DE102018108767A1

DE102018108767A1 - Rotationswerkzeug

Info

Publication number: DE102018108767A1
Application number: DE102018108767.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Hänle
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotationswerkzeug (1) zur spanenden Bearbeitung von großen Innendurchmessern, an dessen Außenumfang (2) zumindest eine Schneide (4) angeordnet ist, mit einer Trägerstruktur (10), die die zumindest eine Schneide (4) mittelbar oder unmittelbar trägt, und mit einem Spannabschnitt (24) zur Ankopplung an eine Werkzeugaufnahme, wobei sich die Trägerstruktur (10) ausgehend von einem dem Spannabschnitt (24) benachbarten Kopplungsabschnitt (11) schirmartig aufweitet und durch eine Versteifungsstruktur (12) radial versteift ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Rotationswerkzeug / rotierendes Werkzeug, beispielsweise in Form einer Reibahle oder einer Stufenreibahle, zur spanenden Bearbeitung von großen Innendurchmessern, an dessen Außenumfang zumindest eine Schneide angeordnet ist, mit einer Trägerstruktur, die die zumindest eine Schneide mittelbar oder unmittelbar trägt, und mit einem Spannabschnitt zur Ankopplung an eine Werkzeugaufnahme. Der Spannabschnitt kann dabei beliebig geformt sein, vorzugsweise eine solche Form haben, dass er über gängige Werkzeugaufnahmen, wie beispielsweise eine HSK-Aufnahme (Hohlschaftkegel-Aufnahme), an die entsprechende Spindel einer Werkzeugmaschine gekoppelt werden kann.
Stand der Technik
Insbesondere durch den Umstand, dass immer mehr elektromotorische Antriebe oder konventionelle Getriebe mit höherer Gangzahl benötigt werden, stellt sich verschärft das Problem, große Innendurchmesser, wie beispielsweise den Innendurchmesser eines Statorgehäuses eines Elektromotors, spanabhebend mit hoher Präzision zu bearbeiten. Die hier eingesetzten Bearbeitungswerkzeuge müssen formstabil und dennoch gut handhabbar sein. Insbesondere muss das Werkzeug auch von einem automatischen Werkzeugwechsler einer Bearbeitungsmaschine sicher gehandhabt werden können.
Für den Wirkungsgrad eines Elektromotors ist aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Rotor und Stator eine genaue Einhaltung vorgegebener geometrischer Maße von entscheidender Bedeutung. Da das Bearbeitungswerkzeug für Bearbeitung von großen Innendurchmessern ein beträchtliches Volumen erhält, muss beachtet werden, dass sich das Gewicht des Rotationswerkzeugs nicht negativ auf die Maßhaltigkeit der Bearbeitung auswirkt. Auch soll eine Herstellung mit verfügbaren Materialien wirtschaftlich noch realisierbar sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Rotationswerkzeug insbesondere für die spanabhebende Herstellung von Bohrungen großer Durchmesser zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine sehr gute Handhabung auszeichnet, so dass bei einer Bearbeitung eine Einhaltung der Maßhaltigkeit der Bohrung sichergestellt ist. Dieses Rotationswerkzeug soll zudem kostengünstig herstellbar sein und dennoch den Anforderungen einer hohen mechanischen Belastbarkeit gewachsen sein.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Rotationswerkzeug erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich die Trägerstruktur ausgehend von einem dem Spannabschnitt benachbarten Kopplungsabschnitt schirmartig oder maulartig aufweitet/erweitert und durch eine Versteifungsstruktur radial versteift ist. Durch die schirmartige oder maulartige Aufweitung der Trägerstruktur kann einerseits eine gute Drehmomentübertragung von dem Spannabschnitt auf die Trägerstruktur sichergestellt und andererseits das Rotationswerkzeug in Leicht-Bauweise konstruiert sowie kostengünstig und einfach hergestellt werden. Das zur Verfügung gestellte Rotationswerkzeug ist damit so gestaltet, dass das für seinen Aufbau benötigte Material möglichst klein ist. Die „Hauptfunktion“ der spanenden Bearbeitung übernimmt die Trägerstruktur, wobei von dem Spannabschnitt ausgehend das Drehmoment bzw. die Kraft in die Trägerstruktur eingeleitet wird, wohingegen die Versteifungsstruktur eine „Nebenaufgabe“ erfüllt und die Trägerstruktur in radialer Richtung versteift, so dass die zumindest eine Schneiden an dem Außenumfang des Rotationswerkzeugs in radialer Richtung gestützt wird. Durch die schirmartige oder maulartige Aufweitung kann aufgrund eines hohen Abstandes der Trägerstruktur von einer Rotationsachse des Rotationswerkzeugs ein entsprechend großes Torsionswiderstandsmoment der Trägerstruktur und damit des Rotationswerkzeugs bereitgestellt werden. Es ergibt sich durch die schirmartige Aufweitung ein radial innenliegender Bereich bzw. radial innenliegendes Volumen des Rotationswerkzeugs, welches, wie oben geschrieben, außerhalb der Drehmomentübertragung des Rotationswerkzeugs liegt bzw. an der Drehmomentübertragung nicht beteiligt ist. Dieses außerhalb der Kraftübertragung gelegene „frei verfügbare“ Volumen ermöglicht es, eine Versteifungsstruktur in das Rotationswerkzeug mit zu integrieren, welche die Trägerstruktur in radialer Richtung versteift, jedoch das Gesamtgewicht des Werkzeugs nur unwesentlich erhöht. Durch das geringe resultierende Gewicht des Rotationswerkzeugs, ist das Rotationswerkzeug selbst dann, wenn es eine erhebliche axiale Länge erfordert, weitaus besser handhabbar als es nach dem Stand der Technik der Fall ist. Damit einhergehend verringern sich dynamische Unwuchtkräfte und gewichtsbedingte Durchbiegungen des Rotationswerkzeugs, wodurch die Arbeitsgenauigkeit wesentlich angehoben wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Versteifungsstruktur in Form eines Zug-/Druck-Strebengerüsts ausgebildet sein. Die Versteifungsstruktur in Form des Zug-Druck-Strebengerüsts eignet sich in besonderer Weise für eine Leichtbau-Gestaltung, da sie in konstruktiv einfacher Weise dafür angepasst werden kann, in vorbestimmten Richtungen besonders hohe Zug- und Druckkräfte aufzunehmen. Der Begriff Zug-/Druck-Strebengerüst bezieht sich nicht nur auf eine Fachwerkkonstruktion, sondern das Zug-/Druck-Strebengerüst kann auch 3D-förmig ähnlich einer Struktur wie beispielsweise bei einem Knochentrabekel eines Knochens gestaltet sein. Es sind für die Versteifungsstruktur beliebige komplexe 3D-Strukturen möglich. Entscheidend ist, dass die Versteifungsstruktur Hohlräume durch das Zug-/Druck-Strebengerüst ausbildet und Kräfte über Streben des Zug-/Druck-Strebengerüsts, die hauptsächlich auf Zug-Druck ausgelegt sind, zwischen Verbindungspunkten der Streben geleitet bzw. übertragen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Trägerstruktur zumindest zwei in Bezug auf eine Rotationsachse des Rotationswerkzeugs diametral gegenüberliegende Trägerabschnitte aufweisen, die jeweils zumindest eine Schneide mittelbar oder unmittelbar tragen und von der Versteifungsstruktur miteinander verbunden werden. Das Rotationswerkzeug weist also radial außen zwei sich gegenüberliegende Schneiden tragende Trägerabschnitte auf, welche durch die im Wesentlichen radial innenliegende Versteifungsstruktur miteinander verbunden sind. Während, wie oben beschrieben, die Trägerabschnitte das Tragen der Schneiden zur Aufgabe haben und gewissermaßen den Funktionsabschnitt des Rotationswerkzeugs zur spanenden Bearbeitung realisieren, ist die Aufgabe der Versteifungsstruktur, für eine steife Verbindung der beiden Trägerabschnitte miteinander und mit dem Spannabschnitt zu sorgen. Durch die sich diametral gegenüberliegenden Trägerabschnitte kann eine durch die Bearbeitung auftretende Kraft von dem einen Trägerabschnitt über die Versteifungsstruktur auf den anderen Trägerabschnitt übertragen werden und vice versa, so dass sich die beiden Trägerabschnitte gegeneinander bzw. gegenseitig stützen.
Es ist von Vorteil, wenn die Versteifungsstruktur zumindest zwei radial verlaufende Streben aufweist. Durch die Streben in radialer Richtung können Kräfte in radialer Richtung aufgenommen werden. Insbesondere können durch die Streben sich diametral gegenüberliegende Trägerabschnitte verbunden werden.
Vorzugsweise können zumindest zwei Streben in einer Ebene orthogonal zu der Rotationsachse und vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. Die zumindest zwei Streben müssen nicht zwingendermaßen die Rotationsachse schneiden, sondern können in einer Ebene orthogonal zu der Rotationsachse versetzt angeordnet sein. Vorzugsweise verbinden die zumindest zwei Streben die Trägerabschnitte.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die Versteifungsstruktur, in axialer Richtung gesehen, gitterartig ausgebildet ist. Die Ausbildung der Versteifungsstruktur als gitterartiges/gitterförmiges Zug-/Druck-Strebengerüst ist dahingehend vorteilhaft, dass die einen parallel zueinander ausgebildeten Streben und die zumindest eine weitere, dazu im Winkel verlaufenden, insbesondere parallel zueinander ausgebildeten, Streben die Kräfte der Trägerstruktur in die jeweiligen bevorzugten Richtungen aufnehmen können. Insbesondere weist bei der Ausführungsform von zwei sich diametral gegenüberliegenden Trägerabschnitten, die Versteifungsstruktur drei parallel zueinander angeordnete Streben auf, welche die Trägerabschnitte miteinander verbinden, und eine weitere, diese Streben senkrecht schneidende und mittig zwischen den Trägerabschnitten angeordnete Strebe zur Versteifung auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Versteifungsstruktur zumindest zwei axial versetzt angeordnete Streben aufweisen. Vorzugsweise schneiden diese Streben die Rotationsachse. Auf diese Weise wird das Rotationswerkzeug entlang seiner axialen Erstreckung zusätzlich in radialer Richtung versteift.
Insbesondere kann die Versteifungsstruktur eine koaxial zur Rotationsachse verlaufende Strebe aufweisen. Diese koaxial zur Rotationsachse verlaufende Strebe kann zur axialen Versteifung herangezogen werden.
Vorteilhafterweise können die Streben zylinderförmig und/oder quaderförmig und/oder rohrförmig, also mit Hohlquerschnitt ausgestaltet sein. Die Streben können im Querschnitt gesehen eine kreisförmige, rechteckförmige oder ringförmige Struktur aufweisen. Diese Ausgestaltung dient einer optimierten Zug- und Druckaufnahme der Streben. Dabei kann sich die Abmessung des Querschnitts innerhalb einer Strebe ändern. Beispielsweise kann eine Strebe mit (im Querschnitt) kreisförmiger oder ringförmiger Struktur verschiedene Durchmesser entlang seiner Längsachse aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Trägerstruktur und/oder die Versteifungsstruktur generativ bzw. additiv, hergestellt sein. Das generative/generische Fertigungsverfahren bzw. die additive Fertigung (additive manufacturing) erlaubt eine besonders effektive Fertigung von komplexen Bauteilgeometrien, wodurch es gelingt, die Trägerstruktur individuell an eine auftretende mechanische Belastung anzupassen und damit eine Leicht-Bauweise zu schaffen, welche gegenüber herkömmlichen Verfahren bei vorgegebener Steifigkeit noch weniger Material benötigt. Auch lassen sich durch die additive Fertigung Hinterschnitte einbringen. Ebenso kann die Trägerstruktur so gestaltet werden, dass in unterschiedlichen Bereichen der Trägerstruktur unterschiedliches Material eingesetzt und somit eine Auslegung der mechanischen Belastung und ebenso einer Wärmedehnung weiter verbessert werden kann. Insbesondere können die Streben der Versteifungsstruktur ein anderes Material als die Trägerabschnitte der Trägerstruktur aufweisen. Vorzugsweise wird in diesem Fall die Trägerstruktur durch selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen hergestellt.
Die generative bzw. additive Herstellung einer in Leicht-Bauweise ausgeführten Trägerstruktur mit integrierter Versteifungsstruktur, insbesondere für die Gestaltung von drehangetriebenen Werkzeugen zur Bearbeitung großer und ggf. tiefer Bohrungen ist Gegenstand einer selbstständigen Erfindung.
Der vorstehend beschriebene Aufbau des Rotationswerkzeugs kann auch in vorteilhafter Weise dazu herangezogen werden, die Arbeitsgenauigkeit des Werkzeugs bei thermischer Beanspruchung bzw. bei Erwärmung im Einsatz zu verbessern.
In einer bevorzugten und ggf. unabhängig zu beanspruchenden Variante kann die Trägerstruktur und/oder die Versteifungsstruktur einen (mittleren) Wärmeausdehnungskoeffizienten / eine Längenausdehnungszahl / Ausdehnungskoeffizienten von unter $10 \cdot 10^{- 6} \frac{1}{K} (10 E^{-6} 1 / K, 10 \times 10^{\land} (- 6) 1 / K,)$
besonders bevorzugt von unter $7 \cdot 10^{- 6} \frac{1}{K}$
und ganz besonders bevorzugt von unter $2 \cdot 10^{- 6} \frac{1}{k} (2E-6 1 / K),$
im Temperaturbereich von 0 bis 80°C aufweisen. Besonders bevorzugt, weist die Trägerstruktur auch im Temperaturbereich von 0 bis 300°C einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von unter $2 \cdot 10^{- 6} \frac{1}{K}$
auf. Durch den besonders geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Trägerstruktur wird die geometrische Änderung in insbesondere radialer Richtung beschränkt, was sich insbesondere bei großen Nenndurchmessern positiv auf eine Maßhaltigkeit der mit dem Rotationswerkzeug hergestellten Bohrung bei einer Werkzeugerwärmung auswirkt. Ein „mittlerer“ Wärmeausdehnungskoeffizient bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Trägerstruktur mit beispielsweise unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Abschnitten, einen gemittelten Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere in radialer Richtung, aufweist, der dem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten entspricht. Insbesondere weist die Trägerstruktur einen isotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten in alle Richtungen auf. Alternativ kann die Trägerstruktur und/oder die Versteifungsstruktur einen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (carbonfaserverstärkter Kunststoff - CFK) als Material aufweisen, der eine richtungsabhängigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. CFK ist ein Verbundwerkstoff mit sehr geringer Dichte bei gleichzeitig hoher Steifigkeit. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von CFK ist in Faserrichtung sehr gering und beträgt unter $1 \cdot 10^{- 6} \frac{1}{K} .$
Insbesondere können die Streben der Versteifungsstruktur CFK als Material aufweisen, wobei die Faserrichtung parallel zur Längsachse der Streben angeordnet ist. Somit wird aufgrund des niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von CFK eine Wärmeausdehnung in radialer Richtung beschränkt wobei gleichzeitig eine hohe Zug-und Druckfestigkeit gewahrt bleibt.
Besonders bevorzugt kann dabei die Trägerstruktur aus einem Verbundmaterial hergestellt sein, das Invar und/oder Titan und/oder eine Nickel-Eisen-Legierung aufweist. Invar ist eine binäre Eisen-Nickel-Legierung mit einem besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ist auch unter der Bezeichnung Invar 36, Nilo alloy 36, Nilvar, Ni 36 oder NiLo36 bekannt. NiLo36 hat die Werkstoffnummer 1.3912. Selbst bis Temperaturen von 500°C bewegt sich sein Wärmeausdehnungskoeffizient unter $10 \cdot 10^{- 6} \frac{1}{K} .$
Gleichzeitig weist Invar eine Zugfestigkeit Rm von ca. $500 \frac{N}{m m^{2}}$
und ein E-Modul von ca. 140 GPa auf, um den Festigkeitsanforderungen des Rotationswerkzeugs zu genügen. Titan ist dehnbar sowie korrosions- und temperaturbeständig und weist mit einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von $8,2 \cdot 10^{- 6} \frac{1}{K}$
auf. Entsprechende Legierungen können Zugfestigkeiten Rm von teils weit über $800 \frac{N}{m m^{2}}$
erreichen. Insbesondere weist die Trägerstruktur die Titanlegierung Ti6AI4V (Werkstoffnummer 3.7165) auf.
Es ist von weiterhin Vorteil, wenn zumindest die Versteifungsstruktur aus Invar hergestellt ist. Die Versteifungsstruktur ist maßgeblich für eine thermische Wärmedehnung verantwortlich, weshalb diese einen möglichst geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen soll. Invar ist ein geeignetes Material für diese Zwecke. Insbesondere kann die gesamte Trägerstruktur aus Invar hergestellt sein. Alternativ können die Versteifungsstruktur aus Invar und die Trägerabschnitte aus Titan hergestellt sein.
Vorzugsweise kann die Trägerstruktur punktsymmetrisch zu der Rotationsachse des Rotationswerkzeugs ausgebildet sein. Die punktsymmetrische Ausbildung begünstigt eine gleichmäßige Rotationsträgheit und eine ausgeglichene Drehbewegung des Rotationswerkzeugs. Ebenso wird eine gleichmäßige Kraftaufnahme in radialer Richtung um die Rotationsachse sichergestellt.
Vorzugsweise kann das Rotationswerkzeug dafür angepasst sein, einen Innendurchmesser von über 200mm, besonders bevorzugt von über 300mm, und ganz besonders bevorzugt von über 400mm zu bearbeiten. Derart große Innendurchmesser sind beispielsweise dann zu bearbeiten, wenn Statorgehäuse von Elektromotoren von hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Rotationswerkzeug erfüllt trotz großer Innendurchmesser die bereits in der Einleitung beschrieben höchsten Ansprüche an die Präzision der zerspanenden Bearbeitung, welche aufgrund der hohen Drehzahlen des Elektromotors gestellt werden, um eine Hauptbohrung letztlich auf wenige µm genau fertig zu bearbeiten. Die thermo-unempfindliche Konstruktion erlaubt dabei eine größere Zerspanungsleistung, ohne die Maßgenauigkeit zu verringern.
Vorzugsweise kann das Rotationswerkzeug dafür angepasst sein, einen Innendurchmesser mit einer axialen Länge bis zu 400mm zu bearbeiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die zumindest eine Schneide unmittelbar an der Trägerstruktur oder an einem von der Trägerstruktur getragenen Schneidkörper ausgebildet sein. Der Schneidkörper bildet hierbei einen separaten Körper aus, welcher insbesondere austauschbar ist und ein gegenüber der Trägerstruktur unterschiedliches Material mit insbesondere erhöhter Härte aufweisen kann.
Vorzugsweise kann der Schneidkörper in einer axial und/oder radial einstellbaren Kassette gehalten sein. Mittels der Kassette lassen sich eine radiale und/oder axiale Position und/oder eine Winkelstellung des Schneidkörpers und damit der Schneide modifizieren.
Vorzugsweise kann die Trägerstruktur in Axialrichtung zumindest in eine erste und eine zweite Schneidstufe unterteilt sein, die jeweils zumindest eine Schneide tragen, wobei sich ein Schneidkreis-Durchmesser der ersten Schneidstufe von dem der zweiten Schneidstufe unterscheidet. Mit der vorstehenden Konstruktion des Werkzeugs, insbesondere durch die Wahl eines Material für die Trägerstruktur mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, gelingt es auch den axialen Abstand der Schneidstufen weitgehend temperaturunabhängig zu machen, so dass Stufenbohrungen mit hoher Genauigkeit thermostabil herstellbar werden.
Vorzugsweise kann der Schneidkreis-Durchmesser der Schneidstufen zu dem Spannabschnitt bzw. dem Kopplungsabschnitt der Trägerstruktur hin zunehmen.
In einer bevorzugten Variante kann die Trägerstruktur in Axialrichtung in eine erste bis fünfte Schneidstufe unterteilt sein, die zu dem Spannabschnitt hin axial teilweise überlappend angeordnet sind, wobei der Schneidkreis-Durchmesser der Schneidstufen zu dem Spannabschnitt hin zunimmt. Durch die fünf Schneidstufen und der zum Spannabschnitt hin zunehmenden Schneidkreis-Durchmesser, wird eine fünfstufige Bearbeitung des Innendurchmessers erzielt. Alternativ kann mit dem Rotationswerkzeug auch ein Innendurchmesser mit fünf Stufen bzw. mit fünf zunehmenden Schneidkreis-Durchmessern gestaltet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Schneiden der Schneidstufen in Umfangsrichtung um die Rotationsachse gegeneinander versetzt angeordnet sein. Dies begünstigte eine geringe axiale Ausdehnung bedingt durch eine Überlappung der Schneidstufen sowie einen gleichmäßigeren Krafteintrag der Schneiden in die Trägerstruktur.
Insbesondere weist die Trägerstruktur radial außen blockförmige Vorsprünge auf, welche die Schneiden tragen.
Insbesondere kann das Rotationswerkzeug innengekühlt sein. Das Rotationswerkzeug weist hierfür in seiner Trägerstruktur Fluidkanäle für eine Kühlung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die schirmartig ausgebildete Trägerstruktur in Form eines Topfes gestaltet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die schirmartig ausgebildete Trägerstruktur in Form eines Topfes mit zwei in axialer Richtung abgeschnittenen Seiten gestaltet sein, wodurch sich zwei Flanken der Trägerstruktur ergeben. Die flachen, abgeschnittenen Seiten der Trägerstruktur ermöglichen eine Stapelbarkeit des Rotationswerkzeugs und begünstigen eine Lagerung und Logistik in beispielsweise Bearbeitungszentren.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 bis 4 unterschiedliche perspektivische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationswerkzeugs einer bevorzugten Ausführungsform,
5 eine Seitenansicht des Rotationswerkzeugs der bevorzugten Ausführungsform,
6 eine Rückansicht des Rotationswerkzeugs der bevorzugten Ausführungsform, und
7 eine detaillierte Draufsicht eines Teilbereichs des Rotationswerkzeugs der bevorzugten Ausführungsform.

Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 bis 4 zeigen in unterschiedlichen perspektivischen Ansichten ein erfindungsgemäßes Rotationswerkzeug 1 einer bevorzugten Ausführungsform in Form einer Stufenreibahle. Das drehangetriebene Rotationswerkzeug 1 ist punktsymmetrisch um eine Rotationsachse A ausgestaltet und dient der hochpräzisen spanenden Bearbeitung von Werkstücken aus beliebigen Material, insbesondere von metallischen Bauteilen, Bauteilen aus Kunststoff oder Bauteilen aus Faserverbundmaterialien. An einem Außenumfang 2 des Rotationswerkzeugs 1 sitzen hierfür Schneiden 4, welche bei einer Rotation des Rotationswerkzeugs 1 um die Rotationsachse A Material von einem zu bearbeitenden Werkstück (nicht dargestellt) spanend abtragen. Die Schneiden 4 sind in Form einer parallel zur Rotationsachse A gestalteten Kante an einem Schneidkörper 5 ausgebildet. Radial außenliegende Spitzen der Schneiden 4 an dem Außenumfang 2 beschreiben bei Rotation um die Rotationsachse A dabei jeweils einen kreisrunden Schneidkreis 6 mit einem zugehörigen Schneidkreis-Durchmesser 8 (siehe hierzu den exemplarischen Schneidkreis 6 einer ausgewählten Schneide 4 in 6). Dieser Schneidkreis-Durchmesser 8 bestimmt letztlich den resultierenden Innendurchmesser des zu bearbeitenden Werkstücks an der Stelle der Schneide 4.
Das Rotationswerkzeug 1 ist für die Präzisionsbearbeitung großer Innendurchmesser, beispielsweise den Innendurchmesser eines Statorgehäuses, ausgelegt. In dieser Ausführungsform weist das Rotationswerkzeug 1 einen Schneidkreis-Durchmesser 8 von bis zu 300mm auf. Ebenfalls ist das Rotationswerkzeug 1 dafür angepasst, einen Innendurchmesser mit einer axialen Länge bis zu 400mm zu bearbeiten. Das dafür ausgelegte Rotationswerkzeug 1 kann die notwendigen große Zerspanungsleistungen erbringen und dennoch die geforderten engen Fertigungstoleranzen, wie nachstehend erläutert, einhalten.
Das Rotationswerkzeug 1 weist eine Trägerstruktur 10 auf, welche die Schneidkörper 5 und damit die Schneiden 4 (mittelbar) trägt. Das Rotationswerkzeug 1 weist ebenso an einem hinteren Ende (siehe 2, rechter Bereich) einen Spannabschnitt 24 auf. Dieser ist als separates Bauteil ausgebildet und mit der Trägerstruktur 10 über einen Kopplungsabschnitt 11 dreh- und axialfixiert. Der Spannabschnitt 24 dient dem Einspannen des Rotationswerkzeugs 1 in eine entsprechende Werkzeugaufnahme (nicht dargestellt), welche das Rotationswerkzeug für eine spanende Bearbeitung positioniert und rotiert. Der Spannabschnitt kann eine solche Form haben, dass er über gängige Werkzeugaufnahmen an eine Spindel einer Werkzeugmaschine gekoppelt werden kann. Im speziellen Fall ist der Spannabschnitt 24 als eine sogenannte HSK-Schnittstelle (Hohlschaftkegel-Schnittstelle) gestaltet, die für eine innenliegende Kühl-/Schmiermittelversorgung ausgestaltet ist.
Erfindungsgemäß erweitert sich die Trägerstruktur 10 von dem Kopplungsabschnitt 11 ausgehend, der benachbart zum Spannabschnitt 24 ist, schirmartig oder maulartig. Durch die schirmartige bzw. maulartige Ausbildung der Trägerstruktur 10 kann von dem Spannabschnitt 24 auf die Trägerstruktur 10 ein Drehmoment sehr gut übertragen werden. Auch kann das Rotationswerkzeug 1 in Leicht-Bauweise kostengünstig hergestellt werden.
Im Speziellen weist die Trägerstruktur 10 zwei Trägerabschnitte / tragende Bereiche 14 auf, welche die Schneiden 4 tragen bzw. auf dem die Schneiden 4 mittelbar sitzen und eine hintere Wand 13 in einer Ebene orthogonal zu der Rotationsachse A auf, welche ausgehend von dem Kopplungsabschnitt 11, der benachbart zum Spannabschnitt 24 ist, die Trägerstruktur 10 zu den Trägerabschnitten 14 hin erweitert. Die Wand 13 verbindet die beiden hinteren Kanten der Trägerabschnitte 14 miteinander und leitet ein auf die Wand 13 aufgebrachtes Drehmoment in die Trägerabschnitte 14 ein. Radial innerhalb der Trägerstruktur 10 bzw. radial innerhalb der Trägerabschnitte 14 weist das Rotationswerkzeug 1 bzw. die Trägerstruktur 10 eine Versteifungsstruktur 12 in Form eines Zug-/Druck-Strebengerüsts auf. Während die beiden Trägerabschnitte 14 in Hauptsache die Funktion der spanenden Bearbeitung erfüllen, unterstützt der Versteifungsabschnitt 12 den Trägerabschnitt 14 hinsichtlich einer Stabilität sowie Versteifung und sorgt dafür, dass die bei einer spanenden Bearbeitung auftretenden Kräfte aufgenommen werden.
Die schirmartig ausgebildete Trägerstruktur 10 und die Versteifungsstruktur 12 sind mittels einer additiven Fertigung hergestellt. Im speziellen sind die Trägerstruktur 10 und die Versteifungsstruktur 12 Metall-lasergesintert oder selektiv lasergesintert oder selektiv lasergeschmolzen (DMLS/SLM) und ist aus dem Material Ti6AI4V hergestellt. Alternativ zu dieser Ausführungsform können natürlich die Versteifungsstruktur 12 auch aus Invar und die Trägerabschnitte 14 aus Ti6AI4V generativ gefertigt werden. Alternativ können natürlich auch die gesamte Trägerstruktur 10 und die Versteifungsstruktur 12 aus dem Material Invar Metall-lasergesintert sein. Ebenso kann die Trägerstruktur 10 auch Silizium-Nitrid (Si3N4) aufweisen. Bei Titan Ti6AI4V (Werkstoffnummer 3.7165) handelt es sich um eine Titanlegierung mit sehr geringem spezifischen Gewicht und einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit. Der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient liegt selbst im Bereich zwischen 20°C bis 650°C unter 10E-6 1/K und sichert so eine Maßhaltigkeit des Rotationswerkzeugs 1. Aufgrund des geringen spezifischen Gewichts von knapp 4,4 g/cm^3 in Verbindung mit der Ausgestaltung der Versteifungsstruktur 12 als Zug-/Druck-Strebengerüst, ist das Rotationswerkzeug 1 in Leicht-Bauweise gestaltet und dennoch den auftretenden mechanischen Belastungen angepasst. Aufgrund des einhergehend geringen Gewichts kann eine gute Handhabung und damit eine Einhaltung der Maßhaltigkeit sichergestellt werden.
Die Trägerstruktur 10 weist in dieser Ausführungsform zwei sich in Bezug auf die Rotationsachse A diametral gegenüberliegende Trägerabschnitte 14 auf, welche im Wesentlichen in Form eines Ringabschnitts oder Teilzylinderabschnitts um die Rotationsachse A gestaltet sind. Der Trägerabschnitt 14 weist auf einer planen teilzylinderförmigen Oberfläche 16 mehrere blockförmige Vorsprünge/Blöcke 18 in radialer Richtung auf. In dieser Ausführungsform weist die Trägerstruktur 10 neun blockförmige Vorsprünge 18 je Trägerabschnitt 14 auf. Die blockförmigen Vorsprünge 18 sind sowohl in axialer Richtung zueinander sowie mit einem Winkel gegenüber der Rotationsachse A zueinander versetzt. In jedem dieser blockförmigen Vorsprünge 18 ist eine Kassette 20 eigebettet, welche jeweils den Schneidkörper 5 in Form eines Schneideinsatzes hält. Die Kassette 20 lässt sich axial und radial einstellen, so dass mittelbar über die Kassette 20 auch der Schneidkörper 5 und damit die Schneide 4 axial und radial einstellbar ist. Der Schneidkörper 5 weist überdies eine spezielle Beschichtung für eine verbesserte Härte und Langlebigkeit auf. Die Kassetten 20 werden sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung von den blockförmigen Vorsprüngen 18 gestützt.
In axialer Richtung gesehen weist das Rotationswerkzeug 1 fünf Abschnitte auf, welche jeweils zumindest einen blockförmigen Vorsprung 18 der Trägerabschnitte 14 mit eingebetteter Kassette 20 und Schneide 4 haben, wobei sich diese Abschnitte teilweise überlappen. Diese fünf Abschnitte bilden sogenannte Schneidstufen 19 aus (siehe auch 5). Die Schneidstufen 19 weisen jeweils Schneiden 4 mit einem zugehörigen Schneidkreis-Durchmesser 8 auf, wobei sich die Schneidkreis-Durchmesser 8 aller Schneidstufen 19 unterscheiden und von einer vorderen Seite (Frontseite) des Rotationswerkzeugs 1 (in 5 linke Seite) in axialer Richtung zu einer hinteren Seite des Rotationswerkzeugs 1, also zu dem Spannabschnitt 24 hin zunehmen. Die einzelnen Schneidstufen 19 können bildlich gesehen als Scheiben des Rotationswerkzeugs 1 gesehen werden, die sich teilweise überlappen und im Durchmesser zu dem Spannabschnitt 24 des Rotationswerkzeugs hin größer werden. Die erste bzw. vorderste Schneidstufe 19 ist dabei in Form des blockförmigen Vorsprungs 18 der Trägerabschnitte 14 in sowohl axialer als auch radialer Richtung ausgebildet. In dieser Ausführungsform weisen die erste bis vierte Schneidstufe 19 (von der Frontseite zur hinteren Seite des Rotationswerkzeugs 1 gezählt) jeweils zwei Schneiden 4 und die fünfte Schneidstufe 19 genau eine Schneide 4 je Trägerabschnitt 14 auf.
Die beiden Trägerabschnitte 14 sind über die Versteifungsstruktur 12 miteinander verbunden. Konkret weist die Versteifungsstruktur 12 eine Vielzahl an Streben 22 auf, welche ein Zug-/Druck-Strebengerüst ausbilden. Die Versteifungsstruktur 12 weist an der vorderen Seite des Rotationswerkzeugs 1 drei Verbindungs-Streben 22.1 auf, welche die beiden Trägerabschnitte 14 miteinander verbinden. Die drei Verbindungs-Streben 22.1 liegen dabei in einer Ebene orthogonal zu der Rotationsachse A und verlaufen parallel zueinander. Die mittlere Verbindungs-Strebe 22.1 schneidet dabei die Rotationsachse A.
Die Verbindungs-Streben 22.1 weisen in dieser Ausführungsform eine quaderförmig Gestaltung mit rechteckigem Querschnitt auf, die eine Zug-/Druckkraft des einen Trägerabschnitts 14 auf den diametral gegenüberliegenden Trägerabschnitt 14 überträgt und so die Trägerstruktur 10 in radialer Richtung versteift.
Neben den Verbindungs-Streben 22.1 weist die Versteifungsstruktur 12 eine Versteifungsstrebe 22.2 auf, welche zwar ebenfalls in der Ebene orthogonal zu der Rotationsachse A liegt, allerdings senkrecht zu den Verbindungs-Streben 22.1 verläuft und diese schneidet. Die Versteifungsstrebe 22.2 dient der Fixierung und Versteifung der parallelen Anordnung der Verbindungs-Streben 22.1. In axialer Richtung gesehen, bilden die drei Verbindungs-Streben 22.1 und die eine Versteifungs-Strebe 22.2 eine gitterförmige Struktur aus, deren axiale Koordinaten gleich sind. Die gitterförmige Struktur ist optimiert für Zug-/Druckkräfte in Richtungen orthogonal zu der Rotationsachse A. Die Eckkanten der gitterförmigen Struktur bzw. die Kanten der Gitteröffnungen in axialer Richtung weisen innen Rundungen oder Phasen auf, um Spannungsspitzen abzubauen und Kräfte gleichmäßig in die Trägerabschnitte 14 einzuleiten.
Die Versteifungsstruktur 12 weist ferner eine koaxial zu der Rotationsachse A verlaufende Axial-Strebe 22.3 auf. Diese Axial-Strebe 22.3 dient der Versteifung in axialer Richtung und verringert ein Risiko eines „Einknickens“ der gitterförmigen Struktur in axialer Richtung. Eine der gitterförmigen Struktur in axialer Richtung gesehen gegenüberliegende Seite ist in Form der Wand 13 ausgestaltet.
In axialer Richtung gesehen weist die Versteifungsstruktur 12 mittig gelegen zwischen der gitterförmigen Struktur und der Wand 13 eine weitere Verbindungs-Strebe 22.1 auf, welche die Rotationsachse A schneidet und die beiden Trägerabschnitte 14 verbindet. Diese Verbindungs-Strebe 22.1 dient der radialen Stützung und Versteifung eines mittigen Bereichs der Trägerabschnitte 14.
Der Spannabschnitt 24 des Rotationswerkzeugs 1 wird über vier Schrauben 26 in axialer Richtung mit der Wand 13 bzw. einem Blockabsatz 28 der Wand 13 fest verbunden. Der Blockabsatz 28 stellt das benötigte Material für Innengewinde zur Verfügung, in die Schrauben 26 eingeschraubt werden. Der Blockabsatz 28 stellt damit den Kopplungsabschnitt 11 des Rotationswerkzeugs dar.
Das Rotationswerkzeug 1 ist innengekühlt und weist hierfür von dem Spannabschnitt 24 ausgehende Kanäle 30 für ein Fluid auf. Die Kanäle 30 transportieren ein Kühl- /Schmiermittel zu den Schneiden 4 hin.
5 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Rotationswerkzeugs 1. In dieser Seitenansicht lassen sich gut die in axialer Richtung aneinandergereihten fünf Schneidstufen 19 erkennen, welche einen zum Spannabschnitt 24 hin zunehmenden Schneidkreis-Durchmesser 8 ihrer jeweiligen Schneiden 4 aufweisen und sich teilweise überlappen. Ebenso lassen sich gut die mittige Verbindungs-Strebe 22.1 und die Axial-Strebe 22.3 erkennen, welche in einer Seitenansicht eine zweite gitterförmige Struktur ausbilden. Die Versteifungsstruktur 12 des Rotationswerkzeugs 1 weist sowohl in axialer Richtung gesehen als auch in einer Seitenansicht eine gitterförmige Struktur auf. Diese beiden gitterförmigen Strukturen stehen dabei senkrecht aufeinander und bilden gewissermaßen ein T-Profil im radial innenliegenden Bereich der Trägerstruktur 10. Die Versteifungsstruktur 12 bildet zusammen mit der Wand 13 der Trägerstruktur 10 ein I-Profil bzw. ein Doppel-T-Träger (Doppel-T-Profil) aus, welches aufgrund der gitterförmigen Struktur und des verwendeten Materials in Kombination mit dem generativen Fertigungsverfahren in Leicht-Bauweise gestaltet ist und eine optimierte Geometrie für eine Stützung und Versteifung der Trägerabschnitte 14 in radialer Richtung bereitstellt.
6 zeigt eine Rückansicht des Rotationswerkzeugs 1. Auch in dieser Ansicht lassen sich die unterschiedlichen Schneidkreis-Durchmesser 8 der fünf verschiedenen Schneidstufen 19 sowie Winkel der Schneiden 4 um die Rotationsachse A zueinander erkennen. In 6 ist beispielhaft ein Winkel α einer Schneide 4 zu einer anderen Schneide 4 einer anderen Schneidstufe 19 eingezeichnet. In der Rückansicht ist die Trägerstruktur 10, anders als bei gängigen Rotationswerkzeugen, im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet, wobei die zwei radial außenliegenden Seiten bzw. die Oberflächen 16 der Trägerabschnitte 14 nicht geradlinig sondern eine teilkreisförmig gestaltet sind. Die geraden Seiten ermöglichen eine gute Handhabung sowie eine Stapelung oder Aneinanderreihung des Rotationswerkzeugs 1. Hierdurch wird eine gute Lagerbarkeit und Transportfähigkeit erzielt.
7 ist eine detaillierte Draufsicht auf einen Teilbereich des Trägerabschnitts 14. Diese Ansicht zeigt die radial und axial einstellbaren Kassetten 20, welche die Schneidkörper 5 mit den Schneiden 4 halten. Die Schneiden 4 weisen jeweils unterschiedliche Abmessungen in axialer Richtung auf. Als Schneidstoff wird polykristalliner Diamant (PKD) verwendet, der auf den Schneidkörper 5 in Form des Schneideinsatzes mit einem Hartmetallgrundkörper aufgesintert ist. Der polykristalline Diamant ist eine extrem harte verwachsene Masse, wodurch die Schneide 4 für die spanende Bearbeitung von harten Werkstücken optimiert ist.
Selbstverständlich sind auch Abwandlungen von der zuvor beschriebenen Ausführungsform möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Beispielsweise kann anstelle der generativen Fertigung selbstverständlich ein anderes Herstellungsverfahren Anwendung finden. Auch kann die Trägerstruktur auf den Spannabschnitt aufgedruckt werden.
Beispielsweise kann die Versteifungsstruktur auch als Tetraeder Zug-/Druck-Strebengerüst gestaltet sein. Die Streben müssen nicht senkrecht aufeinander stehen, sondern können auch einen Winkel ungleich 90° zwischen sich aufweisen, um das Zug-/Druck-Strebengerüst auszubilden.
Bezugszeichenliste

1: Rotationswerkzeug
2: Außenumfang
4: Schneide
5: Schneidkörper
6: Schneidkreis
8: Schneidkreis-Durchmesser
10: Trägerstruktur
11: Kopplungsabschnitt
12: Versteifungsstruktur
13: Wand
14: Trägerabschnitt
16: Radiale Außenfläche
18: Blockförmiger Vorsprung
19: Schneidstufe
20: Kassette
22: Streben
22.1: Verbindungs-Streben
22.2: Versteifungs-Strebe
22.3: Axial-Strebe
24: Spannabschnitt
26: Schrauben
28: Blockabsatz
30: Kanal
A: Rotationsachse

Claims

Rotationswerkzeug (1) zur spanenden Bearbeitung von großen Innendurchmessern, an dessen Außenumfang (2) zumindest eine Schneide (4) angeordnet ist, mit einer Trägerstruktur (10), die die zumindest eine Schneide (4) mittelbar oder unmittelbar trägt, und mit einem Spannabschnitt (24) zur Ankopplung an eine Werkzeugaufnahme, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trägerstruktur (10) ausgehend von einem dem Spannabschnitt (24) benachbarten Kopplungsabschnitt (11) schirmartig aufweitet und durch eine Versteifungsstruktur (12) radial versteift ist.
Rotationswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (12) in Form eines Zug-/Druck-Strebengerüsts ausgebildet ist.
Rotationswerkzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) zumindest zwei in Bezug auf eine Rotationsachse (A) des Rotationswerkzeugs (1) diametral gegenüberliegende Trägerabschnitte (14) aufweist, die jeweils zumindest eine Schneide (4) mittelbar oder unmittelbar tragen und die die Versteifungsstruktur (12) miteinander verbindet.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (12) zumindest zwei radial verlaufende Streben (22) aufweist.
Rotationswerkzeug (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Streben (22) in einer Ebene orthogonal zu der Rotationsachse (A) und vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.
Rotationswerkzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (12), in axialer Richtung gesehen, gitterartig ausgebildet ist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (12) zumindest zwei axial versetzt angeordnete Streben (22) aufweist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungsstruktur (12) eine koaxial zur Rotationsachse (A) verlaufende Strebe (22) aufweist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben (22) zylinderförmig und/oder quaderförmig ausgestaltet sind.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) generativ hergestellt ist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von unter 10E-6 1/K aufweist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das Invar und/oder Titan aufweist.
Rotationswerkzeug (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Versteifungsstruktur (12) aus Invar hergestellt ist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (12) punktsymmetrisch zu der Rotationsachse (A) des Rotationswerkzeug (1) ausgebildet ist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationswerkzeug (1) dafür angepasst ist, einen Innendurchmesser von über 200mm zu bearbeiten
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationswerkzeug (1) dafür angepasst ist, einen Innendurchmesser mit einer Länge bis zu 400mm zu bearbeiten.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Schneide (4) unmittelbar an der Trägerstruktur (10) oder an einem von der Trägerstruktur (10) getragenen Schneidkörper (5) ausgebildet ist.
Rotationswerkzeug (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidkörper (5) in einer axial und/oder radial einstellbaren Kassette (20) gehalten ist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) in Axialrichtung zumindest in eine erste und eine zweiten Schneidstufe (19) unterteilt ist, die jeweils zumindest eine Schneide (4) tragen, wobei sich ein Schneidkreis-Durchmesser (8) der ersten Schneidstufe (19) von dem der zweiten Schneidstufe (19) unterscheidet.
Rotationswerkzeug (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (10) in Axialrichtung in eine erste bis fünfte Schneidstufe (19) unterteilt ist, die zu dem Spannabschnitt (24) hin axial teilweise überlappend angeordnet sind, wobei der Schneidkreis-Durchmesser (8) der Schneidstufen (19) zu dem Spannabschnitt (24) hin zunimmt.
Rotationswerkzeug (1) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiden (4) der Schneidstufen (19) in Umfangsrichtung um die Rotationsachse (A) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationswerkzeug (1) innengekühlt ist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schirmartig ausgebildete Trägerstruktur (10) in Form eines Topfes gestaltet ist.
Rotationswerkzeug (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schirmartig ausgebildete Trägerstruktur (10) in Form eines Topfes mit zwei in axialer Richtung abgeschnittenen Seiten gestaltet ist, wodurch sich zwei Flanken der Trägerstruktur (10) ergeben.