Fräsergeometriekorrektur in numerischen Steuerungen für das fünfachsige Fräsen

Die Fertigungsverfahren für gekrümmte Oberflächen lassen sich in die abtragenden Verfahren (Funkenerosion, elektrochemisches Senken) und die spanenden Verfahren (dreiachsiges Nachformfräsen und numerisch gesteuertes Fräsen) einteilen /1/. Bei den abtragenden Verfahren können die spanenden Verfahren wiederum bei der Fertigung von hierzu notwendigen Elektroden zum Einsatz kommen. Das numerisch gesteuerte Fräsen löst bei den spanenden Verfahren das Nachformen ab und hat in den letzten Jahren zunehmend Verbreitung gefunden. Anwendungen finden sich hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrttechnik, im Schiffsbau, Automobilbau, Strömungsmaschinenbau und im Werkzeug- und Formenbau allgemein. Bei kleinen Losen, z.B. in der Luft- und Raumfahrttechnik, überwiegt die direkt spanende Bearbeitung, bei großen Serien, z.B. im Automobilbau, steht die Herstellung von Formen und Werkzeugen im Vordergrund. Als besonders günstig bezüglich der erzielbaren Werkstückgeometrie und der Bearbeitungstechnologie hat sich das fünfachsige NC-Fräsen erwiesen, bei dem die Lage der Fräserspitze und die Richtung der Fräserachse kontinuierlich, simultan und gesteuert verändert werden /2/. Das fünfachsige NC-Fräsen wird im folgenden vereinfachend nur noch fünfachsiges Fräsen genannt.

Der Weg zum fünfachsigen Fräsen gekrümmter Oberflächen führt in einer Gesamtlösung von der Konstruktion über die Arbeitsvorbereitung mit einem Programmiersystem bis zum eigentlichen, numerisch gesteuerten Fräsen mit der Werkzeugmaschine. Für die Erarbeitung von Möglichkeiten für eine Fräsergeometriekorrektur in der Steuerung sollen, ausgehend von der Kenntnis der Technologie des fünfachsigen Fräsens und der Struktur einer Gesamtlösung, sowohl die Aufgaben und das Arbeitsprinzip eines Programmiersystems wie auch die Struktur und die Funktionen einer heutigen numerischen Steuerung für das fünfachsige Fräsen betrachtet werden.

Der Begriff des 2½achsigen Fräsens wird üblicherweise auf das Fräsen mit zwei Achsen und in Verbindung mit einer Zustellachse angewandt, d.h., die Bearbeitung ist auf eine Ebene beschränkt, die zu einer mit G17, G18 oder G19 /7/ ausgewählten Hauptebene parallel liegt, und wird mit dem Fräsertyp Schaftfräser vorgenommen. Die Berücksichtigung des aktuellen Fräserradius kann daher als ebenes Problem betrachtet werden. Die dazu heute in verschiedenen Versionen zur Verfügung stehende NC-Funktion Fräserradiuskorrektur bietet sich für zwei Anwendungen an. Üblicherweise berechnet sie zu einer vorgegebenen Werkstückkontur, die aus einer beliebigen Folge von Strecken und Kreisbögen besteht, eine äquidistante Bahn, die die Fräsermittelpunktsbahn darstellt und deren Abstand zu der programmierten Kontur mit dem Fräserradius identisch ist; in dieser Anwendung ist eine werkzeugunabhängige Programmierung möglich. Alternativ kann die Fräserradiuskorrektur auch für die Korrektur einer für einen bestimmten Fräser vorgegebenen Fräsermittelpunktsbahn eingesetzt werden, falls ein anderer als der vorgesehene Fräser zum Einsatz kommt.

In Abschnitt 2.5 wurden die Anforderungen an ein Modul „NC-Datenverwaltung und -aufbereitung für das fünfachsige Fräsen“ mit dem Schwerpunkt einer On-line-Fräsergeometriekorrektur formuliert. Eine einheitliche Lösung für eine Fräsergeometriekorrektur für das fünfachsige Fräsen ist nicht möglich. Die verschiedenen Bearbeitungsfälle einerseits und die verschiedenen Fräsertypen andererseits (Bilder 4.1 und 4.2) zwingen zu einer differenzierten Betrachtung der sich daraus ergebenden Fallunterscheidungen.

Eine zu bearbeitende beliebig gekrümmte Fläche kann an eine oder mehrere Grenzflächen angrenzen. Eine Grenzfläche wird entweder durch eine weitere Bearbeitungsfläche oder durch eine Fläche gebildet, die aus Gründen des Kollisionsschutzes definiert wird; bei der allgemeinen Vorgehensweise zur Berücksichtigung von Grenzflächen spielt diese Unterscheidung keine Rolle.

Eine Regelfläche oder geradlinige Fläche entsteht durch die Bewegung einer Geraden im Raum /39/. Wird die Bewegung der Geraden diskretisiert, wie es bei der Fräsbahnbestimmung der Fall ist, erhält man sogenannte Regelstrahlen. Die Begrenzungslinien, die eine Regelfläche quer zu den Regelstrahlen begrenzen, werden Grund- und Scheitelleitlinien genannt /42/.

Beim dreiachsigen Fräsen ist die Werkzeugachse parallel zu einer Hauptachse, z.B. der z-Achse, ausgerichtet. Hauptsächlich kommen für die Bearbeitung beliebig gekrümmter Oberflächen der zylindrische Gesenk- und der Kugelkopffräser zur Anwendung. Andere Fräsertypen wie der Schaftfräser ohne und mit Eckenradius können nur bei konvexen Oberflächen eingesetzt werden, da sonst Kollisionen zwischen der Fräserstirn und der Solloberfläche auftreten. Weiterhin kommt bei solchen Fräsertypen erschwerend dazu, daß die Richtung des Vektors vom Eingriffspunkt zur Fräserspitze im Gegensatz zum fünfachsigen Fräsen nur von der Flächennormale im Eingriffspunkt abhängt und sich ständig ändern kann; die resultierende Fräsrille ist deshalb schwer zu beschreiben und zu berücksichtigen.

Vor der Schlichtbearbeitung mittels fünfachsigen Fräsens sind oft ein oder mehrere Schruppzyklen notwendig, für die fallweise das 2½achsige, das dreiachsige oder das fünfachsige Fräsen zur Anwendung kommen. Die Anzahl der Schruppzyklen hängt u.a. von der Formabweichung zwischen Rohteil- und Fertigteilgeometrie ab. Da diese in der Praxis größer ausfallen kann, als in der Arbeitsvorbereitung vorgesehen, wird sinnvollerweise gefordert, in der Werkstatt direkt an der Steuerung zusätzliche Schruppzyklen einfügen zu können, die sich durch einen Offset gegenüber der ursprünglich vorgesehenen Schruppbearbeitung auszeichnen.

NC-Programme nach DIN 66025 für heutige Steuerungen mit integrierter Rückwärtstransformation können bereits einen beträchtlichen Umfang besitzen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Lösungen für eine on-line-Fräsergeometriekorrektur für das fünf-und dreiachsige Fräsen von beliebig gekrümmten Flächen benötigen zu den Fräsbahnpunkten zusätzliche, bisher nicht verfügbare Informationen wie z.B. die Flächennormale in einem Fräsbahnpunkt oder den zugehörigen Flächenkrümmungsradius im Normalprofilschnitt. Gegenüber der bisher üblichen Programmierung mit Angabe der Fräserspitzenposition und der Fräserachsrichtung steigt die Anzahl der notwendigen Daten bei einer einfachen Erweiterung der Programmierung nach DIN 66025 daher beträchtlich an. Die Verwendung einer Geometrieschnittstelle, auch als Modellschnittstelle bezeichnet, als Ergänzung zum NC-Programm stellt daher eine Alternative dar, bei der Bearbeitung einer Regelfläche unter Berücksichtigung einer Grenzfläche sogar eine Notwendigkeit.

Vor dem Hintergrund der Technologie des fünfachsigen Fräsens, der Struktur einer Gesamtlösung und der Wirkungsweise eines Programmiersystems geht die Arbeit auf die Leistungsfähigkeit heutiger numerischer Steuerungen für das fünfachsige Fräsen ein und formuliert für die NC neben allgemeinen, aktuellen Forderungen wie Geschwindigkeit und geringer Umfang der Eingabedaten als spezielle, vom Anwender mit hoher Priorität genannte und bisher weitestgehend unerfüllte Forderungen eine On-line-Fräsergeometriekorrektur, die den Einsatz von Fräsern mit kleinen Abweichungen von der Nenngeometrie erlaubt (Schwesterwerkzeuge, verschleißbehaftete oder nachgeschliffene Fräser), sowie die Möglichkeit, zusätzliche Schruppzyklen unter Berücksichtigung eines Offsets definieren zu können. Im Rahmen der Komplettbearbeitung sind dabei auch das 2½achsige und das dreiachsige Fräsen zu berücksichtigen.