DE10341776B4 - Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines rotierenden, spanabhebenden Werkzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mittels eines rotierenden, spanabhebenden Werkzeugs (2), bei welchem das Werkzeug (2) längs Bahnen (3) relativ zu dem Werkstück (1) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Grenzen von mittels zumindest eines Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen ermittelt werden, dass im Bereich der Grenzen von mittels des Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen eine Zustell- und/oder Abhebebewegung des Werkzeugs (2) festgelegt wird und dass die Zustell- oder Abhebebewegung bei der Bearbeitung des Werkstücks (1) im Bereich der Grenzen von mittels des Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen erfolgt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs. Im Speziellen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines rotierenden, spanabhebenden Werkzeugs, bei welchem das Werkzeug längs Bahnen relativ zu dem Werkstück bewegt wird.
• Im Folgenden wird der zugrunde liegende Stand der Technik in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsvorganges an einem Übergang eines Werkstücks,
• 2 die Bearbeitung eines Werkstücks entlang mehrerer Bahnen,
• 3 eine typische Werkstückgeometrie zur Anwendung bei der vorliegenden Erfindung, und
• 4 einen fehlerhaften Übergangsbereich gemäß dem Stand der Technik.
• Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels Fräsen oder Schleifen richtet sich die Werkzeuggeometrie nach der Geometrie des Werkstückes. Insbesondere bestimmen die Innenradien im Werkstück den maximalen Außendurchmesser des Werkzeuges, der eingesetzt werden kann. Bei der Herstellung von Freiformflächen im Werkzeug- und Formenbau durch Fräsen mit kugelförmigen Fräswerkzeugen muss beispielsweise der Radius des Fräswerkzeuges stets kleiner oder gleich dem minimalen Innenradius in der Fläche sein, um diesen herstellen zu können. Andernfalls bleibt ein unerwünschtes Restmaterial in den Innenradien des Werkstückes nach der Bearbeitung stehen.
• Die 1 zeigt einen derartigen Bearbeitungszustand bei einem Werkstück 1, dessen Oberfläche von einem horizontalen Bereich in eine geneigte Flanke übergeht. Bei der Bearbeitung mittels eines rotierenden Werkzeugs 2, welches an seinem vorderen Ende einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, verbleibt in der Kehle ein Restmaterial 5.
• Andererseits ist es wünschenswert, ein möglichst großes Werkzeug für die Bearbeitung einzusetzen, um eine möglichst kurze Bearbeitungszeit zu erreichen. Der Werkzeugradius bestimmt nämlich die mögliche seitliche Zustellung bei einer gewünschten Oberflächenqualität. Je größer der Radius des Bearbeitungswerkzeuges ist, desto größer kann auch die seitliche Zustellung sein, bei gleicher Oberflächenqualität am Werkstück, beispielsweise beim Fräsen mit kugelförmigen Werkzeugen der Zeilenabstand zwischen den einzelnen Werkzeugbahnen. Je größer die mögliche Zustellung, bzw. der Zeilenabstand ist, desto kürzer wird das Bearbeitungsprogramm und damit auch die Bearbeitungszeit.
• Die 2 zeigt diesen Zustand, bei welchem die unterschiedlichen, zueinander parallelen Bahnen mittels der Kontur des Werkzeugs 2 angedeutet sind. Es ist ersichtlich, dass zwischen den einzelnen Bahnen jeweils ein Restmaterial 5 verbleibt, welches zu einer Restrauhigkeit R führt.
• Es gibt viele Werkstückgeometrien, bei denen die kleinsten Innenradien nur in einem kleinen Teilbereich des Werkstückes vorhanden sind. Bei diesen Werkstücken wäre es sehr unwirtschaftlich, die gesamte Bearbeitung mit dem durch den kleinsten Innenradius vorgegebenen Bearbeitungswerkzeug durchzuführen. Man setzt üblicherweise zwei oder mehr Werkzeuge ein, ein großes für die Bearbeitung der Bereiche mit großen Krümmungsradien, für das eine größere Zustellung gewählt werden kann und ein kleines Werkzeug für die Bearbeitung der Geometriebereiche, die nur von diesem Werkzeug bearbeitet werden können.
• Das führt zu kürzeren Bearbeitungszeiten auf Grund der größeren Zustellung bei dem größeren Werkzeug.
• Die 3 zeigt eine derartige Werkstück-Situation, bei welcher eine nutartige Vertiefung mit einem relativ kleinen Radius eingearbeitet werden muss.
• Die beschriebene Vorgehensweise hat den Nachteil, dass es auf Grund von Ungenauigkeiten beim Vermessen der Bearbeitungswerkzeuge in der Maschine, unterschiedlichen Schnittverhaltens (z.B. unterschiedlicher Schnittdrücke) und anderer Effekte zu kleinen Absätzen auf der Oberfläche des Werkstückes kommt, auch dann, wenn die Bearbeitungsmaschine die Programme mit idealer Genauigkeit ausführt, was in der Praxis auch nicht erreichbar ist. Diese unerwünschten Absätze führen zu erhöhter manueller Nacharbeit, besonders bei Oberflächen, die Polierqualität haben müssen. Die Absätze müssen in Nacharbeit angeglichen und auf diese Weise beseitigt werden, beispielsweise durch polieren.
• Die 4 zeigt diese Situation, dabei ist insbesondere ein Absatz A dargestellt, der sich durch den Einsatz des gezeigten Werkzeugs 2 mit geringerem Durchmesser ergibt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine gute Werkstückoberfläche schafft.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass zunächst die Grenzen von Bearbeitungsbereichen ermittelt werden, die mittels zumindest eines jeweiligen Werkzeugs zu bearbeiten sind, dass dann im Bereich dieser Grenzen eine Zustell- und/oder Abhebebewegung des Werkzeugs festgelegt wird und dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung bei der Bearbeitung des Werkstücks im Bereich dieser Grenzen erfolgt bzw. realisiert wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus.
• Erfindungsgemäß werden die Bearbeitungsprogramme so in der Steuerung der Maschine nach Vorgaben des Bedieners oder auch bereits im Programmiersystem, dem CAM-System, modifiziert, dass die unerwünschten Absätze vermieden werden und Flächen, die auf einem Werkstück von unterschiedlichen Werkzeugen bearbeitet werden und die tangential ineinander laufen sollen auch wirklich tangential ineinander laufen.
• In besonders günstiger Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bearbeitungsgrenzen so bestimmt werden, dass sich eine Überlappung benachbarter Bearbeitungsbereiche ergibt.
• Somit überlappen sich die von unterschiedlichen Bearbeitungswerkzeugen bearbeiteten Bereiche auf dem Werkstück. Zusätzlich können die Werkzeugbahnen im Randbereich der Bearbeitung eines Programmes erfindungsgemäß so modifiziert werden, dass das Bearbeitungswerkzeug während der Bearbeitung sich an den Stellen, an denen es sich dem Rand des Bearbeitungsbereiches des jeweiligen Bearbeitungsprogrammes nähert, minimal von der Werkstücksolloberfläche weg bewegt. Diese leichte "Abhebebewegung" muss sehr gering sein, sodass keine unerwünschten "Knicke" in der Oberfläche entstehen. Wenn dieses Verfahren bei der Bearbeitung mit Programmen für zwei unterschiedliche Bearbeitungswerkzeuge eingesetzt wird, die sich überlappen, dann entsteht ein "quasitangentialer" Übergang auf der Werkstückoberfläche in dem Bereich, der von den beiden Bearbei tungswerkzeugen hergestellt wurde, auch wenn diese nicht exakt das gleiche Maß am Werkstück herstellen.
• Im Werkzeug- und Formenbau sind die Bearbeitungsprogramme für einen Teilbereich eines Werkstückes häufig mäanderförmig angelegt. Bei diesen mäanderförmigen Programmen kann die Steuerung die Randbereiche der Bearbeitung durch eine einfache Geometrieanalyse feststellen, die online während der Bearbeitung berechnet wird. Eine mäanderförmige Bearbeitung hat in der Regel vier Randbereiche, ähnlich den vier Seiten eines Rechteckes, die für diesen Zweck modifiziert werden müssen. Eine Seite wird durch den Anfang der Bearbeitung bestimmt und ist mit dem Anfang des Bearbeitungsprogrammes gleichzusetzen. Eine weitere Seite wird durch das Programmende hergestellt und ist mit Hilfe einer entsprechenden Vorausschau (Look Ahead Funktion wie in modernen Steuerungen bekannt) einfach zu erkennen. Die anderen beiden Seiten werden durch den Zeilensprung im Programm charakterisiert und können beispielsweise durch eine einfache Geometrieanalyse in der Bearbeitungsebene leicht erkannt werden. Bei dem Mäander erfolgt eine Richtungsumkehr im Programm von ca. 180 Grad mit einem Zwischenschritt zu Übersetzen in die nächste Zeile. Diese Geometrie charakterisiert das Übersetzen in die nächste Bearbeitungszeile eindeutig und kann mit einfachen mathematischen Funktionen sicher in der Steuerung erkannt werden. Bei nicht mäanderförmigen Bearbeitungen können ähnliche Kriterien zur Erkennung der Randbereiche einer Bearbeitung gefunden werden.
• Alternativ können die Randbereiche einer Bearbeitung auch auf dem Bildschirm festgelegt werden, z.B. mit Hilfe eines Simulationsprogrammes, das die Werkzeugbahnen auf dem Bildschirm darstellt. Durch Einzeichen einfacher Hilfslinien kann der Beginn der Randbereiche vom Maschinenbediener definiert werden. Über weitere einfache Angaben kann das Maß der Abhebebewegung definiert werden, beispielsweise die Steigung in 0,001 mm/1 mm.
• Die Festlegung der Grenzen für die Bearbeitung bzw. der Randbereiche für die Bearbeitung kann somit durch den Benutzer erfolgen, quasi "manuell". Es ist jedoch auch möglich, diese Grenzen "automatisch" durch das Bearbeitungsprogramm festlegen zu lassen.
• Das Abheben des Werkzeuges in den Randbereichen einer Bearbeitung erfolgt erfindungsgemäß in günstiger Ausgestaltung der Erfindung normal zur Oberfläche des herzustellenden Werkstückes. Dazu können die vom Programmiersystem hilfsweise im Bearbeitungsprogramm angegebenen Normalenvektoren, die die Flächennormale zur Werkstückoberfläche in dem jeweiligen Programmpunkt definieren, herangezogen werden.
• Alternativ ist es erfindungsgemäß möglich, eine Simulation der Bearbeitung online in der Steuerung mitzuberechnen. Die Simulation berechnet mit Hilfe der in der Steuerung bekannten Geometriedaten des Bearbeitungswerkzeuges online den Bearbeitungsfortschritt am Werkstück mit und kann daraus erkennen, wie die Neigung der Werkstückoberlfäche im jeweiligen Bearbeitungspunkt im Raum liegt und damit die Abheberichtung erkennen. Eine online Simulation kann auch dazu genutzt werden, die Randbereiche einer Bearbeitung festzustellen. Dazu muss für die Feststellung des Programmendes lediglich eine ausreichend große Lookaheadfunktion (Vorausschau) vorgesehen werden.
• Vereinfacht ist es erfindungsgemäß auch möglich, eine Maschinenachse oder eine beliebige andere feste Richtung im Raum als Abheberichtung zu definieren. Dieses Verfahren reicht bei sehr ebenen Bearbeitungen aus.
• Erfindungsgemäß ist es auch vorteilhaft, nicht nur eine Abhebebewegung durchzuführen, sondern auch eine langsame Zustellung, beispielsweise bei Programmbeginn. Durch die Abhebe- bzw. Zustellbewegung des Bearbeitungswerkzeuges wird eine leichte Veränderung der Bearbeitung erreicht. Dies führt zu einer leichten Veränderung der Werkstückgeometrie. Dabei werden die Abhebe- bzw. Zustellbewegung von der Steuerung Idealerweise so ausgeführt, dass ein möglichst knickfreier tangentialer Übergang zu dem Bereich der Bearbeitung entsteht, bei dem keine Abhebebewegung erfolgt. Die durch die Abhebebewegung veränderte Werkstückgeometrie kann zum Rand des Bearbeitungsbereiches eines Programms hin linear ansteigend ausgebildet sein. Natürlich sind auch beliebige andere mathematische Funktionen denkbar, beispielsweise Parabeln.
• Die beschriebenen Modifikationen des Bearbeitungsprogrammes können natürlich auch im CAM-System, bzw. dem Programmiersystem statt in der Steuerung erfolgen.
• Bei Verwendung einer linearen Abhebegeometrie des Randbereiches der Berarbeitung kann dieser sehr einfach durch eine Maßeingabe definiert werden, beispielsweise mit 0,002 mm/1 mm für die Steigung und 5 mm für die Breite des Randbereiches. D.h., mit jedem Millimeter, die sich die Bearbeitung dem Rand nähert, würde das Werkzeug um 0,002 mm von der Werkstückoberfläche abheben, beginnend 5 mm vom Rand der Bearbeitung entfernt und endend auf einer Abhebehöhe von 0,01 mm am Rand. Natürlich ist die Abhebebewegung während sich das Werkzeug auf den Rand zu bewegt kontinuierlich. Gleiches gilt für die Zustellbewegung, wenn sich das Werkzeug vom Rand des Bearbeitungsbereiches wieder weg bewegt.
• Es gibt auch Bearbeitungsstrategien, bei denen der Bearbeitungsbereich nur zwei Seiten hat und daher die Abhebebewegung auch nur auf zwei Seiten erfolgen kann und muss. Beispielsweise bei einem ringförmigen Bearbeitungsbereich. Dieser hat geometrisch nur zwei Begrenzungsseiten, den Innenkreis und den Außenkreis. Natürlich sind auch beliebige andere Formen des Bearbeitungsbereiches denkbar, denen die beschriebene Abhebestrategie dann entsprechend angepasst werden muss, um Absätze auf der Oberfläche zu vermeiden. Bei eventuellen Übersetzbewegungen im Bearbeitungsprogramm müssen diese ebenfalls erkannt und berücksichtigt werden. Dies kann beispielsweise bei Inseln im Bearbeitungsbereich erforderlich sein. Um diese herum entsteht dann ein zusätzlicher Randbereich.
• Wenn es bekannt ist, dass sich ein Werkzeug bei der Bearbeitung mehr wegdrückt als ein anderes, das einen benachbarten Bereich bearbeitet, dass heißt, dass das erstere Werkzeug auf Grund höhere Bearbeitungskräfte nicht das Sollmaß herstellt, sondern bei der Bearbeitung ein Aufmaß entsteht, dann kann dieses Verhalten zusätzlich von der Steuerung kompensiert werden, indem die gesamte Bearbeitung dieses Werkzeuges in Richtung der Werkstückoberfläche etwas tiefer gesetzt wird. Für diese um ein Sollmaß tiefer gesetzte Bearbeitung kann die erfindungsgemäße Korrektur der Randbereiche zu Vermeidung von Absätzen trotzdem erfolgen.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
• 5 eine vereinfachte, schematische Darstellung der Übergangsbereiche und der erfindungsgemäßen Zustellbewegung bzw. Abhebebewegung,
• 6 eine mäandernde Bewegungsbahn eines Werkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung,
• 7 eine Auswahl eines Bearbeitungsbereiches durch optische Festlegung,
• 8 eine schematische Darstellung der Normalenvektoren, und
• 9 eine schematische Darstellung einer Auslaufbewegung bei Erreichen der Bearbeitungsgrenze.
• In den Figuren sind jeweils gleiche Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
• Die 5 zeigt in schematischer Darstellung, analog zur Darstellung der 4, ein Werkstück 1, mit einer horizontalen Fläche sowie einem Übergang zu einer geneigten Flanke. Zur Vermeidung des in 4 gezeigten Absatzes A erfolgt erfindungsgemäß in einem Überlappungsbereich L ein tangentialer Auslauf des vorhergehenden Werkzeugs sowie ein tangentialer Einlauf des nachfolgenden Werkzeugs, welches einen kleineren Durchmesser aufweist. Bei einer von links gemäß 5 fortschreitenden bahnenförmigen Bearbeitung (siehe auch 2), erfolgt eine tangential gerichtete Abhebe- oder Auslaufbewegung längs der Strecke T₁. Dies führt zu der gestrichelt dargestellten Kontur, welche durch das vorangegangene, nicht dargestellte Werkzeug mit größerem Durchmesser erzielt wird. Nach einem Werkzeugwechsel wird ein nachfolgendes, einen geringeren Durchmesser aufweisendes Werkzeug langsam längs einer Strecke T₂ zugestellt. Hierdurch erfolgt ein langsamer, tangentialer Einlauf des Werkzeugs. Die 5 zeigt die Situation in stark übertriebener Weise, um den Vorgang zu verdeutlichen. Es versteht sich, dass erfindungsgemäß in optimaler Ausgestaltung des Verfahrens keinerlei Absatz oder Übergangsschräge vorhanden ist.
• Die 6 zeigt eine mäandernde Werkzeugbewegung längs einer Werkstückfläche. Hieraus ergibt sich, dass insgesamt bei jeder Mäanderbewegung vier Bearbeitungsgrenzen vorgesehen sind, die in der Figur mit G₁, G₂, G₃ und G₄ dargestellt sind. Es ist selbstverständlich auch möglich, diese Grenzen anders zu definieren und einzuzeichnen, beispielsweise über den gesamten Bereich der mäandernd zu bearbeitenden Werkstückfläche.
• Die 7 zeigt eine weitere Variante, bei welcher die Grenzen des zu bearbeitenden Bereichs, beispielsweise am Bild schirm manuell ausgewählt werden. Dieser Bereich ist durch die Linien, die mit "G" bezeichnet sind, angegeben.
• In den 6 und 7 ist die Bewegungsbahn des Werkzeugs mit "3" bezeichnet.
• Die 8 zeigt in schematischer Darstellung eine konvexe Oberfläche eines Werkstücks 1, zu welcher schematisch mehrere Normalenvektoren 4 eingezeichnet sind, in deren Richtung die Abhebe- bzw. Zustellbewegung erfolgen sollte.
• Die Normalenvektoren 4 stehen normal, d.h. senkrecht auf der Werkstückoberfläche.
• Die 9 zeigt eine schematische Darstellung der Abhebebewegung eines Werkzeugs längs eines Abhebeweges T₁ (analog der Darstellung der 5). Es ergibt sich, dass erfindungsgemäß eine lineare Abhebegeometrie am Randbereich der Bearbeitung erfolgen kann, um einen glatten Übergang zu einem nachfolgenden Bearbeitungsbereich zu schaffen.

1

Werkstück

2

Werkzeug

3

Bahn

4

Normalenvektor

5

Restmaterial

R

Rauhigkeit

A

Absatz

L

Überlappungsbereich

G

Bearbeitungsgrenze

T

Zustell- und/oder Abhebeweg

Claims (12)

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (1) mittels eines rotierenden, spanabhebenden Werkzeugs (2), bei welchem das Werkzeug (2) längs Bahnen (3) relativ zu dem Werkstück (1) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Grenzen von mittels zumindest eines Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen ermittelt werden, dass im Bereich der Grenzen von mittels des Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen eine Zustell- und/oder Abhebebewegung des Werkzeugs (2) festgelegt wird und dass die Zustell- oder Abhebebewegung bei der Bearbeitung des Werkstücks (1) im Bereich der Grenzen von mittels des Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsgrenzen so bestimmt werden, dass sich eine Überlappung benachbarter Bearbeitungsbereiche ergibt.
3. Verfahren nach Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung so erfolgt, dass ein tangentialer oder quasitangentialer Ein- lauf bzw. Auslauf des Werkzeugs (2) in das Werkstück (1) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung normal zur Werkstückoberfläche erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung durch die jeweilige Maschinenachse festgelegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung parallel zu Normalenvektoren (4) erfolgt, die im Bearbeitungsprogramm angegeben sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung durch eine Online-Simulation der Bearbeitung und normal auf die dabei errechnete Werkstückoberfläche erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung langsam erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung über einen vorbestimmten Bearbeitungsweg erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustell- und/oder Abhebebewegung Maßabweichungen bei einem vorhergehenden Bearbeitungsvorgang kompensiert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen von mittels eines Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen in Abhängigkeit von der Geometrie des Werkstücks (1) ermittelt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen von mittels eines Werkzeugs (2) zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichen manuell ermittelt werden.