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Die Erfindung betrifft ein Fräswerkzeug zur Bearbeitung von faserverstärkten Werkstoffen, wie insbesondere einen entsprechenden Schaft- oder Stirnfräser.
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Bei der spanabhebenden Bearbeitung von faserverstärkten Werkstoffen, wie z.B. CFK, GFK oder polyesterfaserverstärkten Kunststoffen, stellt sich das Problem, dass es zu einem Ausreißen oder Aufspleißen der einzelnen Fasern kommen kann, die dann gegenüber der bearbeiteten Oberfläche vorstehen. Um dieses Problem zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, ist es bekannt, zunächst in einer Grobbearbeitung und anschließend mit einer Nachbehandlung zu arbeiten. Bei der Grobbearbeitung, auch Schruppen genannt, wird das Werkstück mit großem Vorschub des Werkzeugs bearbeitet und nachfolgend bei dem Vorgang des Schlichtens wird die Oberflächengüte verbessert. Entsprechend ist bekannt, dass man die Bearbeitung des Schruppens und Schlichtens in einem Werkzeug vornehmen kann. Dafür werden in den Werkzeugen, die unter
DE37 42 942 C2 oder
DE 20 2012 012 984 U1 offenbart sind, Abschnitte zum Schruppen und Abschnitte zum Schlichten hintereinander angeordnet.
US 3 947 143 A offenbart einen Bohrer mit Rillen und
DE 20 2016 003 608 U1 offenbart ein weiteres Fräswerkzeug.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Bearbeitungsergebnisse bei der spanabhebenden Bearbeitung von faserverstärkten Werkstoffen zu verbessern. Neben der Maßhaltigkeit ist es dabei das vorrangige Ziel, dass keine ausgerissenen bzw. vorstehenden Fasern an der bearbeiteten Oberfläche sind.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder von Anspruch 2 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Zerspanungswerkzeug zur spanenden Bearbeitung von faserverstärkten Werkstoffen umfasst eine Vielzahl von ersten und zweiten Mantelrillen, wobei die ersten Mantelrillen und die zweiten Mantelrillen sich in Schnittlinien schneiden. Die Schnittlinien sind als Schneidkanten ausgeführt. Die Schneidkanten können in der Nomenklatur, die beim Drehen üblich ist, auch als Nebenschneiden bezeichnet werden. Das Zerspanungswerkzeug weist zudem erfindungsgemäß eine Vielzahl von dritten und vierten Mantelrillen auf, die Schnittlinien bilden und die als Spannuten ausgeführt sind und eine Tiefe aufweisen, die mindestens doppelt so groß ist, wie die größere Tiefe, die die ersten und zweiten Mantelrillen haben. Das Zerspanungswerkzeug ist insbesondere ein Rotationswerkzeug und bevorzugt ein Schaftfräser, ein Scheibenfräser. Es haben jeweils die ersten Mantelrillen bevorzugt die gleiche Tiefe. Insbesondere haben auch die zweiten Mantelrillen jeweils die gleiche Tiefe. Die ersten und zweiten Mantelrillen haben insbesondere gemeinsam die gleiche Tiefe, wobei insbesondere Tiefenabweichungen von +/-15° als praktisch gleich angesehen werden. Die Schneidkanten sind also bevorzugt nicht in der Materialbearbeitungsebene ausgerichtet, sondern haben eine vorwiegende Erstreckung in radialer Richtung. Die Materialbearbeitungsebene ist eine Ebene die durch die Richtungsvektoren des Werkzeugvorschubs und der Werkzeugaxialrichtung aufgespannt wird. Wenn sich das Werkzeug mit den einzelnen Schneidelementen in das Werkstück drückt, so kommen die Schneidkanten in Kontakt mit den Fasern der Verstärkung und schneiden sie sauber ab. So wird eine glatte und maßhaltige Oberfläche erhalten.
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Das Zerspanungswerkzeug zur spanenden Bearbeitung von faserverstärkten Werkstoffen kann eine Vielzahl von rechteckförmigen oder parallelogrammförmigen Bereichen aufweisen, die an der Mantelfläche des Zerspanungswerkzeugs angeordnet sind. Diese Bereiche können durch Vertiefungen voneinander getrennt sein und die Bereiche können vorstehende Abschnitte umfassen, die durch eine materialabhebende Bearbeitung eines Grundkörpers in zumindest zwei unterschiedlichen Richtungen hergestellt worden sind. Diese Bereiche weisen dann jeweils eine Vielzahl von Schneidkanten auf. So werden vertiefte Abstände zwischen den Bereichen der Zerspanung geschaffen, die die Schneidspäne aufnehmen können. Die Tiefe der Vertiefungen ist mindestens 60% tiefer (bevorzugt mindestens doppelt so tief), wie der Grund der tiefsten Vertiefung im genannten Bereich, gemessen von der höchsten Erhebung innerhalb des Bereichs. Auch können die Vertiefungen bis 5 mal oder in anderen Anwendungen bis 3 mal so tief sein.
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Insbesondere ist in einer Ebene, die die Werkzeuglängsachse beinhaltet und die senkrecht zur Ebene der Materialbearbeitung liegt, ein Scherwinkel als der Öffnungswinkel definiert, der sich zwischen der Ebene der Bearbeitung und den Schneidkanten ergibt. Bei mehr als 10% der Schneidkanten ist der Scherwinkel größer als 20° und kleiner als 90° und ist insbesondere kleiner als 70°. Dies betrifft eine jeweilige Mantelrille und die entsprechende Gegen-Mantelrille, also eine Rechts- und eine Links-Spirale. An diesen Schneidkanten wird das zu bearbeitende Material geschnitten. Dabei werden auch die enthaltenen Fasern zertrennt. Die Kunststoffmatrix sorgt dafür, dass die Fasern in einer Art des Abscherens zertrennt werden. Bevorzugt wird bei sämtlichen Schneidkanten der genannte Winkelbereich eingehalten. Allerdings ist die geometrische Situation recht komplex, da sich ggf. bis zu vier Mantelrillen schneiden. So kann nicht ausgeschlossen werden, dass ein geringer Teil der Schneidkanten sich nicht im bevorzugten Wertebereich einstellt.
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Vorteilhaft ist, wenn die ersten und zweiten Mantelrillen in einem Winkel von größer als 40° und kleiner als 150° zueinander ausgerichtet sind. Bei dieser Betrachtung wird der kleinere der beiden Schnittwinkel eines Schnittpunkts betrachtet. Bevorzugt liegen entweder die ersten oder zweiten Mantelrillen in einem Winkel in Bezug zu einer Mantelaxiallinie, der kleiner als 15° und somit relativ klein ist. So werden die Späne an diesen Schneiden nicht sonderlich verdreht. Auch wird dadurch das Scheren an den nachfolgend erläuterten Schneidkanten deutlich verbessert.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn das Zerspanungswerkzeug eine Vielzahl von vierten Mantelrillen aufweist, die eine Tiefe haben, die mindestens doppelt so groß ist, wie die größere Tiefe, wie etwa 3-fache oder vierfache Tiefe oder bis zu 5facher Tiefe, die die ersten und zweiten Mantelrillen haben. Dabei können insbesondere die dritten und vierten Mantelrillen in einem Winkel von größer als 40° zueinander stehen. Insbesondere können sie in einem Winkel von 90° +/- 10° zueinander stehen und dabei in einem Winkel von 45° +/- 10° zu der Mantelaxiallinie. Durch diese Ausrichtung wird der Spanabtransport erleichtert.
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Insbesondere sind innerhalb der vorstehenden Bereiche, die sich insbesondere zwischen den dritten und vierten Mantelrillen ergeben, Schneiden vorgesehen, die in der Bearbeitungsebene der Werkstückbearbeitung liegen, wobei der Spanwinkel kleiner als 25° ist, bevorzugt kleiner als 10° und höchst bevorzugt negativ ist und dabei bspw. kleiner als -1° ist. Insbesondere hat keine der Schneiden einen Spanwinkel, der größer als 25° ist. Wenn der Schneidkörper als eine pyramidenförmige Erhebung ausgebildet ist, so kann die Schneide aus einem einzigen Punkt gebildet sein. Negative Spanwinkel von bis zu -25° sind ebenfalls vorteilhaft. Bevorzugt hat keine der Schneiden einen Spanwinkel, der größer als 10° oder besonders bevorzugt, der positiv ist. Große Spanwinkel bedeuten, dass man mit dem Werkzeug der Herstellung der Mantelrillen, insbesondere einem Schleifwerkzeug überaus schräg in das Material einschneiden muss. Die so entstehenden dünnen und spitz zulaufenden Schneiden sind nachteilig bei der Standzeit, da sie brechen können.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn das Zerspanungswerkzeug Schneidkanten umfasst, die in einem Winkel zu der Bearbeitungsebene stehen, wobei dieser Winkel zwischen 10° und 90° liegt und insbesondere zwischen 30° und 70° liegt. Die Bearbeitungsebene definiert sich über die Kontaktlinie des Werkzeugs zum Material mit der Lateralbewegungsrichtung des Werkzeugs. Eine Senkrechte dazu ist die Radialrichtung des Werkzeugs in Richtung zu der Linie der Materialbearbeitung. Der bezeichnete Winkel bedeutet, dass an einer Flanke eines Schneidkörpers, der sich an der Werkzeugmantelfläche erhebt, in Werkzeuglängsrichtung bearbeitet wird. Bei einem herkömmlichen Werkzeug hingegen wird vor allem mit einer radial vorstehenden Schneidkante bearbeitet. Bei dieser Erfindung hingegen wurde erkannt, dass der Kunststoff aufgrund seiner Elastizität etwas komprimiert werden kann. Beim Ende jedes einzelnen Schneidkörpers in Werkzeugaxialrichtung hat der Kunststoff dann die Tendenz sich zum Werkzeug hin zu entspannen und so können die bezeichneten Schneidkanten die einzelnen Fasern zertrennen, ohne sie aus dem Trägermaterial herauszureißen. Als Schneidkörper wird insbesondere das vorstehende Material zwischen den ersten und zweiten Mantelrillen 10 und 20 betrachtet, und v.a. in 2 oder 3 sind diese Schneidkörper als eine Art Berglandschaft vorstehender Pyramiden sichtbar.
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Aus dem beschriebenen Aufbau kann sich insbesondere ergeben, dass das Werkzeug zudem Schneidkanten umfasst, die sich als Schnittlinien von den dritten Mantelrillen bzw. den vierten Mantelrillen mit den ersten Mantelrillen oder mit den zweiten Mantelrillen ergeben. Diese Schneidkanten liegen wie auch die anderen Schneidkanten bevorzugt nicht in der Werkstückbearbeitungsebene. Diese Schneidkanten liegen insbesondere in den Bereichen, in denen keine Materialentfernung durch die ersten und/oder zweiten Mantellinien stattgefunden hat. Entsprechend ist es zudem oder alternativ möglich, dass sich zudem Schnittlinien von den dritten Mantelrillen mit den vierten Mantelrillen ergeben.
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In einem Verfahren der spanenden Bearbeitung eines Werkstücks aus einem faserverstärkten Kunststoff, wird eine Vielzahl von Schneidelementen in Eingriff mit dem Werkstück gebracht und die Schneidelemente weisen eine Schneide auf, die in der Bearbeitungsebene der Werkstückbearbeitung liegt, und einen Schneidwinkel umfasst, der im Bereich von - 30° bis +25° liegt. Bevorzugt liegt der Schneidwinkel in einer ersten Ausführungsform im Bereich von -10° bis + 10° oder liegt bevorzugt in einer zweiten Ausführungsform im Bereich von -40° bis 0°. Zudem und/oder alternativ können die Schneidelemente dabei Schneidkanten aufweisen, die während des Schneidens in einem Winkelbereich von 0° bis 60° zur radialen Richtung stehen.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn das Schneidwerkzeug ein Rotationswerkzeug ist und für Linkslauf und Rechtslauf geeignet ist. Dies ergibt sich insbesondere, wenn die Mantelrillen mit einem (spiegel-)symmetrischen Schleifwerkzeug mittig in das Schneidwerkzeug eingearbeitet werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der Figuren beispielshaft beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische seitliche Ansicht eines Schaftfräsers 1,
- 2 einen Abschnitt des Schaftfräsers der 1,
- 3 ein Detail des Schaftfräsers,
- 4 einen axialen Schnitt senkrecht durch den Schaftfräser,
- 5 einen schrägen Schnitt durch den Schaftfräser, so dass eine der tieferen Mantelrillen 30 langflächig geschnitten wird, und
- 6 eine schematische Ansicht einer Schneide.
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1 und 2 zeigen jeweils in einer seitlichen Ansicht einen Fräser. Dabei sind in 1 sämtliche Kanten eingeblendet, wobei bei 2 nur wesentliche Kanten gezeigt sind. Und in 2 ist der schaftseitige Auslauf von den Mantelrillen 10, 20 und 30 gezeigt. Hingegen ist in 1 das stirnseitige Ende des Fräskopfes gezeigt. Das Fräswerkzeug 1 wurde durch eine spanabhebende Bearbeitung eines Rundmaterials hergestellt. Dabei wurden an der Mantelfläche mehrere Mantelrillen 10, 20, 30 und 40 in das Material eingearbeitet, bevorzugt eingeschliffen. Eine Mantelrille ist eine Rille, die an der Mantelfläche des Fräswerkzeugs 1 sichtbar ist und durch eine entsprechende Entfernung von Material gekennzeichnet ist. Die Mantelrillen laufen bevorzugt spiralförmig um das Werkzeug. Ebenso können die Mantelrillen ohne eine Steigung, sondern in Längsrichtung, also parallel zur Längsachse L des Werkzeugs ausgerichtet sein. Beim Schleifen der Mantelrillen kann ein rotierendes Schleifwerkzeug verwendet werden. Die Querschnittsgeometrie des Schleifwerkzeugs bildet sich also im Querschnitt der Mantelrille ab. Hieraus ergibt sich, dass die Mantelrillen bevorzugt konkav sind, wobei insbesondere die Mittelachse L des Werkzeugs als Bezug herangezogen wird. Mit einer Verschiebung des Schleifwerkzeugs entlang seiner Längsachse kann man aber auch schräg in das Werkzeug einstechen, um so Mantelrillen zu erzeugen, die abschnittsweise einen Hinterschnitt aufweisen. Dieser Hinterschnitt tritt dann an den Abschnitten des Werkzeugs auf, die radial am weitesten vorstehen. So kann der Schneidwinkel β und Spanwinkel γ (siehe 6) bestimmt werden. Wo sich unterschiedliche Mantelrillen schneiden ergeben sich Schnittlinien. Der Begriff Schnittlinie bezeichnet die geometrische Eigenschaft, dass eine Linie entsteht, wenn zwei (gewölbte) Flächen sich schneiden.
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Bei der Herstellung des Werkzeugs werden zunächst die Mantelrillen 10 und 20 in das Werkzeug eingearbeitet. Alternativ können zunächst die später erläuterten Mantelrillen 30 und 40 und anschließend die Mantelrillen 10 und 20 eingearbeitet werden. Diese Mantelrillen 10, 20 sind in 2 bei dem Auslauf des Schneidbereichs, also im Übergang zum Werkzeugschaft 5 gut sichtbar. Die Mantelrillen 10 sind nicht unterbrochen gezeigt, was bedeutet, dass sie etwas tiefer als die Mantelrillen 20 sind. Sämtliche Mantelrillen 10 bzw. 20, die gleich ausgerichtet sind, sind bevorzugt gleich tief. Die Mantelrillen 10 können gleich tief sein wie die Mantelrillen 20. Mit dem Winkel b ist in 1 der Winkel zwischen diesen Mantelrillen 10, 20 eingezeichnet. Er kann bevorzugt zwischen 40° und 150° liegen. Entweder die Mantelrillen 10 oder 20 können in einem Winkel e relativ zur Längsachse L liegen oder genauer gesagt zu einer dazu parallelen Mantellängslinie. Der Winkel e kann bevorzugt zwischen 10° und 70° liegen. Besonders bevorzugt liegt er zwischen 15° und 60°. Dadurch ergeben sich die Mantelrillen, die teils weitgehend in der tangentialen Rotationsrichtung des Werkzeugs liegen und teils um einen großen Winkel von fast 90° dazu verdreht sind. Ein kleinerer Winkel ist nicht vorteilhaft, da dann eine gleichmäßige Abdeckung der Werkstückoberfläche mit den vorstehenden Schneiden des Werkzeugs nicht mehr so gut sichergestellt ist. Auch wären dann die in 3 gezeigten Schneidkanten 50 zu sehr bei der gleichen Position in axialer Werkzeugrichtung.
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Zusätzlich sind in 1 zwei weitere Gruppen weiterer Mantelrillen 30 und 40 sichtbar. Diese haben eine deutlich größere Tiefe und schneiden das Material der ersten Mantelrillen 10 und 20 weg. Diese Mantelrillen dienen dem Abtransport der Schneidspäne und haben bevorzugt eine Winkelausrichtung c von zwischen 40 und 150° zueinander und insbesondere von 10° - 70° zu der Werkzeuglängsachse bzw. Mantellängsrichtung. In alternativen Ausführungsformen kann der Winkel zwischen 15° und 60° liegen. Ein relevanter Aspekt der tieferen Mantelrillen liegt in der Möglichkeit der Kühlung durch Luft oder ein Fluid.
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Das Detail der 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung der 2. Dabei sind als weiße Flächen die Vertiefungen sichtbar, die den Mantelrillen 30 und 40 entsprechen.
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Dazwischen ergeben sich rechteckförmige (bzw.prallelogrammförmige) Bereiche, die erhaben sind und die jeweils eine Vielzahl von Schneidkanten 50, 52 und 54 aufweisen. Die Schneidkanten 50 sind Schneidkanten, die sich an den Schnittlinien der ersten und zweiten Mantelrillen 10 und 20 ergeben und die im Wesentlichen innerhalb der genannten vorstehenden Bereiche liegen. Ferner können sich Schneidkanten 54 bei den Schnittlinien der tieferen Mantelrillen 30 und 40 dann ergeben, wenn an diesen Stellen durch die nicht so tiefen ersten und zweiten Mantelrillen kein Materialabtrag stattgefunden hat, wie es in 3 und 5 sichtbar ist. Zudem können sich weitere Schneidkanten 52 an den Schnittlinien von den Mantelrillen 30 bzw. 40 mit den Mantelrillen 10 und 20 ergeben.
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In 6 ist ein Schneidkeil gezeigt, wie bei der herkömmlichen Materialbearbeitung verwendet wird. Die Schneide mit dem Schneidkeilwinkel β liegt an der radial außen liegenden Mantelfläche des Werkzeugs. Ein relativ schmaler Schneidkeil β schneidet in das zu bearbeitende Material und dabei formt sich ein Span, der im Spanwinkel γ entlang der Spanfläche abgleitet. Bevorzugt ist bei der vorliegenden Erfindung der Spanwinkel γ sehr klein oder negativ. Spanwinkel γ kann bevorzugt zwischen -20° und 20° liegen. Bei einem negativen Spanwinkel γ hat das zu bearbeitende Werkstück die Tendenz sich vom Werkzeug wegzudrücken und dabei zu verformen. Hier zeigt sich eine Besonderheit der faserverstärkten Kunststoffe dahingehend, dass die Elastizität deutlich größer ist, als bei metallischen Werkstoffen und somit sich besser verformen lassen. In diesem Sinne dient die Schneide β nur teilweise zu dem Materialabhub. Wichtig sind für die Materialbearbeitung vielmehr auch die Schneidkanten 50, 52 und 54 die teilweise radial ausgerichtet sind, bzw. einen radialen Anteil haben. Die Schneidkanten liegen in axialen Enden der Schneiden 60. Die vorstehend beschriebene Materialkompression durch die Schneiden 60 besteht nur lokal und endet in axialer Richtung mit dem Ende der Schneide. So will sich dort das Material entspannen und kann dies nur teilweise, da die Faserverstärkung dem entgegen wirkt. Aufgrund der Ausrichtung der Schneidkanten wird bewirkt, dass die verstärkenden Fasern entlang ihren Längsrichtungen getrennt werden. Dies ist ein grundsätzlich anderer Wirkmechanismus als bei aus dem Stand der Technik bekannten Schneiden, die mit einem großen Spanwinkel versehen sind, der dort bewirkt, dass die Fasern aus dem Material herausgebogen, bzw. -gehoben werden.
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In 3 ist ersichtlich, dass es zu deutlich unterschiedlichen Winkelausrichtungen der Schneidkanten 50, 52 und 54 kommen kann, abhängig davon, wie die unterschiedlichen Mantelrillen 10, 20, 30 und 40 sich schneiden. Hierdurch werden die Fasern in unterschiedlichen Winkellagen geschnitten. Wenn die Fasern der Faserverstärkung in dem Schneidvorgang an den Schneidkanten zerschnitten sind, so kann der Span nachfolgend abgehoben werden, ohne dass es zu einem Hochbiegen von Faserresten kommt. Ein relativ kleiner oder negativer Spanwinkel γ reicht dann aus, um den Span abzuheben. Die dritten und vierten Mantelrillen 30 und 40 haben eine deutlich größere Tiefe als die anderen Mantelrillen 10 und 20 und dienen dem Spanabtransport. Die Tiefe kann mindestens 60% tiefer als die Mantelrillen 10 oder 20 sein oder bis zu dem drei- oder vierfachen deren Tiefe aufweisen. Bevorzugt können sie doppelt so tief sein. Bei der Verwendung von einem Kühlmittel dienen Sie zudem als Kühlmitteltaschen. Diese Schneidkanten 50, 52 und 54 haben weitgehend die gleiche Funktion. Neben einer Flüssigkeitskühlung wird bevorzugt eine Luftkühlung verwendet. Die konkave Form der dritten und vierten Mantelrillen 30, 40, die insbesondere eckenfrei ist, bewirkt eine Reflektion des Kühlmittelstroms.
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4 zeigt die Größen der dritten und vierten Mantelrillen 30, 40 in Bezug auf die Größen der Schneidelemente, die sich zwischen den ersten und zweiten Mantelrillen 10, 20 ergeben, wie sie bei einem Werkzeug mit 8mm Außendurchmesser zur Anwendung kommen. So ist das Volumen der Schneidelemente gemessen von dem Grund der ersten und zweiten Mantelrillen ausgehend mindestens das 5-fache bevorzugt mindestens das Achtfache wie das Volumen der Vertiefungen ersten und zweiten Mantelrillen 30, 40 ebenfalls ausgehend vom Grund der ersten und zweiten Mantelrillen 10,20. Zudem ist in 4 der Schaft 5 des Werkzeugs sichtbar. Bei größeren Werkzeugdurchmessern können die Tiefen der dritten und vierten Mantelrillen unverändert bleiben, da die Größe der Schneidspäne nicht mit der Größe des Werkzeugs steigt. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt die Tiefe der dritten und vierten Mantelrillen 30, 40 gemessen ab dem Grund der ersten und/oder zweiten Mantelrillen 10, 20 ca. 0,6 +/- 0.3mm. Allgemein gesagt kann bevorzugt mit Blick auf größere Werkzeugdurchmessern (z.B. 20mm) deren Tiefe im Bereich von 1,3 +/- 0,8 mm liegen.
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Die Tiefe der ersten und zweiten Mantelrillen beträgt bevorzugt zwischen 0, 2 und 1,5 mm. Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt diese Tiefe zwischen 0,5 und 1,0 mm. Die dritten und vierten Mantelrillen haben eine Tiefe von bevorzugt bis zu 2,5 mm.
