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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum rückwärtigen Bearbeiten von Flächen am
Rand von Bohrungen von Werkstücken
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Werkzeug zur Durchführung des
Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 13.
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Ein
Werkzeug zum rückwärtigen Einbringen von
Flächen
an Bohrungen ist in der
DE 37
35 859 beschrieben. Das Werkzeug weist an seiner Unterseite
einen exzentrisch zur Achse des Werkzeuges angeordneten axialen
Schaft auf, der mit einem radialen Vorsprung versehen ist, der wiederum
auf seiner der Spindel zugewandten Seite eine Schneide trägt, wobei
die radiale lichte Breite des Schaftes mit Vorsprung und Schneide
kleiner ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung. Das zugehörige Verfahren weist
folgende Schritte auf:
- a) mit stillstehender
Spindel wird unter Beibehaltung der Einspannung des Werkstückes das Werkzeug
radial verfahren in eine erste Position, in der die Achse des Werkzeuges
derart gegenüber
einer Längsachse
der Durchgangsbohrung versetzt ist, daß der Schaft mit Vorsprung
und Schneide sich axial innerhalb des Umrisses der Durchgangsbohrung
befindet;
- b) axiales Einfahren des Werkzeuges durch die Durchgangsbohrung
hindurch bis in eine zweite Position, in der sich die Schneide jenseits
der von der Spindel abgewandten zweiten Oberfläche befindet;
- c) radiales Verfahren des Werkzeuges in eine dritte Position,
in der die Achse des Werkzeuges koaxial zur Längsachse der Durchgangsbohrung liegt;
- d) Einziehen und Drehen des Werkzeuges zum Anbringen des zweiten
Abschnittes größeren Durchmessers;
- e) radiales Verfahren des Werkzeuges zurück in die zweite Position mit
stillstehender Spindel;
- f) axiales Ausfahren des Werkzeuges zurück in die erste Position.
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Bei
diesem Verfahren ist der maximal zu fertigende Durchmesser der Ansenkung
zunächst
begrenzt durch die Abmessungen der Durchgangsbohrung, der radialen
lichten Breite des Schaftes mit Vorsprung und Schneide sowie durch
den Schaftdurchmesser des Werkzeuges selbst. Prinzipbedingt ist der
Schaftdurchmesser meist deutlich kleiner als der Durchmesser der
Durchgangsbohrung. Die Leistungsfähigkeit des Werkzeuges hängt jedoch
in hohem Maße
vom Schaftdurchmesser ab. Zerspanungen, bei denen hohe Schnittkräfte auftreten,
können mit
diesem Verfahren nicht prozeßsicher
ausgeführt werden.
Hohe Zerspankräfte
treten auf bei schwer zerspanbaren Werkstoffen, wie zum Beispiel
bei Kugelgraphitguß oder
bei nichtrostenden Stählen,
bei hohen Vorschubwerten oder auch bei großen Schneideneingriffslängen.
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Ein
weiteres Werkzeug und Verfahren zum rückwärtigen Einbringen von Flächen an
Bohrungen ist in der
DE 22 06
935 beschrieben. An einem vorderen Ende eines Werkzeugendschaftes
ist in einem radialen Schlitz ein Schneidmesser schwenkbar angebracht,
das mittels einer sich axial verschiebbar durch den Antriebsschaft
erstreckenden Verstellstange zwischen einer in Schaftlängsrichtung
verlaufenen Ruhestellung und einer radial zum Schaft verlaufenden
Arbeitsstellung verschwenkbar ist. Der Antriebsschaft weist einen
Durchmesser auf, der nur geringfügig
kleiner ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung, jedoch ist
der Querschnitt durch Bohrungen für die Verstellstange und für einen
Anschlag sowie durch den radialen Schlitz erheblich geschwächt. Die
Aufhängung
der Schneide durch einen Stift mindert zusätzlich die Festigkeit des Systems, so
daß auch
dieses Werkzeug für
Bearbeitungen mit hohen Zerspankräften nicht geeignet ist. Außerdem muß die Verstellstange
durch ein durch die Spindel verlaufendes Kraftübertragungselement betätigt werden,
was in Verbindung mit der Ansteuerung über einen Aktuator einen großen konstruktiven
und steuerungstechnischen Aufwand darstellt.
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Beide
Verfahren können
auf gewöhnlichen Bearbeitungszentren
angewendet werden.
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Zum
rückwärtigen Einbringen
von Flächen an
Bohrungen werden auch Spezialmaschinen mit Spezialwerkzeugen verwendet,
beispielsweise bei der Bearbeitung von sogenannten Kalottenbohrungen
an Ausgleichsgehäusen
von Differentialgetrieben. Zur Bearbeitung der meist sphärischen
Flächen werden
sogenannte Kugelwerkzeuge in das Werkzeug über eine Transportvorrichtung
eingebracht und bei Erreichen der Bohrungsachse mit einer Antriebswelle
und mit einem Gegenhalter gekuppelt, wobei anschließend die
Transportvorrichtung entfernt wird. Danach erfolgt die Bearbeitung
der sphärischen
Fläche.
Im Anschluß wird
das Werkzeug in umgekehrter Reihenfolge wieder aus dem Werkstück entfernt.
Dieses Verfahren ist sehr kompliziert und wegen der aufwendigen
Baugruppen störanfällig. Insbesondere aufgrund
des komplizierten Bewegungsablaufs entstehen lange Taktzeigen, was
wiederum in hohen Stückkosten
resultiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren
und das gattungsgemäße Werkzeug
so auszubilden, daß in
einfacher und kostengünstiger
Weise auch mit hohen Schnittkräften
die Flächen
am Rand der Bohrungen angebracht werden können.
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Diese
Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Werkzeug
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Werkzeug
ist die Schneide, vorzugsweise eine Schneidplatte, fest am Werkzeugschaft
angebracht. Er ist so geformt, daß er geringfügig kleiner
ist als die Bohrung des Werkstückes.
Hat der Werkzeugschaft kreisförmigen
Querschnitt, dann ist der Schaftdurchmesser des Werkzeuges nur unwesentlich
kleiner als der Durchmesser der Durchgangsbohrung.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
erfolgt die Einfahrbewegung des Werkzeuges relativ zum Werkstück in die
Bohrung längs
einer Kurvenbahn. Dadurch kann zumindest der Werkzeugschaft mit
einem großen
Querschnitt versehen sein, so daß mit dem Werkzeug Zerspanungen
mit hohen Schnittkräften
durchgeführt
werden können.
Hierzu trägt
bei, wenn das Werkzeug bzw. der Werkzeugschaft ein stückig ausgebildet
ist. Das Werkzeug ermöglicht
dadurch eine hohe Leistungsfähigkeit.
Vorteilhaft erfolgt die Bearbeitung des Werkstückes in folgenden Schritten:
- a) Positionieren des Werkzeuges in der Anfangsposition
vor der Durchgangsbohrung mit stillstehender Spindel in definierter
radialer Position
- b) Einfahren des Werkzeuges durch die Durchgangsbohrung auf
einer Raumkurve in eine Bearbeitungsposition durch Achsinter polation
von wenigstens zwei NC-Achsen einer Werkzeugmaschine dergestalt,
daß zu
keinem Zeitpunkt das Werkzeug die Durchgangsbohrung berührt
- c) Starten der Spindelrotation bei Erreichen der Bearbeitungsstartposition
- d) Bearbeitung der Fläche
- e) Abheben des Werkzeuges von der bearbeiteten Fläche
- f) Stillsetzen der Spindel in definierter radialer Position
- g) Ausfahren des Werkzeuges aus der Durchgangsbohrung auf einer
Raumkurve in eine Schlußposition
durch Achsinterpolation von wenigstens zwei NC-Achsen einer Werkzeugmaschine
dergestalt, daß zu
keinem Zeitpunkt das Werkzeug die Durchgangsbohrung berührt.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, daß das Werkzeug keine beweglichen
Teile enthält,
die empfindlich sind und durch Aktuatoren angesteuert werden müssen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auf gewöhnlichen
Bearbeitungszentren durchgeführt werden,
so daß keine
Sondermaschinen mit komplizierten Werkzeugen und Vorrichtungen erforderlich sind.
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Ein
weiterer Vorteil liegt in der kurzen Taktzeit.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es
zeigen
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1 ein zu bearbeitendes Werkstück in einer
Anfangsposition,
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2 das Werkstück auf seiner
Bahn entlang einer Bahnkurve in einer Zwischenposition,
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3 das Werkstück auf seiner
Bahn entlang der Bahnkurve in einer weiteren Zwischenposition,
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4 das Werkstück auf seiner
Bahn entlang der Bahnkurve in einer Bearbeitungsstartposition,
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5 das Werkstück während der
Bearbeitung bis zu einer Bearbeitungsendposition,
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6 die Bahnkurve mit zugehörigem Winkel.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1 mit
ruhender Spindel und ein Werkstück 10 in einer
Anfangsposition W1. Das Werkzeug 1 hat einen Schaft 2,
der einstückig
mit einer Schnittstelle 3, beispielsweise einem Hohlschaftkegel
(HSK), verbunden ist. Die Schnittstelle 3 schließt an einen
Bund 40 an, der größeren Durchmesser
hat als die Schnittstelle 3. Der Bund 40 hat eine
ringförmige
ebene Anlagefläche 8,
die radial zur Werkzeugachse 5 liegt und mit der das Werkzeug 1 an
einer Anlagefläche
der das Werkzeug aufnehmenden Spindel anliegt. Im Schnittpunkt der
Werkzeugachse 5 mit der Anlagefläche 8 liegt der Tool-Center-Point 4 (TCP),
der im Beispiel ein feststehender Punkt im X-Y-Z-Koordinatensystem ist.
Der Schaft 2 hat einen an den Bund 40 anschließenden Teil 2a,
dessen Achse mit der Werkzeugachse 5 zusammenfällt. An
den Schaftteil 2a schließt stumpfwinklig ein Schafteil 2b an,
dessen Achse stumpfwinklig (Win kel α) zur Achse 5 liegt
(1). Am freien Ende
des Schaftteiles 2b ist eine Schneidplatte 7,
vorzugsweise eine Wendeschneidplatte, befestigt.
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Neben
dem Werkzeug 1 befindet sich das Werkstück 10, das in der
Dicke L1 durch eine vordere Fläche 14 und
eine hintere Fläche 15 begrenzt
wird. Im Ausführungsbeispiel
sind beide Flächen 14, 15 eben
und liegen parallel zueinander. Das Werkstück 10 weist eine Durchgangsbohrung 11 mit
einem Durchmesser D1 sowie einer Fase 12 und einem Radius 13 auf.
Die Fase 12 ist am Übergang
von der Durchgangsbohrung 11 zur Fläche 14 vorgesehen und
hat eine konische Fläche 12a.
Die Wandung 41 der Durchgangsbohrung 11 geht nahe
ihrem von der Fläche 14 abgewandten
Ende stetig gekrümmt
(Radius 13) in die Fläche 15 über. Die
genannten Werkstückflächen können roh
oder bearbeitet sein. Im gezeigten Beispiel sind die Flächen 13, 14 und 15 roh, die
Bohrung 11 sowie die Fase 12 sind bearbeitet.
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Die
Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 schneidet die
die Fläche 14 enthaltende
Ebene im Werkstück-Center-Point 18 (WCP).
Er dient als imaginärer
Punkt zur Beschreibung einer Raumkurve 30 (s. insbesondere 6).
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Parallel
zur Werkstückachse 5 erstreckt
sich die Z-Achse, dazu jeweils zueinander orthogonal erstrecken
sich die Achsen X und Y des X-Y-Z-Koordinatensystems. Außer den
linearen Achsen X, Y und Z sind rotatorische Achsen A, B und C vorgesehen.
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Die
Werkstückachse 20 und
die Werkzeugachse 5 liegen in der X-Z-Ebene und schneiden einander unter dem
Winkel β1, wenn der Schaftteil 2b des Werkzeuges 1 so
angeordnet ist, daß die
Mittelachse des Schaftteiles 2b in der Achse 20 der
Durchgangsbohrung 11 liegt. Das Werkzeug 1 und
das Werkstück 10 werden
in der Aus gangslage gemäß 1 vorteilhaft so zueinander
positioniert, daß die Werkzeugachse 5 und
die Werkstückachse 20 in
einer gemeinsamen Ebene liegen. Der Tool-Center-Point 4,
der Werkstück-Center-Point 18 und
der Winkel β1 beschreiben eindeutig die Stellung zwischen
Werkstück 10 und
Werkzeug 1 im Koordinatensystem der X-Z-Ebene.
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Liegen
die Werkstückachse 20 und
die Werkzeugachse 5 nicht in der gleichen Ebene, sondern
sind räumlich
zueinander angeordnet, so werden weitere Winkel zur Definition der
Lage von Werkzeug 1 und Werkstück 10 eingesetzt.
Diese Definitionen sind aus dem Stand der Technik bekannt und brauchen
deshalb nicht weiter erläutert
zu werden.
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Für das Verfahren
ist es unerheblich, ob die Bewegungen der linearen und der rotatorischen
Bewegungen jeweils vom Werkstück 10 oder
vom Werkzeug 1 ausgeführt
werden. Maßgeblich
sind nur die Relativbewegungen zueinander.
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Im
weiteren wird das Verfahren anhand der Achsbewegungen in der X-Z-Ebene
sowie der B-Achse erläutert.
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2 zeigt das Werkstück 10 beim
Einfahren entlang der Bahnkurve 30 in die Zwischenposition
W2. In der Ausgangslage (1)
hat der Schaftteil 2b noch geringen Abstand von der Fläche 14 des Werkstückes 10.
Der Werkzeug-Center-Point 18 definiert die Ausgangsposition
W1. Das Werkstück 10 wird
so in Richtung auf den Schafteil 2b linear verfahren, daß die Achse 20 der
Durchgangsbohrung 11 auf der Mittelachse des Schaftteiles 2b bleibt.
Während
des gesamten Einfahrvorganges verbleibt das Werkzeug 1 in
radial definierter Position (C-Achse). Weiteres lineares Einfahren
ist ab dieser Position nicht mehr möglich, weil ansonsten eine
Kollision zwischen dem Werkzeug 1 und dem Werkstück 10 auftritt.
Das Werkstück 10 wird in
Richtung der Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 translatorisch
bis in eine Zwischenposition W2 verschoben. Sie ist wiederum durch
den Schnittpunkt der Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 mit
der die Fläche 14 des Werkstückes 10 enthaltenden
Ebene bestimmt. Mit anderen Worten wird der Werkstück-Center-Point 18 längs der
Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 bewegt.
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Das
Werkstück 10 kann
so weit verschoben werden, bis die die Fläche 14 enthaltende
Ebene etwa in Höhe
des Übergangs
des Schaftteiles 2b in den Schaftteil 2a liegt.
Während
dieser Bewegung hat der Schaftteil 2b mit der Schneidplatte 7 ausreichenden
Abstand von der Wandung 41 der Durchgangsbohrung 11,
so daß unerwünschte Kollisionen zwischen
Werkzeug 1 und Werkstück 10 vermieden werden.
In der Zwischenposition W2 fallen die Achse des Schaftteiles 2b und
die Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 weiterhin
zusammen.
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Durch
die beschriebene Bewegung des Werkstück-Center-Points 18 entlang
der definierten Bahnkurve 30 und entsprechender Rotation
um den Winkel β wird
es möglich,
das Werkstück 10 so
zu bewegen, daß der
Schaftteil 2b des Werkzeuges 1 über die
Fläche 15 aus
der Durchgangsbohrung 11 des Werkstückes 10 ragt. 3 zeigt die Situation des Einfahrens
des Werkstückes 10 in
die Zwischenposition W3. Das Werkstück 10 wird dabei gegenüber dem
Werkzeug 1 entgegen dem Uhrzeigersinn geschwenkt. Der Werkstück-Center-Point 18 bewegt sich
außerdem
längs des
in 3 dargestellten gekrümmten Bereiches
der Bahnkurve 30. Die Bahn des Werkstück-Center-Points 18 auf der Bahnkurve 30 wird
programmiert und durch Interpolation der Achsen X, Z und B ausgeführt. Voraussetzung
ist die exakte maßliche
Auslegung des Werkzeugschaftes 2. In Abhängigkeit
vom Bohrungsdurchmesser D1 sowie von der Werkstückdicke L1 kann es erforderlich
sein, am Werkzeugschaft 2 Vertiefungen 6 vorzusehen,
um ohne Kollision durch die Bohrung 11 einfahren zu können. In
der Position W3 ist das Werkstück 10 relativ
zum Werkzeug 1 so angeordnet, daß die die Werkstückfläche 14 enthaltende
Ebene in Höhe
des Schaftteiles 2a liegt. Die Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 schließt mit der
Werkzeugachse 5 den Winkel β3 ein,
der größer ist
als der entsprechende Winkel β2 in der Zwischenstellung W2 (2). Dieser Winkel β2 ist
gleich groß wie
der Winkel β1 in der Ausgangsstellung gemäß 1. Um eine maximale Steifigkeit
des Werkzeugschaftes 2 zu erzielen, wird berechnet, ob
es zum kollisionsfreien Einfahren günstiger ist, den gesamten Schaft 2 im Durchmesser
zu verkleinern oder ob eine Vertiefung 6 anzubringen ist.
In vielen Fällen
wird es jedoch günstiger
sein, eine Vertiefung 6 vorzusehen und den Schaftdurchmesser
so groß wie
möglich
zu belassen. Die Schwächung
wird aber in den meisten Fällen
durch eine Vertiefung 6 gering sein, so daß diese Lösung einer
Verkleinerung des Schaftdurchmessers vorzuziehen ist. Die Vertiefung 6 befindet
sich im Ausführungsbeispiel
benachbart zum Bund 40 und hat teilkreisförmigen Querschnitt.
Die Vertiefung 6 wird selbstverständlich je nach Ausbildung des
Werkzeuges 1 und/oder des Werkstückes 10 an der erforderlichen
Stelle vorgesehen.
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Um
das problemlose Eintauchen des Schaftes 2 in die Durchgangsbohrung 11 zu
ermöglichen, ist
die Außenseite
des Schaftes 2 am Übergang
vom Schaftteil 2a in den Schaftteil 2b mit einer
Abschrägung 42 versehen.
Sie befindet sich an der der Schneidplatte 7 gegenüberliegenden
Seite des Schaftes 2. Die Längsachse des Schaftteiles 2b fällt in der
Stellung W3 nicht mit der Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 zusammen,
sondern liegt unter einem spitzen Winkel γ zu ihr.
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4 zeigt das Werkstück 10 in
der Bearbeitungsstartposition W4. Das Werkstück 10 ist längs der
Bahnkurve 30 so weit geschwenkt und verschoben worden,
daß die
Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 mit der Werkzeugachse 5 zusammenfällt. Der
Winkel β ist
somit Null. Das Werkstück 10 befindet
sich in Höhe
des Schaftteiles 2a, während
der ihm gegenüber
abgewinkelte Schaftteil 2b vollständig aus der Durchgangsbohrung 11 ragt.
Es ist deutlich zu erkennen, wie knapp der Werkzeugschaft 2 an die
Wandung 41 der Durchgangsbohrung 11 heranreicht.
Dadurch wird eine optimale Steifigkeit des Werkzeugkörpers erzielt.
Bei Erreichen der Bearbeitungsposition W4 wird das Werkzeug 1 in
Rotation um die Achse 5 versetzt, der Vorschub in Z-Richtung auf
die Werkstückfläche 15 zu
gestartet und die Bearbeitung durchgeführt. Mit der Schneidplatte 7 wird hierbei
der gekrümmte
Bereich 13 der Durchgangsbohrung 11 mit einer
Ansenkung 16 versehen. Sie hat in der Werkstückfläche 15 den
größten und
in der Wandung 41 der Durchgangsbohrung 11 ihren kleinsten
Durchmesser. Die kegelförmige
Ansenkung 16 liegt koaxial zur Durchgangsbohrung 11.
Je nach Vorschubweg des rotierenden Werkzeuges 1 kann die
Ansenkung 16 unterschiedlich breit sein.
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Je
nach Ausbildung und/oder Lage der Schneidplatte 7 können am
Rand der Durchgangsbohrung 11 als rotationssymmetrische
Flächen
auch Plansenkungen oder auch Flächen
mit beliebigem Querschnittsprofil hergestellt werden.
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5 zeigt das Werkzeug in
der Bearbeitungsendposition W5, in der die Schneidplatte 7 nahezu
auf ihrer gesamten Länge
im Eingriff ist. Nach dem Erreichen der Bearbeitungsendposition
W5 wird das Werkzeug 1 von der Fläche 16 abgehoben und die
Spindel in radial definierter Position stillgesetzt. Das Ausfahren
des Werkstückes 10 um
den Werkzeugschaft 2 in eine nicht dargestellte Schlußposition erfolgt
in umgekehrter Weise wie das Einfahren, also auf der gleichen Bahn
entlang der Bahnkurve 30. Schlußposition und Anfangsposition
können
identisch sein.
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6 zeigt die Bahnkurve 30 mit
den Positionen W1 bis W4 im X-Z-Koordinatensystem.
Zusätzlich
sind darunter die entsprechenden Winkel β im β-W-Koordinatensystem eingezeichnet.
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Im
dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Werkstück 10 zu
Beginn des Einfahrprozesses mit der Achse 20 der Durchgangsbohrung 11 längs der
Achse des Schaftteiles 26 bewegt. Es ist auch möglich, daß die Achse 20 parallel zur
Achse des Schaftteiles 2b bewegt wird.
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Das
Verfahren kann auch bei gleichzeitiger Bearbeitung mehrerer Werkstücke angewendet
werden, zum Beispiel bei einem Bearbeitungszentrum mit zwei Spindeln
und Mehraufspannung, sofern die Maschine über die entsprechenden Rotationsachsen verfügt, zum
Beispiel über
zwei separate B-Achsen oder eine A-Achse.
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Selbstverständlich sieht
das Verfahren auch vor, das Einfahren und Ausfahren unter Einsatz
der Interpolation aller sechs Achsen vorzunehmen. Dieser Fall kann
beispielsweise auftreten, wenn die Werkstückbohrung 11 nicht
zylindrisch, sondern gekrümmt
ist oder eine unregelmäßige Form
aufweist. In den allermeisten Fällen
wird die Interpolation in der X-Z-Ebene in Verbindung mit der B-Achse
ausreichend sein.
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Der
Werkzeugschaft 2 muß nicht
zwangsläufig
einen kreisförmigen
Querschnitt haben; er kann zum Beispiel auch oval sein oder eine
beliebige Querschnittsform aufweisen. Ziel ist immer die Maximierung
des Querschnitts für
optimale Steifigkeit.