WO2007019827A1

WO2007019827A1 - Zerspanungswerkzeug

Info

Publication number: WO2007019827A1
Application number: PCT/DE2006/001408
Authority: WO
Inventors: Markus Heinloth; Helmut Klein
Original assignee: Kennametal Widia Produktions Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2007-02-22
Also published as: DE112006002755A5; DE202005012862U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug mit einem um seine Längsachse drehbaren Werkzeughalter (10), an dessen Stirnseite ein Schneideinsatz (12) mittels einer Spannschraube (13) befestigt ist, die eine zentrale Bohrung (25) des Schneideinsatzes durchgreift und die in einer gegen eine längsaxiale Verschiebung gesicherten Hülse (11 ) mit einem Innengewinde eingeschraubt ist. Erfindungsgemäß weist die Hülse (11 ) oder deren stiftförmige Verlängerung (15) im Außenmantel eine Ausnehmung (16) auf, in die im Spannzustand ein lösbar im Werkzeugträger (10) befestigtes Sicherungselement eingreift.

Description

Zerspanunqswerkzeuq

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug mit ein um seine Längsachse drehbar antreibbaren Werkzeughalter, an dessen Stirnseite ein Schneideinsatz mittels einer Spannschraube befestigt ist, die eine zentrale Bohrung des Schneideinsatzes durchgreift und die in einer gegen eine längsaxiale Verschiebung gesicherten Hülse mit einem Innengewinde eingeschraubt ist.

Ein solches Zerspanungswerkzeug wird prinzipiell in der WO 2005/021191 A2 beschrieben. In diesem Dokument wird von der Überlegung ausgegangen, dass bei Drehoperationen, bei denen das Schneidwerkzeug bis auf den Werkzeugvorschub stationär angeordnet ist und das Werkstück um seine Längsachse gedreht wird, am Zerspanungsort, d. h. dort wo die aktive Schneide am Werkstück angreift, hohe Temperaturen entstehen, die häufig dazu führen, dass bereits vor der Fertigstellung des Werkstückes der Schneideinsatz verschlissen ist, etwa durch Kantenausbrüche, Kerbenverschleißausbildung oder sonstige Deformationen. Um diese Effekte zu vermeiden, wird in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, Schneideinsätze mit einer kreisförmigen Schneidkante zu verwenden, die auf einem Werkzeughalter stirnseitig befestigt sind, der über eine Spindel um seine Längsachse drehbar angetrieben wird. Die Zerspanungsoperation wird hierbei unter gleichzeitiger Drehung sowohl des Werkstückes, das um seine Längsachse rotiert, als auch des um seine Längsachse rotierenden Schneidwerkzeuges durchgeführt, wobei die jeweiligen Drehachsen im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Durch die Drehung des Schneideinsatzes wird die thermische Belastung an der Schneidkante minimiert, da momentan jeweils nur ein Teil der kreisrunden Schneidkante aktiv im Eingriff ist, so dass die übrigen Teile kontinuierlich bis zum Wiedereingriff abkühlen können. Durch die insgesamt niedrigere Temperatur an der Schneidkante können unter idealen Bedingungen höhere Zerspanungsleistungen mit einem Schneideinsatz und damit geringere Werkkosten erreicht werden.

Die stirnseitige Anordnung einer rotierend geführten runden Schneidplatte hat gegenüber einem konventionellen Drehverfahren auch den Vorteil, dass die bei konventionellen Drehprozessen üblichen hohen Biegekräfte und daraus resultierende Vibrationen des Werkzeughalters vermieden werden. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Hauptkräfte beim Zerspanen längsaxial auf den Schneideinsatz und den Werkzeughalter wirken.

In einem konkreten Ausführungsbeispiel der WO 2005/021191 wird ein Werkzeughalter beschrieben, der in einer Spindel montiert ist, die den Werkzeughalter um seine Längsachse rotierend antreibt. Die Rotationsgeschwindigkeit kann variiert werden. An der freien Stirnseite des Werkzeughalters ist ein Schneideinsatz mit kreisrunder Schneidkante befestigt. Dieser Schneideinsatz besitzt eine Spanfläche, die nach außen durch die bereits erwähnte kreisrunde Schneidkante begrenzt wird, eine parallel zur Spanfläche angeordnete Auflagefläche und eine diese beiden Flächen verbindende Freifläche, die entweder unter einem O°-Freiwinkel oder einem positiven Freiwinkel angeordnet sein kann. Ein neutraler Freiwinkel eröffnet u. U. die Möglichkeit, dass auch die Auflagefläche als Spanfläche ausgebildet sein kann, so dass beim Schneideinsatz insgesamt zwei 360°-Schneidkanten zur Verfügung stehen. Der Schneideinsatz besitzt ferner ein zentrales Befestigungsloch, das von einer Spannschraube durchgriffen wird. Diese Spannschraube greift in eine Spanhülse ein, die ein Innengewinde besitzt. Beim Einschrauben der Spannschraube expandiert der äußere Spanhülsendurchmesser, wodurch die vorstehenden Außenmantelflächen der Spanhülse gegen eine Bohrungsinnenwand des Werkzeughalters gepresst werden.

Zur Sicherung des Schneideinsatzes gegen Relativdrehungen um die Werkzeuglängsachse gegenüber dem Werkzeughalter muss entweder über die Spannschraube ein hinreichender Reibungsschluss zwischen der ringförmigen Auflagefläche und der ringförmigen Stirnfläche des Werkzeughalter erzeugt werden oder es müssen andere Geometrien gewählt werden, die eine Rotationshinderung bewirken. Bei einer konkreten Ausführungsform des Schneideinsatzes und des Werkzeughalters nach WO 2005/021191 sind dies äquidistant in der Werkzeughalterring-Stirnfläche angeordnete Kerben in Verbindung mit korrespondierend angeordneten, entsprechend großen Vorsprüngen an der Unterseite des Schneideinsatzes. Im Spannzustand des Schneideinsatzes greifen diese Vorsprünge in die Nuten ein (bei i. Ü. gegebener Plananlage der aneinander liegenden Ringflächen des Schneideinsatzes und des Werkzeughalter). Über die Anordnung dieser Nuten und Vorsprünge, die prinzipiell auch zur Indexierung von Schneideinsätzen grundsätzlich bekannt ist, wird zwar eine geometrische Überbestimmung geschaffen, der jedoch durch geeignet gewählte Fertigungstoleranzen, Spielfreiheit oder Werkstoffnachgiebigkeiten bei Flächenpressungen Rechnung getragen werden soll.

Wie in der WO 2005/021191 beschrieben, können auch andere Schneideinsätze mit ovaler Schneidkante, achteckige Schneieinsätze o. ä. Schneidkantenprofile verwendet werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Sicherung des Schneideinsatzes gegen eine längsaxiale Verschiebung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hülse oder deren stiftförmige Verlängerung im Außenmantel eine Ausnehmung aufweist, in die im Spanzustand ein lösbar im Werkzeugträger befestigtes Sicherungselement eingreift. Drohende Lockerungsbewegungen der Hülse im Werkzeugträger, wie sie etwa bei einer Spreizhülse nicht ausgeschlossen werden können, werden so wirksam vermieden. Der Schneideinsatz ist durch diese Maßnahme wirksam auch bei hohen Zentrifugalkräften gesichert. Durch die Hülse wird auch die Gefahr eliminiert, dass der Schneideinsatz in Folge der bei der Zerspanung auftretenden Wärmeentwicklung mit dem Werkzeugträger eine unlösbare Verbindung eingeht. Auch die Bruchgefahr aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Schneideinsatzes (z. B. Hartmetall) und des Werkzeugträgers (z. B. Stahl) wird minimiert. Vorzugsweise besteht die Ausnehmung aus einer Kerbe mit zwei in einem Winkel > 90° zueinander stehenden ebenen Flächen. Diese Ausgestaltung lässt sich fertigungstechnisch preiswert herstellen.

Als Sicherungselement wird nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Schraube verwendet, die in eine Gewindebohrung des Werkzeugträgers lösbar eingeschraubt ist. Die Sicherung wird herbeigeführt, indem die Schraube soweit in die vorgesehene Bohrung des Werkzeugträgers eingeschraubt ist, bis die Stirnseite der Schraube an einer der genannten ebenen Fläche anliegt. Die Schraube hat den Vorteil, dass die Sicherung leicht gelöst werden kann.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung besitzt der Schneideinsatz an seiner unteren ringförmigen Auflagefläche Ausnehmungen, die mit Vorsprüngen korrespondieren, welche die ringförmige Stirnfläche des Werkzeughalters besitzt, so dass im Spanzustand der Schneideinsatz gegenüber dem Werkzeughalter gegen eine Rotation um seine Längsachse gesichert ist. Die Ausnehmungen können beliebig geformt sein, wobei aus fertigungstechnischen Gründen Nuten mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt bevorzugt werden. Die Nutenbreite und die Nutentiefe müssen in Verbindung mit den Vorsprüngen so gewählt werden, dass eine stabile Rotationssicherung gewährleistet ist. Vorzugsweise werden vier Ausnehmungen und vier Erhebungen jeweils kreuzweise an den sich gegenüberliegenden Ringflächen gewählt. Soweit die Ausnehmungen eine Nutenform haben, sollte vorzugsweise deren Breite >0,25 D sein, wobei D der Schneideinsatzdurchmesser ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind nutförmige Ausnehmungen auch auf der Spannfläche vorgesehen und zwar vorzugsweise zwei bis vier Ausnehmungen in einem äquidistanten Winkelabstand. Diese Ausnehmungen dienen im Wesentlichen dazu, die entstehenden Späne frühzeitig zu brechen, d. h. die Entstehung von langen Spänen zu vermeiden. Um die Fertigungsmöglichkeiten, insbesondere bei der Bearbeitung einer Kurbelwelle, die beim Zerspanen um ihre Längsachse rotiert, zu optimieren, ist weiterhin vorgesehen, dass der Werkzeughalter um +/- 5° aus der zum vorgesehenen Vorschub orthogonalen Längsachse schwenkbar ist. Insbesondere wird hierdurch erreicht, dass die gesamte Schneide des Schneideinsatzes ausgenutzt wird und kein Schneideinsatzabschnitt ungenutzt bleibt.

Nach einer Ausfertigung der Erfindung besitzt der Schneideinsatz eine entlang der Schneidkante verlaufende Fase mit einem Fasenwinkel von -10° bis -30°, vorzugsweise -10° bis -25°, und einer Fasenbreite von 0,2 bis 0,3 mm. Die Fase dient im Wesentlichen der Schneidkantenstabilisierung.

Bevorzugte Spannwinkel des Schneideinsatzes liegen zwischen 10° und 20°, wobei der sich zur Spanflächenmitte hin erstreckende und an die Fase anschließende Spanflächenbereich unter Ausbildung einer Spanformnut konkav gewölbt ist, vorzugsweise unter einem Radius zwischen 2 bis 5 mm. Diese Maßnahme dient im Wesentlichen der Spanlenkung und der Erzeugung eines frühzeitigen Spanbruches. Der Freiwinkel wird vorzugsweise mit 7° bis 10° positiv gewählt.

Neben der bereits genannten Fase und/oder Spanformnut kann die Spanfläche alternativ oder zusätzlich auch erhabene oder abgesenkte Spanformelemente ausweisen, insbesondere Rippen, die sich sternförmig und mit ihrer Längsachse jeweils radial zur Schneidkante bzw. der Schneidkantentangente erstrecken. Durch solche erhabenen Spanformelemente erhält der Spanformquerschnitt eine wellige Form, die den frühzeitigen Spanbruch begünstigt.

Wie grundsätzlich nach dem Stand der Technik bekannt, können sämtliche für Schneideinsätze bekannten Materialien wie Hartmetalle, Cermets, unbeschichtet oder beschichtet verwendet werden. Die Beschichtung besteht entweder aus einem Hartstoff, der ein Nitrid, Carbonitrid, Carbid, Oxyd, Oxydcarbonitirid eines Metalls oder Aluminiumoxyd sein kann. Alternativ kommen auch Diamantbeschichtungen in Betracht. Die Erfindung wird im Weiteren anhand der Zeichnung erläutert, die in einer Explosionsdarstellung ein erfindungsgemäßes Zerspanungswerkzeug zeigt.

Die wesentlichen Teile des Zerspanungswerkzeugs sind der Werkzeughalter 10, die Hülle 11 sowie der Schneideinsatz 12, der mit einer Spannschraube 13 über die Hülse im Werkzeugträger 10 befestigt wird., Die Hülse 10 besitzt hierzu einen Außendurchmesser, der deutlich kleiner als der Außendurchmesser des Schneideinsatzes 12 mit kreisförmiger Schneidkante ist. Die Hülse 11 weist eine ringförmige Stirnseite 14 auf, die an einer Ringebene an der Unterseite des Schneideinsatzes anliegt. Die Hülse 11 besitzt ferner eine stiftförmige Verlängerung 15 mit einer Ausnehmung 16 an ihrem Außenmantel, die aus zwei ebenen Flächen 16', 16" gebildet wird, die etwa in einem Winkel von 90° zueinander geneigt sind. Der Stift 11 ist in eine zentrale Bohrung 17 des Werkzeughalters einführbar, deren Tiefe mindestens so groß wie die Länge des Stiftes ist. In diese Bohrung 17 mündet eine schräg liegende Gewindebohrung 18 zur Aufnahme einer Schraube 19 als Sicherungselement. Die Schraube 9 wird nach Einschieben der Hülse 11 mit Verlängerung 15 und deren Ausrichtung so weit eingeschraubt, bis die Schraubenunterseiten an die Fläche 16' anstößt. Durch die Neigung der Längsachse der Bohrung 18 ist gewährleistet, dass die Verlängerung 15 mit Hülse 11 in längsaxialer Richtung gesichert ist.

Die Hülse 11 besitzt ferner ein Innengewinde, das zur Aufnahme der Spannschraube 13 dient, die den Schneideinsatz 12 festklemmt. Der Schneideinsatz 12 besitzt an seiner Unterseite vier Ausnehmungen 20, welche die Form von Nuten mit rechtwinkligem Querschnitt haben. Korrespondierend zu dieser Querschnittsform sind Vorsprünge 21 an der Stirnseite des Werkzeughalters ausgebildet. Diese Nuten 20 und die Vorsprünge 21 erlauben bei einem Aufsetzen des Schneideinsatzes 12 eine rotationssichere Fixierung des Schneideinsatzes auf dem Werkzeugträger. Die zwischen den Ausnehmungen liegenden Flächenbereiche 22 sowie die zwischen den Vorsprüngen 21 liegenden Flächenbereiche 23 liegen jeweils in einer Ebene und kommen im Spanzustand zur gegenseitigen Plananlage. Der Schneideinsatz weist entlang der gesamten Schneidkante eine Fase 24 auf, die im konkreten Ausführungsbeispiel um 10° bzw. 25° geneigt ist. An diese Spanfläche in Richtung auf das Befestigungsloch 25 schleißt sich eine Spanformnut 26 an, die beispielsweise einen Radius von 3 bis 5 mm aufweisen kann. In dieser Spanformnut sind einzelne rippenförmig ausgebildete Erhebungen 27 angeordnet.

Der Schneideinsatz kann jedoch auf der Spanfläche auch mit einer Spanformnut ohne solche zusätzlichen Spanformelemente ausgebildet sein oder in einem Winkelabstand von 90° vier nutförmige Einkerbungen einer Tiefe von 0,25 mm und 4 mm Breite besitzen.

In durchgeführten Zerspanungsoperationen sind Drehgeschwindigkeiten des Werkzeuges von 20 bis 150 U/min gewählt worden. Günstige Fertigungsbedingungen ergaben sich bei einer Schneideinsatzumdrehungszahl von 100 bis 150 U/min in Verbindung mit Vorschubraten von 0,1 bis 0,5 mm Q^'eweils bei a_p Werten von 0,2 mm bis 0,4 mm). Die gemessenen Schneideinsatztemperaturen lagen maximal bei 280° Celsius.

Claims

Patentansprüche

1. Zerspanungswerkzeug mit einem um seine Längsachse drehbaren Werkzeughalter (10) , an dessen Stirnseite ein Schneideinsatz (12) mittels einer Spannschraube (13) befestigt ist, die eine zentrale Bohrung (25) des Schneideinsatzes durchgreift und die in einer gegen eine längsaxiale Verschiebung gesicherten Hülse (11) mit einem Innengewinde eingeschraubt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Hülse (11) oder deren stiftförmige Verlängerung (15) im Außenmantel eine Ausnehmung (16) aufweist, in die im Spannzustand ein lösbar im Werkzeugträger (10) befestigtes Sicherungselement eingreift.

2. Zerspanungswerkzeug nach Anaspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) eine Kerbe mit zwei in einem Winkel von >90° zueinander stehenden ebenen Flächen (16', 16") ist.

3. Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement eine Schraube (19) ist, die ein eine Gewindebohrung (18) des Werkzeugträgers (10) eingeschraubt ist.

4. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneideinsatz (12) an seiner unteren ringförmigen Auflagefläche Ausnehmungen (20) aufweist, die mit Vorsprüngen (21) an der ringförmigen Stirnfläche des Werkzeughalters korrespondieren, so dass im Spannzustand der Schneideinsatz gegenüber dem Werkzeughalter gegen eine Rotation um seine Längsachse gesichert ist.

5. Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vier Ausnehmungen (20) und vier Vorsprünge (21) jeweils kreuzweise an den sich gegenüberliegenden Ringflächen (22, 23) angeordnet sind

6. Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (20) Nuten sind, die vorzugsweise eine Breite > 0,25 D (D = Schneideinsatzdurchmesser) aufweisen.

7. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch nutförmige Ausnehmungen auf der Spanfläche, vorzugsweise zwei bis vier Ausnehmungen im äquidistanten Winkelabstand.

8. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (10) um +/- 5° aus der zum vorgesehenen Vorschub orthogonalen Längsachse schwenkbar ist.

9. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneideinsatz (12) eine entlang der Schneidkante verlaufende Fase (24) mit einem Fasenwinkel von -10° bis - 20° (vorzugsweise -10° bis -25°) und eine Fasenbreite von 0,2 bis 0,3 mm aufweist.

10. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanwinkel zwischen 10° und 20° liegt, wobei sich zur Spanflächenmitte hin eine Spanformnut entlang der Schneidkante erstreckt, die unter einem Radius zwischen 2 bis 5 mm konkav gewölbt ist.

11. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiwinkel positiv ist, vorzugsweise 7° bis 10° beträgt.

12. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spanfläche erhabene Spanformelemente (27) aufweist, vorzugsweise Rippen, die sich sternförmig und mit ihrer Längsachse jeweils vertikal zur Schneidkante bzw. der Schneidkantentangente erstrecken.

13. Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter aus Stahl und der Schneideinsatz aus einem Hartmetall oder einem Cermet besteht.

14. Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetall- oder Cermet-Schneideinsatz eine Hartstoff- oder eine Diamantbeschichtung aufweist.