DE102017103978A1

DE102017103978A1 - Schneidwerkzeug

Info

Publication number: DE102017103978A1
Application number: DE102017103978.3A
Authority: DE
Inventors: Juergen Bar; Markus Heinloth
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US20180243836A1; CN108500302A

Abstract

Es wird ein Schneidwerkzeug (10) für Metall beschrieben, das einen aus Metall hergestellten Grundkörper (12) umfasst, wobei der Grundkörper (12) mit einem Verstärkungsmaterial (14) verstärkt ist. Das Schneidwerkzeug (10) kann ein Fräswerkzeug, ein Drehwerkzeug, ein Bohrwerkzeug, ein Gewindeschneidwerkzeug, ein Räumwerkzeug, ein Dreh-Räumwerkzeug, ein Reibwerkzeug, ein Entgratungswerkzeug, ein Kombinationswerkzeug und/oder ein Mehrfunktionswerkzeug sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug für Metall, mit einem aus Metall hergestellten Grundkörper.
Solche Schneidwerkzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden für unterschiedlichste Anwendungen genutzt. Insbesondere werden sie häufig zur spanenden Bearbeitung von Bauteilen aus Metall verwendet. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld ist die Automobilindustrie.
Bei der Auslegung von Schneidwerkzeugen muss stets ein Kompromiss zwischen den mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Steifigkeit, und dem Gewicht des Werkzeugs gefunden werden. Dabei sind große und schwere Werkzeuge in der Regel schlecht handhabbar, z. B. nur mit Hilfsmitteln bewegbar. Sehr leichte Werkzeuge hingegen verfügen häufig nur über eine geringe Steifigkeit.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Schneidwerkzeuge der eingangs genannten Art weiter zu verbessern. Dabei sollen insbesondere leichte Schneidwerkzeuge geschaffen werden, die gleichzeitig eine hohe Steifigkeit aufweisen.
Die Aufgabe wird durch ein Schneidwerkzeug der eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Grundkörper mit einem Verstärkungsmaterial verstärkt ist. Das Verstärkungsmaterial hat dabei in der Regel eine geringere Dichte als das Metall, aus dem der Grundkörper hergestellt ist. Gleichzeitig kann mittels des Verstärkungsmaterials die Steifigkeit des Grundkörpers erhöht werden. Ein solches Schneidwerkzeug ist folglich insgesamt leichter als aus dem Stand der Technik bekannte Schneidwerkzeuge. Gleichzeitig bleibt die Steifigkeit im Vergleich zum Stand der Technik im Wesentlichen gleich oder wird sogar erhöht. Dies kann selbst dann erreicht werden, wenn die Steifigkeit des Verstärkungsmaterials an sich geringer als die Steifigkeit des Grundkörpermaterials ist. Es muss dafür das Verstärkungsmaterial in einem Bereich des Schneidwerkzeugs angeordnet werden, in denen die geringere Steifigkeit des Verstärkungsmaterials die Steifigkeitsanforderungen erfüllt oder übertrifft. Aufgrund des geringen Gewichts sind solche Werkzeuge einfach handhabbar. Beispielsweise können sie von Hand bewegt werden. Es kann also beispielsweise auf einen Kran oder andere Hilfsmittel zum Manövrieren des Schneidwerkzeugs verzichtet werden. In besonderem Maße können diese Vorteile z. B. bei Schneidwerkzeugen, die speziell zur Bearbeitung von Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren ausgebildet sind, auftreten.
Die Grundidee der Erfindung ist, durch das Verwenden von zwei unterschiedlichen Materialien die mechanischen Eigenschaften des Schneidwerkzeugs so genau wie möglich an die geforderten mechanischen Eigenschaften anzupassen und dabei insgesamt Gewicht zu sparen. Insbesondere soll dabei Verstärkungsmaterial, das eine geringere Dichte als das Grundkörpermaterial hat, an denjenigen Stellen verwendet werden, an denen die mechanischen Eigenschaften des Verstärkungsmaterials näher an den geforderten mechanischen Eigenschaften liegen. Dadurch wird das Schneidwerkzeug insgesamt leichter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verstärkungsmaterial ein Fasermaterial oder ein Aluminiummaterial, insbesondere ein Kohlefasermaterial, ein Glasfasermaterial, ein Naturfasermaterial, ein Keramikfasermaterial und/oder ein Aramidfasermaterial. Andere geeignete Fasermaterialien können ebenso verwendet werden. Aufgrund der oben genannten, geringen Dichte der Faser- oder Aluminiummaterialien kann so ein besonders leichtes Schneidwerkzeug, das gleichzeitig ausreichend steif ist, realisiert werden. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu einem gewichtsoptimierten, reinen Stahlwerkzeug aus dem Stand der Technik, bei dem ab einer gewissen Grenze eine Gewichtsreduktion stets mit einer Steifigkeitsreduktion einhergeht. Das Gewichtsreduktionspotenzial solcher Werkzeuge ist also im Wesentlichen ausgereizt.
Vorteilhafterweise ist der Grundkörper aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Der Grundkörper ist somit mittels Standardverfahren einfach und kostengünstig herstellbar.
In einer Weiterbildung ist mindestens eine Funktionsfläche des Schneidwerkzeugs am Grundkörper vorhanden, wobei vorzugsweise alle Funktionsflächen am Grundkörper vorhanden sind. Die Funktionsflächen unterscheiden sich also nicht von den Funktionsflächen bekannter Schneidwerkzeuge, sodass beispielsweise hinsichtlich möglicher Anbauteile und/oder Schneideinsätze eine bekannte Modularität des Schneidwerkzeugs erhalten bleibt. Gleiches gilt hinsichtlich der Montage von Schneidwerkzeugen in Werkzeugmaschinen.
Dabei kann die Funktionsfläche eine Kontaktfläche zu einer Werkzeugmaschine oder ein Sitz für einen Schneideinsatz, insbesondere für eine Wendeschneidplatte, sein. Es kann also ein erfindungsgemäßes Schneidwerkzeug problemlos in bekannten Werkzeugmaschinen verwendet werden. Ebenso können bekannte Schneideinsätze und/oder Wendeschneidplatten in Verbindung mit solchen Schneidwerkzeugen genutzt werden.
Vorzugsweise umfasst die Funktionsfläche kein Verstärkungsmaterial, insbesondere kein Fasermaterial. Es können also die Funktionsflächen mit bekannten und bewährten Herstellungsmethoden bearbeitet werden. Dabei können die gewohnten Maß-, Form- und Lagetoleranzen sowie die bekannten Oberflächengüten eingehalten werden.
Das Schneidwerkzeug kann einen oder mehrere Schneideinsätze, insbesondere eine Wendeschneidplatte, umfassen, wobei die Schneideinsätze jeweils an einer am Grundkörper angeordneten Schneideinsatzaufnahme befestigt sind. Auf diese Weise kann ein Schneidwerkzeug mit einer hohen Leistungsfähigkeit bei Schneidoperationen, insbesondere bei Zerspanungsoperationen, geschaffen werden. Weiter verfügt ein solches Werkzeug über eine hohe Standzeit.
In einer Ausführungsform ist das Verstärkungsmaterial außenseitig auf den Grundkörper aufgebracht und daran befestigt. Dadurch wird die Herstellung des Schneidwerkzeugs besonders einfach und kostengünstig. Beispielsweise kann zunächst der Grundkörper hergestellt und dann das Fasermaterial aufgebracht werden. Für den Fall, dass ein Aluminiummaterial als Verstärkungsmaterial verwendet wird, können zunächst der Grundkörper und ein Verstärkungsteil aus Aluminium gefertigt werden. Sodann können der Grundkörper und das Verstärkungsteil miteinander verbunden werden, z. B. verschraubt werden.
Ferner kann bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs der Grundkörper mittels bekannter Verfahren aus Metall hergestellt werden. Dieser Grundkörper stellt im Vergleich zu konventionellen Schneidwerkzeugen sozusagen einen reduzierten oder minimierten Grundkörper dar. Für das Fasermaterial können am Grundkörper Geometrien vorgesehen sein, die dessen Anordnung erleichtern. Beispielsweise können solche Geometrien Vertiefungen sein, die mit Fasermaterial ausgefüllt werden. Für ein Verstärkungsteil aus Aluminium können ebenfalls entsprechende Anlagegeometrien vorgesehen sein, die das Positionieren des Verstärkungsteils zum Grundkörper erleichtern.
Der Grundkörper des Schneidwerkzeugs kann die Form einer Ringscheibe haben, die an zumindest einer ihrer Stirnflächen das daran befestigte Verstärkungsmaterial hat. Schneidwerkzeuge mit dieser Form werden beispielsweise zur spanenden Bearbeitung von Kurbelwellen genutzt. Die Zerspanung findet dabei an einer inneren oder äußeren Mantelfläche der Ringscheibe statt. Es wird so erreicht, dass die bekannten Funktionalitäten eines solchen Schneidwerkzeugs durch die Verstärkung mittels eines Faser- oder Aluminiummaterials nicht eingeschränkt werden.
Vorteilhafterweise wiegt das Schneidwerkzeug weniger als 20 kg, vorzugsweise weniger als 15 kg. Solche Schneidwerkzeuge können händisch bewegt und insbesondere händisch in Werkzeugmaschinen angeordnet werden. Werkzeugwechsel sind also verhältnismäßig einfach. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu einem Werkzeugwechsel, für den ein Kran notwendig ist.
Die Steifigkeit des Schneidwerkzeugs kann im Wesentlichen der Steifigkeit eines funktionsgleichen, von seiner Außengeometrie identischen, unverstärkten Werkzeugs entsprechen, wobei das unverstärkte Werkzeug vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist. Der Vorteil, dass das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug leichter ist, wird also nicht auf Kosten der Steifigkeit erreicht. Somit wird ein Schneidwerkzeug geschaffen, dessen Leistungsfähigkeit bei der Zerspanung gleich oder höher ist als die Leistungsfähigkeit eines funktionsgleichen, unverstärkten Werkzeugs. Dies liegt daran, dass beim verstärkten Schneidwerkzeug aufgrund des geringeren Gewichts auch geringere Flieh- und Trägheitskräfte wirken, sodass es im Vergleich zu bekannten Werkzeugen dynamischer bewegt werden kann. Zudem kann es bei einem gleichbleibenden Antrieb einer Werkzeugmaschine mit höheren Geschwindigkeiten und/oder Drehzahlen bewegt werden.
Das Schneidwerkzeug kann ein Fräswerkzeug, ein Drehwerkzeug, ein Bohrwerkzeug, ein Gewindeschneidwerkzeug, ein Räumwerkzeug, ein Dreh-Räumwerkzeug, ein Reibwerkzeug oder ein Entgratungswerkzeug sein. Das Schneidwerkzeug kann also für nahezu alle Arten der spanenden Bearbeitung genutzt werden. Dabei kann das Schneidwerkzeug insbesondere ein Innenfräser oder ein Außenfräser zur Kurbelwellenbearbeitung sein. Weiter insbesondere kann das Schneidwerkzeug zum Entgraten von Bohrungen in Hauptlagern und von Ölleitungen genutzt werden.
Ferner kann das Schneidwerkzeug ein Kombinationswerkzeug und/oder ein Mehrfunktionswerkzeug sein. Durch den insgesamt leichteren Aufbau des Schneidwerkzeugs ist es so möglich, Funktionen in einem Werkzeug zu kombinieren, die im Stand der Technik, insbesondere aus Gewichtsgründen, nicht kombinierbar waren. Es können also Schneidwerkzeuge mit einem vergrößerten Funktionsumfang geschaffen werden.
Das Verstärkungsmaterial kann geschlossen ringförmig um eine Drehachse des Schneidwerkzeugs verlaufen. Falls das Verstärkungsmaterial ein Aluminiummaterial ist, kann es beispielsweise in Form eines Ringbauteils vorliegen. Für den Fall, dass das Verstärkungsmaterial ein Fasermaterial ist, können verhältnismäßig lange Fasern oder Faserstränge verwendet werden. Somit können besonders gute mechanische Eigenschaften, z. B. Steifigkeiten, in Verbindung mit einem geringen Gewicht erreicht werden. Ferner wird das Schneidwerkzeug symmetrisch verstärkt. Durch diese Symmetrie in Verbindung mit dem geringen Gewicht des Schneidwerkzeugs können besonders hohe Drehzahlen und damit besonders hohe Zerspanungsleistungen erreicht werden.
Das Verstärkungsmaterial kann die Form einer Ringscheibe haben und vorzugsweise als vom Grundkörper separates Verstärkungsteil ausgebildet sein, das mit dem Grundkörper verbunden ist. Es kann also das Verstärkungsteil aus einem Aluminiummaterial oder einem Fasermaterial parallel zum Grundkörper gefertigt werden. In einem nachfolgenden Schritt wird der Grundkörper mit dem Verstärkungsteil verbunden. Es ergibt sich so eine effiziente Herstellung des Schneidwerkzeugs.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen gezeigt ist. Es zeigen:

- 1 ein erfindungsgemäßes Schneidwerkzeug gemäß einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 eine Detailansicht II des Schneidwerkzeugs aus 1,
- 3 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht und
- 4 das Verstärkungsteil aus 3 in einer Draufsicht.

1 zeigt ein Schneidwerkzeug 10 mit einem aus Metall hergestellten Grundkörper 12.
Es handelt sich dabei um ein Kombinationswerkzeug zur kombinierten Stirn- und Umfangsbearbeitung, das speziell für die Bearbeitung von Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren ausgebildet ist.
Genauso könnte das Schneidwerkzeug 10 jedoch auch ein Fräswerkzeug, ein Drehwerkzeug, ein Bohrwerkzeug, ein Gewindeschneidwerkzeug, ein Räumwerkzeug, ein Dreh-Räumwerkzeug, ein Reibwerkzeug, ein Entgratungswerkzeug und/oder ein Mehrfunktionswerkzeug sein.
Der Grundkörper 12 des Schneidwerkzeugs 10 ist mit einem Verstärkungsmaterial 14 verstärkt, das in der beschriebenen Ausführungsform ein Fasermaterial ist (siehe 2).
Dabei hat der Grundkörper 12 die Form einer Ringscheibe, an deren einer Stirnfläche das Verstärkungsmaterial 14 befestigt ist. Die andere Stirnfläche ist nicht sichtbar. An dieser kann selbstverständlich auch Verstärkungsmaterial 14 befestigt sein.
Das Verstärkungsmaterial 14 ist dabei außenseitig auf den Grundkörper 12 aufgebracht und daran befestigt.
Das Verstärkungsmaterial 14 verläuft im dargestellten Ausführungsbeispiel geschlossen ringförmig um eine Drehachse A des Schneidwerkzeugs 10.
Der Grundkörper 12 ist aus einem Stahlwerkstoff hergestellt und das Verstärkungsmaterial 14 ein Kohlefasermaterial.
Das Verstärkungsmaterial 14 kann alternativ ein Glasfasermaterial, ein Naturfasermaterial, ein Keramikfasermaterial und/oder ein Aramidfasermaterial sein. Auch kann der Grundkörper 12 aus jedem anderen Metall hergestellt sein.
Der Grundkörper 12 umfasst erste Funktionsflächen 16a, die als Sitz für einen Schneideinsatz 18, hier als Wendeschneidplattenaufnahmen, ausgebildet sind.
Darüber hinaus umfasst der Grundkörper 12 zweite Funktionsflächen 16b, die im weitesten Sinne als Kontaktflächen zu einer nicht weiter dargestellten Werkzeugmaschine ausgebildet sind.
Die Funktionsflächen 16a, 16b umfassen kein Verstärkungsmaterial 14.
Im dargestellten Schneidwerkzeug 10 sind exemplarisch zwei Schneideinsätze 18 vorgesehen, die in der dargestellten Ausführungsform Wendeschneidplatten sind.
Die Schneideinstätze 18 sind an am Grundkörper 12 angeordneten Schneideinsatzaufnahmen 20 befestigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch nicht alle Schneideinsatzaufnahmen 20 mit Schneideinsätzen 18 belegt.
Das Schneidwerkzeug 10 wiegt in der dargestellten Ausführungsform weniger als 15 kg und verfügt über eine Steifigkeit, die im Wesentlichen einer Steifigkeit eines funktionsgleichen, von seiner Außengeometrie identischen, unverstärkten Werkzeugs entspricht, das vollständig aus Stahl hergestellt ist.
Die 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform des Schneidwerkzeugs 10, bei der das Verstärkungsmaterial 14 ein Aluminiummaterial ist. Im Folgenden soll dabei lediglich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform eingegangen werden.
Das Verstärkungsmaterial 14 hat hier die Form einer Ringscheibe und ist als vom Grundkörper 12 separates Verstärkungsteil 22 ausgebildet.
Dieses ist über Schrauben 24 mit dem Grundkörper 12 verbunden.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind nun die Funktionsflächen 16b, mittels der das Schneidwerkzeug 10 mit einer nur abschnittsweise dargestellten Werkzeugmaschine 26 verbunden ist, am Verstärkungsteil 22 angeordnet.
In diesem Zusammenhang ist auch ein Drehmitnehmer 28 zu sehen, über den das Schneidwerkzeug 10 von der Werkzeugmaschine rotatorisch angetrieben wird.

Claims

Schneidwerkzeug (10) für Metall, mit einem aus Metall hergestellten Grundkörper (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) mit einem Verstärkungsmaterial (14) verstärkt ist.
Schneidwerkzeug (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial (14) ein Fasermaterial oder ein Aluminiummaterial, insbesondere ein Kohlefasermaterial, ein Glasfasermaterial, ein Naturfasermaterial, ein Keramikfasermaterial und/oder ein Aramidfasermaterial, ist.
Schneidwerkzeug (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
Schneidwerkzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Funktionsfläche (16a, 16b) des Schneidwerkzeugs (10) am Grundkörper (12) vorhanden ist, wobei vorzugsweise alle Funktionsflächen (16a, 16b) am Grundkörper (12) vorhanden sind.
Schneidwerkzeug (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche (16a, 16b) eine Kontaktfläche zu einer Werkzeugmaschine oder ein Sitz für einen Schneideinsatz (18), insbesondere für eine Wendeschneidplatte, ist.
Schneidwerkzeug (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfläche (16a, 16b) kein Verstärkungsmaterial (14), insbesondere kein Fasermaterial, umfasst.
Schneidwerkzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen oder mehrere Schneideinsätze (18), insbesondere eine Wendeschneidplatte, umfasst, wobei die Schneideinsätze (18) jeweils an einer am Grundkörper (12) angeordneten Schneideinsatzaufnahme (20) befestigt sind.
Schneidwerkzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial (14) außenseitig auf den Grundkörper (12) aufgebracht und daran befestigt ist.
Schneidwerkzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) die Form einer Ringscheibe hat, die an zumindest einer ihrer Stirnflächen das daran befestigte Verstärkungsmaterial (14) hat.
Schneidwerkzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Fräswerkzeug, ein Drehwerkzeug, ein Bohrwerkzeug, ein Gewindeschneidwerkzeug, ein Räumwerkzeug, ein Dreh-Räumwerkzeug, ein Reibwerkzeug oder ein Entgratungswerkzeug ist.
Schneidwerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Kombinationswerkzeug und/oder ein Mehrfunktionswerkzeug ist.
Schneidwerkzeug (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial (14) geschlossen ringförmig um eine Drehachse (A) des Schneidwerkzeugs (10) verläuft.
Schneidwerkzeug (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial (14) die Form einer Ringscheibe hat und vorzugsweise als vom Grundkörper (12) separates Verstärkungsteil (22) ausgebildet ist, das mit dem Grundkörper (12) verbunden ist.