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Die Erfindung betrifft ein spanabhebendes Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide, wie z. B. ein Bohr- oder Fräswerkzeug, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft insbesondere ein spanabhebendes Werkzeug, wie z. B. ein Bohr- oder Fräswerkzeug, das für die Bearbeitung hochfester und zäher, also schwer zerspanbarer Werkstoffe, wie z. B. von korrosions- und temperaturbeständigen Nickelbasislegierungen, wie z. B. eine Legierung mit der deutschen Werkstoffnummer 2.4668, speziell zugeschnitten ist.
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Die Standzeit eines Schneidwerkzeugs wird allgemein durch den Werkzeugschneidenverschleiß bestimmt, der bei der Zerspanung aus den Verschleißmechanismen Abrasion, Adhäsion, Oberflächenzerrüttung und tribochemische Reaktion resultiert. Insbesondere bei der Bearbeitung von hochfesten korrosions- und temperaturbeständigen Nickelbasislegierungen unterliegen die Werkzeuge hohen thermomechanischen Belastungen und daraus resultierendem starken Verschleiß, was auf die Eigenschaften entsprechender Legierungen zurückzuführen ist. Unter anderem weisen diese eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass der Werkstückwerkstoff, d. h. das Werkstück und die entstehenden Späne nur bedingt für die Abfuhr der beim Zerspanungsprozess erzeugten Wärme herangezogen werden kann. Dies stellt sich insbesondere beim Bohren als Problem dar, weil hier geometrisch bestimmte Schneiden zum Einsatz kommen, die zum Einen tief innerhalb eines Werkstücks im Einsatz sind und zum Anderen über einen langen Bohrweg hinweg so stabil bleiben müssen, dass relativ enge Form- und Oberflächentoleranzen eingehalten werden.
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Es ist grundsätzlich bekannt, bei Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide die Einsatzdauer des Werkzeugs bis zum Erreichen der kritischen Verschleißmarke dadurch zu verlängern, dass die Freifläche in einem vorbestimmten Abstand von der Schneidkante mit einem Rücksprung versehen wurde. Dieser Ansatz ist in den Dokumenten
DE-PS 877 531 ,
DE 43 19 505 A1 oder
DE 10 2006 020 613 A1 beschrieben und in der Dissertation
„Neue Schneidengeometrien zur Verbesserung des Werkzeugeinsatzverhaltens beim Hartdrehen" (Autor: M. Sc. Dipl.-Ing. (FH) Roland Meyer; Fakultät für Maschinenbau der Gottfried Wilhelm Leibnitz Universität Hannover, 2011) wissenschaftlich untersucht.
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Es konnte gezeigt werden, dass dieser Ansatz auch bei Bohrwerkzeugen grundsätzlich erfolgversprechend anwendbar ist. Ergebnisse von Standzeitversuchen mit innengekühlten Vollhartmetall(VHM)-Bohrwerkzeugen sind in dem Aufsatz „Drilling of Inconel 718 with Geometry-modified Twist Drills" (veröffentlicht in Procedia CIRP 24 (2014), Seiten 49 bis 55; mit den Autoren Nicolas Beer, Ekrem Özkaya und Dirk Biermann) beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Einbringung einer im geringen Parallelabstand zur Hauptschneide verlaufenden flachen Nut in die Haupt-Freifläche eine Verbesserung der Standzeit und der Arbeitsgenauigkeit des Bohrwerkzeugs erzielt werden konnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße spanabhebende Werkzeug, wie z. B. ein gattungsbildendes Bohr- oder Fräswerkzeug derart weiterzubilden, dass es sich unter Beibehaltung der Bearbeitungsgenauigkeit durch eine weiter verbesserte Standzeit auszeichnet bzw. bei vorgegebenem Standweg mit verbesserter Produktivität eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine in die Freifläche eingebrachte Struktur geringer Tiefenerstreckung dazu herangezogen, dem in diesem Bereich vorhandenen KSS eine gezielte Strömungsrichtung zu geben und somit die KSS-Strömung derart zu beeinflussen, dass eine Art Zwangsströmung aufgebaut und der KSS zumindest in Richtung eines hochbelasteten Bereiches der Werkzeugschneide gelenkt wird.
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Während also bislang der KSS mehr oder weniger unkontrolliert in den Bereich der Hauptschneide gelangt ist, wird erfindungsgemäß durch eine besondere geometrische Gestaltung und Führung der in die Haupt-Freifläche eingebrachten Struktur, eine Zwangsströmung für den KSS erzeugt. Somit gelingt es, mit minimalem Eingriff in die Anschliff-Geometrie des Werkzeugs, auch bei gleichbleibendem Gesamtvolumenstrom des durch die innenliegenden KSS-Kanäle zugeführten KSS, die hochbelasteten Bereiche der Schneide, wie z. B. der Hauptschneide eines Bohrwerkzeugs oder der Stirnschneide eines Fräswerkzeugs, wirksamer zu kühlen, indem ein unkontrolliertes Ausströmen von KSS weitgehend eingedämmt wird. Als KSS können dabei alle gängigen Kühlschmierstoffe Anwendung finden, einschließlich aller Emulsionen und Öle, aber auch KSS für die Minimalmengenschmierung und für die kryogene Prozesskühlung mit z. B. LN2 oder CO2. Die Erfindung ist grundsätzlich für alle bekannten Werkstück- und Werkzeug-Werkstoffe anwendbar. Sie führt jedoch dann zu besonders großen Vorteilen, wenn es darum geht, schwer zerspanbare Werkstoffe wirtschaftlich zu bearbeiten.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung kann bei verschiedensten Zerspanungswerkzeugen, insbesondere bei allen drehangetriebenen Zerspanungswerkzeugen wie z. B. Fräswerkzeugen, Reibwerkzeugen oder Gewindeschneidwerkzeugen, Anwendung finden. Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Gestaltung der Freifläche dann besonders wirksam zur Verbesserung des Standwegs eingesetzt werden kann, wenn das Werkzeug als Bohrwerkzeug mit innenliegendem Kanalsystem für die KSS-Versorgung und mit einem Spitzenanschliff mit Hauptschneide, Nebenschneide, Führungsfase, Haupt und Nebenfreifläche und Schneidenecke ausgeführt ist.
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Wenn die zumindest eine Struktur in der Weise in die Freifläche eingebracht ist, dass sie sich auch bis in der Freifläche angrenzende Werkzeugflächen, wie z. B. – bei der Ausgestaltung als Bohrwerkzeug – der Führungsfase, Nebenfreifläche/Rücken oder der Ausspitzung, erstreckt, wird der in die hochbeanspruchten Bereiche der Schneidkante geführten Zwangsströmung ein Ablauf zugeordnet, mit dem die KSS-Strömung zusätzlich beeinflussbar ist. Der die KSS-Strömung stabilisierende Ablauf kann variabel gestaltet bzw. angeordnet sein. Die Auswahl wird dabei in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Prozessbedingungen, wie Werkstoffpaarung, Schnittgeschwindigkeit, Art des Anschliffs und des KSS, Strömungsgeschwindigkeit des KSS, getroffen. Die jeweils optimale Form kann auch empirisch bzw. rechnerisch bestimmt werden.
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Wenn eine oder mehrere Strukturen innerhalb der Freifläche im Bereich zwischen dem Kühlkanalaustritt und der Werkzeugschneide, insbesondere der Hauptschneide liegen und ganz oder abschnittsweise über diese Strecke ausgeführt sind, kann ein relativ großer Bereich auf der Stirnfläche des Werkzeugs zur Steuerung der KSS-Strömung herangezogen werden.
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Wenn eine oder mehrere Strukturen innerhalb der betreffenden Freifläche, wie z. B. der Hauptfreifläche eines Bohrwerkzeugs oder der Freifläche der Stirnschneide eines Fräswerkzeugs, ganz oder abschnittsweise der Werkzeugschneide, insbesondere der Hauptschneide bzw. Stirnschneide, mit konstantem oder variablen Abstand folgen, ergeben sich zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Standzeitverbesserung der Hauptschneide, insbesondere dann, dass der Abstand im Bereich von 50 bis 300 μm, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 150 μm liegt.
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Wenn, gemäß Anspruch 8, mehrere Strukturen (50A bis 50E) in Kombination genutzt oder zu einer Struktur zusammengeführt sind, lassen sich KSS-Strömungsmuster in besonders vorteilhafter Weise überlagern.
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Es hat sich gezeigt, dass es bereits mit extrem flachen Strukturen gemäß Anspruch 9 gelingt, die KSS-Strömung hin zu besonders beanspruchten Bereichen der betreffenden Schneide stabil auszubilden und zu stabilisieren.
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Die Struktur bzw. die Vertiefung in der Freifläche kann hinsichtlich ihrer Abmessungen in weiten Grenzen variiert werden. Es ist auch nicht erforderlich, dass die Vertiefung im gesamten Bereich ihrer Struktur eine gleichmäßige Tiefe hat. Vielmehr kann sie reliefartig ausgestaltet sein, wobei die Tiefe der Vertiefung variabel ist, um auf diese Weise steuernd auf die KSS-Strömung Einfluss zu nehmen. Es hat sich gezeigt, dass bereits Tiefen-Abmessungen gemäß Anspruch 9 im Bereich zwischen 20 und 350 μm ausreichend sind, um eine ausreichend stabile und wirksame KSS-Strömung mit einem ausreichend positiven Einfluss auf die Kühlung hochbeanspruchter Werkzeugbereiche aufzubauen und zu stabilisieren, um so die Standzeit des Werkzeugs wirksam anzuheben. Strukturen mit derartigen kleinen Tiefenabmessungen sind besonders wirtschaftlich herstellbar und schwächen das Werkzeug nicht spürbar.
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Die Ausbildung gemäß Anspruch 10 hat den Vorteil, dass nur ein minimaler Eingriff in die betreffende Freifläche des Werkzeugs erforderlich ist.
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Wenn die Struktur in der Ausgestaltung als Vertiefung in der Freifläche eines Bohrwerkzeugs so ausgebildet ist, dass sie – gemäß Anspruch 12 – für die Zwangsströmung zumindest im Bereich eines radial außenliegenden Abschnitts der Vertiefung einen Strömungsablauf bildet, kann die Zwangsströmung zusätzlich stabilisiert werden, wobei sich der weitere Vorteil ergibt, dass die Schneidenecke zwischen Haupt- und Nebenschneide eines Bohrwerkzeugs bzw. zwischen Stirn- und Umfangsschneide eines Fräswerkzeugs noch wirksamer in die Kühlung einbezogen wird.
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Alternativen für einen Ablauf der Zwangsströmung sind Gegenstand der Ansprüche 13 und 14.
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Mit der Weiterbildung des Anspruchs 15 gelingt es, mit einem weiteren minimalen Eingriff in die Freifläche auf die KSS-Zwangsströmung Einfluss zu nehmen. Auch die Stickkanalnut kann hinsichtlich ihrer Breite und Tiefe in weiten Grenzen variieren, wobei sich gezeigt hat, dass schon Tiefenerstreckungen im Bereich von 20 bis 350 μm ausreichend sind, um steuernd auf die zur Schneide und entlang der Schneide gerichtete Zwangsströmung Einfluss zu nehmen.
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Wenn – gemäß Anspruch 16 – die von der Mündungsöffnung ausgehende Stichkanalnut im Wesentlichen radial zum Zentrum des als Bohrer ausgebildeten Zerspanungswerkzeugs verläuft, kann die in diesem Bereich besonders niedrige Schnittgeschwindigkeit zur Versorgung der erfindungsgemäßen KSS-Zwangsströmung ausgenutzt werden.
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Wenn – gemäß Anspruch 17 – mehrere Stichkanalnuten vorgesehen sind, die im Wesentlichen sternförmig von der Mündungsöffnung ausgehend zur flachen Nut geführt sind, kann die zu den besonders hoch beanspruchten Abschnitten des Werkzeugs gerichtete KSS-Strömung zusätzlich gespeist werden. In diesem Fall ist es von Vorteil, die Stichkanalnuten geometrisch, d. h. hinsichtlich Breite, Tiefe und Richtung so aufeinander abzustimmen, dass sich die Teil-Strömungen wirksam an den entscheidenden Stellen ergänzen.
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Einen Grenzfall der Variante gemäß Anspruch 17 stellt die Weiterbildung des Anspruchs 18 dar. Die Vertiefung in der Ausgestaltung als flächiger, kreissegmentartiger Abtrag der Freifläche kann bei geeignet gewähltem Tiefenrelief wirksam zur Ausbildung einer KSS-Zwangsströmung herangezogen werden.
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Wie oben bereits angesprochen, hat sich gezeigt, dass bereits Abtragungsmuster in der Freifläche mit sehr geringer Tiefe, die unter einem 1/10-tel mm liegen, genügen, um die der Kühlung besonders hoch belasteter Bereiche der Schneide deutlich zu verbessern und die Standzeit des spanabhebenden Werkzeugs, insbesondere des Bohr- oder Fräswerkzeugs bzw. dessen Einsatz-Produktivität anzuheben. Solche Abtragungen lassen sich besonders exakt, einfach und wirtschaftlich mit einer Laserbearbeitung gemäß Anspruch 19 erzeugen. Der besondere Vorteil liegt darin, dass jedes Material schnell und exakt bearbeitet werden kann.
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Mit der Weiterbildung des Anspruchs 16 lässt sich die KSS-Strömung zusätzlich steuern, ohne die Fläche der flachen Vertiefung in der Freifläche vergrößern zu müssen.
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Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 15 schematische, perspektivische Draufsichten auf Bohrwerkzeuge, deren Freifläche jeweils mit einer erfindungsgemäßen Struktur zur Beeinflussung der KSS-Strömung ausgestattet ist;
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16 eine vergrößerte Schnittansicht gemäß „XVI–XVI” in 15;
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17 in vergrößerter Darstellung die Einzelheit „XVII” in 16;
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18 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs in der Ausgestaltung als Fräswerkzeug; und
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19 eine der 18 entsprechende Ansicht einer Variante des Fräswerkzeugs gemäß 18.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von beispielhaften Ausführungsformen beschrieben, bei denen das Zerspanungswerkzeug von einem Bohrwerkzeug gebildet ist. Es ist jedoch hervorzuheben, dass das erfindungsgemäße Konzept der Freiflächengestaltung gleichermaßen bei anderen Zerspanungswerkzeugen, insbesondere drehangetriebenen Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide, wie z. B. Fräs-, Reib- oder Gewindeschneidwerkzeugen, vorteilhaft angewendet werden kann, indem die der Werkzeugschneide zugeordnete Freifläche wie in den Patentansprüchen umschrieben gestaltet und zur Beeinflussung der KSS-Strömung genutzt wird.
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In den 1 bis 15 ist jeweils mit dem Bezugszeichen 20 ein zweinutiger Wendelbohrer mit innenliegenden Kühlkanälen 22 dargestellt, die punktsymmetrisch zur Bohrerachse 24 in den Bohrerstegen 26 liegen und in die jeweiligen Freiflächen 28 münden. Mit 38 ist die Außenoberfläche der Nebenschneidenfase bezeichnet und mit 40 die Nebenfreifläche des Bohrwerkzeugs. Eine strichpunktierte Linie deutet den Nenndurchmesser des Bohrwerkzeugs bzw. die Bohrung an.
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Die Spannuten sind mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet. Die Kontur der Mündungsöffnung 22M der Kühlkanäle 22, die sich aus dem Kühlkanalquerschnitt und der Lage und Form der Sekundär-Freifläche 38-2 ergibt, gleicht bei der gezeigten Ausführungsform einem Oval. Sowohl der Querschnitt des Kühlkanals als auch die Gestaltung des Anschliffs sollen jedoch keineswegs auf eine derartige Ausführung beschränkt sein.
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Die gezeigten Werkzeuge haben einen besonderen Spitzenanschliff in der Ausgestaltung als Kreuzanschliff mit zwei hintereinander liegenden Haupt-Freiflächen, einer den Darstellungen in den 16 und 17 entnehmbaren Primär-Freifläche 28-1 (mit einem Freiwinkel α1) und einer Sekundär-Freifläche 28-2 (mit einem größeren Freiwinkel α2), und einer sich daran anschließenden Ausspitzung 32, so dass eine Querschneide durch die Sekundär-Freifläche 28-2 und die Ausspitzung 32 auf eine minimale Länge reduziert ist. Somit erstreckt sich die Hauptschneide 30 von einer Schneidenecke 36 ausgehend über einen konkav ausgebildeten Schneidenabschnitt 30-1 im Bereich der Spannut über einen konvex verlaufenden Schneiden-Zentrumsabschnitt 30-2 bis weit in den Bohrerkern hinein. Es soll jedoch bereits an dieser Stelle hervorgehoben werden, dass die Erfindung auf jedes Bohrwerkzeug mit jedwedem Anschliff anwendbar ist.
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Das schematisch dargestellte Bohrwerkzeug besteht beispielsweise aus einem Hartstoff, wie Vollhartmetall (VHM) oder einem Cermet-Werkstoff. Es kann aber auch aus jedem anderen Werkstoff, wie einem HSS- oder HSSE-Werkstoff bestehen, der die jeweils erforderliche Standzeit garantiert. Vorzugsweise ist der Werkstoff so gewählt, dass er sich für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe, wie z. B, von korrosions- und temperaturbeständigen Nickelbasislegierungen, eignet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Einsatzgebiet beschränkt.
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Die Besonderheit des Bohrwerkzeugs ist darin zu sehen, dass die Freifläche mit einer besonderen, eigearbeiteten Struktur ausgestattet ist, die in den Figuren grau hinterlegt ist. Aus Gründen der Vereinfachung ist die erfindungsgemäße Gestaltung der Freifläche nur im Bereich eines Bohrerstegs dargestellt und beschrieben. Selbstverständlich sind die beiden Bohrerstege punktsymmetrisch zur Bohrerachse 24 bearbeitet bzw. angeschliffen.
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Die Figuren zeigen, dass innerhalb der Freifläche 28-1, 28-2 des Bohrwerkzeuges eine Struktur 50 beliebiger Tiefe und Breite liegt, welche in der Form ausgebildet ist, dass durch sie die KSS-Strömung beeinflussbar und der KSS – wie durch die Pfeile 60 angedeutet – zumindest in Richtung eines hochbelasteten Bereiches BS der Werkzeugschneide 30 lenkbar ist. Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist die Struktur 50 von einer ovalformigen flachen Vertiefung gebildet, die sich in Richtung der Schneidenecke 36 erstreckt. Die Tiefe T50 liegt – wie schematisch in 16 und 17 gezeigt, auf die bereits jetzt Bezug genommen wird und die beispielhaft für alle gezeigten Ausführungsformen die Lage und die Abmessungen der in die Haupt-Freifläche 28 eingearbeiteten Struktur 50 näher zeigen – im Bereich von 20 bis 350 μm. Mit der Struktur 50 wird somit die KSS-Strömung – wie mit dem Pfeil 60 angedeutet in Richtung Schneidenecke 36 gelenkt.
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Die Struktur 50 wird beispielsweise durch Laserbearbeitung in die Haupt-Freifläche 28 eingearbeitet, sie kann jedoch auch auf jede andere bekannte Art und Weise eingebracht, beispielsweise eingeschliffen werden. Die Tiefe T50 kann auch über die Länge der Nut 50 variabel gehalten sein
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Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß 2 sind drei Strukturen 50A, 50B, 50C innerhalb der Freifläche so angeordnet, dass sie im Bereich zwischen dem Kühlkanalaustritt 22M und der Hauptschneide 30 liegen. Abweichend von der Ausführungsform nach 1 erstrecken sie sich nicht nur abschnittsweise, sondern ganz über diese Strecke. Die gerichteten KSS-Strömungen, die auch als Zwangsströmungen bezeichnet werden können, sind wieder durch die Pfeile 60 angedeutet.
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Bei dem Bohrwerkzeug gemäß 3 folgen zwei Strukturen 50D und 50E innerhalb der Freifläche 28-1 ganz oder abschnittsweise der Hauptschneide 30 mit konstantem Abstand A. Dieser Abstand A kann aber auch variabel gehalten sein. Der Abstand A liegt bei der gezeigten Ausführungsform im Bereich von 50 bis 300 μm, vorzugsweise im Bereich von 100 bis 150 μm. Bei dieser Ausführungsform werden also mehrere Strukturen 50 und 50E in Kombination genutzt.
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Die Ausführungsform gemäß 4 hat die Besonderheit, dass jeweils mehrere Strukturen, d. h. die Struktur 50 der 1 und die Struktur 50E der 3 bzw. die Struktur 508 der 2 und die Struktur 50D der 3 zu einer Struktur 50G bzw. 50F zusammengeführt sind.
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Die Strukturen im Bohrwerkzeug gemäß 5 sind ähnlich wie bei dem Bohrwerkzeug nach 4 ausgebildet. Allerdings ist die mit 50G* bezeichnete Struktur in der Weise in die Freifläche 28-1, 28-2 eingebracht, dass sie sich auch bis zur Nebenfreifläche bzw. bis zum Rücken 40 erstreckt, wodurch die gerichtete KSS-Strömung einen Ablauf erhält. Alternativ kann sich die Struktur auch in andere an die Freifläche 28-1, 28-2 angrenzende Werkzeugflächen, wie z. B. zur Führungsfase 38 oder zur Ausspitzung 32, erstrecken.
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Bei der Ausführungsform nach 6 ist eine großflächige Struktur vorgesehen, bei der einige vorstehend beschriebene Strukturen zusammengefasst sind. Auch mit dieser Struktur gelingt es, die KSS-Strömung gesteuert auszurichten. Als zusätzliches Mittel kann in diesem Fall eine reliefartige Gestaltung der Struktur herangezogen werden, d. h. eine Struktur mit zusätzlich eingearbeiteten – nicht dargestellten – Kanälen bzw Furchen.
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Im Folgenden werden anhand der 7 bis 14 weitere Varianten des erfindungsgemäßen Werkzeugs dargestellt, bei denen etwas abgewandelte Strukturen Anwendung finden. Auch bei diesen Ausführungsformen wird die KSS-Strömung wieder gezielt durch eine Struktur in der Freifläche ausgerichtet. Ferner wird die Struktur zum Bestandteil einer Kanalanordnung mit Zwangsströmung.
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Man erkennt bei der Ausführungsform gemäß 7, dass die in die Haupt-Freifläche eingebrachte Struktur als eine sich zumindest abschnittsweise entlang der Hauptschneide 30 erstreckende flache Vertiefung 50 ausgebildet ist. Diese Vertiefung 50 ist darüber hinaus in der Weise ausgebildet ist, dass sie Bestandteil einer Kühl-/Schmiermittelkanalanordnung wird, in der von der Mündungsöffnung 22M austretendes, und unter anderem – wie durch die Pfeile KSS schematisch angedeutet – auch entgegen der Schnittrichtung in Richtung Hauptschneide strömendes Kühl-/Schmiermittel (KSS) in eine mit Pfeilen 60-1 bis 60-4 angedeutete Zwangsströmung gebracht wird, welche zumindest einen ausgewählten, hochbelasteten Bereich der Schneide – hier der mit strichpunktierter Linie angedeutete Bereich BS – erfasst. Bei der Ausführungsform der 1 ist dieser besonders hochbelastete Schneidenbereich BS der Übergang zwischen den Schneidenabschnitten 30-1 und 30-2. Dieser Bereich kann aber von Werkzeug zu Werkzeug in Abhängigkeit von der Anschliffgeometrie und den Prozessparametern verschieden sein.
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Bei der Ausführungsform der 7 ist die Vertiefung 50 von einer flachen Nut gebildet ist, die in der Nähe des Bohrerzentrums beginnt und bis zur Außenoberfläche 38 der Nebenschneidenfase geführt ist, wo sie sich – wie mit dem Pfeil 60-4 angedeutet – zur Nebenfreifläche 40 öffnet. Die Vertiefung 50 ist dementsprechend so ausgebildet, dass sie für die Zwangsströmung 60-1 bis 60-4 zumindest im Bereich eines radial außenliegenden Abschnitts der Vertiefung 50 einen durch den Strömungspfeil 60-4 wiedergegebenen Ablauf bildet.
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Man erkennt am besten aus den Darstellungen der 16 und 17, auf die erneut Bezug genommen wird und die beispielhaft für alle gezeigten Ausführungsformen die Lage und die Abmessungen der in die Haupt-Freifläche 28 eingearbeiteten Vertiefung 50 näher zeigen, dass die Vertiefung nur im Bereich der Primär-Freifläche 28-1 liegt, und zwar mit einem kleinen Abstand A zur Schneidkante 30. Dieser Abstand A sollte ein Maß von 50 μm nicht unterschreiten und vorzugsweise im Bereich zwischen 50 und 350 μm, vorzugsweise im Bereich zwischen 100 bis 200 μm liegen, um die thermische Belastung des Werkzeugs an den ausgewählten Stellen wirksam verringern zu können. Die Breite B50 der die Vertiefung bildenden flachen Nut 50 kann in weiten Grenzen variieren und sie liegt beispielsweise im Bereich zwischen 100 und 500 μm. Die Tiefe T50 der Nut liegt zwischen 30 und 300 μm. Die Tiefe T50 der Nut 50 ist zwar – wie der 10 am besten entnommen werden kann – sehr klein, sie bewegt sich aber gleichzeitig in der Größenordnung des kleinen Spalts 70, der sich beim Bohren zwischen dem Werkstück WS und der Primär-Freifläche 28-1 einstellt, so dass die flache Nut zum wirksamen Aufbau der Zwangsströmung für das KSS herangezogen werden kann.
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Die Nut 50 wird – wie bei den zuvor beschriebenen Varianten – beispielsweise durch Laserbearbeitung in die Haupt-Freifläche 28 eingearbeitet, sie kann jedoch auch auf jede andere bekannte Art und Weise eingebracht, beispielsweise eingeschliffen werden. Die Tiefe T50 kann auch über die Länge der Nut 50 variabel gehalten sein.
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8 zeigt eine Abwandlung der in 7 gezeigten Ausführungsform. Hier entfällt die Vertiefung im Bereich des Bohrerkerns. Stattdessen wird ein Nutabschnitt 50-2, der dem höchstbeanspruchten Schneidenbereich am nächsten kommt, über einen von der Mündungsöffnung 22M ausgehenden Vertiefungsabschnitt 50-1 mit KSS versorgt, so dass die Zwangsströmung 60-1 bis 60-4 stabilisiert wird. Wiederum ist die Vertiefung 50 so ausgebildet, dass sie für die Zwangsströmung 60-1 bis 60-4 im Bereich eines radial außenliegenden Abschnitts der Vertiefung 50 einen durch den Strömungspfeil 60-4 wiedergegebenen Ablauf bildet.
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Die Ausführungsvariante gemäß 9 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 7 nur dadurch, dass die Nut 50 wieder bis in die Nähe des Bohrerzentrums geführt ist, wo sie über einen weiteren Vertiefungsabschnitt 50-3 an die Mündungsöffnung 22M angeschlossen ist.
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Die Variante der 10 entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform der 7, mit der Abweichung, dass die Vertiefung 50 in der Ausgestaltung als flache Nut, die in der Nähe des Bohrerzentrums beginnt, bis zu einer Stelle nahe der Außenoberfläche der Nebenschneidenfase geführt ist, wo sie in einen flachen über die Haupt-Freifläche 38-1 und 38-2 zur Spannut 34 bzw. zur Ausspitzung 32 geführten Kanal 50A übergeht. Folglich ist die Vertiefung 50 erneut so ausgebildet, dass sie für die Zwangsströmung 60-1 bis 60-4 im Bereich eines radial außenliegenden Abschnitts der Vertiefung 50 einen durch den Strömungspfeil 60-4 wiedergegebenen Ablauf in den Kanal 50A bildet Unter Bezug auf die 11 bis 15 werden Varianten beschrieben, die sich zusätzlich zu den bereits beschriebenen Vorteilen durch die Besonderheit auszeichnen, dass die wirksame Kühlung hochbeanspruchter Schneidenbereich mit einem Verschleißschutz kombiniert wird. Bei diesen Varianten wird die Vertiefung 50 zur Hauptschneide 30 hin von einer in einem kleinen Parallelabstand A* zur Hauptschneide 30 verlaufenden Kante VGK begrenzt, so dass sich in vorbestimmtem Abstand zur Schneidkante ein Rücksatz der Freifläche ergibt. Die Vertiefung ist ansonsten wieder in der Weise ausgebildet ist, dass sie das von der Mündungsöffnung 22M austretende KSS in eine entlang der Kante VGK zur Schneidenecke 36 und an dieser vorbei gerichtete Zwangsströmung bringt, die durch die Pfeile 60-1 bis und 60-4 angedeutet ist. Für die Abmessungen der Vertiefung gilt das vorstehend zu den Varianten der 7 bis 10 Gesagte, so dass auf Wiederholungen verzichtet werden kann.
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Bei den Varianten der 11 bis 14 wird der mit dem Pfeil 60-4 angedeutete Strömungsablauf zur Nebenfreifläche 40 geöffnet. Bei der Variante der 15 – ähnlich der Variante nach 10 – erfolgt der Ablauf der KSS-Strömung über einen Vertiefungsabschnitt 50A in der Freifläche 3 zur Spannut 34 bzw. zur Ausspitzung 32.
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Bei den Ausführungsformen nach den 12 und 13 ist die flache Nut 50 an zumindest eine in die Haupt-Freifläche 28-1, 28-2 eingebrachte Stichkanalnut 50-3 bis 50-5 angeschlossen ist, die jeweils von der Mündungsöffnung 22M ausgeht. Dabei kann eine von der Mündungsöffnung 22M ausgehende Stichkanalnut 50-3 im Wesentlichen radial zum Zentrum des Bohrers verlaufen, ähnlich wie bei der Variante der 10.
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Bei der Ausführungsform der 13 sind mehrere Stichkanalnuten 50-3 bis 50-5 im Wesentlichen sternförmig von der Mündungsöffnung 22M ausgehend zur flachen Nut 50 geführt. Die Orientierung und Ausführung der Vertiefungen 50-1 bis 50-5 tragen wieder zum Aufbau und zur Stabilisierung einer mit den Pfeilen 60-1 bis 60-4 angedeuteten Zwangsströmung zu den bzw. entlang der besonders hoch beanspruchten Schneidenbereiche bei.
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Bei der Ausführungsform der 14 wird die Vertiefung – ähnlich wie bei der Variante gemäß 6 – von einem flächigen, kreissegmentartigen Abtrag der Freifläche 28-1, 28-2 gebildet ist, wobei der Abtrag bis zur Außenoberfläche 38 der Führungsfase geführt ist. Allgemein, insbesondere aber bei der Variante der 14, kann auf die Ausbildung und Führung der KSS-Strömung zur Kühlung der hoch beanspruchten Schneidenbereiche zusätzlich dadurch Einfluss genommen werden, dass die flache Vertiefung 50 bzw. Struktur nach Art eines Reliefs mit zumindest bereichsweise variabler Tiefe T50 ausgebildet wird. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Teilströmungen im Bereich der Vertiefung 50 optimal zusammenführen.
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Vorstehend wurde die Erfindung anhand eines B, die denjenigen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen entsprechen, mit identischen Bezugszeichen versehen, denen eine „1” bzw. „2” vorangestellt ist.
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18 zeigt in perspektivischer Ansicht die Spitze eines Fräswerkzeugs 120 mit 4 Stirnschneiden 130 und einer entsprechenden Anzahl von Umfangsschneiden 135. Die Freiflächen der Stirnschneiden 130 sind mit 128-1 und 128-2 bezeichnet. In den Freiflächen 128 sind in Übereinstimmung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen flache Vertiefungen 150 ausgebildet, d. h. eine Vertiefungs-Struktur 150 beliebiger Tiefe und Breite. Über diese Vertiefungen 150, die in ihren Einzelheiten den Ausführungsformen der 1 bis 17 entsprechen können, ist die KSS-Strömung, die sich in diesem Bereich einstellt, gezielt in der Weise beeinflussbar, dass der KSS zumindest in Richtung eines hochbelasteten Bereiches der Werkzeugschneiden 130 bzw. 135 gelenkt wird.
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In der 18 sind den Stirnschneiden 130 unterschiedliche Vertiefungen 150-1, 150-2 und 150-3 zugeordnet, deren Kontur jeweils im Hinblick auf eine optimale Langzeit-Stabilisierung der Schneiden gestaltet ist. Eine unterschiedliche Gestaltung der Vertiefungen bietet sich dann an, wenn Schneiden durch ihre Lage, Form oder Position bezüglich der KSS-Versorgung unterschiedlich belastet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, an allen Schneiden identische Vertiefungen 150 anzubringen.
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Man erkennt, dass die nur schematisch dargestellte Vertiefung 150-1 großflächig – ähnlich der Vertiefung nach 14 – ausgeführt, jedoch auf die Freifläche 128-1 und 128-2 der Stirnschneide 130 beschränkt ist. Demgegenüber erstreckt sich die Vertiefung 150-2 bis in die Spannut 134 hinein. Die Vertiefung 150-3 bezieht – ähnlich wie die Ausführungsformen gemäß 5 bis 14 – auch die Freifläche 138 der Umfangsschneide 135 in die Zwangsströmung des KSS ein.
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Hinsichtlich der Dimensionierung – Form und Tiefenprofil – und Herstellung dieser Vertiefungen 150-1 bis 150-3 wird auf die Ausführungsformen der 1 bis 17 verwiesen.
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Die Ausführungsform gemäß 19 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 18 nur dadurch, dass das Fräswerkzeug 220 mit innenliegenden Kühlkanälen 222 ausgestattet ist. Die Lagebeziehung zwischen der den KSS lenkenden Vertiefung 250-1, 250-2 und 250-3 und dem zugeordneten innenliegenden Kühlkanal kann – je nach Kontur und sonstiger Gestaltung der Vertiefung – unterschiedlich sein. Während die Vertiefung 250-1 die Mündung des Kühlkanals 222 erfasst, enden die Vertiefungen 250-2 und 250-3 in einem kleinen Abstand zur Mündung.
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Selbstverständlich sind Abwandlungen der gezeigten Ausführungsformen möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Auch bei den in den 1 bis 17 gezeigten Werkzeugen können unterschiedlichen Schneiden unterschiedliche, individualisierte Vertiefungsstrukturen zugeordnet werden. Es können auch andere spanabhebende Werkzeuge mit der erfindungsgemäßen Struktur beliebiger Tiefe und Breite ausgestattet werden, solange diese Struktur in der Form ausgebildet ist, dass durch sie die KSS-Strömung beeinflussbar und der KSS zumindest in Richtung eines hochbelasteten Bereiches einer Werkzeugschneide lenkbar ist.
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Die Erfindung schafft somit ein spanabhebendes Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide, insbesondere ein Bohr- oder Fräswerkzeug, bei dem es mit sehr geringen Eingriffen in die Anschliffgestalt, nämlich durch das Einbringen einer flachen Struktur in einen die Freifläche erfassenden Bereich, gelingt, die Temperatur der Schneidkante über deren gesamte Länge thermisch zu stabilisieren. Wenn die Struktur als eine in einem kleinen Abstand zur Hauptschneide endende Vertiefung ausgebildet ist, kann zum Einen ein optimierter Rücksatz der Freifläche in vorteilhafter Weise zur Lenkung des KSS genutzt werden. Gleichzeitig begrenzt dieser Rücksatz den Anstieg des Freiflächenverschleißes, wobei durch die Vergrößerung des Spaltes zwischen Werkzeug und Werkstück die Erreichbarkeit der Schneidkante durch den KSS verbessert wird.
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In einer bevorzugten Ausführung betrifft die Erfindung ein Bohr- oder Fräswerkzeug, wobei die Freiflächenstruktur zur KSS-Lenkung herangezogen wird. In der Ausgestaltung als Bohrwerkzeug hat es einen Spitzenanschliff mit Hauptschneide, Nebenschneide, Führungsfase, Haupt- und Neben-Freifläche und Schneidenecke. Die Hauptschneide liegt im Einflussbereich einer Kühlschmierstoff(KSS)-Strömung, die über zumindest eine innenliegenden Kühl-/Schmiermittelkanal versorgt sein kann, der über eine Mündungsöffnung in einer Haupt-Freifläche austritt. Innerhalb der Freifläche des Bohr- oder Fräswerkzeuges liegt zumindest eine Struktur beliebiger Tiefe und Breite, welche in der Form ausgebildet ist, dass durch sie die KSS-Strömung beeinflussbar und der KSS zumindest in Richtung eines hochbelasteten Bereiches einer Werkzeugschneide (30), wie z. B. der Haupt- oder Stirnschneide lenkbar ist. Das Werkzeug eignet sich in besonderem Maße für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe, wie z. B. von korrosions- und temperaturbeständigen Nickelbasislegierungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 877531 [0003]
- DE 4319505 A1 [0003]
- DE 102006020613 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Neue Schneidengeometrien zur Verbesserung des Werkzeugeinsatzverhaltens beim Hartdrehen” (Autor: M. Sc. Dipl.-Ing. (FH) Roland Meyer; Fakultät für Maschinenbau der Gottfried Wilhelm Leibnitz Universität Hannover, 2011) [0003]
- „Drilling of Inconel 718 with Geometry-modified Twist Drills” (veröffentlicht in Procedia CIRP 24 (2014), Seiten 49 bis 55; mit den Autoren Nicolas Beer, Ekrem Özkaya und Dirk Biermann [0004]
