DE102012022612B4

DE102012022612B4 - Schneidwerkzeug mit Taschenausformung zur Spannungsreduzierung

Info

Publication number: DE102012022612B4
Application number: DE102012022612.8A
Authority: DE
Inventors: Ruy Frota de Souza Filho; Mark Alan Francis; Michael Saffels
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CN103128351A; US8647026B2; US20130129431A1; RU2012148045A; GB2496987B; RU2608252C2; DE102012022612A1; GB2496987A; GB201221090D0; CN103128351B; GB2496987A8

Abstract

Schneidwerkzeug, das aufweist:
einen Werkzeugkörper (12), der eine Vielzahl von Taschen (18) zur Aufnahme von Schneideinsätzen enthält, wobei jede Tasche (18) eine untere Tragfläche (20), eine axiale Tragfläche (22), eine radiale Tragfläche (24) und einen Eckenhinterschnitt (26) zwischen der unteren Tragfläche (20) und der axialen Tragfläche (22) aufweist; und
eine Taschenausformung (30), die zumindest teilweise auf einer Wand (32) zwischen der axialen und der radiale Tragfläche (22, 24) der Tasche (18) angeordnet ist, wobei die Taschenausformung (30) eine Zugspannung des Schneidwerkzeugs während eines Bearbeitungsvorgangs reduziert.

Description

Schneidwerkzeuge, wie z.B. Fräser, sind drehbare Werkzeuge mit zylindrischen, konischen Formen oder Scheibenform, die eine Vielzahl von Schneidkanten haben. Solche Fräser sind in vielen Formen erhältlich, wie kreiszylindrisch, Scheibenfräser, Stirn- und Schaftfräser, geformte Fräser und Fräser mit einem Standard- oder speziell geformten Profil.
Schaftfräser, die am vorderen Ende des Werkzeugs montierte Schneideinsätze verwenden, sind in der Technik bekannt. Die Schaftfräser können bei mehreren Arten von Anwendungen verwendet werden, abhängig von der Konfiguration der in sie montierten Schneideinsätze. Die Schneideinsätze können eine Umfangsschneidkante zum Scheibenfräsen, eine Stirnschneidkante zum Stirnfräsen und eine gekrümmte Schneidkante eines so genannten „Radius“-Schaftfräsers für verschiedene Kopieranwendungen aufweisen. 4-Schneiden-Fräser sind wahrscheinlich die üblichsten, aber es werden häufig auch 2, 3 oder 6 Spannuten verwendet. Schaftfräser werden viel verwendet, da sie eine große Vielfalt von Fräsvorgängen durchführen können, und die Anschaffungskosten des Fräsers sind niedrig. Auch andere als zylindrische Formen sind üblich. Der Schaft kann parallel oder konisch sein, und er muss nicht unbedingt gleich dem Durchmesser der Fräserzähne sein.
Wenn ein Schaftfräser in Betrieb ist, wird üblicherweise die Bearbeitungskraft gegen eine Kante des Fräsers ausgeübt. Der Werkzeughalter, der den Schaft des Fräsers steif einspannt, widersteht dem resultierenden Moment. Ohne die Tatsache zu beachten, dass die Richtung des Moments sich kontinuierlich ändert, während der Fräser dreht, kann der Fräser als wie ein Kragbalken belastet angesehen werden.
Wie in den 8-10 gezeigt, enthält ein konventionelles Schneidwerkzeug 100, wie ein Schaftfräser, eine Vielzahl von einen Einsatz aufnehmenden Taschen 102, die zwischen einer Vielzahl von Spannuten 104 angeordnet sind. Jede Tasche 102 enthält eine untere Tragfläche 106, eine radiale Tragfläche 108 und eine axiale Tragfläche 110 zum Tragen eines Schneideinsatzes (nicht gezeigt), wenn er in die Tasche 102 montiert ist. Jede Tasche kann auch einen Eckenhinterschnitt 112 an der Schnittlinie zwischen der unteren Tragfläche 106 und der axialen Tragfläche 110 und eine Gewindebohrung 114 zur Aufnahme einer Gewindebefestigungseinrichtung (nicht gezeigt) zur Befestigung des Schneideinsatzes in der Tasche 102 enthalten. Simulationen haben gezeigt, dass eine Zugspannung der Tasche 102 während Bearbeitungsvorgängen von ungefähr 742 MPa sich nahe der axialen Tragfläche 110 und dem Eckenhinterschnitt 112 befindet, was zu einem Sicherheitsfaktor von etwa 0,66 führt.
Während die oben erörterte Frage der Spannung sich auf die Vermeidung von Ermüdung bezieht, die zu einem Bruch des Werkzeugs führen würde, ist die Erfordernis, eine Werkzeug-Durchbiegung zu minimieren, nicht weniger wichtig, um die Genauigkeit und Oberflächengüte zu verbessern und Vibrationen und Lärm zu reduzieren. Das Biegemoment, zusammen mit der Drehung des Fräsers, erzeugt einen Zustand der vollständigen Spannungsumkehr (abwechselnde Zug- und Druckspannungen), was der schlimmste Ermüdungs-Zustand ist.
Aus der US 7 204 662 B1 ist ein Schneidwerkzeug mit einem Werkzeugkörper mit einer Vielzahl von Taschen zur Aufnahme von Schneideinsätzen bekannt. Die Taschen werden durch mehrere Tragflächen begrenzt, wobei auch ein Eckenhinterschnitt zwischen benachbarten Tragflächen ausgeformt ist. Zur Reduzierung der Spannung im Schneidwerkzeug während des Bearbeitungsvorgangs ist an der vorderen Stirnfläche des Schneidwerkzeugs ein sogenannter Stress-Splitter vorhanden, der durch eine langgestreckte Erhebung an der Stirnfläche ausgebildet ist und entlang eines Ansatzes eines radialen, zahnförmigen Fortsatzes, der einen Teil der Tasche begrenzt, und dem Kern des Schaftes verläuft.
Die DE 697 19 361 T2 , die WO 2010/080385 A2 und die JP 2010-234457 A zeigen Schneidwerkzeuge mit einer Vielzahl von Taschen zur Aufnahme von Schneideinsätzen. An diesen Taschen sind zahlreiche Eckenhinterschnitte ausgebildet.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf für ein verbessertes Schneidwerkzeug, das die Einschränkungen des bekannten Schneidwerkzeugs überwinden und die Gesamtspannung des Schneidwerkzeugs reduzieren oder beseitigen kann.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung löst die Aufgabe, ein verbessertes Schneidwerkzeug zu schaffen, durch ein Schneidwerkzeug nach Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung hat das Problem hoher Spannung, das mit konventionellen Schneidwerkzeugen verbunden ist, durch die Bereitstellung einer nahe dem Bereich hoher Spannung auf der radialen Tragfläche befindlichen Taschenausformung gelöst, die die Zugspannung stark reduziert, wodurch die Sicherheit und Lebensdauer des Werkzeugs verbessert werden.
Figurenliste
Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind, sollten die besonderen veranschaulichten Ausführungsformen nicht als die Ansprüche einschränkend ausgelegt werden. Es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.

- 1 ist eine isometrische Ansicht eines Schneidwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ist eine vergrößerte Ansicht der Tasche des Schneidwerkzeugs der 1, die eine Taschenausformung zur Spannungsreduzierung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 3 zeigt eine Messung der Spannungsverteilung für die Tasche des Schneidwerkzeugs mit der Taschenausformung der 2;
- 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Tasche des Schneidwerkzeugs der 1, die eine Taschenausformung zur Spannungsreduzierung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 5 zeigt eine Messung der Spannungsverteilung für die Tasche des Schneidwerkzeugs mit der Taschenausformung der 4;
- 6 ist eine vergrößerte Ansicht der Tasche des Schneidwerkzeugs der 1, die eine Taschenausformung zur Spannungsreduzierung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
- 7 zeigt eine Messung der Spannungsverteilung für die Tasche des Schneidwerkzeugs mit der Taschenausformung der 6;
- 8 ist eine isometrische Ansicht eines konventionellen Schneidwerkzeugs;
- 9 ist eine vergrößerte Ansicht der Tasche des Schneidwerkzeugs der 8; und
- 10 zeigt eine Messung der Spannungsverteilung für die Tasche des Schneidwerkzeugs der 8.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, ist in 1 ein Schneidwerkzeug 10 gezeigt, das einen allgemein zylindrischen Werkzeugkörper 12 enthält, der allgemein radial symmetrisch um seine Drehachse 14 ist. Der Werkzeugkörper 12 enthält vorzugsweise, aber nicht unbedingt, eine Vielzahl von Spannuten 16, die je eine Vielzahl von Taschen 18 aufnehmen. Die Taschen 18 sind bezüglich der Achse 14 drehsymmetrisch angeordnet. Mindestens einer, aber möglicherweise mehrere Schneideinsätze sind so konfiguriert und bemessen, dass sie in jeder Tasche 18 aufgenommen und darin befestigt werden.
In der veranschaulichten Ausführungsform der 1 kann ein Schneideinsatz (nicht gezeigt) in einer entsprechenden Tasche 18 aufgenommen und befestigt werden. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch die Anzahl von Taschen 18 begrenzt ist, und dass die Erfindung mit einer beliebigen Anzahl von Taschen 18 ausgeführt werden kann, abhängig von den Abmessungen des Werkzeugkörpers 12.
Jede Tasche 18 hat eine untere Tragfläche 20, die in einem Winkel zur Achse 14 angeordnet sein kann. Die Tasche 18 enthält auch eine axiale Tragfläche 22 und eine radiale Tragfläche 24, die axiale bzw. radiale Anschlagflächen für die Seitenwände des Einsatzes bilden, wenn er in die Tasche 18 montiert ist. Ein Eckenhinterschnitt 26 ist zwischen der unteren Tragfläche 20 und der axialen Tragfläche 22 vorgesehen. In der veranschaulichten Ausführungsform hat der Eckenhinterschnitt 26 einen Radius von ungefähr 1,19 mm (ungefähr 0,047 Inch). Der Radius des Eckenhinterschnitts 26 hängt aber von der Gestaltung des Schneideinsatzes und anderen Faktoren ab.
Eine Gewindebohrung 28 erstreckt sich durch die Mitte der unteren Tragfläche 20 und ist im Wesentlichen lotrecht dazu. In der zusammengebauten Stellung des Schneidwerkzeugs 10 wird jeder der Schneideinsätze in einer Tasche 18 durch eine Klemmschraube (nicht gezeigt) zurückgehalten, die durch eine Durchgangsbohrung des Schneideinsatzes geht und sich in die Gewindebohrung 28 in der Tasche 18 einschraubt.
Nun unter Bezug auf 2 ist es ein Merkmal der Erfindung, dass eine Taschenausformung 30 nahe der Tasche 18 des Schneidwerkzeugs 10 angeordnet ist. Speziell befindet sich die Taschenausformung 30 auf einer Wand 32 zwischen der axialen Tragfläche 22 und der radialen Tragfläche 24 der Tasche 18 angeordnet. Noch spezieller befindet sich die Taschenausformung 30 nahe dem Bereich der höchsten Zugspannung bei der konventionellen Tasche ähnlicher Gestaltung, die in 10 gezeigt ist. In der veranschaulichten Ausführungsform der 2 hat die Taschenausformung 30 die Form einer runden Vertiefung oder Aussparung mit einer Tiefe, die ungefähr die Hälfte ihres Durchmessers beträgt.
Nun unter Bezug auf 3 wurde entdeckt, dass die Taschenausformung 30 in Form einer runden Vertiefung, die sich auf der Wand 32 nahe dem Bereich der höchsten Zugspannung bei der konventionellen Tasche mit ähnlicher Gestaltung befindet, das unerwartete Ergebnis der deutlichen Reduzierung der Zugspannung der Tasche erzeugt. Speziell ergeben Simulationen der Zugspannung der Tasche 18 des Schneidwerkzeugs 10 ungefähr 434 MPa im Vergleich mit der Zugspannung von ungefähr 742 MPa bei der konventionellen Tasche 102 des Schneidwerkzeugs 100.
Wie in 3 gezeigt, wurde die Zugspannung in einem Bereich zwischen der axialen Tragfläche 22 und der Wand 32 weiter gestreut. Zusätzlich befindet sich die Zugspannung der Tasche 18 an einem Punkt 34, der von dem Eckenhinterschnitt 26 entfernt ist, im Vergleich mit der Stelle der Zugspannung, die sich bei der konventionellen Tasche 102 nahe dem Eckenhinterschnitt 112 befindet. Als Ergebnis der erfindungsgemäßen Taschenausformung 30 ist die Zugspannung der Tasche stark reduziert, was zu einem viel größeren Ermüdungs-Sicherheitsfaktor von etwa 1,43 für das Schneidwerkzeug 10 im Vergleich mit dem konventionellen Schneidwerkzeug 100 führt.
Es versteht sich, dass die Form der Taschenausformung 30 nicht auf die Form einer runden Vertiefung beschränkt ist, die in 2 gezeigt ist, und dass die Erfindung mit jeder gewünschten Form durchgeführt werden kann, die eine oder mehrere gekrümmte Flächen hat, so lange die ausgesparte Form sich nahe einem Bereich höchster Zugspannung der Tasche befindet.
Nun unter Bezug auf 4 hat die Taschenausformung 30 die Form einer tropfenförmigen Aussparung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Die Taschenausformung 30 hat eine Tiefe, die ungefähr die Hälfte der Breite des Tropfens ist. Anders gesagt, das Verhältnis der maximalen Breite zur maximalen Tiefe ist etwa 2:1. Ähnlich der in 2 gezeigten Taschenausformung 30 ist die in 4 gezeigte Taschenausformung 30 auf der Wand 32 zwischen der axialen Tragfläche 22 und der radialen Tragfläche 24 der Tasche 18 vorgesehen. Speziell befindet sich die Taschenausformung 30 nahe dem Bereich höchster Zugspannung bei der konventionellen Tasche mit ähnlicher Gestaltung, die in 10 gezeigt ist.
Nun unter Bezug auf 5 betragen Simulationen der Zugspannung der Tasche 18 des Schneidwerkzeugs 10 ungefähr 411 MPa im Vergleich mit der Zugspannung von ungefähr 742 MPa bei der konventionellen Tasche 102 des Schneidwerkzeugs 100.
Wie in 5 gezeigt, wurde die Zugspannung in einem Bereich zwischen der axialen Tragfläche 22 und der Wand 32 breiter gestreut und befindet sich teilweise auch in der Taschenausformung 30 selbst. Zusätzlich befindet sich die Zugspannung der Tasche 18 an einem Punkt 34 entfernt vom Eckenhinterschnitt 26 im Vergleich mit der Stelle der Zugspannung, die sich bei der konventionellen Tasche 102 nahe dem Eckenhinterschnitt 112 befindet. Als Ergebnis der erfindungsgemäßen Taschenausformung 30 ist die Zugspannung der Tasche stark reduziert, was zu einem sehr viel größeren Sicherheitsfaktor für das Schneidwerkzeug 10 im Vergleich mit dem konventionellen Schneidwerkzeug 100 führt.
In den vorhergehenden, in den 2-5 gezeigten Ausführungsformen ist die Taschenausformung 30 nur auf der Wand 32 zwischen der axialen Tragfläche 22 und der radialen Tragfläche 24 angeordnet. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, dass die Taschenausformung 30 nur auf der Wand 32 angeordnet ist, und dass die Erfindung mit der Taschenausformung 30 allgemein zwischen der axialen Tragfläche 22 und der radialen Tragfläche 24 angeordnet durchgeführt werden kann.
Nun unter Bezug auf 6 hat die Taschenausformung 30 die Form einer tropfenförmigen Aussparung gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Ähnlich der in 4 gezeigten Taschenausformung 30 hat die Taschenausformung 30 eine Tiefe, die ungefähr die Hälfte der Breite des Tropfens ist. Anders als die in 4 gezeigte Taschenausformung 30 ist die in 6 gezeigte Taschenausformung 30 aber nicht nur auf der Wand 32 zwischen der axialen Tragfläche 22 und der radialen Tragfläche 24 der Tasche 18 vorgesehen, sondern erstreckt sich auch in die Spannut 16.
Nun unter Bezug auf 7 ergeben Simulationen der Zugspannung der Tasche 18 des Schneidwerkzeugs 10 ungefähr 372 MPa im Vergleich mit der Zugspannung von ungefähr 742 MPa bei der konventionellen Tasche 102 des Schneidwerkzeugs 100. Als Ergebnis wird ein Ermüdungs-Sicherheitsfaktor von etwa 1,60 bei der Taschengestaltung der Erfindung im Vergleich mit einem Sicherheitsfaktor von etwa 0,66 bei der konventionellen Taschengestaltung erhalten.
Wie in 7 gezeigt, wurde die Zugspannung in einem Bereich zwischen der axialen Tragfläche 22 und der Wand 32 weiter gestreut, und befindet sich teilweise auch in der Taschenausformung 30 selbst. Zusätzlich befindet sich die Zugspannung der Tasche 18 an einem Punkt 34, der vom Eckenhinterschnitt 26 entfernt ist, im Vergleich mit der Stelle der Zugspannung, die sich bei der konventionellen Tasche 102 nahe dem Eckenhinterschnitt 112 befindet. Tatsächlich ist die Stelle 34 der Zugspannung innerhalb der Taschenausformung 30 angeordnet. Als Ergebnis der erfindungsgemäßen Taschenausformung 30 ist die Zugspannung der Tasche stark reduziert, was zu einem sehr viel höheren Sicherheitsfaktor für das Schneidwerkzeug 10 im Vergleich mit dem konventionellen Schneidwerkzeug 100 führt.
Wie durch die obigen Messungen gezeigt, erzeugt die Taschenausformung 30 das unerwartete Ergebnis der starken Reduzierung der Zugspannung des Schneidwerkzeugs, wodurch der Sicherheitsfaktor stark erhöht wird. Durch Bereitstellen der Taschenausformung 30 an der Stelle maximaler Spannung wurde die Zugspannung um fast 50% im Vergleich mit der Zugspannung im konventionellen Schneidwerkzeug reduziert.

Claims

Schneidwerkzeug, das aufweist: einen Werkzeugkörper (12), der eine Vielzahl von Taschen (18) zur Aufnahme von Schneideinsätzen enthält, wobei jede Tasche (18) eine untere Tragfläche (20), eine axiale Tragfläche (22), eine radiale Tragfläche (24) und einen Eckenhinterschnitt (26) zwischen der unteren Tragfläche (20) und der axialen Tragfläche (22) aufweist; und eine Taschenausformung (30), die zumindest teilweise auf einer Wand (32) zwischen der axialen und der radiale Tragfläche (22, 24) der Tasche (18) angeordnet ist, wobei die Taschenausformung (30) eine Zugspannung des Schneidwerkzeugs während eines Bearbeitungsvorgangs reduziert.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Taschenausformung (30) die Form einer runden Vertiefung mit einer Tiefe hat, die ungefähr die halbe Breite der runden Vertiefung ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Taschenausformung (30) die Form einer Aussparung mit einer Tiefe hat, die ungefähr die halbe Breite der Aussparung ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 3, wobei die Taschenausformung (30) tropfenförmig ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Taschenausformung (30) sich in eine Spannut (16) des Werkzeugkörpers (12) erstreckt.
Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wand (32) mit der Taschenausformung (30) der Spannut (16) zugewandt ist.
Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Taschenausformung (30) eine oder mehrere gekrümmte Flächen hat.
Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Werkzeugkörper (12) eine Vielzahl von Spannuten (16) hat, die jeweils eine Vielzahl von Taschen (18) zur Aufnahme von Schneideinsätzen aufweist.