Die Herstellung von Nuten auf rotationssymetrischen Teilen am Beispiel eines Kundenauftrages

Transkript

1 Die Herstellung von Nuten auf rotationssymetrischen Teilen am Beispiel eines Kundenauftrages Dipl.-Ing. Christiane Rehm 1 Problemstellung Während bei der Produktkonstruktion die Umstellung von der rechnergestützten 2-D- Zeichnungserstellung hin zur 3-D-Volumenmodellierung weitgehend als abgeschlossen betrachtet werden kann, gibt es im Bereich der NC-Programmierung noch erheblichen Nachholebedarf bei der Generierung von räumlichen Werkzeugbahnen für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen. /Tön_00/ Die CAM-Systeme schöpfen bei der NC-Daten-Generierung nicht immer die vollen Möglichkeiten der Maschine aus. Vom Kunden wurde ein rotationssymetrisches Teil in Auftrag gegeben, in welches Nuten senkrecht zur Oberfläche bzw. unter einem vorgegebenen Winkel eingebracht werden mussten. Bisher wurden diese Nuten auf einer Maschine mit einem Teilapparat gefertigt, dabei wurde das Teil in 90 Schritten gedreht. Der Anteil der manuellen Nacharbeit war sehr hoch. Aufgabe war es, die Nuten mit einem dynamisch verfahrbaren Teilapparat kontinuierlich zu fertigen. 2 Werkstück Es sollten Wendelverteiler gefertigt werden. Diese dienen zur Zuführung und Portionierung breiartiger Massen. Zu jedem Wendelverteiler gehören ein Innen- und ein Außenstück. Bei der Fertigung wurde für beide Teile in gleicher Art und Weise vorgegangen. Die Daten lagen als IGES-File (Abb. 1) vor. Der Grundkörper wurde vom Auftraggeber gefertigt. Es mussten die Wendeln und die Verbindung der einzelnen Wendeln gefräst werden. Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 1

2 Abb. 1 Schattierte Darstellung Wendelverteiler Der Grundkörper ist aus mehreren Kegelstücken zusammengesetzt. Die Wendeln haben einen vorgegebenen Öffnungswinkel (Abb. 2) zwischen den Flanken. Dieser ist von Verteiler zu Verteiler verschieden, aber für den Materialfluss wichtig, deshalb musste dieser Winkel eingehalten werden. Ebenso war es wichtig, die Radien am Nutgrund einzuhalten. Die Breite der Nut war für alle Wendel eines Verteilers konstant. Die Tiefe der Nut veränderte sich, es konnte keine mathematische Funktion für die Tiefenänderung gefunden werden. Winkel zwischen Nutflanken Radius Breite Abb. 2: Nutquerschnitt 3 Fräsbahngenerierung 3.1 Ausgangssituation Die vorhandenen CAM-Systeme boten keine Möglichkeit, die Fräsbahnen so zu generieren, dass die Wendel mit möglichst langen Fräsbahnen gefertigt werden konnten. Der Auftraggeber nutzte bisher eine 3-Achs-Maschine mit einem Teilapparat. Diese zusätzliche Rundachse konnte aber nur als Zustellachse genutzt werden. Das Teil wurde jeweils um 90 gedreht. Für jede Stellung des Teilapparates wurde dann eine 3achsige Bearbeitung durchgeführt. Die dabei entstandene Oberfläche erforderte einen hohen Anteil an manueller Nacharbeit. 3.2 Geometriedatenaufbereitung Da keine nutzbare Software vorhanden war, wurde nach einer neuen Lösung gesucht. Für die Aufbereitung der Geometriedaten wurde das System GIBcam /GIB/ genutzt. Die Geometrie wurde als FACEs beschrieben. Die Wendeln wurden in ihre Kurvenbeschreibung aufgelöst. Zwischen den Randkurven wurde eine Mittelkurve Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 2

3 berechnet. Auf diese 3 Kurven wurden dann Punkte projiziert. Damit hatte man für jede Wendel drei Punktfolgen (Abb. 3). Mittelbahn linke Flanke rechte Flanke Wendelabschnitt beschrieben durch Punktfolge auf Kurven Abb. 3: Punktfolgen auf Kurven Verbreiterung Für die Verbindungen (Abb. 4) der Wendeln wurde ebenso verfahren. Die Anzahl der Punktfolgen für die Verbindungen richtet sich nach der Gestaltung dieser. Für den Teil, bei dem die Nut sich besonders stark verbreiterte, wurden nur die Randkurven als Punktfolge ausgegeben. Die Bearbeitung des Raumes zwischen den Flanken wird im folgenden Abschnitt Postprozessor beschrieben. Abb. 4: Verbindung von 2 Wendeln Alle Punktfolgen wurden als VDAFS-Datei ausgegeben. 3.3 Postprozessor Aus der Geometrie des Teiles ergab sich, dass für die Mittelbahn ein zylindrischer Schaftfräser eingesetzt wurde. Die Flanken wurden mit einem Kugelkopffräser gefertigt, so konnte der in Abb. 2 beschriebene Radius realisiert werden. Der Durchmesser der Werkzeuge richtete sich nach Breite bzw. Radius der Nut. Während der Bearbeitung liegt das Werkstückkoordinatensystem parallel zum Maschinenkoordinatensystem (Abb. 5). Der Teilapparat dreht sich um die Maschinen-X- Achse, die Bezeichnung dieser Achse im NC-Programm ist C. Die Schwenkachse im Spindelkopf dreht um die Y-Achse (Rotationsachse B). Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 3

4 Maschinenkoordinatensystem Z Y X YWST WST... Werkstück -X WST Abb. 5: Lage des Werkstücks in der Maschine ZWST In einem für diese Fertigungsaufgabe entwickeltem Postprozessor wurden folgende Schritte ausgeführt: 1. Punktdatei öffnen 2. Punkt einlesen 3. Vektor ermitteln, der durch den eingelesenen Punkt führt und senkrecht zur Werkstück Z-Achse (Abb. 5) steht. Dieser Vektor entspricht der gewünschten Fräserachsrichtung. 4. Ermittlung der Fräsbahntangente 5. Notwendige Winkelstellung (Drehung um C) des Teilapparates ermitteln, so dass die Fräserachse parallel zur Z-Achse der Maschine liegt, berechnen. 6. Koordinatentransformation nach Drehung berechnen 7. Ausgabe der NC-Daten Für die Flanken der Wendel mußte außerdem noch ein seitlicher Kippwinkel verrechnet werden. Für diesen Fall musste die Anstellung des Spindelkopfes berechnet werden und diese Drehung bei der Koordinatentransformation beachtet werden. Im vorherigen Abschnitt wurde bereits erwähnt, dass Teile der Verbindungen zwischen den einzelnen Wendeln nicht entlang einer Mittelbahn gefräst wurden. Die Geometrie des Teiles ließ dies nicht zu. In diesem Fall wurde mit einem zylindrischen Schaftfräser 3achsig gefräst. Die notwendigen Fräsbahnen wurden mit GIBcam erzeugt. Die Flanken wurden dann wie bei den Wendeln mit einem Kugelkopffräser 5 achsig gefertigt. 4 Ergebnis Für die Fräsbearbeitung eines zusammengehörigen Paares Wendelverteiler (1 Innenund 1 Außenstück) wurden mit der herkömmlichen Technologie 2 Wochen benötigt. Die 3-achsige Bearbeitung hinterließ ein stufenförmiges Aufmass auf den Flanken der Wendel. Dies führte zu einer aufwendigen manuellen Nacharbeit. Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 4

5 Mit der 5achsigen Bearbeitung konnte die Fräsbearbeitung auf die Hälfte der Zeit reduziert werden. Außerdem verringerte sich der Aufwand der Nacharbeit. Dieses Beispiel verdeutlicht, welche Zeiteinsparungen durch die 5-Achs-Bearbeitung erreicht werden können. Problematisch war die NC-Datenaufbereitung. Dies unterstreicht das Zitat im Abschnitt 1 über die noch vorhandenen Unzugänglichkeiten bei 5-Achs-CAM-Systemen. Literatur /GIB/ /Tön-00/ Systembeschreibungen System GIBcam der Fa. GIB Dresden Tönshoff, H. K.; Rackow, N.; Böß, V.; Virtuell Reality in der NC-Programmierung, wt Werkstatt 90 (2000) H. 7/8 S. 297ff. Forschungsergebnisbericht 2000 Seite 5