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Die Erfindung betrifft einen Schaftfräser mit Hohlstirn und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Schaftfräser sind aus dem Stand der Technik bekannt. Allgemein weist ein Schaftfräser eine annähernd zylindrische Form mit einem Schaftteil zum Einspannen in eine Maschine (z.B. eine Werkzeugmaschine) und einem Schneidteil zur Bearbeitung eines Werkstücks auf. An einer Stirnfläche eines solchen Fräsers ist bekannterweise mindestens eine Stirnschneide vorgesehen, die vor allem bei axialer Bearbeitung eines Werkstücks zum Einsatz kommt. An einem Umfang des Schneidteils ist mindestens eine Mantelschneide oder Umfangsschneide vorgesehen, die vor allem beim Fräsen von Nuten, Langlöchern etc. zum Einsatz kommt.
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Die bei der Bearbeitung des Werkstücks abgehobenen Späne müssen abgeführt werden. Zu diesem Zweck sind Spanräume und anschließend an die Umfangsschneide Spannuten vorgesehen. Zur Verhinderung von übermäßiger Reibung der an die Haupt- und Umfangsschneiden anschließenden Freiflächen, sind bei Fräsern gemäß Stand der Technik vordefinierte Freiwinkel eingearbeitet. Dadurch ist sichergestellt, dass die Freifläche von der bearbeiteten Fläche des Werkstücks einen Abstand einnimmt. Es ist auch bekannt, mittels Vorsehen von zwei Freiwinkeln dafür zu sorgen, dass ein von der Schneide entfernter Abschnitt einen deutlich größeren Abstand als ein an der Schneide anliegender Abschnitt einnimmt.
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Ein Beispiel für einen Schaftfräser gemäß Stand der Technik zeigt die Druckschrift
EP 2 012 958 B2 .
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Bei bisher gefertigten Schaftfräsern wurde festgestellt, dass diese bei axialen Bearbeitungen eine hohe Maschinenauslastung verursachen, die sich am Werkzeug durch einen hohen Verschleiß abzeichnet. Dieser Verschleiß führt ab einer gewissen Größe zu Ausbrüchen an der Stirnschneide und damit zu einem vorzeitigen Standzeitende. Dies tritt vor allem an einem Übergang von der Stirnschneide zu der Mantelschneide (Stirnverzahnung zu der Mantelverzahnung) auf. Dieses Problem wurde in verschiedenen Materialgruppen beobachtet.
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Die Erfinder gehen davon aus, dass durch unzureichende Spanabfuhr bei axialen Bearbeitungen hohe Belastungen entstehen. Dies führt zu Spänestau und weiterführend zu großen Verschleißmarkenbreiten und schlussendlich zu Ausbrüchen im Bereich der Stirnverzahnung am Übergang zur Mantelverzahnung.
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Es besteht daher Bedarf an einem Schaftfräser mit Hohlstirn mit verbesserter Standzeit.
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Erfindungsgemäß ist ein Schaftfräser mit Hohlstirn bereitgestellt. Dieser hat einen Schaftabschnitt, und einen Schneidabschnitt mit einer Stirnfläche und einer Umfangsfläche. An einer Stirnfläche ist eine von einem Außendurchmesser des Schneidabschnitts zu einer mittleren Längsachse verlaufende Stirnschneide mit einer an dieser anschließenden Freifläche ausgebildet. An einer Umfangsfläche ist eine Umfangsschneide mit einer an dieser anschließenden Umfangsfreifläche ausgebildet. Die an die Stirnschneide anschließende Freifläche ist als eine abgerundete, konvexe und geometrisch unbestimmte Fläche ausgebildet ist.
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Durch das Ausbilden der an die Stirnschneide anschließenden Freifläche als eine abgerundete, konvexe und geometrisch unbestimmte Fläche kann der Keilwinkel an dem Übergang zwischen der Stirnschneide und der Umfangsschneide optimiert werden. Außerdem können Spanräume vergrößert und dadurch eine verbesserte Spanabfuhr möglich werden. Neben einer verlängerten Standzeit eines derartigen Schaftfräsers kann auch ein Verbrauch von Kühlschmiermittel für die Bearbeitung reduziert werden.
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Bevorzugt kann die an die Stirnschneide anschließende Freifläche in einer Richtung von dem Außendurchmesser beginnend entlang der Stirnschneide zu der mittleren Längsachse gesehen unterschiedliche Freiwinkel aufweisen.
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Durch die geometrisch unbestimmte Form der an die Stirnschneide anschließenden Freifläche kann diese von radial außen nach innen unterschiedliche Freiwinkel aufweisen. Diese können so ausgebildet werden, dass eine Belastung der Schneide an der entsprechenden Position so gering wie möglich ausfällt.
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Bevorzugt können die Freiwinkel der an die Stirnschneide anschließenden Freifläche sich gemäß einer archimedischen Spirale, logarithmisch oder variabel verändern.
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Außerdem kann sich bevorzugt ein Keilwinkel der Stirnschneide in einer Richtung von dem Außendurchmesser beginnend entlang der Stirnschneide zu der mittleren Längsachse gesehen verändern.
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Auch diese Ausgestaltung trägt dazu bei, dass aufgrund einer Anpassung des Keilwinkels die Stabilität der Keilwinkel erhöht ist. Somit fällt eine Belastung der Schneide an der entsprechenden Position so gering wie möglich aus.
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Bevorzugt kann dabei ein Keilwinkel der Stirnschneide in einer Richtung von dem Außendurchmesser beginnend entlang der Stirnschneide zu der mittleren Längsachse gesehen in einem radial außenliegenden Bereich größer als in einem radial innenliegenden Bereich sein.
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Alternativ kann der Keilwinkel im dem radial außenliegenden Bereich kleiner sein als in einem radial innenliegenden Bereich. Es besteht auch die Möglichkeit, den Keilwinkel von radial außen nach innen zuerst größer werden zu lassen, und dann wieder kleiner werden zu lassen. Andere Ausgestaltungen sind ebenfalls möglich.
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Damit kann das Problem vermieden werden, dass es zu Ausbrüchen an dem Übergang von der Stirnschneide zu der Umfangsschneide führt.
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Bevorzugt kann die Stirnschneide an dem Außendurchmesser die Umfangsschneide zumindest in einem virtuellen Punkt schneiden, und ein Übergang zwischen der Stirnschneide und der Umfangsschneide kann in Form einer durch einen Radius definierten, konvexen Rundung ausgebildet sein.
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Während gemäß Stand der Technik in dem Bereich des Übergangs von der Stirnschneide zu der Umfangsschneide vor allem Fasen geschliffen werden, haben die Erfinder festgestellt, dass ein definierter Eckenschutzradius in Form einer konvexen Rundung ebenfalls zu einer Verbesserung der Standzeit beiträgt.
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Bevorzugt ist der Übergang mittels einer zylindrischen Schleifscheibe erzeugt, deren Mantelfläche beidseitig in Form einer der konvexen Rundung entsprechenden Aussparung zu deren Grundfläche übergeht.
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Bevorzugt kann in einem erfindungsgemäßen Schaftfräser eine Querschnittsebene als Ebene parallel zu einer Tangente durch einen Schnittpunkt der Stirnschneide mit dem Außendurchmesser und parallel zu der Mittelachse definiert sein. Dabei kann eine Schnittkurve der an die Stirnschneide anschließenden Freifläche mit der Querschnittsebene einem Abschnitt einer archimedischen Spirale, einer Kegelschnittlinie, einer logarithmischen Kurve oder einer Kurve mit sich ändernder Steigung entsprechen.
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Der Freiwinkel kann dabei beliebig oft geändert werden, wodurch optisch ein konvexer Hinterschliff entsteht. Da in einem Durchgang verschiedene Freiwinkel erzeugt werden können, ist der Schneidkeil in der Stirn stabiler ausgeführt. Außerdem sind durch den verlaufenden Übergang der unterschiedlichen Winkel und Radien Störkanten vermieden, die die Spanabfuhr behindern.
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Zusätzlich kann der Auslauf des Hinterschliffs an die Form der Spannut angeglichen werden. So kann eine Spanraumerweiterung erfolgen. Insbesondere ist in von der Stirnschneide entfernteren Bereichen der Freifläche eine deutliche Vergrößerung des Freiwinkels möglich, wodurch ein Risiko vermieden ist, dass beim Fräsen entstehende Späne in dem Raum zwischen der Freifläche und dem bearbeiteten Werkstück gefangen werden.
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Neben den technischen Vorteilen führt dies auch zu einer Kostenreduktion.
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Bevorzugt kann an der Stirnfläche eine zweite, der Stirnschneide gegenüberliegende Stirnschneide mit einer an dieser anschließenden Hauptfreifläche ausgebildet sein. Die beiden Stirnschneiden mit den Hauptfreiflächen können symmetrisch sein, und die beiden Stirnschneiden können in axialer Richtung des Schaftfräsers betrachtet eine Form eines S ausbilden.
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Außerdem können mindestens zwei Stirnschneiden und mehrere kurze Stirnschneiden ausgebildet sein, und je eine an jede dieser Haupt- und kurze Stirnschneiden anschließende Freifläche als eine abgerundete, konvexe und geometrisch unbestimmte Fläche ausgebildet ist.
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Die Stirnschneide kann in axialer Richtung des Schaftfräsers betrachtet eine in einer Schnittrichtung des Schaftfräsers vorgewölbte Krümmung aufweisen. Außerdem kann die Stirnschneide in axialer Richtung des Schaftfräsers betrachtet ausschließlich gekrümmte Abschnitte aufweisen.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Schaftfräsers weist die Schritte auf:
- Bereitstellen eines zylindrischen Rohlings,
- Herausarbeiten einer Umfangsschneide mit einer an dieser anschließenden Umfangsfreifläche und einer wiederum an dieser anschließenden Spannut,
- Herausarbeiten einer Stirnschneide mit einer an dieser anschließenden Freifläche,
- Herausarbeiten der an die Stirnschneide anschließenden Freifläche mittels eines rotierenden Schleifwerkzeugs, wobei eine Drehachse des rotierenden Schleifwerkzeugs während des Herausarbeitens relativ zu der mittleren Längsachse des Schaftfräsers verändert wird, um eine Freifläche als eine abgerundete, konvexe und geometrisch unbestimmte Fläche auszubilden.
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Somit wird die an die Stirnschneide anschließende Freifläche mittels eines einzigen Schleifvorgangs erzeugt, wodurch weitere Schleifvorgänge nicht erforderlich sind. Darüber hinaus ermöglicht es die Form der Freifläche, verschiedene Frei- und Keilwinkel an ein und derselben Freifläche zu verwirklichen und verlaufende Übergänge der unterschiedlichen Winkel und Radien auszubilden. Dadurch gibt es keine Störkanten, die die Abfuhr der Späne behindern.
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Bevorzugt hat das Verfahren außerdem einen Schritt, einen Übergang zwischen der Stirnschneide und der Umfangsschneide in Form einer durch einen Radius definierten, konvexen Rundung herauszuarbeiten. Dabei wird eine zylindrische Schleifscheibe eingesetzt, die so profiliert ist, dass ihre Mantelfläche beidseitig in Form einer der konvexen Rundung entsprechenden Aussparung zu deren Grundfläche übergeht. Zur Bearbeitung wird der Schaftfräser entlang seiner Mittelachse senkrecht auf die Drehachse der Schleifscheibe zugestellt, und der Übergang unter gleichzeitiger Drehung des Schaftfräsers und der Schleifscheibe geschliffen, wobei der Schleifvorgang mittels der herausgearbeiteten Rundung ausgeführt wird.
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Die Verwendung einer derart profilierten Schleifscheibe ermöglicht es, mittels einer einfachen Zustellbewegung einen Eckenschutzradius vorzusehen. Dabei entfallen ansonsten erforderliche aufwendige Interpolationsschritte, die gemäß Stand der Technik erforderlich sind.
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Weiter Vorteile der Erfindung sind aus der Beschreibung der Figuren ersichtlich, die einen erfindungsgemäßen Schaftfräser gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigen.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine Stirnfläche eines Schaftfräsers gemäß der Ausführungsform,
- 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Stirnfläche und einen Abschnitt einer Umfangsfläche Schaftfräsers gemäß der Ausführungsform,
- 3 eine schematische Seitenansicht des Schaftfräsers gemäß der Ausführungsform,
- 4a eine schematische Ansicht entsprechend der 1, aus der Schnittebenen der in den 4b bis 4d dargestellte Schnittansichten hervorgehen, 4b eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 4a, 4c eine Schnittansicht entlang der Linie B-B der 4a und 4d eine Schnittansicht entlang der Linie C-C der 4a.
- 5 eine schematische Ansicht des Schleifvorgangs zur Herstellung eines Eckenschutzradius
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Eine bevorzugte Ausführungsform wird anhand der 1 bis 5 beschrieben.
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Die Ausführungsform betrifft einen Schaftfräser 1 mit Hohlstirn. Dieser wird aus einem zylindrischen Halbzeug gefertigt und weist einen Schaftabschnitt 3 und einen Schneidabschnitt 5 auf.
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An einer Stirnfläche des Schneidabschnitts sind zwei Stirnschneiden 11, 21 ausgebildet, die in axialer Richtung betrachtet einen S-förmigen Verlauf aufweisen. An jeder der Stirnschneiden 11, 21 liegt eine Freifläche 13, 23 an.
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Die Freifläche 13, 23 ist als eine abgerundete, konvexe und geometrisch unbestimmte Fläche definiert und wird mittels eines einzigen Schleifvorgangs erzeugt. Dabei wird eine Achse der Schleifscheibe relativ zu der Achse des Schaftfräsers 1 so bewegt, dass sich die vorab definierte Form der Freifläche ergibt.
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Dadurch ist es möglich, innerhalb der einen Freifläche 13, 23 unterschiedliche Freiwinkel zu verwirklichen, was dazu führt, dass der Schneidkeil (Keilwinkel) der jeweiligen Schneide stabiler ausgeführt werden kann. Dies führt zu verlängerten Standzeiten, da der Keilwinkel insbesondere in den radial außenliegenden Bereichen verbessert werden kann.
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Neben den beiden Stirnschneiden 11, 21 weist der Schaftfräser 1 zwei kurze Stirnschneiden 31, 41 auf. Diese sind wie auch die Stirnschneiden 11, 21 bei axialer Betrachtung der Stirnfläche des Schaftfräsers 1 in die Schnittrichtung gekrümmt. Außerdem sind an den kurze Stirnschneiden 31, 41 anliegende Freiflächen 33, 43 in ähnlicher Weise wie die an den Stirnschneiden 11, 21 anliegenden Freiflächen 13, 23 im Zuge eines einzigen Schleifvorgangs ausgebildet. Dadurch ergeben sich auch in Hinblick auf die kurzen Stirnschneiden die voranstehend geschilderten Vorteile.
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Um eine Abfuhr der geschnittenen Späne in spiralig an der Umfangsfläche verlaufende Spannuten 15, 25 für die Stirnschneiden 11, 21 und 37, 47 für die kurze Stirnschneiden 31, 41 zu erleichtern, sind zusätzlich zu Spannuten 15, 25 für die Stirnschneiden 11, 21 Stirnlücken 19, 39 und für die kurzen Stirnschneiden 31, 41 Stirnlücken 35, 45 eingearbeitet. Durch einen Übergang von den Stirnlücken 19, 35, 45, 39 zu den jeweiligen Spannuten wird nach dem Abnehmen des Spans durch die Stirnschneide der Fluss des Spans in die Spannut wesentlich verbessert.
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Somit ermöglichen diese Stirnlücken neben einer verbesserten Standzeit auch einen verringerten Verbrauch eines Kühlschmiermittels.
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Als Übergang von den Stirnschneiden (Stirnschneiden 11, 21 und kurze Stirnschneiden 31, 41) zu an der Umfangsfläche vorgesehenen Umfangsschneiden 53, 63, 73, 83 sind Übergänge in Form von Eckenschutzfasen 51, 61, 71, 81 ausgebildet. An den Umfangsschneiden 53, 63, 73, 83 anliegend sind Freiflächen 55, 65, 75, 85, die in Spannuten übergehen. Die Umfangsschneiden, Freiflächen und Spannuten sind spiralig mit einer vorgegebenen Steigung ausgeführt.
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Alternativ zu den Eckenschutzfasen kann der Übergang von der Hauptschneide des Schaftfräsers zu der Umfangsschneide in Form von Eckenschutzradien ausgebildet sein.
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Wie aus der 5 ersichtlich ist, werden diese Eckenschutzradien mittels einer zylindrischen Schleifscheibe 101 ausgebildet, deren Ecken, d.h. die Übergänge von der Mantelfläche zu den beiden Grundflächen, eine bogenförmige Aussparung 103 aufweisen. Um die Eckenschutzfasen zu schleifen, wird das Werkstück (der Schaftfräser 1) entlang seiner Mittelachse rechtwinkelig zur Drehachse der Schleifscheibe 101 zugestellt. Dabei befinden sich sowohl die Schleifscheibe 101 als auch der Schaftfräser 1 in drehender Bewegung.
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Aus der schematischen Darstellung der 4a bis 4d sind die variierenden Freiwinkel und Keilwinkel der an der Stirnschneide 11 anliegenden Freifläche 13 ersichtlich. Die 4a gibt die Position der aus den 4b bis 4d ersichtlichen Schnittansichten entlang der Stirnschneide 21 an. Ansonsten entspricht die 4a der Ansicht der 1. Dabei stellt die 4b einen Schnitt an einer radialen Position ungefähr 12,5 % des Werkzeugdurchmessers von der Mittelachse entfernt (in der 4a entlang der Line A-A) dar, die 4c einen Schnitt an einer radialen Position ungefähr 25 % des Werkzeugdurchmessers von der Mittelachse entfernt (in der 4a entlang der Line B-B) dar und die 4d einen Schnitt an einer radialen Position ungefähr 49 % des Werkzeugdurchmessers von der Mittelachse entfernt (in der 4a entlang der Line C-C) dar. Die Freiwinkel an der Schneide sind durch gestrichelte Linien dargestellt.
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Aus den 4b bis 4d ist ersichtlich, dass sich die jeweiligen Freiwinkel αa, αb und αc unterscheiden. Außerdem ist deutlich zu erkennen, dass sich jeder der Freiwinkel αa, αb und αc entlang der Schnittkurve der Freifläche 23 mit der jeweiligen Schnittebene fortlaufend in unterschiedlicher Weise ändert.
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Da es erfindungsgemäß möglich ist, die jeweiligen Freiwinkel beliebig einzustellen, können deutlich verschleißfestere Keilwinkel und damit Stirnschneiden bereitgestellt werden. Insbesondere ist eine Anpassung des Schaftfräsers an verschiedene Werkstückmaterialen wie z.B. Stähle (Werkzeug-Bau und Edelstähle), Aluminiumlegierungen, Nichteisenmetalle, Kunststoffe oder Holz möglich.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Schaftfräser
- 3
- Schaftabschnitt
- 5
- Schneidabschnitt
- 11, 21
- Stirnschneide
- 13, 23
- Freifläche (an der Stirnschneide anliegend)
- 15, 25, 37, 47
- Spannut
- 19, 39, 35, 45
- Stirnlücke
- 31, 41
- kurze Stirnschneide
- 33, 43
- Freifläche (an der kurzen Stirnschneide anliegend)
- 51, 61, 71, 81
- Eckenschutzfase
- 53, 63, 73, 83
- Umfangsschneide
- 55, 65, 75, 85
- Freifläche (an der Umgangsschneide anliegend)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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