DE102015000326A1

DE102015000326A1 - Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks und Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102015000326A1
Application number: DE102015000326.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Bräunig
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2016-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks mithilfe eines Werkzeugs sowie eine für ein solches Verfahren einsetzbare Werkzeugmaschine. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkzeug vorgewärmt, um ein bei der anschließenden spanenden Bearbeitung des Werkstücks auftretendes instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs zu reduzieren oder zu eliminieren. Hierdurch kann im gesamten Prozess eine gegenüber der Stellkontur quantifizierbare, nicht zeitabhängige Verlagerung der Werkzeugkontur realisiert werden. Eine solche Verlagerung kann in einer Maschinensteuerung als konstante Offset-Korrektur erfasst und daraus resultierende Bearbeitungsungenauigkeiten somit vollständig korrigiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks mithilfe eines Werkzeugs sowie eine für ein solches Verfahren einsetzbare Werkzeugmaschine.
Die ständig steigenden Anforderungen an die Zerspanung in Richtung höherer Zeitspanvolumina sowie neuer und häufig schwer zerspanbarer Werkstoffe ziehen immer höhere Temperaturen in der Zerspanungszone nach sich. Dabei ist immer mit einem, im Vergleich zu anderen Wärmequellen, hohen Anteil an Prozesswärme zu rechnen, welcher in das Werkzeug eingeleitet wird und dort zu erheblichen Verlagerungen in Form thermoelastischer Geometrieänderungen führt. Im stationären Bereich können diese thermisch bedingten Verlagerungen am Werkzeug zwar steuerungsseitig mit einem konstanten Offset-Wert (Nachadaptionswert) verrechnet und dementsprechend leicht kompensiert werden. Im instationären Bereich hingegen ist diese Größe nicht ausreichend genau bestimmbar. Das Temperaturfeld ist dort nämlich zeit- und ortsabhängig. Diese starke Nichtlinearität hat zur Folge, dass im Werkzeug eine Ist-Kontur erzeugt wird, welche nicht trivial ist und bisher in ihrer Form nicht genau erfasst werden konnte. Die Folge ist eine Reduzierung der Bearbeitungsgenauigkeit im instationären Bereich, in welchem demzufolge eine Ausschussproduktion in Kauf genommen werden muss. Maßhaltige Fertigungsteile sind aber Vorrausetzung für eine hohe Produktivität und Ziel eines jeden Unternehmens.
In 2 werden die bei einem konventionellen Zerspanungsprozess herrschenden Zusammenhänge zwischen Zeit t und Temperatur ΔT bzw. Zeit t und thermoelastischer Dehnung Δs anhand eines zum Planfräsen eines Werkstücks 2 eingesetzten Fräsers 1 dargestellt. Der obere Teil der 2 zeigt in einem Zeit-Temperatur-Diagramm die sich im zeitlichen Verlaufe des Fräsprozesses im Fräser 1 einstellenden Temperaturen. Die Temperaturen sind dabei jeweils als Temperaturdifferenzen ΔT in Bezug auf eine zu Beginn des Fräsprozesses vorliegende Ausgangstemperatur des Fräsers 1 angegeben. Hierbei weist der Fräser 1 unmittelbar nach Beginn des Fräsprozesses zunächst ein stark instationäres, d. h. zeitlich veränderlicheres Temperaturverhalten auf. Erst nach einer bedeutenden, für den instationären Betriebszustand benötigten Zeitdauer Δt_inst stellt sich in einem stationären Bereich eine konstante Werkzeugtemperatur ΔT_stat ein. Das ausgeprägt instationäre Temperaturverhalten des Fräsers 1 zu Beginn des Fräsprozesses führt dazu, dass die thermoelastische Dehnung Δs des Fräsers 1 in diesem instationären Bereich ebenfalls eine schwer erfassbare, von der Zeit t abhängige Größe Δs = f(t) darstellt, die erst im anschließenden stationären Bereich in eine zeitlich konstante, maximale thermoelastische Dehnung Δs_stat übergeht. Diese zeitkonstante Dehnung Δs_stat des Fräsers 1 kann durch einen entsprechend gewählten Offset-Wert steuerungstechnisch leicht korrigiert werden.
Um den instationären Bereich aber klein und die Genauigkeit und das Zeitspanvolumen somit hoch zu halten, sind aus dem Stand der Technik kompensatorische Ansätze bekannt. Beispielsweise kann durch verschiedene Kühlmethoden und/oder durch eine angepasste Werkstoffwahl für das Werkzeug und/oder durch eine angepasste Konstruktion des Werkzeugs für eine schnelle Ableitung der in das Werkzeug eingeleiteten Wärme gesorgt werden. Diese schnelle Wärmeableitung führt zu einer Herabsetzung der bei der spanenden Bearbeitung maximal auftretenden Werkzeugtemperatur, um damit auch die am Werkzeug auftretenden thermoelastischen Verlagerungen tolerierbar klein zu halten. Die durch die vorgenannten, wärmeableitenden Kompensationsansätze erreichbare Reduzierung des Temperaturanstiegs im Werkzeug während des Zerspanungsprozesses ist in 4 schematisch gezeigt. Wie daraus entnehmbar, führt die Reduzierung der maximalen Werkzeugtemperatur ΔT_stat vorteilhafterweise auch zu einer Verkleinerung der Zeitdauer At_inst des instationären Bereichs. Jedoch kann der instationäre Bereich durch diese konventionellen Kompensationsansätze nie ganz eliminiert werden.
Zudem sind diese konventionellen Kompensationsansätze mitunter mit schwerwiegenden Mängeln verbunden. Traditionelle Kühlschmierstoffe (KSS) zur fluiden Kühlung des Werkzeugs belasten die Umwelt, erfordern zusätzlichen Energieaufwand für die Aggregate und ziehen meist eine wiederum ressourcenverbrauchende Reinigung der Bauteile nach sich. Zudem geht von einer Vielzahl von Kühlschmierstoffen eine nicht unerhebliche Gesundheitsgefährdung für den Menschen aus. So sind einige der Inhaltsstoffe von Kühlschmierstoffen so gesundheitsschädlich, dass ein Kontakt über Haut oder Atemwege Krebs erregen oder das Erbgut verändern kann. Weiterhin müssen die Kühlschmierstoffe unter Berücksichtigung des deutschen Abfall- sowie Wasserrechtes entsorgt werden und speziellen Behandlungsanlagen zugeführt werden.
Konstruktive bzw. werkstoffseitige Änderungen des Werkzeugs sind zwar einfacher umsetzbar, bringen aber kaum eine Verbesserung mit sich, da sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten für die ersetzbaren Werkstoffe, welche den Prozessanforderungen gerecht werden, nur geringfügig voneinander unterscheiden und die konstruktive Umgestaltung nur einen sehr begrenzten Handlungsspielraum erlaubt.
Folglich stellt sich die Erfindung ausgehend vom vorbeschriebenen Stand der Technik das Ziel bzw. die Aufgabe, den instationären Bereich im Temperaturverhalten eines spanabhebenden Werkzeugs in seiner Dauer zu minimieren, um die daraus resultierenden Bearbeitungsungenauigkeiten möglichst zu vermeiden, ohne dabei auf die nachteilbehafteten, wärmeableitenden Kompensationsansätze zurückzugreifen.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Des Weiteren wird diese Aufgabe mit einer Werkzeugmaschine gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 8 aufweist.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks mithilfe eines Werkzeugs vorgesehen, dass das Werkzeug vorgewärmt wird, um ein bei der anschließenden spanenden Bearbeitung des Werkstücks auftretendes instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs zu reduzieren oder zu eliminieren.
In der Startphase des Zerspanungsprozesses befindet sich die Temperatur des Werkzeugs noch nicht in einem stationären Zustand, was zur Folge hat, dass normalerweise in dieser Startphase keine Gutteile produziert werden. Ziel ist es deshalb, diese instationäre Startphase zu verkürzen oder zu eliminieren, was mit Hilfe des Vorwärmens erreicht wird. Eine Anpassung der Konstruktion bzw. der Werkstoffe sowie die Anwendung von in ökonomischer und ökologischer Hinsicht kritischen Kühlschmierstoffkonzepten ist überflüssig, da diese Reduktion oder gar Elimination des instationären Bereichs allein durch ein einfach zu bewerkstelligendes Vorwärmen des Werkzeugs erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt durch das Vorwärmen die Temperatur des Werkzeugs zu Beginn der spanenden Bearbeitung des Werkstücks auf einem Niveau, das der sich bei der spanenden Bearbeitung des Werkstücks einstellenden stationären Werkzeugtemperatur entspricht oder dieser zumindest innerhalb von vorgegebenen Grenzen nahe kommt.
Unter der ”stationären Werkzeugtemperatur” ist jetzt und im Folgenden die sich bei einem untemperierten (trocken arbeitenden) Werkzeug während des Zerspanungsprozesses nach Ablauf der instationären Startphase einstellende, zeitkonstante Werkzeugtemperatur zu verstehen. Dadurch, dass die beim Start des Zerspanungsprozesses vorliegende Werkzeugtemperatur durch die Werkzeugvorwärmung auf ein Niveau angehoben wird, das bereits annähernd dieser stationären Werkzeugtemperatur entspricht, kann ein unmittelbar nach dem Start des Zerspanungsprozesses auftretendes instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs mit hohen Temperaturgradienten und daraus resultierenden Bearbeitungsungenauigkeiten vermieden oder zumindest vermindert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann durch das Vorwärmen die Temperatur des Werkzeugs vor Beginn der spanenden Bearbeitung des Werkstücks auf ein Niveau angehoben werden, das die sich bei der spanenden Bearbeitung des Werkstücks einstellende stationäre Werkzeugtemperatur übersteigt, wobei gewartet wird, bis die Temperatur des Werkzeugs auf diese stationäre Werkzeugtemperatur zurückfällt, bevor mit der spanenden Bearbeitung des Werkstücks begonnen wird.
Durch die in der Wartezeit nach dem Ende des Vorwärmens und vor dem Start des Zerspanungsprozesses erfolgende Abkühlung des Werkzeugs kann zum Start des Zerspanungsprozesses eine Werkzeugtemperatur eingestellt werden, die bereits sehr genau der stationären Werkzeugtemperatur entspricht. Infolgedessen kann ein unerwünschter instationärer Temperaturzustand des Werkzeugs in der Startphase des Zerspanungsprozesses und die daraus resultierenden Bearbeitungsungenauigkeiten vollkommen eliminiert werden.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung führt die sich während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks einstellende stationäre Werkzeugtemperatur zu einer konstanten Verschiebung oder Verlagerung der Kontur des Werkzeugs, die als ein konstanter Offset-Wert von einer Steuerung erfasst und während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks automatisch korrigiert wird.
Vorteilhafterweise lassen sich somit durch Vorwärmen des Werkzeugs die thermisch bedingten Verformungen des Werkzeugs während des gesamten Zerspanungsprozesses (auch in der Startphase) als eine stationäre (zeitunabhängige) Störgröße definieren, die mittels eines entsprechenden konstanten Offset-Werts in einfacher Art und Weise steuerungstechnisch korrigiert werden kann. Etwaige Bearbeitungsungenauigkeiten des Werkstücks können somit während des gesamten Zerspanungsprozesses sicher ausgeschlossen und die Ausschussquote damit deutlich gesenkt werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Heizeinrichtung vorgesehen und das Werkzeug wird vor Beginn der spanenden Bearbeitung des Werkstücks zu dieser Heizeinrichtung verfahren, um das Werkzeug zum Vorwärmen für eine vorgegebene Zeitdauer in einer vorgegebenen Vorwärmposition zu halten, bevor es zum zu bearbeitenden Werkstück verfahren wird.
Ohne zusätzliche motorische Nachrüstung kann eine der Werkzeugvorwärmung dienende Heizeinrichtung z. B. in den Arbeitsraum einer bestehenden Werkzeugmaschine integriert werden, wobei durch eine entsprechende steuerungstechnische Konzeption der Werkzeugmaschine jeweils vor dem Start oder der Wiederaufnahme eines spanenden Bearbeitungsvorgangs das Werkzeug zu dieser Heizeinrichtung verfahren wird, um von dieser eine definierte Menge an thermischer Energie aufzunehmen und dadurch ein instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs in der Startphase des Zerspanungsprozesses zu minimieren oder gar zu eliminieren.
In weiter vorteilhafter Weise kann das Vorwärmen des Werkzeugs durch berührungslose Erwärmung, z. B. durch induktive Erwärmung, erfolgen. Durch eine derartige induktive Erwärmung lässt sich in hocheffizienter Weise die Wärme im Werkzeug selbst durch induzierte Wirbelströme erzeugen.
Alternativ kann das Vorwärmen des Werkzeugs durch berührende Erwärmung, z. B. mittels eines regelbaren elektrischen Heizgerätes, erfolgen. Durch Kopplung mit einer entsprechenden werkzeugseitigen Sensorik lässt sich die Heizleistung des elektrischen Heizgerätes und/oder die Verweilzeit des Werkzeugs an oder in diesem Heizgerät so einstellen, dass die gewünschte Menge an thermischer Energie vom Werkzeug aufgenommen und somit die gewünschte Vorwärmtemperatur des Werkzeugs erreicht wird. So kann die Vorwärmtemperatur des Werkzeugs z. B. genau der stationären Werkzeugtemperatur angepasst werden, um ein instationäres Temperaturverhalten in der Startphase des Zerspanungsprozesses und daraus resultierende Bearbeitungsungenauigkeiten zu reduzieren oder gar ganz zu eliminieren.
Erfindungsgemäß ist bei einer Werkzeugmaschine mit wenigstens einem Werkzeug zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks vorgesehen, dass die Werkzeugmaschine eine Heizeinrichtung zum Vorwärmen des Werkzeugs umfasst. Durch diese Heizeinrichtung wird im Vergleich zu bekannten wärmeabführenden Kompensationsmaßnahmen unter Verwendung von Kühlschmierstoffen auf eine ressourcenschonende und effiziente Weise eine Vorwärmung des Werkzeugs zur Reduzierung des instationären Temperaturzustands erreicht. Wird die Temperatur des Werkzeugs zu Beginn des Zerspanungsprozesses bereits genau oder annähernd genau auf die stationäre Werkzeugtemperatur eingestellt, so kann das Werkzeug sogar vom Start des Zerspanungsprozesses an im stationären Temperaturzustand betrieben werden. In diesem stationären Temperaturzustand können thermisch bedingte Verlagerungen der Werkzeugkontur durch eine Offset-Korrektur leicht entfernt werden. Bearbeitungsungenauigkeiten am Werkstück werden somit vermieden und die Ausschussquote der Werkzeugmaschine deutlich gesenkt.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Werkzeug der Werkzeugmaschine um ein Bohr-, Fräs- und/oder Drehwerkzeug. Solche Werkzeuge finden in Werkzeugmaschinen eine weit verbreitete Anwendung und erfahren aufgrund der hohen tribologischen Belastungen, denen sie während des spanenden Bearbeitungsprozesses unterliegen, eine starke Erwärmung. Sie weisen somit in der Startphase des Zerspanungsprozesses ein ausgeprägt instationäres Temperaturverhalten mit hohen Temperaturgradienten auf, bevor sie den stationären Zustandsbereich mit einer konstanten Werkzeugtemperatur erreichen. Durch Werkzeugvorwärmung mittels der Heizeinrichtung wird aber die Möglichkeit geschaffen, den instationären Bereich im Temperaturverhalten des Bohr-, Fräs- und/oder Drehwerkzeugs deutlich zu verkleinern oder gar ganz zu eliminieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung befindet sich die Heizeinrichtung an einer vor Beginn der spanenden Bearbeitung des Werkstücks vom Werkzeug anfahrbaren Position im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine. So kann die Heizeinrichtung leicht in bestehende Werkzeugmaschinen integriert werden, um vor Start bzw. Wiederaufnahme eines jeden spanenden Bearbeitungsvorgangs angefahren zu werden und so das Werkzeug auf die gewünschte Vorwärmtemperatur zu bringen.
In weiter bevorzugter Weise ist die Heizeinrichtung auf einem Werkstücktisch und/oder an oder in einem Spindelstock und/oder an oder in einem Werkzeugrevolver und/oder an oder in einem Werkzeugwechsler der Werkzeugmaschine angeordnet. Indern die Heizeinrichtung bspw. auf dem Werkstücktisch in unmittelbarer Nähe des eingespannten Werkstücks positioniert ist, kann das Werkzeug in hocheffizienter Weise entlang eines sehr kurzen Verfahrwegs zwischen der Heizeinrichtung und dem Werkstück verfahren werden, um jeweils vor Start bzw. Wiederaufnahme der Werkstückbearbeitung die Vorwärmung des Werkzeugs zu bewirken.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst die Werkzeugmaschine eine Steuerung, um vor jedem spanenden Bearbeitungsvorgang das Werkzeug zur Heizeinrichtung zu verfahren, dort für eine vorgegebene Zeitdauer in einer vorgegebenen Vorwärmposition zu halten und somit auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur zu bringen. In heute üblichen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen lässt sich der Verfahrweg so programmieren, dass vor dem Start oder der Wiederaufnahme des spanenden Bearbeitungsvorgangs das Werkzeug in eine definierte Vorwärmposition in Bezug auf die Heizeinrichtung gebracht und dort für eine bestimmte Zeitdauer ”geparkt” wird, um die gewünschte Wärmemenge von der Heizeinrichtung aufzunehmen und somit die zur Vermeidung eines instationären Temperaturverhaltens gewünschte Vorwärmtemperatur zu erreichen.
Gemäß noch einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Heizeinrichtung ein Induktor, in welchen das Werkzeug zum Vorwärmen einfahrbar und durch induzierte Wirbelströme vorwärmbar ist. Besonders effizient lässt sich mit dem Induktor das Werkzeug durch die induzierten Wirbelströme quasi von innen heraus genau auf die jeweils erforderliche Vorwärmtemperatur erwärmen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen im Vergleich mit dem Stand der Technik dargestellt und erläutert. Dabei zeigen:
1 Zusammenhang zwischen Temperatur und Verlagerung am Werkzeug bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks,
2 Zusammenhang zwischen Temperatur und Verlagerung am Werkzeug bei einem konventionellen Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks,
3 Zeit-Temperatur-Diagramme zur Veranschaulichung der bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bewirkten Reduzierung des instationären Bereichs,
4 Zeit-Temperatur-Diagramme zur Veranschaulichung der bei einem konventionellen, wärmeableitenden Verfahren bewirkten Reduzierung des instationären Bereichs,
5 eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine mit integrierter Heizeinrichtung zum Vorwärmen des Werkzeugs.
Die Präzision bei der spanenden Bearbeitung von Werkstücken 2 hängt signifikant von der an der Wirkstelle entstehenden Prozesswärme ab. Ein Anteil der Wärme fließt unweigerlich in das Werkzeug 1 und führt dort zu Verformungen, überwiegend thermoelastischen Längenänderungen Δs, welche sich negativ auf steigende Qualitätsanforderungen am Werkstück 2 auswirken.
In 1 sind für einen erfindungsgemäßen spanenden Bearbeitungsprozess und in 2 sind für einen konventionellen spanenden Bearbeitungsprozess jeweils die sich bei einem Fräser 1 zum Planfräsen der Oberfläche eines Werkstücks 2 im zeitlichen Verlauf des Bearbeitungsprozesses ergebenden Werkzeugtemperaturen (in Form von Temperaturdifferenzen ΔT) und die aus diesen Werkzeugtemperaturen resultierenden thermoelastischen Dehnungen Δs am Werkzeug (Fräser 1) qualitativ abgebildet.
Im stationären Bereich kann die sich aus der Werkzeugerwärmung ergebende maximale Verlagerung (thermoelastische Dehnung Δs_stat) des Werkzeugs 1 unproblematisch erfasst und korrigiert werden. Bei einem konventionellen Bearbeitungsprozess gemäß 2 weist das Temperaturverhalten des Werkzeugs 1 in der Startphase des Bearbeitungsprozesses (unmittelbar nach dem Startzeitpunkt t = 0) jedoch einen besonders ausgeprägten instationären Bereich auf. Die Temperatur des Werkzeugs 1 nimmt hier während der Zeitdauer Δt_inst von einer der Umgebungstemperatur entsprechenden Ausgangstemperatur ΔT = 0 auf die maximale stationäre Werkzeugtemperatur ΔT=ΔT_stat in nichtlinearer Weise zu. In diesem instationären Bereich sind die jeweils am Werkzeug 1 auftretenden, thermisch bedingten Verlagerungen eine Orts- und vor allem zeitabhängige Größe Δs = f(t), die als solche nicht ausreichend genau bestimmbar und somit korrigierbar ist. Dieses sich in der Startphase des spanenden Bearbeitungsvorgangs einstellende instationäre (nichtlineare) Temperaturverhalten des Werkzeugs 1 hat zur Folge, dass im Werkzeug 1 eine Istkontur erzeugt wird, welche nicht trivial ist und in ihrer Form nicht genau erfasst werden kann. Für diesen instationären Bereich muss somit bisher Ausschussproduktion in Kauf genommen werden. Demzufolge besteht immer das Ziel, diesen instationären Bereich in seiner Dauer Δt_inst zu minimieren, um die daraus resultierenden Bearbeitungsungenauigkeiten am Werkstück 2 möglichst zu vermeiden.
Zur Minimierung von Werkzeugverformungen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das Werkzeug 1 während des spanenden Bearbeitungsprozesses zu kühlen, um so die eingeleitete Prozesswärme möglichst schnell wieder abzuleiten. Der sich im gekühlten Zustand des Werkzeugs 1 im Laufe des spanenden Bearbeitungsprozesses einstellende Temperaturverlauf ist in 2 als durchgezogene Linie im Zeit-Temperatur-Diagramm dargestellt. Im Vergleich zum ungekühlten Bearbeitungsprozess (siehe punktierte Linie im Zeit-Temperatur-Diagramm der 2) wird durch die (z. B. mittels Kühlschmierstoffen) erreichte Werkzeugkühlung die sich maximal einstellende, stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat deutlich gesenkt, wodurch die Temperaturgradienten in der Startphase des Bearbeitungsprozesses reduziert werden und folglich auch eine Verkleinerung des instationären Bereichs eintritt.
Diese durch Werkzeugkühlung herbeiführbare Verkleinerung des instationären Bereichs ist auch aus der 4 ersichtlich, wo im oberen Zeit-Temperatur-Diagramm durch hellgraue Hinterlegung der instationäre Bereich bei einem spanenden Bearbeitungsvorgang ohne jegliche Kühlung hervorgehoben ist und im unteren Zeit-Temperatur-Diagramm durch dunkelgraue Hinterlegung der verkleinerte instationäre Bereich bei einem spanenden Bearbeitungsvorgang mit gekühltem Werkzeug 1 dargestellt ist. Auch in diesem gekühlten Zustand des Werkzeugs 1 ist aber beim spanenden Bearbeitungsvorgang mit einem Anteil an Prozesswärme zu rechnen, welcher in das Werkzeug 1 geleitet wird und dort zu thermoelastischen Geometrieänderungen führt. Eine vollkommene Eliminierung des instationären Bereichs ist daher durch wärmeableitende Maßnahmen alleine nicht zu bewerkstelligen.
Ausgehend von dieser Problematik ist bei dem in 1 gezeigten, von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks 2 konträr zu den bisher bekannten wärmeableitenden Maßnahmen, eine Zuführung von thermischer Energie in das Werkzeug 1 vorgesehen, um die Werkzeugtemperatur auf ein Niveau anzuheben, das das instationäre Temperaturverhalten des Werkzeugs 1 in der Startphase des spanenden Bearbeitungsprozesses reduziert oder gar eliminiert.
Im oberen Teil der 1 ist der sich beim erfindungsgemäßen Verfahren ergebende zeitliche Temperaturverlauf des Werkzeugs 1 dargestellt, wobei sich dieser Temperaturverlauf in eine Phase (t < 0) zum Vorwärmen des Werkzeugs 1 und eine daran anschließenden Phase (t > 0) zur spanenden Bearbeitung des Werkstücks 2 untergliedern lässt. Wie daraus entnehmbar, wird das Werkzeug (Fräser 1) noch vor dem Startzeitpunkt t = 0 des spanenden Bearbeitungsprozesses einer Vorwärmung unterzogen, um die Werkzeugtemperatur anzuheben. Dadurch kann ein in der Startphase des spanenden Bearbeitungsprozesses auftretendes, instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs 1 (wie in 3 gezeigt) minimiert oder gar (wie in 1 gezeigt) vollkommen eliminiert werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Werkzeug 1 durch Vorwärmen vor dem Beginn des spanenden Bearbeitungsvorgangs nach Möglichkeit auf eine Temperatur aufgeheizt werden sollte, die der sogenannten ”stationären Werkzeugtemperatur ΔT_stat” (zumindest annähernd) entspricht. Bei dieser ”stationären Werkzeugtemperatur ΔT_stat” handelt es sich um eine zeitkonstante Gleichgewichtstemperatur, die sich während des spanenden Bearbeitungsvorgangs nach einer instationären Startphase (Zeitdauer Δt_inst) einstellt, wobei die ”stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat” u. a. von dem eingesetzten Werkzeug 1, dem bearbeiteten Werkstück 2 und der Arbeitsgeschwindigkeit abhängt. Diese ”stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat” kann empirisch ermittelt werden. Hierzu wird die sich während des normalen spanenden Bearbeitungsvorgangs nach Ablauf der instationären Startphase einstellende Werkzeugtemperatur mehrfach gemessen, wobei die ”stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat” als Mittelwert dieser einzelnen Messwerte berechnet wird.
Erfindungsgemäß wird in der Vorwärmphase (d. h. vor dem Startzeitpunkt t = 0 des spanenden Bearbeitungsvorgangs) die Werkzeugtemperatur auf eine Temperatur ΔT_V angehoben, die der sich im stationären Bereich einstellenden Werkzeugtemperatur ΔT_stat entspricht oder dieser zumindest innerhalb vorgebbarer Grenzen sehr nahe kommt. Anschließend beginnt der normale spanende Bearbeitungsvorgang, wobei das Werkzeug 1 dann zu Beginn des spanenden Bearbeitungsvorgangs (also zum Startzeitpunkt t = 0, vgl. 1) bereits (zumindest annähernd) auf die stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat (Gleichgewichtstemperatur) vorgewärmt ist. Durch diese Vorwärmung kann das Werkzeug 1 somit von Beginn des spanenden Bearbeitungsvorgangs an im stationären Bereich betrieben werden und ein Betrieb im instationären Bereich mit seinen ausgeprägten Temperaturgradienten und quantitativ nur schwer erfassbaren Werkzeugdeformationen wird vorteilhafterweise vermieden.
Im Gegensatz zu den bisherigen, auf schneller Wärmeableitung beruhenden Kompensationslösungen werden also erfindungsgemäß die Werkzeugtemperaturen vor Start des spanenden Bearbeitungsvorgangs erhöht (siehe 1 und 3). Dies wird erreicht, indem dem Werkzeug 1 gezielt Wärmeenergie zugeführt wird. Hierzu wird das Werkzeug 1 gemäß dem im unteren Teil der 1 schematisch gezeigten Aufbau mittels einer Heizeinrichtung 4 vorgewärmt. Die sich daraufhin in der Vorwärmphase (t < 0), vor Start des spanenden Bearbeitungsvorgangs einstellende Werkzeugtemperatur wird mittels eines entsprechenden Temperatursensors gemessen, wobei die Heizleistung der Heizeinrichtung 4 dann in Abhängigkeit von der gemessenen Werkzeugtemperatur von einem Regler so eingestellt werden kann, um die Werkzeugtemperatur auf einen vorgegebenen Temperatur-Sollwert zu regeln, der vorzugsweise der vorstehend erläuterten stationären Werkzeugtemperatur ΔT_stat (Gleichgewichtstemperatur) entspricht. Wird die Temperatur exakt auf das Niveau ΔT_stat des stationären Zustands angehoben, dann kann der instationäre Bereich – wie in 1 gezeigt – vorteilhafterweise sogar ganz eliminiert und das Werkzeug 1 somit vom Start des spanenden Bearbeitungsvorgangs an im stationären Bereich betrieben werden, in dem die zeitkonstante Werkzeugdeformation Δs_stat durch einen in der Maschinensteuerung hinterlegten entsprechenden Offset-Wert problemlos korrigierbar ist.
Das Vorwärmen des Werkzeugs 1 kann insbesondere durch induktives Vorwärmen erreicht werden. Ein wesentlicher Vorteil des induktiven Vorwärmens ist, dass eine Erwärmung des Werkzeugs 1 in hocheffizienter und ressourcenschonender Weise allein durch induzierte Wirbelströme hervorgerufen wird.
In 3 ist die vorgeschlagene Methode zur Reduzierung des instationären Bereichs im Temperaturverlauf eines zur spanenden Bearbeitung eingesetzten Werkzeugs 1 schematisch abgebildet. Hierbei wird der im oberen Diagramm dargestellte zeitliche Temperaturverlauf für ein nicht-temperiertes Werkzeug mit dem im unteren Diagramm dargestellten zeitlichen Temperaturverlauf bei einem erfindungsgemäß vorgewärmten Werkzeug verglichen. Die Größe der Vorwärmparameter muss auf den Prozess abgestimmt werden. In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Werkzeugtemperatur durch Vorwärmung auf ein Niveau ΔT_V angehoben, das noch unterhalb der stationären Werkzeugtemperatur ΔT_stat liegt. Hierdurch wird eine deutliche Verkleinerung der Dauer At_inst des im unteren Diagramm der 3 durch dunkelgraue Hinterlegung gezeigten instationären Bereichs im Vergleich zum im oberen Diagramm der 3 durch hellgraue Hinterlegung gezeigten instationären Bereich bewirkt.
Denkbar ist es allerdings auch, dass – wie im Ausführungsbeispiel nach 1 gezeigt – in der Vorwärmphase (vor Beginn des spanenden Bearbeitungsvorgangs) eine höhere Temperatur ΔT_V des Werkzeugs 1 als im stationären Bereich realisiert wird. Dadurch kann die Abkühlung des Werkzeugs 1 in der Zeit zwischen Vorwärmung und Prozessbeginn der spanenden Bearbeitung berücksichtigt werden und somit zu Prozessbeginn die stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat genau getroffen werden. In einem solchen Fall nimmt das Werkzeug 1 über die gesamte Prozessdauer des spanenden Bearbeitungsvorgangs einen temperaturstabilen stationären Zustand an. Ein zu Prozessbeginn vorliegender, instationärer Temperaturzustand mit schwer zu quantifizierenden Werkzeugdeformationen wird somit gänzlich vermieden (siehe 1).
Ein wesentlicher Vorteil, der von der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kompensationslösung ausgeht, ist, dass sich über die gesamte Dauer (t > 0) des spanenden Bearbeitungsvorgangs, also auch in seiner kritischen Startphase (unmittelbar nach dem Startzeitpunkt t = 0) eine quantifizierbare Verschiebung der Kontur (Istkontur) gegenüber der Sollkontur ergibt. Wie aus 1 erkennbar, nimmt die thermoelastische Dehnung Δs des Werkzeugs 1 über die gesamte Spanprozessdauer ab dem Startzeitpunkt (t = 0) einen zeitunabhängigen konstanten Wert Δs_stat an. Diese Dehnung Δs_stat wird in der Maschinensteuerung durch einen konstanten Offset-Wert automatisch korrigiert. Eine Anpassung der Konstruktion bzw. der Werkstoffe sowie die Anwendung von Kühlmethoden, wie sie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kompensationslösungen verfolgt werden, ist nicht notwendig, da der Wert für die Offset-Korrektur keinen bestimmten Kriterien genügen muss. Bearbeitungsungenauigkeiten am Werkstück 2 aufgrund eines instationären Temperaturzustands des Werkzeugs 1 sind ausgeschlossen.
5 zeigt eine als 3-Achs-Fräsmaschine ausgebildete Werkzeugmaschine 3, die zur Vorwärmung des Fräswerkzeugs 1 mit einer Heizeinrichtung in Form eines Induktors 4 ausgerüstet ist, die an einer dem zu bearbeitenden Werkstück 2 benachbarten Position auf dem Werkstücktisch 5 angeordnet ist.
Bevor eine Werkstückbearbeitung erfolgt, wird durch die Maschinensteuerung der Induktor 4 angefahren, d. h. die Steuerung der Werkzeugmaschine 3 ist derart ausgebildet, dass das Werkzeug 3 vor Beginn der spanenden Werkstückbearbeitung zunächst in den Induktor 4 eingetaucht wird. Hierbei wird eine genaue Menge genau lokalisierter Wärme ohne physische Berührung zwischen dem Induktor 4 und dem Werkzeug 1 übertragen. Nach einer vorgebbaren Verweildauer (Vorwärmzeit) des Werkzeugs 1 im Induktor 4 ist das Werkzeug 1 somit auf eine gewünschte Temperatur (z. B. ΔT_V gemäß 1) vorgewärmt.
In diesem vorgewärmten Zustand kann das Werkzeug 1 nun unmittelbar zum Werkstück 2 verfahren werden, um mit dessen spanender Bearbeitung zu beginnen. Alternativ können – wie in 1 dargestellt – durch das Vorwärmen im Induktor 4 höhere Werkzeugtemperaturen als im stationären Bereich realisiert werden. In einem solchen Fall wird das Werkzeug 1 nach dem Herausfahren aus dem Induktor 4 in einer Abkühlposition ”geparkt”. In einer solchen Abkühlposition zwischen Vorwärmung und Prozessbeginn der spanenden Bearbeitung kann durch kontinuierliche Überwachung der Werkzeugtemperatur der genaue Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem die Temperatur des Werkzeugs 1 die vorher bestimmte stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat erreicht. Genau zu diesem Zeitpunkt kann dann die spanende Bearbeitung gestartet werden mit der Folge, dass ein unerwünschter instationärer Temperaturzustand des Werkzeugs 1 (wie er in 2 während der Zeitdauer Δt_inst vorliegt) gänzlich eliminiert wird. Das Werkzeug 1 nimmt nämlich in diesem Fall bereits von Beginn des spanenden Bearbeitungsvorgangs die stationäre Werkzeugtemperatur ΔT_stat an und ein in der Startphase auftretendes instationäres Temperaturverhalten wird somit ausgeschlossen.
In jedem Fall wird die gewünschte Kontur des Werkstücks 2 vom vorgewärmten Werkzeug 1 abgefahren und Bearbeitungsungenauigkeiten bedingt durch instationäre thermoelastische Verformungen des Werkzeugs 1 bestehen nicht mehr oder sind zumindest unwesentlich. Damit kann die Ausschussquote der Werkzeugmaschine 3 deutlich reduziert werden.
Statt in einer Fräsmaschine kann die Heizeinrichtung 4 zur Vorwärmung des Werkzeugs 1 auch in einer beliebig anderen Werkzeugmaschine zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks 2, wie z. B. in einer Dreh- und/oder Bohrmaschine, zum Einsatz gelangen. Die Heizeinrichtung 4 kann dabei ohne großen konstruktiven Aufwand in bestehende Werkzeugmaschinen integriert werden, um eine Vorwärmung des Werkzeugs 1 und somit einen temperaturstabilen Bearbeitungsprozess gemäß 1 zu realisieren.
Zur Positionierung der Heizeinrichtung 4 bietet sich – wie in 5 dargestellt – insbesondere der Werkstücktisch 5 an, da hier nur ein kurzer Verfahrweg zwischen der Heizeinrichtung 4 und dem zu bearbeitenden Werkstück 2 besteht und demzufolge nach der Vorwärmung und vor Beginn der spanenden Bearbeitung mit keiner oder nur einer geringfügigen Abkühlung des Werkzeugs 1 zu rechnen ist, wodurch eine besonders effiziente Vorwärmung des Werkzeugs 1 gegeben ist. Prinzipiell kann jedoch jeder vom Werkzeug 1 anfahrbare Ort im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine 3 zur Positionierung der Heizeinrichtung 4 dienen. Auch ist es denkbar, die Heizeinrichtung 4 an oder im Spindelstock der Werkzeugmaschine 3 bzw. im Falle einer Drehmaschine am oder im Werkzeugrevolver oder am oder im Werkzeugwechsler vorzusehen. Zudem sind statt der in 5 dargestellten berührungslosen Erwärmung mittels eines Induktors 4 auch berührende Methoden zur Erwärmung des Werkzeugs 1, bspw. mittels eines regelbaren elektrischen Heizgerätes, einsetzbar.
Ein Vorwärmen des Werkzeugs 1 ist bei jedem Neustart des spanenden Bearbeitungsprozesses oder nach jeder längeren Unterbrechung desselbigen sinnvoll, um ein instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs 1 in der Startphase des spanenden Bearbeitungsprozesses und daraus resultierende Bearbeitungsungenauigkeiten zu verhindern. Zudem kann durch das Vorwärmen auch die Standzeit des Werkzeugs 1 erhöht werden, da hohe Temperaturgradienten in der Startphase des spanenden Bearbeitungsprozesses entfallen. In qualitativer Hinsicht werden somit durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine deutliche Vorteile erzielt, die im Gegensatz zu bekannten Kühlschmierstoffkonzepten zudem auch in einer ressourcenschonenden und effizienten Weise erhalten werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks mithilfe eines Werkzeugs sowie eine für ein solches Verfahren einsetzbare Werkzeugmaschine. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Werkzeug vorgewärmt, um ein bei der anschließenden spanenden Bearbeitung des Werkstücks auftretendes instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs zu reduzieren oder zu eliminieren. Hierdurch kann im gesamten Prozess eine gegenüber der Stellkontur quantifizierbare, nicht zeitabhängige Verlagerung der Werkzeugkontur realisiert werden. Eine solche Verlagerung kann in einer Maschinensteuerung als konstante Offset-Korrektur erfasst und daraus resultierende Bearbeitungsungenauigkeiten somit vollständig korrigiert werden.

Claims

Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks (2) mithilfe eines Werkzeugs (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) vorgewärmt wird, um ein bei der anschließenden spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) auftretendes instationäres Temperaturverhalten des Werkzeugs (1) zu reduzieren oder zu eliminieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Vorwärmen die Temperatur des Werkzeugs (1) zu Beginn (t = 0) der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) auf einem Niveau (ΔT_V) liegt, das der sich bei der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) einstellenden stationären Werkzeugtemperatur (ΔT_stat) entspricht oder dieser zumindest innerhalb von vorgegebenen Grenzen nahe kommt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Vorwärmen die Temperatur des Werkzeugs (1) vor Beginn (t = 0) der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) auf ein Niveau (ΔT_V) angehoben wird, das die sich bei der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) einstellende stationäre Werkzeugtemperatur (ΔT_stat) übersteigt, wobei gewartet wird, bis die Temperatur des Werkzeugs (2) auf diese stationäre Werkzeugtemperatur (ΔT_stat) zurückfällt, bevor mit der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (1) begonnen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) einstellende stationäre Werkzeugtemperatur (ΔT_stat) zu einer konstanten Verschiebung (Δs_stat) oder Verlagerung der Kontur des Werkzeugs (1) führt, die als ein konstanter Offset-Wert von einer Steuerung erfasst und während der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) automatisch korrigiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung (4) vorgesehen ist und das Werkzeug (1) vor Beginn (t = 0) der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) zu dieser Heizeinrichtung (4) verfahren wird, um das Werkzeug (1) zum Vorwärmen für eine vorgegebene Zeitdauer in einer vorgegebenen Vorwärmposition zu halten, bevor es zum zu bearbeitenden Werkstück (2) verfahren wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmen des Werkzeugs (1) durch berührungslose Erwärmung, z. B. durch induktive Erwärmung, erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorwärmen des Werkzeugs (1) durch berührende Erwärmung, z. B. mittels eines regelbaren elektrischen Heizgerätes, erfolgt.
Werkzeugmaschine (3), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, mit wenigstens einem Werkzeug (1) zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (3) eine Heizeinrichtung (4) zum Vorwärmen des Werkzeugs (1) umfasst.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Werkzeug (1) um ein Bohr-, Fräs- und/oder Drehwerkzeug handelt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (4) sich an einer vor Beginn (t = 0) der spanenden Bearbeitung des Werkstücks (2) vom Werkzeug (1) anfahrbaren Position im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine (3) befindet.
Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (4) auf einem Werkstücktisch (5) und/oder an oder in einem Spindelstock und/oder an oder in einem Werkzeugrevolver und/oder an oder in einem Werkzeugwechsler der Werkzeugmaschine (3) angeordnet ist.
Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (3) eine Steuerung umfasst, um vor jedem spanenden Bearbeitungsvorgang das Werkzeug (1) zur Heizeinrichtung (4) zu verfahren, dort für eine vorgegebene Zeitdauer in einer vorgegebenen Vorwärmposition zu halten und somit auf eine vorgegebene Vorwärmtemperatur zu bringen.
Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (4) ein Induktor ist, in welchen das Werkzeug (1) zum Vorwärmen einfahrbar und durch induzierte Wirbelströme vorwärmbar ist.