-
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.