Oberflächengestalt beim Messerkopffräsen

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Im Rahmen dieser Arbeit wird die Erzeugung und Prognose der Oberflächengestalt beim Stirnfräsen untersucht. Dabei werden insbesondere die Einflussfaktoren und Wirkmechanismen beim PKD-Messerkopffräsen betrachtet. Der Stand der Technik stellt dazu die wesentlichen Unterschiede zwischen Schaft- und Messerkopffräsen heraus. Zudem werden die Grundlagen zur Oberflächengestalt sowie die Beurteilung deren Abweichungen vorgestellt. Am Beispiel der Zylinderkopfdichtung wird auf die Anforderungen an die Oberflächengestalt spanend hergestellter Dichtflächen eingegangen. Anschließend wird aufgezeigt wie gefräste Planflächen mit PKD-Messerköpfen heute in der Motorenfertigung hergestellt werden. Im Stand der Technik werden anschließend die bestehenden Ansätze zur rechnerischen Bestimmung der theoretischen Oberflächenrauheit diskutiert. Da eine Prognose der Rauheit beim Stirnfräsen nur über eine modellhafte Abbildung möglich ist, werden die existierenden Modelle zur Prognose der Rauheit beim Umfangfräsen und Stirnfräsen aufgezeigt. Anschließend werden im Hauptteil der Arbeit die im Stand der Technik diskutierten Einflussfaktoren auf die Oberflächengestalt beim Stirnfräsen anhand experimenteller Untersuchungen bewertet. Auf Basis der ausgewählten Einflussfaktoren wird ein mathematisch-kinematisches Modell zur Prognose der Rauheit und Welligkeit beim Messerkopffräsen entwickelt. Die Verifikation zeigt, dass das Modell die Primär- Rauheits- und Welligkeitsprofile sowie deren Kennwerte unter den angegebenen Annahmen und Einschränkungen sowohl qualitativ als auch quantitativ präzise vorhersagen kann. Ungewollte Vorschubschwankungen der Werkzeugmaschine stellen dabei den maßgeblichen Einflussfaktor für den Prognosefehler dar. Mit Hilfe des Modells sowie weiterer experimenteller Versuche werden die Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen für die Erzeugung rauer und welliger Oberflächen beim Messerkopffräsen untersucht. Die größte Bedeutung für die Rauheit kommt dem Zahnvorschub, der Schneidengeometrie sowie dem Planlauffehler am Werkzeug zu. Für den Fall des kombinierten Front- und Rückschnitts spielt zusätzlich die Phasendifferenz zwischen Front- und Rückschnitt eine wesentliche Rolle für die Rauheit. Für die Welligkeit haben die Faktoren Zahnvorschub, Werkzeugdurchmesser, Zähnezahl sowie Planlauffehler der Spindel den größten Einfluss. Dabei kommt es weniger auf die Einzelfaktoren, sondern auf deren Kombinationen an. Besonders wichtig für die Welligkeit ist die Kombination aus Zahnvorschub, Zähnezahl und Planlauffehler der Spindel. So steigt die Welligkeit mit dem Spindelplanlauffehler deutlich an, wenn das Produkt aus Zahnvorschub und Zähnezahl größer als die Grenzwellenlänge wird. Insgesamt kann festgehalten werden, dass Rauheit und Welligkeit unabhängig voneinander beeinflusst und damit gezielt erzeugt werden können. Bei der Verwendung der richtigen Kombination der relevanten Faktoren lässt sich auch bei einer mehrzeiligen Bearbeitung über die gesamte Fräsbreite ein definierter Rauheitskorridor bei sehr niedriger Welligkeit erreichen. Schließlich wird anhand verschiedener Anwendungsbeispiele aus der Pkw-Motorenfertigung die Übertragbarkeit der Erkenntnisse dieser Arbeit sowie der Nutzen für die Praxis demonstriert. So wird aufgezeigt, dass eine brennraumseitige Dichtfläche an einem Zylinderkurbelgehäuse über eine mehrzeilige Stirnfräsbearbeitung auf einem Bearbeitungszentrum möglich ist und gleichzeitig die Oberflächengestalt verbessert werden kann. Die Leistung dieses Beitrages liegt insbesondere in dem Schließen der Verständnislücken bzgl. der Erzeugung von Rauheit und Welligkeit beim Planstirnfräsen mit Messerköpfen. Hier liefert die Arbeit Anregungen für die zukünftige Gestaltung von Werkzeugkonzepten hinsichtlich Einstellbarkeit, Schneidengeometrie, Rund- und Planlaufpräzision und Fliehkraftfestigkeit.