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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Schaftfräser und insbesondere Schaftfräser, die eine asymmetrische Architektur verwenden.
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Hintergrund
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Schaftfräser mit verschiedenen Entwürfen und verschiedener Konstruktion sind gut bekannt und werden vorteilhafterweise in einer Reihe von Schneideanwendungen verwendet. Im Laufe der Zeit haben sich die Schneidegeschwindigkeiten, die von Schaftfräsern erzielt werden, erhöht, um größere Effizienzen bei Schneide- und Bearbeitungsvorgängen bereitzustellen. Um erhöhte Schneidegeschwindigkeiten anzupassen, wurden neue Geometrien und Materialien eingeführt.
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Um Unregelmäßigkeiten zu reduzieren und eine qualitativ hochwertige Oberflächenbeschaffenheit beizubehalten, werden Schaftfräser zur Verwendung bei Hochgeschwindigkeits-Schneideanwendungen herkömmlicherweise unter Verwendung einer symmetrischen Gestaltung und mit einer begrenzten Anzahl von Spannuten und/oder Schneidekanten hergestellt. Die Begrenzung der Anzahl von Schneidekanten eines symmetrischen Schaftfräsers kann eine Fehlanpassung zwischen der Rate der Aufschläge der Schneidekante und dem charakteristischen Satz von Resonanzfrequenzen ausschließen, mit dem das Schneidesystem (z. B. Spindel und Schaftfräser) inhärent vibrieren möchte. Jedoch kann eine begrenzte Anzahl von Schneidekanten und assoziierten Spannuten die maximalen Schneidegeschwindigkeiten reduzieren und einen effizienten Materialausstoß während des Schneidevorgangs verhindern.
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Die Gestaltung von Schaftfräsern entwickelt sich weiterhin als Reaktion auf sich verändernde Anforderungen von Schneideanwendungen, wobei die Entwicklung von neuen Schaftfräser-Architekturen und -Konfigurationen gefordert wird.
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Kurzfassung
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Unter einem Gesichtspunkt werden hier Schaftfräser beschrieben, die eine asymmetrische Architektur für die Entfernung von Material in Hochgeschwindigkeits-Schneide- und/oder Fräsanwendungen verwenden. Zum Beispiel umfasst ein asymmetrischer Schaftfräser, wie hier beschrieben, einen Schaftabschnitt, der sich entlang einer Längsachse des Schaftfräsers erstreckt, und einen Schneideabschnitt, der sich vom Schaftabschnitt erstreckt. Der Schneideabschnitt umfasst eine Vielzahl von ungleich indexierten Klingen, die durch Spannuten entlang einer axialen Schnittlänge getrennt sind, wobei sich die Klingen auf eine Schneidendfläche des Schaftfräsers erstrecken, wobei mindestens eine der Spannuten von ungleicher Länge ist und der asymmetrische Schaftfräser ein Ungleichgewicht von 2,0 Gramm-Millimeter („gmm”) oder weniger aufweist. Die Klingen können in einem oder in mehreren Steigungswinkeln von der Längsachse entlang der axialen Schnittlänge angeordnet sein. Weiter weist ein asymmetrischer Schaftfräser, wie hier beschrieben, in manchen Ausführungsformen mindestens drei Spannuten oder mindestens vier Spannuten auf.
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt werden hier Verfahren zur Bearbeitung eines Objekts beschrieben. Ein Verfahren zur Bearbeitung umfasst das In-Kontakt-Bringen des Objekts mit einem asymmetrischen Schaftfräser, der sich um eine Längsachse mit einer vorbestimmten Rate dreht, wobei der Schaftfräser einen Schaftabschnitt und einen Schneideabschnitt umfasst, der sich vom Schaftabschnitt erstreckt. Der Schneideabschnitt des Schaftfräsers umfasst eine Vielzahl von ungleich indexierten Klingen, die durch Spannuten entlang einer axialen Schnittlänge getrennt sind, wobei sich die Klingen auf eine Schneidendfläche des Schaftfräsers erstrecken, wobei mindestens eine der Spannuten von ungleicher Länge ist und der asymmetrische Schaftfräser ein Ungleichgewicht von 2,0 gmm oder weniger aufweist. In einigen Fällen beträgt die vorbestimmte Rate mindestens 18000 Umdrehungen pro Minute (rpm) oder mindestens 25000 rpm.
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt werden hier Verfahren zur Herstellung eines asymmetrischen Schaftfräsers beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung eines asymmetrischen Schaftfräsers umfasst die Bildung eines Schneideabschnitts des Schaftfräsers durch die Bereitstellung eines Rohlings und die mechanische Bearbeitung des Rohlings, um eine Vielzahl von ungleich indexierten Klingen bereitzustellen, die durch Spannuten entlang einer axialen Schnittlänge getrennt sind. Der Schneideabschnitt wird durch die Einstellung der Länge von einer oder von mehreren Spannuten ausgeglichen, wobei mindestens eine der Spannuten von ungleicher Länge ist. Der Rohling wird weiter mechanisch bearbeitet, um eine Schneidendfläche bereitzustellen, wobei sich die ungleich indexierten Klingen auf die Schneidendfläche erstrecken. Der Schneideabschnitt wird dann durch die Einstellung von einem oder von mehreren Lückenwinkel(n) neu ausgeglichen. In einigen Ausführungsbeispielen weist der Schneideabschnitt ein Ungleichgewicht von weniger als etwa 2,0 gmm nach der Einstellung der Länge von einer oder von mehreren der Spannuten auf. Außerdem kann der Schneideabschnitt ein Ungleichgewicht von weniger als 2,0 gmm nach der Einstellung von einem oder von mehreren der Lückenwinkel aufweisen. In einigen Ausführungsbeispielen wird der neu ausgeglichene Schneideabschnitt in der Folge mit einem Schaftabschnitt gekoppelt, um weiter die Konstruktion des asymmetrischen Schaftfräsers zu vervollständigen. In weiteren Ausführungsbeispielen weist der Rohlingsabschnitt einen Schaftabschnitt auf, der mit dem Schneidabschnitt kontinuierlich ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A bis 1C veranschaulichen mehrere Aufrissansichten eines asymmetrischen festen Schaftfräsers gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie hier beschrieben.
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2 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines asymmetrischen festen Schaftfräsers gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie hier beschrieben.
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3 veranschaulicht eine schematische Endansicht eines asymmetrischen festen Schaftfräsers gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie hier beschrieben.
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Detaillierte Beschreibung
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Ausführungsbeispiele, wie hier beschrieben, werden leichter durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und Beispiele und ihre vorausgehenden und nachfolgenden Beschreibungen verstanden. Elemente und Geräte, die hier beschrieben werden, sind jedoch nicht auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt, die in der detaillierten Beschreibung angegeben werden. Es sollte davon ausgegangen werden, dass diese Ausführungsbeispiele die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen sind für Fachleute leicht ersichtlich, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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I. Asymmetrische Schaftfräser
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Nun unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird ein asymmetrischer Schaftfräser im Allgemeinen mit Bezugszeichen 10 bezeichnet, gemäß einem Ausführungsbeispiel, wie hier beschrieben, veranschaulicht. Wie in 1 und 2 angegeben, umfasst der Schaftfräser (10) einen Schaftabschnitt (20), der sich entlang einer Längsachse (A-A) des Schaftfräsers (10) erstreckt, und einen Schneideabschnitt (30), der sich vom Schaftabschnitt (20) erstreckt. Der Schneideabschnitt (30) umfasst eine Vielzahl von ungleich indexierten Klingen (32), die durch Spannuten (34) entlang einer axialen Schnittlänge (LC) getrennt sind, wobei sich die Klingen (32) auf eine Schneidendfläche (36) des Schaftfräsers (10) erstrecken. Mindestens eine der Spannuten (34) ist von ungleicher Länge mit Bezug auf die verbleibenden Spannuten. Der Schaftfräser (10) weist ein Ungleichgewicht von 2,0 gmm oder weniger auf.
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Der Schneideabschnitt (30) kann jede Anzahl von Klingen (32) und Spannuten (34) in jeder Form oder Konfiguration aufweisen, die nicht mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. Zum Beispiel kann der Schneideabschnitt (30) mindestens drei Spannuten (34), wie in 1 und 2 veranschaulicht, oder mindestens vier Spannuten (34) Aufweisen. Die Klingen (32) sind in einem oder mehreren Steigungswinkeln von der Längsachse (A-A) entlang der axialen Schnittlänge (LC) angeordnet. In derartigen Ausführungsbeispielen kann der Steigungswinkel von einer oder von mehreren Klingen (32) entlang der axialen Schnittlänge (LC) variieren. Alternativ bleibt der Steigungswinkel von einer oder von mehreren Klingen (32) entlang der axialen Länge Schnittlänge (LC) konstant.
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3 veranschaulicht eine ungleiche Klingenindexierung, die von einer ungleichmäßigen Spannuten-Beabstandung erzeugt wird. Wie in 3 veranschaulicht, sind die Indexwinkel (θ1, θ2, θ3) von ungleichem Wert zwischen den Klingen (32) angeordnet. Die Indexwinkel können individuell oder gemeinsam eingestellt werden, um die Oberschwingungsfrequenzen zu durchbrechen, die während des Schneidevorgangs zu Flattern führen können. In einigen Ausführungsbeispielen können zwei oder mehrere Indexwinkel einen gleichen Wert aufweisen. Zum Beispiel können gegenüberliegende Indexwinkel in einer Konfiguration mit vier Spannuten gleich sein, während benachbarte Indexwinkel ungleich sind.
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Wie hier beschrieben, ist mindestens eine der Spannuten (34) von ungleicher Länge. Eine Bestimmung, ob eine Spannut (34) von ungleicher Länge ist, kann durch den Vergleich von je zwei individuellen Spannuten (34) des asymmetrischen Schaftfräsers (10) erfolgen. Wenn ein derartiger Vergleich vorgenommen wird, bedeutet die Anwesenheit von je zwei Spannuten (34) mit ungleichen Längen (LF) mit Bezug aufeinander, dass mindestens eine der Spannuten (34) von ungleicher Länge ist. In einigen Ausführungsbeispielen sind alle außer eine der Spannuten (34) von gleicher Länge, wobei eine einzige Spannut (34) eine verschiedene Länge aufweist. In bestimmten anderen Fällen können zwei oder mehrere Spannuten (34) verschiedene Längen (LF) aufweisen. In weiteren Ausführungsbeispielen weisen alle Spannuten (34) ungleiche Längen mit Bezug aufeinander auf. 1A–1C veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel, in dem alle Spannuten-Längen (LF1 LF2 und LF3) ungleich sind. Wie hier weiter erörtert, kann die Länge der individuellen Spannuten (34) variiert werden, um das Ungleichgewicht zu reduzieren, das sich aus der asymmetrischen Gestaltung des Schaftfräsers (10) ergibt.
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Asymmetrische Schaftfräser (10) können weiter zusätzliche Komponenten, Elemente, Strukturen oder Konfigurationen umfassen, die nicht mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung unvereinbar sind. Zum Beispiel kann, wie in 2 veranschaulicht, eine hintere Kante einer Klinge (32), die von einer Spannut (34) gebildet wird, eine Lücke (35) aufweisen, die einen Lückenwinkel ΦG1 mit einer benachbarten vorderen Kante einer Klinge (32) bildet. (Ein) Lückenwinkel kann/können jeden Wert aufweisen, der nicht mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. Wie hier weiter erörtert, kann/können ein oder mehrere Lückenwinkel variiert werden, um das Ungleichgewicht zu reduzieren, das sich aus der asymmetrischen Gestaltung des Schaftfräsers (10) ergibt.
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Asymmetrische Schaftfräser, wie hier beschrieben, weisen ein Ungleichgewicht von 2,0 gmm oder weniger auf. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Ausdruck „Ungleichgewicht” auf ein statisches Ungleichgewicht. „Statisches Ungleichgewicht” gibt an, dass das Massezentrum eines Schaftfräsers nicht auf der Rotationsachse oder Längsachse (A-A) liegt und in der Menge der Masse oder des Gewichts an einer bestimmten Länge gemessen wird, die radial von der Längsachse (A-A) entfernt ist, die angewendet werden muss, um den Schaftfräser auszugleichen. Das statische Ungleichgewicht kann im Allgemeinen bestimmt werden, indem eine Korrekturmasse einer bestimmten Größe in eine Position gebracht wird, in der sie dem Ungleichgewicht in einem Rotor oder einem Schaftfräser entgegenwirkt, und die sich ergebende Phase und Größe der Lagervibration während der Drehung des Schaftfräsers gemessen wird. In einigen Ausführungsbeispielen weisen Schaftfräser, wie hier beschrieben, ein Ungleichgewicht von 1,0 gmm oder weniger auf. In einigen Ausführungsbeispielen weisen Schaftfräser, wie hier beschrieben, ein Ungleichgewicht von 1,0 bis 2,0 gmm oder 0,5 bis 1,0 gmm auf. Es ist wichtig, dass das Gleichgewicht des asymmetrischen Schaftfräsers durch die funktionelle Schneidegeometrie des Schaftfräsers bereitgestellt werden kann. Zum Beispiel kann die ungleiche Spannutenlänge, wie hier erörtert, bei der Reduzierung des Ungleichgewichts helfen, das sich aus der asymmetrischen Geometrie des Schaftfräsers ergibt. Außerdem kann die Veränderung des/der Lückenwinkel(s) zusammen mit der ungleichen Spannutlänge verwendet werden, um den asymmetrischen Schaftfräser innerhalb von wünschenswerten Toleranzen auszugleichen. Daher sind in einigen Ausführungsbeispielen nicht funktionelle Kerben, Schliffe oder andere Strukturen nicht erforderlich, um den asymmetrischen Schaftfräser auszugleichen.
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Schaftfräser, wie hier beschrieben, können jedes Material umfassen oder aus jedem Material gebildet sein, das nicht mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. Zum Beispiel können Schaftfräser aus Keramik, Cermet, Karbiden (wie z. B. zementierten Karbiden), Schnelldrehstahl, kubischem Bornitrid, polykristallinem Diamant und Kombinationen daraus gebildet sein. Außerdem können Schaftfräser, wie hier beschrieben, aus jeder Anzahl von Komponenten oder Unterkomponenten konstruiert oder gebildet sein, die nicht mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung unvereinbar sind. Zum Beispiel kann der Schneideabschnitt (30) des Schaftfräsers (10) im Ausführungsbeispiel von 1 eine monolithische Konfiguration oder Struktur sein. Alternativ kann der Schneideabschnitt (30) zahlreiche Abschnitte umfassen oder aus diesen gebildet sein, die durch eine oder durch mehrere permanente oder nicht permanente mechanische oder chemische Verbindung(en), wie z. B. durch Hartlöten, aneinander befestigt oder gekoppelt sind. Weiter kann der Schneideabschnitt (30) monolithisch oder einstückig mit dem Schaftabschnitt (20) gebildet oder konstruiert sein. In anderen Fällen ist der Schneideabschnitt (30) mit dem Schaftabschnitt durch eine oder durch mehrere permanente oder nicht permanente mechanische oder chemische Verbindung(en) befestigt oder gekoppelt, wie z. B. durch Hartlöten des Schneideabschnitts an den Schaftabschnitt (20). In einigen Ausführungsbeispielen sind der Schaftabschnitt (20) und der Schneideabschnitt (30) aus im Wesentlichen dem gleichen Material gebildet. In bestimmten anderen Ausführungsbeispielen sind der Schaftabschnitt (20) und der Schneideabschnitt (30) aus verschiedenen Materialien gebildet.
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II. Verfahren zur Bearbeitung eines Objekts
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt werden hier Verfahren zur Bearbeitung eines Objekts beschrieben. Verfahren zur Bearbeitung eines Objekts umfassen das In-Kontakt-Bringen des Objekts mit einem asymmetrischen Schaftfräser, der sich um eine Längsachse mit einer vorbestimmten Rate dreht, wobei der Schaftfräser einen Schaftabschnitt und einen Schneideabschnitt umfasst, der sich vom Schaftabschnitt erstreckt. Der Schneideabschnitt umfasst eine Vielzahl von ungleich indexierten Klingen, die durch Spannuten entlang einer axialen Schnittlänge getrennt sind, wobei sich die Klingen auf eine Schneidefläche des Schaftfräsers erstrecken, wobei mindestens eine der Spannuten von ungleicher Länge ist und der asymmetrische Schaftfräser ein Ungleichgewicht von 2,0 gmm oder weniger aufweist. Der Schaftfräser kann sich mit jeder vorbestimmten Rate drehen, die nicht mit den Aufgaben der vorliegenden Erfindung unvereinbar ist. In einigen Fällen ist die vorbestimmte Rate für Hochgeschwindigkeits-Schneidevorgänge entworfen. In derartigen Ausführungsbeispielen kann die vorbestimmte Rate mindestens 18000 rpm, mindestens 25000 rpm oder mindestens 30000 rpm betragen. Außerdem können Schaftfräser zur Verwendung in Verfahren zur Bearbeitung eines Objekts jede Architektur, jede Gestaltung und/oder Eigenschaft aufweisen, die hier in Abschnitt I angegeben sind.
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III. Verfahren zur Herstellung eines asymmetrischen Schaftfräsers
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Unter einem weiteren Gesichtspunkt werden hier Verfahren zur Herstellung eines asymmetrischen Schaftfräsers beschrieben. Ein Verfahren zur Herstellung eines asymmetrischen Schaftfräsers umfasst die Bildung eines Schneideabschnitts des Schaftfräsers durch die Bereitstellung eines Rohlings und die mechanische Bearbeitung des Rohlings, um eine Vielzahl von ungleich indexierten Klingen bereitzustellen, die durch Spannuten entlang einer axialen Schnittlänge getrennt sind. Der Schneideabschnitt wird durch die Einstellung der Länge von einer oder von mehreren Spannuten ausgeglichen, wobei mindestens eine der Spannuten von ungleicher Länge ist. Der Rohling wird weiter mechanisch bearbeitet, um eine Schneidendfläche bereitzustellen, wobei sich die ungleich indexierten Klingen auf die Schneidendfläche erstrecken. Der Schneideabschnitt wird dann durch die Einstellung von einem oder von mehreren Lückenwinkel(n) neu ausgeglichen. In einigen Ausführungsbeispielen weist der Schneideabschnitt ein Ungleichgewicht von weniger als ungefähr 2,0 gmm oder weniger als ungefähr 1,0 gmm nach der Einstellung der Länge von einer oder von mehreren der Spannuten auf. Außerdem kann der Schneideabschnitt ein Ungleichgewicht von weniger als ungefähr 2,0 gmm oder weniger als ungefähr 1,0 gmm nach der Einstellung von einem oder von mehreren der Lückenwinkel aufweisen.
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Das Ausgleichen oder das erneute Ausgleichen des Schneideabschnitts des Schaftfräsers erfolgt in einigen Ausführungsbeispielen in Abwesenheit von dem oder ohne Bezugnahme auf den Schaftabschnitt des Schaftfräsers. In einigen Ausführungsbeispielen wird z. B. der neu ausgeglichene Schneideabschnitt in der Folge mit einem Schaftabschnitt gekoppelt, um weiter die Konstruktion des asymmetrischen Schaftfräsers zu vervollständigen. In weiteren Ausführungsbeispielen weist der Rohlingsabschnitt einen Schaftabschnitt auf, der mit dem Schneideabschnitt kontinuierlich ist.
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In einigen Ausführungsbeispielen werden die Computermodelltechniken in Verfahren angewendet, die hier beschrieben werden, um die Gestaltung der Schneidegeometrie des asymmetrischen Schaftfräsers zu unterstützen, darin eingeschlossen die Spannutenlängen- und die Lückenwinkel-Parameter, um ein Gleichgewicht innerhalb der gewünschten Toleranzen zu erzielen. Bei der Verwendung der Computermodellbildung können die Spannutlängen- und Lückenwinkel-Einstellungen simuliert werden, um die endgültige Schneidegeometrie zu erzielen, die dem asymmetrischen Schaftfräser das gewünschte Gleichgewicht bereitstellt. Zum Beispiel kann der Schneideabschnitt durch die Simulierung von einer oder von mehreren Einstellungen der Spannutlänge ausgeglichen werden. Der Schneideabschnitt wird dann durch die Simulierung von einer oder von mehreren Änderungen am/an den Lückenwinkel(n) neu ausgeglichen. Derartige Simulationen schließen in einigen Ausführungsbeispielen den Schaftabschnitt des Schaftfräsers aus. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Simulationen den Schaftabschnitt einschließen. Nach der Beendigung durch die Simulation kann die Schneidegeometrie durch mechanische Bearbeitung auf einen Rohling angewendet werden.
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Verfahren zur Herstellung eines asymmetrischen Schaftfräsers, wie hier beschrieben, können verwendet werden, um jeden Schaftfräser zu bilden, der mit der oben angegebenen Beschreibung in Abschnitt I der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt. Außerdem können Einstellungen an einzelnen Komponenten, Elementen oder Abschnitten eines asymmetrischen Schaftfräsers, wie hier beschrieben, durchgeführt werden, um ein(en) oder mehrere gewünschte Ergebnisse, Parameter oder Konfigurationen zu erzielen, die mit der oben angegebenen Beschreibung in Abschnitt I der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen.
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Der Rohling, der in Verfahren zur Herstellung eines asymmetrischen Schaftfräsers, wie hier beschrieben, verwendet wird, kann jede Konfiguration aufweisen oder aus jedem Material hergestellt sein, die/das mit der oben angegebenen Beschreibung von asymmetrischen Schaftfräsern in Abschnitt I der vorliegenden Offenbarung übereinstimmt. Zum Beispiel umfasst, in einigen Fällen der Rohling einen Schaftabschnitt. In bestimmten anderen Fällen weist der Rohling keinen Schaftabschnitt auf, und der neu ausgeglichene Schneideabschnitt ist mit dem Schaftabschnitt durch eine oder durch mehrere permanente oder nicht permanente mechanische oder chemische Verbindung(en), wie z. B. Hartlöten, gekoppelt. Der Schaftabschnitt und der Schneideabschnitt können aus im Wesentlichen dem gleichen Material gebildet sein. Alternativ sind der Schaftabschnitt und der Schneideabschnitt aus verschiedenen Materialien gebildet.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden zur Lösung der verschiedenen Aufgaben der Erfindung beschrieben. Es sollte davon ausgegangen werden, dass diese Ausführungsbeispiele die Prinzipien der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen davon sind für Fachleute leicht ersichtlich, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
