-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Radiusschaftfräser
aus kubischem Bornitrid, der zur Bearbeitung von Materialien mittlerer
oder hoher Härte eingesetzt wird, beispielsweise abschreckgehärteter
Stahl, und zur Fertigbearbeitung von Werkzeugoberflächen
und dergleichen. Der Begriff ”Radiusschaftfräser
aus Bornitrid” bezeichnet einen Schaftfräser,
der eine Fräserschneide aufweist, die aus einem gesinterten
Presskörper aus kubischem Bornitrid besteht.
-
Ein
Beispiel für einen Radiusschaftfräser aus kubischem
Bornitrid nach dem Stand der Technik wird in der
japanischen Veröffentlichung einer
ungeprüften Patentanmeldung Nr. 2005-118960 (Patentdokument
1) beschrieben. Bei einem Radiusschaftfräser, der im Patentdokument
1 beschrieben wird, ist eine Fräserschneide ein axialsymmetrischer,
spiralförmiger Zahn in Ansicht von unten, und ist eine
Abfasung oder Abschrägung (entsprechend einer ”negativen
Schneidbrust” bei der vorliegenden Erfindung) mit einem
negativen Winkel auf einer Schneidbrust entlang der Fräserschneide
angeordnet.
-
Die
Abfasung festigt die Schneide. Bei einem Werkzeug, bei welchem ein
gesinterter Presskörper aus kubischem Bornitrid als Material
für eine Fräserschneide eingesetzt wird, ist der
Wirksamkeitsgrad der Abfasung signifikant. Selbst wenn die Schneide
durch die Abfasung gefestigt wird, kann jedoch die Tiefe der Spanabnahme
während des Fräsens nicht erhöht werden,
so dass die Auswirkung eines spiralförmigen Zahns nicht sehr
groß ist. Im Falle der Bearbeitung eines Materials hoher
Härte mit einem Schaftfräser, der aus einer gesinterten
Hartlegierung besteht, deren Oberfläche mit einer Hartbeschichtung
versehen ist, ist die Lebensdauer des Schaftfräsers selbst
bei einer geringen Tiefe der Spanabnahme kurz, und neigt die bearbeitete
Oberfläche dazu, rau zu sein, infolge der Beschädigung
der Fräserschneide. Um mit derartigen Problemen fertig
zu werden, wurden Schaftfräser aus kubischem Bornitrid
entwickelt. Bei einem Radiusschaftfräser aus kubischem Bornitrid,
bei welchem eine Viertelkreisradius-Fräserschneide (Schneidenecken-Fräserschneide)
durchgehend mit dem äußeren Ende einer End-Fräserschneide
verbunden ist, und eine Umfangs-Fräserschneide durchgehend
mit dem äußeren Ende der Radius-Fräserschneide
verbunden ist, kann jedoch selbst dann, wenn die Schneide durch
eine Abfasung gefestigt ist, die gewünschte Lebensdauer
des Schaftfräsers in einigen Fällen nicht erzielt
werden.
-
Bei
der Bearbeitung mit einem Radiusschaftfräser aus kubischem
Bornitrid, insbesondere bei der Bearbeitung ebener Oberflächen,
wird die Grenze zwischen der Radius-Fräserschneide und
der End-Fräserschneide leicht beschädigt, was
eine Verbesserung in Bezug auf die Lebensdauer des Schaftfräsers
verhindert. Bei der Bearbeitung ebener Oberflächen konzentriert
sich die Belastung auf die Grenze zwischen der Radius-Fräserschneide
und der End-Fräserschneide, was zum Auftreten von Abrieb
und Fragmentierung an der Grenze führt. Dies kann die Fräserschneide
beschädigen, wodurch die Lebensdauer des Schaftfräsers
verkürzt wird.
-
Unter
diesen Umständen wurde der Versuch unternommen, den Spanwinkel
einer negativen Schneidbrust zu optimieren, die an dem Schneidenabschnitt
angebracht werden soll. Allerdings stellte sich heraus, dass es
eine Grenze für die Auswirkung der Festigung der Schneide
durch die Anbringung der negativen Schneidbrust gab, und dass es
nicht möglich war, eine Beschädigung der Grenze
nur durch Optimieren des Spanwinkels der negativen Schneidbrust
zu unterdrücken.
-
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Radiusschaftfräsers aus kubischem Bornitrid, bei
welchem die Widerstandsfähigkeit gegen Bruch und die Abriebfestigkeit
an der Grenze zwischen der End-Fräserschneide und der Radius-Fräserschneide
verbessert sind, so dass die Lebensdauer des Schaftfräsers
verbessert wird.
-
Ein
Radiusschaftfräser aus kubischem Bornitrid gemäß der
vorliegenden Erfindung weist einen gesinterten Presskörper
aus kubischem Bornitrid auf, der mit einem Ende eines Hauptkörpers
verbunden ist, und eine Fräserschneide, die auf dem gesinterten
Presskörper aus kubischem Bornitrid vorgesehen ist, wobei
eine negative Schneidbrust auf einer Schneidbrust so vorgesehen
ist, dass sie sich über den gesamten Bereich der Fräserschneide
erstreckt, der Spanwinkel θn der negativen Schneidbrust
der Beziehung –30° ≤ θn ≤ –50° genügt,
der Keilwinkel θt der Fräserschneide über
den gesamten Bereich der Fräserschneide konstant ist, und eine
Verbindungs-Fräserschneide zwischen einer End-Fräserschneide
und einer Radius-Fräserschneide in der Fräserschneide
angeordnet ist, wobei die Verbindungs-Fräserschneide einen
konkaven Winkel γ0 aufweist, der kleiner ist als der konkave
Winkel γ1 der End-Fräserschneide, und der Beziehung
0,5° ≤ γ0 ≤ 2° genügt.
-
Bei
dem Radiusschaftfräser aus kubischem Bornitrid erfüllt
die Breite W der Verbindungs-Fräserschneide vorzugsweise
die Beziehung 0,025 D ≤ W ≤ 0,3 D (wobei D der
Durchmesser des wirksamen Abschnitts des Schaftfräsers
ist), und ist vorzugsweise die Fräserschneide nicht spiralförmig.
Weiterhin kann die Verbindungs-Fräserschneide eine geradlinige
Form, Kreisform oder eine Form aufweisen, bei welcher mehrere geradlinige
Abschnitte und Kreisbögen kombiniert sind.
-
Vorzugsweise
weist der Keilwinkel θt einen konstanten Wert auf, welcher
der Beziehung 100° ≤ θt ≤ 125° genügt.
-
Bei
dem Radiusschaftfräser gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der Spanwinkel θn der negativen Schneidbrust,
die auf der Schneidbrust so angeordnet ist, dass sie sich über
den gesamten Bereich der Fräserschneide erstreckt, auf
den Bereich von –30° bis –50° eingestellt.
Die Fräserschneide wird durch eine derartige Optimierung
der negativen Schneidbrust gefestigt. Falls nur die Optimierung
des Spanwinkels der negativen Schneidbrust durchgeführt
wird, verbleibt das Problem, dass die Grenze zwischen der End-Fräserschneide
und der Radius-Fräserschneide beschädigt wird.
Allerdings ist bei der vorliegenden Erfindung die Verbindungs-Fräserschneide
zwischen der End-Fräserschneide und der Radius-Fräserschneide
angeordnet, wobei die Verbindungs-Fräserschneide einen
konkaven Winkel γ0 aufweist, der kleiner ist als der konkave Winkel γ1
der End-Fräserschneide. Daher nimmt die Fläche
jenes Bereichs zu, auf welche sich die Belastung leicht konzentriert,
wenn eine ebene Oberfläche bearbeitet wird. Dies verteilt
die Belastung, so dass sich erwarten lässt, dass die Beschädigung
der Grenze zwischen der End-Fräserschneide und der Radius-Fräserschneide
unterdrückt wird.
-
Weiterhin
ist die Fräserschneide nicht spiralförmig, und
ist der Keilwinkel θt der Fräserschneide konstant über
den gesamten Bereich der Fräserschneide. Daher sind die
End-Fräser schneide, die Radius-Fräserschneide,
und die Umfangs-Fräserschneide glatt miteinander verbunden,
was zu einer Verbesserung der Radiusgenauigkeit (der Formgenauigkeit
der Radius-Fräserschneide) führt.
-
Der
Spanwinkel θn der negativen Schneidbrust weist einen Wert
auf, der unter Berücksichtigung des Ausgleichs zwischen
der Bruchfestigkeit des Schneidenabschnitts und der Spanabnahmequalität
eingestellt ist. Durch Einstellung des negativen Spanwinkels der
negativen Schneidbrust auf größer als –30° kann
die Auswirkung der Festigung der Schneide durch die negative Schneidbrust
in ausreichendem Maße erhalten werden. Andererseits wird
durch Einstellung des negativen Spanwinkels auf kleiner als –50° eine
Beeinträchtigung der Spanabnahmequalität verhindert.
-
Weiterhin
können durch Einstellung des konkaven Winkels γ0
der Verbindungs-Fräserschneide auf etwas größer
als 0° die Verbindungs-Fräserschneide und die
End-Fräserschneide glatt miteinander verbunden werden.
Weiterhin lässt sich ein Schleifeffekt infolge der Verbindungs-Fräserschneide
erwarten, was zu einer Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit
der bearbeiteten Oberfläche führt. Der konkave
Winkel γ0 der Verbindungs-Fräserschneide liegt
vorzugsweise im Bereich von 0,5° bis 2°. Auch
ist es möglich, die Beschädigung der Grenze dadurch
zu unterdrücken, dass der konkave Winkel (γ1 in 5)
der End-Fräserschneide so gewählt wird, dass er
der Beziehung 0,5° ≤ γ1 ≤ 2° genügt.
Allerdings treten bei einer derartigen Vorgehensweise, da die Belastung
bei der Spanabnahme zu groß wird, Ratterschwingungen während
der Bearbeitung auf, und wird die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzt.
-
Bei
dem Radiusschaftfräser aus kubischem Bornitrid, bei welchem
die Breite W der Verbindungs-Fräserschneide die Beziehung
0,025 D ≤ W ≤ 0,3 D erfüllt, kann die
Breite W größer gewählt werden als die
typische Zustellung pro Zahn bei der Fertigbearbeitung. Durch Erfüllung
dieser Bedingung wird ermöglicht, den Schleifeffekt durch
die Verbindungs-Fräserschneide zu erhalten, so dass sich
eine Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit der bearbeiteten
Oberfläche erwarten lässt. Der numerische Bereich
von 0,025 D ≤ W ≤ 0,3 D wird auf der Grundlage üblicher
Bearbeitungsbedingungen bestimmt.
-
Bei
dem Radiusschaftfräser aus kubischem Bornitrid, bei welchem
die Fräserschneide nicht spiralförmig ist, lässt
sich die negative Schneidbrust gut bearbeiten, und wird leicht die
Exaktheit des Radius sichergestellt.
-
Durch
Einstellung des Keilwinkels θt auf 100° oder mehr
wird eine ausreichende Festigkeit des Schneidenabschnitts sichergestellt.
Durch Einstellung des Keilwinkels θt auf 125° oder
weniger wird eine ordnungsgemäße Qualität
der Spanabnahme des Schneidenabschnitts sichergestellt.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile
und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
-
1 eine
Perspektivansicht eines wesentlichen Teils eines Radiusschaftfräsers
aus kubischem Bornitrid gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2 eine
Ansicht von vorn des wesentlichen Teils des in 1 dargestellten
Radiusschaftfräsers,
-
3 eine
Seitenansicht des wesentlichen Teils des in 1 dargestellten
Radiusschaftfräsers;
-
4 eine
Ansicht von unten des in 1 dargestellten Radiusschaftfräsers;
-
5 eine
schematische Darstellung einer Verbindungs-Fräserschneide;
und
-
6 eine
vergrößerte Querschnittsansicht entlang der Linie
X-X von 2.
-
Ein
Radiusschaftfräser aus kubischem Bornitrid gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme
auf die 1 bis 6 beschrieben.
In den 1 bis 4 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen
gesinterten Presskörper aus kubischem Bornitrid. Der gesinterte
Presskörper 1 aus kubischem Bornitrid weist eine
Metallbasis 1a auf, die aus einer gesinterten Hartlegierung
besteht, die mit kubischem Bornitrid während der Herstellung
des Materials vereinigt wurde. Wenn die Metallbasis 1a auf
das Ende eines Hauptkörpers 2 aufgelötet
wird, wird der gesinterte Presskörper 1 aus kubischem
Bornitrid mit dem Hauptkörper 2 verbunden. Der
Hauptkörper 2 weist einen Schaft (nicht dargestellt)
an seinem hinteren Ende auf, wobei der Schaft einen größeren
Durchmesser als der Hauptkörper aufweist. Der gesinterte
Presskörper 1 aus kubischem Bornitrid enthält
40% bis 95% kubisches Bornitrid, und der Rest der Zusammensetzung
ist die Bindemittelschicht.
-
Der
gesinterte Presskörper 1 aus kubischem Bornitrid
weist zwei nicht spiralförmige Schneiden 3 auf, Schneidbrüste 4,
Spantaschen 5, Freiflächen 6, und negative
Schneidbrüste 7 der jeweiligen Fräserschneiden in
zentral-symmetrischer Form bei Ansicht von unten (siehe 4).
-
Jede
Fräserschneide 3 besteht aus vier Abschnitten:
einer End-Fräserschneide 3a, einer Verbindungs-Fräserschneide 3b,
einer Viertelkreisradius-Fräserschneide 3c, und
einer Umfangs-Fräserschneide 3d. Die Verbindungs-Fräserschneide 3b,
die eines der charakteristischen Elemente der vorliegenden Erfindung darstellt,
ist zwischen der End-Fräserschneide 3a und der
Radius-Fräserschneide 3c angeordnet. Der konkave Winkel γ0
der Verbindungs-Fräserschneide 3b (gezeigt in 5)
ist kleiner als der konkave Winkel γ1 der End-Fräserschneide 3a,
und liegt im Bereich von 0,5° bis 2°. Die Breite
W der Verbindungs-Fräserschneide 3b (gezeigt in 5)
genügt der Bedingung 0025 D ≤ W ≤ 0,3
(wobei D der Durchmesser des wirksamen Abschnitts des Schaftfräsers
ist).
-
Die
Umfangs-Fräserschneide 3d ist durchgehend mit
dem äußeren Ende der Radius-Fräserschneide 3c verbunden.
Die Umfangs-Fräserschneide 3d weist in erforderlichem
Ausmaß eine Hinterschneidung auf.
-
Die
negative Schneidbrust 7 ist auf der Schneidbrust 4 so
angeordnet, dass sie sich über den gesamten Bereich der
Fräserschneide 3 erstreckt. Der Spanwinkel θn
der negativen Schneidbrust 7 (gezeigt in 6) ist
auf einen konstanten Wert im Bereich von –30° bis –50° eingestellt,
und der Keilwinkel θt ist auf einen konstanten Wert über
den gesamten Bereich der Fräserschneide eingestellt. Der
Keilwinkel θt kann berechnet werden aus der Gleichung θt
= (90° – θr + θn). In 6 ist
die Höhe gegenüber dem Zentrum an der Schneidbrust
mit Nt bezeichnet. Der optimale Wert für den Freiwinkel θr
beträgt 15° bis 20°.
-
Die
Schneide der Fräserschneide 3, also der Steg an
jenem Ort, an welchem sich die negative Schneidbrust 7 und
die Freifläche 6 gegenseitig schneiden, liegt
auf der Linie, die im Wesentlichen durch das Werkzeugzentrum O bei
Ansicht von unten des Werkzeugs (4) hindurchgeht,
so dass die Form der Radius-Fräserschneide 3c bei
Ansicht von vorn des Werkzeugs (2) direkt
auf ein Werkstück übertragen wird. Daher ist bei
der dreidimensionalen Bearbeitung eine hohe Genauigkeit des Radius
(Formgenauigkeit der Radius-Fräserschneide 3c)
erforderlich.
-
Um
die Anforderung zu erfüllen, sind sowohl der Spanwinkel θn
der negativen Schneidbrust 7 als auch der Keilwinkel θt
der Fräserschneide so gewählt, dass sie konstant
sind. Auf diese Weise werden die End-Fräserschneide 3a,
die Verbindungs-Fräserschneide 3b, die Radius-Fräserschneide 3c,
und die Umfangs-Fräserschneide 3d glatt miteinander
verbunden, wodurch die Formgenauigkeit verbessert wird.
-
Bei
der Bearbeitung ebener Oberflächen tritt durch Einstellung
der Werkzeugzustellung pro Zahn auf kleiner als die Breite W der
Verbindungs-Fräserschneide 3b ein Schleifeffekt
durch die Verbindungs-Fräserschneide 3b auf (also
ein Effekt, bei welchem die Spitze der Zustellmarkierung, die bei
der Bearbeitung mit der Radius-Fräserschneide 3c hervorgerufen
wird, durch die Verbindungs-Fräserschneide abgeschabt wird),
was zu einer Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit der
bearbeiteten Oberfläche führt.
-
Um
die Auswirkungen der vorliegenden Erfindung zu bestätigen,
wurden Radiusschaftfräser aus kubischem Bornitrid der Probennummern
1 bis 5, gezeigt in der Tabelle, versuchsweise herge stellt, und
wurde ein Leistungsbewertungstest durchgeführt. Bei jeder
Probe beträgt der Durchmesser des wirksamen Abschnitts
2 mm, der Radius R 0,5 mm, die Länge des Halses
6 mm,
der Schaftdurchmesser 4 mm, und ist der konkave Winkel γ1
der End-Fräserschneide gleich 5°. Die Proben unterscheiden
sich in Bezug auf den Spanwinkel der negativen Schneidbrust, den
Freiwinkel, das Vorhandensein oder die Abwesenheit einer Verbindungs-Fräserschneide,
usw. Jede der Proben Nr. 1 bis 3 weist eine Verbindungs-Fräserschneide
mit einem konkaven Winkel γ0 von 0,5° und eine
Breite W von 0,1 mm auf. Die Proben Nr. 4 und 5 weisen keine derartige Verbindungs-Fräserschneide
auf. Tabelle
| Probe
Nummer | Spanwinkel
der negativen Schneidbrust (°) | Freiwinkel θr
(°) | Keilwinkel θt
(°) | Bemerkungen |
| 1 | –50° | 15° | 125° | Erfindung |
| 2 | –30° | 15° | 105° | Erfindung |
| 3 | –65° | 15° | 140° | Vergleichsbeispiel |
| 4 | –65° | 20° | 135° | Vergleichsbeispiel |
| 5 | –65° | 25° | 130° | Vergleichsbeispiel |
-
Ein
Werkstück wurde durch ein Bearbeitungszentrum bearbeitet,
bei welchem jede Probe einzeln auf dessen Hauptwelle angebracht
wurde. Die Bearbeitungsbedingungen waren wie folgt:
Werkstück:
Werkzeugstahllegierung (SKD11: 60HRC)
Schneidbedingungen: maximale
effektive Schneidgeschwindigkeit: Vc 126 m/min (Drehzahl n = 20
000 min–1, Zustellung pro Zahn
fz: 0,01 mm/Zahn (Zustellgeschwindigkeit Vf = 400 mm/ min), Tiefe
der Spanabnahme in Axialrichtung ap = 0,03 mm, Einstichzustellung
Ae = 0,7 mm, Ölnebel eingesetzt.
-
Art
der Bearbeitung: Bearbeitung einer ebenen Oberfläche
Die
Bewertung wurde so durchgeführt, dass eine Beschädigung
der Fräserschneide bei Fräslängen von
3,5 m und 10,5 m überprüft wurde. Die Ergebnisse
zeigen, dass bei jedem der erfindungsgemäßen Erzeugnisse
mit den Proben Nummern 1 und 2 die Fräserschneide sich
in gutem Zustand bei der Fräslänge von 3,5 m und
bei Fräslänge von 10,5 m befand, und das Ausmaß des
Abriebs der Fräserschneide gering war. Insbesondere wies
bei der Probe Nummer 2 die Fräserschneide Eigenschaften ähnlich
denen im Ausgangszustand auf, selbst bei der Fräslänge
von 10,5 m.
-
Im
Gegensatz hierzu wurde bei der Probe Nummer 3 kein spezielles Problem
bei der Fräslänge von 3,5 m beobachtet. Bei der
Fräslänge von 10,5 m trat jedoch Kolbabrieb in
der Schneidbrust in der Nähe der Grenze zwischen der Radius-Fräserschneide
und der Verbindungs-Fräserschneide auf. Es wird angenommen, dass
der Grund für den Abrieb darin besteht, dass der negative
Schneidbrustwinkel der negativen Schneidbrust übermäßig
groß ist. Bei der Probe Nummer 4 trat bei der Fräserschneide
an der Grenze zwischen der Radius-Fräserschneide ein signifikanter
Bruch bei der Fräslänge von 10,5 m auf. Der Grund
hierfür ist das Nichtvorhandensein der Verbindungs-Fräserschneide.
Bei der Probe Nummer 5 wurde die Fräserschneide bei einer
Fräslänge von 7 m signifikant beschädigt,
so dass das Fräsen abgebrochen werden musste. Als Grund hierfür
wird angenommen, zusätzlich zum Nichtvorhandensein der
Verbindungs-Fräserschneide, dass die Probe Nummer 5 einen größeren
Freiwinkel aufwies als die Probe Nummer 4, so dass die Festigkeit
an der Seite der Freifläche unzureichend war.
-
Wie
aus den Versuchsergebnissen deutlich wird, wird bei dem Radiusschaftfräser
gemäß der vorliegenden Erfindung durch Optimieren
der negativen Schneidbrust, die auf der Schneidbrust so angeordnet
ist, dass sie sich über den gesamten Bereich der Fräserschneide
erstreckt, und durch Vorsehen der Verbindungs-Fräserschneide
der Widerstand gegen Bruch der Fräserschneide verbessert
und die Lebensdauer verlängert wird. Weiterhin wird infolge
des Schleifeffekts durch die Verbindungs-Fräserschneide
die Oberflächenrauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche
verbessert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-