DE112011102803T5

DE112011102803T5 - Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug

Info

Publication number: DE112011102803T5
Application number: DE112011102803T
Authority: DE
Inventors: Karen A. Craig; Jason W. Chandler
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: CN103068508A; US20120051863A1; WO2012027057A2; DE112011102803B4; WO2012027057A3; US8602698B2; CN103068508B

Abstract

Ein Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug umfasst einen Stirnfräsabschnitt, einen Bohrabschnitt und einen Aufreibabschnitt. Das Schneidwerkzeug umfasst auch einen Halsabschnitt zwischen dem Stirnfräsabschnitt und dem Bohrabschnitt und einen Freiraumhalsabschnitt zwischen einem Schaft und dem Aufreibabschnitt. Ein Verfahren zum maschinellen Bearbeiten eines Werkstücks unter Verwendung des Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeugs wird auch offenbart.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Materialien aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) werden in der Luftfahrtindustrie aufgrund ihrer hohen spezifischen Festigkeit und hohen spezifischen Steifigkeit umfangreich verwendet. FRP-Materialien sind Verbundmaterialien, die aus einer weichen Harzmatrix und einer Faserverstärkung mit hoher Festigkeit bestehen. Typische Faserverstärkungen umfassen Kohlenstofffasern (CFRP), Glasfasern (GFRP), Kevlar-Fasern und dergleichen. FRP-Materialien werden häufig zu einer laminierten Struktur verarbeitet. FRP-Materialien weisen eine ausgezeichnete Festigkeit in der Ebene, aber eine niedrige interlaminare Festigkeit auf.
Herkömmliches Bohren, das auch als ”Drillbohren” bekannt ist, ist eine bei Metallen verwendete übliche Praxis. Der Bohrer wird entlang der Achse des Werkzeugs nach unten gepresst, um ein Loch zu erzeugen. Das Bohren mit diesem Verfahren verringert die Ablenkung von Seite zu Seite in den Metallschichten. Das Drillbohren von CFRP-Materialien ist jedoch typischerweise problematisch und eine Faserdelaminierung und andere Beschädigung sind ein Problem.
Eine Methode zum Verringern der Faserdelaminierung besteht darin, einen Orbitalbohrprozess zu verwenden. Orbitalbohren ist ein Lochherstellungsvorgang durch Fräsen, in dem das Zentrum eines Stirnfräsers um das Zentrum des beabsichtigten Lochs umläuft, während er sich auf seiner eigenen Achse dreht und sich in der axialen Richtung bewegt. Das Orbitalbohren wird auch ”Rundfräsen” oder ”Schraubenlinienerweiterung” genannt.
Durch Orbitalbohren von CFRP-Materialien wird das Loch schraubenlinienförmig erweitert. Dies schneidet das Loch mit einem Werkzeug mit kleinerem Durchmesser, das vom Zentrum versetzt ist, wodurch das Loch auf den Durchmesser gefräst wird. Dieses Verfahren erzeugt Löcher mit sauberen Kanten und minimalen Defekten.
Das Drillbohren von Löchern weist jedoch eine kürzere Zykluszeit als das Orbitalbohren von Löchern unter Verwendung eines schraubenlinienförmigen Erweiterungsprozesses auf. Diese Werkzeuge sind auf den Durchmesser des herzustellenden Lochs bemessen und sind starrer als Orbitalschneider mit kleinerem Durchmesser für dieselbe fertig gestellte Lochgröße.
In Flugzeugmetallmaterialien, insbesondere Aluminium, wurde festgestellt, dass, wenn Löcher, die herkömmlich drillgebohrt und aufgerieben werden, die Löcher eine größere Ermüdungslebensdauer als vollständig orbitalgebohrte Löcher unter Verwendung von schraubenlinienförmiger Erweiterung aufweisen. Dies liegt daran, dass eine Restspannung im Loch von herkömmlichen Drillbohr- und Aufreibvorgängen belassen wird. Mit anderen Worten, das Orbitalbohren erzeugt weniger Restspannung im Werkstück.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Multifunktions-Endeffektoren und durch einen Computer numerisch gesteuerte (CNC) Maschinen erzeugen orbitalgebohrte Löcher und drillgebohrte Löcher mit separaten Werkzeugen. Das Problem der Faserdelaminierung von CFRP-Materialien und das Erhöhen der Ermüdungslebensdauer in Metallmaterialien wird durch Kombinieren von Stirnfräsen unter Verwendung von schraubenlinienförmiger Erweiterung, Drillbohren und Aufreibschneidvorgängen in einem Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug gelöst. Das Kombinationsschneidwerkzeug schafft den synergistischen Effekt von schnelleren Zykluszeiten und eines leichten Betriebs im Vergleich zur separaten Verwendung dieser drei Schneidvorgänge.
In einem Aspekt umfasst ein Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug einen Stirnfräsabschnitt; einen Aufreibabschnitt; und einen Bohrabschnitt zwischen dem Stirnfräsabschnitt und dem Aufreibabschnitt.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug einen Stirnfräsabschnitt; einen Bohrabschnitt; einen Aufreibabschnitt; einen Halsabschnitt zwischen dem Stirnfräsabschnitt und dem Bohrabschnitt; einen Schaft; und einen Freiraumhalsabschnitt zwischen dem Aufreibabschnitt und dem Schaft. Der Stirnfräsabschnitt weist einen ersten Durchmesser auf. Der Halsabschnitt weist einen zweiten Durchmesser auf, der kleiner ist als der erste Durchmesser. Der Bohrabschnitt weist einen dritten Durchmesser auf, der größer ist als sowohl der erste als auch der zweite Durchmesser. Der Aufreibabschnitt weist einen vierten Durchmesser auf, der größer ist als der erste, der zweite und der dritte Durchmesser. Der Freiraumhalsabschnitt weist einen fünften Durchmesser auf, der kleiner als der dritte und der vierte Durchmesser und größer als der erste und der zweite Durchmesser ist.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zum maschinellen Bearbeiten eines Werkstücks unter Verwendung eines Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeugs mit einem Stirnfräsabschnitt, einem Bohrabschnitt und einem Aufreibabschnitt Folgendes: Positionieren des Schneidwerkzeugs in Bezug auf das Werkstück, um einen maschinellen Bearbeitungszyklus zu beginnen; Bohren eines Lochs in eine erste Materialschicht mit dem Stirnfräsabschnitt des Schneidwerkzeugs unter Verwendung eines Orbitalbohrvorgangs; Positionieren des Schneidwerkzeugs derart, dass eine Längsachse des Schneidwerkzeugs im Wesentlichen auf eine Achse des Lochs ausgerichtet ist; Bohren des Lochs in eine zweite Materialschicht mit dem Bohrabschnitt des Schneidwerkzeugs unter Verwendung eines Drillbohrvorgangs; und Aufreiben des Lochs mit dem Aufreibabschnitt des Schneidwerkzeugs unter Verwendung des Drillbohrvorgangs.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt werden, sollten die gezeigten speziellen Ausführungsformen nicht als Begrenzung der Ansprüche aufgefasst werden. Es wird erwartet, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen.
1 ist eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Stirnfräs-/Bohr-Kombinationsschneidwerkzeugs der Erfindung;
2 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht des Schneidwerkzeugs von 1, die den Stirnfräsabschnitt, den Bohrabschnitt und die Vorderseite des Aufreibabschnitts mit einer Endverjüngung zeigt;
3 ist eine weitere vergrößerte isometrische Ansicht des Schneidwerkzeugs von 2 um neunzig (90) Grad gedreht, die die Nicht-Schneid-Reliefnuten des Bohrabschnitts des Schneidwerkzeugs zeigt;
4 ist eine vergrößerte isometrische Ansicht des Schneidwerkzeugs von 1, die die Hinterseite des Aufreibabschnitts mit einer hinteren Abschrägung und einen Freiraumhalsabschnitt zeigt; und
5(a)–(f) ist eine isometrische Ansicht eines Verfahrens zum maschinellen Bearbeiten eines Werkstücks mit einer oberen Schicht aus CFRP-Material und einer unteren Schicht aus Metallmaterial unter Verwendung des Schneidwerkzeugs der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend befinden sich Darstellungen und Erläuterungen für eine Version eines Stirnfräs-Bohr-/Drillbohr-Kombinationsschneidwerkzeugs und eines Verfahren zum maschinellen Bearbeiten eines Werkstücks. Es wird jedoch angemerkt, dass das Kombinationsschneidwerkezug und Verfahren zur maschinellen Bearbeitung so konfiguriert sein können, dass sie für die spezifische Anwendung geeignet sind, und nicht nur auf das Beispiel in den Darstellungen begrenzt sind.
Mit Bezug auf 1–4, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente darstellen, ist ein Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug zum Durchführen eines maschinellen Bearbeitungsvorgangs an einem Werkstück im Allgemeinen bei 10 gezeigt. In einer Ausführungsform ist das Werkstück 60 (5) ein Verbundstoff mit einer oberen Schicht aus CFRP-Material und einer unteren Schicht aus Metallmaterial wie z. B. Titan und dergleichen. Wie hier verwendet, bezieht sich ”oben” auf das durch das Schneidwerkzeug 10 maschinell zu bearbeitende erste Material, und ”unten” bezieht sich auf das durch das Schneidwerkzeug 10 während des maschinellen Bearbeitungsvorgangs maschinell zu bearbeitende zweite Material.
Im Allgemeinen besitzt das Schneidwerkzeug 10 einen Stirnfräsabschnitt 12 an einem Ende 20 des Schneidwerkzeugs 10, um die Schicht aus CFRP-Material unter Verwendung von schraubenlinienförmiger Erweiterung zu bohren und ein Führungsloch in die Metallschicht zu bohren (orbital oder herkömmlich), einen Bohrabschnitt 14 und einen Aufreibabschnitt 16. Das Schneidwerkzeug 10 umfasst auch einen Halsabschnitt 18 zwischen dem Stirnfräsabschnitt 12 und dem Bohrabschnitt 14. Der Zweck des Halsabschnitts 18 besteht darin, Raum für die Spanentfernung zu erzeugen, und ist in der Länge auf zumindest die Dicke der Schicht 62 aus CFRP-Material des Werkstücks 60 (5) bemessen.
Das Schneidwerkzeug 10 umfasst einen Schaft 22 am anderen, entgegengesetzten Ende 24. Das Schneidwerkzeug 10 umfasst auch einen Freiraumhalsabschnitt 26 zwischen dem Bohrabschnitt 14 und dem Schaft 22. Der Zweck des Freiraumhalsabschnitts 26 besteht darin, einen Freiraum des Schneidwerkzeugs 10 während eines maschinellen Bearbeitungsvorgangs zu ermöglichen. Der Freiraumhalsabschnitt 26 befindet sich auch dort, wo die Späne ausgeworfen werden. Der Freiraumhalsabschnitt 26 schafft auch einen Freiraum zum Schneiden mit der hinteren Abschrägung 56 des Aufreibabschnitts 16. Der Freiraumhalsabschnitt 26 ist in der Länge so bemessen, dass er größer ist als die ganze Dicke des Werkstücks 60 (5). Das Schneidwerkzeug 10 umfasst auch eine zentrale Längsachse 28, die sich auf der ganzen Länge des Schneidwerkzeugs 10 erstreckt.
Im Allgemeinen weist der Stirnfräsabschnitt 12 einen Durchmesser 30 auf, der größer ist als ein Durchmesser 32 des Halsabschnitts 18. Der Bohrabschnitt 14 weist einen Durchmesser 34 auf, der geringfügig kleiner als ein Durchmesser 36 des Aufreibabschnitts 16, aber größer als der Durchmesser 30 des Stirnfräsabschnitts 12 und der Durchmesser 32 des Halsabschnitt 18 ist. Der Durchmesser 36 des Aufreibabschnitts 16 des Schneidwerkzeugs 10 ist im Wesentlichen gleich dem Enddurchmesser des durch das Schneidwerkzeug 10 zu bohrenden Lochs 66 (5). Außerdem weist der Freiraumhalsabschnitt 26 einen Durchmesser 38 auf, der kleiner ist als sowohl der Bohrabschnitt 14 als auch der Aufreibabschnitt 16, aber größer als sowohl der Stirnfräsabschnitt 12 als auch der Halsabschnitt 18.
In einem Beispiel einer beispielhaften Ausführungsform des Schneidwerkzeugs 10 weist der Stirnfräsabschnitt 12 einen Durchmesser 30 von ungefähr 0,197 Zoll (5,00 mm) auf, der Halsabschnitt 18 weist einen Durchmesser 32 von ungefähr 0,177 Zoll (4,50 mm) auf, der Bohrabschnitt 14 weist einen Durchmesser 34 von ungefähr 0,307 Zoll (7,80 mm) auf, der Aufreibabschnitt 16 weist einen Durchmesser 36 von ungefähr 0,313 Zoll (7,84 mm) auf und der Freiraumhals 26 weist einen Durchmesser 36 von ungefähr 0,276 Zoll (7,00 mm) auf. In diesem Beispiel weist der Schaft 22 einen Durchmesser 38 von ungefähr 0,384 Zoll (10,00 mm) auf. Es ist zu erkennen, dass die Erfindung nicht durch den spezifischen Durchmesser begrenzt ist und dass die Erfindung in Abhängigkeit von den Konstruktionsparametern des Schneidwerkzeugs 10 ohne irgendeinen wünschenswerten Durchmesser ausgeführt werden kann.
Wie in 2–4 gezeigt, umfassen der Stirnfräsabschnitt 12 und der Halsabschnitt 18 mehrere Spiralschneidnuten 40, die die Schneidkanten des Schneidwerkzeugs 10 bilden. Die Schneidnuten 40 weisen ein C-förmiges Profil auf, um zu bewirken, dass die Späne einwärts in Richtung des Zentrums des Schneidwerkzeugs 10 eingefangen werden. Die Späne bewegen sich dann in Richtung der Hinterseite des Schneidwerkzeugs 10 (in der Richtung des Schafts 22) und werden aus der Hinterseite des Schneidwerkzeugs 10 beseitigt.
In der dargestellten Ausführungsform umfassen der Stirnfräsabschnitt 12 und der Halsabschnitt 18 vier (4) Spiralschneidnuten 40, die in einem Winkel 42 in Bezug auf die Längsachse 28 des Schneidwerkzeugs 10 ausgebildet sind. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung nicht durch die Anzahl von Spiralnuten begrenzt ist und dass die Erfindung mit irgendeiner wünschenswerten Anzahl von Nuten ausgeführt werden kann, wie z. B. zwei (2), sechs (6), acht (8) und dergleichen. In der dargestellten Ausführungsform ist der Winkel 42 ungefähr dreißig (30) Grad.
Der Winkel 42, in dem die vier Nuten 40 ausgebildet sind, ändert sich auf einen anderen Winkel 44 in der Hinterseite des Halsabschnitts 18 in einem vorbestimmten Abstand vom Ende des Schneidwerkzeugs 10. Der Zweck dieser Änderung des Winkels besteht darin, einen verbesserten Spanfluss zu schaffen. In einer Ausführungsform ändern sich die vier Nuten 40 vom Winkel 42 von etwa dreißig (30) Grad auf den Winkel 44 von etwa siebzehn (17) Grad in einem Abstand 43 von etwa 0,335 Zoll (8,51 mm) vom Ende 20 des Schneidwerkzeugs 10. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung nicht durch die Winkel 42, 44 der vier Nuten 40 begrenzt ist und dass die Erfindung in Abhängigkeit von den Abmessungen des Schneidwerkzeugs, dem Typ des maschinell zu bearbeitenden Materials und von anderen Konstruktionsfaktoren mit beliebigen wünschenswerten Winkeln ausgeführt werden kann. Außerdem ist zu erkennen, dass die Erfindung nicht durch den Abstand vom Ende des Schneidwerkzeugs, in dem sich die Winkel 42, 44 der Nuten 40 ändern, begrenzt ist, und dass die Erfindung in Abhängigkeit von den Abmessungen des Schneidwerkzeugs 10 und von anderen Konstruktionsfaktoren mit irgendeinem wünschenswerten Abstand vom Ende des Schneidwerkzeugs 10 ausgeführt werden kann.
Im Bohrabschnitt 14 ändert sich die Gesamtzahl von Schneidnuten 40 von vier (4) Nuten auf zwei (2) Schneidnuten 40 und zwei (2) Nicht-Schneid-Reliefnuten 41. Der Zweck der Verringerung der Anzahl von Schneidnuten 40 im Bohrabschnitt 14 besteht darin, einen dickeren Span für einen realistischeren Bohrvorgang zu erzeugen. Im Betrieb erweitert der Stirnfräsabschnitt 12 schraubenlinienförmig das Werkstück 60 (3) und dann wird das Schneidwerkzeug 10 zentriert, um den Drillbohrzyklus des maschinellen Bearbeitungsvorgangs durchzuführen. Da die vier Schneidnuten 40 des Stirnfräsabschnitts 12 im Vergleich zu den zwei Schneidnuten 40 des Bohrabschnitts 14 relativ klein sind, ist die Vorschublast pro Schneidnut während des Drillbohrzyklus klein und ist zu klein für einen Bohrabschnitt mit vier (4) Schneidnuten. Durch Entfernen von zwei Schneidnuten (Schneidkanten) des Bohrabschnitts 14, wird die Spanlast für die restlichen zwei Schneidnuten 40 erhöht; wodurch eine viel bessere Spanlast für den Drillbohrzyklus des maschinellen Bearbeitungsvorgangs erzeugt wird.
Außerdem ändert sich der Winkel der Schneidnuten 40 im Bohrabschnitt 14 des Schneidwerkzeugs 10 in einem vorbestimmten Durchmesser des Schneidwerkzeugs 10. In der dargestellten Ausführungsform ändern sich die Schneidnuten 40 vom Winkel 44 von etwa siebzehn (17) Grad auf einen anderen Winkel 46 von etwa dreißig (30) Grad in einem Durchmesser 34 von etwa 0,307 Zoll (7,80 mm). Es wird angemerkt, dass der Winkel 46 ungefähr gleich dem Winkel 42 ist, aber der Winkel 46 anders sein kann als der Winkel 42. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung nicht auf einen speziellen Durchmesser begrenzt ist, in dem sich der Winkel der Schneidnuten 40 von einem Winkel zu einem anderen Winkel ändert, und dass die Erfindung mit anderen Durchmessern, in denen sich die Winkel ändern, in Abhängigkeit von den Abmessungen des Schneidwerkzeugs 10 und anderen Konstruktionsfaktoren ausgeführt werden kann.
Der Aufreibabschnitt 16 weist eine andere Anzahl von Schneidnuten 40 als der Bohrabschnitt 14 des Schneidwerkzeugs 10 auf. In der dargestellten Ausführungsform weist der Aufreibabschnitt 16 insgesamt vier (4) Schneidnuten 40 auf, die dieselbe Anzahl von Schneidnuten 40 wie des Stirnfräsabschnitts 12 und des Halsabschnitts 18 des Schneidwerkzeugs 10 ist. Es ist jedoch zu erkennen, dass das Schneidwerkzeug 10 eine andere Anzahl von Schneidnuten 40 im Aufreibabschnitt 16 aufweisen kann als der Stirnfräsabschnitt 12, der Bohrabschnitt 14 und/oder der Halsabschnitt 18 des Schneidwerkzeugs 10. Der Zweck der Erhöhung der Anzahl von Schneidnuten 40 im Aufreibabschnitt 16 besteht darin, die Spanlast zu verringern.
Mit Rückbezug auf 1 umfasst das Schneidwerkzeug 10 eine verjüngte Oberfläche 48 zwischen dem Halsabschnitt 18 und dem Bohrabschnitt 14. Der Zweck der verjüngten Oberfläche 48 besteht darin zu ermöglichen, dass der Bohrabschnitt 14 und der Aufreibabschnitt 16 des Schneidwerkzeugs 10 leicht in die Metallschicht 64 des Werkstücks 60 eintreten, nachdem durch den Stirnfräsabschnitt 12 ein Führungsloch in die Metallschicht 64 gebohrt ist. Außerdem kann die verjüngte Oberfläche 48 zum Entfernen von irgendwelchen Graten vom Loch 66 des Werkstücks 60 (5) in einem schraubenlinienförmigen Erweiterungsvorgang oder einem Kreisvorgang verwendet werden, falls erforderlich. In der dargestellten Ausführungsform ist die verjüngte Oberfläche 48 in einem Winkel 50 von ungefähr einhundertachtzehn (118) Grad ausgebildet. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung nicht durch den Winkel begrenzt ist, in dem die verjüngte Oberfläche 48 ausgebildet ist, und dass die Erfindung mit irgendeinem wünschenswerten Winkel ausgeführt werden kann, der ermöglicht, dass das Schneidwerkzeug leicht zwischen dem Stirnfräsabschnitt 12 und dem Bohrabschnitt 14 des Schneidwerkzeugs 10 übergeht.
Ebenso umfasst das Schneidwerkzeug 10 eine verjüngte Oberfläche 52 zwischen dem Bohrabschnitt 14 und dem Aufreibabschnitt 16. Der Zweck der verjüngten Oberfläche 52 besteht darin zu ermöglichen, dass der Aufreibabschnitt 16 des Schneidwerkzeugs 10 leicht in das Loch 66 im Werkstück 60 (5) am Ende des Drillbohrvorgangs und am Beginn des Aufreibvorgangs eintritt. In der dargestellten Ausführungsform ist die verjüngte Oberfläche 52 in einem Winkel 54 von etwa zwanzig (20) Grad ausgebildet. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung nicht durch den Winkel begrenzt ist, in dem die verjüngte Oberfläche 52 ausgebildet ist, und dass die Erfindung mit irgendeinem wünschenswerten Winkel ausgeführt werden kann, der ermöglicht, dass das Schneidwerkzeug leicht zwischen dem Bohrabschnitt 14 und dem Aufreibabschnitt 16 des Schneidwerkzeugs 10 übergeht.
Außerdem umfasst das Schneidwerkzeug 10 eine verjüngte Oberfläche 56 zwischen dem Aufreibabschnitt 16 und dem Freiraumhalsabschnitt 26. In der dargestellten Ausführungsform ist die verjüngte Oberfläche 56 in einem Winkel 58 von etwa fünfundvierzig (45) Grad ausgebildet. Es ist jedoch zu erkennen, dass die Erfindung nicht durch den Winkel begrenzt ist, in dem die verjüngte Oberfläche 56 ausgebildet ist, und dass die Erfindung mit irgendeinem wünschenswerten Winkel ausgeführt werden kann, der ermöglicht, dass das Schneidwerkzeug leicht zwischen dem Bohrabschnitt 14 und dem Aufreibabschnitt 16 des Schneidwerkzeugs 10 übergeht. Der Zweck der verjüngten Oberfläche 56 besteht darin, ein Ziehen des Schneidwerkzeugs 10 entlang der Innenseite des Lochs 66 im Werkstück 60 (5) während des Aufreibvorgangs zu verhindern. Außerdem kann die verjüngte Oberfläche 56 zum Entfernen von Graten vom Loch 66 im Werkstück 60 in einem schraubenlinienförmigen Erweiterungsvorgang oder einem Kreisvorgang verwendet werden, falls erforderlich. Es sollte beachtet werden, dass die Länge des Aufreibabschnitts 16 mindestens so lang wie die Dicke des maschinell zu bearbeitenden Werkstücks 60 ist.
Mit Bezug auf 5(a)–(f) wird nun ein Verfahren zum maschinellen Bearbeiten eines Verbundwerkstücks 60 mit einer oberen Schicht 62 aus einem CFRP-Material und einer unteren Schicht 64 aus Metallmaterial beschrieben. Es ist zu erkennen, dass das Verbundwerkstück 60, das durch das Schneidwerkzeug 10 maschinell bearbeitet wird, nur für Erläuterungszwecke dient und die Prinzipen der Erfindung auf das maschinelle Bearbeiten von Werkstücken mit einer oder mehreren Materialschichten angewendet werden können, die unterschiedlich sein können oder nicht und verschiedene Materialeigenschaften aufweisen.
In 5(a) wird das Schneidwerkzeug 10 an der gewünschten Stelle angeordnet, um den maschinellen Bearbeitungszyklus zu beginnen. An dieser Stelle wird die zentrale Längsachse 28 des Schneidwerkzeugs 10 im Wesentlichen auf eine zentrale Achse 68 des zu bohrenden Lochs ausgerichtet.
In 5(b) verwendet das Schneidwerkzeug 10 einen Orbitalbohrzyklus (schraubenlinienförmige Erweiterung oder kreisförmig), um das Bohren eines Lochs 66 in die Schicht 62 aus CFRP-Material zu beginnen. An diesem Punkt im maschinellen Bearbeitungszyklus wird die zentrale Längsachse 28 des Schneidwerkzeugs 10 in einer schraubenlinienförmigen oder kreisförmigen Richtung um die zentrale Achse 68 des Lochs 66 bewegt. Mit anderen Worten, die zentrale Längsachse 28 des Schneidwerkzeugs 10 wird in einer schraubenlinienförmigen oder kreisförmigen Bewegung um einen Gesamtabstand 70 um die zentrale Achse 68 des Lochs 66 bewegt. Das Loch 66 kann nur am Eingang den vollen Durchmesser aufweisen oder vollständig auf den vollen Durchmesser fertig gestellt werden oder kann einiges Fertigbearbeitungsmaterial am Innendurchmesser (ID) des Lochs 66 aufweisen. Es ist zu beachten, dass während dieses Zyklus die Entfernung der Schicht 62 aus CFRP-Material unter Verwendung nur des Stirnfräsabschnitts 12 des Schneidwerkzeugs 10 durchgeführt wird und dass der Bohrabschnitt 14 überhaupt nicht verwendet wird. Folglich besteht kein Verschleiß des Bohrabschnitts 14 des Schneidwerkzeugs 10 während dieses Zyklus.
In 5(c) wird das Schneidwerkzeug 10 derart positioniert, dass die zentrale Längsachse 28 des Schneidwerkzeugs 10 im Wesentlichen auf die zentrale Achse 68 des Lochs 66 ausgerichtet ist (d. h. das Schneidwerkzeug 10 weist einen Versatz von null auf), sobald das Schneidwerkzeug 10 die Schicht 62 aus CFRP-Material entfernt hat. Wie zu sehen ist, schafft der Halsabschnitt 18 einen Freiraum zwischen dem Schneidwerkzeug 10 und dem Werkstück 60. An diesem Punkt hat der Orbitalbohrvorgang geendet.
In 5(d) beginnt der Drillbohrvorgang. An diesem Punkt wird das Schneidwerkzeug 10 in der Richtung des Pfeils (in Richtung des Werkstücks 60) bewegt. Es ist zu beachten, dass während des Drillbohrvorgangs der Stirnfräsabschnitt 12 des Schneidwerkzeugs 10 nun als Führungsbohrer oder ”Stufenbohrer” wirkt, um ein Führungsloch für den Bohrabschnitt 14 und den Aufreibabschnitt 16 des Schneidwerkzeugs 10 zu bohren. Die Nuten 40 weisen ein Profil auf, so dass die Späne zurückgehalten werden und in Richtung des Freiraumhalsabschnitts 26 austreten, um eine Beschädigung der Schicht 62 aus CFRP-Material zu verhindern.
In 5(e) hat der Bohrabschnitt 14 des Schneidwerkzeugs 10 fast das ganze Werkstück 60 durchbohrt (d. h. beide Schichten 62, 64) und der Aufreibabschnitt 16 reibt gleichzeitig das Loch 66 auf den fertigen Durchmesser auf, wenn das Schneidwerkzeug 10 weiter in der Richtung des Pfeils (in Richtung des Werkstücks 60) bewegt wird.
In 5(f) hat der Aufreibabschnitt 16 des Schneidwerkzeugs 10 vollständig durch das Werkstück 60 gebohrt und der Drillbohrvorgang ist vollendet. An diesem Punkt kann die verjüngte Oberfläche 56 zwischen dem Aufreibabschnitt 16 und dem Freiraumhalsabschnitt 26 in einem Orbital- oder Rundbohrvorgang verwendet werden, um irgendwelche Grate zu entfernen, die an der Unterseite des Lochs 60 existieren können. Mit anderen Worten, die zentrale Längsachse 28 des Schneidwerkzeugs 10 wird in einer schraubenlinienförmigen oder kreisförmigen Richtung um die zentrale Achse 68 des Lochs 66 bewegt, so dass sie um einen Gesamtabstand 72 versetzt ist. Typischerweise ist der Abstand 72 kleiner als der Abstand 70. Es wird angemerkt, dass der Freiraumhalsabschnitt 26 so bemessen ist, dass er einen angemessenen Freiraum zwischen dem Schneidwerkzeug 10 und dem Werkstück 60 während des Orbitalbohrvorgangs schafft.
In 5(g) wird das Schneidwerkzeug 10 derart positioniert, dass die zentrale Längsachse 28 des Schneidwerkzeugs 10 im Wesentlichen auf die zentrale Achse 68 des Lochs 66 ausgerichtet ist (d. h. das Schneidwerkzeug 10 weist einen Versatz von null auf). Dann wird das Schneidwerkzeug 10 in der Richtung des Pfeils (vom Werkstück 60 weg) bewegt, bis das Schneidwerkzeug 10 vollständig aus dem Werkstück 60 zurückgezogen ist. An diesem Punkt ist der maschinelle Bearbeitungsvorgang vollendet.
Wie vorstehend beschrieben, bietet das Stirnfräs-/Drillbohr-Kombinationsschneidwerkzeug 10 der Erfindung viele deutliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Schneidwerkzeugen. Das Stirnfräsen-Bohren der Schicht 62 aus CFRP-Material mit dem Stirnfräsabschnitt 12 des Schneidwerkzeugs 10 erzeugt das beste Loch im Werkstück 60 und das Drillbohren der Schicht 64 aus Metallmaterial ist das beste Verfahren, da es die Schneidzeit verkürzt, wenn Metallmaterial geschnitten wird. Durch Kombinieren von Stirnfräs- und Drillbohrvorgängen in einem Schneidwerkzeug 10 besteht ein synergistischer Effekt der Verbesserung der Lochqualität und der Genauigkeit in einer schnelleren Betriebszykluszeit im Vergleich zur Verwendung von separaten Stirnfräs-Bohr- und Drillbohrzyklen mit zwei verschiedenen Schneidwerkzeugen. Das Schneiden der Schicht 62 aus CFRP-Material vor dem Drillbohrzyklus schafft außerdem die unerwarteten Ergebnisse der Verlängerung der Lebensdauer der Nuten 40, die die Schneidkanten des Bohrabschnitts 14 des Schneidwerkzeugs 10 bilden. Ferner wirkt sich der Verschleiß der Stirnfräsabschnitts 12 nicht auf die endgültige Lochgröße der Schicht 64 aus Metallmaterial aus. Der Verschleiß des Stirnfräsabschnitts 12 kann durch Einstellen des Stirnfräsversatzes kompensiert werden, um den gewünschten Durchmesser des Lochs in der Schicht 62 aus CFRP-Material aufrechtzuerhalten. Schließlich können irgendwelche Grate im Werkstück 60 beim Austritt des Schneidwerkzeugs 10 aus dem Werkstück 60 leicht entfernt werden, falls erforderlich.
Die Patente und Veröffentlichungen, auf die hier Bezug genommen wird, werden hiermit durch den Hinweis aufgenommen.
Nachdem derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurden, kann die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche anders verkörpert werden.

Claims

Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug, das Folgendes umfasst: einen Stirnfräsabschnitt; einen Aufreibabschnitt; und einen Bohrabschnitt zwischen dem Stirnfräsabschnitt und dem Aufreibabschnitt.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Stirnfräsabschnitt einen ersten Durchmesser aufweist, der Bohrabschnitt einen zweiten Durchmesser aufweist, der größer ist als der erste Durchmesser, und der Aufreibabschnitt einen dritten Durchmesser aufweist, der größer ist als der zweite Durchmesser.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 1, das ferner einen Halsabschnitt zwischen dem Stirnfräsabschnitt und dem Bohrabschnitt und einen Freiraumhalsabschnitt zwischen dem Aufreibabschnitt und einem Schaft umfasst.
Kombinationsschneiden nach Anspruch 3, wobei der Halsabschnitt einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als ein Durchmesser des Freiraumhalsabschnitts.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 3, das ferner eine verjüngte Oberfläche zwischen dem Halsabschnitt und dem Bohrabschnitt und eine verjüngte Oberfläche zwischen dem Aufreibabschnitt und dem Freiraumhalsabschnitt umfasst.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 1, das ferner eine verjüngte Oberfläche zwischen dem Bohrabschnitt und dem Aufreibabschnitt umfasst.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Stirnfräsabschnitt, der Bohrabschnitt und der Aufreibabschnitt mehrere Spiralschneidnuten umfassen.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 7, wobei die mehreren Schneidnuten im Stirnfräsabschnitt in einem ersten Winkel in Bezug auf eine Längsachse des Schneidwerkzeugs ausgebildet sind.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 8, wobei die mehreren Schneidnuten im Halsabschnitt in einem zweiten Winkel in Bezug auf die Längsachse des Schneidwerkzeugs in einem Abstand von einem Ende des Schneidwerkzeugs ausgebildet sind.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 9, wobei die mehreren Nuten im Bohrabschnitt in einem dritten Winkel in Bezug auf die Längsachse des Schneidwerkzeugs in einem vorbestimmten Durchmesser des Bohrabschnitts ausgebildet sind.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 10, wobei der erste Winkel im Wesentlichen gleich dem dritten Winkel ist.
Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeug, das Folgendes umfasst: einen Stirnfräsabschnitt; einen Bohrabschnitt; einen Aufreibabschnitt; einen Halsabschnitt zwischen dem Stirnfräsabschnitt und dem Bohrabschnitt; einen Schaft; und einen Freiraumhalsabschnitt zwischen dem Aufreibabschnitt und dem Schaft, wobei der Stirnfräsabschnitt einen ersten Durchmesser aufweist, der Halsabschnitt einen zweiten Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der erste Durchmesser, der Bohrabschnitt einen dritten Durchmesser aufweist, der größer als sowohl der erste als auch der zweite Durchmesser ist, der Aufreibabschnitt einen vierten Durchmesser aufweist, der größer als der erste, der zweite und der dritte Durchmesser ist, und der Freiraumhalsabschnitt einen fünften Durchmesser aufweist, der kleiner als der dritte und der vierte Durchmesser und größer als der erste und der zweite Durchmesser ist.
Kombinationsschneidwerkzeug nach Anspruch 12, wobei der Stirnfräsabschnitt, der Bohrabschnitt und der Aufreibabschnitt mehrere Spiralschneidnuten umfassen.
Verfahren zum maschinellen Bearbeiten eines Werkstücks unter Verwendung eines Stirnfräs-/Bohr-/Aufreib-Kombinationsschneidwerkzeugs mit einem Stirnfräsabschnitt, einem Bohrabschnitt und einem Aufreibabschnitt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Positionieren des Schneidwerkzeugs in Bezug auf das Werkstück, um einen maschinellen Bearbeitungszyklus zu beginnen; Bohren eines Lochs in eine erste Materialschicht mit dem Stirnfräsabschnitt des Schneidwerkzeugs unter Verwendung eines Orbitalbohrvorgangs; Positionieren des Schneidwerkzeugs derart, dass eine Längsachse des Schneidwerkzeugs im Wesentlichen auf eine Achse des Lochs ausgerichtet ist; Bohren des Lochs in eine zweite Materialschicht mit dem Bohrabschnitt des Schneidwerkzeugs unter Verwendung eines Drillbohrvorgangs; und Aufreiben des Lochs mit dem Aufreibabschnitt des Schneidwerkzeugs unter Verwendung des Drillbohrvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner den Schritt des Entfernens von Graten vom Loch unter Verwendung einer verjüngten Oberfläche unter Verwendung eines Bohrvorgangs mit schraubenlinienförmiger Erweiterung oder eines Rundbohrvorgangs umfasst.