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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen
Sinterkarbid- bzw. Sinterhartmetall-Radius- oder
Kugel(schaft)fräser (cemented carbide ball end mitl) zur
spanabhebenden Bearbeitung einer Aluminiumlegierung, und
insbesondere auf eine Verbesserung in der Konfiguration und
in einer Überzugsschicht für einen Sinterkarbid- bzw.
Sinterhartmetall-Radius- oder Kugelfräser, der in der Lage
ist, eine spanabhebende Trockenbearbeitung auszuführen.
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Bei der spanabhebenden Bearbeitung einer
Aluminiumlegierung mit einem Sinterkarbid-Radiusfräser wurde
die Aluminiumlegierung bisher spanabhebend bearbeitet,
während ein wasserlösliches Schneidfluid zum Fördern der
Schmierwirkung aufgebracht wurde, um zu verhindern, dass sich
die geschmolzene Aluminiumlegierung auf der Werkzeugmaschine
absetzte. In den vergangenen Jahren stieg jedoch wegen einer
korrosiven Eigenschaft des wasserlöslichen Schneidfluids oder
einer problematischen Behandlung des Schneidfluids als
industrieller Abfall der Bedarf an einer spanabhebenden
Bearbeitung einer Aluminiumlegierung durch einen
Sinterkarbid-Radius- oder Kugelfräser ohne Verwendung des
Schneidfluids oder die Nachfrage nach einer sogenannten
spanabhebenden Trockenbearbeitung.
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Ein Problem, das sich bei der Bearbeitung einer
Aluminiumlegierung mit einem Sinterkarbid-Radius- oder
Kugelfräser ergibt, ist die Ablagerung bzw. das Absetzen der
geschmolzenen Aluminiumlegierung an Schneidkanten des
Bearbeitungswerkzeugs. Herkömmliche Sinterkarbid-Radius- oder
Kugelfräswerkzeuge leiden unter einem erheblichen Absetzen
von geschmolzener Aluminiumlegierung bei Trockenbearbeitung.
Sobald diese Ablagerung auftritt, werden Spannuten der
Schneidkanten augenblicklich mit dem zerspanten Material
aufgefüllt. Wenn die spanende Bearbeitung erzwungenermaßen
weitergeführt wird, kommt es zu Fällen, bei denen die
bearbeitete Fläche extrem beeinträchtigt wird und
schlimmstenfalls das Werkzeug bricht und nicht mehr
schneidet. Indessen wird bei dem Sinterkarbid-Schaft- bzw.
Fingerfräser eines quadratischen Typs, wie er in der
JP-A-2001-293611 offenbart ist, die Trockenzerspanung einer
Aluminiumlegierung durch Aufbringen der Überzugsschicht mit
einem geringen Koeffizienten dynamischer Reibung und durch
Verbessern der Ablagerungsbeständigkeit realisiert.
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Bei dem herkömmlichen Sinterkarbid-Radius- oder
Kugelfräser der in den Fig. 4A und 4B gezeigten
Konfiguration ist der Raum jeder Spanabführnut 7 an einem
Kugelabschnitt schmal. Dies verursacht ein Problem, dass es
selbst dann, wenn eine Überzugsschicht ähnlich der oben
beschriebenen auf den Radius- oder Kugel(schaft)fräser
aufgebracht ist, zu einem Zusetzen oder Verstopfen mit Spänen
an der Spitze des Kugelabschnitts kommt und der Schaftfräser
einen Zustand annimmt, in dem er nicht mehr in der Lage ist,
zu schneiden bzw. zu zerspanen.
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Angesichts der obigen Probleme im Stand der Technik ist
eine Aufgabe der Erfindung, einen Sinterkarbid- bzw.
Sinterhartmetall-Radius- oder Kugel(schaft)fräser
bereitzustellen, der weniger unter der Ablagerung bzw.
Absetzung leidet, selbst wenn eine Aluminiumlegierung in
einem trockenen Zustand zerspanend bearbeitet wird, der eine
lange Standzeit aufweist, und der eine eine ausgezeichnete
Oberflächenqualität oder -eigenschaft liefernde Bearbeitung
ermöglicht.
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Die Erfinder haben in ihren Untersuchungen
herausgefunden, dass bei dem Radius- oder Kugelfräser, der
zum Schneiden eines weichen Nichteisen-Metallmaterials,
beispielsweise einer Aluminiumlegierung verwendet wird, die
Ablagerung durch ein Verbreitern der Spanabführnuten eines
Kugelabschnitts verringert oder eliminiert wird. Das
Verbreitern der Spanabführnuten jedoch führt dazu, dass die
Festigkeit des Werkzeugs verringert wird. In Hinblick auf
dieses Thema haben die Erfinder festgestellt, dass ein
Schneidwiderstand während der spanenden Bearbeitung eines
Nichteisen-Metalls, wie zum Beispiel einer
Aluminiumlegierung, kleiner als im Fall eines Eisenmaterials
ist. Ferner haben die Erfinder entdeckt, dass ein idealer
Sinterkarbid-Radius- oder Kugel(schaft)fräser zum spanenden
Bearbeiten von Aluminium erhalten werden kann, indem der
Radius- oder Kugel(schaft)fräser mit einer Konfiguration,
Dimensionen und anderem versehen wird, um die erforderliche
Starrheit und Festigkeit gegenüber dem weichen Nichteisen-
Material, wie zum Beispiel einer Aluminiumlegierung, zu
gewährleisten.
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Ein Sinterkarbid-Radius- oder Kugel(schaft)fräser der
Erfindung gemäß Anspruch 1 weist einen Schneidabschnitt auf,
der einen halbkugelförmigen Abschnitt, mindestens eine
entlang dem Außenumfang des Schaftfräsers einschließlich dem
Kugelabschnitt ausgebildete Schneidkante und eine
Spanabführnut angrenzend an die Schneidkante umfasst. Der
Sinterkarbid-Radius- oder Kugel(schaft)fräser hat, basierend
auf dem oben beschriebenen Untersuchungsergebnis, die
folgende Konfiguration. Wenn eine Schnittlinie zwischen der
Spanfläche der Schneidkante und der Spanabführnut am
Kugelabschnitt auf eine Ebene projiziert wird, die die
Mittelachse des Sinterkarbid-Kugel(schaft)fräsers umfasst
und parallel zu der Schneidkante am Mittelabschnitt der
Spitze des Kugelabschnitts ist, wird eine konvex gekrümmte
Linie oder eine gerade Linie auf die Ebene projiziert. Ein
durch die gerade Linie, welche den Scheitel des
Kugelabschnitts dort, wo die Schnittlinie durchläuft, und das
andere Ende der Schnittlinie in Bezug auf die Mittelachse
verbindet, gebildeter Winkel beträgt von 30° bis 50°. Ferner
liegt in einer Ebene senkrecht zu der Schnittlinie ein durch
die Spanfläche der Schneidkante und einen geradlinigen
Abschnitt am Boden der Spanabführnut gebildeter Winkel in
einem Bereich von 100° bis 150°. In der senkrechten Ebene
beträgt eine Breite des geradlinigen Abschnitts am Boden der
Spanabführnut in Bezug auf die senkrechte Ebene das 0,5- bis
5-fache des Radius des Kugelabschnitts.
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Genauer gesagt wird die Schnittlinie zwischen der
Spanfläche, der Schneidkante und der Spanabführnut auf der
Projektionsebene so eingestellt, dass sie die konvex
gekrümmte Linie oder die gerade Linie ist. Wenn ferner der
Winkel, der durch die gerade Linie, die den Scheitel des
Kugelabschnitts dort, wo die Schnittlinie hindurchläuft, und
das andere Ende der Schnittlinie verbindet, in Bezug auf die
Mittelachse des Kugel(schaft)fräsers gebildet ist, weniger
als 30° beträgt, ist die Festigkeit der Schneidkante extrem
unzureichend, und wenn der Winkel über 50° liegt, sind Späne
schwer abzuführen. Somit wird der Winkel auf 30 bis 50°
festgelegt. Ferner sind, wird in der Ebene senkrecht zur
Schnittlinie, wenn der durch die Spanfläche der Schneidkante
und die Spanabführnut gebildete Winkel weniger als 100°
beträgt, der Boden der Spanabführnut zu steil relativ zur
Spanfläche, Späne schwer zu bewegen. Wenn der Winkel
150° übersteigt, wird die Festigkeit der Schneidkante
verringert. Infolgedessen wird der Winkel so festgelegt, dass
er in den Bereich von 100° bis 150° fällt. Wenn die Breite
des Bodenabschnitts der Spanabführnut in Bezug auf die
senkrechte Ebene weniger als das 0,5-fache des Radius des
Kugelabschnitts beträgt, ist die Spanabführnut übermäßig
klein, und wenn die Breite das 5-fache übersteigt, wird die
Gesamtfestigkeit geschwächt. Daher wird die Breite des
geradlinigen Bodenabschnitts der Spanabführnut bezüglich der
senkrechten Ebene auf das 0,5-5-fache des Radius des
Kugelabschnitts festgelegt.
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Bei diesem Aufbau ist der Sinterkarbid-Radius- oder
Kugel(schaft)fräser der Erfindung mit der breiten
Spanabführnut versehen, um die ausgezeichnete
Spanabflussleistung und die hinreichende Festigkeit der
Schneidkante aufzuweisen, wodurch die Bearbeitungsleistung
für eine halbtrockene und nasse spanende Bearbeitung einer
Aluminiumlegierung verbessert wird.
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Wie ferner in Anspruch 2 beansprucht wird, kann der
Schneidabschnitt des Sinterkarbid-Radius- oder Kugelfräsers
eine Beschichtung aufweisen, die auf der Oberfläche des
Schneidabschnitts ausgebildet ist. Die Beschichtung umfasst
eine erste Überzugsschicht aus Titankarbid (TiC) oder
Aluminiumtitannitrid (TiAlN) sowie eine zweite
Überzugsschicht, die auf der ersten Überzugsschicht
ausgebildet ist und eine Titankarbid-Systemschicht (TiC/C)
mit einer physikalischen Eigenschaft ähnlich derjenigen von
Diamant umfasst, eine amorphe Siliziumkarbid-
Systemschicht (SiC/C) mit einer physikalischen Eigenschaft
ähnlich derjenigen von Diamant, eine Chromkarbid-
Systemschicht (CrC/C), oder eine Borkarbid-
Systemschicht (BC/C) umfasst. Mit dieser Beschichtung wird
die halbtrockene oder Nass-Bearbeitungsfähigkeit des
Sinterkarbid-Radius- oder Kugelfräsers weiter verbessert, und
darüberhinaus wird die spanende Trockenbearbeitung
ermöglicht.
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Die oben erwähnten und weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
der Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit den
beigefügten Zeichnungen hervor, in denen zeigen:
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Fig. 1A eine Vorderansicht des Sinterkarbid-Radius-
oder Kugel(schaft)fräsers mit zwei Schneidkanten gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 1B eine Seitenansicht des Kugel(schaft)fräsers,
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Fig. 2 eine Ansicht zur Darstellung in vergrößertem
Maßstab des Kugelabschnitts des Schaftfräsers, in der
Richtung eines Pfeils 1B von Fig. 1A betrachtet.
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Fig. 3 eine Schnittansicht längs einer Linie III-III
von Fig. 2, die einen Schnitt senkrecht zu der Schnittstelle
zwischen der Spanfläche und einer Schneidkante sowie einer
Spanabführnut am Kugelabschnitt des Sinterkarbid-
Kugel(schaft)fräsers zeigt,
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Fig. 4A eine Vorderansicht eines herkömmlichen
Sinterkarbid-Kugel(schaft)fräsers mit zwei Schneidkanten,
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Fig. 4B eine Seitenansicht des herkömmlichen
Kugel(schaft)fräsers,
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Fig. 5A eine Ansicht zur Darstellung des Ergebnisses
(bearbeitete Oberfläche) eines Schneidtests mit dem
Sinterkarbid-Kugel(schaft)fräsers der Erfindung,
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Fig. 5B eine Ansicht zur Darstellung des Ergebnisses
eines Schneidtests mit dem herkömmlichen Sinterkarbid-Radius-
oder Kugel(schaft)fräser, und
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Fig. 6 eine Tabelle der Ergebnisse von Schneidtests mit
dem Sinterkarbid-Kugel(schaft)fräser der Erfindung und dem
herkömmlichen Sinterkarbid-Kugel(schaft)fräser zur
Darstellung der Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche
aufgrund einer spanenden Bearbeitung unter Verwendung von
Schneidfluid, einer spanenden Trockenbearbeitung usw. im
Vergleich miteinander, wobei die Punkte in der Reihenfolge
der Güte der bearbeiteten Flächeneigenschaft angeordnet sind.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird der
Sinterkarbid bzw. Sinterhartmetall-Radius- oder
Kugel(schaft)fräser mit zwei Schneidkanten gemäß der
Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
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Fig. 1A ist eine Vorderansicht des Sinterkarbid-
Kugelfräsers, Fig. 1B ist eine vergrößerte Seitenansicht
desselben, und Fig. 2 ist eine Ansicht des Spitzenabschnitts
des Kugelfräsers in der Richtung eines Pfeils 1B gemäß
Fig. 1 betrachtet.
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In Fig. 1B und Fig. 2B ist eine Außenumfangs-
Schneidabschnitt 2 vorgesehen, der sich zu einem
Kugelabschnitt 1 fortsetzt. Ferner ist ein stabförmiger
Schaftabschnitt 3 vorgesehen. Schneidkanten sind in dem
Kugelabschnitt 1 und dem Außenumfangs-Schneidabschnitt 2
ausgebildet, und diese sind Schneidkanten 5 des
Kugelabschnitts und Schneidkanten 6 des Außenumfangs-
Schneidabschnitts. Der mit den Schneidkanten versehene axiale
Abschnitt bildet einen Schneidabschnitt, der allgemein durch
eine Bezugsziffer 4 angegeben ist. Eine Spanabführnut 7 ist
angrenzend an eine Spanfläche 8, die jede Schneidkante 5
festlegt, ausgebildet.
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In der Ausführungsform beträgt der Durchmesser 9 des
Schneidabschnitts 6 mm, und der Kugelabschnitt hat einen
Radius von 3 mm. Eine Schnittlinie 10 zwischen der
Spanfläche 8 und der angrenzenden Spanabführnut 7 am
Kugelabschnitt ist eine konvex gekrümmte Linie oder eine
gerade Linie. Ein Ende der gekrümmten oder geraden Linie
verläuft durch einen Scheitel 11 des Kugelabschnitts (eine
Spitze des Kugelabschnitts). Ein Winkel θ, der durch eine den
Scheitel 11 und ein anderes Ende 12 der Schnittlinie
verbindende Linie 15 in Bezug auf die Mittelachse 14 des
Kugel(schaft)fräsers gebildet ist, liegt im Bereich von 30°
bis 50°. Eine Bezugsziffer 13 bezeichnet eine Spanfläche der
Schneidkante 6 des Außenumfangs-Schneidabschnitts, und das
andere Ende 12 der Schnittlinie 10 erreicht den Rand der
Spanfläche 13 des Außenumfangs-Schneidabschnitts.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Sinterkarbid-Radius-
oder Kugelfräsers längs einer Linie III-III von Fig. 2, die
eine zu der Schnittlinie 10 zwischen der Spanfläche 8 und der
Spanabführnut 7 am Kugelabschnitt senkrechte Ebene zeigt. Ein
Winkel α, der von der Spanfläche 8 und der Spanabführnut 7 am
Kugelabschnitt 1 gebildet ist, fällt in einen Bereich
von 100° bis 150°, und eine Breite β eines geradlinigen
Abschnitts der Spanabführnut 7 in Bezug auf die senkrechte
Ebene liegt in einem Bereich des 0,5- bis 5-fachen
Kugelradius.
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Der Sinterkarbid-Kugel(schaft)fräser gemäß der
Ausführungsform weist als Basismaterial eine ultrafein
gekörnte Karbidlegierung mit 94,4% WC, 5% Co und 0,6%
anderer Bestandteile auf. Auf dem Schneidabschnitt 4 ist eine
Beschichtung bzw. Überzugsschicht in dem in den Fig. 1A
und 1B mit Punkten gezeigten Bereich aufgebracht, um den
Ablagerungswiderstand (deposition resistance) gegenüber einer
Aluminiumlegierung zu verbessern. Die Überzugsschicht wird
durch Bilden einer Titankarbid- (TiC) oder einer
Aluminiumtitannitrid- (TiAlN) Überzugsschicht als erster
Schicht erzeugt, um die Abriebfestigkeit zu gewährleisten und
dann wird darauf eine zweite Überzugsschicht aus einer
amorphen Sinterkarbid-Systemschicht (SiC/C) mit einer
physikalischen Eigenschaft ähnlich der von Diamant
aufgebracht.
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Andererseits hat ein herkömmlicher Sinterkarbid-
Kugel(schaft)fräser, der mit der Erfindung verglichen werden
soll, eine Karbidlegierung mit ultrafeiner Körnung, die
90% WC, 8,5% Co und 1,5% andere Bestandteile als
Basismaterial aufweist. Bei diesem herkömmlichen Kugelfräser
wird keine Beschichtung oder dergleichen auf die Oberfläche
des Schneidkantenabschnitts aufgebracht.
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Übrigens wird zwar die Überzugsschicht in der
Ausführungsform aufgebracht, der Sinterkarbid-
Kugel(schaft)fräser der Erfindung kann aber natürlich auch in
einem Zustand ohne Behandlung oder ohne Anwendung der
Oberflächenbehandlung verwendet werden, wenn die Ablagerung
bzw. Absetzung eines geschmolzenen Werkstückmaterials an den
Schneidkanten bis zu einem gewissen Grad durch die Verwendung
beispielsweise eines Schneidfluids kein praktisches Problem
verursacht.
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Es wurde ein Vergleichstest zwischen dem Sinterkarbid-
Radius- oder Kugel(schaft)fräser gemäß der oben beschriebenen
Ausführungsform der Erfindung, bei dem der Kugelabschnitt die
Konfiguration der verbreiterten Spanabführnuten aufweist und
bei der die Überzugsschicht ausgebildet ist, um die
Abriebfestigkeit und den Ablagerungswiderstand zu verbessern,
und einem herkömmlichen, nichtbehandelten Sinterkarbid-
Radius- oder Kugel(schaft)fräser gemäß den Fig. 4A und 4B
durchgeführt. Dabei sind in den Fig. 4A und 4B Abschnitte,
die ähnlich denjenigen der oben beschriebenen Ausführungsform
sind, durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und die
Beschreibung derselben fällt weg. Der Vergleichstest wurde an
dem Werkstückmaterial eines gerollten Aluminiums A 5052 durch
Ausführung eines spanenden Einschneidvorgangs
(Gesamtlänge 162 mm, Gesamtbreite 12 mm, Schnittlänge 30 m)
durch Trockenschneiden ausgeführt. Bei der spanenden
Bearbeitung beträgt eine Schneidgeschwindigkeit 472 m/min
(Drehgeschwindigkeit 25.000 min-1), ein
Tischvorschubgeschwindigkeit 3.000 mm/min (f = 0,06 mm/t), eine
Schnitttiefe in der Axialrichtung von 0,2 mm und ein
schrittweiser Vorschub (pick feed) von 0,2 mm.
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Die Bearbeitungsergebnisse des Vergleichstests sind in
den Fig. 5A und 5B gegeben. Fig. 5A zeigt das
Bearbeitungsergebnis durch den Kugelfräser der Erfindung.
Gemäß dem Kugelfräser der Erfindung fand fast keine
Ablagerung an den Schneidkanten statt, die spanende
Bearbeitung durch das Trockenschneiden war möglich und es
konnte eine glatte und glänzende bearbeitete Oberfläche
erhalten werden, wie Fig. 5A zeigt. Demgegenüber zeigt
Fig. 5B das Bearbeitungsergebnis durch das herkömmliche
Werkzeug, bei dem ein Zusetzen oder Verklumpen von Spänen an
den Schneidkanten des Kugelfräsers auftrat und die spanende
Bearbeitung unmöglich wurde. Die bearbeitete Oberfläche
präsentierte einen ausgerupften oder gerieften Zustand und
war schlecht.
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Als nächstes wurden zur Nassbearbeitung mit
wasserlöslichem Kühlmittel und zur halbtrockenen Bearbeitung
unter Zuführung von externem Ölnebel jeweils Tests an dem
Kugelfräser der Erfindung und an dem herkömmlichen
Kugelfräser unter den gleichen Schnittbedingungen ausgeführt.
Die Ergebnisse hiervon sind in Fig. 6 hinsichtlich der Güte
der Eigenschaft der bearbeiteten Fläche gezeigt. Die
halbtrockene spanende Bearbeitung, die mit dem Kugelfräser
der Erfindung ausgeführt wurde, erreichte das beste Ergebnis,
und die Nassbearbeitung mit dem Kugelfräser der Erfindung,
die halbnasse Bearbeitung durch den herkömmlichen Kugelfräser
und die Trockenbearbeitung durch den Kugelfräser der
Erfindung folgten in dieser Reihenfolge. Selbst in dem Fall,
in dem Schneidfluid verwendet wurde, ist die von dem Radius-
oder Kugelfräser der Erfindung gelieferte Qualität der
bearbeiteten Oberfläche derjenigen des herkömmlichen Radius-
oder Kugelfräsers überlegen. Ferner kann die
Trockenbearbeitung mit dem Kugelfräser der Erfindung eine
bessere Qualität der bearbeiteten Oberfläche erzielen als die
durch die Nassbearbeitung mit dem herkömmlichen Kugelfräser
erreichbar. Dabei konnte mit dem herkömmlichen Kugelfräser
überhaupt keine Trockenbearbeitung ausgeführt werden.
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Der Sinterkarbid-Radius- oder Kugel(schaft)fräser der
Erfindung, wie er oben beschrieben wurde, vergrößert die
Räume der Spanabführnuten an dem Kugelabschnitt im Vergleich
mit denjenigen des herkömmlichen Werkzeugs, während er die
erforderliche Festigkeit zum spanenden Bearbeiten von
Aluminium gewährleistet. Ferner ermöglicht dieser
Sinterkarbid-Radius- oder Kugelfräser durch Aufbringen der
Überzugsschicht zum Verbessern der Abriebfestigkeit und des
Ablagerungswiderstands am Schneidabschnitt die
Trockenbearbeitung einer Aluminiumlegierung, die bisher nicht
ausführbar war. Der Sinterkarbid-Radius- oder
Kugel(schaft)fräser leidet weniger unter einer Ablagerung von
abgespantem Metall an den Schneidkanten, hat eine längere
Standzeit und ermöglicht die spanende Bearbeitung mit
ausgezeichneter Oberflächengüte. Ferner kann der
Sinterkarbid-Radius- oder Kugelfräser eine spanende
Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit ausführen, und da er
kein Schneidfluid benötigt, ermöglicht er eine
Kostenreduktion und eine Verbesserung der Umwelt-Performance.
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Fachleute werden erkennen, dass die vorangehende
Beschreibung zwar zu der Ausführungsform der Erfindung
gegeben wurde, dass die Erfindung jedoch nicht nur auf diese
spezifische Form begrenzt ist und dass verschiedene
Änderungen und Modifikationen in der Erfindung vorgenommen
werden können, ohne vom Geist der Erfindung und dem
Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.