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Die Erfindung betrifft Rotationsschneidwerkzeuge und insbesondere Vollmetall-Schaftfräser mit einer komplexen Freifläche, die neben der Schneidkante Vorsprünge aufweist, die sich über die gesamte Breite und Länge der Freifläche erstrecken.
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Vollmetall-Schaftfräser, insbesondere mit Schneiddurchmessern gleich und größer als 12 Millimeter, die mit derzeit gut bekannten geraden und exzentrischen Abständen (oder Kombinationen von beiden) umgesetzt werden, neigen bei Metallschneideanwendungen dazu, manchmal beträchtliche Vibrationen (oder Rattern) zu erzeugen. Das Unterdrücken von Vibrationen ist eine der wesentlichsten Anforderungen an jeden Vollmetall-Schaftfräser. Daher wird großer Aufwand unternommen, um spezielle Geometriemerkmale zu entwickeln und herzustellen, die beim Reduzieren oder Beseitigen von Rattern helfen. Durch Implementieren von Schaftfräsern mit einem ungleichen Index, Differenzial-Steigungswinkeln, veritablen Steigungswinkeln und dergleichen wird das Problem teilweise gelöst. Zum Beispiel können einige dieser Merkmale für Titan-Legierungen gut funktionieren, unterdrücken jedoch nicht Vibrationen in Edelstählen oder anderen Materialien. Zusätzlich stellen einige Kombinationen dieser Merkmale eine akzeptable Lösung für Schneiddurchmesser von bis zu 12 Millimetern bereit, aber bei größeren Schneiddurchmessern treten weiterhin Vibrationen auf.
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Der sogenannte „Mikrosteg“ ist die derzeit existierende Lösung zur Unterdrückung von Vibrationen für Vollmetall-Schaftfräser mit einem Schnittdurchmesser größer 12 Millimeter, die durch Schleifen einer winzigen Spielfacette von 0,05- 0,1 Millimeter Breite und mit einem Winkel zwischen 1,5-3 ° erzeugt wird. Die Spielfacette muss benachbart zur Schneidkante geschliffen werden. Zusätzlich zu einer hohen Genauigkeit, die beim Schleifen der Stegbreite und Winkel erforderlich ist, erfordert der „Mikrosteg“ mindestens zwei Säuberungen (d. h. mindestens 2 Durchgänge) an jedem Zahn und wahrscheinlich drei Säuberungen für jeden Zahn. Ein weiteres Problem besteht darin, dass Schneidvorrichtungen mit dem „Mikrosteg“ eine deutlich größere Spindelleistung als Schneidvorrichtungen ohne den zugeordneten „Mikrosteg“ benötigen. Tatsächlich gibt es eine Zunahme der spezifischen Energie, die wiederum eine größere Trefferentwicklung während des Fräsens erzeugt, was wiederum zusätzliche Schwierigkeiten beim Anwenden von Schneidvorrichtungen mit dem „Mikrosteg“ beim Schneiden von Hochtemperaturlegierungen verursacht. Angesichts des Vorstehenden sind verbesserte Schaftfräsen wünschenswert, die einen oder mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Ausführungen bieten.
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Ferner ist aus der
DE 10 2015 218 511 A1 ein Zerspanungswerkzeug bekannt, das sowohl zum Schruppen als auch zum Schlichten geeignet ist und dafür abschnittsweise sinusförmige Schneidkanten und daran anschließende sinusförmige Freiflächen aufweist. Ebenso sind in der
WO 2007/123326 A1 , der
JP 2001-121 340 A und der
US 2014/0212230 A1 Schneidwerkzeuge mit Schneidkanten offenbart, die sinusförmig verlaufen. Zudem zeigen die
JP-S57 54019 A und die
US 2008/0206003 A1 Zerspanungswerkzeuge mit wellenförmigen Schneiden. Die
US 4,285,618 offenbart darüber hinaus ein Schneidwerkzeug mit abschnittsweis rillenförmigen Schneidkanten.
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Außerdem offenbart die
DE 38 05 727 C2 ein konisches Bohr- oder Reibwerkzeug, bei dem sich ein Freiwinkel in Abhängigkeit des Durchmessers ändert. Aus der
CH 701 414 A1 ist ferner ein Schneiderkzeug bekannt, das zur Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen vorgesehen ist, wobei eine wendelförmige Schneide mit einem veränderlichen Drallwinkel verläuft.
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Das Problem des Reduzierens der Vibration (oder des Ratterns) in einem Vollmetall-Schaftfräser für jeden Schneiddurchmesser wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
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In einer Ausführungsform wird hierbei ein Vollmetall-Schaftfräser bereitgestellt, der über eine Freifläche mit Vorsprüngen verfügt, die an die Schneidkante angrenzt und sich über die gesamte Breite und Länge der Freifläche jedes Zahns erstreckt. Dabei sind die Umfangsschneidkanten kontinuierlich glatt und ununterbrochen.
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Unter einem Gesichtspunkt der Erfindung definiert ein längliches Rotationsschneidwerkzeug, wie etwa ein Vollmetall-Schaftfräser, eine zentrale Längsachse und umfasst einen Schaftabschnitt und einen Schneidabschnitt, der an den Schaftabschnitt angrenzt. Der Schneidabschnitt weist ein Schneidende und eine erste Klinge auf. Die erste Klinge weist eine Endschneidkante, eine Umfangsschneidkante und eine komplexe Freifläche angrenzend an die Umfangsschneidkante auf. Die komplexe Freifläche umfasst eine Vielzahl von Vorsprüngen zum Reduzieren von Vibrationen oder Rattern im Rotationsschneidwerkzeug. In einer Ausführungsform umfasst das Rotationsschneidwerkzeug eine Vielzahl von Klingen.
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Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind, sollten die spezifischen abgebildeten Ausführungsformen nicht so ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche einschränken. Es wird angenommen, dass verschiedene Abänderungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen.
- 1 ist eine isometrische Ansicht eines Rotationsschneidwerkzeugs, wie beispielsweise eines Vollmetall-Schaftfräsers, mit einer komplexen Freifläche mit Vorsprüngen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ist eine Seitenansicht des Rotationsschneidwerkzeugs aus 1, der um eine Vierteldrehung gegen den Uhrzeigersinn gedreht ist;
- 3 ist eine Vorderansicht des Rotationsschneidwerkzeugs von 1;
- 4 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Rotationsschneidwerkzeugs aus 1;
- 5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Rotationsschneidwerkzeugs entlang der Linie 5-5 in 4; und
- 6 ist eine Grafik, der den Arbeitsweg gegenüber Verschleiß/Absplittern des Rotationsschneidwerkzeugs gemäß der Erfindung gegenüber herkömmlichen „Mikrosteg“-Schneidvorrichtungen zeigt.
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Ein Rotationsschneidwerkzeug 100, zum Beispiel ein Vollmetall-Schaftfräser, wird in 1-5 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Obwohl in der dargestellten Ausführungsform ein Vollmetall-Schaftfräser 100 gezeigt wird, können die Prinzipien der Erfindung, die unten beschrieben werden, auf andere Rotationsschneidwerkzeuge wie Vollmetall-Bohrer, Zapfen, Reibahlen und dergleichen angewendet werden. Der Vollmetall-Schaftfräser 100 definiert eine mittlere Längsachse A-A und umfasst einen Schaftabschnitt 110 zur Befestigung in einem Futter oder Dorn einer Werkzeugmaschine (nicht gezeigt) und einen Schneidabschnitt 120 angrenzend an den Schaftabschnitt 110.
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Der Schneidabschnitt 120 weist ein Schneidende 121 und mindestens eine erste Klinge 130 auf. Die erste Klinge 130 weist eine Endschneidkante 131 und eine periphere Schneidkante 132 auf. Die Endschneidkante 131 der ersten Klinge 130 verläuft vom Außendurchmesser OD des Schneidabschnitts 120 zur zentralen Längsachse A-A, wobei die Endschneidkante 131 der ersten Klinge 130 ein erstes Tellerprofil und ein erstes axiales Profil definiert. Ein „Tellerprofil“, wie hier beschrieben, bezieht sich auf das Profil oder die Form eines Endschneidabschnitts einer Klinge bei Betrachtung einer Seite des Vollmetall-Schaftfräsers 100, wie in 1. Ein „axiales Profil“, wie hier beschrieben, bezieht sich auf das Profil des Endschneidabschnitts einer Klinge bei Betrachtung von einem Ende, wie in 3. In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die erste Klinge 130 weniger als den vollen Abstand von dem Außendurchmesser OD zur Mittellängsachse AA. Es versteht sich jedoch, dass sich in einer alternativen Ausführungsform die erste Klinge 130 von dem Außendurchmesser OD zur Mittellängsachse A-A erstrecken kann.
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Ausführungsformen des Rotationsschneidwerkzeugs 100, die hier beschrieben sind, sind nicht auf eine einzelne Klinge beschränkt. Ein Fachmann würde ohne Weiteres verstehen, dass Rotationsschneidwerkzeuge im Einklang mit der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von Klingen einschließen können. In einigen Ausführungsformen umfasst ein Rotationsschneidwerkzeug 100 beispielsweise ferner eine zweite Klinge 140. Die zweite Klinge 140 ist gegenüber der ersten Klinge 130 auf dem Schneidabschnitt 120 angeordnet und verfügt über eine Endschneidkante 141 und eine periphere Schneidkante 142. Die Endschneidkante 141 der zweiten Klinge 140 verläuft vom Außendurchmesser OD des Schneidabschnitts 120 zur zentralen Längsachse A-A, wobei die Endschneidkante 141 der zweiten Klinge 140 ein zweites Tellerprofil und ein zweites axiales Profil definiert. In einigen Ausführungsformen ist das zweite Tellerprofil gekrümmt.
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In Ausführungsformen mit zwei oder mehr Klingen sind verschiedene Konfigurationen und Ausführungen der ersten Klinge 130 und der zweiten Klinge 140 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung möglich. In einigen Ausführungsformen sind das erste Tellerprofil und das zweite Tellerprofil beispielsweise spiegelsymmetrisch. In einigen Ausführungsformen bilden das erste Tellerprofil und das zweite Tellerprofil ferner zusammen eine konvexe Krümmung. In einigen Ausführungsformen bilden das erste Tellerprofil und das zweite Tellerprofil alternativ zusammen eine konkave Krümmung. Es versteht sich, dass in Anordnungen, in denen gegenüberliegende Tellerprofile, wenn sie zusammen vorliegen, insgesamt einen konkaven oder konvexen Teller bilden können, ein Tellerprofil mit individuellen Zähnen oder Schneidkanten konvex zu sein hat. In einer beliebigen derartiger Anordnungen ist ein radial innerster Abschnitt von hier beschriebenen Tellerprofilen axial hinter mindestens einem anderen Punkt entlang demselben Tellerprofil. Eine derartige Anordnung erlaubt den nötigen Abstand am radial innersten Abschnitt (oder in einigen Fällen der Mitte der Stirnfläche des Werkzeugs), so dass hier beschriebene Schneidwerkzeuge für Schrägeintauchvorgänge einsetzbar sind.
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In einigen Ausführungsformen sind das erste axiale Profil und das zweite Profil rotationsasymmetrisch. Eine derartige Ausführungsform ist in 3 veranschaulicht. Alternativ sind in einigen Ausführungsformen das erste axiale Profil und das zweite axiale Profil rotationssymmetrisch. Es versteht sich, dass in derartigen Ausführungsformen das erste Tellerprofil und das zweite Tellerprofil immer noch spiegelsymmetrisch sind.
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Wie vorstehend besprochen, können hierin beschriebene Rotationsschneidwerkzeuge 100 eine beliebige Anzahl von Klingen aufweisen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Rotationsschneidwerkzeug 100 beispielsweise ferner eine dritte Klinge 150 zwischen der ersten Klinge 130 und der zweiten Klinge 140. Die dritte Klinge 150 weist eine Endschneidkante 151 und eine periphere Schneidkante 152 auf. Die Endschneidkante 151 der dritten Klinge 150 verläuft vom Außendurchmesser OD des Schneidabschnitts 120 zur zentralen Längsachse A-A, wobei die Endschneidkante 151 der dritten Klinge 150 ein drittes Tellerprofil und ein drittes axiales Profil definiert. In einigen derartigen Ausführungsformen ist das dritte axiale Profil rotationsasymmetrisch mit mindestens einem des ersten axialen Profils und des zweiten axialen Profils. Alternativ ist in einigen Ausführungsformen das dritte axiale Profil rotationssymmetrisch mit mindestens einem des ersten axialen Profils und des zweiten axialen Profils. Eine derartige Ausführungsform ist in 3 veranschaulicht.
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Ferner umfasst das Rotationsschneidwerkzeug 100 in einigen Ausführungsformen ferner eine vierte Klinge 160, wobei die vierte Klinge 160 gegenüber der dritten Klinge 150 angeordnet ist und eine Schneidkante 161 sowie eine periphere Schneidkante 162 aufweist. Die Endschneidkante 161 der vierten Klinge 160 verläuft vom Außendurchmesser OD des Schneidabschnitts 120 zur zentralen Längsachse A-A, wobei die Endschneidkante 161 der vierten Klinge 160 ein viertes Tellerprofil und ein viertes axiales Profil definiert. Das vierte Tellerprofil ist gekrümmt. In einigen Ausführungsformen sind das dritte Tellerprofil und das vierte Tellerprofil spiegelsymmetrisch.
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Beispielsweise definiert die erste Klinge 130 in einigen Ausführungsformen eine abgerundete Eckschneidkante 133, die die Endschneidkante 131 und die periphere Schneidkante 132 der ersten Klinge 130 verbindet, wobei die abgerundete Eckschneidkante 133 einen abgerundeten Eckradius definiert. Es versteht sich, dass die Erfindung mit anderen Arten von Eckschneidkanten praktiziert werden kann.
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Beispielsweise kann die Eckschneidkante eine abgeschrägte Eckschneidkante, eine scharfe Eckschneidkante und dergleichen sein.
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Beispielsweise definiert die zweite Klinge 140 in einigen Ausführungsformen eine abgerundete Eckschneidkante 143, die die Endschneidkante 141 und die periphere Schneidkante 142 der zweiten Klinge 140 verbindet, wobei die abgerundete Eckschneidkante 143 einen abgerundeten Eckradius definiert. Es versteht sich, dass die Erfindung mit anderen Arten von Eckschneidkanten praktiziert werden kann. Beispielsweise kann die Eckschneidkante eine abgeschrägte Eckschneidkante, eine scharfe Eckschneidkante, ein Kugelkopf und dergleichen sein.
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Bezugnehmend nun auf 4 und 5 ist jede Klinge 130, 140, 150, 160 durch eine spiralförmige Spannut 170 getrennt, die sich von dem Schneideende 121 des Schneidkopfes 120 axial nach hinten erstreckt. Die Anzahl der Spannuten 170 entspricht der Anzahl der Klingen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist das Rotationsschneidwerkzeug 100 insgesamt vier (15) Spannuten 170 auf. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung mit jeder gewünschten Anzahl von Spannuten 170 in Abhängigkeit von den Abmessungen des Rotationsschneidwerkzeugs 100 ausgeführt werden kann. Beispielsweise hat ein Rotationsschneidwerkzeug 100 mit einem relativ großen Außendurchmesser OD die Fähigkeit, eine größere Anzahl von Spannuten als ein Fräser mit einem relativ kleineren Außendurchmesser OD zu haben und umgekehrt. Somit kann das Rotationsschneidwerkzeug 100 nur eine Spannut 170 oder bis zu dreißig oder mehr Spannuten 170 und einen Außendurchmesser OD zwischen etwa 6 mm und etwa 35 mm aufweisen.
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Wie in 5 gezeigt, hat die periphere Schneidkante 132, 142, 152, 162 jeder Klinge 130, 140, 150, 160 eine vordere Fläche und eine hintere Fläche. Der Kürze halber wird im Folgenden nur die Klinge 140 erörtert. Die Umfangsschneidkante 142 der Klinge 140 hat eine Vorderseite 144 und eine Rückseite 145. Die Vorderseite 144 ist der Drehrichtung des Rotationsschneidwerkzeugs 100 zugewandt, wenn sie in Gebrauch ist. Die Umfangsschneidkante 142 der Klinge 140 liegt auf dem Umfang des Außendurchmessers OD. Die Vorderseite 144 weist einen positiven radialen Spanwinkel 146 auf. Der radiale Spanwinkel 146 ist der Winkel, den die geneigte Vorderseite 144 mit einer radialen Linie Y bildet, wie in 5 gezeigt, die sich von der Mittellängsachse AA zu der Umfangsschneidkante 142 der Klinge 140 erstreckt. In einer Ausführungsform liegt der Winkel 146 in einem Bereich zwischen etwa -15 Grad bis etwa +15 Grad, abhängig von dem Material, das geschnitten wird, und ein radialer Spanwinkel 146 gleich Null Grad kann für einige Materialien erforderlich sein.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass jede Klinge 130, 140, 150, 160 auch eine im Wesentlichen planare, komplexe Freifläche 137, 147, 157, 167 aufweist. Der Kürze halber werden hier nur die Klinge 140 und die komplexe Freifläche 147 erörtert. Die komplexe Freifläche 147, die auch allgemein als Stegfläche bekannt ist, erstreckt sich von der peripheren Schneidkante 142 der Klinge 140 nach hinten. Wie in 4 gezeigt, ist die komplexe Freifläche 147 in einem Winkel zu einer Tangente Z geneigt, die sich von der peripheren Schneidkante 142 der Klinge 140 erstreckt. Dieser Winkel wird als der primäre Freiwinkel 149 bezeichnet. Es versteht sich, dass die anderen Klingen 130, 150, 160 auch variierende primäre Freiwinkel umfassen, und nur der primäre Freiwinkel 149 wird hier der Kürze halber diskutiert.
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In der dargestellten Ausführungsform weist die komplexe Zwischenraumfläche einen sich kontinuierlich ändernden primären Freiwinkel entlang der gesamten Länge der Klinge 140 auf. Das Ergebnis des sich kontinuierlich ändernden primären Freiwinkels ist ein sinusförmiges Wellenmuster entlang der gesamten Länge der Klinge 140. Es ist anzumerken, dass die komplexe Freifläche 147 die kontinuierlich glatte, ununterbrochene periphere Schneidkante 142 nicht beeinflusst.
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Wie oben erwähnt, variiert der primäre Freiwinkel 149 kontinuierlich entlang der komplexen Freifläche 147. Insbesondere hat der primäre Freiwinkel 149 einen Minimalwert in einem Bereich zwischen etwa 1 Grad bis etwa 5 Grad und einen Maximalwert in einem Bereich zwischen etwa 6 Grad und etwa 11 Grad und wiederholt sich dann entlang der gesamten Länge der Klinge 140, wodurch ein sinusförmiges Wellenmuster mit mehreren Spitzen und Tälern definiert wird. Das Sinuswellenmuster definiert mehrere erhabene Bereiche oder Erhebungen 148, die an den Spitzen angeordnet sind, in denen sich der primäre Freiwinkel 149 auf dem minimalen Wert befindet. In einer Ausführungsform hat das sinusförmige Wellenmuster, das durch den kontinuierlich variierenden primären Freiwinkel 149 gebildet wird, einen Abstand L zwischen etwa 1 Millimeter und etwa 6 Millimeter. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht durch die Größe der Steigung L beschränkt ist und dass die Erfindung mit jeder gewünschten Steigung L ausgeführt werden kann.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die komplexe Freifläche 147 im Wesentlichen planar. In einer alternativen Ausführungsform ist die komplexe Freifläche 147 nicht im Wesentlichen planar, sondern exzentrisch oder konvex, wodurch mehr Material und somit eine größere Festigkeit für die Klinge 140 bereitgestellt wird.
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Wie in 6 gezeigt, wurden Tests durchgeführt, um die Vibrationsdämpfungsfähigkeiten des Rotationsschneidwerkzeugs 100 der Erfindung mit der komplexen Freifläche im Vergleich zu herkömmlichen Rotationsschneidwerkzeugen mit geraden oder exzentrischen „Mikrosteg“-Freiflächen zu untersuchen. Die Tests wurden mit Edelstahl 316L und Kohlenstoffstahl 4340 durchgeführt.
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In 6 ist das Rotationsschneidwerkzeug 100 der Erfindung durch die Striche und Rauten dargestellt, und das herkömmliche Rotationsschneidwerkzeug ist durch das Dreieck, X und Kreuz dargestellt). Die Ergebnisse zeigen, dass das Rotationsschneidwerkzeug 100 sehr gute Vibrationsdämpfungsfähigkeiten, eine lange Werkzeuglebensdauer und eine Gesamtspindellastverringerung von etwa 10 % gegenüber geraden oder exzentrischen herkömmlichen Rotationsschneidwerkzeugen mit „Mikro-Steg“ zeigte.
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Nachdem derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, kann die Erfindung ansonsten im Geltungsumfang der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden.
