WO2018095468A1 - Werkzeuganordnung mit schneidkörper, verfahren zum kühlen des schneidkörpers sowie verwendung des schneidkörpers - Google Patents

Werkzeuganordnung mit schneidkörper, verfahren zum kühlen des schneidkörpers sowie verwendung des schneidkörpers Download PDF

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WO2018095468A1
WO2018095468A1 PCT/DE2017/100973 DE2017100973W WO2018095468A1 WO 2018095468 A1 WO2018095468 A1 WO 2018095468A1 DE 2017100973 W DE2017100973 W DE 2017100973W WO 2018095468 A1 WO2018095468 A1 WO 2018095468A1
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fluid
cutting body
cooling
cutting
tool
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PCT/DE2017/100973
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Peter GESCHWINDNER
Kay Marschalkowski
Manfred WALCH
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/10—Arrangements for cooling or lubricating tools or work
    • B23Q11/1038—Arrangements for cooling or lubricating tools or work using cutting liquids with special characteristics, e.g. flow rate, quality
    • B23Q11/1061—Arrangements for cooling or lubricating tools or work using cutting liquids with special characteristics, e.g. flow rate, quality using cutting liquids with specially selected composition or state of aggregation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23Q11/1038—Arrangements for cooling or lubricating tools or work using cutting liquids with special characteristics, e.g. flow rate, quality
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    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • Tool assembly with cutting body Method for cooling the cutting body and use of the cutting body
  • the invention relates to a tool arrangement with a cutting body having the features of the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for cooling a cutting body having the features of claim 9 and to a use of a cutting body in the method and / or in the tool arrangement.
  • Tools for separating machining are heated strongly during operation. For this reason, it is customary to provide a water cooling in separating methods, during which a cooling water is passed over the processing point. The temperatures of the tool still reach a few hundred degrees and lead to a softening of the tool and thus a reduction in tool life. Against this background, it is customary to select a cutting speed during machining in such a way that economical machining of the workpiece and at the same time a high level of tool life are achieved. The tension between cutting speed during machining and tool life can be alleviated by improved cooling.
  • document US 2002/0106250 A1 which is probably the closest prior art, proposes to provide a cutting tool with cooling channels and, during processing, to guide a liquid coolant through the cutting tool in order to cool it close to the processing.
  • the invention relates to a tool assembly which is designed and / or suitable for a separating machining.
  • the tool arrangement for turning / milling / drilling a workpiece, in particular a metallic workpiece is formed.
  • the tool assembly has a cutting body for the cutting machining of the workpiece.
  • the cutting body forms a tool for separating machining.
  • the cutting body has at least one cutting edge, in particular a geometrically defined cutting edge, and / or is designed as an active cutting body.
  • the cutting body has at least the cutting edge, which is designed, in particular, as intended for separating the material of the workpiece.
  • the at least one cooling channel for the passage of a fluid is arranged.
  • the at least one cooling channel has an input in the cutting body and an output from the cutting body.
  • the cooling channel is formed closed between the input and the output.
  • the cooling channel may also be part of a cooling duct network or a cooling channel structure in the cutting body.
  • the cooling channel is at least partially introduced in the same material portion of the cutting body as the cutting edge.
  • the cutting body comprising the cooling channel or at least a partial section or partial region of the cooling channel is preferably formed in one piece.
  • the cutting body is indecomposable, in particular not destructively realized dismantled.
  • the tool arrangement has a cooling medium supply for supplying the cutting body with the fluid.
  • the fluid is supplied to the cutter body in a liquid state with a fluid flow.
  • the fluid flow may be defined, for example, as volume or weight per unit of time.
  • the fluid has a temperature which is below the boiling temperature of the fluid.
  • the fluid flow is formed such that during the passage of the fluid through the cutting body, in particular during operation of the latter and / or during the separating operation, a phase transition of at least a portion of the fluid from the liquid aggregation state takes place in a gaseous state of aggregation.
  • a phase transition of at least a portion of the fluid from the liquid aggregation state takes place in a gaseous state of aggregation.
  • at least 10 percent of the fluid is transferred from the liquid state to the gaseous state.
  • more than 30% and in particular more than 70% of the fluid, in particular at least 95% or even 100% can be converted from one state of aggregation to the other state of aggregation.
  • the cooling of the cutting body is carried out continuously with the fluid flow, so that the fluid is supplied in parallel and / or simultaneously with the separating processing and transferred from the liquid state of aggregation to the gaseous state of aggregation.
  • evaporative enthalpy must be applied for evaporation of liquid.
  • the enthalpy of vaporization is energy, in particular evaporation energy, in order to bring a certain amount of liquid from the liquid to the gaseous state.
  • This energy is required on the one hand for the separation work to overcome the attractive forces between the liquid particles.
  • shifting work is needed. For example, at isobaric ratios at 100 degrees C and 1013 mbar per kilogram of water, 2.26 MJ of energy is needed for evaporation.
  • This energy is transferred by heat removal from the environment, in particular from the cutting body in the fluid. Dam it, the fluid absorb more energy when changing the state of aggregation and thus a better Cooling perform as if the fluid heated and remains only in the liquid state.
  • the volume flow is adjusted so that the temperature of the fluid is raised above the boiling temperature in the passage through the cutting body.
  • the boiling temperature may be a normal boiling temperature, but after the boiling temperature is pressure-dependent, the volume flow is preferably adjusted so that the fluid is raised above the boiling temperature for the prevailing pressure conditions. In this way it is achieved that the transition of the states of aggregation, is implemented.
  • the fluid stream may e.g. in the context of a control circuit or loop, e.g. the condition of the fluid after the cutting body is detected by means of sensors can be adjusted.
  • the state in particular the temperature of the cutting body, can also be sensed and used as an input variable
  • the fluid is water-based or formed as water.
  • Water requires a large evaporation enthalpy and is therefore particularly well suited. Furthermore, it is problem-free to remove the fluid present as water vapor and, if appropriate, simply to blow it out into the environment or to recirculate it to the system after condensation. Last but not least, water is available at low cost.
  • the water is particularly preferably designed as decalcified or deionized water in order to avoid deposits in the cooling channel.
  • the fluid flow is less than 100 milliliters per minute, preferably less than 50 milliliters per minute, and more preferably less than 20 milliliters per minute. These volume flows are very small compared to the volume flows, which are needed to cool the cutting body without changing the unit. In particular, in a micromachining even a fluid flow less than 10 milliliters per minute can be used. With the invention, a contextmengenksselung (MMK) can be implemented.
  • the fluid In order to achieve a sufficient heat dissipation in a cooling without state of aggregate change according to the aforementioned prior art, it is necessary to press the fluid at a very high pressure (in particular high speed) through the cooling channel.
  • a very high pressure in particular high speed
  • pressures greater than 50 bar, in particular greater than 100 bar and in particular greater than 150 bar are used.
  • overpressure systems for generating such pressures must be laboriously secured in order to prevent the pressurized water can not injure a mechanic.
  • the pressure is chosen to be less than 10 bar, in particular less than 5 bar and in particular less than 2 bar or even 1 bar.
  • the pressure data refer to an overpressure above normal pressure.
  • the tool assembly is also made user-friendly and / or safer and more economical by the inventive design.
  • the cooling channel is formed as a microchannel and has, in particular at its narrowest point, a free cross-sectional area less than 1 square millimeter, preferably less than 0.5 square millimeters and in particular less than 0.2 square millimeters.
  • This small cross-sectional area is again possible because the volume flow is very low due to the changed heat dissipation mechanism.
  • the cooling channel has a crescent-shaped and / or semicircular and / or an L-shaped opening cross-section.
  • the described opening cross-section can increase or maximize the effective surface in relation to the channel volume of the cooling channel, the channel volume and / or the free opening cross-section preferably being designed as a microchannel according to the said preferred values.
  • the special channel shape offers the greatest possible ratio of effective surface in the cooling channel to the occupied channel volume or channel cross section.
  • the surface of the cooling channel can be smooth and / or straight.
  • the cooling channel may have a structuring of the surface.
  • the cooling channel may have a wavy or a honeycomb-shaped or an isotropic or anisotropic or a rough surface structure.
  • the cooling channel is symmetrical and / or centric and / or equidistant and / or arbitrarily oriented with respect to the main cutting edge.
  • the cutting body may be formed as a stationary or as a moving tool.
  • the cutting body may e.g. be designed as a solid tool or as a cutting body of a carrier tool. It is also possible that the cutting body is designed as an end mill, such as a roughing cutter, finishing mill, as a milling head or as a milling cutter or as a drill, a reamer, a broaching tool, etc.
  • the cutting body is particularly preferably realized as an insert, particularly preferably as an indexable insert.
  • the cutting plate is received in the carrier tool.
  • the carrier tool preferably has fluid bores for supplying the cutting body with the fluid.
  • the cutting body can be arranged in a closed fluid circuit.
  • the fluid circuit is formed as an open fluid circuit.
  • an input into the cutting body pressurizes the fluid with an inlet pressure and / or an output from the cutting body is formed without pressure with an output.
  • the outlet pressure corresponds in particular to the ambient pressure.
  • the output is designed as a free output.
  • inlet pressure reference is made to the aforementioned preferred values.
  • the output is arranged outside the processing area on the cutting body.
  • the output is designed as a free output.
  • the processing area is the area of all surfaces on the cutting body, in particular wear occurs, and the area of the workpiece is performed in the work includes.
  • the chip is formed in the processing area.
  • the fluid exits outside the processing area, wherein in particular an open fluid circuit is implemented.
  • the fluid is preferably depressurized after passing through the outlet of the cooling channel.
  • the outlet pressure corresponds in particular to the ambient pressure.
  • a plurality of the outlets may be arranged outside the processing area, wherein, for example, a type of cooling mist or cooling cloud is generated when the fluid exits, so that the machined workpiece surface and / or the rake face and / or the free face on the cutting body is cooled.
  • the one or more outputs are directed away from the processing area.
  • at least or exactly one of the outputs is aligned with the processing area.
  • the fluid circuit may be formed closed, wherein the fluid circulates in the tool assembly, in particular the cutting body.
  • a larger selection of fluids e.g. environmentally harmful fluids, etc.
  • the workpiece can be processed dry by the closed fluid circuit.
  • Another object of the invention relates to a method for cooling a cutting body.
  • the cutting body is formed as described above.
  • the method is implemented in the tool arrangement, as described above or according to one of the preceding claims.
  • the cutting body is heated in a separating machining of a workpiece.
  • a fluid is passed through a cooling passage in the cutter body, wherein the flow rate of the fluid is adjusted so that the fluid in a liquid state is introduced into the cutter body and at least a portion of the fluid, preferably a majority of the fluid, in a gaseous state the cutting body is led out.
  • Another object of the invention relates to the use of a cutting body in the method as described above and / or in a tool assembly according to one of claims 1 to 8, wherein the cutting body has at least one cooling channel for the passage of the fluid.
  • the method comprises in particular a machining of workpieces with hard and soft materials, ie soft and hard cutting.
  • the cutting body may have carbide CBN and / or ceramic cutting materials and other cutting materials.
  • the fluid is as Can be used cooling medium and / or lubricating medium.
  • the fluid can be used for a flood cooling lubrication and / or for a minimum quantity lubrication and / or for a minimum quantity cooling, or a combination of these methods.
  • the fluid is preferably formed as water or an oil or a cooling lubricant (KSS) or as a cryogone or as a special medium.
  • the fluid which is designed as water or oil or cooling lubricant (KSS) or cryogen or as a special medium is preferably usable for a minimum quantity cooling or a combination of minimum quantity cooling and flood cooling lubrication or minimum quantity lubrication.
  • the fluid designed as oil or cooling lubricant or cryogen can also be used only for a flood cooling lubrication or only for a minimum quantity lubrication.
  • Table B describes several possible embodiments of the fluid circuit, wherein in particular the supply of the fluid, the design of the circuit and the active site of the fluid are taken into account.
  • the fluid acts on the cutting body, the workpiece and the processing area, wherein the fluid circuit is designed in particular open.
  • the fluid acts on the cutting body, the workpiece and the processing area, wherein the fluid circuit is designed in particular open.
  • the fluid can change from a liquid to a gaseous state of aggregation.
  • the fluid acts on the cutting body and / or on the workpiece and / or on the processing area, wherein the fluid circuit is preferably designed to be open.
  • the fluid circuit in the open configuration in the processing area is designed to be closed.
  • the fluid acts on the cutting body and / or the workpiece and / or the processing region, wherein the fluid circuit is preferably designed to be closed.
  • the fluid acts on the cutting body, wherein the fluid circuit is configured in particular closed.
  • Active site B.1 external to the outside *
  • Tool as the cutting body and / or the carrier tool
  • Table C describes a derivation of preferred cooling strategies from the combination of the design or process variants described in Tables A and B. Particularly preferably, the mode of action of the underflow cooling is implemented in all types of fluid by evaporation or a phase transition.
  • the underflow preferably has an open fluid circuit, wherein the active site of the water is implemented in particular on the cutting body or on the cutting body and workpiece.
  • the supply can also be carried out preferably closed, wherein the active site of the water is implemented in particular on the cutting body.
  • the reduced-quantity cooling preferably has an open or closed fluid circuit, wherein the active site of the cryogen is in particular reacted on the cutting body or on the cutting body and on the workpiece.
  • the underflow cooling preferably has a closed fluid circuit, in particular for toxic and / or environmentally harmful fluids, wherein the active site of the special medium is reacted in particular exclusively on the cutting body.
  • various combined strategies in particular a combination of coolants and lubricants, can be derived from Table C.
  • a minimum quantity cooling in combination with a flood cooling lubrication is implemented.
  • Preference is given to using oil or cooling lubricant as the lubricating medium and preferably water or cryogen or the special medium as cooling medium.
  • the oil or coolant can be used as a cooling medium for MMK.
  • a minimum quantity cooling in combination with a minimum quantity lubrication is implemented.
  • the oil or coolant can be used as MMK cooling medium.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a tool arrangement 1 for (rotary)
  • Figure 2 is a detail view of the cutting body with a first
  • Embodiment variant of the cooling channel 3a, b, the cutting body in the same representation as Figure 2 with a second and a third embodiment of the cooling channel.
  • Figure 4 shows the cutting body in the same representation as Figure 2 with a fourth
  • Embodiment variant of the cooling channel
  • Figure 5a - d is a sectional view of the cutting body with different
  • FIG. 1 shows a tool arrangement for the cutting machining of a workpiece 2, in this example made of steel.
  • the separating processing is designed in particular as a turning operation.
  • the tool arrangement 1 comprises a tool which has a tool carrier 3 and a cutting body 4.
  • the cutting body 4 is fixed in the tool carrier 3 and is held for example by a clamping device, not shown.
  • the cutting body 4 is arranged stationary.
  • the cutting body 4 is formed as an indexable insert with a diamond-shaped basic shape.
  • the indexable insert has a maximum length of less than 2 centimeters, in this example of about 1 centimeter.
  • the indexable insert is made entirely of hard metal or has a base substrate made of carbide with inserted cutting corner 5 made of CBN.
  • the workpiece 2 is processed by cutting.
  • the workpiece 2 rotates about an axis of rotation R and the cutting body 4 is delivered relative to the workpiece 2, wherein either the workpiece 2 or the tool or both are moved.
  • the separating processing is performed by the cutting corner 5 in a processing area 6, in particular chip formation area.
  • the cutting corner 5 is formed as a geometrically determined cutting edge.
  • the tool arrangement 1 has a cooling medium supply 7, which supplies the cutting body 4 with a fluid, in this example water.
  • the cooling medium supply 7 has, for example, a coolant pump or is designed as a connection to a fluid supply, in particular a water supply.
  • the cooling is an internal cooling of the cutting body 4, wherein the cutting body 4 has one or more cooling channels 8.
  • the cooling channel 8 may also be formed as a cooling structure in the cutting body 4.
  • the cooling channel 8 has one or more inputs 9 and one or more outputs 10.
  • the cooling medium supply 7 transports the fluid in a liquid state to the inlet 9, so that it flows through the cooling channel 8.
  • the cooling channel 8 is positioned so that it runs in the vicinity of the processing area 6 and / or the cutting corner 5. For example, a maximum distance d between the cooling channel 8 and the cutting corner 5 is designed to be less than 5 millimeters.
  • the fluid is supplied to the cutting body 4 with a slight overpressure of, for example, less than 5 bar, preferably less than 2 bar, in particular with 1 bar overpressure.
  • the fluid used is water.
  • a fluid flow which may be defined as milliliters per minute, is set low, so that the tool assembly 1 converts a minimum quantity of cooling.
  • the fluid flow is chosen so that during the separating machining of the workpiece 2, ie in a continuous operation, the fluid is supplied via the inlet 9 in a liquid state and at least a part, preferably a majority of the fluid from the one or more outputs 10th as gaseous or vaporous fluid exits again.
  • the passage through the cutting body 4 thus takes place in the area of the cutting edge 5 an aggregate change of the fluid.
  • the fluid flow is chosen smaller than 20 milliliters per minute in the present embodiment, while still a significant cooling of the cutting body 4, in particular in the area of the cutting corner 5 is achieved.
  • the cutting body 4 is formed as an indexable insert, but the cooling principle can in principle be implemented on each cutting body 4 with a defined geometric cutting edge or even with a non-defined cutting edge.
  • the cooling is particularly easy to implement in a stationary cutting body 4.
  • the cutting body 4 is rotated during the separating processing, in this case, input 9 and output 10 must be adjusted accordingly.
  • the illustrated heat output in the tool can be partially compensated by the internal cooling. Results from investigations and simulations indicate that with targeted design or application of the cooling principle up to 30% - 40% of the heat output can be compensated (possibly more with increasing output). This could be used to increase the service life or to increase the cutting speed.
  • the calculated powers are mainly dependent on the workpiece material, cutting speed v c , feed f and cutting depth a P.
  • the estimation of the performance in the tool represents with 10% a "worst case”.
  • Figure 2 shows a detail of the cutting body 4 with the cutting edge 5.
  • the cutting body 4 has a rake face 1 1 and an open space 12, wherein the rake face 1 1 and the free surface 12 adjacent to the cutting corner 5.
  • the cutting corner 5 forms the part of the cutting body 4 which is effective during machining and which penetrates the workpiece 2 in the machining area 6, as shown in FIG. In this case, a chip or chips is separated by the cutting corner 5, which slides over the rake face 1 1.
  • the free surface 12 is the surface of the cutting body 4, which faces the machined by the cutting corner 5 workpiece surface.
  • the free surface 12 is inclined in particular to the workpiece surface, so that a so-called clearance angle is formed.
  • the cooling channel 8 has exactly one output 10, wherein the output 10 is formed as a free output.
  • the outlet 10 is arranged in the free surface 12 in the vicinity of the cutting edge 5.
  • the output 10 is arranged outside the processing area 6.
  • the cooling channel 8 has an open Fluid circuit on, wherein the workpiece 2 additionally lubricated in the processing area 6 depending on the type of fluid and / or cooled.
  • FIGS. 3a, b show two alternative embodiments of the cooling channel 8, as has already been described in FIG.
  • the cooling channel 8 is formed as a branched channel structure and has a plurality of branches, each branch is associated with one of the outputs 10.
  • the fluid is depressurized after passing through the outlets 10, the outlet pressure corresponding to the ambient pressure.
  • the cutting body 4 and, on the other hand, the workpiece 2 in the processing area 6 can be cooled and / or lubricated by the plurality of outlets 10.
  • an emulsion cloud is generated which, for example, cools the workpiece surface and simultaneously coats it with a lubricating film.
  • the cooling channel 8 has two of the outlets 10, wherein the first and second outlets 10 a, b are each arranged in the free surface 12.
  • the first and / or the second output 10a, b are arranged outside the processing area 6.
  • the two outlets 10a, b are directed away from the processing area 6, so that the fluid is fed to the processing area 6 indirectly or indirectly.
  • the third output 10c is directed in the direction of the processing area 6, so that the fluid is supplied to the processing area 6 directly or directly.
  • FIG 4 shows in the same representation as Figure 2 the cutting body 4 with the main cutting edge 5 with an alternative embodiment of the cooling channel 8.
  • the cooling channel 8 is formed for example as a closed fluid circuit or is formed closed at least in the processing area 6.
  • the cooling channel 8 extends in the vicinity of the main cutting edge 5 within the cutting body 5, so that an internal cooling of the cutting body 4 is implemented.
  • FIGS. 5a, b, c, d show, in a sectional illustration through the cutting body 4, different cross-sectional shapes of the cooling channel 8.
  • the cooling channel 8 is designed as a microchannel and has, for example, a free cross-sectional area A of less than 0.5 mm 2 .
  • the cooling channel 8 is at a first distance Xf to the free surface 12 and with a second distance X s to the rake face 1 1 spaced.
  • the first and / or the second distance is less than 3 mm.
  • the cooling channel 8 may have a smooth surface in the interior of the cooling channel 8. Alternatively, however, the cooling channel 8 may also have a structuring of the surface. For example, this can be the cooling channel 8 z. B. have a corrugated or a wavy etc. surface structuring.
  • the cooling channel 8 has a round opening cross-section, the opening cross-section having the same cross-sectional area A at each point of the cooling channel 8.
  • the cooling channel 8 has a crescent-shaped opening cross-section, wherein the cooling channel 8 has, for example, the same cross-sectional area A as the cooling channel 8 shown in FIG. 5a.
  • the cooling channel 8 may have a half-moon-shaped opening cross-section, not shown.
  • the crescent-shaped opening cross-section provides a maximum ratio of effective surface area in the cooling channel 8 to the occupied channel volume or the cross-sectional area A.
  • the cooling channel 8 can be aligned accordingly.
  • the cooling channel 8 is aligned in the direction of the rake face 11, so that the cooling effect of the fluid in this area is increased.
  • the cooling channel 8 is aligned in the direction of the main cutting edge 5, with the main cutting edge 5 and the rake surface 11 and / or the free surface 12 having an improved cooling effect in the vicinity of the main cutting edge 5.
  • the cooling channel 8 is L-shaped.
  • a first leg of the cooling channel 8 extends, for example, parallel to the clamping surface 11, and a second leg extends, for example, parallel to the free surface 12.
  • the first and the second leg may be of equal length.
  • the two legs may be formed differently long.

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Abstract

Werkzeuge zur trennenden Bearbeitung werden im Betrieb stark erhitzt. Aus diesem Grund ist es üblich, bei trennenden Verfahren eine Wasserkühlung vorzusehen, wobei während der Bearbeitung ein Kühlwasser an die Bearbeitungsstelle geleitet wird. Die Temperaturen des Werkzeugs erreichen trotzdem einige hundert Grad und führen zu einer Aufweichung und damit einer Verringerung der Standzeit des Werkzeugs. Vor diesem Hintergrund ist es üblich, die Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung so zu wählen, dass eine wirtschaftliche Bearbeitung des Werkstücks und zugleich eine hohe Standzeit des Werkzeugs erreicht werden kann. Das Spannungsfeld zwischen Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung und Standzeit des Werkzeugs kann durch eine verbesserte Kühlung entspannt werden. Es wird eine Werkzeuganordnung (1) mit einem Schneidkörper (4) zur trennenden Bearbeitung eines Werkstücks (2), wobei in dem Schneidkörper (4) mindestens ein Kühlkanal (8) zur Durchführung eines Fluids angeordnet ist, mit einer Kühlmedienversorgung (7) zur Versorgung des Schneidkörpers (4) mit dem Fluid, wobei das Fluid dem Schneidkörper (4) in einem flüssigen Aggregatszustand mit einem Fluidstrom zugeführt wird, wobei der Fluidstrom ausgebildet ist, dass bei dem Durchgang des Fluids durch den Schneidkörper (4) ein Phasenübergang zumindest von einem Teil des Fluids von einem flüssigen Aggregatszustand in einen gasförmigen Aggregatszustand erfolgt.

Description

Werkzeuganordnung mit Schneidkörper, Verfahren zum Kühlen des Schneidkörpers sowie Verwendung des Schneidkörpers
Die Erfindung betrifft eine Werkzeuganordnung mit einem Schneidkörper mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Kühlen eines Schneidkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie eine Verwendung eines Schneidkörpers in dem Verfahren und/oder in der Werkzeuganordnung.
Werkzeuge zur trennenden Bearbeitung werden im Betrieb stark erhitzt. Aus diesem Grund ist es üblich, bei trennenden Verfahren eine Wasserkühlung vorzusehen, wobei während der Bearbeitung ein Kühlwasser über die Bearbeitungsstelle geleitet wird. Die Temperaturen des Werkzeugs erreichen trotzdem einige hundert Grad und führen zu einer Aufweichung des Werkzeugs und damit einer Verringerung der Standzeit des Werkzeugs. Vor diesem Hintergrund ist es üblich, Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung so zu wählen, dass eine wirtschaftliche Bearbeitung des Werkstücks und zugleich eine hohe Standzahl des Werkzeugs erreicht werden. Das Spannungsfeld zwischen Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung und Standzeit des Werkzeugs kann durch eine verbesserte Kühlung entschärft werden.
So schlägt die Druckschrift US 2002/0106250 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, vor, ein Schneidwerkzeug mit Kühlkanälen zu versehen und während der Bearbeitung ein flüssiges Kühlmittel durch das Schneidwerkzeug zu leiten, um dieses bearbeitungsnah zu kühlen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Werkzeuganordnung vorzuschlagen, welche das Spannungsfeld zwischen hoher Schnittgeschwindigkeit und Standzeit des Schneidwerkzeugs weiter entschärft. Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeuganordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie durch eine Verwendung eines Schneidkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Gegenstand der Erfindung ist eine Werkzeuganordnung, welche zu einer trennenden Bearbeitung ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere ist die Werkzeuganordnung zum Drehen/Fräsen/Bohren eines Werkstücks, insbesondere eines metallischen Werkstücks ausgebildet.
Die Werkzeuganordnung weist einen Schneidkörper zur trennenden Bearbeitung des Werkstücks auf. Insbesondere bildet der Schneidkörper ein Werkzeug zur trennenden Bearbeitung.
Der Schneidkörper weist mindestens eine Schneide, insbesondere eine geometrisch definierte Schneide, auf und/oder ist als ein aktiver Schneidkörper ausgebildet. Der Schneidkörper weist mindestens die Schneide auf, welche insbesondere bestimmungsgemäß zum Trennen des Materials des Werkstücks ausgebildet ist.
In dem Schneidkörper ist mindestens ein Kühlkanal zur Durchführung eines Fluids angeordnet. Somit weist der mindestens eine Kühlkanal einen Eingang in dem Schneidkörper und einen Ausgang aus dem Schneidkörper auf. Vorzugsweise ist der Kühlkanal zwischen dem Eingang und dem Ausgang geschlossen ausgebildet. Der Kühlkanal kann auch Teil eines Kühlkanalnetzes oder einer Kühlkanalstruktur in dem Schneidkörper sein. Vorzugsweise ist der Kühlkanal zumindest abschnittsweise in dem gleichen Materialabschnitt des Schneidkörpers wie die Schneide eingebracht. Der Schneidkörper umfassend den Kühlkanal oder zumindest einen Teilabschnitt oder Teilbereich des Kühlkanals ist vorzugsweise einteilig ausgebildet. Insbesondere ist der Schneidkörper unzerlegbar, insbesondere nicht zerstörungsfrei zerlegbar realisiert. Ferner weist die Werkzeuganordnung eine Kühlmedienversorgung zur Versorgung des Schneidkörpers mit dem Fluid auf. Das Fluid wird dem Schneidkörper in einem flüssigen Aggregatszustand mit einem Fluidstrom zugeführt. Der Fluidstrom kann beispielsweise als Volumen oder Gewicht pro Zeiteinheit definiert sein. Insbesondere weist das Fluid eine Temperatur auf, welche unterhalb der Siedetemperatur des Fluids liegt.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Fluidstrom ausgebildet ist, dass bei dem Durchgang des Fluids durch den Schneidkörper, insbesondere während der dieser in Betrieb ist und/oder während der trennenden Bearbeitung, ein Phasenübergang zumindest von einem Teil des Fluids von dem flüssigen Aggregationszustand in einen gasförmigen Aggregatszustand erfolgt. Vorzugsweise wird mindestens 10 Prozent des Fluids von dem flüssigen Aggregatszustand in den gasförmigen Aggregatszustand überführt. Es können jedoch auch mehr als 30 % und insbesondere mehr als 70 % des Fluids, im Speziellen mindestens 95% oder sogar 100% von dem einen Aggregatszustand in den anderen Aggregatszustand überführt werden. Insbesondere erfolgt die Kühlung des Schneidkörpers mit dem Fluidstrom kontinuierlich, sodass parallel und/oder zeitgleich zu der trennenden Bearbeitung das Fluid zugeführt und von dem flüssigen Aggregatszustand in den gasförmigen Aggregatszustand überführt wird.
Es ist eine Überlegung der Erfindung, dass für ein Verdampfen von Flüssigkeit Verdampfungsenthalpie aufgebracht werden muss. Bei der Verdampfungsenthalpie handelt es sich um Energie, insbesondere Verdampfungsenergie, um eine bestimmte Menge an Flüssigkeit vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatszustand zu bringen. Diese Energie wird zum einen für die Abtrennarbeit zur Überwindung der Anziehungskräfte zwischen den Flüssigkeitsteilchen benötigt. Ferner wird Verschiebungsarbeit benötigt. Beispielsweise wird bei isobaren Verhältnissen bei 100 Grad C° und 1013 mbar pro Kilogramm Wasser 2,26 MJ an Energie zur Verdampfung benötigt. Diese Energie wird durch Wärmeentzug aus der Umgebung, insbesondere aus dem Schneidkörper in das Fluid überführt. Dam it kann das Fluid beim Wechsel des Aggregatszustands mehr Energie aufnehmen und dadurch eine bessere Kühlleistung erbringen als wenn das Fluid erwärmt und nur in dem flüssigen Zustand verbleibt.
Dadurch, dass der Aggregatswechsel zur Kühlung eingesetzt wird, wird erreicht, dass durch eine deutlich kleinere Fluidmenge eine deutlich höhere Energiemenge aus dem Schneidkörper abtransportiert werden kann. Auf diese Weise ist eine Mindermengenkühlung (MMK) des Schneidkörpers umzusetzen. Durch die Erfindung wird somit eine effektivere Kühlung des Schneidkörpers erreicht, sodass das Spannungsfeld zwischen Schnittgeschwindigkeit und Standzeit des Schneidkörpers verbessert ist. Unter anderem wird dies mit einer sehr hohen Effizienz an eingesetzter Menge an Kühlmedium möglich (Prinzip der MMK).
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist der Volumenstrom so eingestellt, dass die Temperatur des Fluids bei dem Durchgang durch den Schneidkörper über die Siedetemperatur gehoben wird. Bei der Siedetemperatur kann es sich um eine Normalsiedetemperatur handeln, nachdem die Siedetemperatur jedoch druckabhängig ist, ist der Volumenstrom bevorzugt so eingestellt, dass für die vorherrschenden Druckverhältnisse das Fluid über die Siedetemperatur gehoben wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Übergang der Aggregatszustände, umgesetzt wird. Der Fluidstrom kann z.B. im Rahmen eines Steuerkreises oder Regelkreises, wobei z.B. der Zustand des Fluids nach dem Schneidkörper mittels Sensoren erfasst wird, eingestellt werden. Alternativ oder ergänzend zu dem Zustand des Fluids kann auch der Zustand, insbesondere die Temperatur des Schneidköpers sensorisch erfasst werden und als Eingangsgröße verwendet werden
Bei einer besonders bevorzugten Realisierung der Erfindung ist das Fluid wasserbasiert oder als Wasser ausgebildet. Wasser benötigt eine große Verdampfungsenthalpie und ist daher besonders gut geeignet. Ferner ist es problemfrei, dass als Wasserdampf vorliegende Fluid abzutransportieren und gegebenenfalls einfach in die Umgebung auszublasen oder dem System nach Kondensation wieder zu zuführen. Nicht zuletzt ist Wasser kostengünstig verfügbar. Besonders bevorzugt ist das Wasser jedoch als entkalktes oder deionisiertes Wasser ausgebildet, um Ablagerungen in dem Kühlkanal zu vermeiden.
Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist der Fluidstrom kleiner als 100 Milliliter pro Minute, vorzugsweise kleiner als 50 Milliliter pro Minute und im Speziellen kleiner als 20 Milliliter pro Minute ausgebildet. Diese Volumenströme sind sehr klein im Vergleich zu den Volumenströmen, welche benötigt werden, um die Schneidkörper ohne Aggregatswechsel zu kühlen. Insbesondere bei einer Mikrobearbeitung kann sogar ein Fluidstrom kleiner als 10 Milliliter pro Minute verwendet werden. Mit der Erfindung kann eine Mindermengenkühlung (MMK) umgesetzt werden.
Um bei einer Kühlung ohne Aggregatszustandswechsel gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik einen ausreichenden Wärmeabtransport zu erreichen ist es notwendig, das Fluid mit einem sehr hohen Druck (insbesondere hohe Geschwindigkeit) durch den Kühlkanal zu pressen. Beispielsweise werden gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik Drücke größer als 50 bar, insbesondere größer als 100 bar und im Speziellen größer als 150 bar verwendet. Überdruckanlagen zur Erzeugung derartiger Drücke müssen jedoch aufwändig gesichert werden, um zu verhindern, dass das unter Druck stehende Wasser nicht einen Mechaniker verletzen kann. Dagegen ist es bevorzugt, dass bei der erfindungsgemäßen Werkzeuganordnung der Druck kleiner als 10 bar, insbesondere kleiner als 5 bar und im Speziellen kleiner als 2 bar oder sogar 1 bar gewählt ist. Die Druckangaben beziehen sich jeweils auf einen Überdruck über den Normaldruck. Somit wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Werkzeuganordnung auch bedienfreundlicher und/oder sicherer gemacht und wirtschaftlicher.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Kühlkanal als ein Mikrokanal ausgebildet und weist insbesondere an seiner schmälsten Stelle eine freie Querschnittfläche kleiner als 1 Quadratmillimeter, vorzugsweise kleiner als 0,5 Quadratmillimeter und im Speziellen kleiner als 0,2 Quadratmillimeter auf. Diese geringe Querschnittfläche wird auch wieder dadurch möglich, dass der Volumenstrom aufgrund der geänderten Wärmeabtransportmechanik sehr gering ist. In einer konkreten konstruktiven Umsetzung weist der Kühlkanal einen sichelförmigen und/oder halbkreisförmigen und/oder einen L-förmigen Öffnungsquerschnitt auf. Insbesondere kann durch den beschriebenen Öffnungsquerschnitt die wirksame Oberfläche im Verhältnis zum Kanalvolumen des Kühlkanals erhöht bzw. maximiert werden, wobei das Kanalvolumen und/oder der freie Öffnungsquerschnitt bevorzugt entsprechend der genannten bevorzugten Werte als Mikrokanal ausgebildet ist. Somit bietet die spezielle Kanalform ein größtmögliches Verhältnis von wirksamer Oberfläche im Kühlkanal zum eingenommenen Kanalvolumen bzw. Kanalquerschnitt. Bevorzugt kann die Oberfläche des Kühlkanals glatt und/oder gerade ausgebildet sein. Alternativ oder optional ergänzend kann der Kühlkanal eine Strukturierung der Oberfläche aufweisen. Insbesondere kann der Kühlkanal eine wellige oder eine wabenstrukturförmige oder eine isotrope oder anisotrope oder eine raue Oberflächenstruktur aufweisen. Im Speziellen ist der Kühlkanal in Bezug auf die Hauptschneide symmetrisch und/oder zentrisch und/oder äquidistant und/oder beliebig orientiert bzw. angeordnet.
Der Schneidkörper kann als ein stationäres oder als ein bewegtes Werkzeug ausgebildet sein. Der Schneidkörper kann z.B. als ein Vollkörperwerkzeug oder als Schneidkörper eines Trägerwerkzeugs ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Schneidkörper als ein Schaftfräser, wie zum Beispiel ein Schruppfräser, Schlichtfräser, als ein Fräskopf oder als ein Walzenfräser oder als ein Bohrer, eine Reibahle, ein Räumwerkzeug etc. ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist der Schneidkörper jedoch als eine Schneidplatte, besonders bevorzugt als eine Wendeschneidplatte, realisiert. Die Schneidplatte ist in dem Trägerwerkzeug aufgenommen. Vorzugsweise weist das Trägerwerkzeug Fluidbohrungen zur Versorgung des Schneidkörpers mit dem Fluid auf.
Prinzipiell kann der Schneidkörper in einem geschlossenen Fluidkreislauf angeordnet sein. Da jedoch gerade Wasser als Fluid unschädlich ist, wenn dieses frei in die Umgebung entlassen wird, ist es bevorzugt, dass der Fluidkreis als ein offener Fluidkreis ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass ein Eingang in den Schneidkörper mit dem Fluid mit einem Eingangsdruck druckbeaufschlagt und/oder ein Ausgang aus dem Schneidkörper mit einem Ausgang drucklos ausgebildet ist. Der Ausgangsdruck entspricht insbesondere dem Umgebungsdruck. Alternativ oder ergänzend ist der Ausgang als ein freier Ausgang ausgebildet. Hinsichtlich des Eingangsdrucks wird auf die zuvor genannten bevorzugten Werte verwiesen.
Bevorzugt ist der Ausgang außerhalb des Bearbeitungsbereichs am Schneidkörper angeordnet. Insbesondere ist der Ausgang als ein freier Ausgang ausgebildet. Der Bearbeitungsbereich ist der Bereich der alle Flächen am Schneidkörper, an denen insbesondere Verschleiß auftritt, und den Bereich des Werkstücks in dem Arbeit verrichtet wird umfasst. Bevorzugt wird in dem Bearbeitungsbereich der Span gebildet. Bei der Bearbeitung des Werkstücks entstehen u.a. aufgrund der Verformungs-, Scher- und Trennarbeit sowie der Reibung an dem Werkstück in dem Bearbeitungsbereich und an der Hauptschneide hohe Temperaturen. Diese Temperaturen führen zu einer Erhitzung der Hauptschneide und Erwärmung des Schneidkörpers und folglich zu einem vorschnellen Verschleiß der Hauptschneide.
Das Fluid tritt außerhalb des Bearbeitungsbereiches aus, wobei insbesondere ein offener Fluidkreislauf umgesetzt ist. Das Fluid ist vorzugsweise nach passieren des Ausgangs des Kühlkanals drucklos. Der Ausgangsdruck entspricht insbesondere dem Umgebungsdruck. Durch die Anordnung des Ausgangs außerhalb des Bearbeitungsbereiches kann einerseits der Schneidkörper selbst und andererseits das Werkstück, insbesondere die fertig bearbeitete Werkstückoberfläche, zur Verbesserung der Maßhaltigkeit gekühlt werden. Vorzugsweise können außerhalb des Bearbeitungsbereiches mehrere der Ausgänge angeordnet sein, wobei bei Austritt des Fluids beispielsweise eine Art Kühlnebel oder Kühlwolke erzeugt wird, sodass die bearbeitete Werkstückoberfläche und/oder die Spanfläche und/oder die Freifläche am Schneidkörper abgekühlt wird. Bevorzugt sind der oder die Ausgänge vom Bearbeitungsbereich weggerichtet. Alternativ oder optional ergänzend ist mindestens oder genau einer der Ausgänge zum Bearbeitungsbereich ausgerichtet. Insbesondere ist durch den Austritt des als Schmiermedium ausgeführten Fluids außerhalb des Bearbeitungsbereiches ein gleichmäßiger und/oder dauerhafter Zufluss und somit eine konstante Kühlung und/oder Schmierung in dem Bearbeitungsbereich, gewährleistet, sodass der Verschleiß der Hauptschneide reduziert ist und die Qualität der Werkstückoberfläche gegenüber der reinen Trockenbearbeitung verbessert wird.
Alternativ kann der Fluidkreislauf geschlossen ausgebildet sein, wobei das Fluid in der Werkzeuganordnung, insbesondere dem Schneidkörper, zirkuliert. Vorzugsweise kann somit eine größere Auswahl an Fluiden, z.B. umweltschädliche Fluide etc., verwendet werden, wobei durch den geschlossenen Fluidkreislauf ein abgedichtetes Kühlsystem geschaffen ist. Insbesondere kann durch den geschlossenen Fluidkreislauf das Werkstück trocken bearbeitet werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Schneidkörpers. Vorzugsweise ist der Schneidkörper so ausgebildet, wie dies zuvor beschrieben wurde. Besonders bevorzugt wird das Verfahren in der Werkzeuganordnung umgesetzt, wie diese zuvor beschrieben wurde oder nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Der Schneidkörper wird bei einer trennenden Bearbeitung eines Werkstücks erhitzt. Ein Fluid wird durch einen Kühlkanal in dem Schneidkörper durchgeführt, wobei der Volumenstrom bei dem Fluid so eingestellt ist, dass das Fluid in einem flüssigen Aggregatszustand in den Schneidkörper eingeführt und zumindest ein Teil des Fluids, vorzugsweise ein Großteil des Fluids, in einem gasförmigen Aggregatszustand aus dem Schneidkörper hinausgeführt wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung eines Schneidkörpers in dem Verfahren wie dies zuvor beschrieben wurde und/oder in einer Werkzeuganordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schneidkörper mindestens einen Kühlkanal zur Durchführung des Fluids aufweist. Das Verfahren umfasst insbesondere eine Zerspanung von Werkstücken mit harten sowie weichen Materialien, also Weich- und Hartzerspanung. Der Schneidkörper kann Hartmetall- CBN- und/oder Keramikschneidstoffe sowie weitere Schneidstoffe aufweisen.
Die Tabelle A beschreibt mehrere Kühl- und/oder Schmiermethoden für die Werkzeuganordnung, insbesondere den Schneidkörper. Bevorzugt ist das Fluid als Kühlmedium und/oder Schmiermedium einsetzbar. Insbesondere kann das Fluid für eine Überflutungskühlschmierung und/oder eine für eine Mindermengenschmierung und/oder für eine Mindermengenkühlung, bzw. eine Kombination dieser Verfahren, eingesetzt werden. Das Fluid ist bevorzugt als Wasser oder ein Öl oder ein Kühlschmierstoff (KSS) oder als Kryogon oder als ein Spezialmedium ausgebildet.
Vorzugsweise ist das als Wasser oder Öl oder Kühlschmierstoff (KSS) oder Kryogen oder als Spezialmedium ausgebildete Fluid für eine Mindermengenkühlung oder einer Kombination aus Mindermengenkühlung und Überflutungskühlschmierung bzw. Mindermengenschmierung einsetzbar. Ferner ist das als Öl oder Kühlschmierstoff oder Kryogen ausgebildete Fluid auch nur für eine Überflutungskühlschmierung oder nur für eine Mindermengenschmierung einsetzbar.
Tabelle A:
A) Strategien Kombinationskühlung
MinimalÜberflutung ohne MinderMindermengen- + Minimal¬
Kühlung/ Überflutungsmengen- mengen- Kühlung & mengen-
Medien* Schmierung kühlschmierung Schmierung Kühlung Schmierung Kühlung trocken ÜFKS MMS MMK MMS**+MMK ÜFKS**+MMK
Wasser - - -
Öl / Öl-ähnlich - X X
KSS - X X
Kryogen - X X (mit Öl)
Spezialmedien - - -
Legende: X = Stand der Technik; V = bevorzugt; - = nicht sinnvoll; Kombinationen von Medien möglich; **bezieht sich auf Medien laut Stand d. Technik
Die Tabelle B beschreibt mehrere Ausgestaltungsmöglichkeiten des Fluidkreislaufs, wobei insbesondere die Zufuhr des Fluids, die Ausgestaltung des Kreislaufs sowie die Wirkstelle des Fluids berücksichtigt werden. Bei einer externen Zufuhr des Fluids (B.1 ), beispielsweise bei der Überflutungskühlschmierung ÜFKS, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper, das Werkstück und den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf insbesondere offen ausgestaltet ist.
Bei einer Zufuhr des Fluids aus dem Inneren des Schneidkörpers und/oder aus dem Inneren eines Werkzeugträgers (B.2) nach außen hin, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper, das Werkstück und den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf insbesondere offen ausgestaltet ist. Beispielsweise kann bei einer externen Kühlung bzw. Schmierung das Fluid von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatszustand übergehen.
Bei einer bevorzugten internen Zufuhr des Fluids (B.3), insbesondere bei der Mindermengenkühlung, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper und/oder auf das Werkstück und/oder auf den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf vorzugsweise offen ausgestaltet ist. Besonders bevorzugt ist der Fluidkreislauf bei der offenen Ausgestaltung in dem Bearbeitungsbereich geschlossen ausgestaltet. Bei einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der internen Zufuhr, insbesondere bei der Mindermengenkühlung, wirkt das Fluid auf den Schneidkörper und/oder das Werkstück und/oder den Bearbeitungsbereich, wobei der Fluidkreislauf vorzugsweise geschlossen ausgestaltet ist.
Bei einer möglichen Ausgestaltung des Kühlkanals als Heatpipe (B.4) wirkt das Fluid auf den Schneidkörper, wobei der Fluidkreislauf insbesondere geschlossen ausgestaltet ist.
Tabelle B:
B) Zufuhr
B.2: von innen
Wirkstelle B.1 : extern nach außen* B.3: intern B.4: Heatpipe nur WZ - - X nur WS X - - - nur BB - - - - nur WZ+WS - - -
WZ+WS+BB X X -
Kreislauf
offen X X - geschlossen - - X
*durch den Halter auf die WSP oder durch die WSP
Legende:
WZ Werkzeug als der Schneidkörper und/oder das Trägerwerkzeug
WS Werkstück
BB Bearbeitungsbereich
X = Stand der Technik; ·/=■ MMK; - = nicht zutreffend
Die Tabelle C beschreibt eine Ableitung bevorzugter Kühlstrategien aus der Kombination der in den Tabellen A und B beschriebenen Ausgestaltungs- bzw. Verfahrensvarianten. Besonders bevorzugt ist die Wirkungsweise der Mindermengenkühlungen bei allen Fluidarten durch Verdampfung bzw. einem Phasenübergang umgesetzt.
Für das als Wasser, Öl oder Kühlschmierstoff ausgebildete Fluid weist die Mindermengenkühlung bevorzugt einen offenen Fluidkreislauf auf, wobei die Wirkstelle des Wassers insbesondere am Schneidkörper oder am Schneidkörper und Werkstück umgesetzt ist. Bei Einsatz von Wasser kann die Zufuhr auch bevorzugt geschlossen ausgeführt werden, wobei die Wirkstelle des Wassers insbesondere am Schneidkörper umgesetzt ist.
Für das als Kryogen ausgebildete Fluid weist die Mindermengenkühlung bevorzugt einen offenen oder geschlossenen Fluidkreislauf auf, wobei die Wirkstelle des Kryogens insbesondere am Schneidkörper oder am Schneidkörper und am Werkstück umgesetzt ist.
Für das als Spezialmedium ausgebildet Fluid weist die Mindermengenkühlung bevorzugt einen geschlossenen Fluidkreislauf, insbesondere für giftige und/oder umweltschädliche Fluide, auf, wobei die Wirkstelle des Spezialmediums insbesondere ausschließlich am Schneidkörper umgesetzt ist.
In einer weiteren Umsetzung sind aus der Tabelle C verschiedene kombinierte Strategien, insbesondere eine Kühl- und Schmierstoffkombination, ableitbar. In einer ersten möglichen Variante ist eine Mindermengenkühlung in Kombination mit einer Überflutungskühlschmierung umgesetzt. Bevorzugt ist als Schmiermedium Öl oder Kühlschmierstoff und als Kühlmedium bevorzugt Wasser oder Kryogen oder das Spezialmedium einsetzbar. Alternativ möglich ist auch das Öl oder Kühlschmierstoff als Kühlmedium für MMK einsetzbar.
In einer zweiten möglichen Variante ist eine Mindermengenkühlung in Kombination mit einer Mindermengenschmierung umgesetzt. Bevorzugt ist als Schmiermedium Öl und als MMK-Kühlmedium bevorzugt Wasser oder Kryogen oder das Spezialmedium einsetzbar. Alternativ möglich ist auch das Öl oder Kühlschmierstoff als MMK- Kühlmedium einsetzbar. Tabelle C:
Ableitung bevorzugter Kühlstrategien (A + B)
■s = bevorzugt
X = möglich
MMK-Strategien nur geschlossen da z.B. giftig
MMK
Zufuhr Wasser Öl / Öl-ähnlich KSS Kryogen Spezialmedien*2 offen - geschlossen X X
Wirkstelle
WZ
wz+ws -
WZ-WS+BB X X X - -
Wirkungsweise
Konvektion
Kombi-Strategien
MMK
ÜFKS Wasser Öl / Öl-ähnlich KSS Cryogen Spezialmedien*2
Öl / Öl-ähnlich X X
KSS X X
MMS
Öl / Öl-ähnlich X X
cryogen + Öl X X X X X
Legende: X= möglich; V = bevorzugt; - = nicht zutreffend
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figur. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Werkzeuganordnung 1 zur (Dreh-)
Bearbeitung eines Werkstücks 2.
Figur 2 eine Detailansicht des Schneidkörpers mit einer ersten
Ausführungsvariante des Kühlkanals; Figur 3a, b den Schneidkörper in gleicher Darstellung wie Figur 2 mit einer zweiten und einer dritten Ausführungsvariante des Kühlkanals;
Figur 4 den Schneidkörper in gleicher Darstellung wie Figur 2 mit einer vierten
Ausführungsvariante des Kühlkanals;
Figur 5a - d eine Schnittdarstellung des Schneidkörpers mit verschiedenen
Querschnittsformen des Kühlkanals.
Die Figur 1 zeigt eine Werkzeuganordnung zur trennenden Bearbeitung eines Werkstücks 2, in diesem Beispiel aus Stahl. Die trennende Bearbeitung ist insbesondere als ein Drehvorgang ausgebildet. Die Werkzeuganordnung 1 umfasst ein Werkzeug, welches einen Werkzeugträger 3 und einen Schneidkörper 4 aufweist. Der Schneidkörper 4 ist in dem Werkzeugträger 3 fixiert und wird beispielsweise durch eine nicht-dargestellte Spannvorrichtung gehalten. Der Schneidkörper 4 ist stationär angeordnet. In diesem Beispiel ist der Schneidkörper 4 als eine Wendeschneidplatte mit einer rautenförmigen Grundform ausgebildet. Die Wendeschneidplatte weist eine maximale Länge von kleiner als 2 Zentimeter, in diesem Beispiel von ca. 1 Zentimeter auf. Die Wendeschneidplatte ist vollständig aus Hartmetall oder weist ein Grundsubstrat aus Hartmetall mit eingesetzter Schneidecke 5 aus CBN auf. Mit einer Schneidecke 5 des Schneidwerkzeugs 4 wird das Werkstück 2 trennend bearbeitet. Hierzu rotiert das Werkstück 2 um eine Rotationsachse R und der Schneidkörper 4 wird relativ zu dem Werkstück 2 zugestellt, wobei wahlweise das Werkstück 2 oder das Werkzeug oder beide bewegt werden. Die trennende Bearbeitung erfolgt durch die Schneidecke 5 in einem Bearbeitungsbereich 6, insbesondere Spanbildungsbereich. Die Schneidecke 5 ist als eine geometrisch bestimmte Schneide ausgebildet.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks 2 entstehen u.a. aufgrund der Verform ungs-, Scher- und Trennarbeit sowie der Reibung an Werkstück 2 in dem Bearbeitungsbereich 6 und an der Schneidecke 5 hohe Temperaturen. So ist es üblich, dass eine Schnittgeschwindigkeit bei der trennenden Bearbeitung so eingestellt wird, dass Temperaturen größer als 500 Grad °C oder größer als 700 °C und insbesondere bis zu 800 Grad °C im Speziellen über 1000 °C in dem Bearbeitungsbereich 6 auftreten. Diese Temperaturen führen zu einer Erhitzung der Schneidecke 5 und Erwärmung des Schneidkörpers 4 und folglich zu einem vorschnellen Verschleiß der Schneidecke 5.
Die Werkzeuganordnung 1 weist eine Kühlmedienversorgung 7 auf, welche den Schneidkörper 4 mit einem Fluid, in diesem Beispiel Wasser, versorgt. Die Kühlmedienversorgung 7 weist beispielsweise eine Kühlmittelpumpe auf oder ist als ein Anschluss an eine Fluidversorgung, insbesondere Wasserversorgung ausgebildet.
Bei der Kühlung handelt sich hierbei um eine innere Kühlung des Schneidkörpers 4, wobei der Schneidkörper 4 einen oder mehrere Kühlkanäle 8 aufweist. Der Kühlkanal 8 kann auch als eine Kühlstruktur in dem Schneidkörper 4 ausgebildet sein. Der Kühlkanal 8 weist einen oder mehrere Eingänge 9 sowie einen oder mehrere Ausgänge 10 auf. Die Kühlmedienversorgung 7 transportiert das Fluid in einem flüssigen Zustand zu dem Eingang 9, sodass dieses durch den Kühlkanal 8 strömt. Der Kühlkanal 8 ist dabei so positioniert, dass dieser in der Nähe von dem Bearbeitungsbereich 6 und/oder der Schneidecke 5 verläuft. Beispielsweise ist ein maximaler Abstand d zwischen dem Kühlkanal 8 und der Schneidecke 5 kleiner als 5 Millimeter ausgelegt.
Das Fluid wird dem Schneidkörper 4 mit einem geringen Überdruck von zum Beispiel kleiner als 5 bar, vorzugsweise kleiner als 2 bar, insbesondere mit 1 bar Überdruck zugeführt. Als Fluid wird Wasser verwendet. Ein Fluidstrom, welcher als Milliliter pro Minute definiert sein kann, ist gering eingestellt, sodass die Werkzeuganordnung 1 eine Mindermengenkühlung umsetzt. Der Fluidstrom ist dabei so gewählt, dass während der trennenden Bearbeitung des Werkstücks 2, also in einem kontinuierlichen Betrieb, das Fluid über den Eingang 9 in einem flüssigen Aggregatszustand zugeführt wird und zumindest ein Teil, vorzugsweise ein Großteil des Fluids aus dem oder den Ausgängen 10 als gasförmiges oder dampfförmiges Fluid wieder austritt. Während des Durchlaufs durch den Schneidkörper 4 erfolgt somit im Bereich der Schneidecke 5 ein Aggregatswechsel des Fluids. Durch den Aggregatswechsel wird eine besonders große Menge an Verdampfungswärme aufgenommen, sodass auch mit sehr geringen Flüssigkeitsmengen eine große Verdampfungsenthalpie aufgenommen und die vorhandene Wärmeenergie abtransportiert werden kann. So ist der Fluidstrom bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kleiner als 20 Milliliter pro Minute gewählt, wobei trotzdem eine signifikante Kühlung des Schneidkörpers 4, insbesondere im Bereich der Schneidecke 5 erreicht wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schneidkörper 4 als eine Wendeschneidplatte ausgebildet, das Kühlprinzip kann jedoch prinzipiell auf jeden Schneidkörper 4 mit einer definierten geometrischen Schneide oder sogar mit einer nichtdefinierten Schneide umgesetzt werden. Besonders einfach ist die Kühlung bei einem stationären Schneidkörper 4 umsetzbar. Es ist jedoch auch möglich, dass der Schneidkörper 4 während der trennenden Bearbeitung rotiert wird, in diesem Fall müssen Eingang 9 und Ausgang 10 entsprechend angepasst werden.
Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel mit zwei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten wurden die folgenden Parameter berechnet:
Material: 100Cr6, weich
Wendeschneidplatte: CNMG 120412
Schnittgeschw.: vci = 200 m/min; vC2 = 300 m/min
Vorschub: f = 0,2 mm
Schnitttiefe: ap = 1 ,5 mm
Berechnete tangentiale Schnittkraft Fc2 = 890 N
Resultierende Schnittleistung
Pd = Vd * Fd = 3,34 m/s * 920 N = 3.07 kW Pc2 = Vc2 * Fc2 = 5 m/s * 890 N = 4.45 kW
Davon max. 10 % übertragender Anteil als Wärmeleistung in die Wendeschneidplatte: Pwzi = 307 W
Pwz2 = 460 W
Die dargestellte Wärmeleistung im Werkzeug kann durch die interne Kühlung teilweise kompensiert werden. Ergebnisse aus Untersuchungen und Simulationen weisen darauf hin, dass bei zielgerichteter Auslegung bzw. Anwendung des Kühlprinzips bis zu 30 % - 40 % der Wärmeleistung kompensiert werden können (evtl. auch mehr mit steigender Leistung). Dies kann zu einer Erhöhung der Standzeit oder aber zu einer Steigerung der Schnittgeschwindigkeit genutzt werden könnte.
Die berechneten Leistungen sind im Wesentlichen abhängig vom Werkstückwerkstoff, von Schnittgeschwindigkeit vc, Vorschub f und Schnitttiefe aP. Die Abschätzung der Leistung im Werkzeug stellt mit 10 % einen„Worst-Case" dar.
Figur 2 zeigt einen Detailausschnitt des Schneidkörpers 4 mit der Schneidecke 5. Der Schneidkörper 4 weist eine Spanfläche 1 1 und eine Freifläche 12 auf, wobei die Spanfläche 1 1 und die Freifläche 12 an die Schneidecke 5 angrenzen. Die Schneidecke 5 bildet den bei der Bearbeitung wirksamen Teil des Schneidkörpers 4, welcher in dem Bearbeitungsbereich 6, wie in Figur 1 dargestellt, in das Werkstück 2 eindringt. Dabei wird durch die Schneidecke 5 ein Span bzw. Späne abgetrennt, welche über die Spanfläche 1 1 abgleitet. Die Freifläche 12 ist die Fläche des Schneidkörpers 4, die der durch die Schneidecke 5 bearbeiteten Werkstückoberfläche zugewandt ist. Die Freifläche 12 ist insbesondere zu der Werkstückoberfläche geneigt, sodass ein so genannter Freiwinkel gebildet ist.
Der Kühlkanal 8 weist genau einen Ausgang 10 auf, wobei der Ausgang 10 als ein freier Ausgang ausgebildet ist. Der Ausgang 10 ist in der Freifläche 12 in der Nähe der Schneidecke 5 angeordnet. Insbesondere ist der Ausgang 10 außerhalb des Bearbeitungsbereiches 6 angeordnet. Somit weist der Kühlkanal 8 einen offenen Fluidkreislauf auf, wobei das Werkstück 2 zusätzlich in dem Bearbeitungsbereich 6 je nach Art des Fluids zusätzlich geschmiert und/oder gekühlt wird.
Die Figuren 3a, b zeigen zwei alternative Ausführungsformen des Kühlkanals 8, wie dieser bereits in Figur 2 beschrieben wurde. Der Kühlkanal 8 ist als eine verzweigte Kanalstruktur ausgebildet und weist mehrere Abzweigungen auf, wobei jeder Abzweigung einer der Ausgänge 10 zugeordnet ist. Das Fluid ist nach Passieren der Ausgänge 10 drucklos, wobei der Ausgangsdruck dem Umgebungsdruck entspricht. Durch die mehreren Ausgänge 10 kann einerseits der Schneidkörper 4 und andererseits das Werkstück 2 in dem Bearbeitungsbereich 6 gekühlt und/oder geschmiert werden. Beispielsweise wird nach Austritt des Fluids eine Emulsionswolke erzeugt, welche beispielsweise die Werkstückoberfläche kühlt und zugleich mit einem Schmierfilm überzieht.
In der in Figur 3a gezeigten Ausführung weist der Kühlkanal 8 zwei der Ausgänge 10 auf, wobei der erste und der zweite Ausgang 10a, b jeweils in der Freifläche 12 angeordnet ist. Der erste und/oder der zweite Ausgang 10a, b sind außerhalb des Bearbeitungsbereiches 6 angeordnet. Dabei sind die beiden Ausgänge 10a, b von dem Bearbeitungsbereich 6 weggerichtet, sodass das Fluid dem Bearbeitungsbereich 6 indirekt oder mittelbar zugeführt wird.
In der in Figur 3b dargestellten Ausführung weist der Kühlkanal 8 drei der Ausgänge 10 auf, wobei der erste und der zweite Ausgang 10a, b in der Freifläche 12 und ein dritter Ausgang 10c in der Spanfläche angeordnet sind. Der dritte Ausgang 10c ist dabei in Richtung des Bearbeitungsbereichs 6 gerichtet, sodass das Fluid dem Bearbeitungsbereich 6 direkt oder unmittelbar zugeführt wird.
Figur 4 zeigt in gleicher Darstellung wie Figur 2 den Schneidkörper 4 mit der Hauptschneide 5 mit einer alternativen Ausführung des Kühlkanals 8. Der Kühlkanal 8 ist beispielsweise als ein geschlossener Fluidkreislauf ausgebildet oder ist zumindest in dem Bearbeitungsbereich 6 geschlossen ausgebildet. Der Kühlkanal 8 verläuft in der Nähe der Hauptschneide 5 innerhalb des Schneidkörpers 5, sodass eine innere Kühlung des Schneidkörpers 4 umgesetzt ist.
Die Figuren 5a, b, c, d zeigen in einer Schnittdarstellung durch den Schneidkörper 4 verschiedene Querschnittsformen des Kühlkanals 8. Der Kühlkanal 8 ist als ein Mikrokanal ausgebildet und weist beispielsweise eine freie Querschnittsfläche A von weniger als 0,5 mm2 auf. Der Kühlkanal 8 ist mit einem erstem Abstand Xf zu der Freifläche 12 und mit einem zweitem Abstand Xs zu der Spanfläche 1 1 beabstandet. Beispielsweise beträgt der erste und/oder der zweite Abstand weniger als 3 mm. Der Kühlkanal 8 kann eine glatte Oberfläche im Inneren des Kühlkanals 8 aufweisen. Alternativ kann der Kühlkanal 8 jedoch auch eine Strukturierung der Oberfläche aufweisen. Beispielweise kann hierzu der Kühlkanal 8 z. B. eine geriffelte oder eine wellige etc. Oberflächenstrukturierung aufweisen.
In der in Figur 5a gezeigten Darstellung weist der Kühlkanal 8 einen runden Öffnungsquerschnitt auf, wobei der Öffnungsquerschnitt an jeder Stelle des Kühlkanals 8 die gleiche Querschnittsfläche A aufweist.
In den Figuren 5a, b weist der Kühlkanal 8 einen sichelförmigen Öffnungsquerschnitt auf, wobei der Kühlkanal 8 beispielsweise die gleiche Querschnittsfläche A, wie der in Figur 5a dargestellte Kühlkanal 8 aufweist. Alternativ kann der Kühlkanal 8 jedoch einen nicht dargestellten halbmondförmigen Öffnungsquerschnitt aufweisen. Somit bietet der sichelförmige Öffnungsquerschnitt ein größtmögliches Verhältnis von wirksamer Oberfläche im Kühlkanal 8 zum eingenommenen Kanalvolumen bzw. der Querschnittsfläche A. Je nach Priorität des kühlenden Abschnitts des Schneidkörpers 4 kann der Kühlkanal 8 entsprechend ausgerichtet sein.
In der Figur 5b ist der Kühlkanal 8 in Richtung der Spanfläche 1 1 ausgerichtet, sodass die Kühlwirkung des Fluids in diesem Bereich erhöht ist. In der Figur 5c ist der Kühlkanal 8 in Richtung der Hauptschneide 5 hin ausgerichtet, wobei die Hauptschneide 5 sowie die Spanfläche 1 1 und/oder die Freifläche 12 in der Nähe der Hauptschneide 5 eine verbesserte Kühlwirkung aufweist. In der Figur 5d ist der Kühlkanal 8 L-förmig ausgebildet. Ein erster Schenkel des Kühlkanals 8 erstreckt sich beispielsweise parallel zu der Spanfläche 1 1 und ein zweiter Schenkel erstreckt sich beispielsweise parallel zu der Freifläche 12. Beispielsweise können der erste und der zweite Schenkel gleich lang ausgebildet sein. Alternativ können die beiden Schenkel unterschiedlich lang ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste
1 Werkzeuganordnung
Werkstück
3 Werkzeugträger
Schneidkörper
5 Schneidecke
6 Bearbeitungsbereich
7 Kühlmedienversorgung
8 Kühlkanal
9 Eingang
10 Ausgang
10a erster Ausgang
10b zweiter Ausgang
10c dritter Ausgang
1 1 Spanfläche
12 Freifläche
R Rotationsachse
d Abstand
Xf Abstand (Freifläche)
Xs Abstand (Spanfläche)

Claims

Patentansprüche
1 . Werkzeuganordnung (1 ) mit einem Schneidkörper (4) zur trennenden Bearbeitung eines Werkstücks (2), wobei in dem Schneidkörper (4) mindestens ein Kühlkanal (8) zur Durchleitung eines Fluids angeordnet ist, mit einer Kühlmedienversorgung (7) zur Versorgung des Schneidkörpers (4) mit dem Fluid, wobei das Fluid dem Schneidkörper (4) in einem flüssigen Aggregatszustand über einen Fluidstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom ausgebildet ist, dass bei dem Durchgang des Fluids durch den Schneidkörper (4) ein Phasenübergang zumindest von einem Teil des Fluids von einem flüssigen Aggregatszustand in einen gasförmigen Aggregatszustand erfolgt.
2. Werkzeuganordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom so gewählt ist, dass die Temperatur des Fluids bei dem Durchgang durch den Schneidkörper (4) über die Siedetemperatur gehoben wird.
3. Werkzeuganordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid als Wasser ausgebildet ist.
4. Werkzeuganordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom kleiner als 100 ml/Minute, vorzugsweise kleiner als 50 ml/Minute und im Speziellen kleiner als 20 ml/Minute ist.
5. Werkzeuganordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (8) als ein Kanal mit einer freien Querschnittsfläche kleiner als 1 mm2, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm2 und im Speziellen kleiner als 0,2 Quadratmillimeter ausgebildet ist.
6. Werkzeuganordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (8) einen sichelförmigen und/oder halbkreisförmigen und/oder L-förmigen Öffnungsquerschnitt aufweist.
7. nach einem der vorhergehenden Ansprüche dass die Werkzeuganordnung (1 ) eine Fluidzuführung für ein weiteres Fluid zur externen Schmierung und/oder Kühlung aufweist.
8. Werkzeuganordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang (9) in den Schneidkörper (4) mit dem Fluid mit einem Eingangsdruck druckbeaufschlagt und/oder ein Ausgang (10) aus dem Schneidkörper (4) mit einem Ausgangsdruck drucklos ausgebildet ist.
9. Verfahren zum Kühlen eines Schneidkörpers (4) vorzugsweise in der Werkzeuganordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schneidkörper (4) bei einer trennenden Bearbeitung eines Werkstücks (2) erhitzt wird, wobei ein Fluid durch einen Kühlkanal (8) in dem Schneidkörper (4) durchgeführt wird, wobei das Fluid in einem flüssigen Aggregatszustand in den Schneidkörper (4) eingeführt wird und zumindest ein Teil des Fluids in einem gasförmigen Aggregatszustand aus dem Schneidkörper (4) heraus geführt wird.
10. Verwendung eines Schneidkörpers (4) in dem Verfahren nach Anspruch 9 und/oder in einer Werkzeuganordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schneidkörper (4) mindestens einen Kühlkanal (8) zur Durchführung des Fluids aufweist.
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