检索国际和国家专利汇编
此应用程序的某些内容目前无法使用。
如果这种情况持续存在,请联系我们反馈与联系
1. (WO2018223159) MILLING METHOD AND USE OF A CUTTING INSERT
注:相关文本通过自动光符识别流程生成。凡涉及法律问题,请以 PDF 版本为准

FRÄSVERFAHREN UND VERWENDUNG EINES SCHNEIDEINSATZES

Die Erfindung betrifft ein Fräsverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Für eine effiziente Zerspanung bei der Erzeugung von Plan- und Formflächen hat sich das sogenannte Hochvorschubfräsen (engl. High Feed Cutting) durchgesetzt. Hochvorschubfräsen ist Fräsen mit relativ geringen Schnitttiefen und hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Die Schnitttiefe wird dabei durch einen kleinen Einstellwinkel (engl, lead angle) begrenzt. Der Einstellwinkel ist der Winkel zwischen der Hauptschneide des Schneideinsatzes (in der Regel eine Wendeschneidplatte) und der Werkstückoberfläche.

Typische Vorschubraten bei diesem Verfahren liegen in der Größenordnung von 0,7 bis 3 mm/Zahn, die axialen Schnitttiefen aP liegen typischerweise unter 2 mm.

Die Spindel steht beim Hochvorschubfräsen senkrecht zur bearbeiteten

Werkstückoberfläche. Vorteilhaft ist es, daas die Schnittkräfte hauptsächlich in axialer Richtung des Werkzeugs auftreten. Die Schnittkräfte werden entlang der Spindelachse und somit entlang einer besonders steifen Richtung auf das Werkzeug übertragen.

Bei den dafür verwendeten Schneideinsätzen handelt es sich typischerweise um dreieckige oder viereckige Wendeschneidplatten. Eine typische

Wendeschneidplatte für das Hochvorschubfräsen ist beispielsweise in der AT12004U1 gezeigt. Gängige Einstellwinkel beim Hochvorschubfräsen sind kleiner als 20°.

Das Hochvorschubfräsen wird in der Regel für eine Erzeugung von Planflächen an ebenen Werkstücken eingesetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Fräsverfahren anzugeben, mit welchem die Vorteile des Hochvorschubfräsen auf die Bearbeitung von gekrümmten Oberflächen übertragbar werden.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Zur Bearbeitung komplex geformter Werkstücke wie etwa Turbinenschaufeln ist es üblich, die Spindelachse des Fräswerkzeugs gegenüber der bearbeiteten Werkstückoberfläche zu verkippen. Diese Verkippung oder Schrägstellung der Spindelachse wird auch als Sturz bezeichnet und erfolgt in Vorschubrichtung, also dermaßen, dass die Spindelachse des Fräswerkzeugs mit einer

Ebenennormalen (einem Normalvektor) der bearbeiteten Werkstückoberfläche einen Winkel von größer 0° einnimmt. Der Winkel wird also positiv in

Vorschubrichtung definiert. Die Schrägstellung der Spindelachse ist notwendig, um komplexen Oberftächenkonturen folgen zu können und die gerade nicht im Eingriff befindlichen Schneideinsätze des Fräswerkzeugs freizustellen. Die Bearbeitung erfolgt mit Rundplattenfräsern, Kugelkopffräsern oder

Kugelschaftfräsern aus Vollhartmetall.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Fräsen eines Werkstücks vorgesehen, mit wenigstens einem im Wesentlichen polygonalen Schneideinsatz, welcher in einem Werkzeughalter angeordnet ist, wobei eine Spindelachse des

Werkzeughalters gegenüber einer Ebenennormalen zur bearbeiteten

Werkstückoberfläche einen Winkel von größer als 0° einnimmt, wobei ein Einstellwinkel zwischen einer Hauptschneide des Schneideinsatzes und der bearbeiteten Werkstückoberfläche zwischen 5° und 20° beträgt.

Im Wesentlichen polygonale Grundform bedeutet, dass der Schneideinsatz eine Grundgestalt eines Vielecks aufweist, gegebenenfalls mit verrundeter

Außenkontur.

Durch die Verkippung der Spindelachse des Fräswerkzeugs in

Vorschubrichtung wird der Einstellwinkel zwischen der Hauptschneide des Schneideinsatzes und der Werkstückoberfläche verkleinert. Dies würde bei einer für Hochvorschubfräsen üblichen Einbaulage des Schneideinsatzes am Werkzeughalter eine maximal erreichbare axiale Schnitttiefe des

Schneideinsatzes derart reduzieren, dass eine wirtschaftliche Fräsbearbeitung nicht mehr möglich wäre.

Als Abhilfe wird vorgeschlagen, die Anstellung der Schneidkante des

Schneideinsatzes am Fräswerkzeug so zu verändern, dass die Schrägstellung der Spindelachse kompensiert wird.

Durch das vorgeschlagene Verfahren wird es möglich, Schneideinsätze mit polygonaler Grundform für das Hochvorschubfräsen auch in Anwendungen mit gekippter Spindelachse einzusetzen.

In anderen Worten wird erfindungsgemäß ein werkzeug-inhärenter

Einstellwinkel gewählt, der für ein Hochvorschubfräsen zu groß und damit ungeeignet wäre. Mit werkzeug-inhärentem oder theoretischem Einstellwinkel ist jener Einstellwinkel gemeint, der sich bei ungeneigter Spindelachse (also 90° zwischen Spindelachse und Werkstückoberfläche) zwischen einer

Schneidkante und der Werkstückoberfläche einstellt.

Erst durch die Neigung der Spindelachse wird am Werkstück ein effektiver Einstellwinkel erzielt, der ein Hochvorschubfräsen an komplex geformten Werkstücken wie Turbinenschaufeln erlaubt

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Schneideinsatz im Werkzeughalter so eingestellt ist, dass zwischen einer Normalen zur Spindelachse und der

Hauptschneide des Schneideinsatzes ein theoretischer (werkzeug-inhärenter) Einstellwinkel zwischen 20° und 40* besteht. Anders ausgedrückt besteht bei senkrechter Stellung der Spindelachse auf eine bearbeitete

Werkstückoberfläche zwischen dieser und der Hauptschneide des

Schneideinsatzes ein theoretischer (werkzeug-inhärenter) Einstellwinkel zwischen 20° und 40°.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Schneideinsatz als im

Wesentlichen dreieckige oder im Wesentlichen viereckige oder im Wesentlichen fünfeckige Wendeschneidplatte ausgeführt ist.„Im Wesentlichen" bedeutet hier, dass die Grundgestalt des Schneideinsatzes dreieckig, viereckig bzw. fünfeckig ist. Davon sind auch Abweichungen von der strikten geometrischen Definition eines Dreiecks, Vierecks bzw. Fünfecks erfasst.

In der Regel weisen die Schneideinsätze in einer Draufsicht eine abgerundete Form eines gleichseitigen Dreiecks bzw. eine abgerundete Form eines

Quadrats bzw. eine abgerundete Form eines regelmäßigen Fünfecks auf. Die Seitenkanten - an welchen die Schneiden ausgebildet sind - sind dabei konvex nach außen gekrümmt. Ein Krümmungsradius einer Hauptschneide ist bevorzugt wenigstens 1 ,5 mal grüßer als ein Radius eines Inkreises der Kontur des Schneideinsatzes in der Draufsicht.

Während bei Rundplatten eine Neigung der Spindelachse keine Änderung des Einstellwinkels der Schneidkante gegenüber dem Werkstück bewirkt, führt eine Verkippung der Spindelachse bei Verwendung von Schneideinsätzen mit polygonaler Grundform zu einer Änderung des Einstellwinkels der

Schneidkante. Sind nun am Werkzeughalter Schneideinsätze mit polygonaler Grundform derart orientiert, dass bei zur bearbeiteter Werkstückoberfläche senkrechter Spindelachse Bedingungen für eine Hochvorschubfräsen gegeben sind, geht durch Verkippen der Spindelachse diese Eignung verloren.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, statt den bislang für

Fräsoperationen mit geneigter Spindelachse üblichen Rundplatten nun

Dreieck- , Viereck- oder Fünfeckplatten einzusetzen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Winkel zwischen der Spindelachse und der Ebenennormalen zwischen 3° und 35°, weiter bevorzugt zwischen 10° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 25° beträgt.

Bevorzugt beträgt eine axiale Schnitttiefe (ap) unter 3,0 mm, bevorzugt unter 2,50 mm.

Bevorzugt beträgt ein Vorschub pro Zahn (fz) zwischen 0,60 und 0,90 mm.

Das Verfahren ist insbesondere geeignet für Fräsoperationen an

Turbinenschaufeln: die komplexe Gestalt von Turbinenschaufeln erfordert in der Regel eine markante Schrägstellung der Spindelachse des eingesetzten

Fräswerkzeugs. Das Verfahrisn eignet sich insbesondere für zur Bearbeitung des Schaufelblattes sowie zum Herstellen von Aufnahmenuten am Schaufelfuß.

Schutz wird auch begehrt für eine Verwendung eines im Wesentlichen polygonalen Schneideinsatzes für eine Bearbeitung eines Werkstücks, wobei der Schneideinsatz in einem Werkzeughalter angeordnet ist, welcher

Werkzeughalter um eine Spindelachse drehbar ist, und die Spindelachse des Werkzeughalters gegenüber einer Ebenennormalen zu einer bearbeiteten Werkstückoberfläche einen Winkel von größer 0° einnimmt.

Bei der Verwendung des Schneideinsatzes ist bevorzugt vorgesehen, dass der Schneideinsatz im Werkzeughalter so eingestellt ist, dass zwischen einer Normalen zur Spindelachse und einer Hauptschneide des Schneideinsatzes ein theoretischer Einstellwinkel zwischen 20° und 40° besteht.

Bevorzugt ist der Schneideinsatz als im Wesentlichen dreieckige oder im

Wesentlichen viereckige oder im Wesentlichen fünfeckige Wendeschneidplatte ausgeführt.

Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen der Spindelachse und der

Ebenennormalen zwischen 3° und 35°.

Bevorzugt handelt es sich bei der Bearbeitung um ein Hochvorschubfräsen mit axialen Schnitttiefen aP unter 3,0 mm, weiter bevorzugt 2,50 mm. Bevorzugt ist ein Vorschub pro Zahn fz zwischen 0,60 und 0,90 mm vorgesehen.

Die Erfindung wird im Folgenden durch Figuren näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen:

Fig. 1a- 1b schematische Darstellungen von Werkzeughaltern mit

Schneideinsätzen

Fig. 2 ein Schema zu Einstellwinkeln bei einem runden

Schneideinsatz

Fig. 3a-3c polygonale Schneideinsätze in Draufsicht

Fig. 4 einen Werkzeughalter in einer Seitenansicht

Fig. 5a-5b eine schematische Darstellung des Verfahrens

Figur 1a zeigt schematisch eine Ausrichtung von Schneideinsätzen 2 an einem angedeuteten Werkzeughalter 3 zu einem Werkstück 1 , die sich bei

ungeneigter Spindelachse S einstellen würde. Eine Vorschubrichtung F des Schneideinsatzes 2 ist über einen Blockpfeil kenntlich gemacht. Der

Werkzeughalter 3 ist rechtsdrehend ausgeführt, siehe Drehrichtung R. Eine Ebenennormale N Ist senkrecht zur bearbeiteten Werkstückoberfläche 4.

Bei einem Winkel der Spindelachse S zu einer bearbeiteten

WerkstUckoberfläche 4 von hier 90° entsprechend einem Sturz oder Neigung der Spindelachse γ gegenüber der Ebenennormalen N von 0° ergibt sich ein theoretischer Einstellwinkel Kth zwischen einer Hauptschneide 5 und der bearbeiteten Werkstückoberfläche 4. Wegen der Krümmung der Hauptschneide 5 wird der Einstellwinkel an der Sehne der Hauptschneide 5 bestimmt. Die Sehne erstreckt sich zwischen zwei Enden einer Hauptschneide 5.

Der hier gezeigte Einstellwinkel Kth ist mit hier 30° jedoch für ein

Hochvorschubfräsen zu groß und ungeeignet. Die aus dem Einstellwinkel KM resultierende axiale Schnitttiefe ap th ist zu groß, um hohe

Vorschubgeschwindigkeiten zu erlauben.

Durch eine strichlierte Hilfslinie ist am Werkstück 1 jener Spanquerschnitt angedeutet, welcher beim nächsten Eintritt eines Schneideinsatzes 2

abgenommen wird.

Figur 1 b zeigt eine Konfiguration, wie sie für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehen ist:

Die Spindelachse S ist hier in einem Winkel γ von hier etwa 20° gegenüber der Ebenennormalen N geneigt. Es ergibt sich damit ein effektiver Einstellwinkel
zwischen der Hauptschneide 5 und der Werkstückoberfläche von 10°.

Durch den über die Neigung der Spindelachse S verringerten Einstellwinkel κ kann ein Vorschub pro Zahn fz erhöht werden. Durch die Überlagerung des werkzeug-inhärenten Einstellwinkels Kth mit der Neigung der Spindelachse S in einem Winkel γ ergibt sich gegenüber der bearbeiteten WerkstUckoberfläche ein effektiver Einstellwinkel
zu

mit Kth als theoretischem oder werkzeug-inhärenten Einsteltwinkel.

Bei gekrümmten Werkstückoberflächen kann die Ebenennormale N am radial innenliegenden Angriffspunkt des betreffenden Schneideinsatzes angelegt werden, wie in Figur 1b gezeigt.

Die hier gezeigten Werte für den Neigungswinkel γ der Spindelachse S und den resultierenden Einstellwinkel κ zwischen der Hauptschneide 5 und der

Werkstückoberfläche 4 sind exemplarisch. Bevorzugte Werte für den

Neigungswinkel γ der Spindelachse S gegenüber der Ebenennormafe N liegen in einem Bereich zwischen 3° und 35°, weiter bevorzugt zwischen 10° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 25°.

Der effektive Einstellwinkel
zwischen der Hauptschneide 5 und der

Werkstückoberfläche 4 resultiert aus der Einbaulage des Schneideinsatzes 2 am Werkzeughalter 3 und dem Neigungswinkel γ der Spindelachse S.

Figur 2 zeigt einen runden Schneideinsatz 2', wie es für das erfindungsgemäße

Verfahren nicht vorgesehen ist, im Eingriff mit einem Werkstück 1 ,

In der Figur 2 sind zwei Bearbeitungssituationen gezeigt:

in der Konfiguration I. wird der Schneideinsatz 2' mit einer großen axiafen Schnitttiefe apl eingesetzt. Es resultiert ein großer Einstellwinkel κι.

in der Konfiguration II wird der Schneideinsatz 2' mit einer kleinen axialen Schnitttiefe aPn eingesetzt. Es resultiert ein kleiner Einstellwinkel κll.

Bei runden Schneideineätzen steigt der Einstellwinkel mit zunehmender Schnitttiefe an, um bei der maximalen Schnitttiefe entsprechend dem Radius des runden Schneideinsatzes 45° anzunehmen. Durch die Kreisbogen-Form der Schneidkante liegt am tiefsten Punkt ein tatsächlicher Einstellwinkel von 0° und bei der maximalen Schnitttiefe entsprechend dem Radius ein tatsächlicher Einstellwinkel von 90° vor.

Bei runden Schneideinsätzen nimmt die Länge einer im Eingriff befindlichen Schneidkante bei gegebener Schnitttiefe mit steigendem Durchmesser des Schneideinsatzes zu; die Kräfte auf die Schneidkante nehmen mit

zunehmender Länge ab.

Da für Hochvorschubfräsen geringe Schnittkräfte angestrebt werden, sind für das Hochvorschubfräsen mit runden Schneideinsätzen möglichst große

Durchmesser bevorzugt. Darin liegt auch eine wesentliche Limitierung von runden Schneideinsätzen, da ein der Krümmungsradius der Schneidkante dem Radius der geometrischen Abmessung entspricht. Ein großer

Krümmungsradius bedeutet also auch eine große Wendeschneidplatte.

Figuren 3a bis 3c zeigen schematisch im Wesentlichen polygonale

Schneideinsätze 2, wie sie für das erfinderische Verfahren vorgesehen sind, in Draufsicht.

Der Schneideinsatz von Figur 3a ist mit quadratischer Grundgestalt

(sogenannte S-Platte) mit konvex gerundeter Außenkontur ausgebildet.

Bevorzugt ist an jeder verrundeten Seitenkante des Schneideinsatzes 2 eine Schneidkante (hier hervorgehoben die Hauptschneide 5) ausgebildet. So erhält man im Falle der quadratischen Grundgestalt einen 4-fach indexierbaren Schneideinsatz. 4-fach indexierbar bedeutet, dass vier unabhängige

Hauptschneiden 5 für eine Bearbeitung verwendetet werden können. In diesem Fall wird durch eine Drehung des Schneideinsatzes 2 um 90° eine neue

Bearbeitungsposition eingestellt. Bei einer quadratischen Grundgestalt des Schneideinsatzes 2 ergeben sich somit vier unabhängige Hauptschneiden 5. Zur Verdeutlichung der Gestalt des Schneideinsatzes 2 ist ein Inkreis DIK eingeschrieben. Ein Krümmungsradius RHS einer Hauptschneide 5 ist bevorzugt wenigstens 1 ,5-mal grüßer als der Radius des Inkreises DIK.

Neben dem hier gezeigten Schneideinsatz 2 mit viereckiger Grundform kommen für das erfindungsgemäße Verfahren auch Schneideinsätze mit im Wesentlichen dreieckiger Grundform oder fünfeckiger Grundform in Betracht.

Figur 3b zeigt einen Schneideinsatz 2 mit im Wesentlichen dreieckiger

Grundform (sogenannte T-Platte),

Figur 3c einen Schneideinsatz 2 mit im Wesentlichen fünfeckiger Grundform (sogenannte P-Platte).

In Abgrenzung zu runden Schneideinsätzen gilt auch hier, dass ein

Krümmungsradius einer Hauptschneide wenigstens 1,5-mal größer ist als ein Radius RIK eines Inkreises DIK.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zeigten viereckige Platten (S-Platten) das günstigste Verhältnis von nutzbarer Schnitttiefe und Anzahl an I nd ex ί erPositionen.

Figur 4 zeigt einen Werkzeughalter 3 mit einer Spindelachse S und einer Vielzahl an Schneideinsätzen 2. Der Werkzeughalter 3 ist gegenüber einer bearbeiteten Werkstückoberfläche 4 so eingestellt, dass die Spindelachse S senkrecht auf eine bearbeitete Werkstückoberfläche 4 steht.

Ein Schneideinsatz 2 ist im Werkzeughalter 3 so eingestellt, dass zwischen einer Normalen Ns zur Spindelachse S und einer Hauptschneide 5 des

Schneideinsatzes 2 ein theoretischer Einstellwinkel Kth zwischen 20° und 40° besteht. Durch die Einbaulage der Schneideinsätze 2 ist im Werkzeughalter 3 ergibt sich ein theoretischer (werkzeug-inhärenter) Einstellwinket ictn zwischen einer Hauptschneide 5 und einer bearbeiteten Werkstuckoberfläche 4. Der hier gezeigte Einstellwinkel Kth wäre jedoch für ein Hochvorschubfräsen zu groß und damit ungeeignet.

Erst durch das erfindungsgemäße Verfahren, das in den Figuren 5a und 5b illustriert wird, kann die in Figur 4 gezeigte Konfiguration von Werkzeughalter 3 und Schneideinsätzen 2 für ein Hochvorschubfräsen genutzt werden.

Figur 5a und Figur 5b zeigen Darstellungen des erfindungsgemäßen

Verfahrens zum Fräsen eines Werkstücks 1 , hier einer Turbinenschaufel in unterschiedlichen Ansichten.

Ein Werkzeughalter 3 weist eine Vielzahl von im Wesentlichen polygonalen Schneideinsätzen 2 auf. im vorliegenden Ausführungsbeispiel haben die Schneideinsätze 2 eine quadratische Grundgestalt. Die Spindelachse S des Werkzeughalters 3 nimmt gegenüber der Ebenennormalen N zur bearbeiteten Werkstückoberfläche 4 einen Winkel γ von größer als 0° ein. Bevorzugte Werte für den Neigungswinkel γ der Spindelachse S liegen in einem Bereich zwischen 3° und 35 °, weiter bevorzugt zwischen 10° und 30°, besonders bevorzugt zwischen 15° und 25°. In der Seitenansicht gemäß Figur 5a ersichtlich, beträgt der Winkel γ im vorliegenden Beispiel ca. 20°. Der Winkel γ wird positiv in Vorschubrichtung F gemessen.

Der aus der Neigung der Spindeiachse S sowie der Einbaulage eines

Schneideinsatzes 2 am Werkzeughalter 3 resultierende effektive Einstellwinkel Kotf zwischen einer Mauptschneide 5 des Schneideinsatzes 2 und der bearbeiteten Werkstückoberfläche 4 beträgt zwischen 5° und 20°. Im

vorliegenden Beispiel beträgt effektive Einstellwinkel Ke« rund 12°.

Als Referenz für die Winkelangaben bezüglich der bearbeiteten

Werkstückoberfläche 4 wird der radial innenliegende Angriffspunkt des im Eingriff befindlichen Schneideinsatzes 2 herangezogen (Detail A).

Das Verfahren erlaubt eine Fräsbearbeitung mit hohen Vorschüben. Typische Werte, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht werden, liegen bei fz 0,60 - 0,90 mm / Zahn. Bei der Verwendung von Rundplatten nach dem Stand der Technik sind hingegen nur geringere Vorschübe von ca. 0,35-0,45 mm / Zahn möglich.

Ein weiterer Vorteil in der Verwendung von polygonalen Schneideinsätzen liegt darin, dass auch größere Schnitttiefen realisiert werden können, wenn es eine Bearbeitungssituation erfordert: so könnte beispielsweise eine Schnitttiefe bis zu 5 mm bei verringerten Vorschubwerten ohne Werkzeugwechsel erfolgen. Solche Schnitttiefen wären mit Rundplatten nicht abzubilden.

Figur 5b zeigt das Verfahren in einer perspektivischen Darstellung. Bevorzugt ist die Vorschubrichtung F im Wesentlichen normal zu einer Längsachse L der Turbinenschaufel, wie aus Figur 5b ersichtlich.