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Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung
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von Materialien, insbesondere Metallen Die Erfindung betrifft ein
Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Materialien, insbesondere Metallen,
mit mindestens einen Schneidkörper, insbesondere aus Hartmetall und/oder Har#tstoff,
aufweisendem Werkzeughalter, welcher mittels Befestigungsorganen lösbar mit einem,
vorzugsweise rotierbaren, Werkzeugschaft verbunden ist.
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Es. sind derartige Werkzeuge in verschiedenen Aus bildungsformen bekannt
geworden und haben sich bei der Bearbeitung von Materialien hoher Festigkeit und
Zähigkeit bewährt.
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Die Werkzeuge benötigen, um die nötige Haltekraft und Stabilität im
Betrieb zu erhalten, zumindest in jenen Bereichen, wo der den eigentlichen Fräs-
bzw. Schneidkörper aufweisende Werkzeughalter angeordnet ist, relativ viel Platz.
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Dies spielt üblicherweise bei von außen zu bearbeitenden Werkstücken
relativ wenig Rolle. Probleme hingegen ergeben sich, wenn in Hohlräumen eines Werkstückes
Innenbearbeitung erfolgen soll. Dabei ist zu berücksichtigen, daß seit einiger Zeit
die Tendenz besteht, z.B. bisher durch Schleifen erfolgende Bearbeitung durch genaues
Drehen bzw. Fräsen mit Präzisionswerkzeugen, die mit besonders harten Schneidkörpern
ausgestattet sind, zu ersetzen, wobei auch räumlich immer schwieriger zu lösende
Bearbeitungsaufgaben auftreten. Besonders bei der drehenden Innenbearbeitung von
Hohlräume oft geringen Querschnittes oder relativ großer Länge aufweisenden Werkstücken
sind relativ zur Querschnittsfläche große Länge aufweisende Werkzeuge mit z.B. Werkzeughalter
mit Schneidkörper tragenden Schäften notwendig. Gleichzeitig werden, um ökonomische
Bearbeitungszeiten zu erreichen, die Drehzahlen immer höher und können im Bereich
von mehreren Tausend pro Minute liegen. Gefordert sind dabei höchst präzise Abdrehungen,
sodaß Schwingungen des Werkzeug-
schaftes während des Bearbeitungsvorganges
und ebenso auch z.B. infolge des Anpreßdruckes auf das Werkstück auftretende Verbiegungen
des Werkzeugschaftes, welche bei der Drehbewegung z.B. zu unerwünschten Berührungen
zwischen Schaft und Werkstück führen können, minimiert werden sollen. Technisch
befriedigende Lösungen dieser Aufgabe sind nicht bekannt geworden. Bekannt ist,
daß die Eigenschwingungen von Maschinenteilen verringert werden können, indem sogenannte
Schwermetallegierungen, also Legierungen bzw. Gemische von Metallen mit hohen spezifischen
Massen, z.B. im Bereich über 13 g cm 3 als Konstruktionsmaterial verwendet werden.
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Derartige auf den Markt erhältliche Materialien sind z.B.
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solche auf Basis von Wolfram mit Nickel-, Eisen- oder Kupferbindung.
Beim praktischen Gebrauch, auch solcher Materialien, insbesondere, wenn das Verhältnis
von Länge des Werkzeugschaftes zu dessen Durchmesser groß ist, um Bearbeitung in
schmalen Innenräumen durchzuführen, konnte mit den bisher üblichen Befestigungskonstruktionen
für das Werkzeug präzisionsminderndes Schwingen und auch Ausbiegen des rotierenden
Werkzeuges nicht genügend ausgeschaltet werden.
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Ziel der Erfindung ist es, ein wie beschriebenes Werkzeug zu schaffen,
bei welchem die genannten Nachteile vermieden sind, und welches es ermöglicht, höchste
Sicherheit der Verbindung von Werkzeughalter, Schneidkörper und Schaft bei gleichzeitig
auf ein Minimum gedämpfter Schwingneigung trotz großer Baulängen bei gleichzeitig
geringem Durchmesser zu erreichen.
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Es wurde gefunden, daß dieses Ziel neben vorteilhafter Wahl des Werkstoffes
insbesondere durch auf diesen abgestimmte kleindimensionierte, platzsparende Verbindungskonstruktion
erreicht werden kann.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Werkzeug der eingangs genannten
Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen
Werkzeugschaft
mit in einer metallischen Grundmasse eingebettete Materialteilchen aufweisendem
Material, vorzugsweise mit metallimprägniertem bzw. Metallmatrix aufweisendem Hartmetall
und/oder Hartstoff, aufweist, welcher Schaft im Bereich seines distalen Endes mindestens
ein im wesentlichen- senkrecht zur Achse des Schaftes sich erstreckendes, vorzugsweise
im wesentlichen kreisringförmige Auflagefläche, aufweisendes, druckbeanspruchbares
Auflager aufweist, welches mit-mindestens einem Gegenauflager eines mittels eine
Druck-Kraftbeaufschlagung am genannten Auflager bewirkender, und sie vorzugsweise
einstellbarer Befestigungseinrichtung mit dem genannten Schaft lösbar verbindbaren
Werkzeughalters kooperiert Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug steht erstmalig eine
auf ein wesentlich verminderte Schwingungsneigung aufweisendes Matrixmaterial abgestellte
Konstruktion für die Abstützung des Werkzeughalters am Schaft zur Verfügung.
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Durch die Anordnung der Auflager, welche im wesentlichen in Richtung
Achse wirksam sind, ist, wie gefunden wurde, weiters eine Verbindung zwischen Werkzeughalter
und Werkzeugschaft geschaffen, die ebenfalls in besonderem Maße die Eigenschaften
des Schaftmaterials, insbesondere Hartmetalls bzw. Hartstoffs, berücksichtigt, gegenüber
Druckbeanspruchung wesentlich widerstandsfähiger zu sein, als gegenüber Zugkräften.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeugs besteht darin, daß, wie z.B.
beim, gegebenenfalls nachbearbeitenden Schleifen von Schmiede-Gesenken od. dgl.
notwendig, das Werkzeug nach einem Schlichten zum Feinstschlichten als nächsten
Bearb#eitungsschritt auf einfache Weise gewechselt werden kann und dennoch fester
Sitz, hohe Präzision und platzsparende Bauweise erreicht sind. Als vorteilhaftes
Material für den Schaft ist beispielsweise ein Hartmetall mit 85 % - 89 % Wolframcarbid,
und Binderphase, vorzugsweise auf Kobaltbasis, zu nennen.
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Gemäß einer besonders wirkungsvollen und auf die schon erwähnten Eigenschaften
hinsichtlich Aufnahme der Kräfte und Schwingneigungsverhinderung gut abgestimmten
Konstruktion ist es vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur Befestigung des Werkzeughalters
am Werkzeugschaft einen mit seinem distalen Ende, vorzugsweise lösbar, kraftschlüssig
mit dem Werkzeughalter verbundenen, zugkräftebeanspruchbaren Fortsatz mit in dessen
dem Schaft zugeordnetem Bereich angeordneter, mindestens eine im wesentlichen zumindest
in ihrem dem Werkzeughalter abgekehrten Bereich im wesentlichen keilartig wirksame,
vorzugsweise im wesentlichen zur Schaftachse geneigte Erzeugende, insbesondere kegelstumpfsektorförmige,
Spannfläche aufweisender, im wesentlichen quer zur Achse sich erstreckender Öffnung
aufweist, welc#he mit mindestens einer im wesentlichen keilartig wirksamen, insbesondere
kegelstumpfförmigen, Gegenspannfläche eines in mindestens einer, ebenfalls im wesentlichen
quer zur Achse sich erstreckenden Öffnung des Schaftes angeordneten, in Richtung
von deren Erstreckung lageveränderbaren und lagefeststellbaren Spannstiftes kooperiert.
Der Fortsatz des Werkzeughalters kann z.B. mit niedriglegiertem Werkzeugstahl gefertigt
sein, der Spannstift beispielsweise mit Schnellstahl, sodaß gute Gleiteigenschaft
an der keilwirksamen Fläche gegeben ist. Bevorzugt ist als Schneidkörpermaterial
kubisches Bornitrid eingesetzt. Es sei an dieser Stelle betont, daß verschiedene
miteinander kooperierende Keilfläche - Gegenkeilfläche bzw. Linienpressung an den
Flächen aufweisende Konstruktion zum Spannen des Werkzeushalters mittels Fortsatz
und Spannstift einsetzbar ist, es seien insbesondere z.B. Exzenter mit beispielsweise
zu den Achsen von Spannstift und Öffnung im Fortsatz parallele Erzeugende aufweisenden
keilwirksamen Flächen genannt oder Kegelflächen aufweisende Exzenter. Bei der beschriebenen
bevorzugten Art der Konstruktion, die im wesentlichen einen innen- oder außenliegenden
Schaft mit einem diesen umhül-
lenden bzw. in diesen hineinragenden,
koaxialen außen- bzw.
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innenliegenden im wesentlichen z.B. als Zuganker für den Werkzeughalter
wirkenden Fortsatz aufweist, ist eine auch auf schwierig bearbeitbares, hochfestes
Werkstückmaterial abgestimmte Konstruktion erreicht, die außerdem den Vorteil besitzt,
daß das Schaftmaterial von der Verbindung mit dem Schneidwerkzeug her im wesentlichen
nun durch Druckkräfte beansprucht wird. Außerdem ist diese Ausbildungsform der Befestigungseinrichtung
so platzsparend, daß Schneidwerkzeuge mit Hartmetall- bzw. Hartstoff-Schaften höchster
Schwingungsarmut mit Durchmessern von sogar weniger als 10 mm praktisch einsetzbar
werden. Dies bringt einerseits hohe Zugänglichkeit bei Werkstücken, bei denen Hohlraum-bzw.
Innznbearbeitung erforderlich ist, und hohe Sicherheit bei der Präzision der Ausdrehungen
bzw. Fräsungen und damit der bearbeiteten Teile. Auch bei den genannten geringen
Werkzeugdurchmessern treten an den Werkstücken, wie gefunden wurde, oberflächenpräzisionsmindernde
Rattermarken nicht auf.
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Um besonders gut zentrierten und achskonformen Sitz des Werkzeughalters
am Schaft zu erreichen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß im Bereich des distalen
Endes des Werkzeugschaftes eine, bezogen auf seine Achse, mehrfachsymmetrische,
vorzugsweise rotationssymmetrische, vorzugsweise achsparallele Erzeugende aufweisende,
Zentrierfläche angeordnet ist, welche mit einer Gegenzentrierfläche im dem Schaft
zugeordneten Bereich des Werkzeughalters kooperiert.
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Besonders einfaches Wechseln des Werkzeughalters mit Werkzeug und
damit jeweils auf eine gerade gegebene Bearbeitungsaufgabe genau abgestimmter Einsatz
ist ermöglicht, wenn der Fortsatz mittels Relativlage von Werkzeughalter und Fortsatz
zueinander sichernder, kraftschlüssiger Verbindung, insbesondere Bajonettverbindung,
mit dem Werkzeughalter
lösbar verbunden ist. Beim Wechsel z.B.
vom Schlichten zum Feinstschlichten ist es nur notwendig, den zugankerartigen Fortsatz
durch Lageveränderung des Spannstiftes zu lockern und durch Verdrehen ein Lösen
der Bajonettverbindung zum Werkzeughalter herbeizuführen. Nach Aufsetzen des nächsten
Bearbeitungswerkzeuges wird durch entgegengesetzte Lageveränderung des Spannstiftes
der Zuganker in Richtung Schaft gezogen und dieser zieht den über den Bajonettverschluß
mit ihm verbundene Werkzeughalter ebenfalls in diese Richtung, sodaß er mit seinem
Auflager gegen das Auflager des Werkzeugschaftes gepreßt wird.
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Eine hinsichtlich Einfachheit ihrer Herstellung und ihres Aufbaues
vorteilhafte Ausführungsform ist gegeben, wenn der Werkzeugschaft mindestens eine
im wesentlichen in Achsrichtung verlaufende Erzeugende, bezogen auf die Achse mehrfach-,
insbesondere rotations-, symmetrische, bevorzugt innenliegende Paßfläche aufweist,
welche mit mindestens einer Gegenpaßfläche des mit dem Werkzeughalter, vorzugsweise
lösbar, verbundenen Fortsatzes kooperiert. Dabei sei erwähnt, daß aus fertigungstechnischen
und Festigkeitsgründen zylindrische Paßflächen bevorzugt sind, wobei diese, um höchste
Präzision beim Sitz zu erreichen, vorteilhaft geschliffene oder gehonte Oberflächen
aufweisen. Infolge des damit erreichbaren hochpräzisen Sitzes des Werkzeughalterfortsatzes
auf bzw. im Schaft wird eine Art Verbundkonstruktion gebildet, welche die Steifigkeit
des Schaftes und die Schwingungsdämpfung weiter erhöht.
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Die Lageveränderbarkeit des Spannstiftes für den Fortsatz sowie insbesondere
dessen Feststellbarkeit sind in wirkungsvoller Weise gegeben, wenn zumindest eine
Öffnung des Schaftes für die Aufnahme eines Spannstiftes ein Gewinde aufweist, welches
mit einem Gegengewinde des Spannstiftes kooperiert. Es wird durch einfaches Drehen
des z.B. einen Schlitz oder Innenmehrkant für einen Drehschlüssel aufweisenden
Spannstiftes
eine Lageveränderung von dessen Kegelfläche erreicht, welche die Gegenkegelfläche
am Fortsatz in Richtung weg vom Werkzeughalter verdrängt und so den Werkzeughalter
zugankerartig auf das radiale Auflager des Schaftes preßt.
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Wenn der Fortsatz, vorzugsweise durch eine am bzw. im Schaft abgestützte
Feder, mit zum distalen Ende des Schaftes gerichteter Kraft beaufschlagbar ist,
wird auf einfache Weise ein den Werkzeughalterwechsel erleichterndes Lockern des
Zugankerfortsatzes erreicht, der dadurch selbsttätig in distaler Richtung geschoben
wird, sodaß dann der Bajonett verschluß leicht öffenbar ist.
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Eine betriebsmäßig bewährte, insbesondere zur Bearbeitung schwieriger
Werkstücke aus hochfesten Werkstoffen, wie z.B.
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für Gesenke für die Motorenfertigung, mit höchster Präzision ermöglichende
Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft als zumindest zu seinem
distalen Ende hin offener hohler Zylinder mit den, vorzugsweise zylindrischen, Hohlraum
begrenzender, mit entsprechender zylindrischer Gegenpaßfläche eines in Richtung
Schaftachse verschieblichen Fortsatzes kooperierender, vorzugsweise zylindrischer,
Paßfläche ausgebildet ist, und ein mindestens zwei über mindestens eine umlaufende
kegelstumpfförmige Gegenspannfläche ineinander übergehende Schaftteile aufweisender,
eine mindestens eine, vorzugsweise ebenfalls kegelstumpfförmige, mit der Gegenspannfläche
kooperierende Spannfläche aufweisende Öffnung des Fortsatzes durchsetzender Spannstift
mit mindestens einem Gewinde an mindestens einem der Schaftteile in zwei im wesentlichen
einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen im hohlzylindrischen Schaft angeordnet
ist, deren mindestens eine Öffnung ein mit dem Stiftgegengewinde kooperierendes
Gewinde aufweist. Es sei hier darauf verwiesen, daß der Vorteil der Erfindung auch
darin gelegen ist, daß eine nicht nur das Betriebsverhalten der fertigen
Konstruktion
berücksichtigende Abstimmung hinsichtlich Schaftwerkstoff, sondern auch eine solche
hinsichtlich ökonomischer Fertigung des Schaftes gegeben ist.
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Um eine Kontur des Werkzeuges ohne hervorragende Teile für Schaft
mit innenliegendem Zugankerfortsatz oder einen innenliegenden Fortsatz umgebenden
Zuganker zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Länge des genannten Spannstiftes
für den Fortsatz geringer ist als der Gesamtaußendurchmesser von Schaft und Fortsatz.
Damit ist sichergestellt, daß dieser auch bei schon länger in Gebrauch stehenden
Auflagern, welche im Laufe der Gebrauchsdauer eine höhere Anpressung des Zugankers
über die keilschlußartigen Flächen von Spannstift und Fortsatz erfordert, der Stift
nicht aus seiner Öffnung ragt.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert, wobei Fig.
1 eine teilgeschnittene Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Werkzeuges mit Schaft mit matrixgebundenem Schwermetall, insbesondere mit Hartmetall
oder Hartstoff, Fig. 2 eine teilgeschnittene Draufsicht und Fig. 3 den wesentlichen
Teil der Bajonettverbindung zwischen Werkzeughalter und Schaft in Achsrichtung gesehen,
zeigen. Bei dem in den Figuren gezeigten Werkzeug 10 weist der an seiner Rückseite
175 mit einem nicht gezeigten Anschlußstück z.B. einer Flanschverbindung einer Aufnahme
od. dgl. mit einer drehenden Welle einer Werkzeugmaschine verbundenen, zylindrischen
Werkzeugschaft 1 eine an seinem distalen Ende 185 offene mit Achse A koaxiale zylindrische
Ausnehmung 16 mit geschliffener Wandung 161 auf, in welcher ein eine außenzylindrische
Paßfläche 301 aufweisender Fortsatz 3 mit Bajonettankerkopf 35 an seinem distalen
Ende 385 angeordnet ist. Der Bajonettankerkopf 35 ist mit einer Bajonettverankerung
45 in einem Hohlraum 44 des am Schaft 1 an dessen distalem Ende 185 angeschlossenen
Werkzeughalter 4 mit Schneidkörper 5 durch
einfaches Drehen des
Halters 4 in Eingriff zu bringen. Der Werkzeughalter 4 liegt mit seinem dem Werkzeugschaft
1 zugekehrten an seinem schaftnahen Ende 475 befindlichen Gegenauflager 41 im montierten
Zustand fest auf dem Auflager 11 des Werkzeugschaftes 1 auf. Um präzise koaxialen
und zentrischen Sitz zu erreichen, weist der Schaft 1 an einem distalen Ende 185
einen vom Auflager 11 umgebenen Vorsprung 180 auf, dessen, hier zylindrischer, Außenfläche
181 mit der, hier zylindrischen, Innenfläche 441 des Hohlraumes 44 des Werkzeughalters
4 paßgenau kooperiert. Der genannte, über Bajonettverbindung 35, 45 mit dem Werkzeughalter
4 verbundene Zugankerfortsatz 3 weist hier eine im wesentlichen senkrecht zu seiner
Achse A verlaufende, in Achsrichtung längliche Öffnung 34 auf, welche nach einer
Seite hin eine kegelstumpfartige Erweiterung 343 aufweist. Zumindest der dem Werkzeughalter
fernliegende Bereich dieser Öffnung 34 hat eine schräge im wesentlichen keilwirksame
Fläche, insbesondere Kegelstumpffläche 341. Mit dieser keilwirksamen Fläche 341
kooperiert eine im wesentlichen gleiche Neigung aufweisende, hier ebenfalls kegelstumpfförmige
Keilfläche 231 am Übergang 23 zwischen einem dickeren 24 und einem dünneren Schaftteil
25 des den Fortsatz 3 durchsetzenden Spannstiftes 2, welcher mit diesen beiden Teilen
24, 25 in einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen 14, 15 in der Mantelwandung
des hohlen Schaftes 1 gelagert ist, wobei bei der gezeigten Bauart der dickere Teil
24 des Spannstiftes ein Gewinde 241 aufweist, welches mit einem Gewinde 141, das,
z.B. funkenerosiv, in die Wandung der Öffnung 14 des Schaftes 1 eingearbeitet ist,
kooperiert. Wird nun bei schon geschlossenem Bajonett 35, 45 der als Spannschraube
ausgebildete Spannstift 1 bei der gezeigten Anordnung in Richtung abwärts durch
Drehen in seiner Lage verstellt, so bewirkt dessen Kegelstumpffläche 231 über die
mit ihr kooperierende Gegenstumpffläche 341 am Fortsatz 3 ein Verschieben des Fortsatzes
3 in Richtung weg vom Werkzeughal-
ter 4, sodaß dieser mittels
über Bajonettverbindung 35, 4, verbundenem Zugankerfortsatz 3 mit hoher und gleichzeitig
auch einstellbarer Kraft mit seinem Gegenauflager 41 gegen das Auflager 11 am Schaft
1 gepreßt wird. Damit ist höchste Reibschlußverbindung bei gleichzeitig hoher Zentrierkonstellation
des Werkzeughalters 4 am Schaft 1 sichergestellt. Um einen Wechsel von Werkzeughalter
4 mit Schneidkörper 5, z.B. vom Schlichten zum Schleifen zu erleichtern, ist in
dem Hohlraum 16 des Schaftes 1 eine sich an dessen geschlossenem Ende abstützende
Tellerfeder 6 angeordnet, welche bei Lockerung des Sitzes der Kegelstumpfexzenterflächen
231, 341 von Spannstift 2 und Öffnung 34 des Zugankerfortsatzes 3 eine Verschiebung
dieses Fortsatzes 3 in Richtung distales Ende 185 des Schaftes 1 herbeiführt, wodurch
die Verankerung des am distalen Ende 385 befindlichen Ankerkopfes 45 des Fortsatzes
3 in der Verankerung 45 des Werkzeughalters 4 gelockert wird, und der Halter 4 durch
Verdrehen problemlos vom Schaft 3 gelöst werden kann.
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Die ganze Konstruktion ist wie die Figuren 1 und 2 zeigen, auf hohe
Einfachheit der Konstruktionselemente, insbesondere des aus spezifisch schwerem
Material, insbesondere Hartstoff bzw. Hartmetall gefertigten Schaftes 1 ausgerichtet,
welcher die hohe Güte der Werkzeugeigenschaften, wie insbesondere praktisch ausgeschaltete
Schwingneigung und damit Vermeidung z.B. von Rattermarken erbringt, wobei gleichzeitig
auf die im Vergleich zur Zug- ausgesprochen hohe Druck-Beanspruchbarkeit des Werkzeugschaftmaterials
Rücksicht genommen ist. Im Speziellen aus Fig.2 ist ebenfalls die keil-gegenkeil-artig
wirkende Kooperation zwischen im Fortsatz 3 befindlichen Langloch 34 mit jedenfalls
in deren dem distalen Ende 385 des Fortsatzes 3 abgekehrten Bereich 345 angeordneter
Kegelstumpffläche 341 und exzentrisch angeordnetem Stift 2 mit seiner Kegelstumpffläche
231 sichtbar. Es ist dort auch erkennbar, wie durch einen quer zur Achse ausgerichteten,
in den Hohlraum 44
des Halters 4 für die Bajonettverbindung 35,
45 ragenden Stift 455, welcher im montierten Zustand mit einer entsprechenden Ausnehmung
355 am Bajonettankerkopf 45 kooperiert, ein nicht lagegerechtes Verbinden des Werkzeughalters
4 mit dem Werkzeugschaft 1 beim Werkzeugwechsel bei Änderung der Bearbeitungsarten
wirksam verhindert ist.
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Der in Fig. 3 gezeigte schematische Schnitt zeigt die Kooperation
der Zugankerverbindungselemente 35, 45 von Werkzeughalter 4 und Werkzeughalterfortsatz
3 mit Lagesicherungsstift-455 und Ausnehmung 355 für ihn in einem Schnitt quer zur
Achse A des Werkzeuges. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen jeweils
gleiche Teile.