DE10343037B3 - Werkzeugträger - Google Patents

Abstract

Bekannt sind Bohrstangen und Fräsköpfe aus Stahl mit mechanischen Schwingungsdämpfer. Diese Bohrstangen und Fräsköpfe sind konstruktiv und wartungsmäßig aufwendig und damit kostenbelastend. Zu beobachten ist auch, dass im Zerspannungsprozess diese Dämpfungssysteme nur bedingt wirksam sind und störende Lärmbelästigungen auftreten können. DOLLAR A Mit der Erfindung war eine Methode zu finden, mit der im Zerspanungsprozess die Enstehung schädlicher Eigenschwingungen an Bohrstangen und Fräsköpfen und infolge schädliche Lärmbelästigungen ohne zusätzliche Dämpfungsglieder unterbunden werden. DOLLAR A Es wurde gefunden, dass Bohrstangen und Fräsköpfe aus eine CuMnAl-Legierung mit den mengenmäßigen Legierungsbestandteilen von DOLLAR A Cu bis 40% DOLLAR A Mn 45 bis 54% DOLLAR A Al 4 bis 5% DOLLAR A Fe 2,5 bis 4% DOLLAR A Ni 1,0 bis 3,0% DOLLAR A Rest sonstige Verunreinigungen DOLLAR A gegenüber Stahl eine hohe Eigendämpfung aufweisen und dass mit Werkzeugträgern aus diesem Werkstoff im Zerspanungprozess die Enstehung von Eigenschwingungen und schädlichem Lärm mit hinreichender Sicherheit unterdrückt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft die Ausführung eines Werkzeugträgers, nämlich von Bohrstangen und/oder Fräsköpfe mit Wechselmessern und mit geringen Eigenschwingungen im Zerspannungsprozeß.
• Bekannt sind Bohrstangen und Fräsköpfe mit Wechselmessern aus Stahl für die zerspanende Bearbeitung.
• Beim Einsatz dieser Werkzeuge ist wiederholt zu beobachten, dass es unter hohen Belastungen oder bei harten oder spröden Werkstoffen im Zerspanungsprozeß zu schädlichen Eigenschwingungen und extremer Lärmentwicklung kommen kann. So können erhebliche Bearbeitungsfehler in Form von Rattermarken, Heißläufern und Werkzeugbrüchen auftreten. Gleichzeitig führt die Lärmentwicklung zu einer Lärmbelästigung des Maschinenpersonals und unbeteiligter Personen. Derartige Belästigungen können gesundheitliche Schäden auslösen und insgesamt das Arbeitsklima negativ beeinflussen.
• Zur Beseitigung dieses Phänomen wurden bereits Bohrstangen und Fräsköpfe mit mechanischen Elementen zur Schwingungsdämpfung entwickelt und im Zerspanungsprozeß eingesetzt.
• Bekannt ist beispielsweise die schwingungsgedämpfte Fräseraufnahme Coromant Capto von Sandvik für ein vibrationsfreies Fräsen bei großen Überhängen /1/ und /2/. Dieses System arbeitet mit einer schweren Masse, die innerhalb des Werkzeugschaftes in einer Hydraulikflüssigkeit freischwingend axial gelagert ist. Durch Begrenzung des Ölvolumen kann das Schwingungsverhalten reguliert werden. Dieses hydromechanische System ist konstruktiv aufwendig und wartungsintensiv, da nahezu bei jeden neuem Bearbeitungsvorgang das Dämpfungsverhalten der Dämpfungseinrichtung neu eingestellt werden muß. Auch sind bei längerem Gebrauch Ölverluste und damit Funktionsausfälle möglich.
• Bekannt ist auch ein Torsions-Schwingungsdämpfer in einer ABS-Kupplung nach DIN 69871 AD /3/, veröffentlicht auch im EP 0 547 049 B1 . Bei diesem System pendelt ein Bolzen quer zur Rotationsachse in einer Hydraulikflüssigkeit. Auch bei diesem System bestehen die gleichen Probleme wie beim vorgenannten System.
• In DE 264 87 53 A1 wird ein Werkzeughalter mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften für eine Bohrstange vorgeschlagen, der einen biege- und torsionssteifen Schaft aufweist, der rohrförmig ausgestaltet ist und aus Kohlefaser verstärkten Epoxydharz besteht, dessen Oberfläche mit Metalldrahteinlagen armiert ist.
• Dieser Werkzeughalter ist in seiner Herstellung sehr aufwendig.
• Mit EP 0 391 881 A2 wurde ein Werkzeughalter mit einer Auskraglänge von mehr des Vierfachen seines Durchmessers vorgeschlage. In seiner Längsstreckung weist dieser Werkzeughalter mindestens zwei unterschiedliche Materialien bzw. Legierungen und/oder Zonen mit unterschiedlicher Gefügestruktur auf, welche quer zur Längsachse konzentrisch angeordnet sind, wobei die unterschiedlichen Materialien verschiedene, insbesondere entgegengesetzte mechanische Spannungszustände aufweisen.
• Trotz der Erkenntnis der positiven Wirkung des Dämpfungsverhaltens unterschiedlicher Materialien ist der konstruktive Aufbau dieses Werkzeughalters sehr aufwendig.
• Ein schwingungsdämpfendes Werkzeug wird in der DE 2 211 777 C3 vorgeschlagen, bei dem der Schaft wenigstens zwei Teile umfaßt, deren berührende Grenzflächen mit der Längsachs oder Längsebene des Schaftes einen spitzen Winkel bilden und daß die Schaftteile zumindestens im betriebsbereiten Zustand wenigstens stellenweise untereinander starr verbunden und durch eine Einspannkraft gegeneinander gedrückt werden.
• Dieses Wirkprinzip ist auf Werkzeughalterungen, insbesondere Bohrstangen und Fräseraufnahmen nicht übertragbar.
• Die DE 2 434 196 C2 zeigt ein mechanisch schwingungsdämpfenden Werkzeughalter, insbesondere eine Bohrstange, mit einem Schaft, der mehrere Längsbohrungen aufweist, in denen jeweils mindestens ein Gewindestück mit axialem und radialen Spiel beweglich angeordnet ist.
• Diese mechanische Dämpfungsvorrichtung ist sehr bauaufwendig und damit störanfällig.
• Einen Bohrstange mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften zeigt auch die US 2,842,014 bei der in der Oberfläche in Längsrichtung des Schaftes Nuten angeordnet sind, in denen Materialien mit einem höheren Modul und Elastizität eingelagert sind.
• Trotz der erzielbaren Dämpfungswirkung ist ein solcher Werkzeughalter sehr bauaufwendig. Zusätzlich besteht die Gefahr, das sich die eingelagerten Materialien im Betriebszustand lockern und herausgeschleudert werden. Damit verliert die Dämpfungsvorrichtung ihre Wirkung und zusätzliche negative translatorische Vibrationsschwingungen werden verursacht.
• Wie die Praxis darüber hinaus zeigt, können diese Dämpfungselemente Schwingungen und die Entstehung von schädlichem Lärm bei bestimmten Arbeitsabläufen nicht unterdrücken. Besonders bei der Bearbeitung freistehender kompakter dünner Werkstückstrukturen und beim Einbringen tiefer Bohrungen treten immer wieder die oben angeführten Störungen mit den genannten Folgen auf.
• Das Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, mit geringem technischen Aufwand eine Methode zu finden, mit der im Zerspanungsprozeß die Entstehung schädlicher Eigenschwingungen und schädlicher Lärm an Bohrstangen und Fräsköpfen ohne zusätzliche Dämpfungsglieder unterbunden werden kann.
• An Hand umfassender Zerspanungsversuche wurde gefunden, dass Bohrstangen und Fräsköpfe aus einer NE-Legierung, vorzugsweise aus einer CuMnAl-Legierung gegenüber Stahl eine hohe Eigendämpfung aufweisen und dass mit Werkzeugträgern aus diesem Werkstoff die Entstehung von Eigenschwingungen und schädlichem Lärm im Zerspanungsprozeß mit hinreichender Sicherheit unterdrückt wird.
• Im Ergebnis dieser Versuche wurde ermittelt, dass Werkzeugträger aus einer CuMnAl-Legierung mit den mengenmäßigen Legierungsbestandteilen von

  Cu	30 bis 40 %
  Mn	45 bis 54 %
  Al	4 bis 5 %
  Fe	2,5 bis 4 %
  Ni	1,0 bis 3,0 %
  Rest sonstige Verunreinigungen

  die gestellten Anforderung dahingehend erfüllt, dass im Zerspanungsprozeß werkzeugbedingte Eigenschwingungen und schädlicher Lärm wirksam eingedämmt werden.
• Legierung dieser Gattung zeichnen folgende mechanische Eigenschaften aus:

  Dehnungsgrenze R	255 bis 285 MPa
  Zugfestigkeit Rm	540 bis 590 MPa
  Bruchdehnung A5	13 bis 30 %.

• Eine Legierungsvariante für Werkzeugträger mit besonders guten Dämpfungseigenschaften hat folgende mengenmäßige Legierungszusammensetzung:

  Cu	37,1 %
  Mn	53,4 %
  Al	4,8 %
  Fe	3,0 %
  Ni	1,6
  Rest sonstige Verunreinigungen.

• Die mechanische Eigenschaften dieser Legierung sind:

  Dehnungsgrenze R	257 MPa
  Zugfestigkeit Rm	559 MPa
  Bruchdehnung A5	28,6 %.

• Werkzeugträger aus diesem Werkstoff haben neben einer hohen Festigkeit ein sehr gutes Dämpfungverhalten, so dass mechanische oder hydraulische Dämpfungsmittel nicht erforderlich sind. Damit verringert sich der Bau- und Wartungsaufwand für diese Werkzeughalter erheblich. Auch sind Justierarbeiten nicht notwendig und die Gefahr eines Funktionsausfalles der Dämpfungsvorrichtung ist nicht gegeben.
• Besonders ist festzustellen, dass mit Verwendung der CuMnAl-Legierung für Werkzeugträger im Zerspanungsprozeß die Gefahr der Entstehung von Rattermarken, Heißläufern und Werkzeugbrüchen weitestgehend weggefallen ist und diese Erscheinungen nur bei unsachgemäßem Werkzeugeinsatz zu beobachten waren. Gleichzeitig wird auf Grund des werkstoffspezifischen Dämpfungsverhaltens die Lärmquelle und die daraus resultierende Lärmbelästigung wirksam eingedämmt.
• Neben diesen positiven Effekten verringert sich gegenüber von Werkzeugträgern mit mechanischen Dämpfungselementen der Aufwand für Konstruktion und Instandhaltung und damit die Kosten für diese Werkzeuge.
• Im Ergebnis der umfangreichen Versuche ist auch Vorstellbar, dass Legierungen der vorgenannten Gattung im allgemeinen Maschinenbau für schwingungsbelastete Maschinenbauteile mit Erfolg einsetzbar sind.
• Literatur:
• /1/ Vibrationsfreies Fräsen bei großen Überhängen – Neue Capto-Fräseraufnahme FZ „maschinen anlagen verfahren", 2003, Ausgabe 05, S. 81 bzw. www. industrieanzeiger.de
• /2/ Schwingungsgedämpfte Werkzeuge – Bearbeitung mit großen Überhängen www.coromant.sandvik.com/sandvik/3900/Internet/Coromant/se03246.nsf/LookP...
• /3/ DIN 69871 ADB ABS^®Torsions-Schwingungsdämpfer www.komet.de/pdf/abs-d.pdf

Claims (2)

1. Werkzeugträger, nämlich Bohrstangen und/oder Fräsköpfe mit Wechselmessern und mit geringen Eigenschwingungen im Zerspanungsprozeß, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff für den Werkzeugträger eine CuMnAl-Legierung mit den mengenmäßigen Legierungsbestandteilen von Cu 30 bis 40 % Mn 45 bis 54 % Al 4 bis 5 % Fe 2,5 bis 4 % Ni 1,0 bis 3,0 % Rest sonstige Verunreinigungen zur Verwendung kommt.
2. Werkzeugträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Werkzeugträger mit hoher Eigendämpfung eine CuMnAl-Legierung zur Verwendung kommt, die eine mengenmäßige Zusammensetzung von Cu 37,1 % Mn 53,4 % Al 4,8 % Fe 3,0 % Ni 1,6 % Rest sonstige Verunreinigungen aufweist.