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Die Erfindung betrifft einen Fräser, insbesondere einen Oberflächen-Schneidfräser, zur Bearbeitung von Oberflächen schnittfähiger Materialien, insbesondere Holz oder Kunststoff, sowie ein Verfahren zur Präparation eines bearbeitungsfähigen Materials.
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Zur Alters- und Herkunftsbestimmung von historischen Bauhölzern wie auch zur stichprobenartigen Beurteilung der Holzqualität von Forstbäumen wird häufig eine Analyse des Musters der Jahresringe vorgenommen. Dazu wird die Oberfläche von Bohrproben oder Stammscheiben mit einem Werkzeug bearbeitet, so dass eine möglichst glatte Oberfläche entsteht, welche anschließend unter anderem einer optischen Jahrring- und Struktur-Analyse sowie Farb- und Dichtemessung unterzogen wird. Problematisch ist dabei, dass bei der Bearbeitung der Holzoberfläche die Holzfasern quer zur Oberfläche ausgerichtet sind, da zur Analyse von Jahressringen die Stirnseite zu bearbeiten ist (oft als Hirnholz bezeichnet). Durch die senkrecht ausgerichteten Fasern ist die Bearbeitung von Hirnholz jedoch schwierig.
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Bislang wurden solche Proben, die beispielsweise als Bohrkerne oder Baumscheiben vorliegen, oft von Hand mit einem Skalpell oder anderen manuell aufwändigen Methoden präpariert. Nur mit sehr aufwändigen und teuren maschinellen Verfahren ist es bisher gelungen, ausreichend gute Oberflächenqualitäten zu erreichen. Da die Oberflächenpräparation bislang entweder manuell sehr aufwändig oder maschinell sehr teuer war, konnten nur geringe Stückzahlen erzielt werden, wodurch die Aussagekraft der Analysen entsprechend eingeschränkt ist.
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Hinzu kommt, dass bei einer manuellen Bearbeitung keine wirklich plane Oberfläche erreicht wird, sodass die optische Erfassung schwierig wird. Wird das Holz vor dem Schneiden befeuchtet, steigt zwar die Oberflächengüte des Schnitts, die unterschiedlichen Feuchteausdehnungen der Früh- und Spätholzzonen nach der Trocknung erzeugen dann jedoch eine wellenförmig Oberfläche. Sogenannte Ultrafräsen mit Diamantschneiden erreichen hohe Oberflächenguten, die jedoch aufgrund der geneigten Rotationsachse des Werkzeugs nicht plan sind und ebenso die optische Vermessung erschweren.
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Stirnplanfräser haben bei Verwendung von Proben auf Drehtellern hohe Oberflächenguten erreicht, die damit verbundenen Werkzeug- und Maschinenkosten übersteigen jedoch die Möglichkeiten der meisten potentiellen Anwender.
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Bei der Bearbeitung von Hirnholz setzt eine gute Oberflächenqualität voraus, dass die Destruktionszone, also der Bereich, in dem die Fasern zerstört sind, möglichst klein gehalten wird. Die Dicke der Destruktionszone unter der Oberfläche hängt bei faserigen Materialien wie Holz von der Geschwindigkeit der Schneidkante relativ zum Material, von ihrer Bewegungsrichtung relativ zu den Jahrringen, von der Holzfeuchte und insbesondere von der Schärfe der Schneidkante und ihrer Schnittwinkel ab. Bislang wird bei der Präparation mit handelsüblichen Stirnplanfräsern so vorgegangen, dass mehrere Arbeitsgänge durchgeführt werden und bei den letzen Arbeitsgängen immer weniger Material abgenommen wird. Des Weiteren ist es bekannt, schräg gestellte Stirnplanfräser mit balliger Schneide zu verwenden. Dabei ist jeweils erforderlich, das Holz unter dem Fräser zu drehen, um jeweils eine optimale Schnittbewegung und eine plane Oberfläche zu ermöglichen.
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Handelsübliche Oberflächen- und Nutfräser schaben das Material meist ab, oftmals in einem Arbeitsschritt bis zur Endtiefe. Abplattfräser mit balliger Schneide weisen in der Regel große Keilwinkel auf, wie sie bei Fräsern auch sonst üblich sind. Aufgrund des damit verbundenen, hohen Energieeintrages in die Oberfläche kommt es bei Holz schnell zu Verbrennungen. Auf der anderen Seite werden dabei weiche Fasern aus der Oberfläche herausgerissen, wo sie dann entsprechend tiefe Leerstellen hinterlassen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Holzoberflächen zu entwickeln, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere bei hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit eine hohe Oberflächenqualität der bearbeiteten Fläche in möglichst nur einem Arbeitsgang ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einem Fräser gemäß Anspruch 1 und mit einem Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Fräsers zeigen die auf Anspruch 1 zurückbezogenen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst der Fräser zur Bearbeitung von Holzoberflächen einen rotierbar gelagerten Schaft mit einem Einspannabschnitt und einem freien Ende, wobei der Schaft mit einer in Richtung des freien Endes des Schaftes verjüngenden Schneide versehen ist, wobei die Schneide den Schaft spiralförmig umläuft. Die Schneide weist eine Schneidkante auf, welche wenigstens abschnittsweise über den Schaft hinausstehen kann und somit den untersten Punkt des Schneidfräsers bildet. Der erfindungsgemäße Fräser ermöglicht es insbesondere, bei der Präparation eine möglichst glatte Oberfläche in möglichst wenigen Arbeitsgängen zu erzeugen und gleichzeitig dennoch möglichst viel Material abzunehmen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schneidkante an dem freien Ende des Schaftes außerhalb der Drehachse des Schaftes endet. Auf diese Weise ist es möglich, viel Material abzunehmen und eine breite Spur mit planer Oberfläche zu erreichen. Insbesondere reicht hierbei die Schneidkante am untersten Punkt nicht bis in die Mitte, also bis zur Drehachse des Fräsers, sondern endet auf einem definierten äußeren Radius.
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Besonders gute Bearbeitungseigenschaften ergeben sich dann, wenn die Schneide außenseitig durch eine kugel- oder kegelförmige Hüllfläche begrenzt ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Schneide durch einen Abschnitt einer solchen kugel- oder kegelförmigen Hüllfläche begrenzt ist.
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Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, dass der Durchmesser des Schaftes in dem Abschnitt, in dem die Schneide angeordnet ist, in Richtung auf das freie Ende hin abnimmt. Dabei kann der Durchmesser des Schaftes in Richtung auf das freie Ende hin vorteilhafterweise stufenförmig abnehmen.
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An der äußeren Schneidkante des Fräsers können der untere Freiwinkel, der Keilwinkel und der Spanwinkel in vorteilhafter Weise so ausgeführt sein, dass das abgenommene Material beim Fräsen nach oben abgeführt wird. Hierdurch, sowie durch eine vorzugsweise nach unten, zum freien Ende hin abnehmende Spiral-Steigung der Schneidkante, wird die Energieabfuhr optimiert, um ein Verkohlen der Oberfläche zu verhindern und die Destruktionszone so dünn wie möglich zu halten. Als vorteilhaft herausgestellt haben sich Freiwinkel zwischen etwa 3° und etwa 7°, vorzugsweise von 5°, und Keilwinkel zwischen etwa 10° bis etwa 30°, vorzugsweise 20°. Zudem haben sich Spiralsteigungen zwischen 1 und 10° als vorteilhaft erwiesen.
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Der Freiwinkel definiert sich dabei durch den Winkel, der zwischen einer senkrecht zur Längsachse des Fräsers stehenden Horizontalebene und der der Horizontalebene nächstgelegenen Begrenzungsfläche der Schneide eingeschlossen ist. Dies ist auch der Winkel, der zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Schneide ”frei” bleibt. Der Keilwinkel definiert sich durch den Winkel der beiden Begrenzungsflächen der Schneide, wobei der Keilwinkel unmittelbar an den Freiwinkel angrenzt. Darüber ergibt sich zur Vertikalen der Spanwinkel, dessen Dimension sowohl für die Span- als auch Energieabfuhr von Bedeutung ist. Wenn der Spanwinkel zwischen 50° bis 70° liegt, können besonders gute Ergebnisse erzielt werden.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich eine Spiralsteigung der Schneidkante über den Verlauf des Fräsers vom Einspannabschnitt zum freien Ende des Schaftes ändert, wobei die Spiralsteigung der Schneidkante vorzugsweise zu dem freien Ende hin abnimmt. Dabei hat sich bewährt, wenn die Spiralsteigung in einem dem Einspannabschnitt zugewandten ersten Bereich 10° und in einem zweiten an das freie Ende grenzenden Bereich 1° beträgt.
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Eine weitere Verbesserung ergibt sich dann, wenn die Schneide mehrgängig ausgebildet ist. Hierdurch wird eine weitere verbesserte Schneidleistung erreicht. Zudem kann der Fräser ohne Unwucht auch in hohen Drehzahlen laufen.
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Eine besonders hochwertige Oberflächenbearbeitung bei großer Arbeitsgeschwindigkeit ergibt sich dann, wenn die Schneide an dem freien Ende des Schaftes einen quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt aufweist, wobei sich der Abschnitt ausgehend von einem außenliegenden Eckpunkt der Schneide zu einem innenliegenden Punkt der Schneide erstreckt, wobei der innenliegende Punkte außermittig der Drehachse des Schaftes angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Präparation eines bearbeitungsfähigen Materials, insbesondere Holz oder Kunststoff, geeignet. Das Verfahren sieht vor, dass das bearbeitungsfähige Material mit einem Fräser gemäß einem der vorherigen Ansprüche bearbeitet wird, wobei der Fräser in Rotation versetzt wird. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Drehzahl des Fräsers weniger als 10.000 l/min beträgt. Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Vorschubgeschwindigkeit des Fräsers zwischen 0,2 mm/s bis 5 mm/s, insbesondere 0,5 mm/s bis 1,5 mm/s und besonders vorzugsweise 1 mm/s beträgt. Der Vorschub des Fräsers erfolgt dabei in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Fräsers.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind nachfolgend beschreiben.
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Vorzugsweise kann die Schneidkante mit einer Beschichtung versehen sein. Diese kann beispielsweise aus Diamant, Diamond-Like-Carbon (DLC-Beschichtung) oder Titan-Aluminium-Nitrit (TiAlN) gebildet sein. Diese Beschichtung kann mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) oder mittels einer Plasmabeschichtung (DLC-Beschichtung) auf den Schneidfräser aufgebracht werden. Durch diese Beschichtungen erhöht sich die Standzeit und verbessert sich die Bearbeitungsqualität. Dies gilt insbesondere für die Schneidkante, welche die zu bearbeitende Oberfläche abschließend berührt, wobei die Güte der Schneidkante entscheidend für die erzielbare Oberflächenqualität, insbesondere die Oberflächenrauheit ist.
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Durch eine konisch-spiralförmige Geometrie in Kombination mit der im Vergleich zu herkömmlichen Fräswerkzeugen flach liegenden Schneidkante kann erreicht werden, dass das Werkstück von oben nach unten abgetragen wird, wobei die Menge des Abtrages einerseits von Vorschub und Drehzahl des Fräsers und andererseits der Anzahl der Schneidwendel und deren Steigung sowie der einhüllenden Kurvenform der Schneide abhängt. Somit bieten sich vielfältige Optimierungsmöglichkeiten aus den unterschiedlichen Kombinationen der vorgenannten Parameter.
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Eine konische Form des Schneidfräsers ermöglicht insbesondere, den vom Mikrotom bekannten physikalisch-mechanischen Vorgang des Schneidens dünner Schichten nahezu senkrecht zur Faser mit den Vorzügen eines Fräsers zu kombinieren, indem die seitlichen Schneidkanten in ihren Winkeln wie Mikrotom-Messer ausgeformt sind. Durch die Neigung der Schneidkante werden die abgeschnittenen Späne nach oben abgehoben, sodass weniger Energie in die Oberfläche eingetragen wird. Dadurch wird eine gute Oberflächenqualität erreicht und es kommt insbesondere nicht zu Verbrennungen an der Holzoberfläche. Daher kann der Schneidfräser frei über beliebig große Werkstücke hinweg bewegt werden und in einem Arbeitsgang erhebliche Mengen in großen Schichtdicken abheben, ohne dabei die Destruktionszone zu vergrößern.
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Je nach Anforderung kann die Kurvenform der Verjüngung der Schneidkante von oben nach unten (beispielsweise linear oder kubisch) sowie ihre Steigung und die Anzahl der Gänge so angepasst sein, um den Effekt balliger Schneidkanten zu erreichen.
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Gute Schneideigenschaften durch eine schrittweise nachlassende Abhebdicke beim Schneiden können auch durch eine Kugelform der Einhüllenden der äußeren Schneidkante erreicht werden, wodurch diese selbst in Form einer Loxodrome oder einer archimedischen Spirale verläuft. Eine Loxodrome ist eine Kurve auf einer Kugeloberfläche oder auf einem Zylinder, die immer unter dem gleichen Winkel die Meridiane im Geographischen Koordinatensystem schneidet.
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Die Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl können in Abhängigkeit von der Härte und Wärmeleiteigenschaften sowie anderen Struktur-Eigenschaften des Materials ausgewählt werden. Bei Nadelholz, beispielsweise, führen Drehzahlen unter 10.000 l/min und 1 mm/s Vorschub zu guten Ergebnissen.
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Mit der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführung ist es möglich, in einem Arbeitsgang einerseits einen erheblichen Abtrag und andererseits eine hohe Oberflächengüte des zu bearbeitenden Holzwerkstücks zu erzielen.
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Die spiralförmige Schneide kann ein oder mehrgängig ausgebildet sein.
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Die Schneide, insbesondere deren Außenkontur, kann sich zu dem freien, nicht eingespannten Ende hin verjüngen.
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Die Schneide kann an dem freien Ende des Fräsers einen quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt aufweisen.
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Die Schneide kann einen innenliegenden, mit dem Schaft verbundenen Stützabschnitt und einen außenliegende Schneidabschnitt aufweisen, wobei an dem Schneidabschnitt die Schneidkante ausgebildet ist. Der Stützabschnitt und der Schneidabschnitt können dabei in radialer Richtung nach außen weisen. Dabei kann der Stützabschnitt dicker als der Schneidabschnitt sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Richtung des Vorschubs quer zu der Richtung der Fasern des bearbeiteten Holzes verlaufen.
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Zur Erfindung gehört darüber hinaus die Verwendung eines in dieser Anmeldung beschriebenen Fräsers zur Präparation eines bearbeitungsfähigen Materials, insbesondere eines Holzwerkstücks, z. B. einer Baumscheibe, eines Baumstamms oder von Schnittholz, und hier insbesondere von Hirnholz, zur anschließenden Analyse, insbesondere Jahresringanalyse.
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Fräser in perspektivischer Darstellung;
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2 den in 1 beschriebenen Fräser in der Draufsicht;
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3 im Detail die Ausgestaltung der Schneidkante eines erfindungsgemäßen Fräsers;
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4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fräsers und insbesondere die Ausgestaltung des freien Endes des Schaftes;
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5 die Winkelverhältnisse der Schneidkante eines erfindungsgemäßen Fräsers beim Fräsen.
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1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Fräser 10 in perspektivischer Darstellung. Der Fräser 10 weist einen rotierbaren Schaft 1 auf, an dem eine spiralförmige Schneide 2 mit umlaufender Schneidkante 11 ausgebildet ist. In dem dargestellten Beispiel ist die Scheide 2 eingängig ausgebildet und läuft mehrfach um den Schaft 1 herum. Alternativ kann auch anders als dargestellt eine mehrgängige Schneide vorgesehen sein.
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Die Schneide 2 verjüngt sich zu dem freien Ende 20 des Fräsers 10 hin. Der Durchmesser des Fräsers nimmt zum freien Ende 20 hin ab. Zudem steht die Schneide 2 in Längsrichtung des Schaftes 1 abschnittweise über das freie Ende des Schaftes 1 hinaus. Der unterste bzw. am weitesten vom Einspannabschnitt 21 entfernte Punkt 3 der Schneidkante 2 liegt unter bzw. weiter von dem Einspannabschnitt 21 entfernt als der unterste bzw. am weitesten vom Einspannabschnitt 21 entfernte Punkt des Schaftes 1. Der Punkt 3 kann mit Diamant besetzt werden, um die Standzeit zu erhöhen.
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Die spiralförmige Schneide 2 springt zudem in radialer Richtung von dem Schaft 1 schraubenwendelförmig vor.
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In dem dargestellten Beispiel ist die Schneide 2 außenseitig durch eine kegelförmige Hüllfläche begrenzt. Um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden, kann es vorteilhaft sein, die Kurvenform der Verjüngung der Schneidkante 11 (beispielsweise linear oder kubisch) sowie ihre Steigung und die Anzahlt der Gänge so angepasst werden, um den Effekt balliger Schneidkanten zu erreichen.
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Die Schneide 2 weist einen innenliegenden, mit dem Schaft verbundenen Stützabschnitt 12 und einen außenliegenden Schneidabschnitt 13 auf, wobei an dem Schneidabschnitt 13 die Schneidkante 11 ausgebildet ist. Der Stützabschnitt 12 und der Schneidabschnitt 13 weisen in radialer Richtung nach außen und springen von dem Schaft 1 in radialer Richtung nach außen vor.
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Der Durchmesser des Schaftes 1 nimmt in dem Abschnitt, in dem die Schneide 2 angeordnet ist, in Richtung auf das freie Ende 20 des Schaftes hin ab.
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2 zeigt den in 1 beschriebenen Fräser 10 wiederum schematisch in der Draufsicht in Richtung auf das freie Ende. Gut zu erkennen ist hier, dass die Schneidkante 11 an dem freien Ende des Schaftes 1 außerhalb der Drehachse des Schaftes endet. Hierbei weist die Schneide 2 einen quer zur Umfangsrichtung verlaufenden Abschnitt auf, der sich ausgehend von einem außenliegenden Eckpunkt 3 der Schneide zu einem innenliegenden Punkt 22 der Schneide erstreckt, wobei der innenliegende Punkt außermittig der Drehachse des Schaftes angeordnet ist.
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3 zeigt im Detail eine mögliche Ausgestaltung der Schneide 2 eines Fräsers 10 gemäß den 1 oder 2. Die Schneide 2 weist einen dem Schaft 1 zugeordneten Stützabschnitt 12 auf. An den Stützabschnitt 12 grenzt in radialer Richtung nach außen ein Schneidabschnitt 13 an, der schließlich in der Schneidkante 11 mündet. Die Schneide 2 weist im Bereich der Schneidkante 11 einen Keilwinkel 8 zwischen 10° und 30° und vorzugsweise von 15° auf. Der Freiwinkel 9 liegt zwischen 3° und 7°, vorzugsweise bei 4°–5°. Der Keilwinkel 8 kann sich über den Verlauf des Fräsers vom Einspannabschnitt zum freien Ende des Schaftes 1 ändern. Vorzugsweise beträgt der Keilwinkel 8 der Schneidkante 11 in dem zum Einspannabschnitt 21 benachbarten Ende 30° und der Keilwinkel 8 der Schneidkante am freien Ende 21 10°.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fräsers schematisch. Hier ist wiederum zu erkennen, wie die Schneide 2 spiralförmig um den Schaft 1 herum angeordnet ist und in radialer Richtung nach außen weist. Am freien Ende des Fräsers verläuft die Schneidkante nicht bis in die Mitte des Fräsers, sondern endet auf einem definierten Radius (vgl. auch Ausgestaltung nach 2).
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5 zeigt schematisch die verschiedenen Winkel der Schneide 2 während des Fräsens. Hierbei ist der untere Freiwinkel 9, der Keilwinkel 8 und der Spanwinkel 7 dargestellt. Diese sind so ausgebildet, dass das abgenommene Material 6 beim Fräsen nach oben abgeführt wird, um die Destruktionszone so dünn wie möglich zu halten. Der Freiwinkel 9 beträgt dabei zwischen 3° und 7°, vorzugsweise etwa 5°. Der Keilwinkel 8 ändert sich über den Verlauf der Schneide 2 von ihrem dem Einspannabschnitt 21 benachbarten Ende zum freien Ende 20 des Schaftes 1. Hierbei kann der Keilwinkel 8 der Schneidkante 11 in dem zum Einspannabschnitt 21 benachbarten Ende 30° und der Keilwinkel 8 der Schneidkante am freien Ende 10° betragen.
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Vorschubgeschwindigkeit, Steigung und Konizität der äußeren Schneidkantenlinie werden dem Material entsprechend so gewählt, dass es beispielsweise nicht zu einer Überhitzung der Materials 5 kommt.
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Die Steigung der Schneidkante kann von unten nach oben zunehmen, um den Abtrag entsprechend zu verringern und die Oberflächenqualität zu verbessern.
