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Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug mit einem Metallschaumkörper zum Abtrag einer Materialoberfläche durch geometrisch unbestimmte Schneiden.
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Der Oberflächenabtrag stellt eine weit verbreitete Bearbeitung von Werkstücken dar. Dabei werden Werkzeuge mit geometrisch bestimmten und unbestimmten Schneiden eingesetzt.
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Metallische Fräs-, Schleif- oder Polierwerkzeuge mit bestimmten, auch komplizierten Schneidgeometrien finden bei der Oberflächenbearbeitung zahlreiche Anwendung, beispielhaft sei z. B. ein zylindrischer, metallischer Frässtift mit Kreuzverzahnung genannt.
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Jedoch führt der Verschleiß der Schneiden dazu, dass Werkzeuge mit definierter Schneide unbrauchbar werden, denn nur selten sind diese nachsetz- oder regenerierbar, bzw. die Werkzeuge müssen nachgeschliffen werden. Es besteht die Gefahr, dass sich bei stumpfer Schneide Späne zwischen der Schneide und der zu bearbeitenden Oberfläche verklemmen, was zu Beschädigungen führt. Durch die entstehende Reibung ist auch eine starke Erhitzung möglich. Bei der Bearbeitung von weicheren Materialien, ist ein Werkzeug mit definierter Schneidgeometrie oft nachteilig, denn durch erhöhte Spanvolumina setzen sich die Schneidgeometrien in Kürze zu, bzw. es resultieren Schmiereffekte oder Aufbauschneiden.
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Es existiert eine Vielzahl von verschiedenartigen Schleifsteinen oder Schleifstiften, die mit Hilfe von geometrisch unbestimmten Schneiden zum Oberflächenabtrag verwendet werden. Zu diesem Zweck werden unterschiedliche Geometrien und Oberflächenstrukturen eingesetzt. Beispielhaft dafür ist ein Schleifstift in Zylinderform mit Korund als Schleifmittel.
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Bei diesen Werkzeugen ist nachteilig zu bemerken, dass kein Spanraum zum Abtransport von Spänen vorhanden ist und Additive nur in geringfügigen Anteilen eingearbeitet werden können. Zudem ist keine oder nur eine minimale Kühlung durch das Werkzeug möglich.
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Die
DE 10 2004 039 310 B3 befasst sich mit einer Schleifscheibe. Um Vibrationen der Schleifscheibe im Betrieb zu dämpfen und somit höhere Standzeiten der Schleifscheibe zu ermöglichen, besteht die Armierung der Schleifscheibe aus einem offenporigen Metallschaum. Der Metallschaum ist dabei wiederum in der Schleifmasse eingebettet oder oberflächig mit der Schleifmasse bedeckt.
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Die
DE 10 2005 034 258 A1 betrifft einen Rotationskörper mit einem Umlaufteil, einer Nabe und mindestens einem Verbindungselement, über das das Umlaufteil und die Nabe miteinander verbunden sind. Zur Versteifung und zur Dämpfung des Rotationskörpers ist der Bereich zwischen Umlaufteil und Nabe mit einem Versteifungsmaterial ausgefüllt. Als Versteifungsmaterial wird dabei bevorzugt ein Metallschaum, beispielsweise ein Aluminium-Metallschaum, eingesetzt.
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Das Fachbuch „Taschenbuch für Aluminiumschäume”, 1. Auflage 2007 – Seiten 4, 5, 12–15, 29, 51–52, 162 liefert eine Zusammenstellung verschiedenster Verfahren zur Herstellung von Aluminiumschäumen und der physikalischen Eigenschaften dementsprechend hergestellter Aluminiumschäume. Auch wird eine Anwendung beschrieben, bei der ein Metallschaumkörper als schwingungsdämpfende Scheibe in einem Fräswerkzeug eingesetzt wird. Durch diese Metallschaumscheibe wird das Schwingungsverhalten des gesamten Werkzeuges so verändert, dass die Eigenfrequenzen verlagert und auftretende Schwingungen gedämpft werden.
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Im Vortrag „Geräuschminderung an Werkzeugen für die Hochleistungsbearbeitung”, METAV 2004 – Seiten 1–30 wird der Einsatz von aus Metallschaumstoff hergestellten Werkzeugkomponenten zur Geräuschminderung erläutert und illustriert. Dabei werden unter anderem Aluminium-Schaumkomponenten als Dämpfungshülsen bzw. Dämpfungsscheiben für Werkzeugaufnahmen, wie Spannfutter, vorgestellt. In verschiedenen Labortestreihen wurde die Praxistauglichkeit solcher Dämpfungselemente und die Quantifizierung der Verbesserungen (Schallemission, Dämpfung) untersucht.
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Aus der
DE 24 48 093 A1 ist ein Schneidwerkzeug bekannt zur Oberflächenbearbeitung mit abrasiven Schleifkörnern. Diese Schleifkörner sind in einen Schaumträger integriert und die Härte der abrasiven Partikel ist im Vergleich des zu bearbeitenden Werkstücks größer. Die Härte des Schaumträgers ist im Vergleich der zu bearbeitenden Oberfläche geringer und durch die Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug wird das Schaummaterial abgetragen, und es werden ständig neue, abrasive Schleifkörner freigelegt. Die Schleifkörner verursachen die gewünschte Oberflächenbearbeitung.
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Ein Nachteil dieses Werkzeugs besteht darin, dass es wegen der verschiedenen Materialien fertigungstechnisch nur aufwendig herzustellen ist und sich lösende Schleifkörner das Ergebnis der Bearbeitung im Hinblick auf die Genauigkeit beeinträchtigen können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schneidwerkzeug mit einem Metallschaumkörper zum Abtrag einer Materialoberfläche durch eine geometrisch unbestimmte Schneide bereitzustellen, das leichter herzustellen ist und eine erhöhte Bearbeitungsgenauigkeit zulässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schneidwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein besonderer Vorteil des Erfindungsgegenstandes besteht darin, dass es durch Abschleifen seiner obersten Schicht kostengünstig nachgeschärft werden kann. Es werden dabei neue Poren freigelegt, sowie die bereits eingesetzten Zellränder nachgeschärft.
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Metallschäume bestehen aus einem metallischen Feststoff, der durch die in seiner Struktur stochastisch verteilten Poren und Hohlräume gekennzeichnet ist, welche durch eine Feststoffschicht bzw. Feststoffvernetzung getrennt sind. Durch diese Poren und Hohlräume bedingt, besitzt Metallschaum verglichen mit einem gleichwertigen Massivwerkstoff eine geringe Dichte. Zugleich weist er eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit auf.
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Als Leichtbauelemente geringen Gewichts und mit zugleich hoher Steifigkeit sind Metallschäume zudem in der Lage große Mengen an Energie zu absorbieren und sie besitzen ein gutes Dämpfungs- und Dämmungsverhalten.
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Auf Grund der geringen Dichte von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen eignet sich dieser Werkstoff besonders als Metallschaum. Durch den Einsatz geeigneter Treibmittel können ebenso Metallschäume aus Blei, Kupfer, Stahl/Eisen und Zink hergestellt werden.
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Durch die Werkstoffeigenschaften von Metallschaum werden sehr hohe Festigkeitswerte erreicht und somit eine lange Einsatzdauer des Werkszeugs erzielt. Der Metallschaumkörper ist vorzugsweise im Wesentlichen stift- oder scheibenförmig ausgebildet. Die Poren können an wenigstens einer Fläche des Schneidwerkzeugs, vorzugsweise an einer Stirnfläche, Seitenfläche und/oder Mantelfläche freiliegen. In den Poren befindet sich vorzugsweise ein Fluid, bevorzugt Gas, insbesondere Luft. Die festen Bestandteile des Metallschaums besitzen eine größere Härte als die Füllung der Poren.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Schneidwerkzeug und/oder der Metallschaumkörper rotationssymmetrisch ist. Bei einem homogenen Werkstoff führt eine symmetrische Geometrie bezogen auf die Werkzeuglängsachse zu minimalen Unwuchten und Vibrationen.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn Partikel zur Verstärkung, Schmierung und/oder Kühlung in den Metallschaum integriert sind, wobei die Partikel vorzugsweise Graphit- oder Keramikpartikel sind. Durch verstärkende Partikel kann die Festigkeit des Werkstoffes noch weiter erhöht werden und somit stumpfen die Schneiden beim Gebrauch langsamer ab. Insbesondere ist es ein Vorteil, wenn Keramikpartikel zur Verstärkung in den Metallschaumkörper integriert sind. Durch die besonders große Härte der Keramikpartikel eignen sich diese in besonders vorteilhafter Weise, den Metallschaumkörper zu verstärken. Vorzugsweise werden Keramikpartikel aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliciumkarbid (SiC) in den Metallschaumkörper integriert. Durch integrierte Partikel zur Schmierung findet eine Schmierung direkt an der Bearbeitungsstelle statt, ohne dass eine zusätzliche Schmiervorrichtung angebracht werden muss. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn Graphitpartikel zur Schmierung in den Metallschaumkörper integriert sind. Neben den guten Schmiereigenschaften ist Graphit ein Feststoff der sich in einfacher Weise in den Schaum integrieren lässt. Graphit ist ein guter elektrischer Leiter und Wärmeleiter. Dadurch kann Wärme aus dem Bearbeitungsbereich ideal abgeführt werden. Partikel die in den Schaumkörper integriert werden befinden sich vorzugsweise in den festen Bestandteilen des Schaummaterialkörpers und nicht in den Poren desselben.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die zellulare Struktur des Metallschaumkörpers eine Spanaufnahme bildet. Durch die von den Poren gebildeten Hohlräume werden Späne aufgenommen und abgeführt. Sobald die entsprechende Schneide nicht mehr im Eingriff mit dem zu bearbeitenden Werkstück ist, werden die Späne durch die Zentrifugalkraft aus den Hohlräumen geschleudert. Somit wird die Eingriffsfläche stets von Spänen freigehalten.
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Vorzugsweise ist der Metallschaumkörper offenporig. Dies ermöglicht eine Durchdringung des Schneidwerkzeugs mit Kühl- sowie Schmiermitteln. Die entsprechenden Medien können direkt durch den Werkstoff geleitet werden. Zusätzlich werden Späne aus den Hohlräumen gespült.
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Stehen Werkzeugfestigkeit und Steifigkeit des Schneidwerkzeuges im Vordergrund, kann auch ein geschlossenporiger Metallschaumkörper gewählt werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann ein weiteres Material zur Prozessunterstützung in die Porenstruktur des Metallschaumkörpers infiltriert bzw. aufgenommen sein. Das weitere Material ist vorzugsweise weicher als das Schaumkörpermaterial und ist beispielsweise ein Pulver, eine pastöse oder gelartige Masse, eine Flüssigkeit oder dergleichen. Dadurch ist es möglich, das Schneidwerkzeug optimal an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.
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Insbesondere ist es ein Vorteil, wenn dass weitere Material eine Polierpaste oder Wachs ist und in der Porenstruktur ausgehärtet ist. Durch die zusätzliche Verwendung von Wachs oder Polierpaste werden besonders glatte Oberflächen erzeugt.
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Vorzugsweise ist das Schneidwerkzeug als Bohrer, Schleifring/-scheibe, Bohrkopf, Fräskopf oder dergleichen ausgebildet.
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Der Körper und/oder eine Schneidfläche des Körpers sind vorzugsweise zumindest abschnittsweise eben, zylindrisch, kegelförmig, kugelförmig und/oder parabolisch ausgebildet.
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Vorzugsweise weist das Schneidwerkzeug einen einzigen Metallschaumkörper auf oder besteht aus diesem. Das Schneidwerkzeug kann aber auch mehr als einen Metallschaumkörper aufweisen, insbesondere mehrere gleichartige oder verschiedene Schaumkörper aufweisen. Das Schneidwerkzeug kann auch aus einer Kombination des Metallschaumkörpers mit anderen Schneidkörpern oder Schneidgeometrien bestehen, bzw. z. B. neben dem Metallschaumkörper einen Glätt- oder Polierkörper aus bürsten- oder fadenartigem Material, insbesondere aus Metall oder Kunststoff, aufweisen.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug zur Bearbeitung von Holzwerkstoffen vorgesehen. Da Holz sehr wärmeempfindlich ist und sich bei erhöhten Temperaturen zu verfärben beginnt, ist hier die Möglichkeit einer unkomplizierten Kühlbarkeit des Werkzeuges von besonderem Vorteil. Überdies kann auch Kunststoff mit dem Werkzeug bearbeitet werden. Die Hohlräume eignen sich dabei in besonders vorteilhafter Weise zur Späneabfuhr. Auch Naturprodukte, wie beispielsweise Früchte, können mit dem Schneidwerkzeug oberflächenbearbeitet werden. Zusammenfassend lassen sich durch das Schneidwerkzeug mit einem Metallschaumkörper mittels geometrisch unbestimmter Schneide Materialoberflächen durch Schleif-, Fräs- und Polieranwendungen abtragen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
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1a) ein Ausführungsbeispiel der Verwendung eines Schneidwerkzeugs in einem Winkelschleifer in perspektivischer Darstellung,
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1b) ein Ausführungsbeispiel der Verwendung eines Schneidwerkzeugs in einer Bohrmaschine in perspektivischer Darstellung,
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2a) eine Schrägansicht einer Ausführungsform des Schneidwerkzeugs mit rotationssymmetrischem, stiftförmigen Metallschaumkörper,
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2b) eine Draufsicht nach 2a, und
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2c) eine Schnittansicht (schematisch) des Metallschaumkörpers nach 2a) und 2b),
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3) eine weitere Ausführungsform des Schneidwerkzeugs in Schnittdarstellung mit einem Walzfräser als Metallschaumkörper;
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4a) eine weitere Ausführungsform des Schneidwerkzeugs mit einer Schleifscheibe als Metallschaumkörper in Vorderansicht, und
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4b) eine Schrägansicht nach 4a), und
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5a) eine weitere Ausführungsform des Schneidwerkzeugs mit einem scheibenförmigen Metallschaumkörper als Winkel- oder Exzenterschleifer und
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5b) eine Schleifmaschine mit einem Schneidwerkzeug nach 5a.
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In 1a) sind ein Winkelschleifer A und in 1b) eine Bohrmaschine B dargestellt, in denen Schneidwerkzeuge aus Metallschaum (Schleifscheibe 1 in Winkelschleifer A; Bohrer 1 in Bohrmaschine B) eingespannt sind. Die Befestigung der Schneidwerkzeuge erfolgt in üblicher Weise über ein Spannfutter 2 (1b).
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Die 2a) bis 2c) zeigen eine Ausführungsform eines Schneidwerkzeuges in der Art von 1b) mit einem zylindrischen Metallschaumkörper 1. Der Metallschaumkörper 1 bildet einen rotationssymmetrischen Metallschaumstift 4. Der rotationssymmetrische Metallschaumstift 4 ist in ein Spannfutter 2 in einer hier nicht gezeigten Bohrmaschine oder auch in ein separates Spannfutter 2 einer anderen Bearbeitungsmaschine eingespannt. Der Metallschaumstift 4 wird rotierend angetrieben. Sowohl an einer Mantelfläche 6 als auch an einer Stirnfläche 7, die auch durch eine übliche kegelförmige Bohrerspitze gebildet sein kann, befinden sich teilweise freiliegende Poren 8 (s. schematische Schnittdarstellung in 2c), deren an den Oberflächen liegende Zellwände 9 die Schneiden bilden. Der rotationssymmetrische Metallschaumstift 4 kann mit seiner Stirnseite 7 an ein Werkstück zugestellt werden und eine Bearbeitung gleich einem Stirnfräser mit Messerkopf durchführen. Ebenso ist es möglich, die Schneiden der Umfangsfläche 6 einzusetzen und ein Werkstück gleich dem Umfangsfräsen mit einem Walzenfräser zu bearbeiten. Des Weiteren kann der rotationssymmetrische Metallschaumstift 4 ähnlich einem Walzenstirnfräser zum Stirn-Umfangsfräsen verwendet werden. Der rotationssymmetrische Metallschaumstift 4 kann auch wie ein Schaftfräser zum Fräsen einer Nut eingesetzt werden.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines mit einem Metallschaum-Walzfräser 14 versehenen Schneidwerkzeuges mit Metallschaumkörper 1 in schematischer Schnittdarstellung dargestellt. In dieser Ausführungsform wird eine Mantelfläche 16 des Walzfräsers 14 zum Materialabtrag eingesetzt. Der Metallschaumkörper 1 ist an einem ersten Bereich 17a eines Trägerelements 17 angebracht. Der erste Bereich 17a des Trägerelements 17 besitzt einen vorzugsweise quadratischen Querschnitt und dient durch seine viereckige Form als Mitnehmer. Eine rotatorische Relativbewegung zwischen dem Trägerelement 17 und dem Metallschaumkörper 1 wird somit verhindert. Das Trägerelement 17 ist insgesamt in drei funktionale Bereiche 17a, 17b, 17c unterteilt. Der zweite Bereich 17b besitzt einen größeren Querschnitt als der erste Bereich 17a und formt somit einen Absatz, der den Metallschaumkörper 1 entlang seiner Rotationsachse 15 in einer Richtung fixiert. Der dritte Bereich 17c ist zylindrisch geformt und dient als Aufnahmestift zur Aufnahme in einer Werkzeugmaschine. Zwischen dem Absatz des Trägerelementes 17 und dem Metallschaumkörper 1 befindet sich eine erste Fächerscheibe 18a. Eine zweite Fächerscheibe 18b ist mit einer Schraube 19 an dem Trägerelement 17 befestigt. Sie besitzt einen größeren Querschnitt als der erste Bereich 17a des Trägerelements 17 und überdeckt einen Teilbereich des Körpers aus Metallschaums 1. Dadurch wird der Metallschaum-Walzfräser 14 kraft- und formschlüssig aufgenommen.
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4a) und 4b) zeigen, in Vorder- und Schrägansicht, eine weitere Ausführungsform eines Schneidwerkzeugs mit einem Metallschaumkörper 1. Dabei handelt es sich um eine Metallschaum-Schneidschleifscheibe 24. Zur Bearbeitung von Werkstücken (nicht dargestellt) kann sowohl eine Mantelfläche 26, als auch eine Seitenfläche 27 verwendet werden. Die Metallschaum-Schleifscheibe 24 besitzt zwei Aufnahmestifte 28a, 28b mittels denen die Metallschaum-Schleifscheibe 24 entlang einer Rotationsachse 25 befestigt werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform eines Schneidwerkzeugs mit einem Metallschaumkörper 1 ist in 5a) dargestellt. Ein Schneidwerkzeug 34 mit einem Metallschaumkörper 1 ist für eine Schleifmaschine A (5b) gezeigt. Diese ist z. B. ein Winkelschleifer A oder ein Exzenterschleifer nach 1a. Das Schneidwerkzeug 34 wird über einen Aufnahmestift 40 an der Schleifmaschine befestigt und es besitzt eine Rotationsachse 35 (für den Winkelschleifer), bzw. eine Mittelachse für den Exzenterschleifer. Der Aufnahmestift 40 wird über einen (hier nicht näher gezeigten) Klettverschluss mit einer Klettscheibe 39 verbunden. Somit ist das Schneidwerkzeug in kurzer Zeit und mittels einfacher Arbeitsschritte abzunehmen. Die Klettscheibe 39 ist durch eine Klebeschicht 38 dauerhaft mit einer Scheibe aus Metallschaum verbunden. Beim Werkzeugeinsatz kann sowohl eine Seitenfläche 36, als auch eine Stirnfläche 37 verwendet werden. Jedoch liegt der Hauptanwendungsbereich in einem flächigen Einsatz der Stirnfläche 37. Zur Zentrierung der Scheibe, welche besonders vorteilhaft in Verbindung mit dem Winkelschleifer ist, kann eine Zentrierungsvorrichtung angebracht werden (nicht dargestellt). Beispielhaft wird dazu ein Zentrierstift eingesetzt, der die Verbindung zwischen der Klettscheibe 39 und dem Aufnahmestift 40 zentriert. Durch den Einsatz mehrerer Stifte wird zudem ein Verdrehen verhindert.
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Für jegliche Anwendungen des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs gilt, dass die Schaumstruktur des Metallschaumkörpers und -dichte den Spantransport, die Kühlung, die Schmierung und die Abtragsgeschwindigkeit beeinflussen. Bei steigender Dichte wird eine größere Anzahl an Poren ausgebildet. Diese sind in ihren Abmessungen kleiner als wenige und dafür größere Poren. Viele kleine Poren führen zu einer größeren Anzahl an Schneiden, die sich auf der Oberfläche des Schaums ausbilden. Jedoch bedingt dies ein kleineres Spanvolumen und kleinere Schneiden.
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Die Poren des Metallschaumkörpers können z. B. mit Kühlmittel oder Schmierstoffen imprägniert sein. Als Additive zu dem Metallschaum kommen vor allem Al2O3 oder SiC in Betracht.
