HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen
Stirnfräser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (vgl. EP-A 0 456
253) und auf einen Kugelkopf-Stirnfräser gemäß Anspruch 6,
der bei Werkzeugmaschinen wie Fräsmaschinen und
Bearbeitungszentren verwendet wird.
2. Stand der Technik
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Beim Schneiden von Stahl und anderen üblichen Materialien
unter Verwendung von Werkzeugmaschinen, wie Fräsmaschinen
und Bearbeitungszentren, wird ein in den Fig. 1 bis 3
gezeigter Stirnfräser (im folgenden als "herkömmliches
Werkzeug 1" bezeichnet) als Rotationsschneidwerkzeug verwendet.
Das herkömmliche Werkzeug 1 ist einer der am meisten
verwendeten herkömmlichen Stirnfräser. Die äußeren
Schneidkanten 2 dieses herkömmlichen Werkzeugs 1 haben einen
positiven Spanwinkel θb und der Kerndurchmesser 4 des
Schneidkantenabschneids ist auf ungefähr 60% des
Werkzeugdurchmessers festgesetzt, um große Spantaschen zu bilden und die
Schneidleistung des Werkzeugs zu verbessern.
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Als Stirnfräser zum Schneiden von Werkstücken, wie
Werkzeugstahl, mit einer HRC50 übersteigenden Härte wurde in
der japanischen Patentanmeldung Nr. 3-178M4 ein in den
Fig. 4 und 5 gezeigter Stirnfräser (im folgenden als
"herkömmliches Werkzeug 2" bezeichnet), in den offengelegten
Patentanmeldungen Nr. 2-100727 und Nr. 3-26413 der Anmelder
der vorliegenden Erfindung ein in den Fig. 6 und 7
gezeig
ter Stirnfräser (im folgenden als "herkömmliches Werkzeug
3" bezeichnet) und in der offengelegten Patentanmeldung Nr.
4-159010 ein in den Fig. 8 und 9 gezeigter Stirnfräser (im
folgenden als "herkömmliches Werkzeug 4" bezeichnet)
vorgeschlagen.
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Insbesondere die herkömmlichen Werkzeuge 2 und 3 können
Werkstückmaterialien mit einer Härte von HRC60 oder mehr
schneiden. Diese herkömmlichen Werkzeuge haben einen großen
negativen Spanwinkel θb von -60º bis -30º und einen großen
Hinterdrehwinkel θc auf ihren äußeren Schneidkanten. Das
herkömmliche Werkzeug 4 hat einen negativen radialen
Spanwinkel von -22º bis -5º in den gekrümmten Schneiden seiner
stirnseitigen Schneidkanten, um die Stärke der
stirnseitigen Schneidkanten beim Schneiden von Werkstückmaterialien
mit einer HRC50 oder mehr übersteigenden Härte zu erhöhen.
In den Fig. 1 bis 7 repräsentiert das Bezugszeichen 1 ein
Werkzeug, das Bezugszeichen 3 steht für einen
Werkzeugschaft und das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Spantasche.
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Weil die Einsparung von Arbeitsstunden und Arbeitskraft
angestrebt wird, und da Werkstücke heute eine höhere
Genauigkeit aufweisen müssen, werden hauptsächlich und weit
verbreitet NC-Werkzeugmaschinen, wie Bearbeitungszentren,
eingesetzt. Aus diesem Grund nimmt der Bedarf an Werkzeugen,
die einen zuverlässigen, hochgenauen und effizienten
Bearbeitungsbetrieb gewährleisten, wesentlich zu.
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Im Fall des herkömmlichen Werkzeugs 1 ist die Stärke der
Schneidkanten und die Steifheit des Werkzeugs selbst jedoch
nicht hinreichend, um die vorstehend genannten
Anforderungen zu erfüllen. Wenn das Werkzeug zum
Hochgeschwindigkeits-Schneiden mit schnellem Vorschub verwendet wird,
entstehen starke Vibrationen und verursachen eine Zerspanung
und einen Bruch, was zu einer unbefriedigend bearbeiteten
Oberfläche führt. Das Werkzeug muß deshalb unter
eingeschränkten Schneidbedingungen verwendet werden und weist
eine geringe Schneid-Leistungsfähigkeit auf. Selbst beim
normalen Schneiden müssen die an dem herkömmlichen Werkzeug
1 befestigten, aus eingesetztem Hartmetall (von Natur aus
ein sprödes Material) bestehenden scharfen Kanten bezüglich
der Festigkeit des Werkzeugs noch verbessert werden.
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Beim Schneiden von Werkstücken mit einer HRC50
übersteigenden Härte nutzt das herkömmliche Werkzeug 1 deutlich ab und
kann in der selben Weise wie in dem Fall des vorstehend
erwähnten Hochgeschwindigkeits-Schneidens mit schnellem
Vorschub sehr leicht zerspanen und brechen. Zum Schneiden von
harten Werkstücken sind die herkömmlichen Werkzeuge 2 und 3
erhältlich. Da die äußeren Schneidkanten 2 dieser
herkömmlichen Werkzeuge zur Erfüllung der Anforderungen zum
Schneiden von harten Werkstücken einen großen negativen
Spanwinkel 6b haben, sind diese Werkzeuge in der Schneid-
Leistungsfähigkeit unterlegen und haben einen großen
Schneidwiderstand. Derzeit sind diese Werkzeuge nur bei
einem geringe Frästiefen erfordernden Fräsbetrieb anwendbar,
wie beim Schlichtfräsen. Im Fall des herkömmlichen
Werkzeugs 4 beträgt die Länge seines gekrümmten Abschnitts nur
0,1 bis 0,5 mm, was die Spantasche flach macht. Dieses
Werkzeug ist daher nur bei einem Fräsbetrieb einsetzbar,
der geringe Frästiefen erfordert und kann nicht für
allgemeine Zwecke eingesetzt werden.
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Beim Schneiden von Werkstücken mit einem geringen
Härtegrad, wie Kohlenstoff-Baustahl, werden die Wirkungen der
Eigenschaften solcher Werkstücke auf die Fräswerkzeuge
deutlich. Die herkömmlichen Werkzeuge 2 und 3 haben eine
geringe Fräsleistung und erzeugen ein Rucken auf den
bearbeiteten Oberflächen, wodurch ein Problem sehr
minderwertiger Fräsgenauigkeit verursacht wird. Obwohl das
herkömmli
che Werkzeug 4 auch eine ziemlich schlechte Fräsleistung
aufweist, sind die durch das herkömmliche Werkzeug 4
bearbeiteten Oberflächen weniger durch Rucken betroffen, da
dessen negativer Spanwinkel kleiner ist als der der
herkömmlichen Werkzeuge 2 und 3. Da jedoch dessen stirnseitige
Schneidkanten in eine Hauptschneide und eine Nebenschneide
eingeteilt sind, wird die Stärke der Nebenschneide
verringert und das Werkzeug kann an seinen Ecken zerbröseln, wenn
das Fräsen unter hoher Last durchgeführt wird.
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Diese Zwecke werden durch einen hochsteifen Stirnfräser mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 6 erreicht.
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Die durch eine befriedigendere Bereitstellung der
Eigenschaften von eingesetztem Kohlenstoff-Stahl hergestellten
herkömmlichen Werkzeuge 1 bis 4 können, wie vorstehend
beschrieben, durch Zerbröseln und Bruch Probleme verursachen,
wenn ihre Schneidkanten scharf sind. Falls ihre
Schneidkanten stumpf sind, so werden die Werkzeuge im wesentlichen
zum Schlichtfräsen verwendet. Falls der Spanwinkel einen
Zwischenwert zwischen dem scharfen und dem stumpfen Winkel
ist, d. h. θb = -20º bis 0º, so werden die Besonderheiten
sowohl des scharfen als auch des stumpfen Winkels gemischt
bereitgestellt. Die Werkzeuge mit einem derartig
dazwischenliegenden Schneidenwinkel können bei verschiedenen
Anwendungen eingesetzt werden und befriedigen vielfältige
Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und Leistung.
Gegenwärtig sind diese Dinge jedoch noch nicht hinreichend
untersucht worden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, die vorstehend
erwähnten Probleme zu lösen, insbesondere die vielfältigen
Probleme zu bewältigen, die entstehen, wenn der Grund-
Schneidenwinkel durch Ausnutzung der überragenden
Druckfestigkeit von eingesetztem Kohlenstoff-Stahl negativ gemacht
wird. Es ist insbesondere ein Ziel der Erfindung, einen
hochsteifen Stirnfräser zu schaffen, der in der Lage ist,
verschiedene Werkstücke von solchen mit geringen
Härtewerten bis zu solchen mit hohen Härtewerten zu fräsen und der
auch in der Lage ist, ein hochgenaues und leistungsfähiges
Fräsen durchzuführen.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen auf die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung
eingegangen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Frontansicht des herkömmlichen Werkzeugs
1,
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Fig. 2 ist eine Unteransicht der Fig. 1,
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Fig. 3 zeigt eine entlang der Linie x-x' in Fig. 1
axial aufgenommene senkrechte
Querschneidsdarstellung,
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Fig. 4 ist eine Frontansicht des herkömmlichen Werkzeugs
2,
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Fig. 5 zeigt eine entlang der Linie x-x' in Fig. 4
axial aufgenommene senkrechte
Querschneidsdarstellung,
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Fig. 6 ist eine Frontansicht des herkömmlichen Werkzeugs
3,
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Fig. 7 zeigt eine entlang der Linie x-x' in Fig. 6
axial aufgenommene vertikale
Querschneidsdarstellung,
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Fig. 8 ist eine teilvergrößerte Bodenansicht des
herkömmlichen Werkzeugs 4,
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Fig. 9 ist eine teilvergrößerte Frontansicht von Fig. 8
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Fig. 10 ist eine Frontansicht, welche ein erstes Beispiel
der vorliegenden Erfindung erläutert,
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Fig. 11 ist eine Bodenansicht von Fig. 10,
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Fig. 12 ist eine entlang der Linie x-x' in Fig. 10
axial aufgenommene senkrechte
Querschneidsdarstellung,
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Fig. 13 ist eine teilvergrößerte Ansicht des führenden
Endes der in Fig. 10 dargestellten stirnseitigen
Schneide,
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Fig. 14 zeigt eine Bodenansicht, die ein zweites
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
erläutert,
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Fig. 15 ist eine teilweise axiale Querschneidsdarstellung
der in Fig. 14 gezeigten Hauptschneide,
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Fig. 16 ist eine Bodenansicht eines
Kugelkopf-Stirnfräsers, wobei eines der Werkzeuge als zweites
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
eingeordnet wird,
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Fig. 17 ist eine teilweise Frontansicht von Fig. 16,
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Fig. 18 zeigt eine entlang der Linie x-x' in Fig. 17
axial aufgenommene Querschneidsdarstellung,
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Fig. 19 ist eine Gruppe von Tabellen, welche die
Fräseffekte der vorliegenden Erfindung erklären,
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Fig. 20 ist ein Diagramm, das die Fräseffekte der
vorliegenden Erfindung und diejenigen der herkömmlichen
Werkzeuge 1, 2 und 3 in Bezug auf die Fräslänge
erläutert,
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Fig. 21 ist ein Diagramm, das die Fräseffekte der
vorliegenden Erfindung und diejenigen der herkömmlichen
Werkzeuge 1, 2 und 3 in Bezug auf die Frästiefe
erläutert und
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Fig. 22 ist eine axial aufgenommene
Querschneidsdarstellung, welche die Schneidkanten eines dritten
Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung
erläutert.
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In den Figuren werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um
entsprechende Teile zu benennen.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zur Erreichung der vorstehend erwähnten Zwecke wird der
radiale Spanwinkel θb der äußeren Kanten bei dem Stirnfräser
der vorliegenden Erfindung auf einen negativen Wert im
Bereich von -29º bis 0º gesetzt, so daß das Werkzeug zum
Schneiden von harten Werkstücken verwendet werden kann,
wodurch das Werkzeug Vielzweckeigenschaften auweist.
Zusätzlich werden ungeeignete Einflüsse, wie der aufgrund des
negativen radialen Spanwinkels θb durch die Struktur
verur
sachte erhöhte Fräswiderstand ausgeglichen, indem der
Kerndurchmesser 4 des Werkzeugs im Bereich von 70 bis 90% des
Werkzeugdurchmessers festgesetzt wird. Für eine größere
Fräsleistung wird der Steigungswinkel θa der äußeren
Schneidkanten auf einen oberen Steigungswert im Bereich von
40º bis 80º festgesetzt, um den Fräswiderstand zu verteilen
und dadurch die auf die Schneidkanten ausgeübte Belastung
zu verringern. Außerdem werden die Feldbreite (land width)
der Hinterdrehwinkel und die Zugbreite (flat width) der
äußeren Schneidkanten 2 wie nachfolgend beschrieben so
festgelegt, daß die Synergieeffekte dieser Einstellungen dem
Werkzeug ein hochgenaues und leistungsfähiges Fräsen
verschiedener Werkstücke im Bereich von solchen mit hohen
Härtewerten bis zu solchen mit geringen Härtewerten erlauben.
Obwohl die vorstehend erwähnten Zwecke der Erfindung auch
in befriedigender Weise erreicht werden können, indem der
Spanwinkel θb der äußeren Schneidkanten 2 im Bereich von
-29º bis 0º festgelegt wird, sollte der Spanwinkel θb
insbesondere vorzugsweise als erste Einstellung im Bereich von
-25º bis -10º im axialen vertikalen Querschneid des
Werkzeugs liegen, um deutlichere Effekte zu erhalten. Falls der
Winkel einen negativen Wert einnimmt, der -29º übersteigt,
so wird das Werkzeug der vorliegenden Erfindung den
herkömmlichen Werkzeugen 2 und 3 gleichwertig. In diesem Fall
fehlen dem Werkzeug Vielzweckeigenschaften und es kann nur
zum Schlichtfräsen verwendet werden. Falls der Winkel einen
positiven Wert oberhalb 0º annimmt, so entspricht das
Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung dem herkömmlichen
Werkzeug 1. Der Winkel wird daher in einem Bereich zwischen
-29º und 0º festgelegt.
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Als zweite Festlegung sollte der Kerndurchmesser 4 dicker
gemacht werden, um eine größere Steifheit zu erreichen.
Obwohl der Kerndurchmesser 4 des herkömmlichen Werkzeugs 1
ungefähr 60% des Werkzeugdurchmessers beträgt, wird der
Kerndurchmesser 4 bei dem Werkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung wie bei den herkömmlichen Werkzeugen 2, 3 und 4
auf ungefähr 80% des Werkzeugdurchmessers erweitert. Unter
Berücksichtigung der Abmessungen der Spantasche 5 wird der
Kerndurchmesser 4 im Bereich von 70 bis 90% des
Werkzeugdurchmessers festgelegt. Falls der Prozentwert kleiner als
70% ist, so weist das Werkzeug eine unzureichende
Steifheit und minderwertige Fräsleistung auf. Falls der
Prozentwert 90% übersteigt, so wird der Platz in der Spantasche 5
relativ verkleinert, was eine gleichmäßige Spanentfernung
verhindert. Der Kerndurchmesser 4 des Werkzeugs gemäß der
vorliegenden Erfindung wird deshalb in einem Bereich von 70,
bis 90% festgelegt.
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Aus den folgenden Gründen kann sogar eine flache Spantasche
Späne in befriedigender Weise entfernen, obwohl die
Spantasche 5 durch, eine Verbreiterung des Kerndurchmessers 4
flacher wird. Da der grundlegende Verlauf der Schneidkante
negativ ist, werden die Späne von der Schneidkante
abgeschert. Die Späne können sogar dann geeignete Formen
aufweisen und gleichmäßig von dem Werkzeug getrennt werden,
wenn die Spantasche 5 flacher ist als diejenige, die sich
in einem Werkzeug mit einem positiven Spanwinkel θb bildet,
wie er im Fall des herkömmlichen Werkzeugs 1 vorliegt. Da
die Späne nahezu entgegensetzt der Vorschubrichtung des
Werkzeugs abgeführt werden, tritt darüber hinaus kein
Festsetzen von Spänen auf. Das Werkzeug kann deshalb Werkstücke
in radialer Richtung mit verschiedenen Frästiefen fräsen,
wobei befriedigende Vielzweckeigenschaften aufrechterhalten
werden.
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Als dritte Einstellung wird der Steigungswinkel θa der
äußeren Schneidkanten 2 auf einen hohen Steigungswert im
Bereich von 40º bis 60º festgelegt, um den Fräswiderstand der
Kanten zu verteilen und die Belastung darauf zu mindern.
Der große Steigungswinkel wird durch Erhöhung der
Kontaktlänge der Schneidkanten erreicht. Obwohl in diesem Fall der
von dem Stirnfräser aufgenommene Gesamtwiderstand zunimmt,
kann der erhöhte Widerstand durch Verbreiterung des
Kerndurchmessers 4 in befriedigender Weise ausgeglichen werden.
Falls der Steigungswinkel θa geringer als 40º ist, so wird
die auf die äußeren Schneidkanten 2 ausgeübte Last größer
und die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs wird unbeständig.
Falls der Steigungswinkel 60º übersteigt, so wird der Raum
in der Spantasche 5 relativ kleiner, was möglicherweise
eine ungleichmäßige Spanentfernung verursachen kann. Der
Steigungswinkel wird deshalb im Bereich von 40º bis 60º
festgesetzt.
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Als vierte Festlegung werden der Rand 6, der Steg (land) 13
und der Hinterdrehwinkel θc1 der in Fig. 22 gezeigten
äußeren Schneidkanten wie erforderlich eingestellt und die
exzentrische Hinterdrehung 11 erhält auf der
Hinterdrehoberfläche zweistufige Hinterdrehoberflächen 11, 12, um die
Stärke der Schneidkanten zu erhöhen.
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Im Fall des herkömmlichen Werkzeugs 1 stößt die Erhöhung
der Stärke der Schneidkanten durch Verbreiterung der
Hinterdrehoberflächen an eine Grenze, da der Spanwinkel θb
positiv ist. Im Fall der vorliegenden Erfindung wird die
Fräskraft auf die Spanflächen der Schneidkanten ausgeübt,
da der Spanwinkel θb negativ ist. Ein Zerbröseln oder
Brechen tritt deshalb dann kaum auf, wenn eine Aufprallkraft
auf die äußeren Schneidkanten ausgeübt wird. Darüber hinaus
übersteigt der zwischen der Spanfläche und der
Hinterdrehfläche gebildete Winkel θd (im folgenden als
"eingeschlossener Winkel" bezeichnet) 90º, wie in Fig. 22 gezeigt, und
wird größer als der eingeschlossene Winkel (ungefähr 70º)
des herkömmlichen Werkzeugs 1. Bei dem Werkzeug gemäß der
vorliegenden Erfindung können die Schneidkanten deshalb
eine hinreichende Dicke und eine erhöhte Stärke aufweisen.
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Falls die Randbreite zur Verbreiterung der Schneidkanten
wie in Fig. 22 festgelegt ist, so werden die verbreiterten
Schneidkanten und die Steife des Werkzeugs selbst
kombiniert, um selbst unter hoher Belastung die Entstehung von
Abfall und Bruch zu verringern, wodurch eine überlegene
Fräsleistung erreicht wird. Selbst unter einer größeren
Belastung kann eine befriedigende Fräsleistung erhalten
werden, indem erste und zweite Hinterdrehflächen 11, 12
vorgesehen werden, um die Randbreite 60 auf ungefähr 0,05 mm
festzulegen oder indem ein Hornabschnitt (horning section)
festzulegen oder indem ein Hornabschnitt (horning section)
von 0,002 bis 0,03 mm auf den äußeren Schneidkanten 2
vorgesehen wird (nicht dargestellt).
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Als fünfte Festlegung wird der Spanwinkel θb aus Sicht der
Bodenfläche der stirnseitigen Schneide 20 wie vorstehend
beschrieben im Bereich von -29º und 0º festgesetzt, während
die Zugbreite (flat width) 15 der stirnseitigen Schneiden
im Bereich von 0,1 bis 3 mm festgelegt wird, wie in Fig. 13
gezeigt ist. Die Zugbreite 15 ist auch bei den
herkömmlichen Werkzeugen 1 und 4 vorgesehen, um die Stärke der
stirnseitigen Schneiden 20 zu erhöhen. Da besonders bei dem
Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung der
Steigungswinkel vergrößert ist, wird die Zugbreite (flat width) 15 in
dem vorstehend erwähnten Bereich festgelegt, um die Stärke
der stirnseitigen Schneiden 20 zu erhöhen, die als
Abschneide für den Fräsbeginn verwendet werden. Insbesondere
weil die Festigkeit der stirnseitigen Schneiden des
Werkzeugs wichtig für Hochlastfräsen wie Fräsen mit großer
Vorschubrate ist, geht die Wirkung der vorgesehenen flachen
Bereiche verloren, wenn die Zugbreite (flat width) kleiner
als 0,1 mm ist. Die Zugbreite wirckdeshalb im Bereich von
0,1 bis 0,3 mm festgesetzt.
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Als sechste Festlegung wird der in Fig. 15 gezeigte
Zahnlückenwinkel θg eingestellt, um die Anforderungen beim
vertikalen Fräsen zu erfüllen. Bei dem Fräsbetrieb der
herkömmlichen Werkzeuge 2, 3 und 4 werden im wesentlichen die
äußeren Schneidkanten 2 zum Fräsen verwendet. Um
Vielzweckeigenschaften aufzuweisen, wird von dem Werkzeug gemäß der
vorliegenden Erfindung jedoch neben dem vertikalen Fräsen
auch die Verwendung zum horizontalen Fräsen gefordert.
Falls der Zahnlückenwinkel θg in den Bereich von 20º bis
45º vergrößert wird, lassen sich ausreichende Zwischenräume
zur Spanentfernung selbst beim Vertikalfräsen erhalten,
indem die Länge der Hauptschneide der stirnseitigen Schneiden
im Bereich des 0,2-fachen bis 0,4-fachen des
Werkzeugdurchmessers festgesetzt wird. Zu diesem Zweck werden der
Zahnlückenwinkel θg und die Schneidkantenlänge der
Hauptschneide der stirnseitigen Schneiden kombiniert, so daß der Raum
zur Entfernung von Spänen in befriedigender Weise erhalten
werden kann, indem der Zahnlückenwinkel θg im Bereich von
20º bis 45º und die Schneidkantenlänge der Nebenschneide 7
im Bereich des 0,2- bis 0,4-fachen des Werkzeugdurchmessers
festgesetzt wird. In Fig. 14 repräsentiert Nummer 8 die
Hauptschneide der stirnseitigen Schneiden und Nummer 16
eine Spanlückenfläche (gash face).
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Im Rahmen einer siebten Festlegung kann eine größere
Wirkung erzielt werden, indem ein Werkzeugmaterial verwendet
wird, das aus hochfeinen Partikeln aufgekohlten
Kohlenstoffstahls besteht, der mit einer dünnen harten Schicht
überzogen ist. Aufgrund der hervorragenden
Kontakteigenschaften zwischen den hochfeinen Partikeln aus aufgekohltem
Kohlenstoffstahl und der harten dünnen Schicht, dem
gerin
gen Reibungswiderstand und der hervorragenden
Schweißeigenschaften der harten dünnen Schicht und wegen der Form des
Werkzeugs, bei dem die Späne aufgrund der Festsetzung des
Spanwinkels auf einen negativen Wert von der Spanfläche
angenommen werden, tritt kaum ein Ausschleifen oder eine
Abtrennung der harten dünnen Schicht auf. Als harte dünne
Schicht werden feste Pulver, Mischungen davon oder feste
Lösungen aus Al, Si, Kohlenstoffmetallen, Nitriden, Oxiden
und Boriden bzw. in die Gruppen 4b, 5b und 6b des
Periodensystems eingeordnete Übergangsmetalle, Borcarbid, harte
Bornitride und harte Kohlenstoffmetalle auf den Stirnfräser
in einer, zwei oder mehreren Lagen mit einer Dicke von 0,2
bis 20 um aufgetragen. Insbesondere kann eine TiN-Schicht
in befriedigender Weise verwendet werden, die in den
praktischen Gebrauch gelangt ist. Zur Erhöhung des
Reibungswiderstandes kann jedoch beispielsweise auch eine TiCN und
TiN-AlN enthaltende Schicht in befriedigender Weise
verwendet werden, vorausgesetzt, daß die harte dünne Schicht eine
geringere Bindungskraft zu den Spänen hat.
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Die vorstehend erwähnte Beschreibung kann auch auf
Grobstirnfräser, Kugelstirnfräser, spitz zulaufende Fräser und
Bohrwerkzeuge angewendet werden, indem die Eigenschaften
des Stirnfräsers der vorliegenden Erfindung, nämlich hohe
Steifigkeit und eine hervorragende Fähigkeit zur
Spanentfernung, ausgenutzt werden, obwohl vorstehend rechteckige
Stirnfräser als Ausführungsbeispiel beschrieben wurden.
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Ein Grobstirnfräser, insbesondere ein Grobstirnfräser aus
aufgekohltem Kohlenstoffstahl, weist beispielsweise eine
unzureichende Festigkeit auf und kann Probleme des
Zerspanens und Bruchs verursachen, unabhängig davon, ob die
Schneidkanten einen vorzeichenförmigen Verlauf (sign-curve)
aufweisen oder eine Einkerbung (nick) haben. Gegenwärtig
werden Wegwerf-Schneidkanten in den praktischen Gebrauch
gebracht, die selbst dann ersetzt werden können, wenn sie
gebrochen sind. Der hochsteife Stirnfräser gemäß der
vorliegenden Erfindung weist eine hohe Steifigkeit auf und
führt die Späne in einer anderen Richtung ab als andere
Stirnfräser. Wenn man die Bruchbedingungen der
Schneidkanten sorgfältig untersucht, so stellt man deshalb fest, daß
sich unbedeutende Zerspanungen hauptsächlich in den
Bereichen häufen, in denen die Schneidkanten den kraterförmigen
Verschleißstellen am nächsten kommen, wenn der Spanwinkel
positiv ist, und daß in diesen Bereichen Risse auftreten,
was zu einer Zerspanung und einem Bruch der Schneidkanten
führt. Die Zerspanung und der Bruch kann jedoch verhindert
werden, indem die Abführungsrichtung der Späne geändert
wird, d. h. indem der kraterförmige Verschleiß der
vorzeichenförmigen (sign-curve) Schneidkanten verringert wird und
indem ihnen beispielsweise eine konkave Form gegeben wird,
wodurch die Standzeit der Schneidkanten verlängert wird.
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Durch Ausnutzung der hohen Steifigkeit des in Fig. 16
gezeigten Werkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein
Kugelkopf-Stirnfräser sogar dann einen dauerhaften
Fräsvorgang durchführen, wenn das Ausmaß des Werkzeugvorsprungs
groß ist. Letztlich kann das Werkzeug eine hinreichende
Festigkeit aufweisen und sogar in den Bereichen mit geringer
Geschwindigkeit nahe dem Rotationszentrum einen dauerhaften
Fräsvorgang durchführen, indem die Kugelkopf-Schneidkanten
in einer im allgemeinen kreuzenden, f-förmigen Form
hergestellt werden, bei welcher der Spanwinkel θb auf einen
negativen Wert festgesetzt ist und indem die ansteigenden
Teile der Nuten 14 nahe dem Rotationszentrum vorgesehen
werden, wie in Fig. 15 und 16 gezeigt ist. Da die
Kugelkopf-Schneidkanten die im allgemeinen kreuzende, f-förmige
Gestalt aufweisen, können die Schneidkanten weiterhin
selbst in den Bereichen mit geringer Geschwindigkeit eine
ausreichende Festigkeit aufweisen, indem die Kugelkopf-
Schneidkanten der äußeren Schneidkanten 2 gleichmäßig
verbunden werden und in den Ausbauchungen 9 in Bereichen der
Kugelkopf-Schneidkanten vorgesehen werden, die 15 bis 35%
des Werkzeugdurchmessers entsprechen und die an diesen
Positionen eine Rundung von 40º bis 50º R der Kugelkopf-
Schneidkanten aufweisen und indem ein Mittelpunktabstand
(center width) 10 vorgesehen wird, wie in den Fig. 16, 17
und 18 gezeigt ist.
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Da ein Bohrwerkzeug für einen Fräsbetrieb eingesetzt wird,
der eine größenmäßige Genauigkeit nach Beendigung der
Bohrung erfordert, wird dessen Spanwinkel auf einen positiven
Wert festgesetzt (0º bis 10º). Der Steigungswinkel wird
oftmals auf einen Wert von ungefähr 10º festgelegt, um
Vibrationen zu vermeiden. Ein derartiges Bohrwerkzeug hat die
üblichen Probleme. Kanten, die sich aufgebaut haben, können
sich an dem Werkzeug wegen des positiven Spanwinkels
anlagern und das Werkzeug sowie das Werkstück können sich
elastisch verformen. Durch Anwendung des negativen Spanwinkels
gemäß der vorliegenden Erfindung und durch einen Überzug
des Werkzeugs kann das Werkzeug jedoch einen verringerten
Reibungs- und Fräswiderstand aufweisen. Durch Erhöhung der
Steifheit des Werkzeugs kann zusätzlich die
Ausdehnungstoleranz des Bohrwerkzeugs verringert werden und selbst wenn
das Bohrwerkzeug beim Nachbohren eines zuvor gebohrten
groben Rohres mit einer Abweichung abgelenkt wird, wird das
Bohrwerkzeug daran gehindert, der Abweichung des Loches
nachzufolgen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme
auf die folgenden Ausführungsbeispiele erläutert:
Ausführungsbeispiel
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Die Fig. 10 bis 12 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das in den Figuren dargestellte
Werkzeug ist ein rechtsdrehender Stirnfräser mic einer
rechtsläufigen Spirale, einem Werkzeugdurchmesser von 8 mm
und sechs Schneiden, die mit einer harten dünnen Schicht
aus TiN beschichtet sind. Die Span- und Freiwinkel der
äußeren Schneidkanten in der senkrecht zur Achse
verlaufenden Richtung betragen -20º bzw. 10º. Der Kerndurchmesser im
Bereich der Kanten ist auf 85% des Werkzeugdurchmessers
ausgelegt, d. h. 6,8 mm, und der Steigungswinkel der äußeren
Schneidkanten ist auf 50º festgesetzt.
Test 1
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Fig. 19 bis 21 zeigen die Ergebnisse eines Tests bezüglich
der Fräsleistung zwischen den herkömmlichen Werkzeugen 1, 2
und 3 und dem Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 19 zeigt die Ergebnisse eines Schlichtfräsens, bei dem
gehärteter und getemperter Werkzeuglegierungsstahl SKD61 (C
0,32 - 0,42%, Cr 4,50 - 5,50%, Mo 1,0-1,5%, V 0,80-
1,20%) mit einer Härte HRCSS als Werkstück verwendet
wurde. Sowohl die Rechteckigkeit als auch die maximale
Oberflächengenauigkeit des mit dem Werkzeug der vorliegenden
Erfindung gefrästen Werkstücks betrugen weniger als 3 um.
Insbesondere die Rechteckigkeit war hochgenau: ungefähr die
Hälfte der von den herkömmlichen Werkzeugen erreichten
Rechteckigkeit. Die von dem Werkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung erzielten Ergebnisse waren hervorragend, ohne daß
eine Verwindung oder ein Buckeln verursacht wurden.
Test 2
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Fig. 20 zeigt die Ergebnisse eines Standzeittests unter
Verwendung von Carbonstahl JIS S50C (C 0,45 - 0,55% und
andere unreine Bestandteile) mit einer Härte von HB180 als
Werkstück. Wie aus der unten gezeigten Tabelle 1 hervor
geht, wurde dieser Test mit einer Leistung durchgeführt,
die ungefähr 10 Mal so hoch ist, wie die unter normalen
Fräsbedingungen von herkömmlichen Werkzeugen auftretende
Belastung, d. h. bei einer Spindelgeschwindigkeit von 8000
Upm und einer Tisch-Vorschubrate von 7200 mm/min. Selbst
nachdem das Werkzeug zum Fräsen einer Länge von 200 m
eingesetzt wurde, war der maximale Verschleiß an der
Hinterdrehfläche des Werkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung
nicht größer als 0,05 mm. Es wurde bestätigt, daß das
Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung den herkömmlichen
Werkzeugen weit überlegen war.
Tabelle 1
Bemerkung:
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Werkzeugdurchmesser: 8 mm
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Werkstückmaterial: JIS 550C
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(getempertes HB180)
Test 3
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Weiterhin zeigt Fig. 21 die Ergebnisse eines Grenzwerttests
für die Frästiefe, bei dem gehärteter und getemperter
Werkzeuglegierungsstahl JIS SKD61 mit einer Härte von HRC55 als
Werkstück verwendet wurde. Bei einer allmählichen
Steigerung der Frästiefe in radialer Richtung der getesteten
Werkzeuge wurde der Beschädigungszustand des Werkzeugs und
der Oberflächenzustand des Werkstücks untersucht. Das für
diesen Test verwendete herkömmliche Werkzeug wurde
zerspant, wenn die Frästiefe 40% des Werkzeugdurchmessers
erreichte. Entgegengesetzte Effekte, wie eine angegriffene
Schicht, wurden auf den getesteten Werkstücken erfaßt. Das
erfindungsgemäße Werkzeug war selbst bei einer Frästiefe
von 50% des Werkzeugdurchmessers in der Lage, ohne
Probleme das Fräsen durchzuführen. Die von dem erfindungsgemäßen
Werkzeug bearbeiteten Oberflächen des Werkstücks waren
einwandfrei.
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Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des Grenzwerttests für die
Frästiefe, bei dem gehärteter und getemperter
Werkzeuglegierungsstahl JIS SKD61 mit einer Härte von HRCSS als
Werkstück verwendet wurde und bei dem die Randbreite (margin
width) und der Freiwinkel des getesteten Werkzeugs
verändert wurden. Die Schneidgeschwindigkeit wurde auf 40 m/min
und die Vorschubrate auf 0,04 mm pro Schneide festgelegt.
Nach dem Fräsen einer einheitlichen Länge (1 m) wurde die
Frästiefe in radialer Richtung erhöht und der
Schadenszustand des getesteten Werkzeugs sowie der bearbeiteten
Werkstückoberfläche untersucht. Bei einer Randbreite (margin
width) von 0 verursachten selbst die Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Werkzeugs Zerspanung und Bruch bei
einer radialen Frästiefe von 4 mm (0,5 D). Durch
Bereitstellung eines gewissen Randes konnten die
erfindungsgemäßen Werkzeuge den Fräsvorgang selbst bei einer Frästiefe
von 50% des Werkzeugdurchmessers ohne Probleme
durchführen. Die Oberflächen des von dem Werkzeug gemäß der
vorliegenden Erfindung bearbeiteten Werkstücks waren einwandfrei.
Tabelle 2
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(Bemerkung) o: Stabiler Fräszustand
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i: Instabiler Fräszustand (Zerspanung)
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x: Fräsen unmöglich (Bruch)
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Der hochsteife Schaftfräser gemäß der vorliegenden
Erfindung war - wie vorstehend beschrieben - in der Lage, eine
Vielzahl von Werkstücken mit hoher Leistungsfähigkeit und
Genauigkeit zu fräsen, die im Bereich von solchen
Materialien mit geringen Härtegraden, wie Kohlenstoffbaustahl, bis
zu solchen Materialien mit einem HRC55 übersteigenden
Härtegrad, wie gehärtetem Gesenkstahl, lagen. Außerdem weisen
die Schneidkanten des Werkzeugs gemäß der vorliegenden
Erfindung eine große Festigkeit auf und das Werkzeug selbst
ist hochsteif. Da das Werkzeug eine hervorragende
Schneidleistung aufweist, ist es bei einer deutlich verlängerten
Standzeit überdies sehr effektiv, erreicht eine hohe
Frässtabilität und erhöht im großen Maße dessen
Zuverlässigkeit.