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Die
Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Herstellen eines Innenmehrkants
in einem Werkstück
sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Innenmehrkants.
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Ein
Innenmehrkant, zum Beispiel ein Innenvierkant oder Innensechskant,
ist eine seit langem bekannte Geometrie, die bevorzugt bei Schraubverbindungen
zum Einsatz kommt. Ein entsprechend ausgebildeter Schlüssel findet
beim Eingreifen in eine Schraube mit einem solchen Innenmehrkant mehr
Angriffsflächen
vor, als dies zum Beispiel bei einer Schraube mit einem Schlitz
durch einen Schlitzschraubendreher erreichbar ist. Die Fertigung
eines Innenmehrkants in ein Werkstück kann in der Weise erfolgen,
dass das Werkstück
erwärmt
und anschließend
durch einen Stempel verdichtet und verformt wird, bis ein Innenmehrkant
gebildet ist. Eventuell wird auf das Erwärmen verzichtet und das Werkstück durch
Kaltumformen mittels eines Prägestempels durch
Aufbringen einer relativ hohen Kraft in der Weise verformt, dass
ein Innenmehrkant entsteht.
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Derartige
Fertigungsverfahren funktionieren gut und die zugehörigen Werkzeuge
sind bewährt.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass bei den bisher bekannten
Verfahren und unter Einsatz der bisher bekannten Werkzeugen der
Aufwand zur Fertigung eines Innenmehrkants bei nur geringer Stückzahl relativ
hoch ist. Außerdem
wird das Werkstück,
in welches der Innenmehrkant eingebracht werden soll, mechanisch
und thermisch stark belastet. Es ist daher nicht möglich, empfindliche
Werkstücke
mit den bisherigen Werkzeugen und Verfahren nachträglich so
zu bearbeiten, dass darin ein Innenmehrkant hergestellt werden kann,
ohne das Werkstück
durch die hohen Temperaturen und/oder hohen mechanischen Kräfte zu beschädigen. Ein
Werkstück
kann als zu empfindlich eingestuft werden, wenn es aufgrund des Werkstoffes,
einer zu geringen Wanddicke oder zu wenigen Kraftaufnahmepunkten
zu einer unerwünschten
Verformung oder Beschädigung
kommt, wenn ein Prägestempel
oder ein ähnliches
Werkzeug zum Einsatz kommt. Aber selbst in dem Fall, in dem das
Werkstück
die hohen mechanischen Kräfte
ohne Schaden aufnehmen könnte,
kann der Aufwand zur Gegenlagerung und Aufnahme der Kräfte als
zu hoch eingeschätzt
werden.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Werkzeug zur Herstellung
eines Innenmehrkants vorzuschlagen, mit dem durch geringen Kraftaufwand und
bei nur geringer thermischer Belastung mit hoher Sicherheit und
in kurzer Zeit ein Innenmehrkant in einem Werkstück herstellbar ist. Ferner
ist es eine Aufgabe, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem ein Innenmehrkant
mit einem solchen Werkzeug hergestellt werden kann.
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Die
Aufgabe, ein Werkzeug zur Herstellung eines Innenmehrkants vorzuschlagen,
wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung
weist das Werkzeug zur Herstellung eines Innenmehrkants einen symmetrischen
Schneidkörper
mit einem Schneidkeil zum Spanen einer Innenseitenwand des Innenmehrkants auf,
wobei die Mittelachse des Schneidkörpers zur Mittelachse des Werkzeuges
um einen Neigungswinkel geneigt angeordnet ist. Damit kann bei einem
Vorschub des Schneidkörpers
entlang der Mittelachse des Werkzeuges nur dessen einer Schneidkeil
in die Bohrung eingreifen, wodurch nur ein kleiner Bereich zum Fertigen
einer einzigen Innenseitenwand des Innenmehrkants bearbeitet wird.
Diese Innenseitenwand wird nachfolgend als die erste Innenseitenwand
bezeichnet. Der verbleibende Teil der Bohrung wird von dem Schneidkörper nicht
berührt
und somit auch nicht bearbeitet. Damit wird nur eine relativ geringe
Kraft bei nur geringer lokaler thermischer Belastung auf das Werkstück ausgeübt. Bei
einer Verlagerung des Werkstückes
um zum Beispiel 90° bei
einem Innenvierkant kann von dem Schneidkörper die benachbarte Innenseitenwand
des herzustellenden Innenmehrkants, nachfolgend als die zweite Innenseitenwand
bezeichnet, bearbeitet werden, wobei die zuvor bearbeitete erste
Innenseitenwand nur noch teilweise erreicht wird. Wird das Werkstück erneut um
90° bei
dem angenommenen Innenvierkant verlagert, um eine dritte Innenseitenwand
zu bearbeiten, erreicht der Schneidkörper die erste Innenseitenwand
nicht mehr, so dass auch keine Kräfte zum Erzeugen eines Spanes
aus der ersten Innenseitenwand aufgebracht werden müssen.
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Durch
die Neigung des Schneidkörpers
ist sichergestellt, dass nur einzelne Innenseitenwände bearbeitet
werden. Ein empfindliches Werkstück
wird dadurch weniger stark belastet, so dass die Fertigung des Innenmehrkants
mit hoher Sicherheit gelingt.
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Vorzugsweise
ist der Neigungswinkel der Mittelachse des Schneidkörpers zur
Mittelachse des Werkzeuges größer als
0,5°. Damit
wird ein genügender
Abstand des Schneidkörpers
in Bezug auf die gegenüberliegende
Innenwand der zu bearbeitenden Öffnung
des Werkstückes
erreicht.
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Ferner
kann der Schneidkörper
einen Freiwinkel von größer als
0° besitzen,
wobei unter dem Freiwinkel der Winkel zwischen der Freifläche und der
Schneidenebene gemeint ist. Wird ein solcher Schneidkörper in
die zu bearbeitende Öffnung
des Werkstückes
eingeführt,
reibt der Rücken
des Schneidkeils nicht auf der Oberfläche der herzustellenden Innenseitenwand
des Werkstückes.
Bei einem großen
Freiwinkel ist eine relativ große
Spanabnahme möglich.
Dies ist bei relativ weichen und plastisch gut verformbaren Werkstoffen
sinnvoll. Bei einem kleinen Freiwinkel ist hingegen nur eine geringere
Spanabnahme bei kleinerem Vorschub möglich. Ein solcher kleiner
Freiwinkel ist bei harten, kurzspanenden Werkstoffen wie zum Beispiel
hochlegiertem Stahl sinnvoll.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung weist der Schneidkörper einen positiven Spanwinkel auf,
wobei unter dem Spanwinkel der Winkel zwischen der Spanfläche und
der Bezugsebene gemeint ist. Somit hat der Schneidkeil eine mehr
schneidende und weniger schabende Wirkung. Im Vergleich zu einem
Schneidkörper
mit einem negativen Spanwinkel kann der Span somit relativ leicht über den
Schneidkeil gleiten, so dass die meiste Wärme mit dem Span abtransportiert
werden kann. Die thermische Belastung ist für das Werkstück somit
relativ gering. Zusätzlich
wird die Haftung des Spans am Schneidkeil erschwert
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Schneidkörper
um seine Mittelachse drehbar im Werkzeug gelagert. Wird das Werkstück in eine
Rotation versetzt, kann der in die Öffnung des Werkstückes eingreifende
Schneidkörper
einfach mitdrehen, wobei ein eigener Antrieb des Werkzeuges nicht
erforderlich ist. Eine zusätzliche
Steuerung für
eine Synchronisation der Drehbewegung des Werkstückes mit der Drehbewegung des
Werkzeuges ist damit unnötig.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein jeweiliges Ansetzen
des Schneidkörpers
an die Öffnung
des Werkstückes
zum Herstellen mehrerer Innenseitenwände nicht erforderlich ist.
Hingegen genügt
es, wenn der Schneidkörper
einmal an die Öffnung
angesetzt und anschließend
das Werkstück zur
Rotation gebracht wird. Eine Synchronisation der Drehbewegung des
Werkstückes
mit dem eingreifenden Werkzeug wird damit von selbst und ohne Steuerung
oder Regelung erreicht.
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Vorzugsweise
ist der Schneidkörper
mittels eines Wälzlagers
drehbar gelagert. Bei einem Wälzlager
sind der Innenring und der Außenring
durch rollende Körper
voneinander getrennt. Damit kann beim Schneidvorgang mit dem Schneidkörper eine
gute Abstützung
von radialen und axialen Kräften
erreicht werden, wobei zusätzlich
die durch Reibung entstehende Verlustleistung und der Verschleiß bei der
Rotation des Schneidkörpers
auf einem niedrigen Niveau verbleiben.
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Weist
das Werkzeug einen Spannkegel auf, kann es einfach und schnell in
einer Kegelaufnahme eines Reitstockes einer Werkzeugmaschine gespannt
werden.
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Bei
dem Werkzeug kann der Schneidkörper eine
Schneidkante aufweisen, die sich in einer Ebene befindet, welche
senkrecht zur Mittelachse des Schneidkörpers angeordnet ist, wobei
sich in dieser Ebene der Schnittpunkt der Mittelachse des Schneidkörpers mit
der Mittelachse des Werkzeuges befindet. Damit lasst sich beim Rotieren
des Werkstückes ein
ruckfreies Schneiden der Innenseitenwände erreichen, so dass auch
hohe Umdrehungszahlen des Werkstückes
mit großen
Vorschüben
erreichbar sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines Innenmehrkants mit einem wie vorstehend beschriebenen
Werkzeug weist die Schritte auf:
- – Bereitstellen
eines Werkstückes,
- – Einbringen
einer Öffnung
in das Werkstück,
- – Ansetzen
des Werkzeuges an die Öffnung,
wobei die Mittelachse des Werkzeuges und die Mittelachse der Bohrung
in einer Linie verlaufen,
- – Versetzen
des Werkstückes
in eine Rotationsbewegung um die Mittelachse der Bohrung um mindestens
360°,
- – Bewegen
des Werkzeuges in die Öffnung
hinein bis zu einer vorbestimmten Öffnungstiefe,
- – Bewegen
des Werkzeuges aus der Öffnung
heraus und Beenden der Rotationsbewegung des Werkstückes.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgenden
Figuren erläutert,
in welchen zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Werkzeuges gemäß einer
ersten Ausführungsform
mit einem zu bearbeitenden Werkstück;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Details eines Schneidkörpers des Werkzeuges gemäß der ersten
Ausführungsform
mit dem zu bearbeitenden Werkstück;
und
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3A bis 3D eine
Seitenansicht auf das zu bearbeitende Werkstück während unterschiedlicher Verfahrensschritte.
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In 1 ist
eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Werkzeuges gemäß einer
ersten Ausführungsform
schematisch dargestellt, wobei die Abmessungen und Winkel zueinander
nicht maßstäblich sind.
Das Werkzeug 100 weist einen Grundkörper 1 auf, der mit
einer Ausnehmung 2 versehen ist. In der Ausnehmung 2 ist
ein Lager 3 wie zum Beispiel ein Wälzlager eingebracht, dessen
Innenfläche einen
Zapfen 4 umgreift. An dem Zapfen 4 ist ein Schneidkörper 5 vorgesehen,
der zusammen mit dem Zapfen 4 und dem Lager 3 um
eine Mittelachse 6 rotationssymmetrisch angeordnet sind.
Die Mittelachse 6 ist zu einer Mittelachse 7 des
Werkzeuges 100 um einen Winkel 20 geneigt angeordnet,
so dass die Mittelachse 6 und die Mittelachse 7 nicht
deckungsgleich verlaufen. Vorzugsweise besitzt der Neigungswinkel 20 einen
Betrag in Höhe
von 1,5°. Um
das Werkzeug 100 spannen zu können, ist ein Spannkegel 8 am
Grundkörper 1 vorhanden,
der rotationssymmetrisch zur Mittelachse 7 des Werkzeuges 100 angeordnet
ist.
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Der
Schneidkörper 5 ist
in Bezug zu einem Werkstück 9 derart
positioniert, dass er bei der in 1 dargestellten
Ausführungsform
mit seinem Schneidkeil 51 in einen unteren Bereich einer Öffnung 10,
zum Beispiel einer Bohrung, eingreift. Bei einem Vorschub des Schneidkeils 51 in
die Öffnung 10 hinein
kann ein Span 95 gebildet werden, der entlang einer Spanfläche 53 nach
oben gleitet. Der Schneidkörper 5 ist
mit eine Freiwinkel 21, einem Keilwinkel 22 und
einem Spanwinkel 23 versehen. Der Freiwinkel 21 als
der Winkel zwischen einer Freifläche 52 des
Schneidkeils 51 und der Schneidenebene 58 beträgt größer 0°, so dass
der Rücken
des Schneidkörpers 5 nicht
an der Oberfläche
des Werkstückes 9 schaben
kann. Vorzugsweise besitzt der Freiwinkel einen Betrag in Höhe von 0,5°. Der Spanwinkel 23 zwischen
der Spanfläche 53 und
einer gedachten Linie 59 senkrecht zur Vorschubrichtung 200 ist
positiv.
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Bei
der in 2 dargestellten Anordnung ist die Mittelachse 6 des
Schneidkörpers 5 um
den Winkel 20 zur Mittelachse 7 des Schneidkörpers 5 des Werkzeuges 100 geneigt.
Dies bewirkt, dass die obere Kante 54 des Schneidkörpers 5 noch
nicht mit der Kante 96 des Werkstückes 9 in Kontakt
kommt, wenn der Vorschub des Werkzeuges 100 in Richtung
zum Inneren der Bohrung 10 den mit Bezugszeichen 97 bezeichneten
Weg nicht überschreitet.
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Während der
Bewegung mit dem Vorschub 97 wird das Werkstück derart
bearbeitet, dass im unteren Bereich der Bohrung 10 ein
Span 95 zum Ausbilden einer ersten Innenseitenwand 91 entsteht,
siehe auch 3A. Es wird darauf hingewiesen,
dass die 3A bis 3D die
Situation bei verschiedenen Verfahrensschritten zeigen, die bei
der Herstellung eines Innenvierkants auftreten. Selbstverständlich gelten
die nachfolgenden Ausführungen
in analoger Weise auch auf einen Innensechskant oder andere Innenmehrkante
mit weniger oder mehr Innenkanten.
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Wie
aus 3A ersichtlich ist, wird beim Schneiden der ersten
Innenseitenwand 91 ein Span gebildet, der von der Ecke 61 zur
Ecke 62 reicht. Erfolgt nun eine Rotation des Werkstückes 9 in
Richtung des Pfeils 69, wobei das Werkzeug 100 mit
dem Schneidkörper 5 drehbar
gelagert ist, so dass sich der Schneidkörper 5 um die Mittelachse 6 mitdreht, kommt
die Schneidkante zum Ausbilden der ersten Innenseitenwand 91 zunehmend
außer
Eingriff, wobei eine benachbarte Schneidkante des Schneidkörpers 5 in
das Werkstück 9 zunehmend
in Eingriff kommt, so dass bis zu einer Tiefe des Vorschubs 97 ein
kurzer Abschnitt einer zweiten Innenseitenwand 92 gebildet
werden kann, siehe 2 und 3B. Die
Schneidkante des Schneidkörpers 5 erzeugt
dabei einen Span 95, der sich von der Ecke 62 bis
zur Ecke 63 der zweiten Innenseitenwand 92 erstreckt, siehe 3B.
Wird das Werkstück
erneut im Uhrzeigersinn gedreht, kann ein Span von der Ecke 63 bis zur
Ecke 64 gebildet werden. Nach einer weiteren Umdrehung
um 90° lässt sich
ein Span von der Ecke 64 zur Ecke 61 bilden. Wird
dann der Schneidkörper 5 in
Vorschubrichtung 200 weiter bewegt, wiederholt sich der
beschriebene Schneidprozess, so dass ein Innenmehrkant bis zur gewünschten
Tiefe in die Bohrung 10 erzeugt werden kann. Bei einer
Schlüsselweite
von 6 mm ist eine Tiefe des Innenmehrkants in Höhe von 20 mm erreichbar.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das Werkstück mit einer beliebigen Geometrie,
also zum Beispiel mit einer runden oder viereckigen Geometrie, ausgestaltet
sein kann. Das Werkzeug ist nicht nur geeignet, auf manuell betätigten Maschinen,
sondern auch auf automatischen Dreh- oder Fräszentren eingesetzt zu werden.