, wie es in Anspruch 4 angegeben ist, ermöglicht ein besonders einfaches und problemloses Bearbeiten der Werkstückoberfläche. Dadurch, dass die Arbeitskante an der Unterkante des Bearbeitungswerkzeuges angebracht bzw. gebildet ist, wird die Gefahr einer Kollision des Werkzeuges an Bereichen der Werkstückoberfläche, die stehen gelassen werden sollen, vermindert.

Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren gleichermaßen zur Ausbildung konkav wie konvex gekrümmter Oberflächen Verwendung finden. Bei der Bearbeitung konvex gekrümmter Werkstückoberflächen ist jedoch zu beachten, dass verhindert werden muss, dass das Werkzeug mit seiner Werkzeugunterseite mit solchen Bereichen des Werkstückes kollidiert, an denen Material stehengelassen werden soll. Dementsprechend ist es in diesem Fall von Vorteil, wenn, wie in Anspruch 5 beschrieben, das Bearbeitungswerkzeug einen Hohlraum aufweist, in welchen die entsprechend stehen gelassenen Materialbereiche der Werkzeugoberfläche hineinragen können,

während das Werkzeug weitere Bereiche der Oberfläche bearbeitet .

Für eine Durchführung des Verfahrens beim Fräsen eignet sich besonders gut eine Fünf-Achsen-Fräsmaschine, da mit dieser sämtliche für das Anstellen bzw. Neigen des Werkzeuges gegenüber der Flächennormalen wie auch das Bewegen des Fräswerkzeuges entlang der Werkstückoberfläche erforderlichen Bewegungen ausgeführt werden können (vgl. Anspruch 6).

Besonders wertvoll ist das erfindungsgemäße Verfahren für solche Werkstückoberflächen, die einen sich verändernden Radienverlauf aufweisen. Dann wird in einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ein Grad bzw. Winkel der Verkippung der Werkzeuglängsasche gegenüber der Flächennormalen bei ü- ber die Werkstückoberfläche fortschreitendem Werkzeug für jeden Bearbeitungspunkt angepasst, um stets und überall auf der Werkstückoberfläche einen möglichst breiten Bereich mit einem der Zielkurve innerhalb einer vorgegebenen Toleranz entsprechenden Radienverlauf bearbeiten zu können.

Schließlich wird in vorteilhafter Weise bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Bearbeitungswerkzeug zeilenweise entlang im wesentlichen paralleler Bearbeitungswege über die Werkstückoberfläche geführt (vgl. Anspruch 8). Diese Bearbeitungswege sind nicht notwendig „netzparallel", sondern können für sich durchaus gekrümmt verlaufen. In der Praxis werden die Bearbeitungswege bzw. -bahnen sogar bevorzugt anhand der vorgegebenen Krümmungsverläufen der Werkstückoberfläche gelegt. Auch dann werden jedoch bevorzugt die einzelnen gekrümmt verlaufenden Zeilen jedenfalls im wesentlichen parallel zueinander abgefahren.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich allgemein als sinnvoll erwiesen, vor der tatsächlichen

Werkstückbearbeitung eine rechnergestützte Simulation durchzuführen, um die für den Arbeitsablauf optimale Parametrie- rung einer entsprechenden Bearbeitungsmaschine (Fräsmaschine, Schleifmaschine oder dgl.) zu ermitteln und die Maschine entsprechend programmieren zu können.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren in einem Ausführungsbeispiel noch einmal genauer beschrieben. Dabei werden weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines zum spanenden Bearbeiten auf einer gekrümmten Werkstückoberfläche aufgesetzten BearbeitungsWerkzeuges, ^•

Fig. 2 eine Ansicht wie Fig. 1 aus anderem Blickwinkel;

Fign.3a und 3b schematische Darstellung von resultierenden Ellipsen, die sich durch Neigung eines Kreises in einer Projektion ergeben;

Fig. 4 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung aus Fig. 3a;

Fig. 5 eine vergrößerte schematische Darstellung eines auf einer Werkstückoberfläche aufgesetzten Bearbeitungswerkzeuges;

Fig. 6 eine vergrößerte schematische Darstellung eines auf einer Werkstückoberfläche aufgesetzten Bearbeitungswerkzeuges von der Seite zur Verdeutlichung der Neigung; und

Fign.Va bis 7c unterschiedliche Formen möglicher Bearbeitungswerkzeuge zur Durchführung des Verfahrens.

Die Figuren sind reine Schemadarstellungen und insbesondere nicht maßstabsgerecht. Die Figuren wie auch die nachfolgende Beschreibung dienen lediglich der Erläuterung und dem besseren Verständnis der Erfindung, sie beschränken den Umfang der Erfindung nicht.

In den Figuren 1 und 2 ist schematisch eine gekrümmte Werkstückoberfläche 1 dargestellt, auf die ein im wesentlichen kegelstumpfförmiges Bearbeitungswerkzeug 2 mit einer Arbeitskante 3 aufgesetzt ist. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei eine Werkzeuglängsachse A (vgl. Figuren 5 und 7a bis 7c) gegenüber einer hier nicht dargestellten Flächennormalen geneigt, insbesondere zumindest im Sinne der obigen Beschreibung angestellt. Dadurch wird eine effektive Bearbeitungskurve der Arbeitskante 3 erzielt, die bei Wahl eines geeigneten Neigungswinkels über eine möglichst große Breite dem zu erzielenden Radienverlauf bzw. Krümmung der Werkstückoberfläche innerhalb vorgegebener Toleranzen entspricht.

Wie dies erreicht wird, ist schematisch in den Figuren 3a und 3b sowie 4 dargestellt. In den Figuren 3a und 3b ist für unterschiedliche Neigungswinkel ein wirksamer Radius einer kreisförmigen Arbeitskante dargestellt. In diesem Modell wird praktisch eine Projektion eines Kreises auf eine Ebene betrachtet, die gegenüber der Ebene des Kreises geneigt verläuft. Betrifft die Neigung 0° (Fall A) ergibt sich ein Kreis mit dem bekannten Durchmesser bzw. Radius. Bei steigender Neigung (Fälle b) bis e) ) werden in der Projektion entsprechend flacher werdende Ellipsen (vgl. Fig. 3a) erhalten. Diese haben in dem in Fig. 4 mit S bezeichneten Schnittpunkt der entlang der kürzeren Erstreckung der Ellipse verlaufenden Symmetrieachse mit der Ellipsenumrandung ausgehend von b) zu e) einen immer größer werdenden Radius.

Dieser kann theoretisch bis zu einem unendlichen Radius gesteigert werden, wenn der Kreis auf eine Gerade abgebildet wird (bei einer Neigung der Kreisebene gegenüber der Projektionsebene von 90°). Auf diese Weise kann in einem immer breiteren Bereich ein Radius einer Werkstückoberfläche 1 innerhalb bestimmter Toleranzen nachgebildet werden. Dieses Prinzip macht sich im dreidimensionalen Raum das erfindungsgemäße Verfahren zueigen. Wird die Werkzeuglängsachse gegenüber der Flächennormalen lediglich im Sinne der obigen Beschreibung angestellt, so fällt ein Bearbeitungspunkt (der Punkt, an dem die Flächennormale betrachtet wird) mit dem Schnittpunkt S zusammen und der Verlauf der Radien zu den Seiten des Bearbeitungspunktes ist symmetrisch. Wird das Werkzeug zusätzlich im Sinne der obigen Beschreibung geneigt, so liegt der Bearbeitungspunkt im Sinne der Darstellung der Fig. 4 rechts oder links von dem Schnittpunkt S, und es ergibt sich eine unsymmetrische Verteilung der Radien entlang der effektiven Bearbeitungslinie zu beiden Seiten des Bearbeitungspunktes.

In Fig. 5 ist noch einmal schematisch dargestellt, wie das Bearbeitungswerkzeug 2 für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens über die gekrümmte Werkstückoberfläche 1 geführt wird. Mit seiner Arbeitskante 3 ist das Werkzeug 2, hier über eine Arbeitsbreite B auf der Werkstückoberfläche 1 wirksam, indem es dort einen Radienvelauf nachbildet, der innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche mit der Zielkurve der Werkstückoberfläche übereinstimmt. Der innerhalb der Arbeitsbreite B liegende Abschnitt der Arbeitskante 3 ist durch die Schraffur deutlich gemacht. Mit P ist hier der Bearbeitungspunkt bezeichnet, an welchem die Flächennormale bestimmt wird, gegenüber der die Werkzeuglängsachse A geneigt wird. Mit R schließlich ist die Bewegungsrichtung des Bearbeitungswerkzeuges 2 entlang der Werkstückoberfläche 1

benannt. Die Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges 2 entlang der Werkstückoberfläche 1 kann entweder gradlinig erfolgen oder entlang gekrümmter Linien. Im letzteren Fall ist die Bewegungsrichtung R eine innerhalb einer an den Bearbeitungspunkt P gelegten Tangentialebene verlaufende Tangente an die Bewegungslinie.

Entscheidend ist, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine deutlich messbare Arbeitsbreite B erzielt werden kann, gegenüber einer ansonsten nahezu punktuellen Bearbeitung bei klassischen Verfahren.

In Fig. 6 ist in einer schematischen und vergrößerten Darstellung noch einmal ein auf eine Werkstückoberfläche 1 aufgesetztes Bearbeitungswerkzeug 2 dargestellt. In dieser Darstellung ist besonders gut die Verkippung der Werkzeuglängsachse A gegenüber der Flächennormalen zu erkennen. Auch hier ist wiederum der wirksame Bereich der Arbeitskante 3 schraffiert dargestellt.

In den Figuren 7a bis Ic sind unterschiedliche mögliche Formen eines Bearbeitungswerkzeuges 2 dargestellt. Allen Formen ist gemein, dass diese im Bereich einer unteren Fläche, an der die Arbeitskante 3 anschließt, einen Hohlraum H ausbilden. Dieser dient bei der Bearbeitung von konvex gekrümmten Werkzeugoberflächen einer Aufnahme vorstehender Bereiche der Werkstückoberfläche, um so eine Kollision des Bearbeitungswerkzeuges 2 mit der Werkstückoberfläche 1 zu verhindern. Bei der Bearbeitung konkav gekrümmter Werkstückoberflächen können Werkzeuge ohne Hohlraum H verwendet werden.

Insbesondere ein wie in Fig. 7b gezeigt geformtes Bearbeitungswerkzeug 2 eignet sich besonders, um übergänge in einer Werkzeugoberfläche mit geringen Radien zu bearbeiten, ohne

dass das Bearbeitungswerkzeug 2 an stehen gebliebene Wandbereiche der Werkstückoberfläche anstößt.

Die in den Figuren 7a bis 7c gezeigten Formen sind rein schematisch. In der tatsächlichen Umsetzung werden z.B. bei Fräswerkzeugen entlang der Arbeitskante 3 verteilt nach außen vorstehende Schnittkanten angeordnet, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind.

Bezugszeichenliste

1 Werkstückoberfläche

2 Bearbeitungswerkzeug

3 Arbeitskante

A Werkzeuglängsachse

B Arbeitsbreite

H Hohlraum

P Bearbeitungspunkt

R Bewegungsrichtung

S Schnittpunkt