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Dokumentenidentifikation DE10224594C1 24.07.2003
Titel Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Formteilen
Anmelder Weinert, Joachim, 64832 Babenhausen, DE
Erfinder Weinert, Joachim, 64832 Babenhausen, DE
Vertreter Katscher, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 64291 Darmstadt
DE-Anmeldedatum 04.06.2002
DE-Aktenzeichen 10224594
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.07.2003
IPC-Hauptklasse B23P 17/04
IPC-Nebenklasse B23P 23/04   
Zusammenfassung Zur spanabhebenden Bearbeitung von Formteilen wird aus einem Werkstoffkörper in einer ersten Aufspannung die Formteiloberseite (5) und nach dem Wenden des teilbearbeiteten Werkstoffkörpers in einer zweiten Aufspannung die Formteilunterseite durch spanabhebende Bearbeitung herausgearbeitet. Der durch die spanabhebende Bearbeitung in der ersten Aufspannung entstandene Hohlraum wird mit niedrigschmelzendem Gießmaterial (8) ausgegossen. Die spanabhebende Bearbeitung erfolgt in der zweiten Aufspannung entlang dem gesamten Formteilumfang bis in das erstarrte Gießmaterial hinein. Das Gießmaterial (8) wird in einem anschließenden Verfahrensschritt durch Erhitzen ausgeschmolzen. Der Werkstoffkörper (1) wird in beiden Aufspannungen auf einer Vakuumspannplatte (2) mit mechanischen Spannmitteln oder einer Magnetspannplatte gespannt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Formteilen, wobei aus einem Werkstoffkörper in einer ersten Aufspannung die Formteiloberseite und nach dem Wenden des teilbearbeiteten Werkstoffkörpers in einer zweiten Aufspannung die Formteilunterseite durch spanabhebende Bearbeitung herausgearbeitet werden.

Für die Herstellung von Formteilen, insbesondere auch dünnwandigen bzw. dünnen Formteilen stehen sehr unterschiedliche formgebende Verfahren zur Verfügung, beispielsweise das Spritzgießen von Formteilen aus Kunststoff oder Metall. Für die Herstellung in großen Stückzahlen sind Formen, beispielsweise Spritzgießformen erforderlich, die zwar eine kostengünstige Herstellung ermöglichen, deren Erstellung selbst aber mit verhältnismäßig hohen Kosten verbunden ist.

Diese bekannten Herstellungsverfahren sind deshalb schon aus Kostengründen nicht geeignet, um Einzelstücke oder nur wenige Stücke herzustellen. Diese Notwendigkeit stellt sich aber bei der Herstellung von Prototypen. Hierfür ist das spanabhebende Bearbeiten, insbesondere das Fräsen von Formteilen aus Vollmaterial trotz des damit verbundenen Arbeitsaufwands ein bevorzugtes Verfahren.

Eine Schwierigkeit bei der Herstellung von dünnen bzw. dünnwandigen Formteilen, die allseitig bearbeitet werden müssen, liegt in der Aufspannung für die Endbearbeitung. Während die Bearbeitung der Formteiloberseite in einer ersten Aufspannung noch völlig unproblematisch ist, weil der Werkstoffkörper mit seiner noch unbearbeiteten Unterseite in herkömmlicher Weise gespannt werden kann, beispielsweise auf einer Vakuumspannplatte, bereitet das Aufspannen nach dem Wenden des teilbearbeiteten Werkstücks Schwierigkeiten.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung wird in der zweiten Aufspannung die Bearbeitung nur so weit durchgeführt, dass Stege verbleiben, die das Formteil mit dem als Rahmen verbleibenden Rest des Werkstoffkörpers verbinden (Prospekt "Millit" der Firma COSCOM Computer GmbH & Co. KG). Eine Vakuumspannung ist in der zweiten Aufspannung nicht möglich. Nach Beendigung der Bearbeitung müssen diese Stege durchtrennt und die an den Ansatzstellen der Stege unbearbeitet gebliebenen Oberflächenabschnitte des Formteils nachbearbeitet werden, üblicherweise von Hand oder maschinell. Dies ist einerseits verhältnismäßig aufwendig, andererseits hinterlässt die Nachbearbeitung von Hand üblicherweise Spuren, die das Aussehen und/oder die Funktionstüchtigkeit des hergestellten Formteils beeinträchtigen können.

Es ist auch bekannt, dünnwandige Bauteile zur Bearbeitung in niedrigschmelzendes Gießmaterial einzubetten, das nach der Bearbeitung wieder abgeschmolzen wird (F. Arbeiter "Besseres Drehen und Fräsen", 3. Aufl. 2002, Neckar Verlag, Kapitel 6.5 Spannen durch Eingießen). Dieses Verfahren ist jedoch nur für die Bearbeitung von bereits hergestellten, dünnwandigen Werkstücken bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das eine vollständige, allseitige maschinelle Bearbeitung der herzustellenden Formteile ermöglicht, ohne dass verbleibende Oberflächenbereiche des Formteils nachträglich von Hand oder maschinell bearbeitet werden müssten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der durch die spanabhebende Bearbeitung in der ersten Aufspannung entstandene Hohlraum mit niedrigschmelzendem Gießmaterial ausgegossen wird, dass die spanabhebende Bearbeitung in der zweiten Aufspannung entlang dem gesamten Formteilumfang bis in das erstarrte Gießmaterial hinein erfolgt, und dass das Gießmaterial in einem anschließenden Verfahrensschritt durch Erhitzen ausgeschmolzen wird.

Wenn das herzustellende Formteil in der zweiten Aufspannung vollständig und restlos aus dem Werkstoffkörper herausgearbeitet worden ist, bleibt es durch das eingebrachte Gießmaterial mit dem Rest des aufgespannten Werkstoffkörpers verbunden. Die Aufnahme des Formteils in dem Gießmaterial gewährleistet eine vollständige Abstützung in allen Bereichen. Deshalb können auch dünne und insbesondere dünnwandige Formteile allseitig vollständig spanabhebend bearbeitet werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Verformung des Formteils kommt. Eine Flüssigkeitskühlung oder Sprühkühlung ist auch bei der Bearbeitung in der zweiten Aufspannung möglich. Damit wird ein wesentlicher Nachteil des bekannten Gefrierspannens vermieden.

Das erstarrte Gießmaterial, in das das Formteil mit seiner Oberfläche eingebettet ist, lässt sich in einfacher Weise durch Erhitzen ausschmelzen. Die Angabe, dass es sich hierbei um "niedrigschmelzendes" Gießmaterial handelt, ist so zu verstehen, dass der Schmelzpunkt des Gießmaterials ausreichend niedrig ist, dass er einerseits weit genug unterhalb des etwaigen Schmelzpunktes des verwendeten Werkstoffs liegt (sofern dieser schmelzbar ist) und dass die erforderliche Ausschmelztemperatur so gering ist, dass sie in einfacher Weise erzeugt werden kann und nicht zu einer wärmebedingten Formänderung des hergestellten Formteils führt.

Solches niedrigschmelzendes Gießmaterial steht in unterschiedlichen stofflichen Beschaffenheiten zur Verfügung. Vorzugsweise handelt es sich um eine Metalllegierung. Deren Schmelzpunkt kann unter 100°C gewählt werden, wenn das Ausschmelzen des Gießmaterials in einem Wasserbad erfolgen soll. Ein höherer Schmelzpunkt von beispielsweise 300°C kann gewählt werden, wenn ein Ölbad verwendet wird.

Bevorzugt wird eine Metalllegierung verwendet, die Wismut enthält. Solche marktüblichen niedrigschmelzenden Gießmaterialien haben durch ihren Wismutgehalt die Eigenschaft, dass sie beim Erstarren nicht schwinden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Fig. 1-6 sind aufeinanderfolgende Bearbeitungsschritte dargestellt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein beispielsweise quaderförmiger Werkstoffkörper 1, beispielsweise aus Kunststoff, auf einer herkömmlichen Vakuumspannplatte 2 in einer ersten Aufspannung aufgespannt. Die Vakuumspannplatte 2 ist an einem nur vereinfacht angedeuteten Maschinentisch 3 befestigt, beispielsweise angeschraubt. Anstelle der beschriebenen Vakuumspannung kann der Werkstoffkörper 1 auch in anderer Weise gespannt werden, beispielsweise mit mechanischen Spannmöbeln, wie mittels eines Schraubstocks, mit Spannpratzen, durch Anschrauben, in einem Backenfutter, einer Spannzange oder auf einer Magnetspannplatte.

Die Bearbeitung erfolgt durch einen Fräser 4, beispielsweise einen Fingerfräser, der in einer (nicht dargestellten) Frässpindel einer Formfräsmaschine aufgenommen ist, beispielsweise einer Mehrachsen-CNC- Fräsmaschine. Stattdessen oder zusätzlich können auch andere spanabhebende Bearbeitungen erfolgen, beispielsweise Bohren oder Schleifen.

Ausgehend von der in Fig. 1 gezeigten Stellung führt der Fräser 4 programmgesteuert eine Fräsbearbeitung durch, wobei die Formteiloberseite 5 eines herzustellenden Formteils 6 bearbeitet wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich beim Formteil 6 um die Oberschale eines Mobiltelefons. In der in Fig. 2 gezeigten ersten Aufspannung wird die Formteiloberseite 5 einschließlich der Umfangskontur vollständig bearbeitet.

Der dabei entstandene Hohlraum 7 wird noch in der ersten Aufspannung mit einem niedrigschmelzenden Gießmaterial 8 ausgegossen (Fig. 3), und zwar vorzugsweise nahezu vollständig, d. h. bis zur Oberkante des Werkstoffkörpers 1.

Sodann wird der teilbearbeitete Werkstoffkörper 1 nach dem Lösen der Vakuumspannplatte 2 gewendet und in einer zweiten Aufspannung erneut gespannt (Fig. 4). Sodann wird die jetzt oben angeordnete Formteilunterseite in der zweiten Aufspannung mittels des Fräsers 4 vollständig fertigbearbeitet. Die Fräsbearbeitung wird dabei entlang dem gesamten Formteilumfang einschließlich etwaiger Durchbrechungen des Formteils bis in das erstarrte Gießmaterial 8 hinein durchgeführt, so dass das fertiggestellte Formteil 6 am Ende der Fräsbearbeitung nur noch über das erstarrte Gießmaterial 8 mit dem rahmenförmigen Rest des Werkstoffkörpers 1 verbunden ist. Die volle Vakuum-Wirkung der Vakuumspannplatte bleibt dabei bis zur Beendigung der zweiten Aufspannung erhalten.

Dabei ist das Formteil 6 mit seiner Unterseite 5 vollständig in das Gießmaterial 8 eingebettet. Deshalb ist die Fräsbearbeitung auch bis auf eine sehr dünne Formteilwand möglich, ohne dass sich diese durch die auftretenden Zerspanungskräfte verformen könnte. Durch das vollständige Umschließen des Formteil-Positivs auf seiner ersten Seite und der umgebenden Tasche ist auf der zweiten Seite ein absolut ratter- und vibrationsfreies Bearbeiten möglich.

Nach dem Lösen der Aufspannung wird der rahmenförmige Rest des Werkstoffkörpers 1 mit dem darin durch das Gießmaterial 8 gehaltenen Formkörper 6 in ein Wasserbad 10 gebracht (Fig. 5), dessen Temperatur über der Schmelztemperatur des Gießmaterials 8 liegt. Als niedrigschmelzendes Gießmaterial 8 wurde beispielsweise eine Metalllegierung mit einem Schmelzpunkt unter 100°C verwendet. Wird stattdessen ein Ölbad verwendet, so kann ein Gießmaterial 8 mit höherem Schmelzpunkt von beispielsweise 300°C gewählt werden. Damit können auch höhere Temperaturen bei der spanenden Bearbeitung zugelassen werden.

Im Wasserbad 10 wird das Gießmaterial 8 ausgeschmolzen, so dass das Formteil 6 freigegeben wird (Fig. 6). Das Formteil 6 ist allseitig vollständig maschinell bearbeitet; an keiner Stelle seiner Oberfläche ist noch eine Nachbearbeitung von Hand oder maschinell erforderlich.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung von Formteilen, wobei aus einem Werkstoffkörper in einer ersten Aufspannung die Formteiloberseite und nach dem Wenden des teilbearbeiteten Werkstoffkörpers in einer zweiten Aufspannung die Formteilunterseite durch spanabhebende Bearbeitung herausgearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die spanabhebende Bearbeitung in der ersten Aufspannung entstandene Hohlraum (7) mit niedrigschmelzendem Gießmaterial (8) ausgegossen wird, dass die spanabhebende Bearbeitung in der zweiten Aufspannung entlang dem gesamten Formteilumfang bis in das erstarrte Gießmaterial (8) hinein erfolgt, und dass das Gießmaterial (8) in einem anschließenden Verfahrensschritt durch Erhitzen ausgeschmolzen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffkörper (1) in beiden Aufspannungen auf einer Vakuumspannplatte (2), mit mechanischen Spannmitteln oder einer Magnetspannplatte gespannt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nach der spanabhebenden Bearbeitung in der ersten Aufspannung entstandene Hohlraum (7) nahezu vollständig ausgegossen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als niedrigschmelzendes Gießmaterial (8) eine Metalllegierung verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung Wismut enthält.






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