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Die
Erfindung betrifft ein zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks bestimmtes
Werkzeug mit einer geometrisch bestimmten Schneide, welches eine
Spanfläche
und zumindest eine Freifläche aufweist.
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Bei
der spanenden Bearbeitung eines Werkstückes, beispielsweise aus einem
gehärteten
Stahl, mittels des mit einer geometrisch bestimmten Schneide ausgestatteten
Werkzeuges kommt es infolge des Werkzeugsverschleißes zur
Ausprägung von
Zugeigenspannungen in der Werkstückrandzone.
Ursache hierfür
ist die mit einer zunehmenden Verschleißmarkenbreite der Freifläche bzw.
mit der zunehmenden Kontaktfläche
zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ansteigende thermomechanische
Beanspruchung des Werkstücks.
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Ab
einer werkstoffspezifischen kritischen Verschleißmarkenbreite führt der
linear ansteigende Freiflächenverschleiß zu einer
negativen Veränderungen
der Bauteilrandzone durch Bildung unerwünschter Anlasszonen oder sogar
Neuhärtungszonen.
Diese Effekte können
beispielsweise durch Messung von Eigenspannungen in dem betroffenen Werkstückbereich
detektiert werden.
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Es
zeigt sich zudem, dass die Zerspankraftkomponenten sehr stark von
dem Werkzeugverschleiß abhängen. Dies
führt zu
extrem hohen Pressungen im Kontaktbereich zwischen dem Werkstück und der
Werkzeugfreifläche
mit der Folge einer hohen mechanischen und thermischen Belastung
der Werkstückrandzone.
Diese Beanspruchungen beeinflussen unter ande rem auch die erreichbaren
Genauigkeiten bei der spanenden Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere
von hartgedrehten Bauteilen.
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In
der Werkstückoberfläche können bei
der geometrisch bestimmten Hartbearbeitung bereits ab einer Verschleißmarkenbreite
von 0,05 mm Zugeigenspannungen auftreten. Ab einer Verschleißmarkenbreite
von 0,1 mm treten zudem häufig
Gefügeänderungen
auf. In der Praxis wird eine Verschleißmarkenbreite des Werkzeuges
ab 0,2 mm als besonders kritisch für die Bauteilqualität gehärteter Werkstücke angesehen.
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In
der Praxis sind bereits zahlreiche Versuche unternommen worden,
das Verschleißverhalten von
geometrisch bestimmten Werkzeugen für die Hartbearbeitung zu verbessern.
Beispielsweise kann durch geeignete Beschichtungen oder den Einsatz verschleißmindernder
Werkzeugmaterialien der Verlauf bis zur Entstehung der kritischen
Verschleißmarkenbreite
verzögert
werden.
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Die
DD 27 76 22 A1 beschreibt
eine Werkzeugschneide mit reduzierter Kontaktlänge auf der Spanfläche. Hierzu
hat die Spanfläche
einen der Schneidkante zugewandten konvexen kreisbogenförmigen Spanflächenabschnitt,
dem sich ein ebener Spanflächenabschnitt
anschließt.
Mit zunehmendem Freiflächenverschleiß ergibt
sich ein gegenüber
dem ursprünglichen
Spanwinkel größerer Spanwinkel,
so dass die Schnittkraft trotz erhöhter Reibung auf der Freifläche nur
wenig größer wird.
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Durch
die
EP 01 60 278 A2 ist
es ferner bekannt, bei einem auswechselbaren Schneidwerkzeug im
Bereich der einer Eck-Schneidkante sowie der sich daran beiderseits
anschließenden Hilfs-Schneidkanten
zugeordneten Seitenflächen eine
gegenüber
der Ebene der geneigten Seitenfläche
zurückspringende
Fixierfläche
zu schaffen. Diese zurückspringende
Fixierfläche
erstreckt sich von der Rückweise
des Schneidwerkzeuges bis zur Mitte der Seitenfläche. Auf diese Weise wird erreicht,
die zur zuverlässigen
und optimalen Fixierung des austauschbaren Schneidwerkzeuges erforderliche Schleifbearbeitung
nicht über
die gesamte Seitenfläche
zu erstrecken, sondern auf den der Vorderseite benachbarten Bereich
bis etwa zur Schneidwerkzeugmittelebene zu beschränken, so
dass die Bearbeitung vereinfacht und die Bearbeitungsdauer verkürzt werden
kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zur spanenden
Bearbeitung zu schaffen, durch welches der unvermeidliche Verschleiß wesentlich
reduziert bzw. verzögert
wird. Insbesondere soll die Einsatzdauer bis zum Erreichen der kritischen
Verschleißmar kenbreite
wesentlich verlängert
und damit die Werkzeugkosten vermindert und die Bauteilqualität verbessert
werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks bestimmten Werkzeug mit
einer geometrisch bestimmten Schneide, welches eine Spanfläche und zumindest
eine Freifläche
aufweist, gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 dadurch gelöst,
dass die Freifläche
innerhalb der jeweiligen, durch den Bearbeitungsfall vorbestimmten
kritischen Verschleißmarkenbreite
der Freifläche
zumindest zwei in verschiedenen Ebenen angeordnete Bereiche aufweist, wobei
der zweite, der Schneide abgewandte Bereich, gegenüber dem
ersten, der Schneide benachbarten Bereich, zurückgesetzt ist. Die Erfindung
geht dabei von der Überlegung
aus, dass aufgrund des zurückgesetzten
zweiten Bereichs die Verschleißmarkenbreite
nur langsam fortschreitet und sich die Verschleißmarkenbreite bis zum Erreichen
der kritischen Verschleißmarkenbreite über einen
vergleichsweise langen Bearbeitungszeitraum nur geringfügig ändert. Demgegenüber hat
sich gezeigt, dass die Größe der Verschleißmarkenbreite
für die
maximale Einsatzdauer des Werkzeuges entscheidend ist. Indem nun erfindungsgemäß der erste
Bereich der Freifläche gegenüber dem
Werkstück
vorspringend ausgestaltet ist, verändert sich die Verschleißmarkenbreite nach
einem zunächst
dem Stand der Technik entsprechenden Verlauf über einen erheblichen Schnittzeitraum
nur sehr geringfügig.
Insbesondere ändert sich
also die Verschleißmarkenbreite
erst dann erheblich, wenn der vorspringende erste Bereich derart abgetragen
ist, dass die Ebenen der beiden Bereiche im Wesentlichen übereinstimmen.
Der erste Bereich kann dabei auf die Umgebung der Schneidenecke beschränkt sein
oder sich über
die gesamte Länge der
Schneide erstrecken. Neben der deutlichen Verlängerung der Werkzeugstandzeit
ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Reduzierung
der Werkzeugkosten sowie der Werkzeugwechselkosten. Weiterhin wird
auch die Bauteilqualität
der so bearbeiteten Werkstücke
entscheidend verbessert, insbesondere auch bei der Zerspanung gehärteter Stähle, wie
beispielsweise Wälzlagerstahl.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung
wird dadurch erreicht, dass das Werkzeug einen die beiden Bereiche
verbindenden Übergangsbereich
aufweist. Hierdurch wird eine dem zu erwartenden Werkzeugverschleiß angepasste
Geometrie erreicht, durch die zugleich eine sprunghafte Änderung
der Verschleißmarkenbreite
ausgeschlossen ist. Der Übergangsbereich kann
dabei grundsätzlich
eine beliebige Formgebung und Oberflächenbeschaffenheit aufweisen
und beispielsweise auch eine konkave oder konvexe Ausformung umfassen.
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Der
Verlauf des Übergangsbereichs
ist wesentlich auch durch die erforderliche Belastbarkeit des Werkzeuges
in Bereich der Schneide bestimmt. Besonders vorteilhaft ist es daher,
wenn der Übergangsbereich
einen Winkel von zumindest 10° gegenüber dem
ersten Bereich der Freifläche
einschließt.
Hierdurch wird eine vergleichsweise geringe Materialschwächung im
Bereich der Schneidkante ebenso wie ein dem fortschreitenden Verschleiß angepasster
Abstand der jeweiligen Ebenen der beiden Bereiche erreicht.
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Dabei
ist es besonders praxisgerecht, wenn der Übergangsbereich einen stetigen
Verlauf aufweist, um so im Wesentlichen gleich bleibende Bearbeitungsergebnisse
bei der spanenden Bearbeitung des Werkstücks sicherzustellen. Insbesondere
werden dadurch kurzfristige Änderungen
der Zerspanungskräfte
vermieden.
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Die
jeweiligen Ebenen der beiden Bereiche könnten zueinander geneigt verlaufen.
Besonders zweckmäßig ist
es hingegen, wenn die beiden Ebenen im Wesentlichen parallel zueinander
verlaufen und daher die Grundform des erfindungsgemäßen Werkzeuges
von den aus dem Stand der Technik bekannten, insbesondere handelsüblichen
Werkzeugen nur sehr geringfügig
abweicht. Die Handhabung sowie die Herstellung des erfindungsgemäßen Werkzeuges
wird auf diese Weise wesentlich vereinfacht.
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Weiterhin
wird eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeuges dadurch
geschaffen, dass der erste Bereich zumindest abschnittsweise konvex
und der zweite Bereich zumindest abschnittsweise konkav ausgeführt ist. Die
Formgebung ermöglicht
dabei eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen,
insbesondere Werkstoffe, wobei der zeitliche Verlauf der Verschleißmarkenbreite
nicht allein durch die Geometrie des Werkzeuges vorbestimmt ist,
sondern in Abhängigkeit
des eingestellten Spanwinkels von dem Bediener angepasst werden
kann.
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Die
Ausformung der beiden Bereiche könnte auf
die Hauptfreifläche
beschränkt
sein. Besonders viel versprechend ist jedoch darüber hinaus eine Abwandlung,
bei der die beiden Bereiche einer Hauptfreifläche und/oder einer Nebenfreifläche zugeordnet sind,
um so eine Anpassung an den dreidimensionalen Verschleiß im Umfeld
der Schneidenecke zu ermöglichen.
Insbesondere kann hierzu der Verlauf der beiden Bereiche unabhängig von
der Haupt- und Nebenschneide
bestimmt werden.
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Eine
andere, ebenfalls in vorteilhafter Weise realisierbare Ausgestaltung
wird dadurch erreicht, dass zumindest einer der beiden Bereich eine
Beschichtung oder einen Formkörper
zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit aufweist, welche
reibungsmindernde oder thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen.
Die Beschichtung oder der Formkörper
kann bei einer speziellen Ausgestaltung einen optimalen Übergang
zwischen der Ebene des ersten und des zweiten Bereichs erzielen,
um so die Belastbarkeit des Werkzeuges, insbesondere der Schneide
zu verbessern. Zugleich wird die Beschichtung oder der Formkörper jedoch
derart ausgewählt, dass
diese keine oder lediglich sehr geringe Reibungskräfte oder
thermische Energie übertragen. Beispielsweise
kann sich die Beschichtung oder der Formkörper aufgrund der wachsenden
Verschleißmarkenbreite
in den entsprechenden Abschnitten der Freifläche ohne weiteres auflösen, so
dass die darunter liegende Fläche
des entsprechenden Bereichs mit dem Werkstück in Kontakt kommt.
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Die
Erfindung lässt
verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 ein
erfindungsgemäßes Werkzeug
in einer perspektivischen Darstellung;
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2 das
in 1 gezeigte Werkzeug in einer teilweise geschnittenen
Draufsicht;
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3 das
in 2 gezeigte Werkzeug in einer entlang der Linie
III-III geschnittenen Ansicht;
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4 den
zeitlichen Eigenspannungsverlauf des Werkstücks in der Oberfläche bei
Verwendung des in 1 gezeigten Werkzeuges sowie
eines Werkzeuges nach dem Stand der Technik;
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5 den
zeitlichen Verlauf der Verschleißmarkenbreite des Werkzeuges
bei Verwendung des in 1 gezeigten Werkzeuges sowie
eines Werkzeuges nach dem Stand der Technik.
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Das
erfindungsgemäße Werkzeug 1 wird nachstehend
anhand der 1 bis 3 dargestellt, wobei
die 1 eine perspektivische Darstellung, 2 eine
vergrößerte Draufsicht
und 3 eine entlang der Linie III-III geschnittene
Darstellung des jeweils lediglich abschnittsweise gezeigten Werkzeuges 1 zeigt.
Als eine wesentliche Größe zur Bestimmung
des fortschreitenden Verschleißes
dient die Verschleißmarkenbreite
VBzul in einer Freifläche 2 als Kontaktfläche zwischen
dem Werkzeug 1 und einem Werkstück 7. Mit der zunehmenden
Verschleißmarkenbreite
infolge des Werkzeugsverschleißes
kann es bei der spanenden Bearbeitung bestimmter Werkstoffe zur
Ausprägung
von unerwünschten
Zugeigenspannun gen in der Werkstückrandzone
kommen. Die Freifläche 2 des
Werkzeuges 1 weist innerhalb der durch die vorbestimmte
kritische Verschleißmarkenbreite
VBzul festgelegten Grenzen zumindest zwei
in verschiedenen Ebenen angeordnete Bereiche 3, 4 auf,
wobei der zweite, einer Schneide 5 bzw. einer Spanfläche 8 abgewandte
Bereich 4 gegenüber
dem ersten, der Schneide 5 benachbarten Bereich 3 zurückspringend
verläuft.
Die Verschleißmarkenbreite wächst daher
bei der Zerspanung in Vorschubrichtung f nicht stetig an. Vielmehr ändert sich
die Verschleißmarkenbreite über einen
bestimmten Verschleißzeitraum
nur geringfügig,
bis letztlich bei fortschreitendem Verschleiß die kritische Verschleißmarkenbreite
VBzul erreicht wird. Das Werkzeug 1 kann dadurch
wesentlich länger
eingesetzt werden. Die beiden Bereiche 3, 4 sind
dabei durch einen Übergangsbereich 6 mit
einem konvexen, stetigen Verlauf verbunden, welcher entsprechend
den jeweiligen Einsatzbedingungen, insbesondere auch in Abhängigkeit
des ausgewählten
Einstellwinkels κ ausgeformt
sein kann.
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Ergänzend zeigen
die 4 und 5 jeweils in einer Diagrammdarstellung
den zeitlichen Verlauf der in das Werkstück eingebrachten Eigenspannungen
sowie der Verschleißmarkenbreite
bei der spanenden Bearbeitung mittels des in 1 gezeigten
Werkzeuges 1 einerseits und eines Werkzeuges nach dem Stand
der Technik andererseits. Zu erkennen ist der ab Erreichen einer
bestimmten Verschleißmarkenbreite
entsprechend dem in der 1 gezeigten Übergangsbereich 6 wesentlich
verzögerte
weitere Anstieg sowohl der Eigenspannungen als auch der Verschleißmarkenbreiten.
Die kritische Verschleißmarkenbreite
VBzul wird demnach erst zu einem wesentlich
späteren
Zeitpunkt erreicht entsprechend einer zusätzlichen Zerspanzeit t.