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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Materialbearbeitung. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Schaftwerkzeug. Bei dem zu bearbeitenden Material (auch: Werkstoff) kann es sich beispielsweise um Kunststoff oder Metall handeln.
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Derartige Werkzeuge weisen einen um eine Werkzeugachse drehbaren oder drehenden Arbeitsbereich auf. Innerhalb dieses Arbeitsbereichs läuft an der Oberfläche des Werkzeugs eine Nut mit einem Drallwinkel um die Werkzeugachse um, d. h. die Nut windet sich nach Art einer Schraube oder Helix um das Werkzeug. Diese Nut ist ausgebildet und bestimmt für die Abfuhr von bei der Materialbearbeitung entstehenden Spänen (und wird daher auch als Spannut bezeichnet) und/oder für die Zufuhr von Kühl- und/oder Schmiermittel an die oder in die Nähe der in Bearbeitungseingriff am Material stehenden Werkzeugbereiche. Daneben sind auch Werkzeuge bekannt, bei denen die Nut geradlinig verläuft, das heißt sie windet sich nicht schraubenförmig um die Werkzeugachse, sondern verläuft parallel zur Werkzeugachse an der Werkzeugoberfläche.
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Aus der
DE 43 07 553 A1 ist ein Spiralbohrer bekannt mit einer Anzahl von Nuten, die auf der äußeren Manteloberfläche eingeformt sind und sich zu den vorderen Seitenflanken hin erstrecken.
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Die
EP 0 126 409 B1 offenbart ein Bohrwerkzeug mit einer wendelförmigen Abführnut, deren Steigung, vom Bohrkopf aus gesehen, in Richtung des Einsteck- bzw. Einspannteils zunimmt.
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Aus der deutschen Schrift
DE 196 02 903 A1 ist ferner ein Bohrkronenrohr mit rillenförmig verlaufenden, eingeprägten Erhebungen und/oder Vertiefungen bekannt.
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Weiterhin offenbart die
DE 691 05 082 T2 einen Gewindebohrer mit Schneidkanten, wobei mindestens eine Schneidkante einen axialen Spanwinkelwert aufweist, der sich von den axialen Spanwinkelwerten der anderen Schneidkanten unterscheidet.
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Ferner beschreibt die
DE 697 09 966 T2 einen Bohrer mit einer Spiralnut, die sich entlang des Werkzeugs abschnittsweise ändert.
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Der bereits genannte Drallwinkel ist eine Kenngrößen für die Ausbildung der Nut am Werkzeug. Eine weitere Kenngröße ist die sogenannte Drallsteigung (auch: Nutsteigung). Die Definitionen von Drallwinkel und Drallsteigung ergeben sich aus 1.
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In 1 ist ein Werkzeug 2 mit einer Werkzeugachse A, einer Werkzeugspitze 7 und einem Werkzeugschaft 8 dargestellt. In das Werkzeug 2 ist eine Nut 3 eingebracht (auf weitere Nuten wird hier nicht eingegangen). Diese Nut 3 weist einen Nutanfang 5 und ein Nutende 6 auf. In Höhe einer Position x entlang der Werkzeugachse A ist eine an die Nut 3 gelegte Tangente T an die Werkzeugoberfläche dargestellt, die entsprechend der Nutrichtung in Höhe der Position x orientiert ist. Diese Tangente T schneidet eine Parallele P zur Werkzeugachse A und bildet mit dieser einen Winkel α, der als Drallwinkel α der Nut in Höhe der Position x bezeichnet wird.
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Die Abwicklung der Werkzeugoberfläche ergibt ein Rechteck (nicht dargestellt) mit einer Schmalseite, deren Länge dem Werkzeugumfang u entspricht, das heißt ihre Länge ergibt sich aus der Formel ”Werkzeugdurchmesser u mal π”. Dieses abgewickelte Rechteck (das heißt die abgewickelte Werkzeugoberfläche) zeigt die Nut 3. In diesem abgewickelten Rechteck lässt sich somit in Höhe der Position x entlang der Werkzeugachse A wiederum die Tangente T an die Nut 3 eintragen, die parallel zur Nutrichtung in Höhe der Position x orientiert ist. Diese Tangente T ist selbstverständlich im abgewickelten Rechteck keine Tangente, sondern eine das Rechteck querende Gerade. Die Tangente T schneidet die beiden Längsseiten des abgewickelten Rechtecks (bzw. deren Verlängerungen) an den Schnittpunkten S1, S2 (vgl. 1). Verschiebt man nun die Schmalseite des abgewickelten Rechtecks entlang der Längsseiten bis zum nächstliegenden Schnittpunkt S1 der beiden Schnittpunkte S1, S2 der Tangente T mit den Längsseiten, so bilden die Schnittpunkte S1 und S2 zusammen mit einem Schnittpunkt S3 ein rechtwinkliges Dreieck D, wobei der Schnittpunkt S3 der Schnittpunkt der verschobenen Schmalseite a mit der den Schnittpunkt S1 nicht enthaltenden Längsseite ist. Der rechte Winkel des Dreiecks D liegt am Schnittpunkt S3. Der Winkel am Schnittpunkt S2 ist der Drallwinkel α. Die Gegenkathete des Drallwinkels α im Dreieck D ist die verschobene Schmalseite a, das heißt die Länge der Gegenkathete entspricht dem Werkzeugumfang u. Die Länge der Ankathete des Drallwinkels α im Dreieck D, mit anderen Worten die Länge der axiale Komponente des Dreiecks D, bildet definitionsgemäß die Drallsteigung s (auch: Nutsteigung) der Nut 3 in Höhe der Position x entlang der Werkzeugachse A.
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Somit besteht folgender Zusammenhang zwischen dem Drallwinkel α und der Drallsteigung s: s = u / tanα
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Hierbei ist u der Werkzeugumfang, der sich aus dem Werkzeugdurchmesser durch folgende Formel ergibt: u = π·d
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Insgesamt gilt somit: s = π·d / tanα
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Es besteht somit ein direkter mathematischer Zusammenhang zwischen Drallwinkel und Drallsteigung. Der Drallwinkel liegt zwischen 0° und 90°. Ein größerer Drallwinkel bedeutet gleichzeitig eine kleinere Drallsteigung und umgekehrt. Dieser Zusammenhang wird in 2 beispielhaft verdeutlicht. 2 zeigt geometrisch den Zusammenhang zwischen Drallwinkel und Drallsteigung anhand von zwei unterschiedlichen Drallwinkeln bzw. Drallsteigungen. Die Bedeutung der beiden Darstellungen in 2 ergibt sich aus dem Vergleich mit 1. In der oberen Darstellung in 2 ist der Drallwinkel α deutlich größer als der Drallwinkel α in der unteren Darstellung in 2. Das Verhältnis der Drallsteigungen s ist hingegen genau umgekehrt. Die Drallsteigung s in der oberen Darstellung ist kleiner als die Drallsteigung s in der unteren Darstellung in 2.
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Wenn nachfolgend der Drallwinkel angesprochen wird, gelten die Aussagen somit entsprechend auch für die Drallsteigung, unter Berücksichtigung der vorstehenden Zusammenhänge.
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Bei den vorbeschriebenen bekannten Werkzeugen sind Drallwinkel und Drallsteigung der Nut immer über die gesamte Nutlänge konstant. Bei schraubenförmig umlaufenden Nuten liegt ein konstanter Drallwinkel ”ungleich Null” (α ≠ 0) vor, bei geradlinigen Nuten beträgt der Drallwinkel 0°. Bei der Schraubenform ergibt sich die Drallsteigung aus der vorbeschriebenen Definition, bei einer geraden Nut ist folgerichtig die Drallsteigung unendlich (s = ∞).
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Je nach Werkzeug und Anwendung wird ein geeigneter konstanter Drallwinkel bzw. eine geeignete konstante Drallsteigung ausgewählt. Allerdings kann dabei den jeweiligen Anforderungen an ein möglichst optimal an bestimmte Bedingungen angepasstes Werkzeug nicht immer voll entsprochen werden.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Werkzeug anzugeben, mit dem die vorstehend angesprochenen Nachteile konstanter Drallwinkel bzw. Drallsteigung beim Stand der Technik vollständig oder zumindest teilweise überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sind aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nach Anspruch 1 ist gemäß der Erfindung ein Werkzeug zur Materialbearbeitung vorgesehen, umfassend
- a) wenigstens einen um eine Werkzeugachse drehbaren oder drehenden Arbeitsbereich, und
- b) mindestens zwei um die Werkzeugachse umlaufende Nuten (beispielsweise eine Spannut),
- c) wobei der Drallwinkel der Nuten sich entlang der Werkzeugachse zumindest abschnittsweise verändert (das heißt variiert bzw. nicht konstant ist) und
- d) wobei sich bei den Nuten der Drallwinkel entlang der Nut in unterschiedlicher Weise verändert.
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Bei dem Werkzeug kann es sich insbesondere um einen Bohrer und/oder einen Fräser und/oder einen Gewindebohrer und/oder einen Gewindefräser handeln. Bevorzugt handelt es sich um ein Schaftwerkzeug.
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Alternativ zum Drallwinkel der Nut kann auch von der Drallsteigung der Nut (oder: Nutsteigung) gesprochen werden, deren Definition sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt. Dabei ist zu beachten, dass ein größerer Drallwinkel definitionsgemäß eine kleinere Drallsteigung bedeutet und umgekehrt (vgl. 1 und 2).
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Ein sich verändernder Drallwinkel bzw. eine sich verändernde Drallsteigung erweitert die Möglichkeiten, an spezielle Gegebenheiten angepasste oder für bestimmte Anforderungen besonders geeignete Werkzeuge bereitzustellen.
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Nach einer besonders bevorzugten, vorteilhaften Weiterbildung des Werkzeugs ist vorgesehen, dass der Drallwinkel der Nut entgegen einer Vorschubrichtung des Werkzeugs abnimmt. Dies bedeutet, dass der Drallwinkel der Nut an oder nahe einer Werkzeugspitze und damit am oder nahe dem Nutanfang, beispielsweise an einem vorderen Anschnittbereich des Werkzeugs, einen großen Wert und am oder nahe einem dem Nutanfang gegenüberliegenden Nutende einen im Vergleich hierzu kleineren Wert aufweist. Diese Abnahme kann in Stufen erfolgen, auch nur eine einzige Abstufung ist möglich. Bevorzugt ist jedoch, wenn der Drallwinkel der Nut kontinuierlich entgegen der Vorschubrichtung des Werkzeugs abnimmt.
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Besonders bevorzugt ist, wenn der Drallwinkel der Nuten linear entgegen der Vorschubrichtung des Werkzeugs abnimmt.
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Umgekehrt nimmt die Drallsteigung hierbei entsprechend zu, wie sich aus den Definitionen von Drallwinkel und Drallsteigung ergibt. Das bedeutet, dass die Drallsteigung der Nut an oder nahe der Werkzeugspitze im Vergleich zum Nutende einen kleineren Wert aufweist.
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Von besonderem Vorteil ist diese Weiterbildung bei schneidenden Werkzeugen, die bei der Materialbearbeitung Späne erzeugen, die über die Nut bzw. über Nuten abgeführt werden.
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Die Vorteile dieser Weiterbildung ergeben sich aus der prinzipiellen Betrachtung des Transportweges eines Spans durch die Nut. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Span – ohne Berücksichtigung von Reibung oder Schlupf – bei einer Umdrehung des Werkzeugs um eine Weglänge, die in ihrem Betrag der Drallsteigung entspricht, in der Nut weitertransportiert wird. An oder nahe der Werkzeugspitze und damit an oder nahe dem Nutanfang, das heißt beispielsweise im Anschnittbereich oder im Zerspanungsbereich des Werkzeugs, legt ein Span somit in gleicher Zeit, das heißt beispielsweise bei einer Werkzeugumdrehung, einen kürzeren Weg zurück als am Nutende. Dies führt dazu, dass ein Span zum Nutende hin schneller durch die Nut transportiert wird als am Nutanfang. Der Span fließt somit zum Nutende hin schneller ab als er an oder nahe der Werkzeugspitze, beispielsweise im Anschnitt- oder Zerspanungsbereich des Werkzeugs, durch die Nut weitertransportiert wird. Damit behindert der zum Nutende hin schneller abfließende Span den Spanfluss bei der Zerspanung im vorderen Nutbereich, d. h. an oder nahe des Nutanfangs, weniger als bei herkömmlich ausgebildeten Werkzeugen, die eine konstante Drallsteigung aufweisen. Bei zusammenhängenden Fließspänen kann der zum Nutende hin schneller abfließende Spanteil einen gewissen Zug auf den noch im vorderen Nutbereich befindlichen Spanteil ausüben und damit auch den Spanfluss im vorderen Nutbereich, insbesondere im Anschnitt- oder Zerspanungsbereich des Werkzeugs, beschleunigen. Mit anderen Worten: Der aufgrund des kleineren Drallwinkels bzw. der größeren Drallsteigung beschleunigte Span im Auslaufbereich der Nut verbessert und erleichtert den Spanfluss auch im (vorderen) Zerspanungsbereich bzw. Anschnittbereich des Werkzeugs.
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Der Drall an oder nahe der Werkzeugspitze kann somit optimal für die Materialbearbeitung, insbesondere die Zerspanung, ausgelegt werden, wohingegen der Drall zum Nutende hin für den optimierten Spantransport ausgelegt wird.
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Insgesamt ermöglicht der mit der Erfindung erzielbare gute Spanfluss größere Bearbeitungstiefen, beispielsweise tiefere Bohrungen (z. B. Gewindebohrungen).
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Eine vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, dass die Fläche des Nutquerschnitts entgegen einer Vorschubrichtung des Werkzeugs zunimmt. Diese Zunahme kann diskontinuierlich, das heißt gestuft erfolgen. Auch lediglich eine Abstufung ist möglich. Bevorzugt ist jedoch, wenn die Fläche des Nutquerschnitts entgegen einer Vorschubrichtung des Werkzeugs kontinuierlich zunimmt.
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Besonders bevorzugt ist, wenn die Fläche des Nutquerschnitts entgegen einer Vorschubrichtung des Werkzeugs linear zunimmt.
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Der Nutquerschnitt ist hierbei der Querschnitt senkrecht zur Nuterstreckung bzw. Nutrichtung. Seine Fläche wird begrenzt durch die Nutflanken und den Nutboden sowie durch eine für alle Nutquerschnitte vergleichbar hinzugedachte Verbindungslinie der äußeren Endpunkte der Nutflanken, beispielsweise eine Kreisbogenlinie, die den Werkzeugumfang nachzeichnet.
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Mit anderen Worten: Der zur Verfügung stehende Spanraum (Volumen pro Nutabschnitt) wird zum Nutende hin größer. Ein Span hat somit zum Nutende hin mehr Platz und kann ungehindert entgegen der Vorschubrichtung des Werkzeugs in der Nut gefördert werden und schließlich aus der Nut und damit aus der mit dem Werkzeug erzeugten Bohrung austreten.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Nuten entlang der Werkzeugachse in jeweils entsprechender Position einen unterschiedlichen Drallwinkel aufweisen. Unter einer entsprechenden Position entlang der Werkzeugachse ist zu verstehen, dass die jeweils zu vergleichenden Nutstellen in einer Ebene senkrecht zur Werkzeugachse liegen.
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Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt insbesondere darin, dass Nuten mit unterschiedlichen Drallwinkeln an einander entsprechenden Positionen bzw. mit sich unterschiedlich verändernden Drallwinkeln zumindest abschnittsweise im Werkzeug eine unterschiedliche Zahnteilung mit sich bringen. Dies bedeutet, dass der Teilungswinkel zwischen den Zähnen sich entlang der Werkzeugachse verändert. Mit anderen Worten: Zwei entlang des Werkzeugumfangs aufeinanderfolgende Zähne weisen einen bestimmten Umfangsabstand (Kreisbogenlänge) zueinander auf. Ein entsprechendes Zahnpaar, das entlang der Werkzeugachse axial versetzt angeordnet ist, weist einen anderen, größeren oder kleineren Umfangsabstand auf. Mit anderen Worten: Die Erstreckung der Zähne zwischen den Nuten verändert sich bei einander entsprechenden Zähnen entlang der Werkzeugachse. Dies hat den Vorteil, dass Resonanzen bei der Materialbearbeitung vermieden werden, da die beim Arbeitseingriff der Zähne in ein Werkstück erzeugt Schwingungen unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Eine Anregung der Eigenfrequenz von Werkstück oder Werkzeug ist somit ausgeschlossen.
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Beispielsweise kann der Drallwinkel einer Nut sich ausgehend von einem Winkel α1 zu einem Winkel β1 verändern, der Drallwinkel einer weiteren Nut sich von einem Winkel α2 zu einem Winkel β2 verändern und der Drallwinkel einer nochmals weiteren Nut sich von einem Winkel α3 zu einem Winkel β3 verändern, wobei α1 ≠ α2 ≠ α3 und β1 ≠ β2 ≠ β3.
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In einer weiteren Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Werkzeug mindestens eine erste und eine zweite um die Werkzeugachse umlaufende Nut aufweist, wobei die ersten Nuten einen Rechtsdrall und die zweiten Nuten einen Linksdrall aufweisen.
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Bei einem Rechtsdrall läuft die Nut in Vorschubrichtung des Werkzeugs betrachtet im Uhrzeigersinn um die Werkzeugachse. Dies ist die häufigste Werkzeugform. Beim Linksdrall läuft die Nut in Vorschubrichtung des Werkzeugs betrachtet gegen den Uhrzeigersinn um die Werkzeugachse. Entsprechend kreuzen sich erste und zweite Nuten einmal oder mehrmals. Man kann bei einer derartigen Werkzeugausbildung auch von einer Kreuzverzahnung sprechen.
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Die Vorteile dieser Variante liegt insbesondere darin, dass bei weichen zu bearbeitenden Materialien (Werkstoffen), beispielsweise Kunststoff, die Gratbildung verhindert oder zumindest reduziert wird und dass bei Komposit-Materialien (Komposit-Werkstoffen) das Ausreißen einzelner Lagen verhindert oder zumindest reduziert wird.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Verdeutlichung der Definitionen von Drallwinkel und Drallsteigung (Stand der Technik),
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2 eine Verdeutlichung der gegenseitigen Abhängigkeit von Drallwinkel und Drallsteigung (Stand der Technik),
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3 ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugs gemäß der Erfindung, und
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4a–d verschiedene Ansichten eines weiteren eines erfindungsgemäßen Werkzeugs.
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Einander entsprechende Komponenten und Größen sind in 1 bis 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 wurden bereits vorstehend erläutert.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugs 2 gemäß der Erfindung. Es handelt sich hierbei um ein Schaftwerkzeug mit einer Werkzeugspitze 7 und einem der Werkzeugspitze 7 gegenüberliegenden Werkzeugschaft 8. Das Werkzeug 2 weist einen um eine Werkzeugachse A drehbaren Arbeitsbereich 4 und zwei um die Werkzeugachse A mit Rechtsdrall umlaufenden Nuten 3a, 3b auf. Der Drallwinkel α der Nuten 3a und 3b verändert sich kontinuierlich entlang der Werkzeugachse A, er nimmt ausgehend vom jeweiligen Nutanfang 5 an der Werkzeugspitze 7 entgegen einer Vorschubrichtung V des Werkzeugs 2 zum jeweiligen Nutende 6 hin ab. Die Veränderung des Drallwinkels α verläuft gleichermaßen für beide Nuten 3a und 3b, das heißt die Veränderungen in Nut 3a und Nut 3b entsprechen einander.
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Auf Höhe zweier Position x1 und x2 entlang der Werkzeugachse ist der Drallwinkel α beispielhaft schematisch für die Nut 3a dargestellt, und zwar an Position x1 der Drallwinkel α1 und an Position x2 der Drallwinkel α2. Geometrisch hinzukonstruiert ist ferner jeweils die zum Drallwinkel gehörige Drallsteigung s, und zwar an Position x1 die Drallsteigung s1 und an Position x2 die Drallsteigung s2. Zum Verständnis der geometrischen Darstellung sei auf 1 und 2 sowie auf die dazugehörigen Erläuterungen verwiesen. Die Position x1 liegt nahe dem Nutanfang 5 bzw. der Werkzeugspitze 7, die Position x2 liegt nahe dem Nutende 6.
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In 3 ist deutlich zu sehen, dass der Drallwinkel α1 (ca. 35°) an der Position x1 größer ist als der Drallwinkel α2 (ca. 19°) an der Position x2. Umgekehrt ist die Drallsteigung s1 an der Position x1 deutlich kleiner als die Drallsteigung s2 an der Position x2. Die Drallsteigung s steigt somit entgegen der Vorschubrichtung V des Werkzeugs 2 entlang der Werkzeugachse A an, und zwar ebenfalls kontinuierlich.
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4a, 4b, 4c und 4d zeigen verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs 2, und zwar 4a eine Draufsicht auf die Werkzeugspitze 7 und 4b bis 4d Seitenansichten des Werkzeugs 2, wobei das Werkzeug 2 hier in verschiedenen Drehstellungen um die Werkzeugachse dargestellt ist. Das Werkzeug 2 weist zwei Nuten 3 auf, die mit sich veränderndem Drallwinkel um die Werkzeugachse umlaufen. Bei beiden Nuten 3 nimmt der Drallwinkel entgegen der Vorschubrichtung des Werkzeugs ab.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Werkzeug
- 3, 3a, 3b
- Nut, Spannut
- 4
- Arbeitsbereich
- 5
- Nutanfang
- 6
- Nutende
- 7
- Werkzeugspitze
- 8
- Werkzeugschaft
- A
- Werkzeugachse
- D
- Dreieck
- P
- Parallele
- S1, S2, S3
- Schnittpunkte
- T
- Tangente
- V
- Vorschubrichtung
- a
- Verschobene Schmalseite
- s, s1, s2
- Drallsteigungen, Nutsteigungen
- u
- Umfang des Werkzeugs
- x, x1, x2
- Positionen
- α, α1, α2
- Drallwinkel
