DE102010036869A1

DE102010036869A1 - Zerspanungswerkzeug

Info

Publication number: DE102010036869A1
Application number: DE102010036869A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sattel Stefan; Lutfi Bozkurt
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-09
Also published as: WO2012025092A3; WO2012025092A2; US20130216318A1; EP2601001A2; US9623494B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug (1) mit einem Schneidteil (2) und einem den Schneidteil (2) tragenden Grundkörper (3). Erfindungsgemäß sind der Grundkörper (3) und/oder der Schneidteil (2) zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus CFK oder CFC, gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug mit einem Schneidteil und einem den Schneidteil tragenden Grundkörper.
Die Erfindung geht aus von herkömmlichen stehenden oder drehangetriebenen Zerspanungswerkzeugen, z. B. Bohr-, Fräs- oder Drehwerkzeugen. Bislang wurden derartige Werkzeuge, deren Aufbau und Funktionsweise allgemein bekannt sind, ein- oder mehrteilig aus einem Metall-, Keramik- oder Keramikverbundwerkstoff hergestellt. Derartige Werkzeug weisen naturgemäß eine relativ hohe Masse auf und sind relativ steif. Bei der zerspanenden Bearbeitung eines Werkstücks kommt es daher regelmäßig zu Schwingungen, die sich vom Schneidteil auf den Werkzeuggrundkörper übertragen. Diese Schwingungen verursachen Schwingungsgeräusche und können sich auf die Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstückoberfläche negativ auswirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Zerspanungswerkzeug zu entwickeln, das sich durch ein geringeres Gewicht und gute Schwingungseigenschaften auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeug gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte oder bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Zerspanungswerkzeug hat einen Schneidteil und einen den Schneidteil tragenden Grundkörper. Der Schneidteil und der Grundkörper können einstückig miteinander verbunden sein, das Zerspanungswerkzeug kann also aus zunächst separat hergestellten Schneidteil und Grundkörper einstückig zusammengesetzt oder alternativ dazu aus einem Vollmaterial einstückig angefertigt sein. Der Schneidteil und der Grundkörper können aber auch lösbar miteinander verbunden sein, das Zerspanungswerkzeug kann also modular aufgebaut sein. Sowohl der Schneidkörper als auch der Grundkörper können jeweils einstückig ausgebildet sein. Der Schneidteil kann aber auch eine Vielzahl von Schneidkörpern, z. B. Schneidplatten oder Schneidleisten, aufweisen, die auf einem mit dem Grundkörper verbundenen Trägerkörper, z. B. auf einer eine Schneidplatte tragenden Kassette, angeordnet sind. Der Grundkörper, der den Schneidteil oder den vorgenannten Trägerkörper trägt und über den das Zerspanungswerkzeug in beispielsweise einer Werkzeugaufnahme eingespannt wird, kann ebenfalls einstückig oder mehrteilig aufgebaut sein.
Ein erfindungsgemäßes Zerspanungswerkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist. Zumindest teilweise heißt in diesem Zusammenhang, dass es einstückig aus einem Körper aus faserverstärktem Kunststoff, z. B. einem stranggezogenen (pultrudierten) Rundstab, hergestellt ist, oder dass ein oder mehrere ausgewählte Funktionsabschnitte aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt sind. Derartige Funktionsabschnitte sind Abschnitte, die die Funktion haben, bei der Zerspanung auftretenden Kräfte und/oder Drehmomente zwischen Schneidteil und Grundkörper zu übertragen. Derartige Funktionsabschnitte können somit der Grundkörper und/oder der Schneidteil sein. Daneben umfassen diese Funktionsabschnitte aber auch funktional oder baulich abgrenzbare Bestandteile des Grundkörpers und/oder Schneidteils, beispielsweise auf der Seite des Grundkörpers einen Schaftabschnitt oder auf der Seite des Schneidteils den oben genannten Trägerkörper, z. B. Kassette, bzw. die oben genannten Schneidkörper.
Durch die Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffes, wofür insbesondere CFK (kohlenstofffaserverstärker Kunststoff) oder CFC (kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff) geeignet sind, lässt sich ein Zerspanungswerkzeug herstellen, das sich gegenüber herkömmlichen Zerspanungswerkzeugen aus Metall- oder Keramikbasis durch ein geringeres Gewicht auszeichnet. Gleichzeitig lassen sich durch Verwendung eines den speziellen Anforderungen an den jeweiligen Funktionsabschnitt Rechnung tragenden faserverstärkten Kunststoffs und eine entsprechende Verarbeitung, insbesondere Faserdichte und Faserorientierung, die erforderlichen Eigenschaften hinsichtlich Steifigkeit, Schlagfestigkeit und Schwingungs- und Geräuschdämpfung erzielen. Bevorzugte faserverstärkte Kunststoffe sind zumindest für ein einstückig aufgebautes Zerspanungswerkzeug stranggezogene CFK Rundstäbe mit in eine Kunstharzmatrix eingebetteten Kurzfasern, die im Wesentlichen unidirektional in Längsrichtung des Zerspanungswerkzeugs ausgerichtet sind. Zu den vorgenannten Eigenschaften kommt hinzu, dass sich derartige faserverstärkte Kunststoffe leicher bearbeiten lassen als die herkömmlich verwendeten Werkstoffe auf Metall- oder Keramikbasis.
Das erfindungsgemäße Zerspanungswerkzeug (bei einstückigem Aufbau) bzw. der zumindest eine Funktionsabschnitt (bei mehrteiligem Aufbau) kann auf der Basis eines aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellten Werkzeugrohling hergestellt werden. So ist bei einem einstückig aufgebautem Zerspanungswerkzeug in den Werkzeugrohling im Bereich des Schneidteils die für die Zerspanung erforderliche Haupt- und/oder Nebenschneidengeometrie, z. B. durch Einschleifen, eingearbeitet, während im Bereich des Grundkörpers der Werkzeugrohling für die Aufnahme und Spannung in einer Werkzeugaufnahme bearbeitet ist. Bei einem mehrteilig aufgebauten Zerspanungswerkzeug ist der Werkzeugrohling nur hinsichtlich der dem jeweiligen Funktionsabschnitt zugedachten Funktionen entsprechend bearbeitet.
Bei dem Werkzeugrohling kann es sich um ein zylindrisch gewickeltes Laminat handeln, d. h. der Werkzeugrohling kann aus mehreren in eine Kunstharzmatrix eingebetteten Fasergeweben gebildet sein, die beispielsweise um einen Kern aus Vollharzmaterial oder einen Hohlkern zylindrisch gewickelt sind. Bei dem Werkzeugrohling kann es sich aber auch um ein Spritzguss-, Spritzpress- oder Strangziehteil handeln. Werkzeugrohlinge, die nach einem der letztgenannten Verfahren, insbesondere durch Strangziehen, hergestellt sind, zeichnen sich durch in eine Matrix aus Kunstharz eingebettete Kurzfasern aus und haben daher gegenüber den meist nur Langfasern enthaltenden Laminaten den Vorteil, dass sich auch bei kleinen Durchmessern klar umrissene Flächen, beispielsweise eine Mitnehmerfläche, und definierte Kanten, beispielsweise eine Haupt- und Nebenschneidkanten, exakt ausbilden lassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Zerspanungswerkzeug einstückig gefertigt. Es wurde erkannt, dass für ausgewählte Anwendungsgebiete, wie z. B. die Holz- und Kunststoffbearbeitung aber auch die Bearbeitung leicht zerspanbarer Leichtmetallwerkstoffe, ein Zerspanungswerkzeug, dass einstückig aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist, den Zerspanungsanforderungen durchaus gewachsen ist. Selbstverständlich wird der für die Werkzeugherstellung verwendete faserverstärkte Kunststoffwerkstoff unter Berücksichtigung der jeweils zu erwartenden Anforderungen, z. B. hinsichtlich Festigkeit und Steifigkeit, entsprechend gewählt. Bevorzugt werden für die einstückig gefertigten Zerspanungswerkzeuge daher CFK- und CFC-Werkstoffe verwendet.
Der Schneidteil kann einen oder mehrere Schneidkörper umfassen. Der Schneidteil kann daher einstückig ausgebildet sein oder mehrere Schneidkörper z. B. in Form von Schneidplatten oder Schneidleisten umfassen. In jedem Fall lassen sich bei dieser Bauweise verschiedene Materialien mit verschiedenen Eigenschaften hinsichtlich Härte, Schwingungsdämpfung, Gewicht, Temperaturbeständigkeit, etc. zweckmäßig und vorteilhaft miteinander kombinieren. Beispielsweise kann der Schneidteil oder können die Schneidkörper aus einem Stahlwerkstoff, Hartmetall oder einem Keramikverbundwerkstoff hergestellt sein. Die Schneidkörper können auf den Grundkörper oder einem mit dem Grundkörper verbundenen Trägerkörper angeordnet, beispielsweise geklebt sein. Bei dem Trägerkörper kann es sich beispielsweise um eine Kassette handeln, auf der ein Schneidkörper, z. B. eine Schneidplatte, beispielsweise verstellbar befestigt ist. Der Grundkörper und/oder der Trägerkörper können aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt sein. Die Klebung der Schneidkörper an einem Werkstoff aus faserverstärktem Kunststoff ist einfach und zuverlässig zu realisieren. Alternativ dazu können die Schneidkörper am Grundkörper oder Trägerkörper aber auch angeschraubt sein oder mittels Spannpratzen gehalten werden.
Die Verwendung eines faserverstärkten Kunststoffs für zumindest einen der Funktionsabschnitte eines Zerspanungswerkzeugs gestattet die Vorsehung eines internen Kühl- und/oder Schmiermittelzufuhrkanalsystems. Insbesondere dann, wenn dieses Kühl- und/oder Schmiermittelzufuhrkanalsystem durch den aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildeten Funktionsabschnitt geht, vereinfacht sich die Ausbildung gegenüber herkömmlichen Stahl- oder Keramikwerkstoffen enorm.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsformen erläutert.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs.
Bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform handelt es sich um ein Zerspanungswerkzeug in Form eines Bohrers 1. Der Bohrer 1 hat einen Schneidteil und einen den Schneidteil 2 tragenden Grundkörper 3. Der Grundkörper 3 und der Schneidteil 2 sind als Funktionsabschnitte an einem pultrudierten Rundstab aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) ausgebildet, bei dem Kurzfasern in eine Matrix aus Kunstharz eingebettet sind. Der Bohrer 1 ist daher einstückig gefertigt. Der Grundkörper 3 definiert einen zylindrischen Schaftabschnitt zum Einspannen in eine (nicht gezeigte) Werkzeugaufnahme. Im Schneidteil 2 sind in der an sich bekannten Weise Haupt- und Nebenschneidkanten eingeschliffen.
Die in 2 gezeigte zweite Ausführungsform betrifft ein Zerspanungswerkzeug in Form eines mehrteilig aufgebauten Bohrwerkzeugs 10. Das Bohrwerkzeug 10 weist einen Schneidteil 12 und einen den Schneidteil 12 tragenden Grundkörper 13 auf. Der Grundkörper 13 hat auf der dem Schneidteil 12 abgewandten Seite einen HSK(Hohlschaftkegel)-Abschnitt 14 zur Ankopplung des Bohrwerkzeugs 10 an eine (nicht gezeigte) Werkzeugmaschine. Der Schneidteil 12 ist hier gebildet aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung um das dem HSK-Abschnitt 14 abgewandte Ende des Grundkörpers 13 beabstandet angeordneten plattenförmigen Schneidkörpern 12a, 12b, 12c, 12d.
Im Unterschied zum Bohrer 1 gemäß der ersten Ausführungsform ist bei dem Bohrwerkzeug 10 gemäß der zweiten Ausführungsform der Grundkörper 13 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt. Der Grundkörper 13 ist wie in der ersten Ausführungsform durch spanende Bearbeitung eines pultrudierten Rundstabs angefertigt.
Die Schneidplatten 12a, 12b, 12c, 12d sind aus einem bekannten Material, z. B. Hartmetall, PKD, CBN oder dergleichen hergestellt, und in am Grundkörper 13 ausgebildeten taschenförmigen Ausnehmungen eingeklebt.
Das in 2 gezeigte Zerspanungswerkzeug weist zudem ein im Grundkörper 13 ausgebildetes internes Kühl- und Schmiermittelzufuhrkanalsystem auf, das aus einem zentralen Kanal 15 gebildet ist, der über Zweigkanäle 16 zu den Schneidplatten 12a, 12b, 12c, 12d führt.
3 zeigt in auseinander gezogener Darstellung ein erfindungsgemäßes Zerspanungswerkzeug in Form einer mehrteilig aufgebauten Mehrschneiden-Reibahle 100. Die Mehrschneiden-Reibahle 100 ist in der DE 10 2006 016 290 A1 gezeigt (vgl. 1) beschrieben, so dass bezüglich des Aufbaus und der Funktionsweise auf die Angaben in der DE 10 2006 016 290 A1 verwiesen wird. Die in 3 gezeigte Mehrstufen-Reibahle 100 hat einen Grundkörper 130, der einen ersten Trägerkörper 131, einen zweiten Trägerkörper 132 und einen HSK-Abschnitt 133 zur Ankopplung des Bohrwerkzeugs 10 an eine (nicht gezeigte) Werkzeugmaschine aufweist. Der erste Trägerkörper 131 und der zweite Trägerkörper 132 sind bezüglich der Werkzeugachse 140 zueinander koaxial mit dem HSK-Abschnitt 133 verbunden. Der erste Trägerkörper 131 ist hierzu im Besonderen in einer Innenbohrung 134 des HSK-Abschnitts 133 kraftschlüssig aufgenommen, während der zweite Trägerkörper 132 kraftschlüssig auf einem zylindrischen Abschnitt 135 des HSK-Abschnitts 133 sitzt.
Der erste Trägerkörper 131 und der zweite Schneidenträger 132 sind jeweils mit mehreren PKD-, CBN- oder Hartmetall-Schneiden bestückt, die fest oder mittels einer nicht gezeigten Feinjustiereinrichtung einstellbar an dem jeweiligen Trägerkörper befestigt sind. Die den mit 121 bezeichneten Schneidteil bildenden plattenförmigen Schneidkörper sind unmittelbar am ersten Trägerkörper befestigt (angeklebt oder festgeschraubt). Die die mit 122 und 123 bezeichneten Schneidteile bildenden plattenförmigen Schneidkörper können auf nicht näher gezeigten Kassetten befestigt (angeklebt oder festgeschraubt) sein, die in entsprechend ausgebildeten taschenförmigen Ausnehmungen des Trägerkörpers 132 einstellbar fixiert sind. Die Einstellbarkeit ist dabei vorzugsweise so getroffen, dass sie drei in den 3 mit den Pfeilen R, A und N bezeichnete Freiheitsgrade hat.
Analog zum Bohrwerkzeug 10 gemäß der zweiten Ausführungsform ist bei der Mehrstufen-Reibahle 100 gemäß der dritten Ausführungsform der Grundkörper 130 13 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt. Im Besonderen sind der erste Trägerkörper 131, der zweite Trägerkörper 132 und der HSK-Abschnitt 133 durch eine spanende Bearbeitung eines pultrudierten Rundstabs angefertigt. Ebenso können die die plattenförmigen Schneidkörper tragenden Kassetten, die am zweiten Schneidenträger 132 angeordnet sind, aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt.
Bei den oben beschriebenen Zerspanungswerkzeugen gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform sind mit Ausnahme der Schneidkörper alle weiteren Funktionsabschnitt des Grundkörpers und Schneidteils aus einem faserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Denkbar wäre, dass nur ausgewählte Funktionsabschnitte, bei der Mehrstufen-Reibahle gemäß der dritten Ausführungsform beispielsweise nur die die Schneidkörper tragenden Kassetten, der erste Trägerkörper 131 und/oder der zweite Trägerkörper 132 aus einem faserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt sind, während der HSK-Abschnitt aus den üblichen Metallwerkstoffen hergestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006016290 A1 [0022, 0022]

Claims

Zerspanungswerkzeug (1; 10; 100) mit einem Schneidteil (2; 12; 120) und einem den Schneidteil (2; 12; 120) tragenden Grundkörper (3; 13; 130), dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (3; 13; 130) und/oder der Schneidteil (2; 12; 120) zumindest teilweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet sind.
Zerspanungswerkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einstückig gefertigt ist.
Zerspanungswerkzeug (10; 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrteilig aufgebaut ist, wobei zumindest der Grundkörper (13) aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
Zerspanungswerkzeug (10; 100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidteil (12; 120) einen oder mehrere Schneidkörper umfasst.
Zerspanungswerkzeug (10; 100) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Schneidkörper aus einem Stahlwerkstoff, Hartmetall oder einem Keramikverbundwerkstoff, insbesondere PKD oder CBN, hergestellt sind.
Zerspanungswerkzeug (10; 100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidteil (12; 120) kraft- und/oder formschlüssig mit dem Grundkörper (13) oder einem zwischen den Grundkörper (130) und dem Schneidteil (120) angeordneten Trägerkörper (131, 132) verbunden ist.
Zerspanungswerkzeug (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein internes Kühl- und/oder Schmiermittelzufuhrkanalsystem (15, 16).
Zerspanungswerkzeug (1; 10; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFC) und kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff (CFC) umfasst.