DE19824212B4 - Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser - Google Patents

Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser Download PDF

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Abstract

Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser mit
einem im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich (1), der mit einer Mehrzahl von Schneiden (4, 4) versehen ist, und
einem Werkzeugkörper (2) mit einem zylindrischen Umfangsbereich (2'),
wobei die Schneiden (4, 4) von vom gesehen von einem Schneidenende zum anderen eine symmetrische, im wesentlichen S-geformte Form bilden, der Werkzeugkörper (2) mit dem Kugelschneidkopfbereich (1) einstückig ausgebildet ist und der Umfangsbereich (2') an dem hinteren Ende mit einem Schaft (3) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Umfangsbereich (2') umfangsschneidefrei ist und die Schneiden (4, 4) und die jeweils zugehörigen Freiflächen (15) nur in dem halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich (1) ausgebildet sind und sich von der Spitze des halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereiches (1) bis höchstens an eine Grenze (5) eines Überganges von dem halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich (1) zu dem Werkzeugkörper (2) erstrecken.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Ein herkömmlicher Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser (solid cemented carbide ball nose end mill) umfaßt einen im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich, der Schneiden auf dem oberen Ende desselben aufweist und einen Werkzeugkörper, der einen zylindrischen Umfangsbereich mit Umfangsschneiden aufweist, die sich von den Schneiden erstrecken und einen zylindrischen oder konischen Schaft an dem hinteren Ende desselben, wie in EP 0 591 122 A1 offenbart ist. Um das obere Ende herum sind zwei oder vier Schneiden, von denen jede einen positiven Spanwinkel aufweist, gesehen von dem oberen Ende symmetrisch positioniert, und die Schneiden erstrecken sich über den zylindrischen Umfangsbereich, wobei sie Umfangsschneiden bilden, die das 0,5 bis 3fache der Länge des Außendurchmessers des Schaftfräsers aufweisen. In den meisten Fällen ist jede Fläche der Schneiden mit einem Hartmaterial beschichtet. Ein solcher Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser wird häufig für eine dreidimensionale Bearbeitung einer Metallgußform verwendet, welche eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Schnittbelastung erfordert.
  • Eine Metallgußform und dergleichen besteht jedoch im allgemeinen aus einem schwierig zu bearbeitenden Material, wie einem abgeschreckten oder gehärteten Material. Entspre-chenderweise trat im Falle einer hocheffizienten Bearbeitung und bei einer höheren Geschwindigkeit und einer höheren Schnittbelastung Schwierigkeiten auf, wie z.B. das Ausbrechen (chipping) der Schneiden und eine schlechte Schnittgenauigkeit.
  • Aus der JP 10133810 A ist ein Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser bekannt, wobei die Schneidenabschnitte eine S-Form aufweisen, und wobei sich jeweils der S-förmige Schneidabschnitt von der Spitze des halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereiches bis zu dem Schaftabschnitt des Fräsers erstreckt.
  • Aus dem Katalog der Firma Wilhem Fette GmbH, 1996–1997, Seite 202, sind Kugelschneidkopfschaftfräser mit verschiedenen Dimensionierungen gezeigt, wobei die Länge der Schneiden des Fräsers länger als der Radius bzw. der Durchmesser des halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereiches ist.
  • Die Veröffentlichung von Degner, Lutze, Smejkal, „Spanende Formung" zeigt die technische Grundlage der spanenden Formung bzw. Erläuterungen betreffend der Auslegung der verschiedenen Winkel und der Schneiden für Kugelschneidkopfschaftfräser.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser der genannten Art zu schaffen, der die Fähigkeit aufweist, eine leistungsfähigere Schnittleistung zu realisieren und außerdem eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Schnittbelastung eines abgeschreckten oder gehärteten Materials auszuführen, das als ein schwierig zu bearbeitendes Material bekannt ist.
  • Hinsichtlich der Ergebnisse der Untersuchung des Anmelders erkannte dieser, daß die äußersten Grenzen der Umfangsschneiden, die sich über den zylindrischen Umfangsbereich des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers erstrecken, so lang sind, daß sie keine Festigkeit besitzen, und außerdem neigt jede der Schneiden zum Ausbrechen wegen deren positiven Spanwinkels, wobei diese, einzeln oder in Verbin-dung miteinander, eine Unzulänglichkeit der Schnittgenauigkeit bewirken und ein Ausbrechen der Schneiden bewirken. Schenkt man zusätzlich der Tatsache Beachtung, daß die Umfangsschneiden des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers stark belastet bei einer dreidimensionalen Bearbeitung einer Metallgußform usw. verwendet werden, erkannte der Anmelder, daß die Festigkeit einer Schneide stark verbessert wird, wenn die Länge jeder äußersten Grenze der Umfangsschneide in einer Weise verkürzt wird, daß sie vollständig zurückgezogen ist.
  • Basierend auf dieser Untersuchung des Anmelders wurden die obigen Probleme des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers durch Schaffung eines Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräsers gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst, welcher einen im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich umfaßt, der mit einer Mehrzahl von Schneiden versehen ist, die eine im Wesentlichen S-förmige symmetrische Konfiguration, gesehen von dem Schneidenende, bilden und einen Werkzeugkörper bilden, der mit dem Kugelschneidkopfbereich einstückig ausgebildet ist und einen zylindrischen Umfangsbereich aufweist, der ohne Umfangsschneide vorgesehen ist und mit einem Schaft an dem hinteren Ende desselben versehen ist, und wobei die Schneiden des Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräsers, die sich von dem Schneidenende des Kugelschneidkopfbereiches zu den entsprechenden Endstücken erstrecken, die höchstens bis zur Grenze zwischen dem Kugelschneidkopfbereich und dem Werkzeugkörper positioniert sind, nur in dem Kugelschneidkopfbereich ausgebildet sind. Eine Länge der Schneiden wird so bestimmt, daß sie eine genügend große Länge aufweisen, die zum Bearbeiten einer Metallgußformfläche erforderlich ist.
  • Da durch eine solche Anordnung die Schneiden in dem Kugelschneidkopfbereich angeordnet sind, welche sich von dem Schneidenende derselben höchstens bis zur Grenze zwischen dem Kugelschneidkopfbereich und dem Werkzeugkörper erstrecken, kann die vorliegende Erfindung einen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser schaffen, bei welchem die Festigkeit der Schneiden stark verbessert wird durch Verkürzen jeder Länge der Schneiden, und wobei außerdem ein Ausbrechen, welches durch das Fehlen der Festigkeit bewirkt wird, und eine Verminderung der Schnittgenauigkeit verhindert wird, wodurch eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Schnittbelastung verwirk-licht werden kann, auch wenn ein abgeschrecktes oder gehärtetes Material, das als ein schwierig zu bearbeitendes Material bekannt ist, bearbeitet wird.
  • Wenn zusätzlich jede Schneide mit einem positiven Spanwinkel versehen ist, ist dieser für ein Ausbrechen anfällig, wodurch dadurch die Lebensdauer des Werkzeuges vermindert wird, und wenn jede Schneide einen negativen Spanwinkel von weniger als –10° hat, schwächt dies eine Schnittschärfe und vermindert eine Schnittwirkung, weshalb der Spanwinkel bevorzugterweise 0° bis –10° beträgt. Wenn außerdem ein Freiwinkel jeder Schneide weniger als 6° beträgt, wird die Lebensdauer des Werkzeuges verkürzt, und wenn der Freiwinkel erhöht wird, wird dessen Schnittschärfe (cutting sharpness) verbessert, wenn jedoch der Freiwinkel über 16° wird, wird leicht ein Ausbrechen der Schneide verursacht. Daher verhindert bevorzugterweise ein Freiwinkel zwischen 6° und 16° ein Ausbrechen und verwirklicht ein hochwirksames Schneiden. Dabei werden Spanwinkel und Freiwinkel in dem Abschnitt der Schneide (3B) entlang der Linie (B-B Linie in 3A, Bezugszeichen 21) gemessen, welcher durch die Mitte des Kugelschneidkopfbereiches in einem Winkel von 45° durch eine Körperachse hindurchtritt.
  • Aus dem gleichen Grund wird noch bevorzugter ein Winkel an der Schneide, der gleichermaßen gemessen wird, zwischen 80° und 90° (Bezugszeichen 16 in 3B) gesetzt. Wenn ein Winkel zwischen dem oberen Ende des Kugelschneidkopfbereiches und der Grenze, die den Kugelschneidkopfbereich und den Werkzeugkörper trennt, auf einen Winkel von 90° gesetzt wird, welcher zwischen zwei Linien gemessen wird, von denen jede durch die Mitte des Kugelschneidkopfbereiches hindurchtritt, fällt bevorzug-terweise ein Endstück oder eine äußerste Grenzposition der Schneide in den Bereich von 80° und 90°.
  • Ferner ist jede Schneide bevorzugterweise mit einer Schicht aus einer auf Titan-Aluminium-Nitrid basierenden Hartmaterialschicht (titaninm-aluminium nitride based material film) beschichtet, wodurch die Wärmebeständigkeit und Schweißbeständigkeit erhöht werden und ein wirksamerer Schneidvorgang ermöglicht wird. Ferner ist ein Bereich für die Schneiden und für eine Oberflächenbeschichtung innerhalb eines oberen Bereiches, nämlich des Endkugelschneidkopfbereiches, begrenzt, wobei der Kugelschneidkopfschaftfräser der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu den verbesserten Schneideigenschaften, die Vorteile aufweist, daß sie einen preiswerteren Kugelschneidkopfschaftfräser schaffen kann und daß das Weglassen der herkömmlichen Umfangsschneiden ein Neuschärfen der Schneiden leichter macht. Da andererseits das Schneiden eines härteren Materials von einer höheren Temperatur begleitet wird, ist eine auf Titan-Kohlenstoff-Nitrid (TiCN) basierende Hartmaterialschicht in der Wärmebeständigkeit und der Schweißbeständigkeit geringer, so daß es bevorzugterweise durch eine solche Oberflächenbehandlung ersetzt wird, bei der eine auf einem Titan-Aluminium-Nitrid (TiAlN) basierende Hartmaterialschicht verwendet wird.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der anhängigen Patentansprüche. Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 eine Seitenansicht, die einen zweinutigen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform,
  • 2A eine vergrößerte Draufsicht, die einen oberen Endbereich gesehen in Richtung des Pfeils A in 1 darstellt,
  • 2B eine vergrößerte Vorderansicht, die den oberen Endbereich gesehen in Richtung des Pfeils C in 2A darstellt,
  • 3 eine vergrößerte Seitenansicht, die den oberen Endbereich von 1 zeigt,
  • 3B eine vergrößerte Teilschnittansicht, die einen Abschnitt der Schneiden darstellt, der entlang der Linie 21 (B-B Linie in 3A) verläuft, welche durch die Mitte des Kugelschneidkopfbereiches hindurchtritt und in einem Winkel von 45° zu einer Körperachse 10 positioniert ist,
  • 4A einen Graph, der die Vergleichsergebnisse zwischen einem Kugelschneidkopfschaftfräser der vorliegenden Lehre und einem herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräser zeigt, und
  • 4B eine Perspektivansicht, die das Profilschneiden darstellt, das in 4A gezeigt ist.
  • Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wird eine detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform nachstehend gegeben. Wie in einer Seitenansicht von 1 dargestellt ist, die eine bevorzugte Ausführungsform eines zweinutigen (twoflute) Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräsers zeigt, umfaßt der vorliegende Schaftfräser einen im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich 1 und einen zylindrischen Werkzeugkörper 2, der mit dem Kugelschneidkopfbereich einstückig ausgebildet ist und sowohl einen zylindrischen Umfangsbereich 2', der ohne Umfangsschneide vorgesehen ist, als auch einen Schaft 3 an dem hinteren Bereich desselben aufweist. Wie aus 2B zu ersehen ist, erstrecken sich zwei Schneiden (cutting edges) 4, 4, die auf dem im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich 1 ausgebildet sind, von der Spitze der Körperachse 10 zu der Grenze 5 zwischen dem Kugelschneidkopfbereich 1 und dem Werkzeugkörper 2 über den Winkelbereich von 90° und sind nicht auf einem anderen Bereich ausgebildet, wobei demzufolge keine der Umfangsschneiden sich weiter als die Grenze 5 erstreckt.
  • Mit anderen Worten, da in 1 der Außendurchmesser 6 des Kugelschneidkopfbereiches 1 und der Außendurchmesser 7 des zylindrischen Bereiches 2' des Werkzeugkörpers 2 gleich sind, sind die Schneiden nur auf dem halbkugelförmigen Bereich ausgebildet. Demzufolge kann eine Länge 9 (2A) der Schneid-Spannuten 8, 8, die erforderlich sind, um die Schneiden 4, 4 zu bilden, sehr stark verkürzt werden, wodurch ein Beitrag zur Erhöhung der Festigkeit des Schaftfräsers erfolgt.
  • Wie in 2B gezeigt ist, sind die Schneiden 4, 4 so ausgebildet, daß sie von dem oberen Ende derselben gesehen symmetrisch S-geformt sind. Jede der Schneiden 4, 4 hat einen sich stetig verändernden Spiralwinkel (helix angle) der in Kontakt mit der S-geformten Schneide ist. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Spanfläche und das Bezugszeichen 15 eine Freifläche, wie in einer Teilschnittansicht von 3B dargestellt verläuft, die einen Schnitt zeigt, der entlang der B-B-Linie 21 der Schneide 4 von 3A ist und in einer Seitenansicht 3A gezeigt ist, die das obere Ende von 1 vergrößert. Wie in 3B dargestellt ist, ist ein Spanwinkel 12 und ein Freiwinkel 13 jeweils in der Schnittansicht entlang der Linie (B-B-Linie in 3A, Bezugszeichen 21) gemessen, welcher durch die Mitte 20 des Kugelschneidkopfbereiches in einem Winkel von 45° zu einer Körperachse 10 hindurchtritt. In dieser Ausführungsform sind jeweils der Spanwinkel 12 auf –10°, der Freiwinkel 13 auf 12° und der Winkel 16 an der Schneide auf 88° festgelegt. Bevorzugterweise ist jeweils der Spanwinkel 12 zwischen 0° und –10°, der Freiwinkel 13 zwischen 6° und 16° und der Winkel 16 an der Schneide zwischen 80° und 90° festgelegt. Der Bereich 17 (1), welcher sich von dem Kugelschneidkopf-bereich 1 zu dem Werkzeugkörper 2 über die Grenze 5 hinaus erstreckt, ist teilweise mit einer auf Titan-Aluminium-Nitrid basierenden Hartmaterialschicht beschichtet, d.h., zu-mindest die Schneiden 4, 4 sind damit vollständig beschichtet.
  • BEISPIEL
  • Eine Schnellendbearbeitung (fast finish machining), die unter Verwendung eines zweinutigen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräsers entsprechend der vorliegenden Lehre und eines herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers ausgeführt wird, werden für einen Vergleichstest ausgeführt. Für diesen Test sind die Schneiden des Kugelschneidkopfschaftfräsers der vorliegenden Lehre mit dem Spanwinkel 12 von –10°, dem Freiwinkel 13 mit 12° und dem Winkel 16 des Werkzeuges auf 88° festgelegt, wobei der Au ßendurchmesser der Schneiden 10 mm beträgt und die Schneiden mit einer auf Titan-Aluminium-Nitrid basierenden Hartmaterialschicht beschichtet sind. Der herkömmliche Kugelschneidkopfschaftfräser zum Vergleich ist ein zweinutiger Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser, bei dem sich die Schneiden bis zu dem zylindrischen Umfangsbereich erstrecken, um Umfangsschneiden zu bilden, und der gesamte Kugelschneidkopfbereich, die Schneiden und die Umfangsschneide sind mit einer auf Titan-Kohlenstoff-Nitrid (TiCN) basierenden Hartmaterialschicht beschichtet, wobei jeweils der Spanwinkel auf 6°, der Freiwinkel auf 14° und der Winkel des Werkzeuges auf 70° festgelegt ist, wobei der Außendurchmesser der Schneide 10 mm beträgt.
  • Entsprechend des verwendeten Verfahrens für den Test ist jeder der Kugelschneidkopfchaftfräser der vorliegenden Lehre und des herkömmlichen Typs an einem Vertikalbearbeitungszentrum angebracht, und das abgeschrägte härtere Material SKD11 (60HRC) wird einem Schneiden unter Verwendung eines Emulsions-Schneidöls folgenden Bedingungen unterworfen: Anzahl der Umdrehungen 12.000 Umdrehungen pro Minute; Vorschubwert 2.400 mm/min.; Schnittiefe in der Axialrichtung aa = 0,15 mm; schrittweiser Vorschub Pf = 0,3 mm und Profilschneiden (contour cutting) mit einem Abwärtsschnitt von 30° (um eine Werkstofffläche mit einem Neigungswinkel von 30° zur Schaftfräserachse in Querrichtung der Fläche zu schneiden). Dieses Profilschneiden ist in 4B dargestellt.
  • Die Ergebnisse sind in 4A gezeigt. Der Freiflächenverschleiß (flank wear) der Freifläche 15 der Schneiden 4 des Kugelschneidkopfbereiches 1 wird in Übereinstimmung mit der Schnittlänge (m) gemessen. Wie aus 4A unter Bezugnahme auf die Schnittlänge 20m zu sehen ist, ist der Freiflächenverschleiß der Freifläche des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers 280 m, und im Falle der vorliegenden Lehre sind 170 m angegeben, welches um ca. 40 % im Vergleich mit dem herkömmlichen Schaftfräser vermindert ist. Außerdem trat bei dem herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräser ein Ausbrechen auf, wobei aber kein Ausbrechen bei dem Kugelschneidkopfschaftfräser der vorliegenden Lehre auftrat, so daß daher bei dem letztgenannten Schaftfräser eine längere Werkzeuglebensdauer erwartet wird.
  • Die obige Ausführungsform bezieht sich auf einen zweinutigen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser, es ist jedoch ersichtlich, daß die vorliegende Lehre auch auf einen viernutigen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser anwendbar ist.

Claims (3)

  1. Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser mit einem im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich (1), der mit einer Mehrzahl von Schneiden (4, 4) versehen ist, und einem Werkzeugkörper (2) mit einem zylindrischen Umfangsbereich (2'), wobei die Schneiden (4, 4) von vom gesehen von einem Schneidenende zum anderen eine symmetrische, im wesentlichen S-geformte Form bilden, der Werkzeugkörper (2) mit dem Kugelschneidkopfbereich (1) einstückig ausgebildet ist und der Umfangsbereich (2') an dem hinteren Ende mit einem Schaft (3) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsbereich (2') umfangsschneidefrei ist und die Schneiden (4, 4) und die jeweils zugehörigen Freiflächen (15) nur in dem halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich (1) ausgebildet sind und sich von der Spitze des halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereiches (1) bis höchstens an eine Grenze (5) eines Überganges von dem halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich (1) zu dem Werkzeugkörper (2) erstrecken.
  2. Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spanwinkel (12) der Schneiden (4, 4) in einem Bereich zwischen 0° und –10° liegt, und daß ein Freiwinkel (13) der Schneiden (4, 4) in einem Bereich zwischen 6° und 16° liegt, wobei jeder in einem Schnitt entlang einer Linie (21) gemessen ist, der durch eine Mitte (20) des Kugelschneidkopfbereiches (1) in einem Winkel von 45° zu einer Körperachse (10) hindurchtritt.
  3. Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiden (4, 4) mit einer auf Titan-Aluminium-Nitrid basierenden Materialschicht beschichtet sind.
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