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Hintergrund der Erfindung
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Ein anhaltendes Ziel der Metallzerspanungsbranche besteht darin, Metallschneideinsätze mit einer an die Anwendung angepassten Schneidkante bereitzustellen, die ihre ursprüngliche Gestaltung so lange wie möglich beibehalten. Während eines Metallzerspanungsvorgangs werden Späne (oder Schleifabrieb) gebildet. Man hat festgestellt, dass der Abfluss der Späne gegen die Harkenfläche zu hohen Temperaturen führt, was wiederum zu chemischer Abnutzung führt. Wie in 9 gezeigt, kann in der Nähe der Schneidkante Abnutzung des Wirkungstrichters entstehen. Infolgedessen verringert sich die Lebensdauer des Schneideinsatzes.
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Ein weiteres Ziel besteht darin, die Gestalt der Späne zu beeinflussen. Kurze Späne sind bevorzugt. Eine angemessene Gestaltung der Harkenfläche würde die Gestaltung und die Bruchstellen der Späne unterstützen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Der Zweck der Erfindung besteht darin, die Kontakt-/Reibungsoberfläche zu minimieren, die Mikro-Gestaltung der Schneidkante sowie die Gestaltung, Erzeugung und Bruchstellen der Späne zu optimieren. Dies wird erreicht, indem dreidimensionale (3-D) Elemente oder Formen auf einem Bereich des Einsatzes bereitgestellt werden, der mit dem während eines Vorgangs der maschinellen Bearbeitung gebildeten Werkstück und/oder Span in Kontakt ist, um die Reaktion zwischen den Kontaktzonen des Schneideinsatzes und dem Werkstück und/oder Span zu optimieren. Infolgedessen führen geringere mechanische und thermische Belastungen des Schneidwerkzeugs und des daran angebrachten Schneideinsatzes zu einer erheblichen Verlängerung der Werkzeugstandzeit.
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In einer Ausführungsform weisen die 3-D-Elemente die Form eines Mikrokanals auf, wobei mindestens eine Dimension in einem Bereich zwischen etwa 3 µm bis etwa 100 µm liegt. Der Schneideinsatz kann aus superharten Materialien, wie etwa Polycarbonatboronnitrid (PcBN), Polycarbonatdiamant (PcD), Keramiken und dergleichen, hergestellt sein, sodass Schneidkräfte, Temperaturen, Oberflächenrauheit des Werkstücks positiv beeinflusst werden und somit zu einer Verlängerung der Werkzeugstandzeit führen. Die 3-D-Elemente können mittels Abtragung, Laser oder anderen mechanischen Mitteln, wie etwa Abschleifen, Ultraschall und dergleichen, gebildet werden. Die 3-D-Elemente können auf einem beliebigen Bereich des Schneideinsatzes bereitgestellt werden, der mit den während eines maschinellen Bearbeitungsvorgangs gebildeten Spänen in Kontakt kommen kann. Die 3-D-Elemente können beispielsweise auf der Abfasung, der Harkenfläche, der Hinterschlifffläche oder beliebigen Kombinationen davon bereitgestellt werden.
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Bei einem Aspekt umfasst ein Schneideinsatz einen Körper mit einer oberen Stirnfläche, einer unteren Stirnfläche, mehreren Flankenflächen, die die obere und die untere Stirnfläche miteinander verbinden, und mehreren gekrümmten Flankenflächen, die die mehreren Flankenflächen miteinander verbinden; einen T-Steg, der in Bezug auf die obere Stirnfläche in einem abwärts geneigten Winkel gebildet ist; eine Schneidkante, die an einer Schnittstelle von einer jeweiligen Flankenfläche und dem T-Steg gebildet ist; eine gekrümmte Schneidkante, die an einer Schnittstelle von einer jeweiligen gekrümmten Flankenfläche und dem T-Steg gebildet ist; und einen Mikrokanal, der in den ebenen Flankenflächen, den gekrümmten Flankenflächen und dem T-Steg in der Nähe der Schneidkante oder der gekrümmten Schneidkante gebildet ist.
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Bei einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes bereitgestellt, umfassend einen Körper mit einer oberen Stirnfläche, einer unteren Stirnfläche, mehreren Flankenflächen, die senkrecht zu der oberen und unteren Stirnfläche verlaufen und diese miteinander verbinden, und mehreren gekrümmten Flankenflächen, die die mehreren Flankenflächen miteinander verbinden; einen T-Steg, der in Bezug auf die obere Stirnfläche in einem abwärts geneigten Winkel gebildet ist; eine Schneidkante, die an einer Schnittstelle von einer jeweiligen Flankenfläche und dem T-Steg gebildet ist; eine gekrümmte Schneidkante, die an einer Schnittstelle von einer jeweiligen gekrümmten Flankenfläche und dem T-Steg gebildet ist, wobei das Verfahren das Erzeugen eines Mikrokanals in der Nähe der Schneidkante oder der gekrümmten Schneidkante durch Entfernen von Material von den Flankenflächen, den gekrümmten Flankenflächen oder dem T-Steg umfasst.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es werden zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht, aber die konkret dargestellten Ausführungsformen sollen nicht als eine Beschränkung der Patentansprüche ausgelegt werden. Es wird vorweggenommen, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen.
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1 ist eine isometrische Ansicht eines Schneideinsatzes mit Mikrokanälen gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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2 ist eine vergrößerte Teilansicht der gekrümmten Schneidecke des in 1 gezeigten Schneideinsatzes gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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3 ist eine weitere vergrößerte Teilansicht der gekrümmten Schneidecke des in 1 gezeigten Schneideinsatzes gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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4 ist eine vergrößerte Teilansicht der gekrümmten Schneidecke des Schneideinsatzes mit tränenförmig gestalteten Mikrokanälen gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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5 ist eine weitere vergrößerte Teilansicht der gekrümmten Schneidecke des in 4 gezeigten Schneideinsatzes gemäß einem Aspekt der Erfindung;
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6 ist eine weitere vergrößerte Teilansicht der gekrümmten Schneidecke des in 4 gezeigten Schneideinsatzes gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung;
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7 ist eine vergrößerte Teilquerschnittansicht der ebenen Schneidkante des Schneideinsatzes mit einem Mikrokanal in der Form eines negativen Merkmals gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung;
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8 ist eine vergrößerte Teilquerschnittansicht der ebenen Schneidkante des Schneideinsatzes mit einem Mikrokanal in der Form eines positiven Merkmals gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung; und
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9 ist ein fotografisches Mikrobild eines in der Nähe einer Schneidkante eines herkömmlichen Schneideinsatzes aufgrund von Spanabfluss bei hoher Temperatur gebildeten Wirkungstrichters.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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In der vorliegenden Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen und in den Ansprüchen sind, anders als in den Betriebsbeispielen oder wo ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, alle Zahlen, die Mengen oder Eigenschaften von Inhaltsstoffen und Produkten, Verarbeitungsbedingungen und dergleichen angeben, in allen Fällen als durch den Begriff „etwa“ abgeändert zu verstehen. Dementsprechend handelt es sich, sofern nicht etwas Gegenteiliges angegeben ist, bei allen numerischen Parametern, die in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt sind, um Näherungswerte, die in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften variieren können, die in den Vorrichtungen und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung erreicht werden sollen. Allermindestens und nicht als Versuch, die Anwendung der Lehre von Äquivalenten des Umfangs der Ansprüche zu begrenzen, sollte jeder numerische Parameter zumindest angesichts der Anzahl der berichteten wesentlichen Stellen und durch Anwendung von üblichen Rundungstechniken ausgelegt werden.
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Alle Patente, Veröffentlichungen oder andere Offenbarungsmaterialien in ihrer Gesamtheit oder in Teilen, von denen gesagt wird, dass sie durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, sind nur in dem Maße hierin aufgenommen, in dem das eingeschlossene Material bestehenden Definitionen, Aussagen oder anderen Offenbarungsmaterialien, die in der vorliegenden Offenbarung aufgeführt sind, nicht entgegensteht. Die Offenbarung, wie hier aufgeführt, ersetzt an sich und im erforderlichen Ausmaß jegliches entgegenstehende Material, das hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Jegliches Material, oder Teile davon, von dem gesagt wird, dass es hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, das jedoch hierin aufgeführten, bestehenden Definitionen, Aussagen oder anderem Offenbarungsmaterial entgegensteht, wird nur in dem Ausmaß aufgenommen, in dem sich kein Widerspruch aus dem aufgenommenen Material und dem bestehenden Offenbarungsmaterial ergibt.
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Nun unter Bezugnahme auf 1 bis 4 ist dort ein Schneideinsatz 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung allgemein dargestellt. Im Allgemeinen weist der Schneideinsatz 10 einen mehreckigen Körper 12 mit einer sich dort hindurch erstreckenden mittleren Achse A (d.h. parallel zur z-Achse) auf. Der Körper 12 weist eine im Wesentlichen ebene obere Stirnfläche 14, eine im Wesentlichen ebene untere Stirnfläche 16 und mehrere Flankenflächen 18 auf, die senkrecht zu der oberen und unteren Stirnfläche 14, 16 verlaufen und diese miteinander verbinden. Bei der in den Figuren gezeigten spezifischen Ausführungsform ist ein einen Mittelstift aufnehmendes Loch 20 durch den Einsatz 10 zum Sichern des Einsatzes in einem (nicht gezeigten) Werkzeughalter vorgesehen. In einer weiteren Ausführungsform weist der Schneideinsatz 10 kein Loch darin zum Sichern des Schneideinsatzes an einem Werkzeug auf. Stattdessen wird der Schneideinsatz 10 in dem Werkzeug mittels eines Klemmmechanismus gesichert, der den Schneideinsatz sicher innerhalb des Werkzeugs befestigt. Gekrümmte Schneidecken 32 sind an den Schnittstellen der gekrümmten Flankenflächen 22 mit einem jeweiligen T-Steg 26 gebildet, während ebene Schneidkanten 24 entsprechend an den Schnittstellen jeder ebenen Flankenfläche 18 mit dem entsprechenden T-Steg 26 gebildet sind. Die T-Stege 26 sind in Bezug auf die obere Stirnfläche 14 in einem abwärts geneigten Winkel 28 gebildet. Der Winkel 28 kann beispielsweise zwischen etwa fünf (5) Grad und etwa fünfundvierzig (45) Grad betragen.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der Schneideinsatz 10 eines oder mehrere 3-D-Elemente aufweist, allgemein bei 30 gezeigt, die in den Flankenflächen 18, den gekrümmten Schneidecken 22 und/oder den T-Stegen 26 gebildet sind. In der veranschaulichten Ausführungsform weisen die 3-D-Elemente die Gestalt von Mikrokanälen auf, die in den Flankenflächen, den gekrümmten Schneidecken 22 und/oder den T-Stegen 26 in der Nähe der Schneidkanten 24 gebildet sind. Anders ausgedrückt sind die Mikrokanäle 30 auf jeder Seite der Schneidkanten 24 angeordnet. In einer Ausführungsform sind die Mikrokanäle 30 weniger als 5 Mikrometer von der Schneidkante 24 beabstandet angeordnet. Es versteht sich jedoch, dass die Mikrokanäle 30 nur in den Flankenflächen 18, nur in den gekrümmten Schneidecken 22 oder nur in den T-Stegen 26 auf einer oder mehreren Seiten des Schneideinsatzes 10 angeordnet sein können.
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Wie in 2 und 3 gezeigt, weisen die Mikrokanäle 30 eine allgemein rechteckige Form mit einer Längsachse 34, einer Länge L und einer Breite W auf. Die Erfinder haben gezeigt, dass die einem Wirkungstrichter ähnliche Struktur der Mikrokanäle 30 den Kontaktbereich zwischen den Spänen und dem Schneideinsatz 10 verringert. Infolgedessen wird die Wärmeübertragung zwischen den Spänen und dem Schneideinsatz 10 verstärkt, wodurch die Bildung eines Wirkungstrichters in der Nähe der Schneidkanten 24 minimiert wird.
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In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Längsachse 34 jedes Mikrokanals 30 allgemein senkrecht zu den Schneidkanten 24. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die Mikrokanäle 30 in jedem beliebigen gewünschten Winkel an den Flankenflächen 18, den gekrümmten Schneidecken 22 und dem T-Steg 26 ausgerichtet sein können. Wie in 3 gezeigt, ist die Länge L jedes Mikrokanals 30, die kleiner oder gleich etwa 100 Mikrometer ist, viel größer als die Breite W. Die Tiefe des Mikrokanals 30 kann kleiner oder gleich etwa 0,01 mm sein. In einer Ausführungsform ist die Länge L etwa fünf (5) Mal so groß wie die Breite W. In einer weiteren Ausführungsform ist die Länge L etwa zehn (10) Mal so groß wie die Breite W. In noch einer weiteren Ausführungsform ist die Länge L etwa fünfundzwanzig (25) Mal so groß wie die Breite W. In noch einer weiteren Ausführungsform ist die Länge L etwa fünfzig (50) Mal so groß wie die Breite W. Anders ausgedrückt kann die Länge L zwischen etwa fünf (5) bis fünfzig (50) Mal so groß sein wie die Breite W. Die Mikrokanäle 30 können unter Verwendung von im Stand der Technik gut bekannten Mitteln, wie Laser, Elektronenstrahl und dergleichen, gebildet werden.
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In der veranschaulichten Ausführungsform sind die Mikrokanäle 30 in Bezug zueinander um einen Abstand D voneinander beabstandet. In einer Ausführungsform sind die Mikrokanäle 30 gleichmäßig voneinander beabstandet. Es versteht sich jedoch, dass der Abstand D zwischen Mikrokanälen 30 variieren kann. Beispielsweise kann der Abstand D für die in den gekrümmten Schneidecken 22 gebildeten Mikrokanäle 30 kleiner sein als für die in den Flankenflächen 18 gebildeten Mikrokanäle 30. Umgekehrt kann der Abstand D für die in den gekrümmten Schneidecken 22 gebildeten Mikrokanäle 30 größer sein als für die in den Flankenflächen 18 gebildeten Mikrokanäle 30. In einer weiteren Ausführungsform variiert der Abstand D zwischen den in den Flankenflächen 18 gebildeten Mikrokanälen 30, während der Abstand D zwischen den in den gekrümmten Schneidecken 22 gebildeten Mikrokanälen 30 gleichmäßig ist. Der Fachmann würde verstehen, dass der Abstand D zwischen den Mikrokanälen 30 auf mehrere unterschiedliche Arten variieren kann.
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Wie vorstehend erwähnt, können die 3-D-Elemente 30 jede beliebige Form aufweisen und in einer oder mehrerer der Flankenflächen 18, einer oder mehrerer der gekrümmten Schneidecken 22 und/oder einem oder mehreren der T-Stege 26 angeordnet sein. Beispielsweise können die 3-D-Elemente in der Form eines tränenförmigen Mikrokanals 30 mit einem Kopfabschnitt 30a und einem Endabschnitt 30b vorliegen. In dieser Ausführungsform ist der Mikrokanal 30 im Wesentlichen parallel zu den gekrümmten Schneidkanten 32 ausgerichtet, so dass der Kopfabschnitt 30a des tränenförmigen Mikrokanals 30 in dem T-Steg 26 in der Nähe der gekrümmten Schneidkante 32 angeordnet ist und ein Endabschnitt 30b des Mikrokanals 30 in dem T-Steg 26 in der Nähe der ebenen Schneidkante 24 angeordnet ist, wie in 4 und 5 gezeigt. Es sollte sich jedoch verstehen, dass die Mikrokanäle 30 in jedem beliebigen gewünschten Winkel an den Flankenflächen 18, den gekrümmten Schneidecken 22 und/oder dem T-Steg 26 ausgerichtet sein können.
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Genauer gesagt ist der Kopfabschnitt 30a jedes Mikrokanals 30 in einem größeren Abstand von der gekrümmten Schneidkante 32 angeordnet als der Endabschnitt 30b. Es versteht sich, dass der gesamte Mikrokanal 30 in dem T-Steg 26 in der Nähe der gekrümmten Schneidkante 32 derart angeordnet sein kann, dass der Endabschnitt 30b sich nicht in den T-Steg 26 in der Nähe der ebenen Schneidkante 24 erstreckt. Darüber hinaus sollte es sich verstehen, dass der Kopfabschnitt 30a des Mikrokanals 30 näher an der gekrümmten Schneidkante 32 liegen kann als der Endabschnitt 30b des Mikrokanals 30. Außerdem kann der tränenförmige Mikrokanal 30 in der Nähe der und parallel zu den Schneidkanten 24 angeordnet sein. Wenn dem so ist, bewirken die 3-D-Elemente 30, dass die Schneidkanten 24 zu einer zusätzlichen sekundären Schneidkante werden, die im Fall von fortgeschrittenem Verschleiß oder Absplittern der primären gekrümmten Schneidkanten 32 verwendet werden kann.
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Nun unter Bezugnahme auf 6 kann der in 5 gezeigte Schneideinsatz 10 auch einen an der gegenüberliegenden Seite der gekrümmten Schneidkante 32 angeordneten Mikrokanal 30 aufweisen. In der veranschaulichten Ausführungsform weist der Mikrokanal 30 ungefähr die gleiche Länge wie der tränenförmige Mikrokanal 30 auf. Es versteht sich jedoch, dass der Mikrokanal 30 eine andere Länge, eine andere Breite oder eine andere Länge und eine andere Breite als der tränenförmige Mikrokanal 30 aufweisen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der Mikrokanal 30 die Form eines negativen Merkmals aufweisen, das in dem T-Steg 26 in der Nähe der ebenen Schneidkante 24 gebildet ist, wie in 7 gezeigt. Das negative Merkmal 30 hat eine geringere Erhebung als der T-Steg 26 und weist ein Paar gegenüberliegender Seitenwände 30a, 30b und eine untere Oberfläche 30c auf. Das negative Merkmal 30 minimiert den Kontaktbereich zwischen dem Span und dem Schneideinsatz 10.
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In noch einer weiteren Ausführungsform kann der Mikrokanal 30 die Form eines positiven Merkmals aufweisen, das in dem T-Steg 26 in der Nähe der Schneidkante 24 gebildet ist, wie in 8 gezeigt. Das positive Merkmal 30 hat eine höhere Erhebung als der T-Steg 26 und weist ein Paar gegenüberliegender Seitenwände 30a, 30b und eine obere Oberfläche 30c auf. Das positive Merkmal 30 minimiert den Kontaktbereich zwischen dem Span und dem Schneideinsatz 10.
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Wie vorstehend beschrieben, erzeugen Mikrokanäle 30 eine belüftete Furche für den Abfluss des Spans, wodurch der Kontaktbereich zwischen dem Span und dem Schneideinsatz 10 minimiert wird. Infolgedessen wird die von dem Span während der Metallzerspanungsvorgänge erzeugte Menge an Hitze aufgrund des verkleinerten Kontaktbereichs verringert, wodurch der Spanabfluss verbessert wird. Darüber hinaus wird Verschleiß sowohl an den Flankenflächen 18 als auch am T-Steg 26 aufgrund der Verringerung der maximalen Temperatur in der Nähe der Schneidkanten 24, 32 verringert und dadurch die Lebensdauer des Schneideinsatzes 10 erheblich verbessert. Darüber hinaus wird die Spanform von den Mikrokanälen 30 beeinflusst.
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Die Patente und Veröffentlichungen, auf die in diesem Dokument Bezug genommen wird, werden hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
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Es wurden derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, aber die Erfindung kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche auch anderweitig ausgeführt werden.
