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Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungswerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Beispielhaft kann ein solches Bearbeitungswerkzeug als ein Fräswerkzeug zum Eintauchfräsen oder zum Stirnfräsen realisiert sein. In diesem Fall kann das Werkzeug Stirnschneiden aufweisen. Beim Fräsvorgang rotiert das Fräswerkzeug um eine zur Werkstückfläche rechtwinklige Werkzeugachse und bewegt sich mit einer Vorschubbewegung quer zur Werkzeugachse entlang der Werkstückfläche.
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Während des Fräsprozesses werden die Stirnschneiden des Fräswerkzeugs mit einer Schnittkraft beaufschlagt. Die Schnittkraft versucht, das Werkzeug translatorisch zu verlagern, was zu einer Werkzeugbiegung führt. Das Werkzeug wird dabei gebogen, bis es genügend Vorspannung aufbaut, wodurch es kurzfristig wieder in den Ursprungszustand zurückkehrt. Dies wiederholt sich beim Fräsvorgang sehr schnell, was zu Werkzeugschwingungen führen kann, wodurch die Oberflächenqualität der Werkstückfläche beeinträchtigt wird.
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Aus der
EP 2 399 698 B1 ist ein mit einem Dämpfungsmittel ausgestatteter Werkzeugträger bekannt. Aus der
EP 1 339 517 B1 ist ein Werkzeug zur Bearbeitung von Metallen mit einem Schwingungsdämpfungsmittel bekannt. Aus der
EP 1 292 417 B1 ist ein Bohrer mit Schwingungsdämpfer bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bearbeitungswerkzeug bereitzustellen, bei dem in konstruktiv einfacher Weise eine Werkzeugschwingung während der Spanbearbeitung vermieden werden kann.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht allgemein von einem Bearbeitungswerkzeug aus, mit dem bei Werkzeugrotation um eine Werkzeugachse eine Spanbearbeitung an einer Werkstückfläche oder in einer Werkstück-Bohrung durchführbar ist. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist das Bearbeitungswerkzeug zumindest ein nachgiebiges Dämpfungselement auf. Während der Spanbearbeitung ist das Bearbeitungswerkzeug über sein Dämpfungselement in Anlage, insbesondere Druckanlage, mit der Werkstückfläche oder der Werkstück-Bohrung, wodurch Werkzeug- und Werkstückschwingungen reduziert werden.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zur Schwingungsvermeidung/- dämpfung das Werkstück mit Hilfe des Dämpfungselementes, das am Bearbeitungswerkzeug angebracht ist, über eine Andrückkraft vorspannt und am Schwingen hindert. Beispielhaft kann das Bearbeitungswerkzeug beim Eintauchfräsen genutzt werden. In diesem Fall erfolgt ein erster Kontakt des Spanbearbeitungswerkzeugs mit dem Werkstück über das Dämpfungselement. Die vom Dämpfungselement ausgeübte Andrückkraft steigt mit der Werkzeug-Zustellung.
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Alternativ dazu kann das Bearbeitungswerkzeug beim Anfräsen des Werkstückes von einer Seite (in einer Ebene) eingesetzt werden. In diesem erfolgt der erste Kontakt des Fräswerkzeugs mit dem Werkstück über die Schneiden. Bei weiterem Eintauchen des Werkzeugs in das Werkstück-Material, kommt es zu einer Kollision des Dämpfungselements mit dem Werkstück. Die sich so aufbauende Andrückkraft hindert das Werkstück bzw. das Werkzeug am Schwingen.
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In einer technischen Umsetzung kann das Dämpfungselement in einer Nichtgebrauchslage mit einem Überstand zumindest eine Werkzeugschneide oder eine Werkzeugspitze überragen. Das Dämpfungselement kann während der Spanbearbeitung in eine Gebrauchslage verstellt sein, in der das Dämpfungselement unter Aufbrauch des Überstands sowie bevorzugt unter Aufbau einer Rückstellkraft bis auf Höhe der Werkzeugschneide verstellt ist, um einen Spaneingriff der Werkzeugschneide mit der Werkstückfläche zu gewährleisten.
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Bevorzugt kann das Dämpfungselement hubverstellbar im Bearbeitungswerkzeug gelagert sein. Das Dämpfungselement kann in der Nichtgebrauchslage mittels einer Dämpfungsmasse gegen einen Vorhub-Anschlag des Werkzeugs abgestützt sein. Zudem kann das Dämpfungselement in der Gebrauchslage, insbesondere unter Aufbau der Rückstellkraft, vom Vorhub-Anschlag zurückgesetzt sein. Bei einer Krafteinleitung während der Spanbearbeitung erfolgt eine Energieabsorption, bei der sich die Dämpfungsmasse verformt und dabei die eingeleiteten Kräfte zumindest teilweise abbaut.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Dämpfungselement bei der Spanbearbeitung in Axialrichtung und/oder in Radialrichtung in Anlage, insbesondere Druckanlage, mit der Werkstückfläche oder der Werkstück-Bohrung bringbar sein. In diesem Fall kann das Dämpfungselement in Axialrichtung und/oder in Radialrichtung zwischen der Gebrauchslage und der Nichtgebrauchslage hubverstellt werden.
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In einer konkreten Ausführungsvariante kann die Werkzeugschneide eine Stirnschneide sein, die zusammen mit dem Dämpfungselement an einer Werkzeugspitze des Bearbeitungswerkzeugs angeordnet ist.
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Zur Realisierung der Hubbewegung kann das Dämpfungselement zwischen dem Vorhub-Anschlag und einem Rückhub-Anschlag verstellt werden. Der Axial- oder Radialabstand zwischen dem Vorhub-Anschlag und dem Rückhub-Anschlag definiert einen maximalen Hubweg.
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In einer technischen Realisierung kann das Dämpfungselement, der Vorhub-Anschlag, der Rückhub-Anschlag und/oder die Dämpfungsmasse Bestandteil einer Hubverstelleinheit sein. Diese kann in einem, insbesondere hohlzylindrischen Aufnahmeprofil des Bearbeitungswerkzeugs angeordnet sein. Das hohlzylindrische Aufnahmeprofil kann an der Werkzeugspitze stirnseitig offen sein.
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Bevorzugt kann der Vorhub-Anschlag als eine Anschlaghülse realisiert sein, durch die das Dämpfungselement hubverstellbar geführt ist. Der Rückhub-Anschlag kann unter Bildung eines axialen Zwischenraums mit einem Axialabstand von dem Vorhub-Anschlag beabstandet sein. Zudem kann das Dämpfungselement einen durchmessergrößeren Ringbund aufweisen, der mit dem Vorhub-Anschlag und dem Rückhub-Anschlag zusammenwirkt. Der durchmessergrößere Ringbund kann eine Stirnseite der Anschlaghülse übergreifen sowie zwischen der Anschlaghülsen-Stirnseite und dem Rückhub-Anschlag hubverstellbar geführt sein.
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Die Dämpfungsmasse kann beispielhaft ein Elastomerkörper sein und/oder zwischen dem Rückhub-Anschlag sowie dem Dämpfungselement abgestützt sein, insbesondere dem durchmessergrößeren Ringbund des Dämpfungselements.
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Im Hinblick auf eine Funktionserweiterung ist es bevorzugt, wenn der Vorhub-Anschlag und/oder der Rückhub-Anschlag zum Beispiel entlang der Werkzeugachse höhenverstellbar sind. In diesem Fall kann eine Lage-Einstellung des Vorhub-Anschlags und/oder des Rückhub-Anschlags erfolgen, wodurch die Position der Gebrauchslage und/oder der Nichtgebrauchslage in Axialrichtung variierbar ist.
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In einer Ausführungsvariante kann das Dämpfungselement ein hülsenförmiges Hohlprofilteil sein, das koaxial entlang der Werkzeugachse hubverstellbar geführt ist. Das Dämpfungselement kann alternativ und/oder zusätzlich einen Elementkopf aufweisen, der während der Spanbearbeitung in Kontakt mit der Werkstückfläche bringbar ist.
Bevorzugt ist es, wenn dem Bearbeitungswerkzeug eine Kühlmittelversorgung zugeordnet ist, um die Kontaktstelle zwischen dem Dämpfungselement und dem Werkstück zu kühlen bzw. zu schmieren. Bevorzugt kann die Kühlmittelversorgung einen Kühlmittelkanal innerhalb des Werkzeugs aufweisen. Der Kühlmittelkanal kann zumindest einen Kanalaustritt im Bereich der Kontaktstelle des Dämpfungselements mit der Werkstückfläche aufweisen. Bevorzugt ist es, wenn das Hohlprofil des Dämpfungselements Bestandteil des Kühlmittelkanals ist. In diesem Fall kann im Elementkopf des Dämpfungselementes zumindest ein Kanalaustritt ausgebildet sein.
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In einer ersten Ausführungsvariante kann der Elementkopf des Dämpfungselements kugelförmig mit einer auf der Werkzeugachse liegenden Scheitelstelle ausgebildet sein. Bei der Spanbearbeitung ist der Elementkopf des Dämpfungselements an seiner Scheitelstelle in punktförmiger Druckanlage mit der Werkstückfläche.
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Alternativ dazu kann das Dämpfungselement ringförmig ausgebildet sein, so dass sich bei der Spanbearbeitung eine ringförmige Druckanlage ergibt.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 und 2 jeweils unterschiedliche Ansichten eines Fräswerkzeugs;
- 3 bis 9 jeweils unterschiedliche Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele.
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In der 1 ist in einer perspektivischen Teilansicht ein Fräswerkzeug im Bereich seiner Werkzeugspitze 1 gezeigt. Das Fräswerkzeug weist einen zylindrischen Grundkörper auf, der an seiner, der Werkzeugspitze 1 abgewandten Seite einen (nicht gezeigten) Spannschaft aufweist. An der Werkzeugspitze 1 des Fräswerkzeugs sind insgesamt drei umfangsverteilte Stirnschneiden 3, 5, 7 umfangsverteilt angeordnet.
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Das Dämpfungselement 9 ist zwischen einem Vorhub-Anschlag 11 und einem Rückhub-Anschlag 13 maximal um einen Hubweg h (2) hubverstellbar. In der 2 ist der Vorhub-Anschlag 11 als eine Anschlaghülse realisiert, innerhalb der das Dämpfungselement 9 geführt ist. Die Anschlaghülse 11 ist in eine hohlzylindrische Aufnahme 10 des Fräswerkzeugs eingeschraubt, die an der Werkzeugspitze 1 stirnseitig offen ist. Der Rückhub-Anschlag 13 ist unter Bildung eines axialen Zwischenraums 14 mit einem Axialabstand a von einer Anschlaghülsen-Stirnseite 15 beabstandet. Das Dämpfungselement 9 ist als ein hülsenförmiges Hohlprofilteil realisiert, das koaxial entlang der Werkzeugachse W hubverstellbar ist. Das Dämpfungselement 9 weist einerseits einen durchmessergroßen Ringbund 17 auf, der die Anschlaghülsen-Stirnseite 15 übergreift sowie zwischen der Anschlaghülse-Stirnseite 15 und dem Rückhub-Anschlag 13 hubverstellbar ist. Zudem ist gemäß der 2 die Dämpfungsmasse 19 als Elastomerkörper ausgebildet, der zwischen dem Rückhub-Anschlag 13 und dem durchmessergroßen Ringbund 17 des Dämpfungselements 9 abgestützt ist.
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In der 2 ist sowohl die Anschlaghülse 11 als auch der Rückhub-Anschlag 13 in Gewindeeingriff 21 mit der hohlzylindrischen Werkzeugaufnahme 10. Auf diese Weise kann die Axialposition der Anschlaghülse 11 und/oder des Rückhub-Anschlags 13 eingestellt werden.
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In der 2 ist das Dämpfungselement 9 in einer Nichtgebrauchslage N gezeigt. In der Nichtgebrauchslage N ragt ein Elementkopf 23 des Dämpfungselements mit einem Überstand Δx über die Stirnschneiden 3, 5, 7 hinaus.
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In der 3 ist das Fräswerkzeug während der Spanbearbeitung einer Werkstückfläche 25 gezeigt. In diesem Fall befindet sich das Dämpfungselement 9 in einer Gebrauchslage G, in der das Dämpfungselement 9 unter Aufbrauch des Überstands Δx sowie unter Aufbau einer Rückstellkraft bis auf Höhe der Werkzeugschneiden 3, 5, 7 verstellt ist, um einen Spaneingriff der Werkzeugschneiden 3, 5, 7 mit der Werkstückfläche 25 zu gewährleisten.
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In der, in der 3 gezeigten Gebrauchslage G befindet sich das Dämpfungselement 9 mit seinem Elementkopf 23 in Druckanlage mit der Werkstückfläche 25, wodurch Werkzeug- und Werkstückschwingungen reduziert sind.
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Um an der Kontaktstelle zwischen dem Elementkopf 23 des Dämpfungselements 9 und der Werkstückfläche 25 eine Beschädigung der Werkstückfläche 25 zu vermeiden, ist dem Fräswerkzeug eine Kühlmittelversorgung mit einem Kühlmittelkanal 27 zugeordnet. Dieser erstreckt sich im Fräswerkzeug koaxial zur Werkzeugachse W. Bestandteil des Kühlmittelkanals 27 ist auch das Innen-Hohlprofil des Dämpfungselements 9, über das das Kühlmittel direkt zum Elementkopf 23 geführt wird und dort über Kanalaustritte 29 zur Kontaktstelle geführt wird.
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Der von der Hubverstelleinheit bereitgestellte Hubweg h des Dämpfungselementes muss dabei größer bemessen sein als der in der Nichtgebrauchslage N vorhandene Überstand Δx des Dämpfungselements 9.
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In der 4 ist in einer Ansicht entsprechend der 2 eine weitere Ausführungsvariante gezeigt. Deren Aufbau sowie Funktionsweise sind identisch wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zur 1 oder 2 ist in der 4 der Elementkopf 23 nicht flach ausgebildet, sondern vielmehr kugelförmig ausgebaucht, und zwar mit einer auf der Werkzeugachse W liegenden Scheitelstelle S. Der Kanalaustritt 29 befindet sich dabei unmittelbar an der Scheitelstelle S. Auf diese Weise ergibt sich im Vergleich zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel eine im Wesentlichen punktförmige Druckanlage zwischen dem Dämpfungselement 9 und der Werkstückfläche 25.
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In der 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das Fräswerkzeug keine Stirnschneiden 3, 5, 7 aufweist, sondern vielmehr axial von Werkzeugspitze 1 beabstandete Seiten-Schneiden 31, 33. Mit dem in der 5 angedeuteten Fräswerkzeug erfolgt ein Anfräsen einer Werkstückseite 35, die parallel zur Werkzeugachse W ausgerichtet ist. Beim Start der Spanbearbeitung erfolgt in einer Zustellbewegung ein erster Werkzeugkontakt mit der Werkstückfläche 25 über die seitlichen Werkzeugschneiden 31, 33. Bei weiterem Werkzeug-Eintauchen in das Werkstück-Material kommt es erst zeitlich verzögert zu einer Druckanlage des Dämpfungselements 9 mit der Werkstückfläche 25.
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In der 6 ist ein weiteres Bearbeitungswerkzeug angedeutet. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist in der 6 das Dämpfungselement 9 ringförmig ausgebildet. In diesem Fall ergibt sich bei der Spanbearbeitung eine ringförmige Druckanlage, wobei die Werkzeugschneiden 37 radial außerhalb des ringförmigen Dämpfungselements 9 ausgebildet sind. In der 6 sind die Kanalaustritte 29 des Kühlmittelkanals 27 unmittelbar im ringförmigen Dämpfungselement 9 positioniert. In der 7 sind dagegen die Kanalaustritte 29 sowohl im ringförmigen Dämpfungselement 9 als auch radial innerhalb des ringförmigen Dämpfungselements 9 positioniert. Im Unterschied dazu ist in der 8 das Dämpfungselement 9 frei von Kanalaustritten 29, während nur radial innerhalb des ringförmigen Dämpfungselements 9 ein Kanalaustritt 29 des Kühlmittelkanals 27 positioniert ist.
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In der 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Dämpfungselement 9 nicht nur in Axialrichtung nachgiebig gelagert ist, sondern vielmehr auch in Radialrichtung nachgiebig gelagert ist. Auf diese Weise kann sich das Fräswerkzeug während der Spanbearbeitung zusätzlich auch seitlich am Werkstück abstützen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugspitze
- 3, 5, 7
- Werkzeugschneiden
- 9
- Dämpfungselement
- 10
- Aufnahmeprofil
- 11
- Anschlaghülse
- 13
- Rückhub-Anschlag
- 15
- Anschlaghülsen-Stirnseite
- 17
- durchmessergrößerer Ringbund
- 19
- Dämpfungsmasse
- 21
- Gewindeeingriff
- 23
- Elementkopf
- 25
- Werkstückfläche
- 27
- Kühlmittelkanal
- 29
- Kanalaustritt
- 31, 33
- Werkzeugschneiden
- 35
- Werkstück-Seite
- 37
- Werkzeugschneide
- a
- Axialabstand
- h
- Hubweg
- Δx
- Überstand
- G
- Gebrauchslage
- N
- Nichtgebrauchslage
- S
- Scheitelstelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2399698 B1 [0004]
- EP 1339517 B1 [0004]
- EP 1292417 B1 [0004]
