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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kugelstirnfräser, insbesondere
einen solchen Kugelstirnfräser,
der zu einer spanabhebenden Bearbeitung geeignet ist.
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Technischer
Hintergrund
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Bei
einem Arbeitsgang, der durch eine Werkzeugmaschine wie etwa ein
Bearbeitungszentrum (machining center) zum Profilbearbeiten eines
Spritz- oder Druckgusses durchgeführt wird, ist es üblich, daß ein Kugelstirnfräser aus
Hartmetall verwendet wird. Wenn der Kugelstirnfräser eingesetzt wird, um ein
Werkstück
zu bearbeiten, das aus einem zwecks längerer Lebensdauer gehärtetem Material
hergestellt ist, nutzen sich die Schneid kanten des Stirnfräsers leichter
ab, so dass dessen Werkzeuglebensdauer verkürzt wird. Die Werkzeuglebensdauer
könnte
vergrößert werden,
indem zum Beispiel die Tiefe des Schneidens bei der spanabhebenden
Bearbeitung reduziert wird. Jedoch führt die Reduktion der Schneidetiefe
unausweichlich zu einer Verlängerung derjenigen
Zeit, die für
den Arbeitsgang benötigt
wird. Daraus resultiert wiederum eine Verringerung der Zerspanungseffizienz.
In den vergangenen Jahren wurde daher ein Kugelstirnfräser eingesetzt,
dessen Schneidkanten aus polykristallinem, kubischen Bor-Nitrid(PCBN)
gebildet sind. Dadurch soll die Abnutzung der Schneidkanten reduziert
werden, ohne dass eine Verringerung der Zerspanungseffizienz eintritt.
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Die
Druckschrift JP 2001-300813 A beschreibt einen Kugelstirnfräser, der
Schneidkanten aufweist, die aus einem polykristallinen, hartgesinterten
Körper
gebildet sind, welcher kubisches Bor-Nitrid aufweist. Die Schneidkanten
weisen aufgrund des polykristallinen, hartgesinterten Materials
einen hohen Härtegrad
auf. Bei diesem Kugelstirnfräser
werden Plattenelemente an Eckabschnitte des Werkzeugkörpers hartgelötet, der
aus Hartmetall hergestellt ist. Jedes der Plattenelemente, das mit
einer eigenen Schneidkante versehen ist, wird als zweischichtiger
Körper
ausgebildet, in dem eine erste Schicht aus polykristallinem, hartgesintertem
Material und eine zweite Schicht aus Hartmetall integral miteinander
verbunden werden (siehe nuter anderem 1 in Druckschrift
JP 2001-300813 A).
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Offenbarung
der Erfindung
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Die durch die Erfindung
zu lösende
Aufgabe:
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Jedoch
ist der oben beschriebene Kugelstirnfräser nicht in der Lage, ein
Werkstück
bei hoher Geschwindigkeit oder mit großer Schneidetiefe zu zerspanen,
weil der auf den Kugelstirnfräser
wirkende Schneidewiderstand aufgrund seiner Konstruktion groß ist. Dabei
erstreckt sich jede der Schneidkanten gradlinig, wenn dies in einer
Ansicht auf das Ende des Werkzeugkörpers senkrecht zu dessen Achse betrachtet
wird. Das heißt,
daß eine
hinreichend große
Zerspanungseffizienz bei einer Konstruktion nicht erreicht werden
kann, bei der die Plattenelemente, die jeweils durch den zweischichtigen
Körper
ausgebildet sind, an die Eckabschnitte des Werkzeugkörpers hartgelötet werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um das oben beschriebene
Problem zu lösen.
Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, einen Kugelstirnfräser bereitzustellen,
der in Lage ist, einen Arbeitsgang mit verbesserter Zerspanungseffizienz
durchzuführen.
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Maßnahmen zur Lösung der
Aufgabe:
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Um
die Aufgabe zu lösen,
wird gemäß Anspruch
1 ein Kugelstirnfräser
definiert, der einen Werkzeugkörper
mit einer Achse, End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase, die an einem distalen Ende
des Werkzeugkörpers
vorgesehen sind und welche im wesentlichen die Form einer Halbkugel
definieren, sowie spiralförmige
Einschnitte aufweist, durch welche Spanwinkel jeweils für die End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase gebildet werden, wobei der Werkzeugkörper aus einem hartgesinterten
Körper
aufgebaut ist, durch den in zumindest einem Teil des Werkzeugkörpers die End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase gebildet werden, wobei ein Schrägungswinkel jeder der spiralförmigen Einschnitte
einen Wert innerhalb eines Bereich von ungefähr 10° bis ungefähr 30° beträgt und wobei eine nicht eingeschnittene,
zentrale Fläche,
in welcher die spiralförmigen
Abschnitte nicht vorhanden sind, eine Größe innerhalb eines Bereichs von
ungefähr
0,03 R bis ungefähr
0,1 R relativ zu einem Radius R der kugelförmigen Nase des Kugelstirnfräsers besitzt.
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Gemäß Anspruch
2 beträgt
bei dem Kugelstirnfräser
nach Anspruch 1 der Spanwinkel an jeder der End-Schneidkanten mit
kugelförmiger
Nase einen Wert innerhalb eines Bereichs von –30° bis –10°.
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Nach
Anspruch 3 ist bei dem in Anspruch 1 oder 2 angegebenen Kugelstirnfräser der
hartgesinterte Körper
im wesentlichen durch kubisches Bor-Nitrid gebildet.
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Wirkung der Erfindung:
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Der
Kugelstirnfräser,
wie er in Anspruch 1 definiert ist, bei dem also die End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase in dem distalen Endabschnitt des Werkzeugkörpers vorgesehen sind, ist
in der Lage, einen Arbeitsgang der Zerspanung bei höherer Geschwindingkeit
mit größerer Schneidetiefe
als im Vergleich zu einem Kugelstirnfräser durchzuführen, dessen
End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase aus Hartmetall gebildet sind. Dies gilt insbesondere, weil der
Werkzeugkörper
zumindest in den Teilen, welche die End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase
ausbilden, aus einem hartgesinterten Körper aufgebaut ist. Folglich
bietet der vorliegende Kugelstirnfräser den Vorteil einer verbesserten
Zerspanungseffizienz.
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Ferner
ist die Spanwinkelfläche
jeder der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase, die in dem distalen
Endabschnitt des Werkzeugkörpers vorgesehen
sind, durch die spiralförmigen
Einschnitte definiert. Somit wird jede der End-Schneidkanten mit
kugelförmiger
Nase – betrachtet
in einer Ansicht des distalen Endes, die senkrecht zur Achse des Werkzeugkörpers liegt – durch
einen Kreisbogen definiert, der in Rotationsrichtung des Werkzeugkörpers konvex
ausgebildet ist, d.h. in einer Richtung der Schneidwirkung des Werkzeugs.
Aufgrund dieses Aufbaus kann der Schneidwiderstand, der auf den Kugelstirnfräser wirkt,
geringer ausgelegt werden als bei einem konventionellen Kugelstirnfräser, bei
dem jede der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase durch eine gerade
Linie definiert ist, wenn dies in der entsprechenden Ansicht des
distalen Endes betrachtet wird. Die Verringerung des Schneidwiderstands erlaubt
es dem Kugelstirnfräser,
den Arbeitsgang des Zerspanens bei erhöhter Geschwindigkeit mit vergrößerter Schneidetiefe
durchzuführen.
Dies führt
wiederum zu einer Verbesserung der Zerspanungseffizienz.
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Ferner
beträgt
der Drill- oder Schrägungswinkel
jedes der spiralförmigen
Einschnitte einen Wert innerhalb des Bereichs von ungefähr 10° bis ungefähr 30°. Im allgemeinen
führt eine
Vergrößerung des
Schrägungswinkels
jedes der spiralförmigen
Einschnitte leicht zu einem Absplittern der Schneidkante und infolge
dessen zu einer Reduktion der Werkzeuglebensdauer. Da jedoch gemäß der vorliegenden
Erfindung der Schrägungswinkel
nicht mehr als ungefähr
30° beträgt, wird
der Absplitterung der Schneidkante vorgebeugt und entsprechend die
Lebensdauer des Werkzeugs verlängert.
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Auf
der anderen Seite führt
eine Verringerung des Schrägungswinkels
jedes der spiralförmigen
Einschnitte zu einer Verringerung der Schneideperformance jeder
der End-Schneidkanten mit kugelförmiger
Nase. Dadurch wird es unmöglich,
eine ausreichend hohe Zerspanungseffizienz zu erhalten. Da jedoch
gemäß der vorliegenden
Erfindung der Schrägungswinkel
nicht geringer als ungefähr
10° ist,
wird es möglich,
der Verringerung an Schneideperformance durch die End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase vorzubeugen und entsprechend eine hinreichend hohe Zerspanungs-effizienz
zu erhalten.
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Ferner
besitzt die nicht eingeschnittene, zentrale Fläche, in welcher die End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase oder die spiralförmigen
Einschnitte gerade nicht vorhanden sind, eine Größe in einem Bereich von ungefähr 0,03
R bis ungefähr
0,1 R relativ zum Radius R der kugelförmigen Nase des Kugelstirnfräsers. Innerhalb
dieser nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche, d.h. einer Fläche ohne End-Schneidkanten,
ist die Rotationsgeschwindigkeit gering, während dabei aber eine erhebliche
Reibung erzeugt wird. Wenn daher die Dicke der nicht eingeschnittenen,
zentralen Fläche übermäßig reduziert wird,
kann der Werkzeugkörper
mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit im Bereich der nicht eingeschnittenen,
zentralen Fläche
leicht zerbrechen. Der Grund liegt in der verringerten Festigkeit
des Werkzeugkörpers
im Bereich dieser nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche. Da
jedoch bei der vorliegenden Erfindung die nicht eingeschnittene,
zentrale Fläche,
in welcher die spiralförmigen
Einschnitte nicht vorhanden sind, nicht kleiner ist als ungefähr 0,03
R im Vergleich zum Radius R der Kugelnase des Kugelstirnfräsers, ist
es möglich,
dem Bruch des Werkzeugkörpers
im Bereich der nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche vorzubeugen
und entsprechend die Werkzeuglebensdauer zu verlängern.
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Wenn
auf der anderen Seite die Dicke der nicht eingeschnittenen, zentralen
Fläche übermäßig vergrößert wird,
dann vergrößert sich
auch die Reibung, die zwischen der nicht eingeschnittenen, zentralen
Fläche
und der bearbeiteten Oberfläche
des Werkstücks
wirkt. Somit wird die Gleichmäßigkeit
der bearbeiteten Oberfläche
reduziert. Ein befriedigendes Oberflächen-Finish kann dann nicht erhalten werden.
Weil jedoch bei der vorliegenden Erfindung die nicht eingeschnittene,
zentrale Fläche
nicht größer als
ungefähr
0,1 R relativ zum Radius R der kugelförmigen Nase des Kugelstirnfräsers ist,
wird es möglich,
der Verringerung in der Gleichmäßigkeit
der bearbeiteten Oberfläche
vorzubeugen und entsprechend ein befriedigendes Oberflächen-Finish
zu erhalten.
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Bei
dem in Anspruch 2 definierten Kugelstirnfräser ist über die Merkmale des Kugelstirnfräsers nach
Anspruch 1 hinaus ein Merkmal angegeben, demzufolge der Spanwinkel
jeder der End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase einen Wert innerhalb eines Bereichs von ungefähr –30° bis ungefähr –10° einnimmt.
Im Allgemeinen kann, wenn der Spanwinkel der End-Schneidkanten mit
kugelförmiger
Nase einen großen
positiven Wert annimmt, die Schneidkante leicht einer Absplitterung
unterliegen. Daraus resultiert dann nämlich eine Verringerung an
Werkzeuglebensdauer. Bei der vorliegenden Erfindung jedoch wird,
weil der Spanwinkel jeder der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase
nicht größer als
ungefähr –10° ist, es
möglich,
der Absplitterung der Schneidkanten vorzubeugen und entsprechend
die Werkzeuglebensdauer zu verlängern.
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Wenn
auf der anderen Seite der Spanwinkel jeder der End-Schneidkanten mit
kugelförmiger
Nase einen großen
negativen Wert annimmt, wird die Schneideperformance jeder der End- Schneidkanten mit
kugelförmiger
Nase reduziert. Dadurch kann eine hinreichend hohe Zerspanungseffizienz
nicht erhalten werden. Weil jedoch bei der vorliegenden Erfindung
der Spanwinkel jeder der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase
nicht kleiner als –30° ist, wird es
möglich,
der Verringerung in der Schneideperformance jeder der End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase vorzubeugen und entsprechend eine ausreichend hohe Zerspanungseffizienz
zu erhalten.
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Es
ist üblich,
daß bei
einem Kugelstirnfräser aus
Hartmetall der Spanwinkel jeder der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase
in einem Bereich positiver Werte zur Verbesserung der Schneideperformance
liegt. Und es ist üblich,
daß die Schneidkante
zur Vorbeugung gegen Absplitterung der Schneidkante abgeschrägt ist.
Auf der anderen Seite wird bei der vorliegenden Erfindung zumindest ein
Teil des Werkzeugkörpers,
der die End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase ausbildet, durch den hartgesinterten Körper gebildet. Ferner ist der
Spanwinkel jeder der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase
in einem Bereich negativer Werte gelegen, um die Festigkeit der
Schneidkante zu erhalten. Gemäß der Anordnung
der vorliegenden Erfindung kann die Notwendigkeit des Abschrägens der
Schneidkante vermieden werden, so daß ein Vorteil der Vereinfachung
des Herstellungsprozesses des Kugelstirnfräsers entsteht.
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Bei
dem Kugelstirnfräser
gemäß Anspruch
3 ist über
die Merkmale des Kugelstirnfräsers
nach den Ansprüchen
1 oder 2 hinaus ein Merkmal angegeben, wonach der hartgesinterte
Körper
im wesentlichen durch kubisches Bor-Nitrid aufgebaut wird. Bei dieser
Anordnung sind Teile des Werkzeugkörpers, welche jede der End-Schneidkanten
mit kugelförmiger
Nase ausbilden, aus kubischem Bor-Nitrid aufgebaut, welches härter ist
als das Hartme tall. Dadurch entsteht ein Vorteil, daß die Schneidkante
mit einem hohen Grad an Widerstand gegen Abnutzung ausgebildet ist,
und dass gleichermaßen
der Verringerung an Gleichmäßigkeit
der bearbeiteten Oberfläche
vorgebeugt wird.
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Kurze Beschreibung
der Abbildungen
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1 zeigt
eine Frontansicht eines Kugelstirnfräsers entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des distalen Endabschnitts des Kugelstirnfräsers.
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3 zeigt
eine Seitenansicht des Kugelstirnfräsers, betrachtet aus Richtung
des Pfeils II in 1.
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4 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des in 3 gezeigten Abschnitts, welcher durch eine gestrichelte
Linie A dargestellt ist.
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5 zeigt
eine Darstellung des Ergebnisses eines Schneide-Tests, welcher anhand eines Produkts
A entsprechend der Erfindung sowie anhand eines konventionellen
Produkts B durchgeführt wurde.
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6 zeigt
eine Darstellung des Ergebnisses des Schneide-Tests, der anhand des Produktes A entsprechend
der Erfindung und anhand des konventionellen Produkts B durchgeführt wurde.
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Bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung
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Im
Folgenden wird mit Bezug auf die Abbildungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
erläutert. 1 ist
eine Frontansicht eines mehrnutigen Kugelstirnfräsers 1 (im Folgenden
kurz als "Kugelstirnfräser" bezeichnet) entsprechend
dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung
eines distalen Endabschnitts (der Abschnitt auf der rechten Seite
in 1) des Kugelstirnfräsers 1. 3 zeigt
eine Seitenansicht des Kugelstirnfräsers 1 betrachtet
aus der Richtung des Pfeils II in 1. Bezugnehmend
auf die 1 bis 3 wird nun
der Gesamtaufbau des Kugelstirnfräsers 1 beschrieben.
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Der
Kugelstirnfräser 1 ist
im wesentlichen durch einen Werkzeugkörper 2 mit einer Achse
L aufgebaut, welcher einen Schneideabschnitt 3 und einen
Schaftabschnitt 2a aufweist, die beide koaxial zueinander
angeordnet sind. Dieser Kugelstirnfräser 1 wird eingesetzt,
um ein Werkstück
zu fräsen
oder zu bearbeiten, um die Erstellung einer beliebig gekrümmten Oberfläche oder
der Oberfläche
eines gerundeten Eckabschnitts einer Spritzgusses oder Druckgusses
abzuschließen.
Bei dem Arbeitsgang wird der Kugelstirnfräser 1 in ein Werkzeuggerät wie etwa
ein Bearbeitungszentrum (machining center) eingesetzt, wobei eine
nicht gezeigte Halterung den Schaftabschnitt 2a des Werkzeugkörpers 2 hält. Der Kugelstirnfräser 1 wird
durch das Werkzeuggerät
um die Achse L rotiert und bewegt. Der Werkzeugkörper 2 ist aus Hartmetall
hergestellt, das durch druckgesintertes Wolfram-Karbid (WC) oder ähnlichem
gebildet ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt der
Schaftabschnitt 2a einen Durchmesser von ungefähr 6 mm.
Der Schneideabschnitt 3, durch welchen der Arbeitsgang
des Zerspanens am Werkstück
ausgeführt
wird, besitzt Bohrnuten 10a, 10b zum Abführen der
Späne,
seitliche Schneidkanten 11a, 11b, End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase, Anschlussflächen 13a, 13b sowie
spiralförmige
Einschnitte 14a, 14b.
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Bei
dem Schneideabschnitt 3 des Werkzeugkörpers 2 ist zumindest
ein Teil, durch welchen die End-Schneidkanten mit 12a, 12b kugelförmiger Nase gebildet
werden, aus einem hartgesinterten Körper hergestellt, welcher im
wesentlichen aus polykristallinem, kubischem Bor-Nitrid (PCBN) aufgebaut
ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
wirken die End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase so zusammen, dass sie einen Durchmesser von ungefähr 2 mm
ausbilden. Das heißt,
ein Radius R der kugelförmigen
Nase des Kugelstirnfräsers
beträgt
1 mm. Es ist anzumerken, daß das
oben beschriebene Teil, durch welches die End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase gebildet werden, auch aus einem hartgesinter ten Körper hergestellt
werden kann, welcher im wesentlichen aus polykristallinem Diamant
(PCD) mit einem hohen Härtegrad
aufgebaut ist.
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Der
Schneideabschnitt 3 des Werkzeugkörpers 2 ist mit einem
geschichteten Körper
versehen. Dieser weist zwei Schichten auf, die miteinander durch
Sintern verbunden sind. Eine der beiden Schichten ist aus dem hartgesinterten
Körper
hergestellt, während
die andere Schicht aus Hartmetall hergestellt ist. Bei einem Herstellungsprozeß des Werkzeugkörpers 2 wird
der durch den geschichteten Körper
ausgebildete Schneideabschnitt 3 an einem axialen Ende
des entsprechend anderen Abschnitts des Werkzeugkörpers 2 durch
Hartlöten
oder Löten befestigt.
Nachdem der Schneideabschnitt 3 an dem anderen Abschnitt
des Werkzeugkörpers 2 befestigt wurde,
werden die Bohrnuten 10a, 10b zum Abführen der
Späne,
die seitlichen Schneidkanten 11a, 11b, die End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase, die Anschlussflächen 13a, 13b sowie
die spiralförmigen
Einschnitte 14a, 14b in dem Schneideabschnitt 3 gebildet,
so daß der
Schneideabschnitt 3 eine vorbestimmte Konfiguration besitzt.
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Weil
der hartgesinterte Körper
einen hohen Härtegrad
aufweist, ist es nicht leicht, den Schneideabschnitt 3 zu
bearbeiten. Daher würden,
wenn der Schneideabschnitt 3 beim Design so ausgelegt wird, daß er einen
großen
Durchmesser besitzt, die Herstellungskosten auf ein nicht mehr praktikables
Maß ansteigen.
Angesichts dessen ist es vorzuziehen, den Durchmesser des Schneideabschnitts 3 nicht größer als
ungefähr
6 mm zu wählen.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
beträgt
der Durchmesser des Schneideabschnitts 3 ungefähr 2 mm.
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Die
Bohrnuten 10a, 10b zum Abführen der Späne dienen zur Aufnahme derjenigen
Späne,
die während
der Zerspanung auftreten. Durch sie wird das Abführen der Späne weg von der bearbeiteten Oberfläche des
Werkstücks
bewerkstelligt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Bohrnuten 10a, 10b zum
Abführen
der Späne
als miteinander verdrehte Bohrnuten gebildet. Sie sind so angeordnet,
daß sie
zueinander symmetrisch in Bezug auf die Achse L des Werkzeugkörpers 2 angeordnet sind.
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Die
seitlichen Schneidkanten 11a, 11b sind in dem
Schneideabschnitt 3 gebildet. Sie sind jeweils als zwei
Gratlinien eingerichtet, bei welchen die Bohrnuten 10a, 10b zum
Abführen
der Späne
auf die Anschlußflächen 13a, 13b treffen.
Jede der Anschlußflächen 13a, 13b besitzt
eine vorbestimmte Breite, gemessen in einer kreisumfänglichen
Richtung des Schneideabschnitts 3. Jede der seitlichen
Schneidkanten 11a, 11b ist in Bezug auf die Achse
L durch einen Schrägungswinkel θ1 von ungefähr 30° in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
geneigt.
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Die
End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
sind in dem Schneideabschnitt 3 gebildet und beschreiben
eine halbkugelförmige
Fläche von
Ortskurvenlinien, wenn der Kugelstirnfräser 1 rotiert wird.
Die End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
sind symmetrisch in Bezug auf die Achse L des Werkzeugkörpers 2 angeordnet.
Sie bilden zusammen genommen eine Form aus, die dem Buchstaben S ähnelt, wenn
dies in der Ansicht des distalen Endes betrachtet wird, die senkrecht
zu der Achse L steht (siehe 3). Jede
der End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
ist zusammenhängend
mit einer entsprechenden der seitlichen Schneidkanten 11a, 11b ausgebildet.
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Die
spiralförmigen
Einschnitte 14a, 14b sind als zwei Ausnehmungen
zusammenhängend
mit den entsprechenden Bohrnuten 10a, 10b zum
Abführen der
Späne ausgebildet,
um das Abführen
der Späne weg
von den End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
zu bewerkstelligen. Jede der spiralförmigen Einschnitte 14a, 14b besitzt
gegenüberliegende
Seitenoberflächen,
von denen eine die Spanwinkelfläche
(Angriffsfläche)
einer entsprechenden der End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase ausbildet. Zum Beispiel liefert eine in 2 auf der linken
Seite dargestellte Oberfläche
der gegenüberliegenden
Oberflächen
des spiralförmigen
Einschnitts 14a die Spanwinkelfläche mit der End-Schneidkante 12a mit
kugelförmiger
Nase. Die End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase werden durch zwei entsprechende Gratlinien gebildet, bei denen
die spiralförmigen
Einschnitte 14a, 14b auf die Anschlußflächen 13a, 13b treffen.
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Ein
Schrägungswinkel θ2, durch
welchen jeder der spiralförmigen
Einschnitte 14a, 14b in Bezug auf die Achse L
geneigt ist, genauer, durch welchen jeder der End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase in Bezug auf die Achse L geneigt ist, liegt vorzugsweise innerhalb
eines Wertebereichs von ungefähr
10° bis
ungefähr
30°. Wenn
der Schrägungswinkel θ2 jedes
der spiralförmigen
Einschnitte 14a, 14 kleiner als ungefähr 10° ist, wird
die Schneideperformance jeder der End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
verringert, so dass die Zerspanungseffizienz reduziert ist. Wenn
auf der anderen Seite der Schrägungswinkel θ2 größer als
ungefähr 30° wird, könnte die
Schneidkante leicht einer Absplitterung unterliegen, welches in
einer Verringerung der Werkzeuglebensdauer des Kugelstirnfräsers resultiert.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Schrägungswinkel θ2 jedes
der spiralförmigen Einschnitte 14a, 14b ungefähr 20°, so daß es möglich wird,
der Verringerung in der Zerspanungseffizienz und ebenfalls der Verringerung
in der Werkzeuglebensdauer vorzubeugen.
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Ferner
liegt der Spanwinkel jeder der Spanwinkelflächen der End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase,
welche durch die spiralförmigen Einschnitte 14a, 14b definiert
werden, bevorzugt in einem Wertebereich von ungefähr –30° bis ungefähr –10°. Wenn der
Spanwinkel größer wird,
im negativen Sinne, als –30°, wird die
Schneideperformance der End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger Nase
verringert. Dadurch wird auch die Zerspanungseffizienz verringert.
Wenn auf der anderen Seite der Spanwinkel größer ist, im positiven Sinne,
als –10°, könnten die
End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
leicht einem Absplittern unterliegen, welches in der Verringerung
der Werkzeuglebensdauer des Kugelstirnfräsers 1 resultiert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
beträgt
der Spanwinkel jedes der End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase ungefähr –20°, so dass
es möglich
ist, der Verringerung in der Zerspanungseffizienz und ebenfalls
der Verringerung in der Werkzeuglebensdauer vorzubeugen.
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Es
ist üblich,
in einem Kugelstirnfräser
aus Hartmetall den Spanwinkel an jeder End-Schneidkante mit kugelförmiger Nase
in einem positiven Wertebereich einzurichten, um die Schneideschärfe und die
Performance zu verbessern. Ferner ist es üblich, die Schneidkante zum
Vorbeugen gegen Zerspanen abzuschrägen. Auf der anderen Seite
sind bei dem Kugelstirnfräser 1 gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
die spanabhebenden Schneiden, welche die End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase 12a, 12b ausbilden,
durch einen hartgesinterten Körper
aufgebaut. Ferner ist der Spanwinkel jeder dieser End- Schneidkanten mit
kugelförmiger
Nase 12a, 12b in einem Bereich negativer Werte
vorgesehen, um die Widerstandsfähigkeit
der Schneidkante zu erhalten. Durch diese Anordnung wird die Notwendigkeit des
Abschrägens
der Schneidkanten vermieden, wobei ein Vorteil der Vereinfachung
des Herstellungsprozesses des Kugelstirnfräsers 1 entsteht.
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Bezugnehmend
auf 4 wird eine nicht eingeschnittene, zentrale Fläche, in
welcher die End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase oder
spiralförmige
Einschnitte 14a, 14b nicht vorhanden sind, beschrieben. 4 ist
eine vergrößerte Darstellung
eines Ausschnittes, der in 3 durch die
gestrichelt gezeichnete Linie A definiert ist.
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Wie
in 4 gezeigt ist, besitzt die nicht eingeschnittene,
zentrale Fläche,
deren Mitte zentriert auf der Achse L liegt, eine Dicke bzw. Größe t. Diese Dicke
bzw. Größe t liegt
bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 0,03 mm bis ungefähr 0,1 mm.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel,
bei welchem der Radius R der Kugelförmigen Nase 1 mm beträgt, beträgt die Größe t der
nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche nicht weniger als 0,03
R und ist nicht größer als 0,1
R. Innerhalb der nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche ist
die Rotationsgeschwindigkeit gering, wobei aber eine große Reibung
erzeugt wird. Folglich wird, wenn die Größe t der nicht eingeschnittenen, zentralen
Fläche
kleiner als ungefähr
0,03 mm wird, ein leichtes Abbrechen des Werkzeugkörpers 2 im Bereich
der nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche aufgrund der verringerten
Festigkeit des Werkzeugkörpers 2 wahrscheinlich.
Wenn auf der anderen Seite die Größe t der nicht eingeschnittenen,
zentralen Fläche
größer als
ungefähr
0,1 mm wird, vergrößert sich
die Reibung, die zwischen der nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche und
der bearbeiteten Oberfläche
des Werkstücks
wirkt. Dadurch wird die Gleichmäßigkeit
der bearbeiteten Oberfläche
reduziert, so daß die
Zerspanungseffizienz reduziert ist. Der Arbeitsgang des Zerspanens
kann dann nämlich nicht
bei einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
beträgt
die Größe t der
nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche ungefähr 0,3 mm. Aufgrund dieser
Anordnung ist es möglich,
der Verringerung an Zerspanungs-effizienz und ebenso der Verringerung
in der Werkzeuglebensdauer vorzubeugen.
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Als
nächstes
wird ein Schneidetest beschrieben, der unter Verwendung eines Kugelstirnfräsers 1 mit
dem oben beschriebenen Aufbau durchgeführt wurde. Bei dem Schneidetest
wurde der Kugelstirnfräser 1 unter
vorbestimmten Schneidebedingungen entlang eines Pfades auf einer
zu bearbeitenden Werkstückoberfläche linear
hin- und herbewegt. Die Breite der Abnutzung auf jeder der End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase und ebenso die Rauheit der bearbeiteten Oberfläche wurden
gemessen.
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Eine
Spezifikation der Schneidebedingungen in dem Schneidetest lautet
wie folgt:
Material des Werkstücks: JIS-SKH51 (65HRC)
Schneidemethode:
Abwärts-Schneidefräsen
Zugeführte Schneideflüssigkeit:
Sprühkühlung
Verwendete
Maschine: Bearbeitungszentrum (machining center) vom vertikalen
Typ
Schneidegeschwindigkeit: 251,2 m/min
Zuführungsrate
pro Zahn: 0,075 mm/t
Axiale Tiefe aa des Schnitts: 0,05 mm
Aufnahme-Zuführungsmenge
Pf: 0,02 mm
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Der
Schneidetest wurde unter Verwendung eines weiteren Kugelstirnfräsers (im
Folgenden als "konventionelles
Produkt" bezeichnet)
durchgeführt, welcher
aus Hartmetall hergestellt ist. Dieser wurde zusätzlich zum Kugelstirnfräser 1 (im
Folgenden als "Erfindungsprodukt
A" bezeichnet) verwendet,
bei dem zumindest der Teil, welcher die End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase ausbildet, aus dem hartgesintertem Körper hergestellt ist. Es ist anzumerken,
daß das
Erfindungsprodukt A und das konventionelle Produkt B in ihrer sonstigen
Konfiguration identisch miteinander waren.
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5 zeigt
eine Darstellung des Ergebnisses des Schneidetests, bei dem das
Erfindungsprodukt A und das konventionelle Produkt B verwendet wurden.
Es ist dargestellt die Beziehung zwischen der Schneidedistanz X1
und einer Abnutzungsbreite Y1 jeweils in Bezug auf die Erfindung
A und in bezug auf das konventionelle Produkt B. In 5 repräsentiert
die Abszisse 23 die Schneidedistanz X1, durch welche das
Werkstück
in dem Schneidetest bearbeitet wurde. Währenddessen repräsentiert
die Ordinate 24 die Abnutzungsbreite Y1 an jeder der End-Schneidkanten mit
kugelförmiger
Nase. Eine Polygonlinie 25 repräsentiert eine (durchgezogene) Linie,
die Datenpunkte (jeweils durch ein schwarzes Dreieck bezeichnet)
in Bezug auf das Erfindungsprodukt A verbindet. Währenddessen
repräsentiert
die Polygonlinie 26 eine (durchgezogene) Linie, die Datenpunkte
verbindet (jeweils durch ein schwarzes Quadrat bezeichnet), die
auf das konventionelle Produkt B bezogen sind.
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Bei
dem Vergleich zwischen den Polygonlinien 25, 26 in 5 ist
festzustellen, daß die
Abnutzungsbreite Y1 des Erfindungsprodukts A und die Abnutzungsbreite
Y1 des konventionellen Produkts B beide mit anwachsender Schneidedistanz
X1 zunehmen. Ferner ist festzustellen, daß die Anwachsrate, die durch
eine Neigung der Linien angezeigt wird, nach einer Schneidedistanz
X1 von ungefähr
100 m im wesentlichen geradlinig verläuft. Jedoch ist diejenige Neigung,
welche die Anwachsrate der Abnutzungsbreite Y1 des konventionellen
Produkts B andeutet, größer als
jene Neigung, welche die Anwachsrate der Abnutzungsbreite Y1 des
Erfindungsprodukts A andeutet. Das heißt, dass es beim Erfindungsprodukt
A möglich
war, die Anwachsrate in der Abnutzungsbreite Y1 als Funktion der
Schneidedistanz X1 verglichen mit dem konventionellen Produkt B
geringer auszulegen.
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6 ist
eine Darstellung, die ein Ergebnis des Schneidetests zeigt, welcher
unter Verwendung des Erfindungsprodukts A und des konventionellen Produkts
B durchgeführt
wurde. 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Schneidedistanz
X2 und einer Oberflächenrauhigkeit
Y2 der bearbeiteten Oberfläche.
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In 6 repräsentiert
eine Abszisse 27 die Schneidedistanz X2, durch welche das
Werkstück bei
dem Schneidetest bearbeitet wurde. Währenddessen repräsentiert
die Ordinate 28 die Oberflächenrauhigkeit Y2 der bearbeiteten
Oberfläche
des Werkstücks.
Eine Polygonlinie 29 repräsentiert eine (durchgezogene)
Linie, welche Datenpunkte (jeweils dargestellt durch ein schwarzes
Dreieck) in Bezug auf das Erfindungsprodukt A verbindet. Währenddessen
repräsentiert
die Polygonlinie 30 eine (durchgezogene) Linie, die Datenpunkte
(jeweils durch ein schwarzes Quadrat bezeichnet) verbindet, die
sich auf das konventionelle Produkt B beziehen. Es ist anzumerken,
daß die
Oberflächenrauhigkeit
Y2 der bearbeiteten Oberfläche
eine maximale Höhe
bezüglich einer
idealisierten Nullfläche
bezeichnet, die in Übereinstimmung
mit JIS B0601-2001 gemessen wird.
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Im
Vergleich zwischen den Polygonlinien 29, 30 in 6 kann
festgestellt werden, dass, nachdem die Schneidedistanz X2 134 m überschritten
hat, die Oberflächenrauhigkeit
Y2 bei dem Erfindungsprodukt A und die Oberflächenrauhigkeit Y2 bei dem konventionellen
Produkt B beide mit anwachsender Schneidedistanz X2 zunehmen. Jedoch,
sobald die Schneidedistanz X2 ungefähr 288 m überschreitet, wird die Zunahme
an Oberflächenrauhigkeit
Y2 bei dem konventionellen Produkt B beträchtlich größer als bei dem Erfindungsprodukt
A. Das bedeutet, dass nachdem die Schneidedistanz Y2 groß geworden
ist, die Zunahme an Oberflächenrauhigkeit
Y2 im Vergleich zur Zunahme an Schneidedistanz X2 viel kleiner ist, wenn
das Erfindungsprodukt A benutzt wird, als in dem Fall, bei dem das
konventionelle Produkt B verwendet wird.
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Ferner
ist in einem Stadium zwischen der Schneidedistanz X2 von ungefähr 10 m
und ungefähr 134
m die Änderung
in der Oberflächenrauhigkeit
Y2 bei dem konventionellen Produkt B stärker irregulär ausgeprägt, als
dies bei dem Erfindungsprodukt A der Fall ist. Außerdem ist
die Oberflächenrauhigkeit Y2
bei dem Erfindungsprodukt A in beliebigen Stadien immer jeweils
geringer als jene bei dem konventionellen Produkt B. Das heißt, dass
das Erfindungsprodukt A die Eignung besitzt, eine Oberflächengleichmäßigkeit
zu bewirken, die wesentlich stabiler ist als im Fall des konventionellen
Produkts B.
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Aus
der oben angegebenen Beschreibung wird klar, daß der Kugelstirnfräser 1 (Erfindungsprodukt
A) gemäß der Erfindung,
bei dem zumindest ein Teil, durch welches die End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase gebildet werden, aus hartgesintertem Körper hergestellt ist, ein ausgezeichne tes Widerstandsverhalten
gegen Abnutzung offenbart, und ferner eine ausgezeichnete und eine
stabilere Oberflächengleichmäßigkeit
liefert, als dies bei einem Kugelstirnfräser (konventionelles Produkt
B) der Fall ist, welcher die gleiche Konfiguration besitzt, aber
aus Hartmetall gefertigt ist. Folglich ist der Kugelstirnfräser 1 geeignet,
den Arbeitsgang des Zerspanens bei hoher Schneidegeschwindigkeit
mit großer
Schneidetiefe durchzuführen.
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Während die
vorliegende Erfindung basierend auf dem Ausführungsbeispiel beschrieben
worden ist, ist es aber auch leicht vorstellbar, daß die vorliegende
Erfindung nicht im Geringsten auf die Details des oben beschriebenen
Ausführungsbeispiels begrenzt
ist. Vielmehr ist sie Gegenstand verschiedenster Verbesserungen
und Modifikationen, die aber immer noch innerhalb eines durch das
Wesen der Erfindung definierten Bereiches liegen.
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Zum
Beispiel, während
die Anzahl der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase 12a, 12b in
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
zu 2 gewählt
wurde, kann die vorliegende Erfindung gleichermaßen auch auf einen Kugelstirnfräser mit
3 oder mehr End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase angewendet werden.
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Zusammenfassung
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Kugelstirnfräser
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Es
wird ein Kugelstirnfräser
vorgeschlagen, der geeignet ist, einen Arbeitsgang der Zerspanung mit
verbesserter Zerspanungseffizienz durchzuführen. In einem Schneideabschnitt 3 des
distalen Endabschnitts des Kugelstirnfräsers sind End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase vorgesehen, die symmetrisch in Bezug auf eine Achse des Werkzeugkörpers angeordnet
sind. Der Schneideabschnitt 3 ist so aufgebaut, dass zumindest
ein Teil, durch welchen die End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
gebildet werden, aus einem hartgesinterten Körper (PCBN) gefertigt ist.
Die Spanwinkelfläche
der End-Schneidkanten 12a, 12b mit kugelförmiger Nase
wird durch spiralförmige
Einschnitte 14a, 14b gebildet. Der Schrägungswinkel
jeder der spiralförmigen
Einschnitte beträgt
allgemein ungefähr
20°. Das
heißt,
die Schneidkanten 12a, 12b mit kugeförmiger Nase
werden in dem hartgesinterten Körper
mit einem hohen Grad an Härte
eingerichtet, und werden in ineinander verdrehter Form ausgebildet.
Folglich sind die End-Schneidkanten 12a, 12b mit
kugelförmiger
Nase in der Lage, einen Bearbeitungsvorgang bei höherer Geschwindigkeit
mit größerer Schnittiefe
durchzuführen,
so dass die Zerspanungseffizienz verbessert wird.
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Erläuterung
der Bezugszeichen
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- 1
- Kugelstirnfräser
- 2
- Werkzeugkörper
- 3
- Schneideabschnitt
- 10a,
10b
- Bohrnute
zum Abführen
der Späne
- 11a,
11b
- seitliche
Schneidkante
- 12a,
12b
- End-Schneidkanten
mit kugelförmiger Nase
- 14a,
14b
- spiralförmige Einschnitte
- θ1
- Schrägungswinkel
der seitlichen Schneidkanten
- θ2
- Schrägungswinkel
der spiralförmigen Einschnitte
(Schrägungswinkel
der End-Schneidkanten mit kugelförmiger Nase)
- t
- Dicke
der nicht eingeschnittenen, zentralen Fläche