-
Die
Erfindung betrifft ein Fräswerkzeug
zur spanabhebenden Bearbeitung von zumindest teilweise aus Kunststoff
bestehenden Materialien, das rotierend antreibbar ist und wenigstens
eine Schneide aufweist, welche aus keramischem Material besteht.
-
Allgemein
bekannte Fräser,
wie beispielsweise in der
EP
0 361 027 A1 offenbart, bestehen aus Metall, in der Regel
aus Kobalt enthaltendem Hartmetall. Diese Fräser haben sich in der Metallbearbeitung
bewährt.
Zur Bearbeitung fragiler Werkstücke aus
Kunststoff und dergleichen sind die bekannten Fräser jedoch ungünstig. In
diesem Zusammenhang ist davon auszugehen, dass die bekannten Metallfräser vergleichsweise
schwer sind, so dass die Antriebsgeschwindigkeit zur Vermeidung
von Schäden an
der Spindellagerung begrenzt ist, was einen vergleichsweise geringen
Vorschub bedingt. Die Folge davon sind nicht nur lange Bearbeitungszeiten,
sondern insbesondere vergleichsweise hohe Schnittkräfte, wodurch
fragile Werkstücke
beschädigt
werden können.
Die hohen Schnittkräfte
führen
in Verbindung mit den vergleichsweise geringen Schnittgeschwindigkeiten
außerdem
dazu, dass die Zerspanungsenergie noch während der Bildung eines Spans
zu einer starken Erwärmung
des Spans und zu einer starken Wärmeübertragung
auf das Werkzeug und das Werkstück
führt.
Die Erwärmung
des Werkzeugs kann eine unzulässige
Erwärmung
der benachbarten Maschinenteile hervorrufen und zu einem Fressen
der Spindellager oder ähnlichen
Schäden
führen.
Die Erwärmung
des Werkstücks
ist aber bei aus Kunststoff bestehenden bzw. Kunststoff enthaltenden
Werkstücken
besonders ungünstig.
In diesem Zusammenhang ist nämlich
davon auszugehen, dass viele Kunststoffe einen Binder enthalten,
der bei bestimmten Temperaturen frei wird. Dabei besteht die Gefahr
einer Vermischung mit dem bei der Zerspanung entstehenden, nicht
vermeidbaren Staub, was zu einem Zusetzen des Spanraums führen kann. Die
Folge davon sind Störungen
des Zerspanungsvorgangs. Außerdem
können
Kunststoffe eine Säure enthalten,
die im Falle einer Erwärmung
ebenfalls frei wird und den Fräser
angreifen kann. Die Folge davon ist ein schneller Verschleiß der bekannten
Metallfräser.
Diese sind daher zur Bearbeitung fragiler, aus Kunststoff bestehender
oder Kunststoff enthaltender Werkstücke nicht geeignet. Gerade
bei der Verarbeitung von solchen Kunststoffen, die nicht gestanzt werden
können,
ist es jedoch erforderlich, Werkstücke mittels eines Fräsers im
sogenannten Zirkularbohr-Verfahren aus einem Halbzeug auszuschneiden.
-
Aus
der
US 3,058,199 ist
beispielsweise ein Fräswerkzeug
zur spanabhebenden Bearbeitung von Kunststoff bekannt, wobei jedoch
auch dieses Fräswerkzeug
aus Metall besteht und somit die oben erwähnten Nachteile bei der Verarbeitung
von Werkstücken
aus Kunststoff vorliegen.
-
Weiterhin
offenbart zwar die
DE
199 26 366 A1 einen Frässtichel
zur Herstellung der bei einer Chipkarte vorgesehenen Formtasche,
der zumindest im Bereich der Schneide aus Keramik besteht, wodurch
der Frässtichel
durch die beim Bearbeitungsvorgang frei werdende Säure nicht
angegriffen werden kann. Bei einem Frässtichel hier vorliegender
Art handelt es sich jedoch um ein Werkzeug, das vergleichsweise
langsam linear bewegt wird.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Fräswerkzeug
der
DE 199 26 366
A1 so weiterzubilden, dass eine spanabhebende Bearbeitung
fragiler, aus Kunststoff bestehender oder Kunststoff enthaltender
Werkstücke
mit höherer
Geschwindigkeit, verbesserter Oberflächengüte und hoher Standzeit erzielt
wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass zumindest ein umfangsseitiger Arbeitsbereich mit einer Vielzahl
von jeweils eine polygonale Grundfläche aufweisenden, schuppenartigen Zähnen vorgesehen
ist, deren in Drehrichtung über die
Grundfläche
vorspringender Bereich wenigstens eine Schneide mit einem Keilwinkel
von höchstens 40° aufweist.
-
Mit
diesen Maßnahmen
wird die vorstehend genannte Aufgabe auf höchst einfache und kostengünstige Weise
gelöst.
Das keramische Material ermöglicht
infolge seiner geringen Korngröße die Herstellung
sehr scharfer Schneiden. In Verbindung mit dem vergleichsweise kleinen
Keilwinkel von maximal 40° führt dies
zu vergleichsweise geringen Schnittkräften. Dieser Vorteil wird dadurch
noch verstärkt, dass
infolge des vergleichsweise geringen Gewichts des keramischen Materials
auch sehr hohe Drehzahlen von 60.000 U/min aufwärts möglich sind, ohne die Spindellager
zu gefährden.
Dies ermöglicht
in vorteilhafter Weise besonders hohe Vorschubgeschwindigkeiten,
ohne dass die Schnittkräfte
unzulässig
hoch würden.
Gleichzeitig führt
dies zur Entstehung vergleichsweise kleiner Späne, die leicht abführbar sind. Außerdem ergeben
sich sehr feine Bearbeitungsflächen.
Infolge der Vielzahl der umfangsseitig vorgesehenen Zähne mit
der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
werden in vorteilhafter Weise nicht nur ein besonders ruhiger Lauf
und damit eine hohe Oberflächenqualität erreicht,
sondern auch hohe Standzeiten der Schneiden. Dieser Vorteil wird
dadurch noch verschärft,
dass hier Geschwindigkeiten erreicht werden können, die außerhalb
des Resonanzbereichs der Spindelanordnungen liegen, was zu einem
besonders ruhigen Lauf führt.
Außerdem wird
hierdurch die Werkstückbeanspruchung
weitestgehend reduziert, was bei der Bearbeitung fragiler Werkstücke besonders
vorteilhaft ist. Die zu erwartenden, geringen Zerspanungskräfte ermöglichen
in vorteilhafter Weise auch eine leichte Bauweise der Werkstückspannung
und der Spindelanordnung, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die
Genauigkeit und die Gestehungskosten auswirkt.
-
Ein
weiterer, ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen
ist darin zu sehen, dass infolge der hohen Schnittgeschwindigkeiten während des
Zerspanungsvorgangs kein nennenswerter Wärmeübergang von den Spänen auf
das Werkstück
bzw. das Werkzeug erfolgen kann. Hierdurch ist sichergestellt, dass
sowohl das Werkstück als
auch das Werkzeug praktisch kalt bleiben, was sich vorteilhaft auf
die erzielbare Oberflächenqualität und die
Vermeidung von Verschleiß auswirkt.
Außerdem
wird hierdurch sichergestellt, dass eine durch das Werkzeug verursachte
Erwärmung
der Spindelanordnung etc. unterbleibt, was eine hohe Funktionssicherheit
gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Folge der unterbleibenden Erwärmung des
zu zerspanenden Kunststoffs ist, dass ein im Kunststoff enthaltender
Binder nicht frei wird und zu keinem Verkleben der Spanräume führen kann
und dass auch keine Säure
frei werden kann, gegen die das aus keramischem Werkstoff bestehende
Werkzeug zwar unempfindlich wäre,
die aber zu einer starken Beeinträchtigung der Arbeitsplatzbedingungen
führen
und andere aus Metall bestehende Gegenstände beschädigen könnte.
-
Mit
den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
ersichtlich erstmals ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, das eine wirtschaftliche
Fräsbearbeitung
von Kunststoffen bzw. Kunststoff enthaltenden Materialien, insbesondere
die Zirkularbohr-Bearbeitung
ermöglicht.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen
der übergeordneten
Maßnahmen sind
in den Unteransprüchen
angegeben. So kann der Keilwinkel der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
zweckmäßig im Bereich
zwischen 25° und 40° liegen.
Dies gewährleistet
neben geringen Schnittkräften
eine ausreichend hohe Schneidenstabilität.
-
Eine
weitere vorteilhafte Maßnahme
kann darin bestehen, dass der Spanwinkel der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
größer als
20°, vorzugsweise
im Bereich zwischen 25° und
35° liegt. Dies
stellt sicher, dass auch bei ungünstigen
Verhältnissen
eine zuverlässige
Spanabfuhr erfolgt.
-
In
weiterer Fortbildung kann gleichzeitig zumindest eine einem stirnseitigen
Arbeitsbereich zugeordnete Linearschneide mit der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
vorgesehen sein. Dies ermöglicht
eine besonders einfache Bohrbearbeitung und führt daher in Verbindung mit
einer umfangsseitigen Schneidenanordnung zu einem für die Zirkularbohr-Bearbeitung
besonders günstigen
Werkzeug.
-
Zweckmäßig kann
das erfindungsgemäße Fräswerkzeug
ganz aus keramischem Material bestehen, was insgesamt eine besonders
hohe Biegebruchsicherheit ergibt.
-
Eine
weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin
bestehen, dass das keramische Material eingefärbt ist. Dabei können beispielsweise
verschiedene Werkzeuge eines Werkzeugsatzes mit unterschiedlichen
Farben eingefärbt
sein, was ein schnelles optisches Erkennen ermöglicht und daher die Arbeitssicherheit
steigert.
-
In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen
kann als keramisches Material Zirconoxyd (ZrO2)
und/oder Siliciumnitrit (Si3N4)
vorgesehen sein. Diese Materialien ergeben eine besonders hohe Biegebruchsicherheit.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen
sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der
nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
-
In
der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:
-
1 einen
erfindungsgemäßen Fräser mit umfangsseitiger
Riffelschneidenanordnung und stirnseitiger Linearschneidenanordnung,
-
2 eine
Variante zu 1 mit konvexer, eine Riffelschneidenanordnung
aufweisender Stirnseite,
-
3 einen
Schnitt entlang der Linie III/III in 1,
-
4 eine
Teildraufsicht auf die Riffelschneidenanordnung,
-
5 einen
Schnitt entlang der Linie V/V in 4 und
-
6 einen
Schnitt entlang der Linie VI/VI in 4.
-
Hauptanwendungsgebiet
der erfindungsgemäßen Fräser ist
die Herstellung von aus Kunststoff oder Kunststoff-Verbundwerkstoffen
bestehenden Formteilen, die aus plattenförmigen Halbzeugen im Zirkularbohr-Verfahren ausgeschnitten
werden. Hierzu kann ein Fräser
der in den 1 oder 2 dargestellten
Art Verwendung finden. Der Fräser
gemäß 1 besteht
aus einem stiftförmigen
Schaft 1, der an der vorderen Stirnseite mit zwei um 180° gegeneinander
versetzten Bohrschneiden 2 versehen ist und der im hieran
anschließenden,
vorderen Umfangsbereich mit nach Art einer umfangsseitigen Riffelung
angeordneten Schneidzähnen 3 ausgestattet ist.
Ein derartiger Fräser
kann in axialer Richtung in eine Platte einstechen und anschließend translatorisch
entlang einer gewünschten
Kontur bewegt werden.
-
Der
Fräser
gemäß 2 besteht
ebenfalls aus einem stiftförmigen
Schaft 1, der im Unterschied zur Anordnung gemäß 1 eine
konvexe, vordere Stirnseite aufweist und der sowohl im Bereich der konvexen
Stirnseite als auch im hieran anschließenden, vorderen Umfangsbereich
mit nach Art einer Riffelung angeordneten Schneidzähnen 3 versehen
ist.
-
Die
erfindungsgemäßen Fräser bestehen
zumindest im mit Schneiden versehenen Bereich aus keramischem Material.
Die dargestellten Fräser
sol len insgesamt aus keramischem Material bestehen, was die Herstellung
vereinfacht und eine vollständige Einfärbung der
Fräser
ermöglicht.
Dabei können
verschiedene Fräser
eines Werkzeugsatzes bzw. für verschiedene
Fräsbearbeitungen
in Frage kommende Fräser
mit unterschiedlichen Farben eingefärbt sein, was eine schnelle,
optische Erkennbarkeit gewährleistet
und damit eine hohe Bedienungsfreundlichkeit und Arbeitssicherheit
ergibt. Als keramisches Material können insbesondere Zirconoxyd
(ZrO2) und/oder Siliciumnitrit (SI3N4) Verwendung finden. Beide
Materialien besitzen eine hohe Biegebruchsicherheit. Siliciumnitrit
hat dabei den zusätzlichen Vorteil
einer besonders hohen Härte,
Zirconoxyd einer besonders einfachen Verarbeitbarkeit.
-
Die
Fräser
hier vorliegender Art können
in an sich bekannter Weise in rotierend antreibbaren sowie axial
und translatorisch bewegbaren Frässpindeln eingespannt
werden. Der Durchmesser der erfindungsgemäßen Fräser kann 2 bis 20 mm betragen. Bei
Fräsern
im oberen Durchmesserbereich beträgt die Drehzahl 60.000 U/Min.
Bei Fräsern
mit kleinerem Durchmesser liegt die Drehzahl noch höher. Die Vorschubgeschwindigkeit
in axialer bzw. translatorischer Richtung kann 1 m/sec betragen.
-
Sämtliche
Schneiden der erfindungsgemäßen Fräser besitzen
eine definierte Schneidengeometrie, die sich durch einen sehr kleinen
Keilwinkel α und
einen vergleichsweise großen
Spanwinkel β auszeichnet.
Der Keilwinkel α beträgt dabei
in jedem Fall höchstens
40°. Eine
untere Grenze liegt bei 25°.
Der Spanwinkel β beträgt in jedem
Fall mehr als 20° und liegt
vorzugsweise im Bereich zwischen 25° und 35°.
-
Die
stirnseitige Bohrschneide 2 der Anordnung gemäß 1 besitzt,
wie in 3 verdeutlicht ist, einen Keilwinkel α im oberen
Bereich von etwa 40°.
Der Spanwinkel β beträgt hier
etwa 25°.
Dies ermöglicht
gute Bohrverhältnisse.
-
Die
nach Art einer Riffelung ausgebildeten Zähne 3 der Fräser gemäß 1 und 2 sind,
wie aus 4 ersichtlich ist, schuppenartig
angeordnet und ausgebildet, wobei eine polygonale, vorzugsweise
rautenartige, mit in Drehrichtung weisender Ecke angeordnete Grundfläche 4 vorgesehen
ist, über
der sich ein pyramidenförmiger
Zahn 3 mit in Drehrichtung nach vorne weisender Spitze 5 erhebt.
Die an der nach vorne weisenden Spitze zusammenlaufenden Seitenkanten
sind dabei, wie die 4 und 5 zeigen,
als Schneiden 6 ausgebildet. Dasselbe gilt für die Spitze 5,
wie die 4 und 6 erkennen
lassen.
-
Auch
hier liegt die Schneidengeometrie innerhalb der oben genannten Bereiche,
wobei der Keilwinkel α hier,
wie die 5 und 6 zeigen, mehr
im unteren Bereich liegen kann. Der Keilwinkel α der seitlichen Schneiden 6 beträgt im dargestellten Beispiel,
wie der 5 entnehmbar ist, 25°. Der Spanwinkel β kann dabei
etwa 30° betragen. Ähnliche
Verhältnisse
liegen, wie aus 6 hervorgeht, auch an der Spitze 5 vor.
-
Vorstehend
sind zwar einige bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen beschrieben, ohne dass jedoch hiermit
eine Beschränkung
verbunden sein soll. Vielmehr stehen dem Fachmann eine Reihe von
Möglichkeiten
zur Verfügung,
um den allgemeinen Gedanken der Erfindung an die Verhältnisse
des Einzelfalls anzupassen. So wäre
anstelle von umfangsseitigen Riffelschneiden selbstverständlich auch
eine umfangsseitige Spiralschneide denkbar.