DE102004022360B4

DE102004022360B4 - Verfahren zur Feinbearbeitung, vorzugsweise zur Feinstschlichtbearbeitung, von Werkstücken vorzugsweise von Kurbelwellen

Info

Publication number: DE102004022360B4
Application number: DE102004022360.2A
Authority: DE
Inventors: Bernd Faigle
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: DE102004022360A1

Abstract

Verfahren zur Feinbearbeitung, vorzugsweise zur Feinstschlichtbearbeitung, von Werkstücken, vorzugsweise von Kurbelwellen, bei dem eine zylindrische Fläche mit mindestens einer geometrisch bestimmten Schneide (7) spanabhebend bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Fläche (6) mit wenigstens zwei Schneidkantenbereichen (17, 18) bearbeitet wird, die an einer einzigen Schneide (7) vorgesehen sind und deren Verschleißfestigkeit und/oder Geometrie unter Berücksichtigung wenigstens einer der Größen Schnittgeschwindigkeit (v), Zahl der Schneideneingriffe, Spanvolumen und auf das Werkstück wirkenden Abdrängkräfte gestaltet wird, dass die Schneide (7) an ihrer Schneidkante mit einer Fase versehen wird, deren Breite in Abhängigkeit von den auf das Werkstück (20) wirkenden Abdrängkräften gewählt wird, und dass die Feinbearbeitung durch orthogonales Drehfräsen erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung, vorzugsweise zur Feinstschlichtbearbeitung, von Werkstücken, vorzugsweise von Kurbelwellen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei der Bearbeitung von Lagerstellen, insbesondere der Haupt- und Hublager von Kurbelwellen, ist bekannt, nach einer Grob- bzw. Schlichtbearbeitung eine Feinst-Schlichtbearbeitung vorzunehmen. Für die Grobbearbeitung können Drehräumen, Fräsen, Drehen und dergleichen eingesetzt werden. Auch für die Schlichtbearbeitung können diese Verfahren eingesetzt werden. Verfahrensbedingt treten aufgrund von Verschleiß und Abdrängung Formfehler am Werkstück auf. Längs der Schneidkante der Frässchneiden treten z. B. unterschiedliche Verschleißverhältnisse auf. Sie haben zur Folge, dass die zu bearbeitende zylindrische Fläche am Werkstück unerwünschte Formabweichungen aufweist.
Die längs der Schneidkante auftretenden unterschiedlichen Zahneingriffsbedingungen verursachen außerdem (längs der Schneidkante) unterschiedliche Abdrängkräfte auf das Werkstück. Auch durch diesen Einfluss entstehen an den zu bearbeitenden zylindrischen Flächen am Werkstück unerwünschte Formabweichungen.
DE 103 44 549 B3 zeigt einen Fräser mit Stirn- und Umfangsschneiden. Die Schneiden haben jeweils einheitliche Schneidkanten. Die Stirnschneiden und die Umfangsschneiden werden eingesetzt, um für das Außendrehfräsen typische Umfangs- und Stirnschnittzerspanung verrichten zu können.
Aus WO 96/39 269 A1 sind ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Schneideinsatz bekannt, bei dem die verwendeten Wendeschneidplatten eine einheitliche Schneidenkante aufweisen. Es sollen Formfehler am Werkstück durch die Bearbeitung vermieden werden. Beispielsweise kann dem Problem der Schwingungsneigung durch die Aufteilung in mindestens zwei Fräsvorgänge entgegengewirkt werden. Auch soll eine hohe Formgenauigkeit dadurch erreicht werden, dass der Schnittvorgang in mindestens zwei Schnittvorgänge aufgeteilt wird.
DE 101 44 735 A1 zeigt einen Schaftfräser mit Schneideinsätzen, deren Schneidkante in Teilschneidkanten mit unterschiedlicher Geometrie unterteilt ist, um den Verschleiß und die Wärmeabfuhr zu optimieren.
Der Schneideinsatz für einen Fräser gemäß DE 203 20 089 U1 hat eine aus mehreren Kurvenabschnitten gebildete Schneidkante, deren Krümmung um eine Drehachse monoton steigend zunimmt, um die Schwingungsneigung, den Wärmeeintrag und die Zerspankräfte zu verringern.
Eine Wendeschneidplatte mit geometrisch bestimmter Schneide ist in DE 39 02 532 C1 beschrieben. Die Schneide hat mehrere Schneidkantenbereiche mit unterschiedlichen Beschichtungen zur Variation der Verschleißfestigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass in konstruktiv einfacher Weise bei der Bearbeitung der Werkstücke eine hohe Formgenauigkeit erzielt wird.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die zylindrische Fläche des Werkstückes mit wenigstens zwei unterschiedlichen Verschleiß- und/oder Geometrieabschnitten bearbeitet, die an einer einzigen Schneide vorgesehen sind. Die Verschleißfestigkeit und/oder die Geometrie dieser Abschnitte ist unter Berücksichtigung wenigstens einer der Größen Schnittgeschwindigkeit, Zahl der Schneideneingriffe, Spanvolumen oder auf das Werkstück wirkende Abdrängkräfte gestaltet. Auf diese Weise können Formabweichungen am Werkstück, die durch den Verschleiß der Schneidkante und/oder durch die auf das Werkstück während der Bearbeitung wirkenden, auf die unterschiedlichen Zahneingriffsbedingungen zurückzuführenden Abdrängkräfte entstehen, an der Schneidkante berücksichtigt werden. Die Schneide ist an ihrer Schneidkante mit einer Fase versehen, deren Breite in Abhängigkeit von den auf das Werkstück wirkenden Abdrängkräften gewählt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch labile Werkstücke, wie etwa Kurbelwellen, mit hoher Formgenauigkeit hergestellt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

1 die Eingriffsverhältnisse beim orthogonalen Drehfräsen,
2 die Eingriffslänge der Stirnschneide eines Fräswerkzeuges über den Drehwinkel des Fräswerkzeuges,
3 jeweils in Axial- und in Radialansicht ein Fräswerkzeug mit Werkstück beim Eintauch- und beim Rundfräsen,
4 in einem Diagramm den Verschleiß einer Nebenschneide eines Fräswerkzeuges über die Schneidkantenlänge,
5 in schematischer Darstellung den Verschleißverlauf an einer Schneidplatte eines Fräswerkzeuges,
6 die Formabweichung des Werkstückes in Abhängigkeit von der Anzahl der mit einer Schneide des Fräswerkzeuges bearbeiteten Werkstücke,
7a bis 7c die Geometrie der Schneide des Fräswerkzeuges zur Kompensation von Abdrängkräften,
8 den Formfehler über die Werkstück-Lagerbreite bei Einsatz des erfindungsgemäßen Fräswerkzeuges,
9 den Formfehler über die Werkstück-Lagerbreite bei Einsatz von herkömmlichen Fräswerkzeugen.

Bei der Bearbeitung von Kurbel- und Nockenwellen wird zunächst ein Schrupp- bzw. Grobbearbeitungsvorgang vorgenommen. Hierfür werden unterschiedlichste Verfahren eingesetzt, wie Drehräumen, Fräsen, Drehen und dergleichen. Im Anschluß an diese Grobbearbeitung folgt eine Schlichtbearbeitung, die beispielsweise durch Drehräumen, Fräsen oder Drehen durchgeführt wird. An die Schlichtbearbeitung kann unmittelbar eine Feinstschlichtbearbeitung anschließen, bei der das Werkstück im orthogonalen Drehfräsen bearbeitet wird. Es ist auch möglich, nach der Schlichtbearbeitung das Werkstück, wenn notwendig, zu härten und erst anschließend eine Feinstschlichtbearbeitung mit orthogonalem Drehfräsen vorzunehmen. Im Anschluß an diese Feinstschlichtbearbeitung wird in der Regel noch ein Finishvorgang angeschlossen, mit dem die feinstgeschlichtete Oberfläche des Werkstückes auf die gewünschte Endqualität gebracht wird.
Durch den Einsatz des orthogonalen Drehfräsens bei der Feinstschlichtbearbeitung erfolgt die gesamte Bearbeitung des Werkstückes vorzugsweise trocken bzw. mit einer Minimalmengenschmierung. Bei den üblichen bekannten Verfahren wird die Feinstschlichtbearbeitung durch Naßschleifen vorgenommen, was zu erheblichen Aufbereitungs- und Entsorgungskosten führt. Durch Einsatz des orthogonalen Drehfräsens für die Feinstschlichtbearbeitung ergibt sich im Vergleich zum Naßschleifen eine wesentliche Vereinfachung des Verfahrensablaufes. Insbesondere entfallen die beim Naßschleifen auftretenden, aufwendigen Aufbereitungs- und Entsorgungsmaßnahmen, die mit erheblichen Kosten verbunden sind.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein Fräswerkzeug 1, mit dem der orthogonale Drehfräsvorgang vorgenommen wird. Das Fräswerkzeug hat einen zylindrischen Werkzeugkörper 2, der zwei Frässchneiden 3, 4 trägt. Sie stehen radial und axial über den Werkzeugkörper 2 vor. Die beiden Frässchneiden 3, 4 haben, wie die Unteransicht zeigt, radialen Abstand voneinander.
In 1 ist die Frässchneide 3 vergrößert dargestellt. Bei der Bearbeitung des Werkstückes dreht das Fräswerkzeug 1 um seine Achse 5. Im zugehörigen Diagramm ist dargestellt, wie die Dicke des von der Frässchneide 3 abgenommenen Spanes vom Drehwinkel des Fräswerkzeuges 1 abhängt. Erkennbar ist, daß je nach Lage des jeweiligen Eingriffspunktes der Schneidkante 7 am Werkstück in unterschiedlicher Weise Span abgenommen wird. Ein innerer Bereich der Schneidkante 7 erzeugt Kurven 8, die während der Werkzeugdrehung um 180° teilweise im Eingriff sind, wobei dieser Eingriff ohne Unterbrechung erfolgt. In einem äußeren Bereich der Schneidkante 7 tritt während dieses Eingriffs eine Unterbrechung auf (Kurven 10).
In 2 ist der Drehwinkel des Fräswerkzeuges 1 gegen die Eingriffslänge der Schneidkante 7 der Frässchneiden 3, 4 aufgetragen. Erkennbar ist, daß nach einem kurzen Drehwinkel, beispielsweise bei 20°, die Eingriffslänge innerhalb eines sehr kleinen Drehwinkelbereiches auf ein Maximum 11 ansteigt, das beispielhaft zwischen 30° und 40° liegt. Mit zunehmendem Drehwinkel nimmt die Eingriffslänge der Schneidkante 7 ab und erreicht bei etwa 90° bis 100° ihr Minimum. Mit weiterem Drehwinkel nimmt die Eingriffslänge wieder zu, die beispielhaft bei etwa 140° ein weiteres Maximum 12 erreicht. Von da aus nimmt die Eingriffslänge mit zunehmendem Drehwinkel rasch ab, bis die Eingriffslänge der Schneidkante 7 bei etwa 160° auf Null gesunken ist. Das erste Maximum 11 der Eingriffslänge ist im Beispiel höher als das zweite Maximum 12. Weiter ergibt sich aus 2, daß die Eingriffslänge-Drehwinkel-Kurve nicht symmetrisch, sondern asymmetrisch verläuft. 2 zeigt, daß an der Schneidkante 7 während des Schneideingriffes unterschiedliche Eingriffsverhältnisse vorliegen, die zu Formabweichungen an der Werkstückoberfläche führen. Insbesondere ergibt sich durch diese unterschiedlichen Eingriffsverhältnisse beispielsweise eine Konizität der zylindrischen Mantelfläche 6 des Werkstückes. Die Formabweichungen in der Werkstückoberfläche hängen von der Steifigkeit des Werkstückes, vom Verschleißzustand der Frässchneiden 3, 4 sowie von den auftretenden Zerspankräften mit den daraus resultierenden Abdrängkräften ab. Kurbel- und Nockenwellen sind labile Werkstücke, so daß sich hier die unterschiedlichen Eingriffsverhältnisse der Schneidkanten 7 besonders auswirken, sofern keine Gegenmaßnahmen getroffen werden. Aufgrund der beschriebenen Eingriffsverhältnisse am Werkstück wird somit die gewünschte zylindrische Form der bearbeiteten Werkstückfläche 6 nicht erreicht. Es treten Formabweichungen, beispielsweise die erwähnte Konizität, auf.
Durch Einsatz des orthogonalen Drehfräsens als Feinstschlichtoperation können die beschriebenen Nachteile optimal vermieden werden.
Typische Toleranzen bei der Feinstschlichtbearbeitung für Lagerstellen von Kurbelwellen sind: $Durchmesser \pm 25 μ m$
$Rundheit < 25 μ m$
$Zylinderform < 25 μ m$
$R_{a} < 2 μ m$
$R_{z} < 8 μ m$
Die Schneide unterliegt bei der Werkstückbearbeitung einem Verschleiß. Wesentliche Ursachen für den Schneidenverschleiß sind die Schnittgeschwindigkeit, die Anzahl der Schneideneingriffe sowie das Spanvolumen. Eine Annahme der theoretischen Verschleißanalyse für diese drei wesentlichen Einflußgrößen ergibt folgendes Verhältnis: $\begin{array}{l} Schnittgeschwindigkeit : Anzahl Schneideneingriffe : Spanvo- \\ lumen = 1 : 1 : 4 \end{array}$
Diese Verhältnisse sind in 4 dargestellt. Hier ist der Verschleiß der Nebenschneide 7 gegen deren Länge aufgetragen. Die gestrichelte Linie 13 kennzeichnet den Einfluß der Zahl der Schneideneingriffe. Im Ausführungsbeispiel bleibt der Verschleiß der Schneidkante durch diese Einflußgröße über eine bestimmte Schneidkantenlänge konstant und steigt dann stark an. Die Kurve 14 kennzeichnet den Einfluß des Spanvolumens auf das Verschleißverhalten. Diese Einflußgröße erreicht etwa in halber Länge der Schneidkante ein Maximum. Vor und nach diesem Maximum nimmt der Einfluß über die Schneidkantenlänge ab. Dieses Maximum liegt etwa in gleicher Höhe der Schneidkante wie der Beginn des starken Anstieges der Zahl der Schneideneingriffe (Kurve 13). Die Kurve 15 schließlich kennzeichnet die Schnittgeschwindigkeit v_c, die über die Schneidkantenlänge stetig zunimmt.
Aufgrund dieser drei Einflußgrößen, die durch die Kurven 13 bis 15 gekennzeichnet sind, ergibt sich der mit einer ausgezogenen Linie 16 gekennzeichnete Verschleißverlauf über die Länge der Schneidkante. Erkennbar ist, daß der Gesamtverschleiß bis etwa in die halbe Schneidkantenlänge stark zunimmt, dort ein Maximum erreicht und anschließend wieder abnimmt. Die Abnahme des Schneidverschleißes ist aber geringer als im Bereich vor dem Maximum.
In 5 ist der Verschleißverlauf 16 an der Schneidkante 7 der Frässchneide 3 dargestellt. Es ist erkennbar, daß der Verschleiß der Schneidkante 7 im radial äußeren Bereich des Fräswerkzeuges 1 größer ist als im radial inneren Bereich.
Die Frässchneide 3, 4, die vorteilhaft als Wendeschneidplatte ausgebildet ist, ist unter Berücksichtigung des Verschleißverhaltens so ausgebildet, daß mit der Frässchneide 3, 4 etwa gleiche Ergebnisse erzielt werden können wie mit einem Schleifprozeß. Die Frässchneiden 3, 4 werden so ausgebildet, daß dem Verschleißverlauf 16 an der Schneidkante Rechnung getragen wird. Entsprechend dem unterschiedlichen Verschleißverlauf 16 wird die Frässchneide 3, 4 im Bereich der Schneidkante 7 entweder unterschiedlich gestaltet, oder es werden je nach Verschleißverhalten in den entsprechenden Bereichen des Fräswerkzeuges 1 unterschiedliche Schneidplatten 3, 4 aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt.
Bei einer ersten Ausführungsform wird zumindest im Bereich der Schneidkante 7 der Frässchneide 3, 4 in dem Bereich, in dem der größte Verschleiß auftritt, ein entsprechend verschleißfestes Material verwendet. Wie 5 beispielhaft zeigt, kann die Schneidkante 7 beispielsweise in zwei Schneidkantenbereiche 17 und 18 aufgeteilt werden. Im Schneidkantenbereich 17 tritt ein wesentlich höherer Verschleiß auf als im Schneidkantenbereich 18. Dementsprechend wird zumindest im Bereich der Schneidkante 7 im Schneidkantenbereich 17 ein verschleißfesteres Material verwendet als im Schneidkantenbereich 18.
Die Unterteilung des Verschleißverhaltens der Schneidkante 7 kann auch feiner unterteilt werden, so daß mehr als zwei Schneidkantenbereiche anzusetzen sind. Dementsprechend ist die Frässchneide 3, 4 in den unterschiedlichen Schneidkantenbereichen aus unterschiedlich verschleißfestem Material hergestellt.
Für den Schneidkantenbereich 17 bieten sich als verschleißfeste Materialien beispielsweise hochtemperaturresistente Beschichtungen und für den Schneidkantenbereich 18 konventionelles Hartmetall an. Aufgrund der unterschiedlichen Materialauswahl für den Bereich der Schneidkante 7 wird der Verschleißverlauf 16 optimal berücksichtigt, so daß beim orthogonalen Drehfräsen das Werkstück die gewünschte zylindrische Form aufweist.
Eine andere Möglichkeit, den Verschleißverlauf 16 an der Schneidkante 7 zu berücksichtigen, besteht darin, den unterschiedlichen Schneidkantenbereichen 17, 18 jeweils eine eigene Schneide 3, 4 zuzuordnen. Wie 1 beispielhaft zeigt, können für die unterschiedlichen Verschleißbereiche 17, 18 die beiden Frässchneiden 3 und 4 verwendet werden. So wird beispielsweise die Frässchneide 3 für den Schneidkantenbereich 17 und die Frässchneide 4 für den Schneidkantenbereich 18 angesetzt. Die beiden Frässchneiden 3, 4 sind zumindest im Schneidkantenbereich so gestaltet, daß dem unterschiedlichen Verschleißverhalten Rechnung getragen wird. Die dem Schneidkantenbereich 17 zugeordnete Frässchneide 3 besteht dementsprechend zumindest im Schneidkantenbereich aus einem wesentlich verschleißfesteren Material als die Frässchneide 4, die dem Schneidkantenbereich 18 zugeordnet ist. Die beiden Frässchneiden 3, 4 sind so am Werkzeugkörper 2 befestigt, daß mit der Frässchneide 3 der äußere und mit der Frässchneide 4 der innere Bereich am Werkstück bearbeitet wird.
Die Schnittgeschwindigkeit v_c ist innen und außen sehr unterschiedlich. Für die unterschiedlichen Bereiche am Werkstück können, sofern nur die Schnittgeschwindigkeit v_c berücksichtigt wird, die für die jeweilige Schnittgeschwindigkeit optimalen Materialien für die Frässchneiden 3, 4 gewählt werden. Sind die Schnittgeschwindigkeiten gering, können für die Frässchneiden 3, 4 herkömmliche hartmetallbeschichtete Schneidplatten eingesetzt werden. Für hohe Schnittgeschwindigkeiten eignen sich als Materialien beispielsweise CBN oder Cermets und dergleichen.
3 zeigt zwei unterschiedliche Möglichkeiten des orthogonalen Drehfräsens. Mit dem Fräswerkzeug 1 kann ein Eintauchfräsen vorgenommen werden. Das Fräswerkzeug 1 dreht um seine Achse 19 mit der Drehzahl n_T. Das zu bearbeitende Werkstück 20 rotiert um seine Achse 21 mit der Drehzahl n_w. Die beiden Drehachsen 19, 21 liegen senkrecht zueinander. Das Fräswerkzeug 1 wird im Beispiel tangential mit der Vorschubgeschwindigkeit v_f gegen das drehende Werkstück 20 bewegt. Der Vorschub des Fräswerkzeuges 1 erfolgt so lange, bis die Achse 19 den Abstand e von der Achse 21 des Werkstückes 20 hat. In dieser Stellung ist der Solldurchmesser des Werkstückes 20 erreicht. Anschließend wird mit einer Werkstückumdrehung die Rundfräsbearbeitung durchgeführt. Alternativ kann bereits während des tangentialen Eintauchens der Rundvorschub (Achse 21) eingeschaltet werden. Der Solldurchmesser wird auf der gesamten Lagerbreite nach mehreren Umdrehungen erreicht.
Das Werkstück 20 ist beispielhaft eine Kurbelwelle. Mit dem Fräswerkzeug 1 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel ein zylindrischer Zapfen 22 der Kurbelwelle 20 bearbeitet. Der zylindrische Zapfen 22 kann das Hub- oder das Hauptlager der Kurbelwelle 20 sein.
Im folgenden wird ein Beispiel für den orthogonalen Drehfräsvorgang beschrieben. Das zu bearbeitende Werkstück hat einen Durchmesser von ca. 50 mm. Am Umfang des Werkstückes 20 ist ein Aufmaß von 0,1 bis 0,5 mm abzunehmen, vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 mm. Der Zapfen 22 hat die axiale Breite b (3), die ungefähr 22 mm beträgt. Die Schnittbreite (Sekante) der Frässchneide 3, 4 beträgt 3 mm.
Das Fräswerkzeug 1 hat einen Werkzeugdurchmesser D_WZ von 23 mm. Die Länge der Schneidkante 7 beträgt 9,5 mm (4), von der die genutzte Schneidkantenlänge ca. 8 mm beträgt. Das Werkzeug 1 hat zwei Frässchneiden 3, 4.
Die Annäherung des Werkzeuges 1 an die zu fertigende Endkontur kann tangential erfolgen. Während dieser Eintauchbewegung kann das Werkstück 20 einen Winkelbereich α von 10° bis mindestens 1000° durchfahren haben. Hiermit kann die Eingriffslänge je nach Anforderung, zum Beispiel Stabilität des Werkstückes, angepaßt werden. Bei Erreichen der Exzentrizität e wird mindestens eine weitere Werkstückumdrehung benötigt, um die gewünschte Lagerbreite zu fertigen.
Die beschriebene Ausbildung des Schneidkantenbereiches der einzigen Frässchneide 3, 4 oder die Aufteilung auf unterschiedliche Frässchneiden führt dazu, daß trotz des beschriebenen unterschiedlichen Verschleißverhaltens der Zapfen 22 optimal zylindrisch mit hoher Qualität bearbeitet wird.
Die Schnittgeschwindigkeit an der Frässchneidplatte 3, 4 ändert sich von etwa 180 m/min im Bereich des minimalen Schneidkreises auf etwa 1000 m/min am Außendurchmesser des Fräswerkzeuges 1. Im äußeren Durchmesserbereich des Fräswerkzeuges 1 treten, wie anhand von 1 erläutert worden ist, zwei Schnittunterbrechungen auf, während im inneren Durchmesserbereich nur eine Schnittunterbrechung je Werkzeugumdrehung bei einer Schneide (pro Schneide) auftritt. Im mittleren Schneidenbereich ist das abzutragende Spanungsvolumen am größten. Aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeiten im Bereich des Werkzeugaußendurchmessers werden für den entsprechenden Schneidkantenbereich der Frässchneiden 3, 4 entsprechend verschleißfeste Materialien eingesetzt. So kann in diesem Bereich die Schneidplatte beispielsweise mit einer extrem temperaturbeständigen Beschichtung versehen sein. Der mittlere Durchmesserbereich der Schneidkante 7 muß ein verhältnismäßig hohes Zerspanungsvolumen aufnehmen können und besteht aus einem entsprechenden Material. Der innere Durchmesserbereich der Schneidkante 7 ist auf sehr kleine Spanungsdicken auszulegen. Die auftretenden unterschiedlichen Zahneingriffsbedingungen wirken sich nicht nur auf das Verschleißverhalten und somit auf die Wirtschaftlichkeit des orthogonalen Drehfräsens aus, sondern es entstehen auch unterschiedliche Abdrängkräfte auf das Werkstück 20 während der Bearbeitung. Wenn das Werkstück 20 ein labiles Werkstück ist, wie beispielsweise Kurbel- oder Nockenwellen, kommt es auch beim Schlichtvorgang zu Abdrängungen, die eine Profilverzerrung am Werkstückdurchmesser bewirken; oftmals entsteht eine Konizität.
Durch die Berücksichtigung der drei Parameter Schnittgeschwindigkeit, Zahl der Schneideneingriffe und Spanvolumen (4) bei der Gestaltung der Frässchneiden 3, 4 bzw. ihres Schneidkantenbereiches können diese Einflußgrößen so berücksichtigt werden, daß das Arbeitsergebnis am Werkstück 20 optimal ist. Es werden sämtliche genannten Einflußgrößen berücksichtigt und nicht mehr nur ein Durchschnittswert.
Im folgenden wird ein Beispiel für das Rundfräsen angegeben. Die Exzentrizität e zwischen den Drehachsen 19 und 21 des Fräswerkzeuges 1 und des Werkstückzapfens 22 beträgt 4 mm. Eine vorteilhafte Exzentrizität e berechnet sich nach der Beziehung $e = \frac{1}{2} \sqrt{{Dwz}^{2} - b^{2}}$
Hierbei sind D_WZ der Durchmesser des Fräswerkzeuges 1 und b die axiale Breite des Zapfens 22. Der Vorschub pro Frässchneide 3, 4 beträgt 0,1 mm. Die Drehzahl n_W des Werkstückes liegt zwischen 10 und 30 1/min und die Schnittgeschwindigkeit 180 m/min am Innendurchmesser bis 600 m/min am Außendurchmesser.
Die beschriebenen Werte für das Eintauch- sowie das Rundfräsen beim orthogonalen Drehfräsen sind nur beispielhafte Angaben und sind nicht beschränkend anzusehen.
Durch die unterschiedlichen Eingriffsverhältnisse am Werkstück 20 treten unterschiedliche, auf das Werkstück wirkende Abdrängkräfte auf, die ebenfalls zu unerwünschten Formabweichungen am Werkstück 20 führen können. Diese Abdrängkräfte können ebenfalls linearisiert bzw. kompensiert werden. Eine Möglichkeit der Kompensierung wird anhand von 5 näher erläutert. Durch den doppelten Schneideneingriff im äußeren Durchmesserbereich des Fräswerkzeuges 1 bei gleichzeitig sehr geringer Spandicke wird der Schneidkantenbereich 17 sehr scharfkantig ausgebildet. Der Schneidkantenbereich 18 wird mit einer Schneidkantenfase versehen, da dieser Bereich ein großes Spanungsvolumen abzutragen hat. Aufgrund einer solchen Ausbildung hat das Fräswerkzeug 1 den Vorteil, daß im Außendurchmesserbereich des Fräswerkzeuges 1 infolge der scharfkantigen Schneidkantenausführung geringe Zerspanungskräfte entstehen, wodurch der in diesem Bereich wirkenden größeren Eingriffslänge entgegengewirkt wird. Über die Lagerbreite des Werkstückes 20 bedeutet dies eine gleichmäßigere Kraftverteilung und dementsprechend eine höhere Werkstückgenauigkeit.
Es ist möglich, die Schneidkantenbereiche 17, 18 auf zwei Schneidplatten zu verteilen. So kann beispielsweise die Schneidplatte, die im äußeren Durchmesserbereich des Fräswerkzeuges 1 arbeitet und folglich sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten erfährt, aus CBN hergestellt sein, während die Schneidplatte für den inneren Durchmesserbereich als herkömmliche beschichtete Hartmetallschneidplatte ausgebildet sein kann.
6 zeigt die Formabweichung ΔF des Werkstückes 20 in Abhängigkeit von der Anzahl der mit der Schneidkante 7 bearbeiteten Werkstücke. Die Kurve 40 stellt die aus den auf das Werkstück 20 wirkenden Abdrängkräften resultierenden Formabweichungen ΔF dar. Sie sind über die Standzeit der entsprechenden Frässchneide 3, 4 konstant, weil sich die Eingriffsverhältnisse nicht ändern. Die Kurve 41 zeigt die durch den Verschleiß der Schneidkante 7 verursachten Formabweichungen ΔF. Sie nehmen mit zunehmender Standzeit der Schneidkante 7 zu, weil auch der Verschleiß mit zunehmender Standzeit zunimmt.
Um die entlang der Schneidkante 7 auftretenden unterschiedlichen Abdrängkräfte zu linearisieren bzw. zu kompensieren, wird die Schneidkante 7 entsprechend gestaltet. 7a zeigt die prozentuale Veränderung der Abdrängkräfte entlang der Schneidkante 7. Die Schneidkante 7 hat von der Achse 5 des Fräswerkzeuges 1 einen Abstand, der beispielhaft 4 mm beträgt. Die Abdrängkräfte am radial inneren Ende der Schneidkante 7 liegen beispielhaft bei etwa 50 % und nehmen zu, bis sie im Beispiel bei etwa 6,5 mm einen Maximalwert 42 erreichen. Die Abdrängkräfte nehmen dann bis zum radial außen liegenden Ende der Schneidkante 7 bis auf 0 % ab. Um den über die Schneidkantenlänge unterschiedlichen Verlauf der Abdrängkräfte während der Bearbeitung des Werkstückes 20 zu kompensieren, wird die Geometrie der Schneidkante 7 bei einer ersten Ausführungsform mit einer Fase entsprechend dem Verlauf der Abdrängkräfte versehen. 7b zeigt eine beispielhafte Lösung. Hier ist die Breite der Schneidkantenfase gegen die Länge der Schneidkante aufgetragen. Die Breite der Schneidkantenfase wird um so kleiner gewählt, je größer die auftretenden Abdrängkräfte sind. Die Schneidkantenfase hat dementsprechend im Bereich des Maximums 42 der Abdrängkräfte die kleinste Breite gemäß 7a, beispielhaft den Wert 0. Durch eine kleinere Fase werden die Schnittkräfte am jeweiligen Schneidkantenabschnitt geringer. Auf diese Weise werden die Abdrängkräfte entlang der Schneidkante 7 linearisiert. Die Breite der Schneidkantenfase ist dementsprechend dort am größten, wo die Abdrängkraft den Wert 0 erreicht, d.h. am radial äußeren Ende.
Eine weitere Möglichkeit, die Abdrängkräfte zu kompensieren, zeigt 7c. In diesem Falle wird die Spangeometrie längs der Schneidkante 7 so ausgebildet, daß die unterschiedlich großen Abdrängkräfte durch die Variation des Spanwinkels entlang der Schneidkante 7 linearisiert werden. Entsprechend dem Verlauf der Abdrängkräfte über die Länge der Schneidkante 7 wird der Spanwinkel erhöht. Dementsprechend ist der Spanwinkel in demjenigen Bereich der Schneidkante am größten, in dem das Maximum 42 der Abdrängkräfte auftritt. Entsprechend der Abnahme der Abdrängkräfte in Richtung auf das radial äußere Ende der Schneidkante 7 nimmt auch der Spanwinkel entsprechend ab.
Bei der herkömmlichen Drehfräsbearbeitung des Werkstückes zeigt der Formfehler ΔF über die Lagerbreite des Werkstückes 20 oftmals eine asymmetrische Ausbildung (9). Das Werkstück 20 weist dementsprechend statt der beabsichtigten Zylinderform eine konische Form auf. Diese Konizität des bearbeiteten Werkstückbereiches kann durch ein an das Drehfräsen anschließendes Bandfinishen nicht beseitigt werden. In 9 ist durch eine Linie 43 ein Andrückschuh der Bandfinishvorrichtung schematisch dargestellt. Infolge der asymmetrischen Formgestaltung nimmt der Andrückschuh 43 eine Schräglage in bezug auf die Werkstückachse 21 ein. Somit wird durch den Bandfinishvorgang die Konizität der Werkstückoberfläche nicht beseitigt.
Damit der Formfehler ΔF über die Lagerbreite spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, bezogen auf die Mitte der Lagerbreite, wird das Fräswerkzeug 1 mit mindestens zwei Schneidkanten versehen, die geneigt in das Fräswerkzeug 1 eingebaut werden. Das Fräswerkzeug ist somit mehrschneidig ausgebildet, wobei die Zahl der Schneidkanten mindestens 2 beträgt. Durch eine geringfügige Schräglage der Schneiden kann eine für das nachfolgende Finishen, vorzugsweise Bandfinishen, vorteilhafte Geometrie an der Werkstückoberseite erzeugt werden. In Verbindung mit den beschriebenen verfahrensbedingten Formabweichungen können vorteilhafte Werkstückgeometrien durch die Schrägstellung der Schneidkanten erreicht werden. Aufgrund dieser Schrägstellung kann der in 8 dargestellte symmetrische Verlauf des Formfehlers ΔF über die Lagerbreite des Werkstückes 20 einfach erreicht werden. Aufgrund der symmetrischen Oberflächenkontur werden vorteilhafte Voraussetzungen für das Formmaß-Finishen geschaffen, das meist im Anschluß an das Drehfräsen durchgeführt wird. Beim Formmaß-Finishen wird ein Schleifband über den Andrückschuh 43 gegen die rotierende Werkstückfläche gedrückt. Aufgrund der durch die Schrägstellung der Schneidkanten erzielten symmetrischen Ausbildung des Formfehlers ΔF über die Werkstück-Lagerbreite ergibt sich beim Formmaß-Finishen eine saubere zylindrische Form des Werkstückes 20 im bearbeiteten Bereich. Die Größe der Neigung der Schneidkanten hängt von der Steifigkeit des Werkstückes 20, von den Schneidstoffen, vom Material des Werkstückes 20 sowie vom vorhandenen Aufmaß am Werkstück 20 ab. Außerdem kann die Neigung jeder einzelnen Schneide verschieden sein von der Neigung der anderen Schneiden. Die Neigung kann nur wenige Hundertstel mm verschieden sein von Neigungen der Schneidkanten von Werkzeugen, die asymmetrische, insbesondere konische Flächen erzeugen. Die symmetrische Verteilung der Formfehler ΔF über die Werkstück-Lagerbreite kann durch sehr geringe Änderungen der Neigungswinkel der Schneidkanten erzeugt werden.
Neben der Schrägstellung der Schneidkanten können auch zusätzlich die beschriebenen Mechanismen bezüglich Verschleißverhalten und Abdrängverhalten bewußt verwendet werden, um nicht als primäres Ziel einen möglichst kleinen Formfehler zu erreichen, sondern eine für das nachfolgende Band-Finishen besonders geeignete Formabweichung zu erzeugen.
Das orthogonale Drehfräsen sowie die Fräswerkzeuge 1 können vorteilhaft bei der Hartbearbeitung der Werkstücke 20 eingesetzt werden, bei der oberflächengehärtete Werkstücke bearbeitet werden. Hierbei wird die Bearbeitung so durchgeführt, daß die beim Spanvorgang entstehende Spanungswärme nicht in das Werkstück 20 geht, sondern nach Möglichkeit im Span verbleibt. Durch die hohe Erwärmung des Spanes werden bei der Hartbearbeitung die Zerspankräfte verringert. Bei den bekannten Verfahren lassen sich diese Bedingungen nicht erreichen, da sich über die Schneidkantenlänge unterschiedliche Eingriffsverhältnisse ergeben. Mit der beschriebenen Anpassung der Frässchneiden 3, 4 an die unterschiedliche Eingriffsverhältnisse wird optimal erreicht, daß die beim Spanvorgang entstehende Spanungswärme im Span verbleibt und dadurch die Zerspankräfte klein gehalten werden.
Das beschriebene orthogonale Drehfräsen ist selbstverständlich auch für die Weichbearbeitung der Werkstücke geeignet, die nicht oberflächengehärtet sind.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist die Schneidkante 7 gerade ausgebildet. Sie kann von einem geraden Verlauf abweichen, beispielsweise auch stetig gekrümmt sein.

Claims

Verfahren zur Feinbearbeitung, vorzugsweise zur Feinstschlichtbearbeitung, von Werkstücken, vorzugsweise von Kurbelwellen, bei dem eine zylindrische Fläche mit mindestens einer geometrisch bestimmten Schneide (7) spanabhebend bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Fläche (6) mit wenigstens zwei Schneidkantenbereichen (17, 18) bearbeitet wird, die an einer einzigen Schneide (7) vorgesehen sind und deren Verschleißfestigkeit und/oder Geometrie unter Berücksichtigung wenigstens einer der Größen Schnittgeschwindigkeit (v_c), Zahl der Schneideneingriffe, Spanvolumen und auf das Werkstück wirkenden Abdrängkräfte gestaltet wird, dass die Schneide (7) an ihrer Schneidkante mit einer Fase versehen wird, deren Breite in Abhängigkeit von den auf das Werkstück (20) wirkenden Abdrängkräften gewählt wird, und dass die Feinbearbeitung durch orthogonales Drehfräsen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (7) zur Erzielung unterschiedlicher Verschleißfestigkeit mit unterschiedlich verschleißfesten Beschichtungen versehen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (7) zur Erzielung unterschiedlicher Verschleißfestigkeit mit unterschiedlichen Schneidstoffen versehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (7) gerade verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (7) gekrümmt verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das orthogonale Drehfräsen mit Rundfräsen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das orthogonale Drehfräsen mit Eintauchfräsen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmender Abdrängkraft die Breite der Fase der Schneidkante abnimmt und mit abnehmender Abdrängkraft zunimmt.
Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkante der Schneide (7) mit einem Spanwinkel versehen wird, der in Abhängigkeit von den auf das Werkstück (20) wirkenden Abdrängkräften verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanwinkel mit zunehmender Abdrängkraft zunimmt.
Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (7) geneigt eingebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) mindestens zwei geneigt eingebaute Schneiden (7) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiden (7) so geneigt eingebaut werden, dass die Formabweichung (ΔF) am Werkstück (20) über die bearbeitete Werkstücklänge einen zumindest annähernd symmetrischen Verlauf hat.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der symmetrische Verlauf symmetrisch zur Werkstückachse ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an die Feinbearbeitung ein Band-Finishen anschließt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Band-Finishen ein Formmaß-Finishen ist.