DE102012022610A1

DE102012022610A1 - Rotierendes Schneidwerkzeug mit einem Kühlkanal, der zur Spannungsreduzierung in einer nicht kreisförmigen Aussparung angeordnet ist

Info

Publication number: DE102012022610A1
Application number: DE102012022610A
Authority: DE
Inventors: Ruy Frota de Souza Filho; Mark Alan Francis
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: US20130129429A1; US8621964B2; GB2496986A8; DE102012022610B4; GB201221087D0; CN103128353A; RU2012148046A; GB2496986A

Abstract

Ein Schneidwerkzeug enthält einen Werkzeugkörper mit einer Vielzahl von Taschen zur Aufnahme von Schneideinsätzen. Jede Tasche enthält eine untere Tragfläche, eine axiale Tragfläche, eine radiale Tragfläche und einen Eckenhinterschnitt zwischen der unteren Tragfläche und der radialen Tragfläche. Eine nicht-kreisförmige Aussparung ist nahe der Tasche geformt, und ein Kühlkanal ist in der Aussparung angeordnet. Die Aussparung reduziert eine Zugspannung des Schneidwerkzeugs während eines Bearbeitungsvorgangs.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Rotierende Schneidwerkzeuge, wie Spiralschaftfräser und Stirnfräser, sind in der Industrie allgemein bekannt. Konventionelle Spiralschaftfräser umfassen diejenigen, die auf den Seiten 182–216 im Fräser-Katalog Nr. 5040 von Kennametal, Copyright 1995, gezeigt sind.
Eine Form eines Spiralfräsers, die seit Jahren in Gebrauch ist, ist ein Spiralfräser, bei dem die Schneidkante jedes Einsatzes axial zur Schneidkante des nächsten benachbarten Einsatzes beabstandet ist, und bei dem die Einsätze in jeder Spirale versetzt sind, so dass zwei oder mehr Reihen notwendig sind, um eine vollständige oder ”umfassend wirksame” Schneidkante zu erzeugen. Eine solche Gestaltung wird von den Spiralschaftfräsern mit 0 Grad Drall von Kennametal gezeigt, wie auf Seite 188 des oben erwähnten Fräser-Katalogs gezeigt ist. Einer der Nachteile einer solchen Gestaltung liegt darin, dass der Drall-Einsatz in mindestens einer Spirale entweder eine andere Länge haben oder nach innen versetzt sein muss und daher für ein Stirnfräsen unfähig ist. Dies ist das Ergebnis der Notwendigkeit, die Einsätze in jeder Spirale zu versetzen. Folglich sind alle Einsätze allgemein nicht gleich und somit nicht untereinander austauschbar, wodurch sie die Herstellung und einen Lagerbestand von vielen Einsätzen erfordern.
Wie in 4 gezeigt, enthält ein konventioneller Spiralschaftfräser 100 einen Werkzeugkörper 102 und einen Schaft 104. Der Schaft 104 ist konfiguriert, um innerhalb einer Spindel einer Fräs- oder anderen Schneidemaschine (nicht gezeigt) eingeführt und befestigt zu werden, wie es im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Der Werkzeugkörper 102 ist ein im Wesentlichen zylindrischer Körper und hat eine Mittellängsachse 103. Der Werkzeugkörper 102 erstreckt sich axial vom Schaft 104 zu einer Endseite 106, wodurch eine Außenfläche 108 dazwischen definiert wird. Die Außenfläche 108 des Werkzeugkörpers 102 enthält vorzugsweise eine Vielzahl von Spiralnuten oder -schneiden 110. Es versteht sich, dass fast jede Anzahl von Spiralnuten im Werkzeugkörper 102 geformt werden kann. Jede Nut 110 ist vorzugsweise in die Außenfläche 108 in einer spiral- oder wendelförmigen Weise eingeschnitten, die sich von der Endseite 106 im Wesentlichen bis zum Schaft 104 erstreckt.
Ein Einsatz (nicht gezeigt) ist an jeder Tasche 116 in jeder Nut 110 unter Verwendung einer Schraube (nicht gezeigt) mit einem konischen Kopf befestigt, die durch ein entsprechendes konisches Loch (nicht gezeigt) in jeden Einsatz eingeführt und dann in ein Gewindeloch 118 in der jeweiligen Tasche 116 eingedreht werden kann.
Wie in 5 gezeigt, hat jede Tasche 116 eine untere Tragfläche 120, die zur Achse 103 in einem Winkel angeordnet sein kann. Die Tasche 116 enthält auch eine axiale Tragfläche 122 und eine radiale Tragfläche 124, die eine axiale bzw. eine radiale Anschlagfläche für die Seitenwände des Einsatzes formen, wenn er in die Tasche 116 montiert ist. Ein Eckenhinterschliff 126 ist zwischen der unteren Tragfläche 120 und der axialen Tragfläche 122 vorgesehen. Die radiale Tragfläche 124 in der Nähe jeder Tasche 116 kann einen oder mehrere kreisförmige Kühlkanäle 128 enthalten, um ein Kühlmittel für den Schneideinsatz und das zugeordnete Werkstück zu liefern.
Wenn ein Spiralschaftfräser in Betrieb ist, wird die Bearbeitungskraft üblicherweise gegen eine oder mehrere Kanten des Fräsers ausgeübt. Der Werkzeughalter, der den Schaft des Fräsers steif einspannt, widersteht dem resultierenden Biegemoment. Ohne die Tatsache zu beachten, dass die Richtung des Moments sich kontinuierlich ändert, während der Fräser dreht, kann der Fräser als wie ein Kragbalken belastet angesehen werden.
Wie in 6 gezeigt, haben Simulationen gezeigt, dass eine maximale Zugspannung der Tasche 116 während Bearbeitungsvorgängen von etwa 736 MPa (106,76 kpsi) sich an einem Punkt 130 nahe dem Kühlkanal 128 befindet, was zu einem Ermüdungs-Sicherheitsfaktor bei 10E6 Zyklen von etwa 0,750 führt.
Während die oben erörterte Spannung sich auf die Vermeidung einer Ermüdung bezieht, die zu einem Bruch des Werkzeugs führen würde, ist die Erfordernis, eine Werkzeugdurchbiegung zu minimieren, nicht weniger wichtig, um die Genauigkeit und die Oberflächengüte zu verbessern und Vibrationen und Lärm zu reduzieren. Das Biegemoment, zusammen mit der Drehung des Fräsers, erzeugt einen Zustand der vollen Spannungsumkehr (abwechselnde Zug- und Druckspannungen), was der schlimmste Ermüdungs-Zustand ist.
Dementsprechend gibt es einen Bedarf für ein verbessertes Schneidwerkzeug, das die Einschränkungen des bekannten Schneidwerkzeugs überwinden und die Gesamtspannung des Schneidwerkzeug reduzieren oder beseitigen kann.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat das Problem hoher Spannung, das mit konventionellen Schneidwerkzeugen verbunden ist, durch die Bereitstellung einer Taschenausformung gelöst, die sich nahe dem Bereich hoher Spannung auf der radialen Tragfläche befindet, die die Zugspannung stark reduziert, wodurch die Sicherheit und Lebensdauer des Werkzeugs verbessert werden.
Gemäß einem Merkmal weist ein Schneidwerkzeug einen Werkzeugkörper auf, der eine Vielzahl von Taschen für die Aufnahme von Schneideinsätzen enthält, wobei jede Tasche eine untere Tragfläche, eine axiale Tragfläche, eine radiale Tragfläche und einen Eckenhinterschnitt zwischen der unteren Tragfläche und der radialen Tragfläche; einen Kühlkanal nahe mindestens einer der Vielzahl von Taschen; und eine nicht-kreisförmige Aussparung aufweist, die den Kühlkanal umgibt, wobei die nicht-kreisförmige Aussparung während eines Bearbeitungsvorgangs eine Zugspannung im Schneidwerkzeug reduziert.
Gemäß einem anderen Merkmal weist ein Schneidwerkzeug einen Werkzeugkörper auf, der eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme von Schneideinsätzen enthält, wobei jede Tasche eine untere Tragfläche, eine axiale Tragfläche, eine radiale Tragfläche und einen Eckenhinterschnitt zwischen der unteren Tragfläche und der radialen Tragfläche; eine nicht-kreisförmige Aussparung nahe mindestens einer der Vielzahl von Taschen; und einen Kühlkanal aufweist, der innerhalb der nicht-kreisförmigen Aussparung angeordnet ist, wobei die nicht-kreisförmige Aussparung während eines Bearbeitungsvorgangs eine Zugspannung im Schneidwerkzeug verringert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind, sollten die besonderen veranschaulichten Ausführungsformen nicht als die Ansprüche einschränkend ausgelegt werden. Es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
1 ist eine Seitenansicht des Schneidwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine vergrößerte Ansicht der Tasche des Schneidwerkzeugs der 1, die eine nicht-kreisförmige Aussparung zeigt, die einen Kühlkanal umgibt, um gemäß einer Ausführungsform der Erfindung Spannung zu verringern;
3A und 3B zeigen eine Messung der Spannungsverteilung für die Tasche des Schneidwerkzeugs mit der nicht-kreisförmigen Aussparung der 2;
4 ist eine isometrische Ansicht eines konventionellen Schneidwerkzeugs;
5 ist eine vergrößerte Ansicht der Tasche des konventionellen Schneidwerkzeugs der 4; und
6 zeigt eine Messung der Spannungsverteilung für die Tasche des konventionellen Schneidwerkzeugs der 6.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, ist ein spiralförmiges Schneidwerkzeug 10, wie ein Schaftfräser, Stirnfräser und dergleichen, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Wie in 1 gezeigt, enthält der Spiralschaftfräser 10 einen Werkzeugkörper 12 und einen Schaft 14. Der Schaft 14 ist konfiguriert, um zum Einsetzen und Befestigen innerhalb einer Spindel einer Fräs- oder anderen Schneidemaschine (nicht gezeigt) geeignet zu sein, wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Der Werkzeugkörper 12 ist ein im Wesentlichen zylindrischer Körper und hat eine zentrale Längsdrehachse 13. Der Werkzeugkörper 12 erstreckt sich axial vom Schaft 14 zu einer Endseite 16 und definiert dadurch eine Außenfläche 18 dazwischen. Die Außenfläche 18 des Werkzeugkörper 12 enthält vorzugsweise eine Vielzahl von Spiralnuten oder Schneiden 20. Es versteht sich, dass fast jede Anzahl von Spiralnuten im Werkzeugkörper 12 geformt sein kann. Jede Nut 20 wird vorzugsweise spiral- oder wendelförmig in die Außenfläche 18 geschnitten und erstreckt sich von der Endseite 16 im Wesentlichen bis zum Schaft 14.
Wie im Stand der Technik bekannt, wird ein Einsatz (nicht gezeigt) an jeder Tasche 26 in jeder Nut 20 unter Verwendung einer Schraube (nicht gezeigt) mit einem konischen Kopf, die durch ein entsprechend konisches Loch (nicht gezeigt) in jedem Einsatz einführbar ist und dann in ein Gewindeloch 28 in der jeweiligen Tasche 26 eingedreht wird, befestigt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass ein beliebiges Verfahren und eine beliebige Vorrichtung zum Befestigen eines Einsatzes verwendet werden kann, einschließlich aller, die im Stand der Technik bekannt sind, ohne die Erfindung zu verändern.
Die Einsätze können allgemein jede bekannte Konstruktion, Größe, Form oder Konfiguration haben, so lange die Einsätze in der gewünschten Weise sicher und genau in die Tasche 34 passen. Beispiele solcher Einsätze enthalten die auf den Seiten 7–132 im oben erwähnten Kennametal Fräser-Katalog beschriebenen Einsätze. Spezielle Beispiele enthalten die darin beschriebenen Einsätze von der Art ADKT oder LFEW.
Wie in 2 gezeigt, hat jede Tasche 26 eine unter Tragfläche 30, die mit der Achse 13 einen Winkel bilden kann. Die Tasche 26 enthält auch eine axiale Tragfläche 32 und eine radiale Tragfläche 34, die axiale und radiale Anschlagflächen für die Seitenwände des Einsatzes bilden, wenn er in die Tasche 26 montiert wird. Ein Eckenhinterschnitt 36 ist zwischen der unteren Tragfläche 30 und der axialen Tragfläche 32 vorgesehen. In der veranschaulichten Ausführungsform hat der Eckenhinterschnitt 36 einen Radius von annähernd 0,047 Inch (annähernd 1,19 mm). Der Radius des Eckenhinterschnitts 36 hängt aber von der Gestaltung des Schneideinsatzes und anderen Faktoren ab. Das Schneidwerkzeug 10 enthält einen oder mehrere kreisförmige Kühlkanäle 38 in der Nähe jeder Tasche 26 zum Liefern von Kühlmittel an den Schneideinsatz und das zugeordnete Werkstück.
Bis jetzt ist der erfindungsgemäße Spiralschaftfräser 10 gleich dem konventionellen Spiralschaftfräser 100. Ein Merkmal der Erfindung ist, dass der Spiralschaftfräser 10 eine spannungsreduzierende Ausformung hat, allgemein in 40 gezeigt, um die Zugspannung im Spiralschaftfräser 10 während Bearbeitungsvorgängen zu verringern. Speziell hat die spannungsreduzierende Ausformung die Form einer nicht-kreisförmigen Aussparung 40, die den Kühlkanal 38 umgibt, wie in 2 gezeigt ist. Anders gesagt, der Kühlkanal 38 ist innerhalb der nicht-kreisförmigen Aussparung 40 der Erfindung angeordnet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Mitte der nicht-kreisförmigen Aussparung 40 im Wesentlichen mit der Mitte des Kühlkanals 38 fluchtend ausgerichtet. Es versteht sich aber, dass die Mitte der spannungsreduzierenden Ausformung 40 nicht mit der Mitte des Kühlkanals 38 fluchtend ausgerichtet sein muss, sondern bezüglich des Kühlkanals 38 außermittig sein kann.
Die nicht-kreisförmige Aussparung 40 kann von länglicher, ovaler oder elliptischer Form mit einer maximalen Breite 42 sein, die in etwa doppelt so groß wie die Tiefe 44 ist. Anders gesagt, die Aussparung 40 hat ein Breite/Tiefe-Verhältnis von etwa 2:1. Allgemein wurde gefunden, dass die Vergrößerung der Tiefe der Aussparung 40 die Zugspannung an der Kante des Kühlkanals 38 senkt. Es versteht sich aber, dass die Erfindung nicht durch die relative Abmessung der Aussparung beschränkt wird, und dass die Erfindung mit jedem wünschenswerten Breite/Tiefe-Verhältnis durchgeführt werden kann, das die gewünschte Reduzierung der Gesamtspannung des Werkzeugs liefert.
In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Hauptachse der nicht-kreisförmigen Aussparung 40 im Wesentlichen mit der Drehachse 13 des Werkzeugs 10 fluchtend ausgerichtet. Es versteht sich aber, dass die Hauptachse der nicht-kreisförmigen Aussparung 40 in jedem gewünschten Winkel zur Drehachse 13 ausgerichtet sein kann, der die wünschenswerte Reduzierung der Gesamtspannung des Werkzeugs 10 liefert.
Wie in 3A gezeigt, ist die spannungsreduzierende Ausformung 40 im Wesentlichen von länglicher Form. Simulationen haben unerwartet die Ergebnisse gezeigt, dass eine maximale Zugspannung der Tasche 26 während Bearbeitungsvorgängen von annähernd 388 MPa (53,1 kpsi) sich an einem Punkt 46 nahe dem Kühlkanal 42 befindet, im Vergleich mit der maximalen Zugspannung von annähernd 736 MPa (106,76 kpsi), was eine Reduktion von etwa 50% ist.
Wie in 3A gezeigt, wurde die Zugspannung weiter in Richtung der radialen Tragfläche 34 gestreut, und befindet sich auch nicht mehr nahe dem Kühlkanal 38. Als Ergebnis der erfindungsgemäßen nicht-kreisförmigen Aussparung 40 ist die maximale Zugspannung der Tasche stark reduziert, was zu einem sehr viel größeren Sicherheitsfaktor für das Schneidwerkzeug 10 im Vergleich mit dem konventionellen Schneidwerkzeug 100 führt.
Wie in 3B gezeigt, hat die spannungsreduzierende Ausformung 40 im Wesentlichen eine elliptische Form. Simulationen haben unerwartet die Ergebnisse gezeigt, dass eine maximale Zugspannung der Tasche 26 während Bearbeitungsvorgängen von annähernd 366 MPa (53,1 kpsi) sich an einem Punkt 46 nahe dem Kühlkanal 42 befindet, im Vergleich mit der maximalen Zugspannung von annähernd 736 MPa (106,76 kpsi), was eine Reduktion von etwa 50% ist. Als Ergebnis wird ein Ermüdungs-Sicherheitsfaktor bei 10E6 Zyklen von etwa 1,471 bei der erfindungsgemäßen Taschengestaltung im Vergleich mit einem Ermüdungs-Sicherheitsfaktor von etwa 0,75 bei der konventionellen Taschengestaltung erreicht, was fast ein Faktor 2 ist.
Wie in 3B gezeigt, wurde die Zugspannung weiter in Richtung der radialen Tragfläche 34 gestreut, und befindet sich auch nicht mehr nahe dem Kühlkanal 38. Als Ergebnis der erfindungsgemäßen nicht-kreisförmigen Aussparung 40 ist die maximale Zugspannung der Tasche stark reduziert, was zu einem sehr viel höheren Sicherheitsfaktor für das Schneidwerkzeug 10 im Vergleich mit dem konventionellen Schneidwerkzeug 100 führt.
Die Patente und anderen hier bezeichneten Druckschriften sind durch Verweis einbezogen. Andere Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung oder einer Durchführung der hier offenbarten Erfindung klar. Die Beschreibung und Beispiele sollen nur zur Veranschaulichung dienen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Der wahre Umfang der Erfindung wird durch die nachfolgenden Ansprüche angegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Seiten 182–216 im Fräser-Katalog Nr. 5040 von Kennametal, Copyright 1995 [0001]

Claims

Schneidwerkzeug, das aufweist: einen Werkzeugkörper, der eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme von Schneideinsätzen enthält, wobei jede Tasche eine untere Tragfläche, eine axiale Tragfläche, eine radiale Tragfläche und einen Eckenhinterschnitt zwischen der unteren Tragfläche und der radialen Tragfläche aufweist; einen Kühlkanal nahe mindestens einer der Vielzahl von Taschen; und eine nicht-kreisförmige Aussparung, die den Kühlkanal umgibt, wobei die nicht-kreisförmige Aussparung eine Zugspannung im Schneidwerkzeug während eines Bearbeitungsvorgangs verringert.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die nicht-kreisförmige Aussparung eine Mindesttiefe hat, die annähernd die Hälfte einer maximalen Breite der Aussparung ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Aussparung eine längliche, ovale oder elliptische Form hat.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei eine Hauptachse der nicht-kreisförmigen Aussparung im Wesentlichen mit einer Drehachse des Schneidwerkzeugs fluchtend ausgerichtet ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, wobei eine Mitte der nicht-kreisförmigen Aussparung im Wesentlichen mit einer Mitte des mindestens einen Kühlkanals fluchtend ausgerichtet ist.
Schneidwerkzeug, das aufweist: einen Werkzeugkörper, der eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme von Schneideinsätzen enthält, wobei jede Tasche eine untere Tragfläche, eine axiale Tragfläche, eine radiale Tragfläche und einen Eckenhinterschnitt zwischen der unteren Tragfläche und der radialen Tragfläche aufweist; eine nicht-kreisförmige Aussparung nahe mindestens einer der Vielzahl von Taschen; und einen Kühlkanal, der in der nicht-kreisförmigem Aussparung angeordnet ist, wobei die nicht-kreisförmige Aussparung eine Zugspannung im Schneidwerkzeug während eines Bearbeitungsvorgangs verringert.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, wobei die nicht-kreisförmige Aussparung eine Mindesttiefe hat, die annähernd die Hälfte der maximalen Breite der Aussparung ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, wobei die Aussparung von länglicher, ovaler oder elliptischer Form ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, wobei eine Hauptachse der nicht-kreisförmigen Aussparung im Wesentlichen mit einer Drehachse des Schneidwerkzeugs fluchtend angeordnet ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 6, wobei eine Mitte der nicht-kreisförmige Aussparung im Wesentlichen mit einer Mitte des mindestens einen Kühlkanals fluchtend angeordnet ist.