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Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug zum Bearbeiten von Kunststoff gemäß dem unabhängigen Anspruch.
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Die Erfindung liegt im technischen Gebiet von Werkzeugen für spanende Fertigungsverfahren, insbesondere Bohrern zum Fertigen von Bohrungen in Kunststoff, wie kohlenfaserverstärktem Kunststoff.
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Das Fertigen von Bohrungen in Kunststoff, insbesondere in kohlefaserverstärktem Kunststoff, stellt eine wichtige Aufgabe bei neuen Entwicklungen dar, insbesondere im Straßen- oder Luftverkehr bzw. im Maschinen- und Anlagenbau, wo ressourcenschonende Anforderungen an Design und Konstruktion gestellt werden.
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Derartige Bohrer sind bereits aus der
US 5 451 128 A der US 4 500 234 A bekannt.
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Beim Bohren von großen Löchern in kohlefaserverstärktem Kunststoff liegt das besondere Augenmerk vor allem darauf, Delaminationen und Faserüberstände am Bohrungsaustritt zu vermeiden und die gesamten Bohrungstoleranzen in Bezug auf Durchmesser, Form und Oberfläche prozesssicher einzuhalten.
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Mit diesem Problem befasst sich bereits die Europäische Patentanmeldung Nr. 21206884.5, die ein Zerspanungswerkzeug zum Bearbeiten von Kunststoff umfassend einen Werkzeugschaft zur Anordnung in einer Werkzeugaufnahme zeigt, das einen sich an den Werkzeugschaft anschließenden Hohlzylinder mit stirnseitigen Schneidelementen zeigt, an denen ein Kanal für ein Kühlmittel angeordnet ist. Diese Ausgestaltung hat sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die Delaminierung bei der Bearbeitung von Kunststoff erwiesen.
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Ein Problem bei der Bearbeitung von Kunststoffen mit derartigen kronenartigen Bohrern besteht darin, dass in dem Hohlzylinder abgetrennte Materialreste verbleiben, die entfernt werden müssen, bevor der Bohrer neu angesetzt wird. Dazu ist es üblicherweise notwendig den Bohrer zu stoppen, was insbesondere bei industriellen Fertigungsprozessen nachteilig ist.
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Die Erfindung hat die Aufgabe ein Zerspanungswerkzeug bereitzustellen, welches die Nachteile im Stand der Technik überwindet und ein leichtes Ablösen von innerhalb beim Bohren erzeugten Materialresten zum Beispiel bei der Bearbeitung von Kunststoff ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch ein Zerspanungswerkzeug zum Bearbeiten von Kunststoff mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen bilden den Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Die Erfindung umfasst ein Zerspanungswerkzeug zum Bearbeiten von Kunststoff umfassend einen Werkzeugschaft zur Anordnung in einer Werkzeugaufnahme und einen sich an den Werkzeugschaft anschließenden Hohlzylinder. Der Hohlzylinder umfasst wenigstens eine stirnseitig angeordnete Öffnung zur Aufnahme eines Schneidelementes sowie am Hohlzylinder mindestens einen innenseitigen Kühlmittelauslass. Der innenseitige Kühlmittelauslass erlaubt ein Herausspülen von innerhalb beim Bohren erzeugten Materialresten. Auf diese Art und Weise kann eine axiale Kraft zum Ablösen von Materialresten noch während der Drehung des Zerspanungswerkzeugs auf den innenliegenden Materialrest erzeugt werden. Das austretende Kühlmedium erzeugt vorteilhafterweise einen Überdruck in der Kammer des Kronenbohrers. Dieses, unter Druck stehende, Kühlmedium bewirkt einen automatischen Auswurf des Materialstopfens beim Durchtrennen der letzten Faserlage bei faserverstärkten Kunststoffen, welcher sonst innerhalb des Hohlzylinders im Werkzeug verbleiben oder gar verklemmen würde.
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Ein besonders vorteilhafter Aspekt sieht vor, dass der Hohlzylinder mindestens einen außenseitigen Kühlmittelauslass und alternativ oder additiv mindestens einen stirnseitigen Kühlmittelauslass umfasst. Der außenseitige Kühlmittelauslass ermöglicht die Ausgabe des Kühlmediums, um zwischen die Außenwand des Hohlzylinders und das zu bearbeitende Bauteil zu gelangen. Damit wird ein Aufwärmen und Ausfasern am Bauteil vorallem bei der Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen verringert. Der stirnseitige Kühlmittelauslass ist vorteilhafterweise an dem vorderen Randabschnitt des Hohlzylinders ausgebildet. Zum Beispiel kann ein Abschnitt der Öffnung für das Schneidelement als stirnseitiger Kühlmittelauslass dienen.
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Ein weiterer vorteilhafter Aspekt sieht vor, dass der mindestens eine außenseitige Kühlmittelauslass eine in der (außenseitigen) Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnete Öffnung umfasst. Damit kann das Kühlmittel gleichmäßig über die Außenfläche des Hohlzylinders verteilt werden.
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Besonders bevorzugt umfasst der mindestens eine innenseitige Kühlmittelauslass eine in der Bodenfläche des Hohlzylinders angeordnete Öffnung. Aus dieser Öffnung kann das Kühlmittel in Richtung etwaiger Materialreste mit Druck herausgeführt werden.
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Besonders bevorzugt sind der mindestens eine innenseitige Kühlmittelauslass, der mindestens eine außenseitige Kühlmittelauslass und der mindestens eine stirnseitige Kühlmittelauslass über einen gemeinsamen Zuführkanal im Werkzeugschaft verbunden. Die Einleitung des Kühlmediums erfolgt durch den Schaft des Werkzeuges. Auf der Innenseite des Grundkörpers befinden sich weitere Abzweigungen der Kühlkanäle. Die Balance der Menge des Kühlmediums, welches direkt an den Schneiden und auf der Innenseite des Kronenbohrers austritt, kann über den Durchmesser der hohlgebohrten Schrauben erfolgen. Diese Balance definiert den Kühleffekt und die Auswurfkraft.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn in der wenigstens einen, stirnseitig angeordneten Öffnung ein Schneidelement mit einer Schneidfläche angeordnet ist. Gemäß einem Beispiel sind drei und mehr Schneidelemente vorgesehen.
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Vorteilhafterweise sind die Schneidflächen unter einem Winkel α zur radialen Verbindung zwischen einer Hohlzylindermittelachse und der Schneidelementmittelachse angeordnet. Die Schneiden verfügen nicht nur über einen positiven Spanwinkel, sondern sind zudem auch noch um den Winkel α nach innen eingedreht. Dadurch kommt es zu einer Überlagerung von Spanwinkel (Bohrer) und radialem Seitenspanwinkel (Fräser). Durch diese Kombination wird bei dem Bohrwerkzeug eine nach innen und oben gerichtete Schnittkraft erzeugt, welche Delaminationen verhindert.
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Es ist ferner bevorzugt, wenn das Schneidelement eine Keilstufe mit einem im Vergleich zur Schneidfläche vergrößerten Spanwinkel aufweist. Die Keilstufe ist Teil der Schneide, weist aber einen zweiten, deutlich größeren, Spanwinkel auf. Sie dient dazu überstehende Fasern, welche beim Durchbruch der Schneidenspitzen nicht durchtrennt wurden, sauber zu trennen.
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Besonders bevorzugt umfasst der Hohlzylinder (außenseitig) eine Führungsleiste. Besonders vorteilhaft sind drei und mehr Führungsleisten, um das Werkzeug durch das Werkstück zu führen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs zur Bearbeitung von Kunststoff mit einer vergrößerten Detaildarstellung für das Schneidelement;
- 2 eine perspektivische Darstellung der Verläufe der innenliegenden Kühlkanäle;
- 3 eine Draufsicht von vorne auf die Darstellung aus 2;
- 4 eine Draufsicht von vorne auf das Zerspanungswerkzeug aus 1 mit einer Buchse; und
- 5 perspektivische Darstellung der Buchse aus 4.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Zerspanungswerkzeug 1 zum Bearbeiten von Kunststoff in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Im unteren Bereich ist eine vergrößerte Detaildarstellung für das befestigte Schneidelement 5 gezeigt.
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Das Zerspanungswerkzeug 1 umfasst einen Werkzeugschaft 2 zur Anordnung in einer Werkzeugaufnahme (Bohrfutter). Nach vorne schließt sich an den Werkzeugschaft 2 nach einem Übergangsabschnitt eine Bohrerkrone mit einem Hohlzylinder 3 an. Der Abschnitt in Form des Hohlzylinders 3 hat an der vorderen (dem Werkzeugschaft abgewandten Seite) Stirnseite drei Öffnungen 4 zur Aufnahme des Schafts eines Schneidelementes 5.
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Am Hohlzylinder 3 sind in diesem bevorzugten Beispiel drei innenseitige Kühlmittelauslässe 6a vorhanden. Die drei innenseitigen Kühlmittelauslässe 6a umfassen in der Bodenfläche 31 des Hohlzylinders 3 (in diesem Perspektivwinkel sind nur zwei zu sehen) liegende Öffnungen.
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Der innenseitige Kühlmittelauslass 6a erlaubt ein Herausspülen von innerhalb beim Bohren erzeugten Materialresten, indem eine axiale Kraft zum Ablösen von Materialresten noch während der Drehung des Zerspanungswerkzeugs 1 auf den innenliegenden Materialrest vom Kühlmittel erfolgt.
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Im gezeigten Beispiel umfasst der Hohlzylinder 3 ferner drei außenseitige Kühlmittelauslässe 6c und drei stirnseitige Kühlmittelauslässe 6b. Alle drei außenseitige Kühlmittelauslässe 6c haben entlang der Mantelfläche des Hohlzylinders 3 eine angeordnete Öffnung.
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Gemäß der unten gezeigten Detaildarstellung ist in der wenigstens einen, stirnseitig angeordneten Öffnung 4 ein Schneidelement 5 mit einer in Rotationsrichtung nach vorne zeigenden Schneidfläche 51 angeordnet. Das Schneidelement 5 weist eine Keilstufe 52 mit einem im Vergleich zur Schneidfläche 51 vergrößerten Spanwinkel auf. Sie dient dazu überstehende Fasern, welche beim Durchbruch der Schneidenspitzen nicht durchtrennt wurden, sauber zu trennen.
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Durch die Ausführung mit wechselbaren Schneidelementen 5 kommt es zu einer Verkettung von Fertigungstoleranzen. Beim Zerspanen werden jedoch z.T. nur sehr geringe Zahnvorschübe gefahren. Um sicherzustellen, dass jedes Schneidelement 5 eine ähnliche Last trägt, kann die fertigungsbedingte Höhendifferenz der Schneideinsätze durch eine Exzenterschraube 53 feineingestellt werden.
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Im gezeigten Beispiel hat der Hohlzylinder 3 sechs rechteckige Führungsleisten 7.
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Die Führungsleisten 7 führen das Werkzeug innerhalb der Bohrung. Dazu ist der Führungsleistendurchmesser kleiner oder gleich als der Durchmesser der Schneidelemente 5. Die Führungsleisten 7 können dann, in axialer Position, direkt hinter der äußeren Spitze der Schneidelemente 5 positioniert werden.
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2 ist eine Detaildarstellung des Kühlsystems mit den entsprechenden Kanälen und Verzweigungen gezeigt. Der innenseitige Kühlmittelauslass 6a erlaubt ein Herausspülen von innerhalb des Hohlzylinders 3 beim Bohren erzeugten Materialresten. Der durchsichtig dargestellte Hohlzylinder 3 umfasst drei außenseitige Kühlmittelauslässe 6c und drei stirnseitige Kühlmittelauslässe 6b.
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Die drei innenseitigen Kühlmittelauslässe 6a, die drei außenseitigen Kühlmittelauslässe 6c sowie die drei stirnseitigen Kühlmittelauslässe 6b sind über einen gemeinsamen Zuführkanal 21 im durchsichtig dargestellten Werkzeugschaft 2 verbunden.
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Diese Merkmale sind in der in 3 dargestellten Draufsicht nochmals gezeigt.
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In 4 ist das Zerspanungswerkzeug 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 1 in der Draufsicht von vorne gezeigt, wobei der Hohlzylinder 3 von einer Buchse 8 umgeben ist. Sollte aus bestimmten Gründen der Einsatz eines Zentrierbohrers nicht möglich sein (zu geringer Werkzeugdurchmesser o.a.) kann das Werkzeug auch gegen eine äußere Buchse 8 geführt werden.
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Im gezeigten Beispiel mit der Buchse 8 dienen die Führungsleisten 7 dazu den Hohlzylinder 3 gegen die Innenseite der Buchse 8 anzuschlagen und zu führen. Dazu ist der Führungsleistendurchmesser größer als der Durchmesser der Schneidelemente 5. Die Führungsleisten 7 müssen dazu in axialer Position gegenüber den Schneidelementen 5 so weit zurückgestellt sein, dass die Führungsleisten 7 keinen Kontakt zum Werkstück haben, wenn das Durchgangsloch erzeugt wird.
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Die Schneidelemente 5 verfügen nicht nur über einen positiven Spanwinkel, sondern sind zudem auch noch um einen Winkel α (zur radialen Verbindung zwischen einer Hohlzylindermittelachse 13 und der Schneidelementmittelachse 12) nach innen eingedreht. Dadurch kommt es zu einer Überlagerung von Spanwinkel (Bohrer) und radialem Seitenspanwinkel (Fräser). Durch diese Kombination wird bei dem Bohrwerkzeug eine nach innen und oben gerichtete Schnittkraft erzeugt, welche Delaminationen verhindert.
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In 5 ist die Buchse 8 allein ohne Werkzeug gezeigt. Die seitliche Öffnung 81 dient der Zufuhr eines Fluids oder zur Aufnahme eines Befestigungsmittels (nicht gezeigt).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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