Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 2778/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn
vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
o. Prof. Dr. -lng. Wilfried Konig
Dipl. -lng. Volker Hann
Lehrstuhl fUr Technologie der Fertigungsverfahren
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Fertigungsungenauigkeiten beim Schaftfrasen
- Untersuchung der 1Jrsachen und Ableitung von
Mal3nahmen zur Verbesserung des Arbeitsergebnisses -
Westdeutscher Verlag 1978
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Konig, Wilfried:
Fertigungsungenauigkeiten beim Schaftfrasen:
Unters. d. Ursachen u. Ableitung von Massnah
men zur Verbesserung d. Arbeitsergebnisses /
Wilfried Konig; Volker Hann. - Opladen: West
deutsche,r Verlag. 1978.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen; Nr. 2778 : Fachgruppe Maschinen
bau, Verfahrenstechnik)
ISBN-13: 978-3-531-02778-4 e-lSBN-13: 978-3-322-88423-7
DOl: 10.1007/978-3-322-88423-7
NE: Hann, Volker:
© 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
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Inhaltsverzeichnis
Seite
Formelzeichen und Abktirzungen 3
1. Einleitung und Problemstellung 5
2. Stand der Erkenntnisse 7
3. Analyse des Schaftfrasprozesses 8
3.1 Analyse der Zerspankraft 9
3.1.1 Versuchsaufbau zur Kraftmessung 9
3.1.2 Zerspankraftkennwerte 11
3.2 Messung der Wandprofile 13
3.2.1 Versuchsaufbau 13
3.2.1.1 Ausrichten des Werksttickes auf der Werk- 14
zeugmaschine und der MeBmaschine
3.2.1.1.1 Werksttickaufspannung auf der Werkzeug
maschine
3.2.1.1.2 Ausrichten des Werksttickes auf der 15
Me.llmaschine
3.2.1.2 MaBstab der Eingriffsbreite und ihre Lage 15
am Werksttick
3.2.1.3 Konstante Versuchsbedingungen 17
3.2.2 Gemessene Form- und MaBabweichungen 18
3.2.2.1 Form- und MaBabweichung bei unter 18
schiedlichen Drallwinkeln
Form- und MaBabweichung bei unter 19
schiedlichen Vorschtiben
Rechnermodell zur Bestimmung des Wand 20
profils
3.3.1 Eingabeparameter 21
3.3.2 Programmaufbau 22
3.3.2.1 Hauptprogramm 22
3.3.2.2 Unterprogramm KRAEF 23
Unterprogramm BIEGE 24
Gegentiberstellung errechneter und 26
gemessener Zerspankraftzyklen
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Seite
Berechnung der Zerspankraftzyklen und Wand 26
profile fur unterschiedliche Drallwinkel
Einfluil der Zahnezahl auf das Wandprofil 30
Zusammenfassung der Erkenntnisse aus 32
Messung und Rechnung
4. Werkzeuge zur Erzeugung formoptimaler 33
Wand profile
5. Strategie zum Frasen von Uhergangsradien 34
6. Rundlauffehler und Spannmittelkonstruktion 36
6.1 Darstellung und Auswirkung des Rundlauf 36
fehlers
6.2 Gegenuberstellung verschiedener Spann 38
mittel
Weiterentwicklung eines neuen Schaft 39
fraserspannfutters (Kompensationsfutter)
6.4 MeBvorrichtung zur beruhrungslosen Messung 40
des Fraserrundlaufs
7. Zusammenfassung 41
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Formelzeichen und Abktirzungen
a mm Frastiefe
mm Breitenteilung
Konstanten
N/mm Spindelsteifigkeit
Werkzeugdurchmesser
Elastizitatsmodul
e mm Eingriffsbreite
mm Eingriffsbreite bei der Bearbeitung
von Radien
F N Last
Ff N Vorschubkraft
Ffn N Vorschubnormalkraft
Fp N Passivkraft
Fs N Schnittkraft
Fsn N Schnittnormalkraft
h mm Spanungsdicke
hK Ort der Profilerzeugung
4
mm Flachentragheitsmoment des
11
Schneidenteiles
4
12 mm Flachentragheitsmoment des Schaftes
ka1•1 N/mm2 Konstante der bezogenen Aktivkraft
2
k N/mm Konstante der bezogenen Schnittkraft
s1.1
N/mm2 Konstante der bezogenen Schnitt
kSn1•1
normal kraft
mm Lange des IIebelarmes
mm Auskraglange
mm Abstand zwischen Kraftangriffspunkt
und Fraserschaft
mm Abstand zwischen Kraftangriffspunkt
und Ort der Profilerzeugung
mm Abstand zwischen Ort der Profil
erzeugung und Fraserschaft
mm Auskraglange des Fraserschaftes
mm SchneidenUinge
mm Fraslange
Gleichformigkeitsgrud oder Vielfachcs
der Eingriffsbreite
- It -
mm Fraserradius
mm Radius der Sollkontur
mm Radius der Frasermittelpunktsbahn
beim Schruppen
mm Radius der Schruppkontur .
mm/min Vorschubgeschwindigkeit
mm/Z Vorschub pro Zahn
mm/min Schnittgeschwindigkeit
mm Verlagerung
Y
Yf mm Verlagerung aufgrund einer Kraft
mm Verlagerung aufgrund eines Momentes
Yl
mm Verlagerung aufgrund einer Querkraft
Yq
Z Schneidenzahl
i-x Exponent der Aktivkraft
a
1 - Xs Exponent der Schnittkraft
1- xsm Exponent der Schnittnormalkraft
o
Vorschubrichtungswinkel verschiedener
a,~,X,S
Fraserschneiden
mm Finite Hohe einer Scheibe
o
Finite Anderung des Vorschubrich
tung swinkels
o
Vorschubrichtungswinkel des Pilot
zahnes
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1. Einleitung und Problemstellung
Frasen ist nach dem Drehen und Bohren das am haufigsten ange
wandte Bearbeitungsverfahren mit definierter Schneide. Spe
ziell das Schaftfrasen wird wegen seiner universellen Ein
satzmoglichkeit in fast allen Bereichen der spanenden Ferti
gung eingesetzt. Mit diesem Verfahren werden Funktionselemen
te wie Nuten, Schlitze und Aussparungen in WerkstUcken wirt
schaftlich erzeugt. Bei "Integralbauteilen", die in der
Leichtbautechnik, speziell in der Luft- und Raumfahrt einge
setzt werden, sind bis zu 85 % des ROhteilvolumens durch
Schaftfrasoperationen zu zerspanen.
Gerade bei diesen Teilen wird eine hohe Fertigungsgenauigkeit
verlangt. Dem steht jedoch eine geringe geometrische Stabili
tat des Schaftfraswerkzeuges entgegen, die durch schlanke
Bauform, einseitige Einspannung und hohe Biegebelastung im
Schnitt bedingt ist. Auch kann eine Nacharbeit dieser Inte
gralbauteile durch Schleifen, Schaben oder ahnliche Verfahren
wegen ihrer Komplexitat nur selten und wenn, nur mit hohem
manuellem Aufwand durchgefUhrt werden. Eine ausreichende Form
und MaBgenauigkeit konnte bisher nur durch extreme Reduzierung
des Vorschubes, der Eingriffsbreite oder der Frastiefe erzielt
werden. Bei den hohen Stundensatzen der heute im Einsatz be
findlichen NC-Frasmaschinen ist ein solches Verfahren Yom
wirtschaftlichen Standpunkt nicht zu vertreten.
Voraussetzung fUr eine Leistungssteigerung bildet die Unter
suchung der Fertigungsgenauigkeiten beim Schaftfrasen sowie
die Ableitung geeigneter MaBnahmen zur Verbesserung des Ar
beitsergebnisses.
Der Schaftfraser erzeugt beim Frasen wegen der wahrend des
Zerspanvorganges herrschenden Krafte nicht das ideal geome
trische Funktionselement, das beiabsoluter, aber rein fikti
ver Steifigkeit aller betroffenen Teile zu erwarten ware. Je
nach Nachgiebigkeit der vorhandenen Werkzeugmaschine, der ein
gesetzten Werkzeuge, des zu bearbeitenden WerkstUckes und der
verwendeten Vorrichtungen werden sich mehr oder weniger starke
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MaB-, Form- und Lageabweichungen des zu erstellenden Funk
tionselementes ergeben. BeeinfluBbare GraBen im Binblick auf
die Genauigkeit sind die Eingriffsbreite, die Frastiefe, die
gewahlten technologischen Arbeitsbedingungen, die Werkzeug
geometrie und das Frasverfahren.
Das System Werkzeugmaschine, Werkzeug, Werksttick und Aufspan
nung mit seinen Labilitaten kommt als Einheit zur Auswirkung
(Bild 1). Wahrend des Frasens werden sich aIle beteiligten
Elemente aufgrund der wirkenden Krafte absttitzen, d.h. verla
gern. Beim Gegenlauffrasen verursachen die angreifenden Kraft
komponenten ein Hineinziehen des Werkzeuges in das Werksttick
material. Die Krafte beim Gleichlauffrasen drticken den Fraser
von der gefrasten Flache weg. Beide Verbiegungen beinhalten
Komponenten in Vorschubrichtung und Vorschubnormalrichtung.
Die Vorschubnormalrichtung steht senkrecht zur Vorschubrich
tung, also senkrecht zur gefrasten Flache. Diese Komponenten
andern je nach Eingriffsbreite sowohl ihre GroBe als auch
ihr Verhaltnis zueinander.
Verschiedene eXperimentelle Arbeiten haben sich schon mit der
Frage der Formgenauigkeit von Integralbauteilen befaBt /1,2/.
Es ist bekannt, daB bei bestimmten Eingriffsbreiten e in Ab
hangigkeit von verschiedenen weiteren EinfluBparametern form
optimale Wandprofile erzeugt werden konnen.
In neuerer Zeit wird versucht, tiber eine AC-Regelung mit Hilfe
von KraftmeBeinrichtungen oder Spindelverlagerungssensoren den
Formfehler zu minimieren /3/, wobei meist der Vorschub die Re
gelgroBe ist.
Der vorliegende Bericht liefert einen Beitrag zur Aufklarung
der kinematischen Zusammenhange zwischen dem SchaftfrasprozeB
und dem Formfehler. Im Mittelpunkt stehen dabei Untersuchungen
von Wandprofilen, wobei zum einen Profile gefrast und vermes
sen, zum anderen nach einem mathematischen Modell berechnet
wurden. Untersuchungen tiber die Auswirkungen des Rundlauffeh
lers auf das VerschleiBverhalten und einemogliche Abhilfe
durch eine besondere Werkzeugaufnahme erganzen das Programm.
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2. Stand der Erkenntnisse
Trotz verschiedener Ansatze /1,2/ trifft die Messung von Wand
profilen immer noch auf Schwierigkeiten.
Hauptproblem ist die Bestimmung der Sollebene, also der Ebe
ne, die ein kraftefrei arbeitendes Werkzeug erzeugen wtirde.
Frtihere Untersuchungen haben gezeigt, daB sich das Werkzeug
immer von der Gleichlaufflanke wegbiegt, das heiBt, es wurde
auf der Gleichlaufflanke zu wenig Material abgespant. Wenn
nun der Vorschub wanrend der Versuchsdurchftihrung ftir einige
Sekunden abgeschaltet wird, werden die Zerspankrafte bis auf
einen kleinen Reibanteil abgebaut; das \verkzeug schneidet
sich "frei" und nimmt eine unverformte Lage ein. Es entsteht
eine "Setzform" als Durchdringung des Fraszylinders mit dem
gekrtimmten Profil der wanrend des Versuches erzeugten Flache
(Bild 2). In der Mitte der Durchdringungsform, die gleichzei
tig die "tiefste Stelle" ist, tangiert die Sollebene des
Fraszylinders.
Die Lage dieser Linie wurde als BezugsmaB ftir die Profilab
weichung herangezogen. Mit dieser Methode kann allerdings nur
die Gleichlaufflanke vermessen werden, da sich beim Gegenlauf
frasen das Werkzeug in das Material hineinzieht, das heiBt, zu
viel Material abgespant wird und hierbei keine "Setzform"
entsteht. Somit ist auch die Sollebene nach diesem Verfahren
nicht eindeutig festzulegen.
Es wurde daher versucht, durch die Messung der Verlagerung der
Fraserstirn wanrend des Schnittprozesses Aussagen tiber die ab
solute GroBe der Abweichung des Wandprofils von der Ideallinie
zu erhalten /1/.
Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, daB beim Frasen
im Gegenlauf eine EingriffsgroBe e anzugeben ist, bei welcher
ein minimaler Fehler des Profils erwartet werden kann.
Bild 3 zeigt die mittlere Verlagerung der Stirn eines vier
schneidigen Schaftfrasers in Abhangigkeit der radialen Fras-
