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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaftfräser der im
Oberbegriff von Anspruch 1 beschriebenen allgemeinen Bauart
zur Endbearbeitung der Stirnfläche(n) oder Seite(n) von
harten Werkstücken, der an seinem Umfang mehrere in
Schraubenlinie verlaufende Schneidkanten aufweist.
Stand der Technik
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Ein in Fig. 2 dargestellter Schaftfräser wurde nach dem Stand
der Technik als umlaufendes Schneidwerkzeug einer
Werkzeugmaschine, wie etwa einer Fräsmaschine verwendet, um Materialien
für allgemeine Einsatzzwecke, wie z.B. Stahl, zu zerspanen.
Allgemein weist ein derartiger Schaftfräser auf einem
imaginären Zylinder angeordnete scharfe Schneidkanten 2 auf, die
einen Schraubenlinienwinkel Θa und einen positiven Spanwinkel
Θr haben. Der Schaftfräser hat ferner große Spannuten 25.
Diese Anordnung erleichtert das Einschneiden der Kanten in
das Werkstück und erlaubt den gleichmäßigen Spanaustrag,
womit ein sehr hoher Wirkungsgrad bei der Zerspanungsarbeit
sichergestellt ist. Die Winkel der Schneidkanten 2 können in
geeigneter Weise in der optimalen Form je nach den
Eigenschaften des Werkstückes ausgebildet sein. Wird ein
Schaftfräser mit scharfen Schneidkanten zum Fräsen eines harten
Werkstückes verwendet, das nicht in effizienter Weise
zerspant werden kann, so unterliegen die Kanten einem
beträchtlichen Verschleiß und es besteht die Gefahr, daß während des
Zerspanungsvorganges Abplatzungen auftreten. Zur Lösung
dieser Probleme wurden die technischen Daten der Schneidkanten 2
verbessert. Genauer ist die Festigkeit der Schneidkanten 2
durch Verringern des Spanwinkels er und des Freiwinkels Θc
erhöht, und die Steifigkeit des Schaftfräsers wird ebenfalls
durch Verringerung der Tiefe der Spannuten 25 erhöht, wodurch
in beträchtlichem Umfang der Verschleiß und das Abplatzen der
Schneidkanten 2 verhindert wird.
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Es ist bekannt, daß ein Schaftfräser mit einer höheren Anzahl
von Schneidkanten eine längere Standzeit haben kann,
insbesondere wenn der Schaftfräser zum Zerspanen von harten
Werkstücken verwendet wird. Daher ist das Erhöhen der Anzahl der
Schneidkanten ebenfalls ein Mittel zur Verbesserung.
Zusätzlich werden die Schneidbedingungen des Schaftfräsers, wie
z.B. die Schnittiefe, gelockert und der Schaftfräser mit den
verbesserten technischen Daten (erhöhte Anzahl der
Schneidkanten und weitere Verbesserungen der Leistungsfähigkeit der
Kanten) wird verwendet, wenn der Schaftfräser nicht in
effizienter Weise harte Werkstücke zerspanen kann.
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Um die Stirnfläche oder Seite des harten Werkstückes
effizient endzubearbeiten, müssen Schaftfräser aus Werkstoffen mit
einer ausreichenden Härte und Festigkeit, die zum Zerspanen
des harten Werkstückes geeignet ist, hergestellt sein.
Schnellarbeitsstahl und Hartmetall werden allgemein als
Werkstoffe für Schaftfräser verwendet. Beim Zerspanen des harten
Werkstückes werden aus Hartmetall hergestellte und mit einer
harten Substanz, wie z.B. TiN beschichtete Schaftfräser in
breitem Umfang eingesetzt. Auch in diesem Fall können jedoch
Schaftfräser mit Schneidkanten in herkömmlichen Formen
Werkstücke mit einer größeren Härte als HRC55 nicht zerspanen.
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Der Bedarf für die Endbearbeitung von Stirnflächen oder
Seiten von harten Werkstücken nimmt in vielen Industriebereichen
zu. Es ist jedoch beinahe unmöglich, harte Werkstücke, wie
z.B. gehärteten Werkzeugstahl mit einer Härte von HRC60 zu
zerspanen, ungeachtet dessen, wie die technischen Daten, wie
z.B. der Spanwinkel, Freiwinkel und die Anzahl der
Schneidkanten eines herkömmlichen Schaftfräsers abgeändert werden,
da die geänderten Werte der technischen Daten für die
praktische Verwendung nicht geeignet sind. Dieses Problem kann
nicht durch eine Veränderung der Zerspanungsbedingungen
gelöst werden. Als Ausweg aus dieser Situation wurden
Schleifverfahren und elektroerosive Bearbeitungsverfahren verwendet.
Diese Verfahren haben jedoch eine niedrige
Zerspanungsgeschwindigkeit, was zu einem niedrigen Wirkungsgrad der
Zerspanungsarbeit führt.
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Sehr harte Werkstoffe, wie z.B. Keramik, CBN (kubisches
Bornitrit) und Diamant werden als Werkstoffe für
Schneidwerkzeuge verwendet. Obgleich diese Werkstoffe äußerst hart sind,
sind sie relativ zerbrechlich und unterliegen während eines
Zerspanungsvorganges mit Schaftfräsern leicht Abplatzungen,
da das Zerspanen diskontinuierlich ausgeführt wird.
Zusätzlich können sie aufgrund der geringen Bearbeitbarkeit nicht
in die gewünschten Formen gebracht werden. Daher werden sie
nur für begrenzte Anwendungen verwendet, wie z.B. spanende
Arbeiten in geringem Umfang.
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Die EP 0213334 zeigt einen Schaftfräser der in Fig. 2
dargestellten allgemeinen Bauart auf, der aus einer
Hartmetallzusammensetzung auf NbC-TiC-TiN-Basis zusammengesetzt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen leicht
herzustellenden Schaftfräser zu schaffen, der in idealer
Weise zur Endbearbeitung der Stirnfläche oder der
Seitenfläche von harten Werkstücken, die beispielsweise aus gehärteten
Werkstoffen hergestellt sind, geeignet ist, und der in der
Lage ist, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen.
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Demgemäß zeigt die Erfindung einen Schaftfräser zur
Endbearbeitung der Seite oder Stirnfläche eines harten Werkstückes
auf, umfassend einen Schaft und mehrere in Schraubenlinie
verlaufende Schneidkanten am Umfang des Schaftfräsers, der
von einem imaginären Zylinder umschrieben ist, wobei die
Richtung der Schraubenlinie der Schneidkanten um die
Längsachse des Schaftfräsers in derselben Richtung wie die
Schneiddrehrichtung des Schaftfräsers verläuft, dadurch
gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Schaftfräsers senkrecht
zu seiner Längsachse ein regelmäßiges Vieleck mit wenigstens
vier Seiten umfaßt, wobei benachbarte Seiten des Vielecks
symmetrische Scheitelpunkte bilden, die die Schneidkanten
bilden.
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Vorzugsweise umfaßt das Vieleck wenigstens acht Seiten und
jede Seite ist symmetrisch konkav, so daß der Schneidwinkel
auf maximal 130º verringert ist.
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Zusätzlich sind an der Endfläche des Schaftfräsers eine
Vielzahl von unteren Kanten von den Scheitelpunkten des Vieleckes
zur Mitte der Achse angeordnet. Die Anzahl der unteren
Schneidkanten ist als ein Teiler der Anzahl der Winkel des
Vielecks gewählt, das heißt, der durch Teilen der Anzahl der
Winkel des Vieleckes durch die Anzahl unteren Kanten
erhaltene Quotient ist eine ganze Zahl. Vorzugsweise haben die
unteren Schneidkanten einen negativen Spanwinkel.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Vieleck ein
regelmäßiges Sechseck mit sechs Schneidkanten und zwei am Ende
des Fräsers angeordneten unteren Schneidkanten, wobei die
Schneidkante einen Rechtsschraubenlinienwinkel von 30º und
die untere Schneidkante einen Spanwinkel von -20º in radialer
Richtung und -5º in axialer Richtung hat.
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Der aus Hartmetall hergestellte Schaftfräser ist weiter mit
einer harten Substanz, wie etwa TiN beschichtet. Dieses
Härten des Schaftfräsers ist mit den vorstehend erwähnten Formen
der Schneidkanten kombiniert, um das Zerspanen des harten
Werkstückes möglich zu machen.
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Die vorliegende Erfindung wird unter Bezug auf die
beiliegenden Figuren und Beispiele nachfolgend im Detail erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1(A), 1(B) und 1(C) zeigen ein erstes Beispiel der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 1(A) ist eine Vorderansicht des ersten Beispiels;
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Fig. 1(B) ist eine Seitenansicht des ersten Beispiels;
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Fig. 1(C) ist eine Draufsicht auf das erste Beispiel;
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Fig. 2(A) und 2(B) zeigen ein Beispiel eines herkömmlichen
Schaftfräsers;
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Fig. 2(A) ist eine Vorderansicht des Beispieles des
herkömmlichen Schaftfräsers;
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Fig. 2(B) ist eine Seitenansicht des Beispieles eines
herkömmlichen Schaftfräsers;
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Fig. 3(A) und 3(B) zeigen ein zweites Beispiel der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 3(A) ist eine Vorderansicht des zweiten Beispieles;
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Fig. 3(B) ist eine Seitenansicht des zweiten Beispieles;
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Fig. 4 zeigt den Span- und Freiwinkel der
Umfangsschneidkanten für den regelmäßigen sechseckigen Querschnitt senkrecht
zur Achse des Schaftfräsers gemäß vorliegender Erfindung;
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Fig. 5 zeigt die konkav ausgeführten Seiten des vieleckigen
Querschnittes des Schaftfräsers gemäß vorliegender Erfindung;
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Fig. 6 zeigt die Anordnungen der unteren Kanten für den
regelmäßigen sechseckigen Querschnitt eines dritten Beispieles
der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 7 und 8 vergleichen die Leistung der Schaftfräser gemäß
vorliegender Erfindung und die von herkömmlichen
Schaftfräsern.
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Die Zwecke der vorliegenden Erfindung sind dieselben wie
diejenigen der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr.
9852/1989, die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung
angemeldet wurde. Die vorliegende Erfindung soll die
wesentlichen Merkmale der Anmeldung aufwerten. Fig. 1 zeigt einen
Schaftfräser, der im Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt
wird, wie offensichtlich durch die Richtung der unteren Kante
13 angedeutet ist. Der senkrecht zur Achse des Schaftfräsers
verlaufende Querschnitt ist sechseckig und die Schneidkante
des Schaftfräsers hat einen Rechtsschraubenlinienwinkel ea.
Im Fall des sechseckigen Querschnitts sind sechs
Umfangsschneidkanten ausgebildet. Die Schneidkante hat einen
Spanwinkel er von -60º und einen Freiwinkel Θc von 30º im Schnitt
senkrecht zur Achse, wie in der Schnittdarstellung in Fig. 4
gezeigt. Der Schnittwinkel et des Schaftfräsers ist somit
120º. Mit diesen technischen Daten ist der Schaftfräser gemäß
vorliegender Erfindung in der Lage, eine Schneidfestigkeit
und Steifigkeit aufzuweisen, die zum Schneiden von harten
Werkstücken bis zu einer Härte von HRC60 geeignet ist. Der
erfindungsgemäße Schaftfräser kann eine größere Zahl von
Schneidkanten aufweisen als herkömmliche Schaftfräser, auch
wenn der Durchmesser des Schaftfräsers klein ist. Spantaschen
sind bei Schaftfräsern unverzichtbar. Die Spantaschen des
Schaftfräsers gemäß vorliegender Erfindung sind in den durch
den Zylinder, der die Kanten des vieleckigen Querschnittes
umschreibt, umschlossenen Bereichen, das heißt den
Schneidkanten 10 und den durch die Seiten des vieleckigen
Querschnittes gebildeten Flächen ausgebildet. Es ist bekannt, daß
diese Spantaschenbereiche zur Spanbehandlung ausreichen, da
die Spanmenge im Fall der spanenden Endbearbeitung begrenzt
ist. Die Schneidkante 10 hat einen Rechtsschraubenwinkel Θa,
um den zum Zeitpunkt des Schnittes verursachten Stoß
abzumildern und das harte Werkstück weich zu schneiden, wodurch eine
spanende Endbearbeitung des harten Werkstückes sichergestellt
wird, obgleich der Schnittwinkel Θt des Schaftfräsers groß
ist.
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Bei der spanenden Bearbeitung von härteren Werkstücken ist es
wünschenswert, die Anzahl der Schneidkanten zu erhöhen, das
heißt, Vielecke mit einer größeren Zahl von Scheitelpunkten
zu verwenden. Insbesondere wenn der Durchmesser des
Schaftfräsers größer ist, sollte die Anzahl der Schneidkanten
erhöht werden. Wenn das Vieleck acht oder mehr Scheitelpunkte
hat, ist jedoch der Scheitelwinkel des Vielecks zu groß, um
in geeigneter Weise als Schnittwinkel et zu wirken. Um dieses
Problem zu lösen, wird jede Seite des Vielecks konkav
ausgeführt, um den gewünschten Schnittwinkel zu erhalten, der im
Bereich zwischen 90º und 130º liegt, wie in Fig. 5
dargestellt.
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Mehrere untere Schneidkanten 13, die bei Schaftfräsern
unverzichtbar sind, sind bei dem erfindungsgemäßen Schaftfräser
von den Scheitelpunkten des Vielecks zur Mitte der Achse
vorgesehen. Zusätzlich ist die Anzahl der unteren Schneidkanten
als Teiler der Zahl der Winkel des Vieleckes gewählt, oder
der durch Teilen der Winkelanzahl des Vieleckes durch die
Zahl der unteren Schneidkanten erhaltene Quotient ist eine
ganze Zahl. Diese Anordnung sorgt für wohlausgewogene und
während des Schnittvorganges stabile untere Schneidkanten.
Wenn das Vieleck beispielsweise ein Quadrat ist, ist die
Anzahl der unteren Schneidkanten zwei oder vier. Ist das
Vieleck ein Sechseck, so ist die Anzahl der unteren
Schneidkanten 2, 3 oder 6. Fig. 6 zeigt die Anordnungen der unteren
Schneidkanten 13 (zur leichteren Erkennbarkeit durch
vollfarbig
schwarze Flächen angedeutet), die ausgewählt werden
können, wenn das Vieleck ein Sechseck ist.
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Der erfindungsgeniäße Schaftfräser ist aus mit einer harten
Substanz beschichtetem Hartmetall hergestellt. Dieses Härten
des Schaftfräsers wird mit den vorstehend erwähnten Formen
der Schneidkanten kombiniert, um das Zerspanen des harten
Werkstückes zu ermöglichen. Der große negative Spanwinkel des
Schaftfräsers der vorliegenden Erfindung verhindert, daß die
Beschichtung des Schaftfräsers während des Schneidvorganges
abblättert. (Das Abblättern ist das nachteiligste Phänomen
der Beschichtung).
BEISPIELE
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Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel des erfindungsgemäßen
Schaftfräsers, der im Uhrzeigersinn umläuft. Am Umfang des
Schaftes 11 des Schaftfräsers bildet die entlang der Achse
des Schaftfräsers an jedem Scheitelpunkt 12 des regelmäßigen
sechseckigen Querschnittes senkrecht zur Achse ausgebildete
Kante eine Schneidkante 10 mit einem
Rechtsschraubenlinienwinkel von 30º. Die beiden unteren Kanten 13, die an der
Endfläche des Schaftes 11 angeordnet sind, haben einen
Spanwinkel er von -20º in radialer Richtung und einen Spanwinkel Θa
von -5º in axialer Richtung. Der Schaftfräser hat einen
Durchmesser von 8 mm und eine Gesamtlänge von 60 mm. Die
Länge seines Schneidbereiches beträgt 20 mm. Der Schaftfräser
ist aus Hartmetall hergestellt und mit TiN beschichtet.
Anhand einer spanenden Endbearbeitung eines kaltgepreßten
Metallwerkstückes aus legiertem Stahl, der bis zu einer Härte
von HRC62 wärmebehandelt wurde, wurde die Leistungsfähigkeit
bei der spanenden Endbearbeitung des unbeschichteten und des
beschichteten Schaftfräsers gemäß dieser Erfindung mit der
von unbeschichteten und beschichteten herkömmlichen
Schaftfräsern, die aus Hartmetall hergestellt waren, wie
nachstehend beschrieben verglichen. Die Abmessungen dieser
herkömmlichen
Schaftfräser, wie in Fig. 2 dargestellt, entsprechen
denjenigen der Schaftfräser gemäß vorliegender Erfindung. Die
Frästiefe betrug 0,1 mm in radialer Richtung bei Durchführung
eines trockenen Fräsvorganges. Fig. 7 und 8 zeigen die
Ergebnisse des Vergleichs. Gemäß Fig. 7 und 8 beträgt die
Haltbarkeit der Schaftfräser gemäß vorliegender Erfindung das
dreifache oder mehr als das dreifache im Vergleich zu
herkömmlichen Schaftfräsern. Es ist offensichtlich, daß die von den
erfindungsgemäßen Schaftfräsern erzielte Oberflächenrauhig
keit der durch herkömmliche Schaftfräser erhaltenen überlegen
ist. Der unbeschichtete herkömmliche Schaftfräser wies
beträchtliche Abplatzungen auf, wenn die Schnittlänge des
Schaftfräsers nur 0,25 m erreichte. Der Fräsvorgang mußte
unterbrochen werden, als die Fräslänge einen Meter erreichte.
Der beschichtete herkömmliche Schaftfräser war in der Lage,
über eine Fräslänge von nur zwei Metern standzuhalten. Der
beschichtete Schaftfräser gemäß vorliegender Erfindung wies
keine Abplatzungen auf und war weiter verwendbar, als eine
Fräslänge von sechs Metern erreicht wurde, obgleich die
Vorschubgeschwindigkeit des Schaftfräsers das Dreifache der
Geschwindigkeit von herkömmlichen Schaftfräsern betrug. Die
unter Verwendung des unbeschichteten herkömmlichen, aus
Hartmetall hergestellten Schaftfräsers erzielte
Oberflächenrauhigkeit betrug etwa 20 um Rmax, da der Schaftfräser Abplatzungen
aufwies. Die unter Verwendung des beschichteten
herkömmlichen, aus Hartmetall hergestellten Schaftfräsers erzielte
Oberflächenrauhigkeit betrug etwa 30 um Rmax oder mehr, da
die Beschichtung sich ablöste. Die unter Verwendung des
beschichteten Hartmetallschaftfräsers gemäß vorliegender
Erfindung erzielte Oberflächenrauhigkeit war mit etwa 5 um Rmax
sehr niedrig. Dies bedeutet, daß die Kantenform des
erfindungsgemäßen Schaftfräsers sehr gut auf seine Beschichtung
abgestimmt ist.
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Die Winkelzahl des Vieleckes und die Anzahl der unteren
Kanten kann in geeigneter Weise unter Berücksichtigung der Härte
des Werkstückes, des Werkzeugwerkstoffes und des
Werkzeugdurchmessers bestimmt werden. Der Schraubenlinienwinkel der
Schneidkanten und der Spanwinkel der unteren Kanten können
ebenfalls innerhalb der vorgegebenen Bereiche gewählt werden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel des erfindungsgemäßen Schaftfräsers
mit einem quadratischen Querschnitt. In diesem Beispiel ist
die Zahl der unteren Kanten vier. Gleiche Bezugszeichen
bezeichnen die entsprechenden Teile in den beiliegenden
Zeichnungen. Ein Schaftfräser für keilförmige Schlitze mit einer
vieleckigen Form ist ein Beispiel eines Schaftfräsers ähnlich
dieser Erfindung. Die vieleckige Form wird zur Erhöhung der
Steifigkeit des Schaftfräsers verwendet, der einen kleinen
Durchmesser und einen langen Fräsbereich aufweist. Anders als
der erfindungsgemäße Schaftfräser hat der Schaftfräser für
Keilschlitze einen kegelförmigen Fräsbereich und wird nur zum
Fräsen von tiefen Schlitzen verwendet.
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Wie vorstehend beschrieben, weist der erfindungsgemäße
Schaftfräser in Schraubenlinie verlaufende Schneidkanten mit
vieleckigem Querschnitt senkrecht zu seiner Achse auf. Dies
erhöht die Anzahl der Schneidkanten, die Festigkeit der
Schneidkanten und die Steifigkeit des Schaftfräsers, womit in
beträchtlichem Umfang Verschleiß und Abplatzungen an den
Schneidkanten verhindert werden. Der in Drehrichtung des
Schaftfräsers ausgebildete Schraubenlinienwinkel mildert den
während des Fräsvorganges erzeugten Stoß. Dadurch ist der
erfindungsgemäße Schaftfräser in der Lage, Stirnflächen oder
Seiten von harten Werkstücken mit einer
Vorschubgeschwindigkeit zu fräsen, die das mehrfache der Geschwindigkeit
herkömmlicher Schaftfräser beträgt. Darüberhinaus stellt der
erfindungsgemäße Schaftfräser eine überlegene
Oberflächenrauhigkeit des endbearbeiteten Werkstückes sicher. Das
Fräsverfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Schaftfräsers,
der aus herkömmlichen Werkzeugwerkstoffen hergestellt ist,
das heißt Hartmetall mit einer Beschichtung aus einer harten
Substanz, ist somit gut mit Schleif- und Elektroerosionsver-
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TEXT FEHLT