DE112011102673T5

DE112011102673T5 - Schneidwerkzeug mit ungleichem Nutabstand

Info

Publication number: DE112011102673T5
Application number: DE112011102673T
Authority: DE
Inventors: Tilo Krieg; Christoph Gey; Stephen M. George
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: CN103052458B; US8734068B2; WO2012021211A3; WO2012021211A2; DE112011102673B4; CN103052458A; US20120034043A1

Abstract

Ein Schneidwerkzeug (10) mit einem Schaft (15) mit einer Längsachse (20), wobei das Schneidwerkzeug (10) eine erste Nut (32), die sich um den Längsschaft (15) entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und eine erste Schneidkante (56) benachbart zur ersten Nut (32) umfasst. Das Schneidwerkzeug (10) umfasst auch eine zweite Nut (36), die sich um den Längsschaft (15) entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und eine zweite Schneidkante (58) benachbart zur zweiten Nut (36). Das Schneidwerkzeug (10) umfasst ferner eine dritte Nut (40), die sich um den Längsschaft (15) entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und eine dritte Schneidkante (60) benachbart zur dritten Nut (40). Die erste Schneidkante (56), die zweite Schneidkante (58) und die dritte Schneidkante (60) sind im Winkel ungleich voneinander beabstandet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schneidwerkzeug und insbesondere auf ein Schneidwerkzeug wie z. B. einen Bohrer mit ungleichem Nutabstand.
HINTERGRUNDINFORMATIONEN
Ein Schneidwerkzeug wie z. B. ein Bohrer oder Spiral-bohrer besteht im Allgemeinen aus einem zylindrischen Schaft mit mindestens einer Nut und einem Steg, die einem Spiralwinkel zu einer Vorderschneidkante am Vorderende des Schafts folgen. Dem Steg sind ein Rand und ein Freiraumabschnitt hinter dem Rand zugeordnet. Eine Seitenschneidkante ist durch den Schnitt der Nut mit dem Rand des Steges definiert.
Ein Beispiel eines Bohrers dieses Typs ist beispiels-weise im US-Pat. Nr. 4 913 603 und in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 2008/0199268 A1 gezeigt. Das '603-Patent und die '268-Patentveröffentlichung beschreiben das Problem, das in der technischen Literatur als ”Rattern” bekannt ist, ein Problem, das bei einem Bohrer während des Bohrprozesses erfahren wird, wenn die unregelmäßige Drehtätigkeit des Bohrers während des Bohrprozesses zu einer unregelmäßigen Oberflächenstruktur der Bohrungswand führt. Dieses Phänomen liegt teilweise an der Tatsache, dass lineare oder spiralförmige Spannuten in die erzeugten Oberflächen der Bohrer geformt werden, um die Späne zu entfernen, die während des Bohrprozesses gebildet werden. Häufig sind die Spannuten einerseits und die Schneidkanten des Bohrers andererseits symmetrisch über den Umfang des Bohrers verteilt. Diese symmetri-sche Verteilung hat den weiteren Nachteil, dass die Vibrationen des Bohrers, die das ”Rattern” verursachen, periodisch während des Bohrprozesses wiederkehren. Dieses periodische Wiederkehren der Vibrationen verursacht eine Erhöhung der Amplitude der Vibrationen, d. h. einen ”Aufbau” des Ratterns während des Bohrprozesses. Im Ergebnis nehmen die Unregelmäßigkeiten in den Seitenwänden des Lochs, das gebohrt wird, wobei die Unregelmäßigkeiten auch ”Rattermarken” genannt werden, zu, was zu einer Verschlechterung der Qualität der Bohrung über die Länge des Bohrprozesses führt.
Um dieses Problem zu verringern, ist im Allgemeinen bekannt, dass die untergeordneten Schneidkanten des Bohrers, die am Bohrerumfang vorhanden sind, mit Stegen versehen werden können. Diese Stege liegen im Allgemeinen dicht an der Innenwand der Bohrung an und wirken auf den Bohrer in der Weise von Stützrippen. Das '603-Patent und die '268-Patentveröffentlichung beschreiben, dass eine zusätzliche Maßnahme zum Verhindern des ungenauen Laufs des Bohrers die asymmetrische Anordnung der Spannunten und entsprechend der Bohrerschneidkanten ist.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des Vorangehenden entwickelt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schneidwerkzeug mit einem Schaft mit einer Längs-achse zu schaffen, wobei das Schneidwerkzeug eine erste Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und eine erste Schneidkante benachbart zur ersten Nut umfasst. Das Schneidwerkzeug umfasst auch eine zweite Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und eine zweite Schneidkante benachbart zur zweiten Nut. Das Schneidwerkzeug umfasst ferner eine dritte Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und eine dritte Schneidkante benachbart zur dritten Nut. Die erste Schneidkante, die zweite Schneidkante und die dritte Schneidkante sind im Winkel ungleich voneinander beabstandet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Schneidwerkzeug mit einem Schaft mit einer Längsachse zu schaffen, wobei das Schneidwerkzeug eine erste Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und einen ersten Steg benachbart zur ersten Nut, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, umfasst, wobei der erste Steg einen ersten Rand aufweist. Das Schneidwerkzeug umfasst auch eine zweite Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und einen zweiten Steg benachbart zur zweiten Nut, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der zweite Steg einen zweiten Rand aufweist. Das Schneidwerkzeug umfasst ferner eine dritte Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt, und einen dritten Steg benachbart zur dritten Nut, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der dritte Steg einen dritten Rand aufweist. Der erste Rand, der zweite Rand und der dritte Rand weisen ungleiche Umfangsabmessungen auf.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind nach einer Durchsicht dieser Patentbeschreibung und der Zeichnungen vollständiger verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenaufrissansicht eines Schneidwerkzeugs gemäß einem Aspekt der Erfindung.
2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von 1 gemäß einem Aspekt der Erfindung.
3 ist ein resultierendes Kraftdiagramm des in 1 und 2 gezeigten Schneidwerkzeugs gemäß einem Aspekt der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In einem Aspekt der Erfindung ist die Erfindung auf ein Schneidwerkzeug mit einer schraubenförmigen Nut gerichtet. Für Erläuterungszwecke wird hier ein Spiralbohrer mit dem Verständnis beschrieben, dass die Erfindung auf andere Schneidwerkzeuge mit schraubenförmigen Nuten, wie beispielsweise Gewindebohrer und Reibahlen, anwendbar ist.
Mit Bezug auf 1 und 2 ist ein Schneidwerkzeug 10, das für die Zwecke der Beschreibung hier als Spiralbohrer bezeichnet wird, mit einem Schaft 15 mit einer Längsachse 20 gezeigt. Der Schaft 15 weist ein Vorderende 25 auf, das mit einem Werkstück (nicht dargestellt) in Kontakt kommen und dieses schneiden kann. An einem Hinterende 27 des Schafts 15 befindet sich ein Einsteckende 29, das im Allgemeinen zylindrisch sein kann oder eine nicht zylindrische Form aufweisen kann, so dass es in ein Spannfutter (nicht dargestellt) passt. Obwohl das Einsteckende 29 als zylindrisch dargestellt ist, sollte erkannt werden, dass das Einsteckende 29 andere Formen aufweisen kann, wie beispielsweise quadratisch, hexagonal, konisch oder irgendeine andere geeignete nicht zylindrische Form zum Greifen innerhalb eines Spannfutters.
Der Schaft 15 weist eine äußere Oberfläche 30 auf, in der eine erste Nut 32 mit einem entsprechenden ersten Steg 34, eine zweite Nut 36 mit einem entsprechenden zweiten Steg 38 und eine dritte Nut 40 mit einem ent-sprechenden dritten Steg 42 ausgebildet sind. Jeder Steg erstreckt sich um die Längsachse 20 entlang eines Spiralwinkels HA (in 1 gezeigt). Außerdem umfasst der erste Steg 34 einen ersten Rand 44 und einen entsprechenden Freiraumabschnitt 46. Der zweite Steg 38 weist einen zweiten Rand 48 und einen entsprechenden Freiraumabschnitt 50 auf. Der dritte Steg 42 weist einen dritten Rand 52 und einen entsprechenden Freiraumabschnitt 54 auf.
Benachbart zur ersten Nut 32 befindet sich eine erste Schneidkante 56. Ebenso befindet sich benachbart zur zweiten Nut 36 eine zweite Schneidkante 58 und benachbart zur dritten Nut 40 befindet sich eine dritte Schneidkante 60. In einem Aspekt der Erfindung entspringen die erste Schneidkante 56, die zweite Schneidkante 58 und die dritte Schneidkante 60 alle an einem Schneidmittelpunkt CP, wobei der Schneidmittelpunkt CP benachbart zum Vorderende 25 des Schafts 15 angeordnet ist (siehe 3).
In einem Aspekt der Erfindung sind die erste Schneid-kante 56, die zweite Schneidkante 58 und die dritte Schneidkante 60 winkelmäßig ungleich voneinander beabstandet. Insbesondere, wie in 2 gezeigt, ist die erste Schneidkante 56 winkelmäßig von der zweiten Schneidkante 58 in einem Winkel A beabstandet, die zweite Schneidkante 58 ist winkelmäßig von der dritten Schneidkante 60 in einem Winkel B beabstandet und die dritte Schneidkante 60 ist winkelmäßig von der ersten Schneidkante 56 in einem Winkel C beabstandet. Durch Vorsehen des ungleichen Winkelabstandes zwischen den drei Schneidkanten 56, 58 und 60 kann das mit hier beschriebenen Bohreinsätzen verbundene Problem hinsichtlich ”Rattern” minimiert werden, wie hier genauer er-läutert wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Win-kel A im Bereich von etwa 100 Grad bis etwa 115 Grad liegen. Der Winkel B kann im Bereich von etwa 110 Grad bis etwa 125 Grad liegen. Der Winkel C kann im Bereich von etwa 125 Grad bis etwa 140 Grad liegen. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Winkel A gleich 108 Grad, der Winkel B ist gleich 118 Grad und der Winkel C ist gleich 134 Grad. Folglich ist zu erkennen, dass gemäß Aspekten der Erfindung die Winkel A, B und C alle für eine spezielle Bohreinsatzkonfiguration ungleich sind.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen der erste Rand 44, der zweite Rand 48 und der dritte Rand 52 alle ungleiche Umfangsabmessungen auf. Insbesondere, wie in 2 gezeigt, weist der erste Rand 44 eine Umfangsabmessung auf, die einem Winkel D entspricht, wie durch den Pfeil D angegeben. Der zweite Rand 48 weist eine Umfangsabmessung auf, die einem Winkel E entspricht, wie durch den Pfeil E angegeben. Der dritte Rand 52 weist eine Umfangsabmessung auf, die einem Winkel F entspricht, wie durch den Pfeil F angegeben. Wie hier verwendet, bedeutet ”Umfangsabmessung” eine Bogenlänge für die Ränder 44, 48 und 52, die auf der Basis eines entsprechenden Winkels berechnet wird. Das Vorsehen der Ränder so, dass sie ungleiche Umfangsabmessungen aufweisen, trägt weiter zum Verringern des beschriebenen Problems des Ratterns bei Bohrereinsätzen bei.
In einem Aspekt der Erfindung kann der Winkel D im Bereich von etwa 4,0 Grad bis etwa 10,0 Grad liegen. Der Winkel E kann im Bereich von etwa 0,2 Grad bis etwa 8,0 Grad liegen. Der Winkel F kann im Bereich von etwa 12,0 Grad bis etwa 20,0 Grad liegen. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Winkel D 5,0 Grad, der Winkel E ist 2,0 Grad und der Winkel F ist 15,0 Grad.
3 ist ein resultierendes Kraftdiagramm für das Schneidwerkzeug 10, z. B. den Bohrereinsatz, gemäß einem Aspekt der Erfindung. Entlang jeder Schneidkante (56, 58, 60) sind verschiedene repräsentative Kraftvektoren angezeigt. Diese Vektoren ändern sich im Betrag (durch ihre Länge und den Radius des einbeschriebenen Kreises angegeben, wobei eine größere Länge und ein größerer Radius gleich einem größeren Betrag sind) auf der Basis ihres Abstandes vom Schneidmittelpunkt CP und sind daher auf ihre jeweilige Schneidgeschwindigkeit bezogen. Die Richtung dieser Vektoren im Diagramm ist bestimmt, indem sie tangential zur Richtung der Ge-schwindigkeit der Schneidkante an dem Punkt konstruiert sind, an dem sie angezeigt sind. Die Anordnung dieser repräsentativen Kraftvektoren ”vom Kopf zum Ende” in dem Verfahren einer klassischen Kraftanalyse führt zu der Kette von Vektoren V, die vom Mittelpunkt CP entspringend gezeigt ist. Dann ist zu sehen, dass, wenn die Vektoren nicht zum Schneidmittelpunkt CP zurückkehren, eine resultierende Kraft vorhanden sein muss, die von diesem Ungleichgewicht auf das Werkzeug wirkt. Diese resultierende Kraft R ist auch vom Mittelpunkt CP entspringend und mit dem Ende der Vektorkette verbin-dend gezeigt, und zeigt den repräsentativen Betrag und die Richtung der Kraft R, die für die Erfindung wichtig ist. Es ist zu sehen, dass die resultierende Kraft R im Allgemeinen zwischen die Ränder 44 und 52 gerichtet ist, daher verschiebt sich die Kontaktkraft gegen die Lochwand zu diesen Rändern. Daher kann der Rand 48 in seiner Größe minimiert werden, um die Reibung zu verringern. Die Ränder 44 und 52 sind größer, um gegen die resultierende Kraft R zu wirken, wobei der Rand 52 am größten ist, wenn er näher an der Richtung der Kraft angeordnet ist. Diese Anordnung bewirkt, dass der größte Rand 52 als Führungssteg wirkt, der gegen die zerstörerischen Kräfte des Ratterns wirkt, indem er immer einen Kontakt mit der Lochwand aufrechterhält, und daher die radiale Bewegung dämpft. In dieser Anordnung der Erfindung mit drei Nuten wirkt der Rand 44 auch zur Unterstützung des Randes 52, um aktiv mit der Lochwand in Kontakt zu kommen, und wenn er entlang einer dritten Schneidkante angeordnet ist und ermöglicht, dass eine höhere Vorschubrate erreicht wird. Diese Eigenschaften bewirken wiederum, dass der Lochherstellungsprozess eine erheblich verbesserte Größen, Geradheits- und Zylindrizitätssteuerung mit viel höheren Metallentfernungsraten als ohne Verwendung der Erfindung aufweist.
Obwohl spezielle Ausführungsformen dieser Erfindung vorstehend für Erläuterungszwecke beschrieben wurden, ist für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass zahlreiche Veränderungen der Details der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne von der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4913603 [0003, 0004]

Claims

Schneidwerkzeug mit einem Schaft mit einer Längsachse, wobei das Schneidwerkzeug Folgendes umfasst: eine erste Nut, die sich um den Längsschaft ent-lang eines Spiralwinkels erstreckt; eine erste Schneidkante benachbart zur ersten Nut; eine zweite Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt; eine zweite Schneidkante benachbart zur zweiten Nut; eine dritte Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt; eine dritte Schneidkante benachbart zur dritten Nut; wobei die erste Schneidkante, die zweite Schneidkante und die dritte Schneidkante im Winkel ungleich voneinander beabstandet sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die erste Schneidkante winkelmäßig von der zweiten Schneidkante in einem Winkel im Bereich von etwa 100 Grad bis etwa 115 Grad beabstandet ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die zweite Schneidkante winkelmäßig von der dritten Schneidkante in einem Winkel im Bereich von etwa 110 Grad bis etwa 125 Grad beabstandet ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die dritte Schneidkante winkelmäßig von der ersten Schneidkante in einem Winkel im Bereich von etwa 125 Grad bis etwa 140 Grad beabstandet ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, das ferner einen ersten Steg benachbart zur ersten Nut umfasst, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der erste Steg einen ersten Rand aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 5, das ferner einen zweiten Steg benachbart zur zweiten Nut umfasst, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der zweite Steg einen zweiten Rand aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, das ferner einen dritten Steg benachbart zur dritten Nut umfasst, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der dritte Steg einen dritten Rand aufweist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 7, wobei der erste Rand, der zweite Rand und der dritte Rand ungleiche Umfangsabmessungen aufweisen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, das ferner einen Schneidpunkt umfasst, der benachbart zu einem Vorderende des Schafts und in einem axialen Zentrum des Schafts angeordnet ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 9, wobei die erste Schneidkante, die zweite Schneidkante und die dritte Schneidkante alle am Schneidpunkt entspringen.
Schneidwerkzeug mit einem Schaft mit einer Längsachse, wobei das Schneidwerkzeug Folgendes umfasst: eine erste Nut, die sich um den Längsschaft ent-lang eines Spiralwinkels erstreckt; einen ersten Steg benachbart zur ersten Nut, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der erste Steg einen ersten Rand aufweist; eine zweite Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt; einen zweiten Steg benachbart zur zweiten Nut, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der zweite Steg einen zweiten Rand aufweist; eine dritte Nut, die sich um den Längsschaft entlang eines Spiralwinkels erstreckt; einen dritten Steg benachbart zur dritten Nut, der sich um die Längsachse des Schafts entlang des Spiralwinkels erstreckt, wobei der dritte Steg einen dritten Rand aufweist; wobei der erste Rand, der zweite Rand und der dritte Rand ungleiche Umfangsabmessungen aufweisen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, das ferner Folgendes umfasst: einen Schneidpunkt, der benachbart zu einem Vor-derende des Schafts und in einem axialen Zentrum des Schafts angeordnet ist; und eine erste Schneidkante, eine zweite Schneidkante und eine dritte Schneidkante, die alle am Schneidpunkt entspringen.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, wobei der erste Rand eine Umfangsabmessung aufweist, die einem Winkel im Bereich von etwa 4,0 Grad bis etwa 1,0 Grad entspricht.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, wobei der zweite Rand eine Umfangsabmessung aufweist, die einem Winkel im Bereich von etwa 0,2 Grad bis etwa 8,0 Grad entspricht.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 11, wobei der dritte Rand eine Umfangsabmessung aufweist, die einem Winkel im Bereich von etwa 12,0 Grad bis etwa 20,0 Grad entspricht.