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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Schneidwerkzeuge und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Kühlmittelkanälen in einem rotierenden Schneidwerkzeug unter Verwendung von elektromagnetischer Strahlung.
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BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
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Funkenerosionsbearbeitung (oder Electrical Discharge Machining (EDM)) ist ein Bearbeitungsverfahren, das hauptsächlich für Hartmetalle oder solche Metalle verwendet wird, die mit herkömmlichen Techniken unmöglich zu bearbeiten wären. Eine kritische Einschränkung ist jedoch, dass EDM nur mit Materialien funktioniert, die elektrisch leitfähig sind. EDM kann kleine oder unregelmäßig geformte Winkel, komplizierte Konturen oder Hohlräume in extrem harten Stahl und exotische Metalle, wie Titan, Hastelloy, Kovar, Inconel und Carbid schneiden.
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Manchmal als Funkenerosion oder Funkenerodieren bezeichnet, ist EDM ein neuartiges Verfahren zum Entfernen von Material durch eine Reihe von schnell wiederkehrenden elektrischen Lichtbogenentladungen zwischen einer Elektrode (dem Schneidwerkzeug) und dem Werkstück, in der Gegenwart eines energetischen elektrischen Feldes (angelegte Spannung). Das EDM-Schneidwerkzeug wird entlang des gewünschten Weges sehr nahe am Werkstück geführt, berührt das Werkstück jedoch nicht. Aufeinander folgende Funken erzeugen eine Reihe von Mikrokratern auf dem Werkstück und entfernen durch Schmelzen und Verdampfen Material entlang der Schneidbahn. Die Partikel werden durch das kontinuierlich spülende dielektrische Fluid weg gewaschen.
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Elektrochemische Bearbeitung (oder Electro Chemical Machining (ECM)) ist ein Verfahren zum Bearbeiten von extrem harten Materialien oder Materialien, die unter Verwendung herkömmlicher Verfahren schwierig sauber maschinell zu bearbeiten sind. Es ist jedoch auf elektrisch leitende Materialien begrenzt. ECM kann kleine oder unregelmäßig geformte Winkel, komplizierte Konturen oder Hohlräume in extrem harten Stahl und exotische Metalle, wie Titan, Hastelloy, Kovar und Inconel schneiden.
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ECM weist ein ähnliches Konzept auf wie EDM, insofern als ein hoher Strom zwischen einer Elektrode und dem Teil und durch einen Elektrolyten fließt. Während das angelegte Potential bei EDM im Bereich von 20 bis 200 V liegt, ist das angelegte Potential bei ECM niedriger und reicht von einigen mV bis etwa 30 V. Das ECM-Schneidwerkzeug wird entlang des gewünschten Weges sehr nahe an dem Werkstück geführt, aber es berührt das Werkstück nicht. Anders als bei EDM werden jedoch keine Funken erzeugt. Das Werkstück wird durch die elektrochemische Reaktion, die an der Oberfläche des Werkstücks auftritt, wegkorrodiert. Mit ECM sind sehr hohe Metallabtragsraten möglich, wobei keine thermischen oder mechanischen Spannungen auf das Teil übertragen werden und Spiegeloberflächenlackierungen möglich sind. Das ECM-Verfahren wird am meisten verwendet, um komplizierte Formen mit guter Oberflächenbeschaffenheit in schwer zu bearbeitenden Materialien wie Turbinenschaufeln herzustellen. Es wird auch häufig als Entgratungsprozess verwendet.
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Sowohl die ECM- als auch die EDM-Verfahren verwenden elektrischen Strom unter Gleichstrom-Spannung (DC), um das Entfernen des Materials von dem Werkstück elektrisch zu betreiben. Bei ECM wird eine elektrisch leitende Flüssigkeit oder ein Elektrolyt zwischen den Elektroden und dem Werkstück zirkuliert, um die elektrochemische Auflösung des Werkstückmaterials, sowie das Kühlen und Spülen des Spaltbereichs dazwischen zu ermöglichen. Bei EDM wird eine nichtleitende Flüssigkeit oder ein Dielektrikum zwischen der Kathode und dem Werkstück zirkuliert, um elektrische Entladungen in dem Zwischenraum dazwischen zum Entfernen des Werkstückmaterials zu ermöglichen.
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Sowohl bei ECM als auch bei EDM sind deren entsprechende Elektroden typischerweise in mehrachsigen NC-Maschinen montiert, um den genauen 3D-Vorschubweg zu erreichen, der für die Bearbeitung komplexer 3D-Werkstücke wie Schaufelblätter von Schaufeln und Flügelrädern erforderlich ist. Die NC-Maschinen beinhalten digital programmierbare Computer und beinhalten eine geeignete Software, die den gesamten Betrieb, einschließlich des Zuführpfads und der separaten ECM- und EDM-Prozesse, steuert.
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Elektrische Lichtbogenbildung während des ECM- oder EDM-Prozesses kann zu einer relativ großen Umformungsschicht oder Wärmeeinflusszone (Heat Affected Zone (HAZ)) auf dem bearbeiteten Werkstück, wie etwa einem Schneidwerkzeug, führen, in dem die Materialeigenschaften unerwünscht verschlechtert werden können. Insbesondere kann eine elektrische Lichtbogenbildung während der ECM- oder EDM-Prozesse zu einer relativ großen Umformungsschicht oder Wärmeeinflusszone (HAZ) auf dem bearbeiteten Werkstück führen, in dem die Materialeigenschaften unerwünscht verschlechtert werden können. Somit muss bei beiden Prozessen eine elektrische Lichtbogenbildung zwischen den ECM- oder EDM-Elektroden und dem Werkstück, wie etwa einem Schneidwerkzeug, verhindert werden, um eine unerwünschte Wärmebeschädigung des Schneidwerkzeugs zu verhindern.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Herstellung von Kühlmittelkanälen in einem Schneidwerkzeug ohne unerwünschte Beschädigung der Materialeigenschaften des Schneidwerkzeugs bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Das Problem des Verhinderns oder Minimierens unerwünschter Schäden während der Herstellung von Kühlmittelkanälen in einem Schneidwerkzeug, wie etwa einem Vollmetall-Schaftfräser und dergleichen, wird durch Verwendung elektromagnetischer Energie zur Herstellung der Kühlmittelkanäle gelöst.
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In einem Aspekt der Erfindung definiert ein rotierendes Schneidwerkzeug eine zentrale Längsachse und umfasst einen Schaftabschnitt, einen an den Schaftabschnitt angrenzenden Schneidabschnitt, wobei der Schaftabschnitt ein Schaftende aufweist, der Schneidabschnitt ein Schneidende gegenüber dem Schaftende, eine oder mehrere durch eine Spannut getrennte Klingen und einen internen Hauptkühlmittelkanal aufweist, der sich vom Schaftende durch den Schaftabschnitt und in den Schneidabschnitt erstreckt. Das Verfahren umfasst das Bilden mindestens eines sekundären Kühlmittelkanals in Fluidverbindung mit dem internen Hauptkühlmittelkanal, wobei der sekundäre Kühlmittelkanal unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung gebildet wird.
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Figurenliste
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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 Seitenansicht eines rotierenden Schneidwerkzeugs mit einem inneren Kühlmittelkanal und einer Vielzahl von sekundären Kühlmittelkanälen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ist eine isometrische Rückansicht des rotierenden Schneidewerkzeugs von 1;
- 3 ist eine Vorderansicht des rotierenden Schneideinsatzes von 1;
- 4 ist eine Querschnittsansicht des rotierenden Schneidwerkzeugs, vorgenommen entlang der Linie 4-4 von 1;
- 5 ist eine Querschnittsansicht des rotierenden Schneidwerkzeugs, vorgenommen entlang der Linie 5-5 von 1;
- 6 ist eine Querschnittsansicht des rotierenden Schneidwerkzeugs, vorgenommen entlang der Linie 6-6 von 3;
- 7 ist eine Seitenansicht eines rotierenden Schneidwerkzeugs mit einem inneren Kühlmittelkanal und einer Vielzahl von sekundären Kühlmittelkanälen gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
- 8 ist eine isometrische Rückansicht des rotierenden Schneidewerkzeugs von 7;
- 9 ist eine Endansicht des rotierenden Schneidwerkzeugs von 7;
- 10 ist eine Querschnittsansicht des rotierenden Schneidwerkzeugs, vorgenommen entlang der Linie 10-10 von 7;
- 11 ist eine Querschnittsansicht des rotierenden Schneidwerkzeugs, vorgenommen entlang der Linie 11-11 von 7;
- 12 ist eine Querschnittsansicht des rotierenden Schneidwerkzeugs, vorgenommen entlang der Linie 12-12 von 9;
- 13 ist eine Seitenansicht einer Opferstange gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 14 ist eine Draufsicht auf einen Rohling, der mit der Lasertechnik der Erfindung hergestellt wurde;
- 15 ist eine Mikroaufnahme bei 200-facher optischer Vergrößerung eines sekundären Kühlmittelkanals, der mit einer herkömmlichen EDM-Technik hergestellt wurde;
- 16 ist eine Mikroaufnahme bei 200-facher optischer Vergrößerung eines sekundären Kühlmittelkanals, der mit der Lasertechnik der Erfindung hergestellt wurde;
- 17 ist eine Mikroaufnahme bei 500-facher optischer Vergrößerung eines sekundären Kühlmittelkanals, der mit einem konventionellen EDM-Verfahren hergestellt wurde; und
- 18 ist eine Mikroaufnahme bei 500-facher optischer Vergrößerung eines sekundären Kühlmittelkanals, der durch die Lasertechnik der Erfindung hergestellt wurde.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In der vorliegenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsformen und in den Ansprüchen sind im Gegensatz zu den Betriebsbeispielen oder falls nicht anderweitig angegeben, alle Zahlen, die Mengen oder Eigenschaften von Bestandteilen und Produkten, Verarbeitungsbedingungen und dergleichen ausdrücken, als um den Ausdruck „etwa“ ergänzt zu verstehen, um die Penumbra der Abweichung in Zusammenhang mit Messungen, wesentlichen Kennzahlen und Austauschbarkeit zu reflektieren, wie es insgesamt von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verstanden werden kann.
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Für die Zwecke dieser Beschreibung (anders als in den Betriebsbeispielen) sind, sofern nicht anders angegeben, alle Zahlen, die Mengen und Bereiche von Bestandteilen, Verfahrensbedingungen usw. ausdrücken, als um den Ausdruck „etwa“ ergänzt zu verstehen. Entsprechend sind, sofern nicht anders angegeben, die numerischen Parameter, die in dieser Beschreibung dargelegt werden und die beigefügten Ansprüche Annäherungen, die je nach gewünschten Ergebnissen durch die vorliegende Erfindung angestrebt werden sollen. Allermindestens und nicht als Versuch, die Anwendung der Lehre von Äquivalenten des Schutzbereichs der Ansprüche zu begrenzen, sollte jeder numerische Parameter zumindest angesichts der Anzahl der berichteten wesentlichen Stellen und durch Anwendung von üblichen Rundungstechniken ausgelegt werden. Des Weiteren sollen die Singularformen, wie sie in dieser Beschreibung und den angefügten Patentansprüchen verwendet werden, Pluralformen beinhalten, sofern sie nicht ausdrücklich und eindeutig auf eine Referenz beschränkt sind.
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Ungeachtet dessen, dass die numerischen Bereiche und Parameter, die den breiten Umfang der Erfindung darstellen, Annäherungen sind, werden die numerischen Werte, die in den spezifischen Beispielen dargelegt sind, so genau wie möglich angegeben. Jeder numerische Wert enthält jedoch inhärent gewisse Fehler, die notwendigerweise aus der Standardabweichung resultieren, die in ihren jeweiligen Testmessungen gefunden wird, einschließlich derjenigen, die bei dem Messinstrument gefunden werden. Außerdem versteht es sich, dass jede hier aufgeführte numerische Größenordnung alle darunter subsumierten Untergrößenordnungen einschließen soll. Zum Beispiel soll eine Größenordnung von „1 bis 10“ alle Untergrößenordnungen zwischen und einschließlich des genannten Minimalwerts von 1 und des genannten Höchstwerts von 10 einschließen, d. h. einen Bereich, der einen Minimalwert größer oder gleich 1 und einen Höchstwert kleiner oder gleich 10 aufweist. Da die offenbarten numerischen Bereiche kontinuierlich sind, umfassen sie jeden Wert zwischen den minimalen und den maximalen Werten. Sofern nicht explizit anders angegeben, sind die verschiedenen numerischen Bereiche in dieser Anwendung Annäherungen.
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Dementsprechend sind, sofern nicht das Gegenteil angegeben ist, alle in der folgenden Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen aufgeführten numerischen Parameter Näherungswerte, die je nach den gewünschten Eigenschaften variieren können, die in den Vorrichtungen und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung erhalten werden sollen. Allermindestens und nicht als Versuch, die Anwendung der Lehre von Äquivalenten des Schutzbereichs der Ansprüche zu begrenzen, sollte jeder numerische Parameter zumindest angesichts der Anzahl der berichteten wesentlichen Stellen und durch Anwendung von üblichen Rundungstechniken ausgelegt werden.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen sollte anerkannt werden, dass das rotierende Schneidwerkzeug der Erfindung in einer Anzahl verschiedener Anwendungen arbeiten kann. Entsprechend sollte die Beschreibung bestimmter Anwendungen hier keine Einschränkung des Umfangs und des Ausmaßes der Verwendung des rotierenden Schneidwerkzeugs sein.
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Das rotierende Schneidwerkzeug, das eine interne Kühlmittelzufuhr aufweist, ist zur Verwendung bei der Entfernung von Material von einem Werkstück vorgesehen. In dieser Hinsicht dient das rotierende Schneidwerkzeug zur Verwendung in einem Materialentfernungsvorgang, wobei eine verstärkte Zufuhr von Kühlmittel benachbart zur Schnittstelle zwischen dem rotierenden Schneidwerkzeug und dem Werkstück (d. h. der Schneidwerkzeug-Spanschnittstelle) vorhanden ist, um übermäßige Wärme an der Schneidkanten-Spanschnittstelle zu verringern.
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Die verstärkte Zufuhr von Kühlmittel zur Schneidkanten-Spanschnittstelle führt zu bestimmten Vorteilen. Beispielsweise führt eine verstärkte Zufuhr von Kühlmittel zu der Schneidkanten-Spanschnittstelle zu einer verbesserten Schmierung an der Schneidkanten-Spanschnittstelle, was die Tendenz des Spans verringert, an dem rotierenden Schneidwerkzeug anzuhaften. Ferner führt eine verbesserte Strömung des Kühlmittels zu der Schneidkanten-Spanschnittstelle zur besseren Entfernung der Späne aus der Nähe der Schnittstelle mit einer daraus folgenden Reduzierung des Potentials, einen Span wiederholt zu schneiden.
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Es sollte auch anerkannt werden, dass die innere Kühlmittelkanalableitung eine Ausrichtung aufweist, wodurch das Kühlmittel unter die Spanoberfläche trifft. Solch eine Ausrichtung des Kühlmittels verbessert die Kühleigenschaften, was die gesamte Leistung des rotierenden Schneidwerkzeugs verbessert.
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Beim Materialentfernungsvorgang greift das rotierende Schneidwerkzeug der Erfindung in ein Werkstück ein, um Material von einem Werkstück, typischerweise in Form von Spänen, zu entfernen. Ein Materialentfernungsvorgang, der Material von dem Werkstück in Form von Spänen entfernt, ist dem Fachmann typischerweise als ein spanabhebender Materialentfernungsvorgang bekannt. Das Buch Machine Shop Practice [Industrial Chemistry Press Inc., New York, New York (1981)] von Moltrecht liefert auf den Seiten 199-204 eine Beschreibung von, unter anderem, Spanbildung, sowie verschiedene Arten von Spänen (d. h., kontinuierlicher Span, diskontinuierlicher Span, segmentierter Span). Moltrecht schreibt [auszugsweise] auf den Seiten 199-200, „Wenn das Schneidwerkzeug zuerst mit dem Metall in Kontakt kommt, komprimiert es das Metall vor der Schneidkante. Wenn sich das Werkzeug fortbewegt, wird das Metall vor der Schneidkante bis zu dem Punkt beansprucht, an dem es nach innen auseinanderschert, wodurch die Metallstrukturen verformt werden und plastisch entlang einer Ebene, Scherebene genannt, fließen ... Wenn der zu schneidende Metalltyp verformbar ist, wie beispielsweise Stahl, löst sich der Span in einem kontinuierlichen Band ab ...“. Moltrecht beschreibt weiter die Bildung eines diskontinuierlichen Spans und eines segmentierten Spans.
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Als weiteres Beispiel liefert der auf den
Seiten 302-315 des ASTE Tool Engineers Handbook, McGraw Hill Book Co., New York, New York (1949) befindliche Text eine ausführliche Beschreibung der Spanbildung im Metallschneideprozess. Auf Seite
303 stellt das ASTE Handbook die klare Verbindung zwischen Spanbildung und Bearbeitungsvorgängen wie Drehen, Fräsen und Bohren her. Die folgenden Patentdokumente diskutieren die Bildung von Späne in einem Materialentfernungsvorgang:
US-Patent Nr. 5,709,907 von Battaglia et al. (erteilt an Kennametal Inc.),
US-Patent Nr. 5,722,803 von Battaglia et al. (erteilt an Kennametal Inc.) und
US-Patent Nr. 6,161,990 von Oles et al. (erteilt an Kennametal inc.).
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Unter Bezugnahme auf 1-6 ist ein rotierendes Schneidwerkzeug, allgemein als 10 bezeichnet, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Obwohl in der veranschaulichten Ausführungsform das rotierende Schneidwerkzeug einen Vollmetall-Schaftfräser 10 umfasst, können die Prinzipien der Erfindung, die unten beschrieben werden, auf andere rotierende Schneidwerkzeuge wie Vollmetall-Bohrer, Zapfen, Reibahlen und dergleichen angewendet werden. Der Vollmetall-Schaftfräser 10 definiert im Allgemeinen eine zentrale Längsachse A-A und umfasst einen Schaftabschnitt 12 zur Befestigung des Schaftfräsers 10 in einem Futter oder einer Welle einer Werkzeugmaschine (nicht gezeigt) und einen Schneidabschnitt 14 angrenzend an den Schaftabschnitt 12.
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Das rotierende Schneidwerkzeug 10 kann aus einer beliebigen Anzahl von Materialien hergestellt sein, die zur Verwendung als rotierendes Schneidwerkzeug geeignet sind. Die folgenden Materialien sind beispielhafte Materialien, die für ein rotierendes Schneidwerkzeug verwendbar sind: Werkzeugstähle, Hartmetalle und Superhartmaterial, wie beispielsweise kubisches Bornitrid (CBN), polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN), polykristalline Diamanten (PCD), Wolframkarbid (WC), Cermet, Keramik und dergleichen. Die spezifischen Materialien und Materialkombinationen hängen von der spezifischen Anwendung des rotierenden Schneidwerkzeugs 10 ab.
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Der Schneidabschnitt 14 weist ein Schneidende 16 auf, und der Schaftabschnitt 12 weist ein Schaftende 17 gegenüber dem Schneideende 16 auf. Das rotierende Schneidwerkzeug 10 umfasst ferner eine oder mehrere Klingen 18. Jede Klinge 18 weist eine Endschneidkante 20 und eine periphere Schneidkante 22 auf. Die Endschneidkante 20 jeder Klinge 18 verläuft vom Außendurchmesser OD des Schneidabschnitts 14 zur zentralen Längsachse A-A. Die Endschneidkante 20 jeder Klinge 18 definiert ein erstes Tellerprofil und ein erstes axiales Profil. Ein „Tellerprofil“, wie hier beschrieben, bezieht sich auf das Profil oder die Form eines Endschneidabschnitts der Klinge 18 bei Betrachtung einer Seite des Vollmetall-Schaftfräsers 10, wie in 1. Ein „axiales Profil“, wie hier beschrieben, bezieht sich auf das Profil des Endschneidabschnitts der Klinge 18 bei Betrachtung von einem Ende aus, wie in 3. In der veranschaulichten Ausführungsform erstreckt sich jede Klinge 18 weniger als den vollen Abstand von dem Außendurchmesser OD zur zentralen Längsachse A-A. Es versteht sich jedoch, dass sich in einer alternativen Ausführungsform jede Klinge 18 von dem Außendurchmesser OD zur zentralen Längsachse A-A erstrecken kann.
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Ausführungsformen des rotierenden Schneidwerkzeugs 10, die hier beschrieben sind, sind nicht in der Anzahl der Klingen 18 beschränkt. Ein Fachmann würde ohne weiteres verstehen, dass rotierende Schneideinsätze im Einklang mit der vorliegenden Erfindung eine beliebige Anzahl von Klingen einschließen können. In der veranschaulichten Ausführungsform beinhaltet das rotierende Schneidwerkzeug 10 zum Beispiel sieben (7) Klingen 18. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung mit jeder gewünschten Anzahl von Klingen 18 in Abhängigkeit von den Abmessungen des rotierenden Schneidwerkzeugs 10 ausgeführt werden kann.
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In Ausführungsformen mit zwei oder mehr Klingen 18 sind verschiedene Konfigurationen und Ausführungen der ersten Klinge 18 und der zweiten Klinge 18 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. 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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In einigen Ausführungsformen definiert jede Klinge 18 eine abgerundete Eckschneidkante 24, die die Endschneidkante 20 und die periphere Schneidkante 22 jeder Klinge 18 verbindet, wobei die abgerundete Eckschneidkante 24 einen abgerundeten Eckradius definiert. Es versteht sich, dass die Erfindung mit anderen Arten von Eckschneidkanten praktiziert werden kann. Zum Beispiel kann die Eckschneidkante 24 eine abgeschrägte Eckschneidkante, eine scharfe Eckschneidkante und dergleichen sein.
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Nun bezugnehmend auf 1 und 2 ist jede Klinge 18 durch eine spiralförmige Spannut 26 getrennt, die sich von dem Schneideende 16 des Schneidkopfes 14 axial nach hinten erstreckt. Die Spannut 26 kann gerade oder wendelförmig sein. Die Anzahl der Spannuten 26 entspricht der Anzahl der Klingen 18. Bei der veranschaulichten Ausführungsform weist der Schneidkopf 14 insgesamt sieben (7) Spannuten 26 auf. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung mit jeder gewünschten Anzahl von Spannuten 26 in Abhängigkeit von den Abmessungen des rotierenden Schneidewerkzeugs 10 ausgeführt werden kann. Zum Beispiel hat ein rotierendes Schneidwerkzeug 10 mit einem relativ großen Außendurchmesser OD die Fähigkeit, eine größere Anzahl von Spannuten 24 als ein Schneidwerkzeug mit einem relativ kleineren Außendurchmesser OD aufzuweisen und umgekehrt. Somit kann das rotierende Schneidwerkzeug 10 nur eine Spannut 26 oder bis zu dreißig oder mehr Spannuten 26 und einen Außendurchmesser OD zwischen etwa 6 mm und etwa 35 mm aufweisen.
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Ein Aspekt der Erfindung besteht darin, dass das rotierende Schneidwerkzeug 10 einen internen Hauptkühlmittelkanal 28 beinhaltet, der sich vom Schaftende 17 zum Schneidende 16 durch den Schaftabschnitt 12 und in den Schneidabschnitt 14 des rotierende Schneidwerkzeugs 10 erstreckt. Der Hauptkühlmittelkanal 28 steht in Fluidverbindung mit einer Quelle von unter Druck stehendem Kühlmittel (nicht gezeigt), wenn das rotierende Schneidwerkzeug 10 in Verwendung ist. In einer Ausführungsform ist der Hauptkühlmittelkanal 28 zentral angeordnet und liegt entlang der zentralen Längsachse A-A des rotierenden Schneidwerkzeugs 10. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch die Anzahl der Haupt- und sekundären Kühlmittelkanäle 28, 30 beschränkt ist und dass die Erfindung mit jeder gewünschten Anzahl von Kühlmittelkanälen ausgeführt werden kann, um eine ausreichende Kühlmittelströmungsrate für das rotierende Schneidwerkzeug 10 bereitzustellen.
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Außerdem sollte anerkannt werden, dass jede Anzahl verschiedener Arten von Fluid oder Kühlmittel zur Verwendung in dem rotierenden Schneidwerkzeug 10 geeignet ist. Vereinfacht gesagt gibt es zwei grundlegende Kategorien von Fluiden oder Kühlmitteln; nämlich auf Öl basierende Fluide, welche reine Öle und lösliche Öle enthalten, und chemische Fluide, die synthetische und halbsynthetische Kühlmittel beinhalten. Reine Öle bestehen aus einem Basismineral- oder Erdöl und enthalten oft polare Schmierstoffe wie Fette, pflanzliche Öle, und Ester, sowie Hochdruckzusätze von Chlor, Schwefel und Phosphor. Lösliche Öle (auch Emulsionsflüssigkeit genannt) bestehen aus einer Basis aus Erdöl oder Mineralöl, kombiniert mit Emulgatoren und Mischmitteln. Mineralöl oder Erdöl kombiniert mit Emulgatoren und Mischmitteln sind Grundbestandteile von löslichen Ölen (auch emulgierbare Öle genannt). Die Konzentration der aufgeführten Komponenten in ihrem Wassergemisch liegt üblicherweise zwischen 30-85 %. Meistens werden die Seifen, Netzmittel und Koppler als Emulgatoren verwendet, und ihre grundlegende Rolle besteht darin, die Oberflächenspannung zu verringern. Dadurch können sie die Neigung einer Flüssigkeit zum Schäumen verursachen. Zusätzlich können lösliche Öle Mittel mit öliger Beschaffenheit wie Ester, Hochdruckzusätze, Alkanolamine zur Bereitstellung von Alkalitätsreserven, ein Biozid wie beispielsweise Triazin oder Oxazoliden, ein Antischaummittel, wie einen langkettigen organischen Fettalkohol oder Salz, Korrosionshemmer, Antioxidantien, usw. enthalten. Synthetische Fluide (chemische Fluide) können ferner zwei Untergruppen zugeordnet werden: echten Lösungen und oberflächenaktiven Fluiden. Fluide echter Lösungen bestehen im Wesentlichen aus alkalischen anorganischen und organischen Verbindungen und sind so formuliert, dass sie dem Wasser Korrosionsschutz verleihen. Chemische oberflächenaktive Fluide bestehen aus alkalischen anorganischen und organischen Korrosionshemmern in Kombination mit anionischen nichtionischen Netzmitteln zur Schmierung und Verbesserung der Benetzungsfähigkeiten. Höchstdruck-Gleitmittel auf Basis von Chlor, Schwefel, und Phosphor, sowie einige der in neuerer Zeit entwickelten polymeren, physikalischen Höchstdruckmittel können zusätzlich in diese Fluide integriert werden. Halbsynthetische Fluide (auch halbchemisch genannt) enthalten eine geringere Menge an raffiniertem Basisöl (5-30 %) in dem Konzentrat. Sie sind außerdem mit Emulgatoren sowie 30-50 % Wasser gemischt. Da sie sowohl Bestandteile von synthetischen als auch löslichen Ölen einschließen, werden charakteristische Eigenschaften, die sowohl synthetischen als auch wasserlöslichen Ölen gemein sind, präsentiert.
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Kühlmittel aus einer Kühlmittelquelle (nicht gezeigt) tritt in den Kühlmittelkanal 28 ein und läuft durch das rotierende Schneidwerkzeug 10, um durch einen oder mehrere sekundäre Kühlmittelkanäle 30 in Fluidverbindung mit dem internen Kühlmittelkanal 28 auszutreten. Der interne Hauptkühlmittelkanal 28 kann unter Verwendung einer beliebigen herkömmlichen Technik, wie beispielsweise Bohren und dergleichen, gebildet werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der eine oder die mehreren sekundären Kühlmittelkanäle 30 unter Verwendung einer Laserstrahltechnik (d. h. elektromagnetischer Strahlung) anstatt herkömmlicher EDM- und ECM-Techniken gebildet werden. Ein Vorteil der Verwendung einer Laserstrahltechnik besteht darin, dass die Kühlmittelkanäle 30 präzise mit jeder gewünschten Querschnittsform und jedem Durchmesser ausgebildet werden können. Zum Beispiel können die Kühlmittelkanäle 30 eine kreisförmige Querschnittsform mit einem relativ kleinen Durchmesser von etwa 5 Mikrometern aufweisen. In einem anderen Beispiel können die Kühlmittelkanäle 30 eine nicht kreisförmige Querschnittsform mit einem relativ großen Durchmesser zwischen etwa 10 Mikrometern und etwa 10 Millimetern aufweisen.
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Eine Laserstrahltechnik, um die sekundären Kühlmittelkanäle 30 herzustellen, ist bekannt als Laser MicroJet®, die im Handel von SYNOVA, in Ecublens, in der Schweiz ansässig (www.synova.ch), erhältlich ist. Im Allgemeinen kombiniert die Laser MicroJet®-Technologie einen Laserstrahl mit einem reinen, entionisierten und gefilterten Wasserstrahl mit niedrigem Druck, der die Schneidfläche kühlt und eine extrem genaue Schmutzentfernung bietet. Die Laser MicroJet®-Technologie erfordert einen Wasserstrahl unter Verwendung kleiner Düsen (20-160 µm) aus Saphir oder Diamant und geringen Wasserdrucks (10-30 MPa (100-300 bar)). Der Wasserstrahl ist nicht an dem Schneidvorgang beteiligt. Ein gepulster Laserstrahl mit hoher Leistung wird auf eine Düse in einer Wasserkammer fokussiert. Laser werden mit einer Impulsdauer im Mikro- oder Nanosekundenbereich gepulst, beispielsweise 10 fs bis 1 Millisekunde, und arbeiten bei einer Frequenz von 1064 nm (IR), 532 nm (Grün) oder 355 nm (UV). Der Laserstrahl wird durch Totalreflexion an der Wasser/Luft-Schnittstelle in ähnlicher Weise wie herkömmliche Glasfasern zu einer Scheibe aus superhartem Material, wie z. B. kubischem Bornitrid (CBN), polykristallinen Diamant (PCD), Wolframkarbid (WC) und dergleichen geführt. Die Laser MicroJet®-Technologie weist einen großen Arbeitsabstand (>100 mm) auf.
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Eine weitere ähnliche Laserstrahltechnik unter Verwendung von Laserablation durch Einkapselung eines Laserstrahls in einem Wasserstrahl ist im Handel von der Avonisys AG, in Zug, in der Schweiz ansässig (http://www.avonisys.com), erhältlich.
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Eine andere Laserstrahltechnik ist von der GFH GmbH in Deggendorf, Deutschland (www.gfh-gmbh.de) im Handel erhältlich. Diese Laserstrahltechnik verwendet ein rotierendes Teleskop von zylindrischen Linsen, das eine Drehung des Laserstrahls bewirkt, um einen Laserstrahl zu erzeugen, der in der Leistungsdichte im Wesentlichen einheitlich ist. Dadurch kann diese Laserstrahltechnik positive konische Bohrungen, bei denen der Eingangsdurchmesser größer ist als der Austrittsdurchmesser, eine zylindrische Bohrung, in der Eintritts- und Austrittsdurchmesser gleich sind, oder negative konische Bohrungen, in denen der Eintrittsdurchmesser kleiner als der Austrittsdurchmesser ist, erzeugen. Die resultierenden Bohrungen sind gratfrei und weisen eine Rundheit von +/- 1 % auf.
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Eine andere Laserstrahltechnik ist die Verwendung einer Maschine, die mit einem Galvanometer ausgestattet ist, um die dreidimensionalen Hohlräume zu bearbeiten, die die spiralförmige Spannut bilden. Ein Laserstrahl mit einer Vielzahl von Energie-Intensitätsverteilungsprofilen kann jedoch angepasst werden, um die beste Topographie in dem dreidimensionalen Hohlraum und an der Schneidkante zu erreichen. Es sollte beachtet werden, dass diese Technik nicht auf ein Gaußsches Laserstrahlprofil beschränkt ist, und dass die Erfindung unter Verwendung von Top-Hat- oder quadratischen Intensitätsprofilen ausgeführt werden kann.
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Nun bezugnehmend auf die 1 und 6, weist jeder sekundäre Kühlmittelkanal 30 eine Austrittsöffnung 34 auf, die in einer jeweiligen Spannut 26 angeordnet ist. Da es keine Eins-zu-eins-Korrespondenz zwischen der Anzahl der Spannuten 26 und der Anzahl von sekundären Kühlmittelkanälen 30 gibt, weist die dargestellte Ausführungsform eine Gesamtzahl von sieben (7) sekundären Kühlmittelkanälen 30 auf, die voneinander durch einen Winkel A1, von etwa 51,428 (360 Grad/7), wie in 5 gezeigt, getrennt sind. Somit bilden in dieser Ausführungsform, die sekundären Kühlmittelkanäle 30 eine kreisförmige Anordnung, die sich von dem zentraler Hauptkühlmittelkanal 28 radial nach außen erstreckt. Es sollte beachtet werden, dass der Winkel A1 von der Anzahl der Spannuten 26 abhängt. Zum Beispiel entspräche der Winkel A2 etwa 72 Grad (360 Grad/5) für ein rotierendes Schneidwerkzeug mit fünf (5) Spannuten.
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Außerdem ist jeder sekundäre Kühlmittelkanal 30 in einer gemeinsamen Ebene 32 ausgebildet, die im Wesentlichen senkrecht zu der zentralen Längsachse A-A ist. Mit anderen Worten ist jeder sekundäre Kühlmittelkanal 30 in einem Winkel A2 von etwa 90 Grad in Bezug auf die zentrale Längsachse AA ausgebildet.
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Es versteht sich, dass die Erfindung nicht durch die Form und den Ort der sekundären Kühlmittelkanäle 30 in dem rotierenden Schneidwerkzeug 10 beschränkt ist, und dass die Erfindung mit sekundären Kühlmittelkanälen 30 in jeder gewünschten Form und Anordnung ausgeführt werden kann.
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Nun bezugnehmend auf 7-12 ist ein Schneidwerkzeug 10' gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform beinhaltet das rotierende Schneidwerkzeug 10 einen oder mehrere sekundäre Kühlmittelkanäle 30, die unter einem Winkel A2 in Bezug auf die zentrale Längsachse A-A ausgebildet sind. Insbesondere kann das rotierende Schneidwerkzeug 10' einen oder mehrere sekundäre Kühlmittelkanäle 30 enthalten, die sich von dem internen Hauptkühlmittelkanal 28 in einer Richtung nach vorne (d. h. zum Schneidende 16 hin) in einem Winkel A2, der weniger als 90 Grad in Bezug auf die zentrale Längsachse A-A beträgt, erstrecken. Zusätzlich kann das rotierende Schneidwerkzeug 10' einen oder mehrere sekundäre Kühlmittelkanäle 30 enthalten, die sich von dem interne Hauptkühlmittelkanal 28 in eine Richtung nach hinten (d. h. weg von dem Schneidende 16 oder zu dem Schaftende 17 hin) in einem Winkel A2, der mehr als 90 Grad in Bezug auf die zentrale Längsachse A-A beträgt, erstrecken. Außerdem kann das rotierende Schneidwerkzeug 10' einen oder mehrere sekundäre Kühlmittelkanäle 30 enthalten, die sich von dem zentralen Kühlmittelkanal 28 in einem Winkel A2 erstrecken, der etwa 90 Grad in Bezug auf die zentrale Längsachse A-A beträgt. Somit kann das rotierende Schneidwerkzeug 10' jede Kombination von sekundären Kühlmittelkanälen 30 einschließen, die sich in einer Richtung nach vorne (d. h. weniger als 90 Grad), in einer Richtung nach hinten (d. h. mehr als 90 Grad), und in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung (d. h. gleich 90 Grad) in Bezug auf die zentrale Längsachse, erstrecken.
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Nun bezugnehmend auf 13 wird eine Opferstange 40 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Allgemeinen weist die Opferstange 40 allgemein eine zylindrische Form auf mit einem Durchmesser D und einer Länge L. Der Durchmesser D ist etwas kleiner als der Durchmesser des zentralen Hauptkühlmittelkanals 28 des rotierenden Schneidwerkzeugs 10, damit die Opferstange 40 in den zentralen Hauptkühlmittelkanal 28 eingeführt werden kann. Die Länge L der Opferstange 40 ist größer als die Länge des rotierende Schneidwerkzeugs 10, damit die Opferstange 40 leicht in den zentralen Hauptkühlmittelkanal 28 des rotierende Schneidwerkzeugs 10 eingeführt und aus diesem entfernt werden kann. Der Zweck der Opferstange 40 besteht darin, zu verhindern, dass der Laserstrahl (d.h. elektromagnetische Strahlung) durch den zentralen Hauptkühlmittelkanal 28 dringt und auf die gegenüberliegende Oberfläche des zentralen Hauptkühlmittelkanals 28 des rotierenden Schneidwerkzeugs 10 trifft. Die Opferstange 40 kann aus jedem geeigneten Material, wie beispielsweise Edelstahl (SS), hartem Stahl, Aluminiumoxid, Keramik und dergleichen, hergestellt sein, um zu verhindern, dass der Laserstrahl leicht hindurch dringt.
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Wie oben erwähnt, ist eine Laserstrahltechnik zur Herstellung der sekundären Kühlmitteldurchgänge 30 als Laser MicroJet® bekannt, die im Handel von SYNOVA, in Ecublens, in der Schweiz ansässig (www.synova.ch) erhältlich ist. Im Allgemeinen kombiniert die Laser MicroJet®-Technologie einen Laserstrahl mit einem reinen, entionisierten und gefilterten Wasserstrahl mit niedrigem Druck, der die Schneidfläche kühlt und eine extrem genaue Schmutzentfernung bietet. Die Laser MicroJet®-Technologie erfordert einen Wasserstrahl unter Verwendung kleiner Düsen (20-160 µm) aus Saphir oder Diamant und geringen Wasserdrucks (10-30 MPa (100-300 bar)). Ein gepulster Laserstrahl mit hoher Leistung wird auf eine Düse in einer Wasserkammer fokussiert. Laser werden mit einer Impulsdauer im Mikro- oder Nanosekundenbereich gepulst, beispielsweise 10 fs bis 1 Millisekunde, und arbeiten bei einer Frequenz von 1064 nm (IR), 532 nm (Grün) oder 355 nm (UV). Der Laserstrahl wird durch Totalreflexion an der Wasser/Luft-Schnittstelle in ähnlicher Weise wie herkömmliche Glasfasern zu einer Scheibe aus superhartem Material, wie z. B. kubischem Bornitrid (CBN), polykristallinen Diamant (PCD), Wolframkarbid (WC) und dergleichen geführt. Die Laser MicroJet®-Technologie weist einen großen Arbeitsabstand (>100 mm) auf.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung einer 60 µm Düse und Schneiden in einem Spiralmuster den Laser veranlasste, durch die Opferstange 40 hindurchzudringen. Wurde der Laser jedoch verwendet, um ein kreisförmiges Muster zu schneiden, lieferte dies das unerwartete Ergebnis einer Herstellung sekundärer Kühlmittelkanäle 30 ohne Durchdringung der Opferstange 40. Außerdem wurde die Zeit, die erforderlich war, um den sekundären Kühlmittelkanal 30 herzustellen, auf unter 3 Minuten reduziert, wodurch die Produktionskosten gesenkt wurden.
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14 zeigt einen Rohling 42, der durch Schneiden des sekundären Kühlmittelkanals 30 in einem kreisförmigen Muster erzeugt wird. In einer Ausführungsform hat der Rohling 42 einen Durchmesser zwischen 5 Mikrometer und 10 mm. Mit anderen Worten hat der sekundäre Kühlmittelkanal 30 einen Durchmesser zwischen 5 µm und 10 mm. Es hat sich gezeigt, dass der Rohling 42 während des Laserstrahl-Herstellungsprozesses mit Wasserdruck ausgestoßen werden kann.
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Verschiedene Studien wurden durchgeführt, um die Ergebnisse der Herstellung der sekundären Kühlmittelkanäle 30 unter Verwendung der Lasertechnik der Erfindung mit herkömmlichen Techniken, wie EDM, zu vergleichen. 15 und 16 zeigen Mikroaufnahmen bei 200-facher optischer Vergrößerung eines Kühlmittelkanals, der jeweils unter Verwendung eines herkömmlichen EDM-Verfahrens und mit der Lasertechnik der Erfindung hergestellt wurde. Wie deutlich zu erkennen ist, weist der Kühlmittelkanal, der mit der EDM-Technik in 15 hergestellt wurde, viel mehr unerwünschte Beschädigungen der Materialeigenschaften des rotierenden Schneidwerkzeugs auf, als die in 16 im Vergleich gezeigte Lasertechnik.
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17 und 18 zeigen Mikroaufnahmen bei 500-facher optischer Vergrößerung eines Kühlmittelkanals, der einerseits unter Verwendung eines herkömmlichen EDM hergestellt und andererseits mit der Lasertechnik der Erfindung hergestellt wurde. Wie deutlich zu erkennen ist, weist der Kühlmittelkanal, der mit der EDM-Technik in 17 hergestellt wurde, viel mehr unerwünschte Beschädigungen der Materialeigenschaften des rotierenden Schneidwerkzeugs auf, als die in 18 im Vergleich gezeigte Lasertechnik.
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Zusammenfassend stellte die Verwendung der Lasertechnik der Erfindung die unerwarteten Ergebnisse der Herstellung sekundärer Kühlmittellöcher mit bemerkenswert weniger unerwünschten Beschädigungen der Materialeigenschaften des Schneidwerkzeugs im Vergleich zu der herkömmlichen EDM-Schneidtechnik bereit.
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Es sollte beachtet werden, dass das oben beschriebene rotierende Schneidwerkzeug 10, 10' eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung beschreibt und dass die Prinzipien der Erfindung eines Bereitstellens von ausreichend Kühlmittel an der Schneidkanten-Spanschnittstelle durch Bilden von Kühlmittelkanälen unter Verwendung einer Lasertechnik (d. h. elektromagnetischer Strahlung) auf jedes rotierende Schneidwerkzeug angewendet werden können, das zur Verwendung damit geeignet ist.
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Die Patente und Veröffentlichungen, auf die in diesem Schriftstück Bezug genommen wird, werden hiermit durch Verweis einbezogen.
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Nachdem derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, kann die Erfindung ansonsten im Geltungsumfang der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5709907 [0022]
- US 5722803 [0022]
- US 6161990 [0022]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Industrial Chemistry Press Inc., New York, New York (1981) [0021]
- Seiten 302-315 des ASTE Tool Engineers Handbook, McGraw Hill Book Co., New York, New York (1949) [0022]
