DE102016116164A1

DE102016116164A1 - Werkzeugspannvorrichtung mit schwingungsdämpfenden Kammerbereichen

Info

Publication number: DE102016116164A1
Application number: DE102016116164.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Matheis
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeugkomponente (10) für eine spanabhebende Drehbearbeitung, insbesondere eine spannende Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Drehwerkzeugs oder ein einspannbarer Werkzeugträger zur Aufnahme von mindestens einer Schneidplatte oder Wendeschneidplatte, umfassend einen Schaftabschnitt (12) mit mindestens einem Aufnahmebereich (16), wobei im Aufnahmebereich (16) ein Drehwerkzeug, eine Schneidplatte oder eine Wendeschneidplatte befestigbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Hohlkammer (18) in der Werkzeugkomponente (10), insbesondere im Schaftabschnitt (12) und/oder im Aufnahmebereich durch ein additives Sinterfertigungsverfahren, insbesondere Lasersintern, bevorzugt selektives Lasersintern, Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt ist, wobei die Hohlkammer (18) durch einen partiell nicht ausgesinterten bzw. nicht geschmolzenen Bereich gebildet wird, wobei ein aus dem additiven Fertigungsverfahren zurückbleibendes, nicht ausgesintertes Sinterpulver (30) in der Hohlkammer (18) in einer einstellbaren Menge verbleibt und die Hohlkammer (18) zumindest teilweise ausfüllt, wodurch bei Betrieb der Werkzeugkomponente (10) eine dämpfende Wirkung erzielt werden kann. In einem Nebenaspekt wird ein Herstellverfahren für eine derartige Werkzeugkomponente vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine schwingungsgedämpfte Werkzeugkomponente für eine spanabhabende Bearbeitung, insbesondere eine Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Drehwerkzeugs oder einen einspannbaren Werkzeugträger zur Aufnahme von mindestens einer Schneidplatte oder Wendeschneidplatte. Die Werkzeugkomponente wird durch ein additives Sinterverfahren hergestellt und beinhaltet mindestens eine zumindest teilweise mit einem nicht ausgesinterten Sinterpulver gefüllte Hohlkammer.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer diesbezüglichen Werkzeugkomponente.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Bauelementen bekannt, die durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt werden. Diese Verfahren ermöglichen eine schnelle und kostengünstige Herstellung von beispielsweise Werkzeugen oder anderweitigen Bauelementen. Auch komplizierte Geometrien können somit ohne spezielles Werkzeug hergestellt werden.
So zeigt die DE 10 2013 103 168 B3 eine Werkzeugaufnahme, hergestellt aus einem additiven Fertigungsverfahren, wobei Kavitäten bzw. Hohlkammern in der Werkezugaufnahme verbleiben können.
Weiterhin zeigt die DE 10 2014 208 140 A1 eine Schnittstelle in Form einer Zwischenhülse, die zwischen einem Schaft eines Drehwerkzeugs und einer Werkzeugaufnahme angeordnet ist, und die mit Hilfe eines Lasersinterverfahrens hergestellt wird und zum Verbinden eines Werkzeugs mit einer Werkzeugaufnahme dient. Diese Schnittstelle kann Hohlkammern aufweisen, die mit Sinterpulver aus dem Sinterverfahren oder einem anderweitigen Pulver befüllt sind, sodass ein Dämpfungseffekt eintritt. Die Hohlkammern sind konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet und verlaufen rotationssymmetrisch, d. h. ringförmig in der Schnittstelle. Dabei können die Hohlkammern eine Innenstruktur aufweisen, die ebenfalls konzentrisch zur Mittelachse angeordnet ist. Der Dämpfungseffekt tritt lokal in der Schnittstelle auf, wodurch die Schnittstelle eine besonders gute Dämpfung erfährt und somit das Werkzeug gedämpft in der Werkzeugaufnahme gelagert ist. Schwingungen in der Werkzeugaufnahme oder im Werkzeug können mit einem derart lokal ausgebildeten Dämpfungsbereich jedoch nicht ausreichend gedämpft werden. So kann kein ausreichender Dämpfungseffekt im Bereich des Werkzeugkopfes und im Bereich der Werkzeugaufnahme gewährleistet werden, sodass sich die entstehenden Schwingungen die Eigenfrequenz des Bearbeitungswerkzeugs erreichen können.
Weiterhin besteht das Problem, dass bei horizontalem Betrieb des Werkzeugs mit dem Spannfutter ein Ungleichgewicht des eingefüllten Pulvers vorliegt, da die Hohlkammern konzentrisch angeordnet sind. Vor dem Betrieb, d. h. bevor das Werkzeug mit der Werkzeugaufnahme in eine Rotationsbewegung versetzt wird, befindet sich das meiste Pulver an der Unterseite der Schnittstelle. Dies führt beim Anfahren zu einer Unwucht, was zu einer Präzessionsbewegung führt, die von der Rotationsachse des Werkzeugs abweicht. Dies führt zu Vibrationen, wodurch Schäden in Form einer schlechten Oberflächenqualität am zu bearbeitenden Werkstück oder einer Ungenauigkeit in der Ausführung entstehen. Weiterhin resultiert eine verringerte Standzeit des Werkzeugs oder der Werkzeugaufnahme.
Dasselbe Problem ergibt sich, wenn derartige konzentrische Hohlkammern oder Innenstrukturen nicht in einer Schnittstelle sondern in der Werkzeugaufnahme selbst angeordnet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Werkzeugkomponente vorzuschlagen, bei der durch eine optimierte Anordnung der Hohlkammern die Rundlaufeigenschaften, speziell direkt zu Beginn der Bearbeitung mit der Werkzeugkomponente und bei horizontal angeordneter Rotationsachse des Drehwerkzeugs, verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugkomponente und ein Herstellverfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung ist eine Werkzeugkomponente für eine spanabhebende Drehbearbeitung, insbesondere eine spannende Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Drehwerkzeugs oder ein einspannbarer Werkzeugträger zur Aufnahme von mindestens einer Schneidplatte oder Wendeschneidplatte, umfassend einen Schaftabschnitt mit mindestens einem Aufnahmebereich, wobei im Aufnahmebereich ein Drehwerkzeug, eine Schneidplatte oder eine Wendeschneidplatte befestigbar ist.
Es wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Hohlkammer in der Werkzeugkomponente, insbesondere im Schaftabschnitt und/oder im Aufnahmebereich durch ein additives Sinterfertigungsverfahren, insbesondere Lasersintern, bevorzugt selektives Lasersintern, Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt ist, wobei die Hohlkammer durch einen partiell nicht ausgesinterten bzw. nicht geschmolzenen Bereich gebildet wird. Dabei verbleibt in einer einstellbaren Menge ein aus dem additiven Fertigungsverfahren zurückbleibendes, nicht ausgesintertes Sinterpulver in der Hohlkammer und die Hohlkammer wird zumindest teilweise ausgefüllt, wodurch bei Betrieb der Werkzeugkomponente eine dämpfende Wirkung erzielt werden kann.
Bei einem derartigen additiven Fertigungsverfahren wird unter Hitze und/oder Druck verfestigbares Sinterpulver eingesetzt, die metallische Substanzen umfassen, sodass Bauteile aus Metall, insbesondere Werkzeugstahl erzeugt werden können. Diese werden beispielsweise mit Hilfe eines Laserstrahls verschmolzen. Die Bauteile sind direkt nach dem Fertigungsprozess stabil und müssen kaum nachbearbeitet werden. Jedoch ist eine Wärmenachbehandlung möglich.
Das Pulver wird beispielsweise vollflächig mit einer Dicke von 1 μm bis 200 μm auf einen Bearbeitungstisch aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des CAD-Modells des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Nach jeder Schicht wird der Bearbeitungstisch in Höhe der Schichtdicke abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Mittels dieses Verfahrens kann die Werkzeugkomponente mit einer Hohlraumstruktur hergestellt werden, sodass die Hohlraumstruktur mit einem nicht-verfestigten Material, d. h. mit einer Menge des Sinterpulvers, gefüllt werden kann. Vorteilhafterweise muss der mindestens eine Hohlraum demnach nach Herstellung der Werkzeugkomponente nicht mehr mit einem Medium gefüllt werden Es kann das Pulver des additiven Fertigungsverfahrens verwendet werden, das nicht durch den Laserstrahl geschmolzen wurde. Hierdurch besteht nicht die Gefahr, dass schwer zugängliche Bereiche der Hohlkammer ungefüllt verbleiben. Weiterhin lassen sich beliebige Füllgrade erzielen. Dadurch, dass es sich bei dem Pulver und bei dem Material der Werkzeugkomponente um denselben Werkstoff handelt, kann die Korrosionsanfälligkeit der gesamten Dämpfungsstruktur verringert werden.
Das Pulver in dem mindestens einen Hohlraum wird bei einer schwingenden Beanspruchung der Werkzeugkomponente bewegt und kann kinetische Energie aufnehmen, wobei ein Dämpfungseffekt erzielt wird. Die Werkzeugkomponente kann eine Werkzeugaufnahme oder ein Werkzeugträger sein. Insbesondere bei Werkzeugträgern, die weit auskragen und somit zu Schwingungen mit großen Amplituden neigen, und die mit Wechselplatten bestückt sind, die als Stechwerkzeuge ausgeführt sind, oder als PKD-Schneidträger dienen, ist eine erfindungsgemäße Dämpfungswirkung vorteilhaft. Ebenso kann in einem Verbund eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme mit einem erfindungsgemäßen Werkzeugträger zum Einsatz kommen. Der mindestens eine Hohlraum kann einen derartigen Anteil des Volumens der Werkzeugkomponente einnehmen, dass die Festigkeit der Werkzeugkomponente und eine einstellbare Dämpfungswirkung sichergestellt ist. Der Hohlraum kann dabei nahezu vollständig oder nur teilweise mit dem Sinterpulver befüllt sein. Je nach Anforderung an die Dämpfungswirkung können unterschiedliche Füllmengen eingestellt werden.
Die Hohlkammer kann in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente an mindestens einer Stelle untereilt bzw. unterbrochen sein oder ohne Unterbrechung komplett beispielsweise ringförmig im Querschnitt der Werkzeugkomponente verlaufen. Bei zwei Unterbrechungen kann eine die Hohlkammer in zwei Hohlkammern aufgeteilt werden. Ebenso kann die Unterbrechung nur über eine bestimmte Länge verlaufen und eine Art Stütze der beiden gegenüberliegenden Innenwände der Hohlkammer ausbilden, während eine zusammenhängende Hohlkammer verbleibt. Durch diese teilweise Anbindung der gegenüberliegenden Innenwände kann die Schwingform der Werkzeugkomponente beeinflusst werden. Eine große Relativbewegung innerhalb der Werkzeugkomponente ermöglicht demnach eine große Dämpfung des Gesamtsystems. Derartige Anbindungen der gegenüberliegenden Innenwände der Hohlkammer können in unterschiedlichen Längspositionen und Umfangspositionen der Werkzeugkomponente angeordnet sein. Beispielsweise können in einer ringförmigen Hohlkammer können mehrere derartige Unterbrechungen an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein und dadurch teilkreisförmige Abschnitte der Hohlkammer ausbilden. Bei Anbindung der Innenwände über die komplette Länge der Hohlkammer entstehen mehrere einzelne Hohlkammern. Diese können alle die gleiche Geometrie aufweisen und in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente gleichverteilt sein.
Weiterhin kann die Hohlkammer in unterschiedlichen Längsabschnitten der Werkzeugkomponente unterschiedlich ausgebildet sein. Diese kann in diesen unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Geometrien bzw. Querschnittsformen aufweisen. In den Bereichen, in denen die größte Dämpfung der Werkzeugkomponente erreicht werden soll, kann die Geometrie der Hohlkammer entsprechend angepasst werden. So kann im Kopfbereich einer Spannhülse die Hohlkammer eine andere Geometrie ausbilden als in dem Bereich, der die Spannhülse mit der Werkzeugmaschine verbindet.
Der Querschnitt der mindestens einen Hohlkammer kann linear oder gekrümmt ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Querschnitt Verzweigungen aufweisen, sodass eine freie Bewegung des Sinterpulvers rundum in der Hohlkammer unterbunden wird. Besonders bei sehr schnellen Anfahrzeiten und einer hohen Drehdynamik, bei denen die Werkzeugkomponente sehr schnell in eine Rotationsbewegung versetzt oder abgebremst wird, ist eine umfangsmäßig gleichverteilte Ausgestaltung der Hohlkammern von Vorteil. Dies spielt besonders dann eine Rolle, wenn das Werkzeug horizontal eingesetzt wird, d. h. sich die Rotationsachse bzw. Längsachse des Werkzeugs und der Werkzeugkomponente auf einer Horizontalen befinden. In einer derartigen Position ist es vorteilhaft, wenn sich das Pulver durch das Anfahren nicht erst verteilen muss sondern bereits gleichverteilt in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente vorliegt. Bei Ausbildung mehrerer Hohlkammern können diese alle die gleiche Geometrie aufweisen. Beispielsweise können diese in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente gleichverteilt sein und nahezu der Länge der Werkzeugkomponente entsprechen. Dabei können alle Hohlkammern mit Sinterpulver befüllt sein, wobei es ebenso denkbar ist, einzelne Hohlkammern ohne eine Füllung mit Sinterpulver auszubilden. Die einzelnen Hohlkammern können einen kreisförmigen, teilkreisförmigen, rechteckigen, trapezförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweisen.
Bei einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente sind in den Hohlkammern keine Innenstrukturen erforderlich, da durch die Geometrie der Hohlkammer eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers gewährleistet wird. Die ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Herstellung einer derartigen Werkzeugkomponente.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Menge des zurückbleibenden, nicht gesinterten Sinterpulvers zumindest 30 %, bevorzugt mehr als 80 % insbesondere 80 % der Hohlkammer füllen. Die Füllmenge kann je nach Anforderung an die Dämpfungswirkung eingestellt werden. Große Füllmengen können dabei eine große Dämpfung hervorrufen. Alle Hohlkammern können die gleiche Füllmenge aufweisen. Bei der Ausbildung unterschiedlich großer Hohlkammern kann das Füllverhältnis zwischen gefülltem und leerem Volumen der Hohlkammer für alle Hohlkammern gleich sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Hohlkammer konzentrisch ausgebildet sein, oder umfangsmäßig können gleichverteilte Hohlkammern angeordnet sein. Dies gewährleistet optimale Rundlaufeigenschaften der Werkzeugkomponente, da eine rotationssymmetrische Massenverteilung der Werkzeugkomponente gewährleistet wird. Eine umfangsmäßig gleichverteilte Anordnung einzelner Hohlkammern ist insbesondere von Vorteil, wenn beim Betrieb die Rotationsachse der Werkzeugkomponente horizontal angeordnet ist. In der horizontalen Ruheposition vor Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine mit der Werkzeugkomponente lagert sich bei einer konzentrischen zusammenhängenden Hohlkammer das Pulver unsymmetrisch bezüglich der Rotationsachse ab. Dabei ist mehr Pulver unterhalb der Rotationsachse angeordnet als darüber. Besonders bei sehr schnellen Anfahrzeiten, bei denen die Werkzeugkomponente sehr schnell in eine Rotationsbewegung versetzt wird, ist eine umfangsmäßig gleichverteilte Ausgestaltung der Hohlkammern von Vorteil. Das Pulver muss sich durch das Anfahren nicht erst verteilen sondern liegt gleichverteilt in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente vor. Dadurch erzeugt das Pulver keine Unwucht in der Werkzeugkomponente, was zu verschlechterten Rundlaufeigenschaften und dadurch zu einer schlechteren Bearbeitungsqualität eines Werkstücks führen würde.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Hohlkammern miteinander verbunden sein. Dadurch kann ein Austausch des sich in den Hohlkammern befindende Sinterpulver zwischen den einzelnen Hohlkammern erreicht werden. Dies gewährleistet bei einer Rotationsbewegung der Werkzeugkomponente eine Gleichverteilung des Sinterpulvers in allen Hohlkammern, sodass eine optimale Dämpfungswirkung und ein Ausgleich von Unwuchten bei Beibehaltung der Bearbeitungsgenauigkeit erreicht werden kann.
Im Gegensatz zum vorgenannten Ausführungsform können in einer alternativen bevorzugten Ausführungsform die Hohlkammern voneinander getrennt sind. Demnach ist eine bestimmte Menge an Sinterpulver in der jeweiligen Hohlkammer eingeschlossen, sodass für eine individuelle Drehfrequenz die optimale Dämpfung durch Anordnung der Hohlkammern in der Werkzeugkomponente und der jeweiligen Füllmenge jeder Hohlkammer erreicht werden kann. Das Pulver liegt bereits durch die Herstellung gleichverteilt in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente vor und erzeugt bei Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine mit der Werkzeugkomponente keine Unwucht in der Werkzeugkomponente, was insbesondere bei einer Bearbeitung mit einer hohen Bearbeitungsdynamik vorteilhaft ist, da sich das Pulver nicht erst verteilen muß.
In einer bevorzugten Ausführungsform können mindestens sechs Hohlkammern, insbesondere zwölf Hohlkammern umfasst sein, die achsparallel zur Rotationsachse im Schaftabschnitt angeordnet sind. Im Querschnitt sind die Hohlkammern punktsymmetrisch zu einem Punkt auf der Rotationsachse der Werkzeugkomponente angeordnet. Somit kann eine gewünscht Festigkeit der Werkzeugkomponente trotz eingebrachter Hohlkammern weiterhin gewährleistet werden, und gleichzeitig eine in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente gleichverteilte Anordnung der Hohlkammern erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Querschnitt der Hohlkammer zumindest abschnittsweise mäanderförmig ausgeformt sein. Dabei kann der Querschnitt der Hohlkammer über den kompletten Umfang der Werkzeugkomponente mäanderförmig ausgebildet sein, oder auch nur in Teilabschnitten. Diese kann in unterschiedlichen Längs- und Umfangspositionen der Werkzeugkomponente teilweise Verbindungen in Form von Anbindungen der Innenoberflächen der Hohlkammer aufweisen, um die Dämpfungseigenschaften zu optimieren und die Stabilität der Hohlkammer zu erhöhen. Ebenso können mehrere Holkammern, beispielsweise drei Hohlkammern, in Umfangsrichtung angeordnet sein, die jeweils mäanderförmig ausgebildet sind. Weiterhin kann die mindestens eine Hohlkammer am Kopf der Werkzeugkomponente eine mäanderförmige Struktur aufweisen, und sich im Bereich des Einspannabschnitts zur Werkzeugmaschine hin verkleinern und /oder in eine andere Querschnittsgeometrie übergehen. Dadurch kann der Bereich am Kopf der Werkzeugkomponente, der bei Betrieb die größte Schwingung erfährt, am meisten gedämpft werden. Die Dämpfungseigenschaften der Werkzeugkomponente können demnach über die Länge der Werkzeugkomponente optimal an die Anforderungen beim Betrieb angepasst werden. Bei Betrieb einer Werkzeugmaschine mit horizontal angeordneter Rotationsachse des Werkzeugs kann durch die Mäanderform ebenso eine nahezu gleichmäßige Verteilung des Pulvers um die Rotationsachse erreich werden, da durch den gekrümmten Hohlraum das Pulver am hin- und herwandern in Umfangsrichtung gehindert wird. Die Mäanderform sollte keine zu scharfen Kanten aufweisen, um die Kerbeigenschaften nicht zu verschlechtern.
Alternativ kann der Querschnitt der Hohlkammer auf einem Kreisring um die Drehachse gleichabständig als Kuchensegment angeordnet sein. So können die Hohlkammern im Querschnitt umfangsmäßig auf einer Kreisringscheibe gleichabständig verteilt sein. Insbesondere können 12 Hohlkammern achsparallel angeordnet sein, wobei die Hohlkammern um einen Winkel von 30° versetzt zueinander angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Hohlkammern alle die gleiche Geometrie aufweisen. Auch hier können alle Hohlkammern punktsymmetrisch zu einem Punkt auf der Rotationsachse der Werkzeugkomponente angeordnet sein. Beispielsweise können auch nur zwei Kammern jeweils über eine Hälfte des Querschnitts verlaufen. Dieser jeweilige halbkreisförmige Querschnitt kann mäanderförmig verlaufen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann bei Ausbildung der Werkzeugkomponente zum Einsatz in ein Spannfutter eines Drehwerkzeugs im Schaftabschnitt mindestens eine Dehnkammer zur Ausbildung eines Dehnspannfutters angeordnet sein. Die Dehnkammer ist bevorzugt bezüglich der Hohlkammer näher an der Rotationsachse des Einsatzes bzw. des Spannfutters angeordnet, sodass eine optimale Einspannwirkung bei Einspannung eines Werkzeugs in den Einsatz erfolgen kann. In der Summe sind die Hohlkammern bevorzugt mit einem größeren Volumen als die Dehnkammern ausgebildet und können beliebige Querschnittsformen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Hohlkammern eine in Längsrichtung des Schaftabschnitts längliche Form aufweisen und einen trapezförmigen Querschnitt besitzen. Dabei können alle Hohlkammern eine identische Geometrie aufweisen. Diese sind bevorzugt gleichverteilt in Umfangsrichtung der Werkzeugkomponente angeordnet. Die einzelnen Hohlkammern können einen konstanten Querschnitt über die Länge aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Werkzeugkomponente als Werkzeugaufnahme, insbesondere als Hohlschaftkegel (HSK), Dehnspannfutter oder Hydrodehnspannfutter, ausgebildet sein. Auch in diesem Fall ist bei Ausbildung als Hydrodehnspannfutter die mindestens eine Dehnkammer näher an der Rotationsachse der Werkzeugaufnahme angeordnet als die mindestens eine Hohlkammer. Die Hohlkammer kann dabei im Bereich des Kopfes der Werkzeugaufnahme eine andere Querschnittsform als in Richtung Anschlussbereich an eine Werkzeugmaschine aufweisen. Der Kopf der Werkzeugaufnahme kann dadurch besonders gut gedämmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann sich die Hohlkammer im Zwischenbereich zwischen der Außenoberfläche und der Innenwand der Werkzeugaufnahme befindet, wobei die Innenwand den Aufnahmebereich begrenzt, in den bei einer Werkzeugaufnahme ein Werkzeug befestigbar ist, wobei bei Ausbildung eines Dehnspannfutters zumindest eine Dehnkammer zwischen der Hohlkammer und dem Aufnahmebereich angeordnet sein kann. Bei mehreren Kammern sind in Summe die Hohlkammern bevorzugt mit einem größeren Volumen als die Dehnkammern ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Werkzeugkomponente als Werkzeugträger für einsetzbare Schneidplatte, insbesondere als Wechselplattenträger, für Stechwerkzeug oder als PKD-Werkzeugträger ausgebildet sein. Derartige Werkzeugträger, insbesondere lang auskragende und zu Schwingung neigende Werkzeugträger dienen bevorzugt zum Fräsen, Zirkularfräsen, Gewindefräsen, Trennfräsen, T-Nutenfräsen, Vollhartmetallfräser, Gewindewirbeln. Ebenso können diese beim Drehen, wie Einstechen, Abstechen, Axialeinstechen, Gewindedrehen, Profildrehen, Ausdrehen, Rückwärtsdrehen, Fasen oder für Reibwerkzeuge zum Einsatz kommen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Hohlkammer im Schaft und / oder im Werkzeugkopf des Werkzeugträgers angeordnet sein. Dadurch kann eine optimale Gewichtsverteilung des Werkzeugträgers sowie eine optimale Dämpfungswirkung durch die zumindest teilweise gefüllten Hohlkammern erreicht werden. Hohlkammern können über einen Großteil des Werkzeugkopfs oder nahe dem Einspannabschnitt für die mindestens eine Schneidplatte angeordnet sein. Ebenso kann die mindestens eine Hohlkammer über den kompletten Werkzeugträger verlaufen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugkomponente. Es wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugkomponente, insbesondere im Schaftabschnitt und / oder im Aufnahmebereich durch ein additives Sinterfertigungsverfahren, insbesondere ein Lasersintern, bevorzugt ein selektives Lasersintern (SLS), Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt ist, wobei die Hohlkammer durch einen partiell nicht ausgesinterten bzw. nicht geschmolzenen Bereich gebildet wird, wobei ein aus dem additiven Fertigungsverfahren zurückbleibendes Sinterpulver in der Hohlkammer in einer einstellbaren Menge verbleibt und die Hohlkammer zumindest teilweise ausfüllt. Durch die Wahl unterschiedlicher Sinterpulver können Werkzeugkomponenten unterschiedlicher Eigenschaften und unterschiedlicher Abmessungen hergestellt werden. Mit Hilfe eines derartigen 3D-Druckverfahrens können komplizierte Geometrien sehr einfach nach Vorlage von CAD-Zeichnungen gefertigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann Sinterpulver teilweise aus der mindestens einen Hohlkammer entnommen werden, sobald das Volumen der Hohlkammer eine bestimmte Menge erreicht, insbesondere sobald die Hohlkammer mit mehr als 60 %, bevorzugt mehr als 80 %, mit nicht ausgesinterten Sinterpulver befüllt ist. Durch eine schichtweise Fertigung kann somit entschieden werden, ob in bestimmten Schichten und an bestimmten Bereichen des Querschnitts kein Füllpulver in Form des Sinterpulvers verbleiben soll.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
1 eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente in Form eines Werkzeugaufnahme;
2 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente in Form eines Werkzeugaufnahme nach 1;
3 eine teilweise transparente Darstellung der Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente in Form eines Werkzeugaufnahme nach 1;
4 eine weitere teilweise Transparente Darstellung nach 1;
5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente in Form eines Werkzeughalters;
6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente in Form eines Werkzeughalters;
7 einen Querschnitt einer weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente mit mäanderförmiger Hohlkammer;
8 einen Querschnitt einer weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente mit zumindest teilweise unterbrochener, mäanderförmiger Hohlkammer;
9 einen Längsschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente nach 7 in Form einer Werkzeugaufnahme.
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente 10 in Form eines Werkzeugaufnahme 10a als Draufsicht auf den Kopf 40 der Werkzeugaufnahme 10a. Die Werkzeugaufnahme 10a besitzt einen Anschlussbereich 14, zum Anschluss an eine Werkzeugmaschine (nicht dargestellt) und einen Schaftabschnitt 12 mit einem Aufnahmebereich 16. Im Aufnahmebereich 16 sind in Umfangsrichtung um die Rotationsachse 38 Hohlkammern 18 angeordnet. Diese sind gleichverteilt und besitzen alle die gleiche Geometrie. Sie weisen einen trapezförmigen bzw. kuchensegmentartigen Querschnitt auf, wie in dem Querschnitt gut sichtbar ist. Die Innenwände 20 der Hohlkammern 18 sind parallel bzw. abgewinkelt zueinander angeordnet. Die Hohlkammern sind mit Sinterpulver 30 gefüllt, das ein Metallpulver 32 darstellt. Die Hohlkammern 18 können bevorzugt die gleiche Füllmenge aufweisen. In dem Bereich zwischen den Hohlkammern 18 und dem Aufnahmebereich 16 sind mehrere Dehnkammern 24 angeordnet, sodass die Werkzeugaufnahme 10a ein Hydrodehnspannfutter ausbildet. Dies gewährleistet optimale Rundlaufeigenschaften der Werkzeugaufnahme 10a, da eine rotationssymmetrische Massenverteilung des Sinterpulvers 30 in der Werkzeugaufnahme 10a gewährleistet wird. Eine umfangsmäßig gleichverteilte Anordnung einzelner Hohlkammern 18 ist von Vorteil, wenn beim Betrieb der Werkzeugaufnahme 10a mit einer Werkzeugmaschine die Rotationsachse 38 horizontal angeordnet ist.
Einen Längsschnitt durch einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeugkomponente 10 in Form einer Werkzeugaufnahme 10a nach 1 zeigt 2. In dieser Ansicht ist die längliche Form der Hohlkammern 18 gut erkennbar. Die Hohlkammern 18 können über die Länge einen konstanten Querschnitt aufweisen, oder verjüngt in Richtung Kopf 40 der Werkezugaufnahme 10a oder in Richtung Anschlussbereich 14 ausgebildet sein. Ebenso können die Hohlkammern 18 in Längsrichtung der Werkzeugkomponente 10 unterteilt ausgeführt sein. Die Dehnkammern 24 befinden sich zwischen den Hohlkammern 18 und dem Aufnahmebereich 16. Dadurch kann eine sichere Einspannung eines Werkzeugs in dem Aufnahmebereich 16 gewährleistet werden. In der dargestellten Ausführungsform ist das gesamte Volumen 28 der Dehnkammern 24 geringer als das gesamte Volumen 22 der Hohlkammern 18.
Die 3 und 4 zeigen zwei Darstellungen der Werkzeugaufnahme 10a aus 1. In der isometrischen Darstellung in 4 ist die Anordnung der Hohlkammern 18 gut erkennbar. Diese sind in Umfangsrichtung um die Rotationsachse 38 der Werkzeugaufnahme 10a gleichverteilt angeordnet.
Die 5 und 6 zeigen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Werkzeugkomponenten 10 als Werkzeugträger 10b.
5 zeigt ein Einstichwerkzeug mit einem Schaftabschnitt 12, der den Aufnahmebereich 16 zur Aufnahme in ein Spannfutter ausbildet, und einem Werkzeugkopf 34 mit lösbar montiertem Schneidkopf 36. Sowohl im Werkzeugkopf 34 sowie im Übergangsbereich zwischen Werkzeugkopf 34 und Schaftabschnitt 12 können Hohlkammern 18 angeordnet sein. In der dargestellten Ausführungsform sind die Hohlkammern 18 teilweise durch gestrichelte Linien dargestellt, obwohl diese von außen nicht sichtbar sind. Diese Hohlkammern 18 können ebenso in Umfangsrichtung um die Rotationsachse 38 des Werkzeugträgers 10b gleichverteilt angeordnet sein. Dabei können die Hohlkammern 18 im Werkzeugkopf 34 alle die gleiche Geometrie aufweisen. Die Hohlkammern 18 im Übergangsbereich zwischen Werkzeugkopf 34 und Schaftanschnitt 12 können ebenso gleichverteilt in Umfangsrichtung um die Rotationsachse 38 angeordnet sein. Dabei kann die Anzahl dieser Hohlkammern 18 der Anzahl der Hohlkammern 18 im Werkzeugkopf 34 entsprechen. In dieser Ausführungsform sind alle Hohlkammern 18 mit Sinterpulver 30 in Form von Metallpulver 32 gefüllt und nicht miteinander verbunden. Die Struktur der Hohlkammern 18 sowie das Einbringen des Sinterpulvers 30 erfolgt durch ein additives Fertigungsverfahren. Auch für ein derartiges Einstichwerkzeug kann bei besonders schnellen Anfahrzeiten eine Unwucht durch das Sinterpulver 32 vermieden werden, wobei gute Dämpfungseigenschaften während des Betriebes gewährleistet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Einstichwerkzeug derart betrieben wird, dass die Rotationsachse 38 horizontal angeordnet ist. Das Sinterpulver 30 ist durch die länglichen Hohlkammern 18 stets in Umfangsrichtung des Werkzeugkopfs 34 des Einstichwerkzeugs verteilt angeordnet.
In 6 ist eine Reibe für Durchgangsbohrungen oder Sacklochbohrungen dargestellt. Nahezu identische Ausführungen sind für eine Zirkularfräse oder Nutfräse möglich. Ein derartiges Werkzeug weist ebenso einen Schaftabschnitt 12 in Form eines Aufnahmebereichs 16, zum Anschluss an ein Spannfutter, sowie einen Werkzeugkopf 34 mit Schneidkopf 36 auf. Im Werkzeugkopf 34 sind durch gestrichelte Linien die einzelnen Hohlkammern 18 dargestellt, die in Umfangsrichtung um die Rotationsachse 38 gleichverteilt angeordnet und mit Sinterpulver 30 gefüllt sind. Dabei können sich die Geometrie und das Volumen der Hohlkammern 18 über die Länge der Hohlkammern 18 ändern. Dabei kann die Form der Hohlkammern 18 an die Schwingungseigenschaften des Werkzeugträgers 10b angepasst werden. Im Bereich des Werkzeugkopfes, der den kleinesten Querschnitt und den längsten Hebelarm zum Schaftabschnitt 12 aufweist, treten im Betrieb die höchsten Schwingungen auf. Dieser Bereich kann durch die Form der Hohlkammern 18 und den Füllgrad mit Sinterpulver 30 besonders gut gedämpft werden.
Die 7 und 8 zeigen zwei Schnittdarstellungen durch eine Werkzeugkomponente 10 in Form einer Werkzeugaufnahme 10a.
Die Schnittdarstellung in 7 zeigt eine zusammenhängende Hohlkammer 18 um den kompletten Umfang der Werkzeugaufnahme 10a mit einem mäanderförmigen Verlauf. Die Mäanderform weist dabei abgerundete Ecken auf, um die Kerbeigenschaften nicht negativ zu beeinflussen. Bei einer derartigen mit Sinterpulver 30 gefüllten Mäanderform verbleibt das Sinterpulver 30 in Umfangsrichtung nahezu gleichverteilt, auch wenn die Werkzeugaufnahme 10a horizontalen angeordnet ist. Die Innenwände 20 der Hohlkammern 18 verlaufen dabei parallel zueinander.
8 zeigt einen vergleichbaren Querschnitt, wobei die Mäanderform in der dargestellten Querschnittsebene dreigeteilt ausgebildet ist und die Unterteilungen in einem 120° Winkel zueinander angeordnet sind. Diese Unterteilungen können lediglich in der dargestellten Querschnittsebene die beiden Innenwände 20 der Hohlkammern 18 miteinander verbinden und die Hohlkammer 18 damit stabilisieren, oder auch über die komplette Länge der Hohlkammer 18 verlaufen und diese in drei einzelne Hohlkammern 18 unterteilen. Dabei ist es ebenso denkbar, mehr oder weniger dieser Unterteilungen vorzusehen und in unterschiedlichen Positionen bezüglich des Umfangs oder der Längsachse der Werkzeugaufnahme 10a anzuordnen.
9 zeigt den Schnitt A-A aus 7. Die Hohlkammer 18 ist auf der einen Seite nahe des Aufnahmebereichs 16 geschnitten und auf der anderen Seite nahe der Außenfläche der Werkzeugaufnahme 10a. Dies ist durch die Mäanderform und die Schnittführung aus 7 bedingt. In Längsrichtung bezüglich der Rotationsachse 38 können durch mehrere wie oben beschriebene Unterteilung zwei getrennte Hohlkammern 18 entstehen. Ebenso ist denkbar, dass diese Unterteilungen nur in der dargestellten Schnittebene angeordnet sind und nicht um den kompletten Umfang der Werkzeugaufnahme 10a verlaufen. Die Hohlkammern 18 sind dabei zumindest teilweise mit Sinterpulver 30 gefüllt.
Bei zwei in Längsrichtung der Rotationsachse 38 getrennten Hohlkammern 18 können diese auch unterschiedliche Geometrien aufweisen, wobei die Hohlkammer 18 nahe des Kopfes 40 der Werkzeugaufnahme 10a mäanderförmig ausgebildet sein kann und darunter einzelne längliche Hohlkammern 18, die in Umfangsrichtung gleichverteilt angeordnet sind, ausgebildet sein können. Dabei kann der Bereich des Kopfes 40 der Werkzeugaufnahme 10a besonders stark gedämpft werden, da dort bei Einspannung eines Werkzeugs die größten Schwingungen auftreten.
Die 7, 8 und 9 zeigen Werkzeugaufnahmen 10a mit einem Aufnahmebereich 16. Eine derartige Mäanderform kann ebenso bei einem Werkzeugträger 10b ausgebildet werden.
Bezugszeichenliste

10: Werkzeugkomponente
10a: Werkzeugaufnahme
10b: Werkzeugträger
12: Schaftabschnitt
14: Anschlussbereich
16: Aufnahmebereich
18: Hohlkammer
20: Innenwand der Hohlkammer
22: Volumen der Hohlkammer
24: Dehnkammer
26: Innenwand der Dehnkammer
28: Volumen der Dehnkammer
30: Sinterpulver
32: Metallpulver
34: Werkzeugkopf
36: Schneidkopf
38: Rotationsachse
40: Kopf der Werkzeugaufnahme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013103168 B3 [0004]
DE 102014208140 A1 [0005]

Claims

Werkzeugkomponente (10) für eine spanabhebende Drehbearbeitung, insbesondere eine spannende Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Drehwerkzeugs oder ein einspannbarer Werkzeugträger zur Aufnahme von mindestens einer Schneidplatte oder Wendeschneidplatte, umfassend einen Schaftabschnitt (12) mit mindestens einem Aufnahmebereich (16), wobei im Aufnahmebereich (16) ein Drehwerkzeug, eine Schneidplatte oder eine Wendeschneidplatte befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Hohlkammer (18) in der Werkzeugkomponente (10), insbesondere im Schaftabschnitt (12) und/oder im Aufnahmebereich durch ein additives Sinterfertigungsverfahren, insbesondere Lasersintern, bevorzugt selektives Lasersintern, Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt ist, wobei die Hohlkammer (18) durch einen partiell nicht ausgesinterten bzw. nicht geschmolzenen Bereich gebildet wird, wobei ein aus dem additiven Fertigungsverfahren zurückbleibendes, nicht ausgesintertes Sinterpulver (30) in der Hohlkammer (18) in einer einstellbaren Menge verbleibt und die Hohlkammer (18) zumindest teilweise ausfüllt, wodurch bei Betrieb der Werkzeugkomponente (10) eine dämpfende Wirkung erzielt werden kann.
Werkzeugkomponente (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des nicht gesinterten Sinterpulvers (30) zumindest 30%, bevorzugt mehr als 60% insbesondere 90% der Hohlkammer (18) füllt.
Werkzeugkomponente (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammer (18) konzentrisch ausgebildet ist, oder umfangsmäßig gleichverteilte Hohlkammern (18) angeordnet sind.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammern (18) miteinander verbunden sind.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammern (18) voneinander getrennt sind.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens sechs Hohlkammern (18) umfasst sind, die achsparallel zur Rotationsachse im Schaftabschnitt (12) angeordnet sind.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Hohlkammer (18) zumindest abschnittsweise mäanderförmig oder auf einem Kreisring um die Drehachse gleichabständig als Kuchensegment ausgeformt ist.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammern (18) alle die gleiche Geometrie aufweisen.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Werkzeugkomponente (10) zum Einsatz in ein Spannfutter eines Drehwerkzeugs im Schaftabschnitt (12) mindestens eine Dehnkammer (24) zur Ausbildung eines Dehnspannfutters angeordnet ist.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammern (18) eine in Längsrichtung des Schaftabschnitts (12) längliche Form aufweisen und einen trapezförmigen Querschnitt besitzen.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponente (10) als Werkzeugaufnahme (10a), insbesondere als Hohlschaftkegel, Dehnspannfutter oder Hydrodehnspannfutter, ausgebildet ist.
Werkzeugkomponente (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Hohlkammer (18) im Zwischenbereich zwischen der Außenoberfläche und der Innenwand der Werkzeugaufnahme (10a) befindet, wobei die Innenwand den Aufnahmebereich (16) begrenzt, in den bei einer Werkzeugaufnahme (10a) ein Werkzeug einbringbar ist, wobei bei Ausbildung eines Dehnspannfutters zumindest eine Dehnkammer (24) zwischen der Hohlkammer (18) und dem Aufnahmebereich (16) angeordnet sein kann.
Werkzeugkomponente (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponente (10) als Werkzeugträger (10b) für einsetzbare Schneidplatte, insbesondere Wechselplattenträger, für Stechwerkzeug oder als PKD-Werkzeugträger ausgebildet ist.
Werkzeugkomponente (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkammer (18) im Schaft (12) und/oder im Werkzeugkopf (34) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugkomponente (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugkomponente, insbesondere im Schaftabschnitt (12) und/oder im Aufnahmebereich durch ein additives Sinterfertigungsverfahren, insbesondere Lasersintern, bevorzugt selektives Lasersintern, Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt ist, wobei die Hohlkammer (18) durch einen partiell nicht ausgesinterten bzw. nicht geschmolzenen Bereich gebildet wird, wobei ein aus dem additiven Fertigungsverfahren zurückbleibendes, nicht ausgesintertes Sinterpulver (30) in der Hohlkammer (18) in einer einstellbaren Menge verbleibt und die Hohlkammer (18) zumindest teilweise ausfüllt.
Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugkomponente (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterpulver (30) teilweise aus der mindestens einen Hohlkammer (18) entnommen wird, sobald eine vorbestimmte Menge erreicht ist, insbesondere sobald das Volumen (22) der Hohlkammer mit mehr als 60 %, bevorzugt mehr als 80 %, mit Sinterpulver (30) befüllt ist.