DE20023770U1

DE20023770U1 - Fräser

Info

Publication number: DE20023770U1
Application number: DE20023770U
Authority: DE
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2010-06-30
Also published as: JP2001054812A; AT9433U1; JP4975207B2; US6742968B1; PT10121U; IL131119A0; EP1072345A3; PT10121T; EP1072345A2

Abstract

Drehbarer, mehrzahniger Schaftfräser, bei dem sich die Gesamtquerschnittsfläche des Fräsermaterials allmählich vom Schneidende zum Fräserschaft vergrößert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fräser.
Insbesondere stellt die Erfindung neue Formen für Kerne von Schaftfräsern bereit, um ein Werkzeug mit verbesserter Steifigkeit und vielseitigeren Anwendungen zu schaffen.
Fräser sind zylindrische, konische oder scheibenförmige drehbare Werkzeuge mit mehreren Schneidkanten. Solche Fräser sind in vielen Formen erhältlich, z.B. als ebene zylindrische Scheibenfräser, Stirn- und Schaftfräser, Formfräser und normal und speziell geformte Profilfräser. Hochgeschwindigkeitsstahlfräser werden für kurze Arbeitsläufe benutzt; eingesetzte Hartmetallschneidkanten werden häufig für lange Läufe benutzt.
Der Schaftfräser ist ein einfacher, oft zylinderförmiger Fräser, bei dem ein Ende der Umfangsoberfläche spiralförmige Schneidzähne hat und das andere Ende unbearbeitet ist, um als Schaft zu dienen, außer wenn der Fräser doppelendig ist; in diesem Fall wird der Mittelabschnitt von der Maschine gespannt. Zähne sind auch an der zylindrischen Endfläche vorgesehen. Fräser mit vier Hohlkehlen sind wahrscheinlich am gewöhnlichsten, aber zwei, drei oder sechs Hohlkehlen werden auch umfassend benutzt. Schaftfräser werden am meisten benutzt, weil sie viele Arten von Schneidarbeiten durchführen können und der Einkaufspreis des Fräsers gering ist. Auch werden Formen benutzt, die von der zylindrischen Form abweichen. Der Schaft kann parallel oder zulaufend sein und muß nicht notwendigerweise den gleichen Durchmesser wie die Schneidzähne zu haben.
Es wurde viel geforscht, um das größtmögliche Volumen an Metallabtrag bezüglich einer gewählten Schneidgeschwindigkeit vor dem Werkzeugversagen zu bestimmen. Es sind jedoch so viele Faktoren beteiligt – z.B. die Einschätzung der Werkstückzerspanbarkeit, die selbst eine Funktion sowohl der Materialart als auch der thermische Behandlung ist, die Zahnform, die Fräsergröße, die Anzahl der Zähne und das Schneidenmaterial, die Kraft der Werkzeugmaschine, die am Fräser verfügbar ist, und die Steifigkeit der Werkzeugmaschine und des Fräsers, die Kühlmittelart und die Fließgeschwindigkeit, die erforderliche Oberflächengüte, die gewählte Vorschubgeschwindigkeit und die Tiefe und Breite des Schnitts –, so daß Ergebnisse, die für eine Anwendung veröffentlicht sind, schwierig mit anderen Anwendungen in Zusammenhang zu bringen sind, sogar wenn die Art der Tätigkeit, z.B. Stirnfräsen, dieselbe ist.
In den US-Patenten 5,779,399 von Kuberski und 5,810,517 von Bostic können neuere Beispiele von versuchten Verbesserungen im Fräsen, insbesondere Schaftfräsen, gefunden werden. Diese Dokumente beziehen sich auf viele frühere Gestaltungen.
In der Gestaltung eines Schaftfräsers muß der Gesamtdurchmesser zwischen der Zahntiefe auf beiden Seiten des Kerns und dem bleibenden Kerndurchmesser verteilt werden. Ein großer Kerndurchmesser stellt vorteilhaft ein steifes Werkzeug bereit. Eine ausgedehnte Zahntiefe beeinflußt jedoch einen Spandurchlaß günstig und verbessert den Schmiermittelzugang zu den Schneidkanten. Ein geeignetes Gleichgewicht zwischen diesen sich widersprechenden Anforderungen muß zweifellos gefunden werden, vorzugsweise auf der Basis der erwarteten Verwendung des Werkzeugs. Die vorliegenden Erfinder legen die folgenden Verhältnisse als die besten für entsprechende Fräsarbeiten dar:
Die obige Tabelle zeigt, daß bei einem Wechsel der ausgeführten Frästätigkeit, z.B. wenn ein Werkstück geschlitzt werden soll, nachdem seine Seiten feinbearbeitet wurden, auch der Fräser gewechselt werden sollte. Diese Situation verschwendet nicht nur Zeit in der Maschinenwerkstatt, sondern es muß auch ein großer Bestand von verschiedenen Schaftfräsern verfügbar sein, wenn maximale Bearbeitungsergebnisse erzielt werden sollen.
Gewöhnlich wird die Bearbeitungskraft gegen eine Kante des Fräsers ausgeübt, wenn ein Schaftfräser in Betrieb ist. Das resultierende Moment wird vom Werkzeughalter aufgenommen, der den Fräserschaft stabil hält. Die Tatsache außer acht lassend, daß die Richtung des Moments sich immer wieder ändert, wenn das Fräser rotiert, kann das Fräser als Ausleger betrachtet werden, der belastet wird. Zur Vereinfachung kann die Belastung als Punktlast angesehen werden. Die Biegespannung des Auslegers ist: W/Z (I – x),wobei

W: = Belastung
Z: = Widerstandsmoment
I: = Abstand zwischen dem Klemmende des Werkzeughalters und der Belastung, und
x: = Abstand zwischen dem Klemmende des Werkzeughalters und dem Punkt, an dem die Spannung gemessen werden soll.

Zweifellos vergrößert sich das Biegemoment exponentiell, wenn sich x vergrößert. Ein konstanter Kerndurchmesser, der im Stand der Technik bei Schaftfräsern vorherrscht, ist deswegen nicht der beste Weg, den bei der Gestaltung eines Schaftfräsers begrenzt vorhandenen Platz zu belegen.
Zwei Anmerkungen müssen den obigen Bemerkungen hinzugefügt werden.

1. Die tatsächliche Spannung an jedem Balken beinhaltet auch Scherspannung; da aber die Scherspannung über den betrachteten Balkenabschnitt konstant ist, ist sie hier vernachlässigt.
2. Der Fräserquerschnitt – und folglich Z – ist nicht konstant, da er durch die Hohlkehlen des Zahns reduziert ist und entlang des Schaftes vollständig ist. Die Hohlkehlen des Zahns enden in einer Schräge oder Krümmung, um eine Spannungskonzentration zu verhindern.

Während die oben diskutierte Sache der Spannung sich auf zu vermeidende Werkzeugbruchstellen bezieht, ist es nicht weniger wichtig, die Werkzeugauslenkung zu minimieren, um Genauigkeit und Oberflächengüte zu verbessern und Vibration und Lärm zu reduzieren. Ein konstanter Kerndurchmesser läuft auf mehr Werkzeugauslenkung als notwendig heraus, weil das hohe Biegemoment in der Nähe des Werkzeughalters und auch in der Nähe der Enden der Hohlkehlen des Zahnes, die dem Fräserschaft am nächsten sind, eine Durchbiegung des Fräsers, resultierend aus den Bearbeitungskräften, zur Folge hat. Die resultierende Fräserauslenkung an der Schneidkante würde reduziert werden, wenn der den Fräserkern beinhaltende Werkzeugstahl besser verteilt werden würde, d.h. mehr Metall den Abschnitten zugeteilt werden würde, die unter größerer Spannung stehen auf Kosten des weniger belasteten gezahnten Endes des Fräsers.
Es ist deshalb eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, den Nachteilen von Schaftfräsern aus dem Stand der Technik vorzubeugen und einen Fräser bereitzustellen, das eine verbesserte Steifigkeit bietet und gleichzeitig noch eine angemessene Zahntiefe für einen Spandurchlaß erlaubt.
Die vorliegende Erfindung schafft die oben genannte Aufgabe durch Bereitstellen eines drehbaren, mehrzahnigen Schaftfräsers, bei dem die Gesamtquerschnittsfläche des Fräsermaterials sich allmählich vom Schneidende zum Fräserschaft vergrößert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Schaftfräser bereitgestellt, bei dem sich in einem Mittelquerschnitt über die Länge des Fräsers der Fräserkern allmählich im Durchmesser vom Schneidende zum Fräserschaft vergrößert.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Fräser bereitgestellt, bei dem sich eine Zahnbreite allmählich vom Schneidende zum Fräserschaft vergrößert.
Weitere Ausführungen der Erfindung werden noch im folgenden beschrieben.
Im US-Patent 5,452,971 von Nevills ist ein drehbarer Schaftfräser von großer Komplexität beschrieben und beansprucht, wobei einer seiner vielen speziellen Merkmale „eine sich verjüngende Restkernfläche" ist. Das Werkzeug ist jedoch ein Bohrer, wie aus der Beschreibung und den graphischen Darstellungen ersichtlich ist. Insbesondere ist die Kernfläche viel schmaler als die, die an Schaftfräsern gefunden wird, und das Ende des Werkzeugs ist geformt, um in das Werkstück zur Herstellung oder Vergrößerung eines Loches durch axialen Druck einzudringen.
Im Gegensatz dazu betrifft die vorliegende Erfindung Schaftfräser, die einen beträchtlichen Kern haben und Seitenzähne, die für die Bearbeitung von flachen oder gekrümmten Oberflächen geeignet sind.
Somit ist klar zu erkennen, daß der neue Schaftfräser der vorliegenden Erfindung dazu dient, eine ausreichende Steifigkeit bereitzustellen, eine Schlitz-, Oberflächenroh- und Feinbearbeitung zu erlauben, ohne daß das Fräser gewechselt werden muß. Folglich schafft das Fräser eine bessere Oberflächenqualität, ist resistenter gegen Bruch und neigt weniger zur Erzeugung von Vibration und Lärm. Gleichzeitig wird eine ausreichende Zahntiefe an den Stellen bereitgestellt, an denen sie am meisten gebraucht wird, nämlich in der Nähe des Schneidendes des Fräsers, um einem Kühlmittel einen Zugang zum Schneidbereich zu erlauben und die erzeugten Späne zu beseitigen.
Die Erfindung wird nun ferner mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die beispielhaft bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Bauliche Details sind nur soweit gezeigt, wie sie für ein grundlegendes Verständnis derselben notwendig sind. Die beschriebenen Beispiele zusammen mit den Zeichnungen machen einem Fachmann klar, wie weitere Gestaltungen der Erfindungen verwirklicht werden könnten.
In den Zeichnungen:
1 ist eine teilweise geschnittene Aufrißansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaftfräsers;
die 2 und 3 sind ebenfalls teilweise geschnittene Aufrißansichten weiterer Ausführungsformen;
4 ist eine Aufrißansicht einer Ausführungsform mit sich vergrößernder Breite der Zähne;
5 ist eine Querschnittsansicht der 4 entlang BB;
6 ist dieselbe Ansicht wie 4, außer daß ein konkaver, parabolischer Kern gezeigt ist; und
7 ist eine Querschnittsansicht der 6 entlang CC.
In 1 ist ein drehbarer, mehrzahniger Schaftfräser 10 gezeigt.
Unter Betrachtung sowohl des Kerns 12 als auch der Zähne 14 des Fräsers vergrößert sich die Gesamtquerschnittsfläche des Fräsermaterials – jeweils im rechten Winkel zur Fräserachse AA gesehen – allmählich vom Schneidende 16 zum Fräserschaft 18.
Bei der vorliegenden Ausführungsform verursacht eine Vergrößerung im Kerndurchmesser die sich vergrößernde Querschnittsfläche. Der Kerndurchmesser ist das feste Zentrum des Fräsers, das die Füße der Zahnhohlkehlen definiert.
In der vorliegenden Ausführungsform verjüngt sich der Fräserkern 12 gerade, wie in der graphischen Darstellung in einem Schnitt entlang der Fräserachse AA zu sehen ist. Diese Form ist natürlich am einfachsten herzustellen und dient dazu, hohe Festigkeit und Steifigkeit in der Nähe des Schaftes 18 und ausreichende Zahntiefe in der Nähe des Schneidendes 16 bereitzustellen. Das Fräser kann deshalb für verschiedene Arten des Spanens benutzt werden.
Bezüglich den restlichen Figuren wurden ähnliche Bezugszeichen benutzt, um ähnliche Teile zu identifizieren.
In 2 ist ein Schaftfräser 20 gezeigt, der dem in 1 mit 10 bezeichneten Schaftfräser ähnelt. In der vorliegenden Ausführungsform hat der Fräserkern 22 eine konvexe, parabolische Verjüngung. Diese Gestalt stellt eine zusätzliche Steifigkeit bereit und hält gleichzeitig eine ausreichende Zahntiefe am Schneidende 24 bei. Diese Ausführungsform stellt die beste Steifigkeit gegen Biegen bereit und wird dort zweckmäßig eingesetzt, wo Schlitzen auf Gebiete beschränkt ist, die dem Schneidende 24 naheliegen. Ferner ist diese Ausführungsform so angepaßt, daß sie Scheibenfräs- und einfache Schlitzarbeiten am besten ausführen kann.
3 zeigt einen Schaftfräser 26, bei dem der Fräserkern 28 eine konkave Verjüngung hat. Vorteilhafterweise ist die konkave Verjüngung parabelförmig. Diese Form entspricht dem Spannungsdiagramm eines belasteten Auslegers gut, wobei das Kernmetall somit genau dort zugeteilt wird, wo es am meisten gebraucht wird, und wobei eine gute Zahntiefe über eine ausgedehnte Länge entlang dem Fräser erhalten wird. Diese Gestalt stellt entlang der Seite 30 des Fräsers den besten Spandurchlaß bereit und ist deshalb ideal für Scheibenfräs- und Schlitzarbeiten.
In den 4 und 5 ist ein Schaftfräser 32 zu sehen, bei dem sich die Zahnbreite TW vergrößert und die Hohlkehlenbreite FW abnimmt, und zwar allmählich vom Schneidende 34 zum Fräserschaft 36. Die Kernform 38 verjüngt sich gerade, wie in 1 gezeigt ist. Die Verjüngung des Kerns ist jedoch geringfügig flacher, da der Schneidzahn 40 teilweise für die gewünschte Flächenzunahme bei einer Bewegung in Richtung des Schaftes sorgt. Die vorliegende Ausführungsform ist anwendbar auf tiefe Schlitz- und Scheibenfräsarbeiten.
Die 6 und 7 zeigen einen Schaftfräser 42, der dem in den 4 und 5 gezeigten Schaftfräser entspricht, außer daß die Kernform 44 parabolisch konvex oder konkav ist aus Gründen, die bezüglich der 2 und 3 erklärt sind.
Der Rahmen der beschriebenen Erfindung beabsichtigt, alle Ausführungsformen einzuschließen, die innerhalb der Bedeutung der folgenden Ansprüche fällt. Die vorangegangenen Beispiele illustrieren nützliche Formen der Erfindung, sollen aber nicht als Beschränkung ihres Umfanges angesehen werden, da einem Fachmann sogleich bewußt wird, daß zusätzliche Varianten und Abänderungen der Erfindung formuliert werden können, ohne von der Bedeutung der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Drehbarer, mehrzahniger Schaftfräser, bei dem sich die Gesamtquerschnittsfläche des Fräsermaterials allmählich vom Schneidende zum Fräserschaft vergrößert.
Schaftfräser nach Anspruch 1, bei dem sich der Fräserkern in einem Mittelquerschnitt über die Länge des Fräsers allmählich im Durchmesser vom Schneidende zum Fräserschaft vergrößert.
Schaftfräser nach Anspruch 2, bei dem der Fräserkern gerade zuläuft.
Schaftfräser nach Anspruch 2, bei dem der Fräserkern eine konvexe Verjüngung hat.
Schaftfräser nach Anspruch 2, bei dem der Fräserkern eine konkave Verjüngung hat.
Schaftfräser nach den Ansprüchen 4 und 5, bei dem die konvexe oder konkave Verjüngung parabolisch ist.
Schaftfräser nach Anspruch 1, bei dem sich die Zahnbreite allmählich vom Schneidende zum Fräserschaft vergrößert.