-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schneidvorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die äußere Form eines Werkstückes durch spanabhebende Bearbeitung zu verändern. Dabei wird das Werkstück zum Beispiel in das Spannfutter einer Drehmaschine eingespannt und rotiert. Ein feststehendes Schneidwerkzeug wird so an das rotierende Werkstück herangeführt, dass eine Schneidkante in berührendem Kontakt mit der Oberfläche des Werkzeugs gerät. Durch den Materialabtrag am Werkstück wird dessen äußere geometrische Form verändert, wobei der Materialabtrag als Span herabfällt. Alternativ dazu ist es auch bekannt, das Werkstück ortsfest zu fixieren und es anschließend mit einem sich drehenden Schneidwerkzeug zu bearbeiten. Die letztgenannte Variante eignet sich auch für die Bearbeitung von Bohrungen und Hohlräumen mit kreisförmigem Querschnitt.
-
Durch die Zerspanung von Werkstücken, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, kommt es beispielsweise bei einer Aluminium-Grauguss-Materialkombination auf dem Schneidwerkzeug, insbesondere auf der Schneidkante an der Haupt- und Nebenschneide und an der Schneidenecke, zu tribochemischen Reaktionen. Bei diesen Reaktionen bilden sich Zwischenschichten aus, beispielsweise Oxyde, die aufgrund von chemischen Reaktionen zwischen den beiden Stoffen und aufgrund mechanischer Zerstörung durch Relativbewegung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück resultieren. Auf der Schneidkante des Werkzeugs bildet sich eine kontinuierlich wachsende und sehr harte Ablagerung durch diese tribochemische Reaktion. Diese Ablagerung wächst kontinuierlich, wodurch enge Toleranzen an den bearbeiteten Werkstücken, nicht eingehalten werden können und die gewünschten Bearbeitungsergebnisse am Werkstück somit nicht mehr realisierbar sind. Das Werkzeug muss nachbearbeitet oder getauscht werden.
-
Um diesem Effekt entgegen zu wirken, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zur Verringerung des Verschleißes die Beschichtung des Werkzeugs zu verändern. Alternativ dazu ist es auch bekannt, beispielsweise aus der
EP 0 599 393 B1 , Wendeplatten mit einer Kühleinrichtung zu versehen.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Schneidvorrichtung anzugeben, welche sich durch besonders niedrigen Verschleiß auszeichnet. Diese Aufgabe wird mit einer Schneidvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung eine Schneidvorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung vor, mit einem Werkzeughalter, mindestens einem Schneidwerkzeug, das an dem Werkzeughalter anordenbar ist, und einem internen Kühlsystem, das mit einem Kühlfluid durchströmbar ist. Das Kühlmedium kann aus einem Auslass des Werkzeughalters in einen Kühlkanal des Schneidwerkzeugs und aus dem Kühlkanal des Schneidwerkzeugs in einen Einlass des Werkzeughalters überführbar sein. Dadurch wird ein Kühlsystem im Inneren des Schneidwerkzeugs realisiert, was sich als besonders vorteilhaft zur Reduktion der Zerspanungstemperatur und damit etwa bei einer Aluminium-Grauguss-Materialkombination zur Senkung der Reaktionsgeschwindigkeit der tribochemischen Reaktion, welche wiederum stark temperaturabhängig ist, herausgestellt hat. Indem das Kühlmedium über den Einlass wieder in den Werkzeughalter überführt und nicht durch weitere Hohlräume im Schneidwerkzeug zum Ort der Zerspanung weitergeleitet wird, ist zum einen die für die Zerspanung notwendige Stabilität des Schneidwerkzeuges nicht maßgeblich beeinflusst und zum anderen eine einfache und wenig aufwändige Herstellungsweise gewährleistet.
-
Das Schneidwerkzeug kann als Wendeschneidplatte ausgebildet sein. Dabei ist es denkbar, dass mehrere Schneidwerkzeuge bzw. Wendeschneidplatten an einem Werkzeughalter angeordnet sind. Die Schneidvorrichtung kann dabei als Schneidvorrichtung an einer Drehmaschine realisiert werden. Alternativ dazu kann die Schneidvorrichtung auch an einem rotierenden Werkzeug vorgesehen sein zur Bearbeitung von Hohlräumen.
-
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkanal als Vertiefung auf einer dem Werkzeughalter zugewandten Oberfläche des Schneidwerkzeugs ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist der Kühlkanal des Schneidwerkzeugs einseitig offen. Diese Bauweise bietet Vorteile hinsichtlich der Fertigung, da ein solcher Kühlkanal auf einfache Weise in eine bestehende Schneidplatte hineingeschnitten, beispielsweise gefräst oder erodiert, werden kann. Selbstverständlich kann ein derartiger Kanal auch bereits bei der Serienfertigung im Substrat des Schneidwerkzeugs vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Vertiefung den Auslass des Werkzeughalters und den Einlass des Werkzeughalters überdecken. Mit anderen Worten: in montiertem Zustand, d. h. wenn das Spanwerkzeug an dem Werkzeughalter befestigt ist, überdeckt die einseitig offene Vertiefung den Auslass und den Einlass des Werkzeughalters und bildet abschnittsweise das Kühlsystem aus. Eine dem Schneidwerkzeug zugewandte Oberfläche des Werkzeughalters kann dabei die Vertiefung zumindest abschnittsweise überdecken und fungiert so als Wandung des Kühlkanals.
-
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der Kühlkanal in dem Schneidwerkzeug einen Einlass und einen Auslass aufweisen, die beide auf einer Oberfläche des Schneidwerkzeugs ausgebildet sind, welche dem Werkzeughalter zugewandt ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist der Kühlkanal nicht einseitig offen, sondern geschlossen im Schneidwerkzeug innenliegend ausgebildet.
-
In einem Zustand, in dem das Schneidwerkzeug an dem Werkzeughalter angeordnet ist, steht die dem Werkzeughalter zugewandte Oberfläche des Schneidwerkzeugs mit der dem Schneidwerkzeug zugewandten Oberfläche des Werkzeughalters in berührendem Kontakt. In diesem Zustand kann das Kühlmedium aus dem Auslass des Werkzeughalters in den Einlass des Schneidwerkzeugs strömen. Dadurch dringt es in den Kühlkanal ein, durchfließt den Kühlkanal und strömt aus dem Auslass des Schneidwerkzeugs in den Einlass des Werkzeughalters.
-
In beiden im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen kann die Schneidvorrichtung zusätzlich ein externes Kühlsystem umfassen. Dabei ist an dem Werkzeughalter ein weiterer Auslass vorgesehen, zum Ausbringen eines Kühlmediums des externen Kühlsystems. Im Unterschied zu den im Vorhergehenden beschriebenen internen Kühlsystemen, bei denen das Kühlmedium das Innere des Schneidwerkzeugs durchströmt, wird mittels des externen Kühlsystems Kühlmedium auf die äußere Oberfläche des Schneidwerkzeugs aufgebracht. Dadurch kann eine Kombination aus interner und externer Kühlung realisiert werden. Diese Kühlmethode repräsentiert eine besonders einfache und effektive Lösung zur Temperaturreduktion des Schneidwerkzeugs bzw. der Wendeschneidplatte während eines spanabhebenden Bearbeitungsvorgangs.
-
Das Kühlmedium in dem externen Kühlsystem kann dabei druckbeaufschlagt werden. Sowohl das im Vorhergehenden beschriebene Kühlmedium des internen Kühlsystems wie auch das Kühlmedium des externen Kühlsystems, kann jeweils ein Fluid im gasförmigen oder flüssigen Aggregatszustand sein, Maßgeblich für die Eignung eines solchen Fluides als Kühlmedium ist die Fähigkeit des Fluides zum Abtransport der Prozesswärme. Selbstverständlich kann als Kühlmedium für das interne und externe Kühlsystem das gleiche Fluid verwendet werden. Hierzu eignen sich insbesondere Wasser, Öle, Bohremulsionen usw.
-
Nachfolgend sollen die Vorteile der Erfindung zusammengefasst werden. Durch Vorsehen eines Kühlkanals im Inneren der Schneidevorrichtung kann eine besonders effektive interne Kühlung realisiert werden, so dass die Temperatur während eines spanabhebenden Bearbeitungsprozesses reduziert wird und damit beispielsweis die Reaktionsgeschwindigkeit einer tribochemischen Reaktion bei einer Aluminium-Grauguss-Materialkombination stark verlangsamt werden kann. Die innere Kühlungsmethode wird mittels Zu- und Ablaufbohrungen im Werkzeughalter und einem Kühlkanal in der Wendeschneidplatte bewerkstelligt. Zusätzlich zu dieser inneren Kühlung kann auch auf herkömmliche Weise mittels Hochdruckkühlung von außen die Wendeschneidplatte gekühlt werden. Mit dieser kombinierten Kühlung kann die entstehende Prozesswärme der Zerspanung effektiver abgeleitet und der Verschleiß somit verringert werden. Dadurch wird auch die Standzeit der Wendeschneidplatte erhöht und somit der Aufwand zur Werkzeugumrüstung, die Werkzeugkosten und die Rüstkosten reduziert. Da zur Realisierung der internen Kühlung nur der Werkzeughalter mit Zu- und Ablaufbohrungen für die interne Kühlung und die Wendeschneidplatte mit einem Kühlkanal zu adaptieren sind, ist diese Kühlungsmethode mit geringem Kosteinsatz umsetzbar, da an der Bearbeitungsmaschine selbst keinerlei Umbaumaßnahmen erforderlich sind.
-
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert werden. Es zeigen in schematischer Darstellung
-
1 eine perspektivische Ansicht einer Schneidvorrichtung mit daran angeordnetem Schneidwerkzeug, und
-
2 eine dem Werkzeughalter zugewandte Oberfläche des Schneidwerkzeugs.
-
Mit Bezug zur 1 soll zunächst der prinzipielle Aufbau der Schneidvorrichtung 10 erläutert werden. Die Schneidvorrichtung 10 umfasst einen Werkzeughalter 11 mit einer daran eingebauten Wendeschneidplatte 20. Die Wendeschneidplatte 20 wird über einen Hebel 15 an den Werkzeughalter 11 gepresst. Der Hebel 15 ist über die Befestigungsschraube 16 an den Werkzeughalter 11 geschraubt.
-
Der Werkzeughalter 11 umfasst einen Auslass 12, aus dem das Kühlmedium, beispielsweise ein Kühlschmierstoff wie Bohremulsion oder dergleichen, aus dem Werkzeughalter 11 ausströmt. Dieses Kühlmittel strömt aus dem Auslass 12 am Werkzeughalter in einen Kühlkanal 21 der Wendeschneidplatte 20 (hier gestrichelt dargestellt) hinein. Beim Durchströmen der Wendeschneidplatte 20 entzieht das Kühlmittel der Wendeschneidplatte 20 die entstehende Prozesswärme und führt diese ab. Über den Einlass des Kühlmedium 13 am Werkzeughalter 11 strömt das erwärmte Kühlmedium aus dem Kühlkanal 21 in den Werkzeughalter 11 und wird wieder abtransportiert. Das abgeführte und erwärmte Kühlmittel kann im Anschluss zur Kühlung von Freiflächen oder zur Schmierung von Führungsleisten benutzt werden. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Funktionsintegration generiert.
-
Darüber hinaus ist ein weiterer Kühlmediumauslass 14 vorgesehen, für die externe Hochdruckkühlung der Wendeschneidplatte 20. Über den Auslass 14 des externen Kühlsystems kann druckbeaufschlagtes Kühlmittel austreten und auf die äußeren Seiten der Wendeschneidplatte 20 geleitet werden, um diese zusätzlich zur internen Kühlung abzukühlen.
-
Wie aus 1 weiterhin ersichtlich ist, weist der Werkzeughalter 11 eine Oberfläche U auf, die der Wendeschneidplatte 20 zugewandt ist. Im Bereich des Auslasses 12 bzw. des Einlasses 13 der internen Kühlung ist die Oberfläche U geriffelt bzw. mäanderförmig bzw. mit Rippen versehen. Eine Oberfläche O der Wendeschneidplatte 20, die wiederum dem Werkzeughalter 11 zugewandt ist, weist eine dazu komplementäre Form bzw. eine Form, die mit den Rippen in Eingriff gebracht werden kann, auf. Dadurch kann ein mechanisch guter Formschluss zwischen dem Werkzeughalter 11 und der Wendeschneidplatte 20 realisiert werden. In zusammengebautem Zustand, der in 1 dargestellt ist, stehen somit die Oberfläche U und die Oberfläche O miteinander in berührendem Kontakt. Selbstverständlich ist auch beispielsweise jeweils eine ebene Oberfläche U und O realisierbar. Dabei entscheidend ist, dass die Oberflächen U und O komplementäre Formen aufweisen, sodass eine Abdichtung gewährleistet wird und das Kühlmedium verlustfrei vom Auslass 12 zum Einlass 13 des Werkzeughalters 11 gelangen kann. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind ein oder mehrere Abdichtelement/e zwischen den Oberflächen U und O vorgesehen, die ihrerseits wieder den Formschluss gewährleisten.
-
2 zeigt eine Ansicht der Wendeschneidplatte 20, auf die dem Werkzeughalter 11 zugewandten Oberfläche O. In einem zentralen Bereich der Oberfläche O sind eine Vielzahl von Erhebungen 25 vorgesehen, die beispielhaft pyramidenförmig mit flacher terrassenförmiger Spitze dargestellt sind. Durch diese Erhebungen 25 kann die Oberfläche O einen guten Formschluss mit der Oberfläche U des Werkzeughalters eingehen. In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen können diese Erhebungen 25 auch andere Formen aufweisen. Diese Ausführungsformen der Oberfläche O hat einen Formschluss mit der Oberfläche U des Werkzeughalters 11. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen gewährleisten ein oder mehrere Zwischenelement/e zwischen den Oberflächen U und O, die auch als Abdichtelemente dienen können, diesen Formschluss.
-
Innerhalb des zentralen Bereichs ist eine Vertiefung 21 als Kühlkanal vorgesehen. Die Vertiefung 21 ist als Mulde ausgebildet und damit einseitig offen. Der Kühlkanal wird damit erst gebildet wenn die Wendeschneidplatte 20 an den Werkzeughalter 11 montiert wird, da dieser eine Wandung des Kühlkanals bildet. Die Vertiefung 21 umfasst einen Einlassabschnitt 26 und einen Auslassabschnitt 27, welche in 2 durch die gestrichelten Kreise repräsentiert sind. In montierten Zustand, vgl. 1, strömt das Kühlmedium aus dem Auslass 12 durch den Einlassabschnitt 26 in den Kühlkanal 21 hinein. Nach Durchströmen des Kühlkanals 21 fließt das Kühlmedium durch den Auslassabschnitt 27 aus der Wendeschneidplatte 20 heraus und durch den Einlass 13 in den Werkzeughalter 11 hinein. Versuche haben gezeigt, dass die Temperatur bzw. die temperaturabhängige tribochemische Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Aluminium-Grauguss Materialkombination besonders gut reduziert bzw. verhindert werden, wenn der Kühlkanal 21 – unter Berücksichtigung der auftretenden Kräfte beim mechanischen Bearbeitungsprozess – soweit wie möglich in der Nähe der Schneidenecke 23 platziert wird, da dort in der Zerspanung die Verschleiß verursachende Prozesswärme entsteht. Im unteren rechten Bereich der 2 weist die Wendeschneidplatte 20 an dessen äußeren Umfang eine Freifläche 22, die Schneideecke 23 und die Nebenschneide 24 auf. In diesem Bereich findet die mechanische Bearbeitung, d. h. die Zerspanung des Werkstückes durch berührenden Kontakt, statt, wobei auch in diesem Bereich die größte Prozesswärme in die Wendeschneidplatte 20 eingebracht wird.
-
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Bearbeitung von Bauteilen im Automobilbereich, insbesondere zur spanenden Bearbeitung von Motorblöcken. Diese sind partiell aus einer Aluminiumlegierung gebildet, die in hochbelasteten Bereichen verstärkt wird. Ein typischer Anwendungsfall ist die Materialkombination aus einer Aluminiumlegierung und Grauguss bei Kurbelwellenbohrungen oder die Materialkombination aus einer Aluminiumlegierung und einer Schicht die mittels Lichtbogendrahtspritzen (LDS, Laser-Deposition-System) aufgebracht wurde bei der Zylinderlauffläche. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Beschichtungsmethode der Zylinderlauffläche, die unlängst in der Großserie eingesetzt wird. Dabei wird ein Draht aus Kohlenstoffstahl dem Prozess zugeführt, mittels Lichtbogen aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand mit hoher Geschwindigkeit auf die Lauffläche des Motorblocks aufgetragen.
-
Bei diesen Bohrungen sind die hochbelasteten Bereiche des Motorblocks durch Graugusseinsätze bzw. der LDS-Beschichtung gezielt verstärkt. Bei der Bearbeitung dieser Bauteile kommt es bei der Kurbelwellenbohrung zu einer parallelen bzw. abwechselnden Bearbeitung des Aluminiums bzw. des Graugusses und bei der Zylinderlauffläche zu einer seriellen bzw. gleichzeitigen Bearbeitung des Aluminiums bzw. der LDS-Schicht.
-
Durch Vorsehen einer internen Kühlung der Schneideplatte können bei der Aluminium-Grauguss-Materialkombination tribochemische Reaktionen an der Oberfläche des Schneidwerkzeuges verhindert bzw. weitgehend reduziert werden. Eine erfindungsgemäße Schneideplatte eignet sich auch zur Bearbeitung der Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, die im Bereich der Beschichtung nachbearbeitet werden müssen. Durch die zusätzliche interne Kühlung der Wendeschneidplatte 20 kann sowohl die Bildung von Ablagerungen auf der Schneide (Aufbauschneidenbildung) verringert werden, als auch die Abplatzung bzw. der Reibverschleiß der Beschichtung auf der Schneidplatte reduziert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Schneidevorrichtung
- 11
- Werkzeughalter
- 12
- Auslass
- 13
- Einlass
- 14
- Auslass externes Kühlsystem
- 15
- Hebel
- 16
- Befestigungsschraube
- 20
- Schneidwerkzeug
- 21
- Kühlkanal
- 22
- Hauptfreifläche
- 23
- Schneidenecke
- 24
- Nebenschneide
- 25
- Erhebungen
- 26
- Einlassabschnitt
- 27
- Auslassabschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
