DE102012000134A1

DE102012000134A1 - Schaftfräser zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken mit gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden

Info

Publication number: DE102012000134A1
Application number: DE102012000134A
Authority: DE
Inventors: Alfred Martin Hand; Michael Barth
Original assignee: BARTH SCHLEIFTECHNIK GmbH
Current assignee: BARTH SCHLEIFTECHNIK GmbH
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-07-11
Also published as: WO2013102452A1; EP2800646A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaftfräser zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken umfassend einen Werkzeugspannbereich und einen sich von einer Stirnfläche (6) bis zum Werkzeugspannbereich (2) axial erstreckenden Werkzeugschneidenbereich (8) mit wenigstens zwei spiralförmigen Umfangsschneiden (10, 12), sowie parallel zu den Umfangsschneiden (10, 12) verlaufenden und diesen in Rotationsrichtung gesehen vorgeordneten spiralförmigen Spanräumen (14, 16) zum Wegführen von Spänen vom Werkstück, Steuereinheit (1). Die Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Umfangsschneiden (10, 12) in Bezug auf ihre Spiralrichtung – rechts, links – gegenläufig spiralisiert und überlappungslos ausgebildet sind, wobei in einem axialen Bereich (A), welcher sich ausgehend von der Stirnfläche (6) bis höchstens zu einem an den Werkzeugspannbereich (2) angrenzenden Ende des Werkzeugschneidenbereichs (8) erstreckt, in jeder Ebene senkrecht zur Mittelachse wenigstens zwei abwechselnd gegenläufig spiralisierte Umfangsschneiden (10, 12) vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schaftfräser zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken umfassend einen Werkzeugspannbereich und einen sich von einer Stirnfläche bis zum Werkzeugspannbereich axial erstreckenden Werkzeugschneidenbereich mit wenigstens zwei spiralförmigen Umfangsschneiden, sowie parallel zu den Umfangsschneiden verlaufenden und diesen in Rotationsrichtung gesehen vorgeordneten spiralförmigen Spanräumen zum Wegführen von Spänen vom Werkstück, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein solcher Schaftfräser ist beispielsweise aus der WO 2009/146792 A1 bekannt. Bei solchen spiralverzahnten Schaftfräsern stellen selbsterregte Schwingungen ein Problem dar, welche durch eine Instabilität des Gesamtsystems Maschine und Zerspanungsprozess verursacht werden. Dabei verursacht die Rückwirkung des Schnittprozesses auf die nachgiebige Maschinenstruktur instabile Bearbeitungsfälle. Dies geschieht anschaulich, indem bei Schnittvorgängen kleine Wechselverformungen der Maschine Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück erzeugen und damit auch Wechselkräfte, die auf die Werkzeugmaschine zurückwirken. Wenn diese Relativbewegungen anwachsen, wird der Bearbeitungsprozess instabil und die Werkzeugmaschine „rattert”. Ergebnis dieser unerwünschten Schwingungen sind dann Rattermarken auf dem Werkstück. Die Energie zur Aufrechterhaltung dieser unerwünschten Schwingungen wird dabei dem Antrieb der Werkzeugmaschine entnommen und zwar mit der Periode, bei der die Werkzeugmaschine die geringste dynamische Steifigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück aufweist, nämlich bei Eigenfrequenz. Treten solche selbsterregten, Rattermarken erzeugenden Schwingungen auf, müssen die Schnittbedingungen des Schnittprozesses so verändert werden, dass die Werkzeugmaschine außerhalb des kritischen Bereichs arbeitet. Dies bedingt aber in der Regel, dass das Potenzial der Werkzeugmaschine nicht ausgenutzt werden kann.
Das Problem im Zusammenhang mit Rattern bzw. Rattermarken tritt vor allem bei der Fräsbearbeitung von dünnwandigen Werkstücken durch Schaftfräser auf, welche bei der spanabhebenden Bearbeitung beispielsweise nur einseitig eingespannt und deshalb relativ nachgiebig sind. Solche dünnwandigen Werkstücke oder Strukturen sind beispielsweise Profile wie sie im Maschinenbau, Anlagenbau, Fassadenbau oder in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden. Dabei führen die bearbeitungsbedingten Rattermarken zu einer Minderung der Qualität der bearbeiteten Oberfläche.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Schaftfräser der eingangs erwähnten Art derart weiter zu bilden, dass bei der Bearbeitung Rattermarken auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass bei einem Schafdtfräser wenigstens zwei Umfangsschneiden in Bezug auf ihre Spiralrichtung – rechts, links – gegenläufig spiralisiert und überlappungslos bzw. überkreuzungslos, d. h. ohne gegenseitige Überkreuzung oder Überlappung ausgebildet sind, wobei in einem axialen Bereich, welcher sich ausgehend von der Stirnfläche bis höchstens zu einem an den Werkzeugspannbereich angrenzenden Ende des Werkzeugschneidenbereichs erstreckt, in jeder Ebene senkrecht zur Mittelachse wenigstens zwei abwechselnd gegenläufig spiralisierte Umfangsschneiden vorhanden sind.
Unter einem „Schaftfräser” soll dabei ein Fräswerkzeug verstanden werden, bei welchem der Durchmesser im Verhältnis zur Werkzeuglänge oder zum Werkzeugschneidenbereich gering ist.
Unter einem „Werkzeugschneidenbereich” soll ein axialer Bereich des Schaftfräsers verstanden werden, welcher sich von einer optional mit Stirnschneiden versehenen Stirnfläche bis zum Werkzeugspannbereich erstreckt und in welchem Umfangsschneiden angeordnet sind.
Unter einem „Werkzeugspannbereich” soll ein axialer Bereich des Schaftfräsers verstanden werden, welcher wenigstens teilweise dazu vorgesehen ist, in eine Werkzeugspannvorrichtung der Werkzeugmaschine eingespannt zu werden.
Unter „spiralisierten Umfangsschneiden” sollen am Umfang des Werkzeugsschneidenbereichs des Schaftfräsers angeordnete, wendel- oder helixförmige Schneiden verstanden werden.
Unter „überlappungslos” ausgebildeten Umfangsschneiden sollen Umfangsschneiden verstanden werden, welche sich nicht überschneiden oder sich nicht berühren oder sich nicht überkreuzen bzw. ohne gegenseitige Überlappung oder Überkreuzung verlaufen, wobei eine solche hier ausdrücklich nicht vorhandene Überlappung der Umfangsschneiden beim Stand der Technik auch als „kreuzverzahnt” bezeichnet wird.
Unter einer „rechtsspiralisierten Umfangsschneide” soll eine Umfangsschneide verstanden werden, welche sich vom Werkzeugspannbereich aus in axialer Richtung gesehen nach rechts spiralisiert. Analog soll unter einer „linksspiralisierten Umfangsschneide” eine Umfangsschneide verstanden werden, welche sich vom Werkzeugspannbereich aus in axialer Richtung gesehen nach links spiralisiert.
Unter einer „rechtsschneidenden Umfangsschneide” soll eine Umfangsschneide verstanden werden, welche nur bei einer Rechtsrotation des mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Werkzeugs ihre beabsichtigte Schneidwirkung entfaltet. Analog soll unter einer „linksschneidenden Umfangsschneide” im Folgenden eine Umfangsschneide verstanden werden, welche nur bei einer Linksrotation des mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Werkzeugs ihre beabsichtigte Schneidwirkung entfaltet.
Aufgrund der abwechselnd gegenläufig spiralisierten und überlappungslos ausgebildeten Umfangsschneiden entstehen bei der Bearbeitung durch eine rechts spiralisierte Umfangsschneide Axialkräfte, welche denen entgegen gerichtet sind, die durch eine links spiralisierte Umfangsschneide erzeugt werden und umgekehrt. Dieser Effekt ist vor allem beim Umfangsfräsen und beim Stirn-Umfangsfräsen wesentlich, bei welchem die Fräser-Mittelachse parallel zur gefertigten Werkstückoberfläche ist und die Hauptschneiden bzw. die Umfangsschneiden die Werkstückoberfläche spanabhebend bearbeiten. Da zudem in jeder Ebene senkrecht zur Mittelachse wenigstens zwei abwechselnd gegenläufig spiralisierte Umfangsschneiden vorhanden sind, befinden sich gegenläufig spiralisierte Umfangschneiden gleichzeitig oder sequentiell in Eingriff mit der Werkstückoberfläche, so dass die dann durch diese erzeugten und entgegen gerichteten Axialkräfte unabhängig von der axialen Schnitttiefe wirksam sind und sich gegenseitig aufheben können.
Infolgedessen wird mit der Erfindung der bei Schaftfräsern des Stands der Technik zu beobachtende Einzieh- oder Einschraubeffekt reduziert bzw. vermieden, bei welchem das Werkstück aufgrund gleichgerichtet spiralisierter Umfangsschneiden (entweder rechts oder links spiralisiert) nur in einer einzigen Richtung durch parallel zur Mittelachse des Werkzeugs erzeugte Axialkräfte belastet und zu Schwingungen angeregt wird.
Die Vorteile der Erfindung kommen vor allem bei einer Bearbeitung von dünnwandigen Strukturen zum Tragen, insbesondere im Rahmen von Umfangsfräsen, Nutfräsen oder Stirn-Umfangsfräsen, die eine geringe Eigensteifigkeit aufweisen bzw. deren Einspannsteifigkeit in der Werkstückspannung aufgrund der geforderten Zugängigkeit durch das Werkzeug gering ist.
Die Erfindung erstreckt sich auf alle möglichen Ausführungen und Kombinationen von Schaftfräsern mit gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden oder Hauptschneiden, insbesondere auf linksschneidende Schaftfräser und rechtsschneidende Schaftfräser sowie auf Werkzeuge, welche zusätzlich Nebenschneiden z. B. in Form von Stirnschneiden aufweisen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung möglich.
Besonders bevorzugt weist der Schaftfräser an seiner Stirnfläche Stirnschneiden auf, welche die in die Stirnfläche mündenden Umfangsschneiden nach radial innen fortsetzen und in Bezug zu den Umfangsschneiden in der gleichen Rotationsrichtung schneidwirksam sind. Solche Schneiden heißen bei einem Fräswerkzeug Nebenschneiden.
Wenn der Schaftfräser ein oder mehrere Paare von dann vorzugsweise abwechselnd gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden aufweist, d. h. wenn Vielfache von zwei gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden vorhanden sind, kann der bereits oben beschriebene Effekt der entgegen gerichteten und sich gegenseitig aufhebenden Axialkräfte besonders gut eintreten. Alternativ können auch eine ungerade Zahl von gegenläufig spiralisierten Umfangs- bzw. Stirnschneiden vorhanden sein, beispielsweise drei, fünf oder sieben Umfangsschneiden, welche dann aber nicht allesamt abwechselnd gegenläufig spiralisiert ausgebildet sein können, sondern nur ein Teil davon.
Gemäß einer Weiterbildung sind die den gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden in Drehrichtung gesehen vorgeordneten Spanräume konvergierend, aber ohne Verbindung untereinander ausgebildet sind. Dann laufen die bei der spanenden Bearbeitung entstehenden und in den Spanräumen vom Werkstück weg transportierten Späne nicht in einen jeweils anderen Spanraum ein und können diesen somit nicht blockieren. Weiterhin ermöglicht eine Spanraumbegrenzung, beispielsweise durch eine den Spanraum begrenzende Querwand eine Abstützung einer dort auslaufenden Umfangsschneide, so diese steifer ist und eine geringere Tendenz zum Ausbrechen aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können wenigstens die Umfangsschneiden mit einem (zylindrischen) Werkzeugkörper einstückig oder als separate Teile ausgebildet mit diesem verbunden sein. Insbesondere können die Umfangschneiden mit dem Werkzeugkörper verlötet sein oder aus (Wende-)Schneidplatten bestehen, welche mit dem Werkzeugkörper auswechselbar verbunden sind. Weiterhin können wenigstens die Umfangsschneiden durch entlang des Schneidenverlaufs gesehen hintereinander angeordnete (Wende-)Schneidplatten gebildet werden. Dann wird eine Schneidspirale oder Schneidwendel aus mehreren am Werkzeugkörper hintereinander angeordneten (Wende-)Schneidplatten gebildet. Nicht zuletzt können die Umfangsschneiden auch wellenförmig ausgebildet sein, mit entlang einer Umfangsschneide gesehen sich ändernder Steigung bzw. sich änderndem Spiralwinkel.
Bevorzugt liegen die Spiralwinkel der Umfangsschneiden in einem Bereich zwischen einem Grad und siebzig Grad, wobei die Spiralwinkel der wenigstens einen rechtsspiralisierten Umfangsschneide und der wenigstens einen linkssspiralisierten Umfangsschneide beispielsweise gleich groß sind. Alternativ können die Spiralwinkel unterschiedlicher Umfangsschneiden auch unterschiedlich groß sein.
Grundsätzlich kann der Schaftfräser ein rechtsschneidender Schaftfräser mit wenigstens einer rechtsspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide und wenigstens einer linksspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide oder ein linksschneidender Schaftfräser mit wenigstens einer rechtsspiraligen, linksschneidenden Umfangsschneide und wenigstens einer linksspiraligen, linksschneidenden Umfangsschneide sein.
Besonders bevorzugt ist der Schaftfräser ein rechtsschneidender Schaftfräser mit wenigstens einer rechtsspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide und wenigstens einer linksspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide. Dabei sind die Umfangsschneiden in Umfangsrichtung gesehen beispielsweise zueinander versetzt angeordnet. Beispielsweise ist die rechtsspiralige Umfangsschneide gegenüber der linksspiraligen Umfangsschneide in Umfangsrichtung um ca. 90 Grad versetzt angeordnet. Genauso sind aber auch andere Versatzwinkel denkbar wie auch eine versatzlose Anordnung der Umfangsschneiden.
Wenn der Schaftfräser an seiner Stirnfläche Stirnschneiden aufweist, dann kann der rechtsspiraligen Umfangsschneide eine Stirnschneide zugeordnet sein, welche in der Ebene der Stirnfläche gesehen gegenüber einer Stirnschneide in Umfangsrichtung um ca. 90 Grad, insbesondere um 88 Grad versetzt angeordnet ist, welche der linksspiraligen Umfangsschneide zugeordnet ist. Genauso sind aber auch andere Versatzwinkel denkbar wie auch eine versatzlose Anordnung der Stirnschneiden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass unter lediglich gedanklicher Verlängerung oder Fortführung wenigstens einer der gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden sich wenigstens zwei Umfangsschneiden innerhalb des Werkzeugschneidenbereichs in einem gedachten Schnittpunkt überlappen oder überkreuzen.
Besonders bevorzugt dient der Schaftfräser zum Umfangsfräsen oder Stirn-Umfangsfräsen dünnwandiger Strukturen aus Metall wie Aluminium.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt. In der Zeichnung zeigt
1 eine Seitenansicht eines Schaftfräsers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Seitenansicht des Schaftfräsers von 1 in einer weiteren Drehposition;
3 eine Seitenansicht des Schaftfräsers von 1 in einer weiteren Drehposition;
4 eine Stirnansicht des Schaftfräsers von 1
5 eine schematische Draufsicht auf den Schaftfräser von 1 während eines kombinierten Stirn-Umfangsfräsvorgangs;
6 eine schematische Seitenansicht des Schaftfräsers von 1 während des kombinierten Stirn-Umfangsfräsvorgangs von 5;
7 ein Schnittkräfte-Diagramm für die Schnittkräfte in X-, Y- und Z-Richtung über dem Drehwinkel des Schaftfräsers von 1;
8A bis 8E Querschnittdarstellungen entlang der Linie I-I von 6 beim Eingriff einer linksspiralisierten Umfangsschneide des Schaftfräsers von 1;
9A bis 9E Querschnittdarstellungen entlang der Linie I-I von 6 beim Eingriff einer rechtssspiralisierten Umfangsschneide des Schaftfräsers von 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das in 1 bis 4 gezeigte Schaftfräser 1 stellt ein rotierendes Werkzeugs zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken dar. Besonders bevorzugt wird der Schaftfräser 1 zum Umfangsfräsen oder Stirn-Umfangsfräsen dünnwandiger Strukturen aus Metall, aus Kunststoff oder GFK eingesetzt.
Der Schaftfräser 1 umfasst einen zylindrischen Werkzeugspannbereich 2 zum Einspannen in eine hohlzylindrische Werkzeugaufnahme einer Fräsmaschine. Zur Drehlagensicherung ist am Umfang des Werkzeugspannbereichs ein Nutabschnitt 4 ausgebildet. Weiterhin umfasst der Schaftfräser 1 einen sich von einer Stirnfläche 6 bis zum Werkzeugspannbereich 2 axial erstreckenden Werkzeugschneidenbereich 8. Der Werkzeugschneidenbereich 8 weist hier beispielsweise zwei spiralförmige Umfangsschneiden 10, 12 auf, sowie parallel zu den Umfangsschneiden 10, 12 verlaufende und diesen in Rotations- oder Schneidrichtung gesehen vorgeordnete spiralförmige Spanräume 14, 16 zum Wegführen von Spänen vom Werkstück.
Die beiden hier beispielsweise als Hauptschneiden dienenden Umfangsschneiden 10, 12 sind in Bezug auf ihre Spiralrichtung – rechts, links – abwechselnd gegenläufig spiralisiert und überlappungslos bzw. überkreuzungslos, d. h. ohne gegenseitige Überlappung oder Überkreuzung ausgebildet. Beispielsweise ist der Schaftfräser 1 ein rechtsschneidender Schaftfräser mit einer rechtsspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide 10 und einer linksspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide 12. Dabei sind die Umfangsschneiden 10, 12 in Umfangsrichtung gesehen zueinander versetzt angeordnet. Beispielsweise ist die rechtsspiralige Umfangsschneide 10 gegenüber der linksspiraligen Umfangsschneide 12 in Umfangsrichtung um im wesentlichen 90 Grad, insbesondere 88 Grad versetzt angeordnet, wie aus 4 hervorgeht. Insbesondere ist der rechtsspiraligen Umfangsschneide 10 eine Stirnschneide 10A zugeordnet, welche in der Ebene der Stirnfläche 6 gesehen gegenüber einer Stirnschneide 12A in Umfangsrichtung um ca. 90 Grad, insbesondere um 88 Grad versetzt angeordnet ist, welche der linksspiraligen Umfangsschneide 12 zugeordnet ist. Dabei setzen die Stirnschneiden 10A und 12A die ihnen zugeordnete Umfangschneide 10 bzw. 12 in der Stirnebene 6 in radialer Richtung fort.
In 3 und 4 ist auch ein der Stirnschneide 10A in Schneidrichtung vorgeordneter Stirnspanraum 14A als Ausnehmung der Stirnfläche 6 zu erkennen, welcher in den spiralförmigen Spanraum 14 der rechtsspiraligen Umfangsschneide 10 übergeht bzw. in diesen mündet.
Weiterhin laufen die Stirnschneiden 10A und 12A durch Freiwinkel axial geneigte Stirn-Freiflächen 10B und 12B senkrecht zur Schneid- bzw. Rotationsrichtung 26 aus. Dann kann der Schaftfräser 1 neben reinem Umfangsfräsen auch zum kombinierten Stirn-Umfangsfräsen eingesetzt werden.
Die überlappungslose, überschneidungslose oder überkreuzungslose Ausbildung der beiden gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden 10, 12 ist hier beispielsweise dadurch realisiert, dass die rechtsspiralisierte Umfangsschneide 10 sich ausgehend von der Stirnfläche 6 bzw. von der ihr zugeordneten Stirnschneide 10A axial, d. h. in Richtung einer Mittelachse des Schaftfräsers 1 gesehen bis lediglich etwa zur Hälfte des Werkzeugschneidenbereichs 8 erstreckt, um dann ein Stück von der linkssspiralisierten Umfangsschneide 12 beabstandet zu enden, ohne aber die linkssspiralisierte Umfangsschneide 12 zu kontaktieren oder sich mit dieser zu überschneiden (1). Die linkssspiralisierte Umfangsschneide 12 erstreckt sich demgegenüber von der Stirnfläche 6 bzw. von der ihr zugeordneten Stirnschneide 12A axial bis nahezu an das Ende 8A des Werkzeugschneidenbereichs 8. Demgegenüber schneidet oder überkreuzt sich die nur gedanklich fortgeführte rechtsspiralisierte Umfangsschneide 10 mit der linkssspiralisierten Umfangsschneide 12 noch innerhalb des Werkzeugschneidenbereichs 8 in einem gedachten Schnittpunkt 30, wie 1 zeigt
Wie in 1 auch zu sehen, ist der der rechtsspiraligen Umfangsschneide 10 zugeordnete Spanraum 14 von dem der linksspiraligen Umfangsschneide 12 zugeordneten Spanraum 16 durch eine Wand 18 begrenzt, welche den Außendurchmesser eines zylindrischen Fräserkörpers 20 aufweist, in welchem die Spanräume 14, 16 durch Entfernen von Material ausgebildet sind. Die Wand 18 ist vorzugsweise schmal ausgebildet. Durch die Wand 18 wird ein Überlaufen von Spänen von dem Spanraum 14 der rechtsspiraligen Umfangsschneide 10 in den Spanraum 16 der linksspiraligen Umfangsschneide 12 vermieden bzw. ebenfalls ein Überlaufen von Spänen in umgekehrter Richtung. Weiterhin stützt die Wand 18 die rechtsspiralige Umfangsschneide 10 in ihrem End- bzw. Auslaufbereich, um ein Ausbrechen der Umfangsschneide 10 an ihrem Ende zu vermeiden
Dann sind in einem axialen Bereich A (1), welcher sich ausgehend von der Stirnfläche 6 hier nur bis etwa zur Hälfte des Werkzeugschneidenbereichs 8 erstreckt, in jeder Ebene senkrecht zur Mittelachse wenigstens zwei abwechselnd gegenläufig spiralisierte Umfangsschneiden vorhanden. Generell kann sich der axiale Bereich A, in welchem in jeder Ebene senkrecht zur Mittelachse des Schaftfräsers 1 wenigstens zwei abwechselnd gegenläufig spiralisierte Umfangsschneiden 10, 12 vorhanden sind, ausgehend von der Stirnfläche 6 bis zu einem beliebigen axialen Niveau erstrecken, aber bis maximal bis zu dem durch das an den Werkzeugspannbereich 2 angrenzende Ende 8A des Werkzeugschneidenbereichs 8. Die Erstreckung des Bereichs A hängt unter anderem von der Spiralwinkeln der gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden 10, 12 ab.
Die an der Stirnfläche 6 ausgebildeten Stirnschneiden 10A, 12A oder Nebenschneiden setzen die in die Stirnfläche 6 mündenden Umfangsschneiden 10, 12 nach radial innen fort und sind in Bezug zu den zugeordneten Umfangsschneiden 10, 12 in der gleichen Rotations- oder Schneidrichtung 26 schneidwirksam, wie 4 zeigt.
Bevorzugt weist der Schaftfräser 1 daher hier ein Paar von abwechselnd gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden 10, 12 auf. Alternativ könnte er mehrere Paare, d. h. Vielfache von zwei gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden 10, 12 aufweisen. Alternativ können auch eine ungerade Zahl von gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden vorhanden sein, beispielsweise drei, fünf, sieben Umfangsschneiden. Bevorzugt liegen die Spiralwinkel der Umfangsschneiden 10, 12 in einem Bereich zwischen einem Grad und siebzig Grad, wobei die Spiralwinkel der rechtsspiralisierten Umfangsschneide 10 und der linkssspiralisierten Umfangsschneide 12 vorzugsweise gleich groß sind. Alternativ können die Spiralwinkel der Umfangsschneiden 10, 12 auch unterschiedlich groß sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Umfangsschneiden 10, 12 und/oder die Stirnschneiden 10A, 12A mit dem Fräserkörper 20 einstückig oder als separate Teile ausgebildet mit diesem verbunden sein. Außerdem kann der Schaftfräser auch nur mit Umfangsschneiden 10, 12, aber ohne Stirnschneiden 10A, 12A ausgeführt sein. Nicht zuletzt kann der Schaftfräser auch ein linksschneidender Fräser sein, wobei dann die gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden 10, 12 linksschneidend ausgebildet sind. Mithin ist jegliche Kombination von rechts- oder linksschneidendem Werkzeug 1 mit einem oder mehreren Paaren gegenläufig spiralisierter Umfangsschneiden 10, 12 und gegebenenfalls zugeordneten Stirnschneiden 10A, 12A möglich.
In 5 und 6 bzw. 8A bis 8E und 9A bis 9E ist der Schaftfräser 1 von 1 bis 4 bei einer kombinierten Stirn-Umfangsfräsbearbeitung eines dünnwandigen und beispielsweise rechteckförmigen Bauteils 22 bevorzugt aus Metall gezeigt. Solche dünnwandigen Bauteile 22 werden auch als Platten bezeichnet. Dabei wird hier beispielhaft die Wandstärke der Platte 22 in einem gestrichelt dargestellten Bereich 24 reduziert, d. h. dieser Bereich 24 wird zerspant. Der Pfeil 26 in 4 und 5 symbolisiert die Drehrichtung des Schaftfräsers 1 hier beispielsweise als rechtsdrehendes und rechtsschneidendes Werkzeug. In Bezug auf das in 5 und 6 dargestellte Koordinatensystem ist die Drehrichtung des Schaftfräsers 1 um die Z-Achse.
Dabei tragen die Umfangsschneiden 10, 12 zusammen mit den Stirnschneiden 10A, 12A senkrecht zur Ebene der Platte 22 oder in Radialrichtung des Schaftfräsers 1 gesehen Material um eine Stärke a ab, welche in Bezug zum Schaftfräser 1 einer radialen Schnitttiefe a entspricht (5). Weiterhin tragen die Umfangsschneiden 10, 12 zusammen mit den Stirnschneiden 10A, 12A Material bis zu einer axialen Schnitttiefe b ab, so dass beispielsweise ein schmaler Steg 28 zum Plattenrand stehen bleibt, wie 6 zeigt. Abhängig von der Dicke der Platte 22 und dem Außendurchmesser des Schaftfräsers 1 steht der Schaftfräser 1 dabei entlang eines Bogens mit dem Winkel α mit der Platte 22 in zerspanendem Eingriff.
Bedingt durch den radialen Vorschub a in Y-Richtung (5) und den axialen Vorschub b in Z-Richtung (6) in Bezug zur Platte 22 wirken daher sowohl radiale Schnittkräfte in X- und Y-Richtung als auch axiale Schnittkräfte in Z-Richtung am Schaftfräser 1 und entsprechende Reaktionskräfte an der Platte 22. Wegen der abwechselnd gegenläufig spiralisierten und ohne Überkreuzung berührungslos ausgebildeten Umfangsschneiden 10, 12 entstehen bei der Bearbeitung durch die rechts spiralisierte Umfangsschneide 10 Axialkräfte in Z-Richtung, welche denen entgegen gerichtet sind, die durch die links spiralisierte Umfangsschneide 12 erzeugt werden.
Da bei der hier gegebenen axialen Schnitttiefe b vorzugsweise in jeder Ebene senkrecht zur Mittelachse des Schaftfräsers 1 eine rechts- und linksspiralisierte Umfangsschneide 10, 12 entlang des Bogens α mit der Platte 22 in spanabhebenden Eingriff kommt, erzeugen die gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden 10, 12 dort entgegen gerichtete Axialkräfte in Z-Richtung, die sich im wesentlichen gegenseitig aufheben.
Dieser Sachverhalt ist in 7 veranschaulicht, in welcher die Schnittkräfte F des Schaftfräsers 1 in X-, Y- und Z-Richtung über dem Drehwinkel φ dargestellt sind, wobei die Schnittkräfte in Z-Richtung Axialkräfte und die Schnittkräfte in X- und Y-Richtung jeweils Radialkräfte in Bezug zum Schaftfräser 1 sind. Wie zu sehen, entstehen bei Eingriff der rechtsspiraligen Umfangsschneide 10 positive Maximalwerte für die Schnittkräfte in X- und Y-Richtung bei einem Drehwinkel φ_R, während die Axialkraft in Z-Richtung dort betragsmäßig ebenfalls einen Maximalwert einnimmt, jedoch in negative Richtung weist. Demgegenüber entstehen bei Eingriff der linksspiraligen Umfangsschneide 12 positive Maximalwerte für die Schnittkräfte in X- und Y-Richtung bei einem Drehwinkel φ_L, wobei die Axialkraft in Z-Richtung dort betragsmäßig ebenfalls einen Maximalwert einnimmt, jedoch in positive Richtung weist. Die während einer Umdrehung erzeugten Schnittkräfte in Z-Richtung oder Axialrichtung sind annährend gleich groß und besitzen gegenläufiges Vorzeichen bzw. entgegen gesetzte Richtungen.
Der oben beschriebene Effekt wird ebenfalls durch 8A bis 8E bzw. 9A bis 9E veranschaulicht. In 8A bis 8E sind die Eingriffsverhältnisse der linksspiralisierten Umfangsschneide 12 an der Platte 22 und in 9A bis 9E die Eingriffsverhältnisse der rechtsspiralisierten Umfangsschneide 10 in einer Querschnittsdarstellung entlang der Linie I-I von 6 veranschaulicht. Die Buchstaben A bis E kennzeichnen dabei den Drehwinkelfortschritt der jeweiligen Umfangsschneide 10, 12 beginnend bei Null Grad (8A bzw. 9A) und endend bei 360 Grad (8E bzw. 9E) mit Zwischenstufen 8B bis 8D bzw. 9B bis 9D, wobei berücksichtigt werden muss, dass die Umfangsschneiden 10, 12 wie auch die zugeordneten Stirnschneiden 10A, 12A um ca. 90 Grad versetzt zueinander angeordnet sind.
Dabei wird davon ausgegangen, dass zu Beginn des zerspanenden Eingriffs die linksspiralisierte Umfangsschneide 12 an der Platte 22 oben angreift (8A) und den Bereich 24 mit steigendem Umdrehungswinkel (8B bis 8E) von oben nach unten zerspant, wobei nach unten gerichtete axiale Zerspankräfte Fz und radiale Zerspankräfte Fy erzeugt werden. Weiterhin trägt auch die zugeordnete Stirnschneide 12A Material ab.
Demgegenüber sind in 9A bis 9E die Eingriffsverhältnisse der rechtsspiralisierten Umfangsschneide 10 veranschaulicht, welche zu Beginn des zerspanenden Eingriffs an der Platte 22 unten angreift (9A) und den Bereich 24 mit steigendem Umdrehungswinkel (9B bis 9E) von unten nach oben zerspant, wobei hier nach oben gerichtete axiale Zerspankräfte Fz und radiale Zerspankräfte Fy erzeugt werden. Zudem trägt auch die zugeordnete Stirnschneide 10A Material ab.
Auch dadurch wird klar, dass die während einer Umdrehung erzeugten axialen Schnittkräfte Fz (Z-Richtung) der Umfangsschneiden 10, 12 annährend gleich groß sind und gegenläufiges Vorzeichen bzw. entgegen gesetzte Richtungen aufweisen. Dies bedingt eine äußerst schwingungsarme spanabhebende Bearbeitung durch den Schaftfräser 1, welche in einer hohen Oberflächengüte der bearbeiteten Oberfläche der Platte 22 resultiert, welche nach dem spanenden Abtragen des Bereichs 24 entsteht.
Bezugszeichenliste

1: Schaftfräser
2: Werkzeugspannbereich
4: Nutabschnitt
6: Stirnfläche
8: Werkzeugschneidenbereich
8A: Ende
10: rechtsspiralige Umfangsschneide
10A: Stirnschneide
10B: Stirn-Freifläche
12: linksspiralige Umfangsschneide
12A: Stirnschneide
12B: Stirn-Freifläche
14: Spanraum
14A: Stirnspanraum
16: Spanraum
18: Wand
20: Fräserkörper
22: Platte
24: Bereich
26: Pfeil
28: Steg
30: Schnittpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/146792 A1 [0002]

Claims

Schaftfräser zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken umfassend einen Werkzeugspannbereich und einen sich von einer Stirnfläche (6) bis zum Werkzeugspannbereich (2) axial erstreckenden Werkzeugschneidenbereich (8) mit wenigstens zwei spiralförmigen Umfangsschneiden (10, 12), sowie parallel zu den Umfangsschneiden (10, 12) verlaufenden und diesen in Rotationsrichtung gesehen vorgeordneten spiralförmigen Spanräumen (14, 16) zum Wegführen von Spänen vom Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Umfangsschneiden (10, 12) in Bezug auf ihre Spiralrichtung – rechts, links – gegenläufig spiralisiert und überlappungslos ausgebildet sind, wobei in einem axialen Bereich (A), welcher sich ausgehend von der Stirnfläche (6) bis höchstens zu einem an den Werkzeugspannbereich (2) angrenzenden Ende (8A) des Werkzeugschneidenbereichs (8) erstreckt, in jeder Ebene senkrecht zur Mittelachse wenigstens zwei abwechselnd gegenläufig spiralisierte Umfangsschneiden (10, 12) vorhanden sind.
Schaftfräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein rechtsschneidender Schaftfräser oder ein linksschneidender Schaftfräser ist.
Schaftfräser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es an seiner Stirnfläche (6) Stirnschneiden (10A, 12A) aufweist, welche die in die Stirnfläche (6) mündenden Umfangsschneiden (10, 12) nach radial innen fortsetzen und in Bezug zu den Umfangsschneiden (10, 12) in der gleichen Rotationsrichtung schneidwirksam sind.
Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein oder mehrere Paare von abwechselnd gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden (10, 12) aufweist.
Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter lediglich gedanklicher Verlängerung oder Fortführung wenigstens einer der gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden (10, 12) sich wenigstens zwei Umfangsschneiden (10, 12) innerhalb des Werkzeugschneidenbereichs (8) in einem gedachten Schnittpunkt (30) überlappen, überkreuzen oder überschneiden.
Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenläufig spiralisierten Umfangsschneiden (10, 12) in Drehrichtung gesehen vorgeordneten Spanräume (14, 16) konvergierend, aber ohne Verbindung untereinander ausgebildet sind.
Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Umfangsschneiden (10, 12) mit einem Werkzeugkörper (20) einstückig oder als separate Teile ausgebildet mit dem Werkzeugkörper (20) verbunden sind.
Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsschneiden (10, 12) in Umfangsrichtung gesehen zueinander versetzt angeordnet sind.
Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralwinkel der Umfangsschneiden (10, 12) in einem Bereich zwischen einem Grad und siebzig Grad liegt.
Schaftfräser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralwinkel der wenigstens einen rechtsspiralisierten Umfangsschneide (10) und der wenigstens einen linkssspiralisierten Umfangsschneide (12) gleich groß sind.
Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein rechtsschneidender Schaftfräser mit wenigstens einer rechtsspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide (10) und wenigstens einer linksspiraligen, rechtsschneidenden Umfangsschneide (12) oder ein linksschneidender Schaftfräser mit wenigstens einer rechtsspiraligen, linksschneidenden Umfangsschneide und wenigstens einer linksspiraligen, linksschneidenden Umfangsschneide ist.
Schaftfräser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine rechtsspiralige Umfangsschneide (10) gegenüber einer linksspiraligen Umfangsschneide (12) in Umfangsrichtung gesehen versetzt angeordnet ist.