DE102014013210A1

DE102014013210A1 - Zerspanwerkzeug mit einem Kühlkanal

Info

Publication number: DE102014013210A1
Application number: DE102014013210.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Kopton; Markus Heilmann; Roland Meyer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-09-06
Filing date: 2014-09-06
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2034-09-07
Also published as: DE102014013210B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zerspanwerkzeug mit einem Spannschaft (1) und einem Werkzeugkörper (3), zwischen dessen Werkzeugspitze (5) und dem Spannschaft (1) sich koaxial zu einer Werkzeuglängsachse (L) ein Werkzeugkern (7) erstreckt, von dem zumindest ein, sich geradlinig oder gewendet entlang der Werkzeuglängsachse (L) erstreckender Werkzeugsteg (9) radial nach außen abragt, an dem eine Seitenschneide (11) ausgebildet ist und ein nutenförmiger Spanraum (19) angrenzt, wobei im Werkzeugkörper (3) entlang der Werkzeuglängsachse (L) ein innerer Kühl- oder Schmiermittelkanal (27) verläuft für eine Kühl- oder Schmiermittelzufuhr zur Werkzeugspitze (5). Erfindungsgemäß weist der Strömungsquerschnitt (26) des Kanals (27) einen koaxial zur Werkzeuglängsachse (L) verlaufenden zentralen Strömungsabschnitt (29) und zumindest einen seitlichen Strömungsabschnitt (31) auf, der radial nach außen in den Werkzeugsteg (9) hinein ausgeweitet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Zerspanwerkzeug mit einer inneren Kühlschmierstoff- bzw. Minimalmengenzufuhr nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Werkzeug verfügt in gängiger Praxis über einen oder mehrere Kühl- oder Schmiermittelkanäle, die zumeist einen kreisförmigen oder nierenförmigen Strömungsquerschnitt aufweisen. Je nach Auslegung des Werkzeuges können diese mit der Steigung der Spannuten gewendelt sein. Durch die Zuführung eines Prozesshilfsstoffes (das heißt ein Kühlschmierstoff oder eine Minimalmengenschmierung) werden sowohl die primären Funktionen, das heißt kühlen und schmieren der Wirkstelle zwischen dem Werkzeug und dem Werkstoff, sowie sekundäre Funktionen sichergestellt, wie etwa die Unterstützung des Spanabtransportes von der Wirkstelle.
Aus der JP 621 36 306 A ist ein gattungsgemäßes zweischneidiges Zerspanwerkzeug bekannt, dass einen Spannschaft und einen Bohrkörper aufweist, zwischen dessen Werkzeugspitze und dem Spannschaft sich koaxial zu einer Werkzeuglängsachse ein Werkzeugkern erstreckt. Von dem Werkzeugkern ragen zwei einander diametral gegenüberliegende Werkzeugstege radial nach außen ab. Im Vollmaterial eines jeden dieser Werkzeugstege erstreckt sich jeweils ein innerer Kühl- oder Schmiermittelkanal bis zur Bohrerspitze. Die beiden inneren Kanäle des Zerspanwerkzeuges erstrecken ohne Strömungsverbindung durch das Zerspanwerkzeug entlang der Werkzeuglängsachse.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Zerspanwerkzeug sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei dem im Hinblick auf eine betriebssichere sowie ausreichend große Kühl- oder Schmiermittelzufuhr einerseits ein ausreichend großer Kanal-Strömungsquerschnitt ermöglicht ist und andererseits im Hinblick auf die Vermeidung eines Werkzeugbruches eine ausreichend große Werkzeugsteifigkeit ermöglicht ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von dem Sachverhalt aus, dass die mechanische Belastung einer Zerspanwerkzeuges an den radial äußeren Seitenschneiden und speziell an der stirnseitigen Hauptschneide an der Werkzeugspitze am größten sind, während der radial innere Kernbereich des Zerspanwerkzeuges im Zerspanprozess eher nur mit reduzierten mechanischen Spannungen beaufschlagt wird. Dieser radial innere Kernbereich entspricht in einer ersten Näherung – mit entsprechend reduzierter Materialstärke – der Form des äußeren Werkzeugquerschnittes. Vor diesem Hintergrund weist das erfindungsgemäße, mit zumindest einem Bohrersteg ausgebildete Zerspanwerkzeug einen einzigen inneren Kühl- oder Schmiermittelkanal auf, dessen Strömungsquerschnitt im Hinblick auf den obigen Sachverhalt ausgelegt ist. So weist der Kanal-Strömungsquerschnitts gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 einen koaxial zur Werkzeuglängsachse verlaufenden zentralen Strömungsabschnitt sowie zumindest einen dezentralen seitlichen Strömungsabschnitt auf, der sich ausgehend vom zentralen Strömungsabschnitt radial nach außen in den Werkzeugsteg hin ausweitet. Der zentrale Strömungsabschnitt sowie der seitliche Strömungsabschnitt des Kanals sind entlang der Werkzeuglängsachse durchgängig miteinander in Strömungsverbindung.
Insgesamt ist der Kanal-Strömungsquerschnitt (der in den zentralen Strömungsabschnitt und seitlichen Strömungsabschnitt aufgeteilt ist) radial nach außen durch eine umlaufende Innenwandung flüssigkeitsdicht abgeschlossen. In einer gängigen Werkzeug-Geometrie ist der zur Werkzeuglängsachse koaxial verlaufende Werkzeugkern mit einem gegenüber dem Werkzeug-Außendurchmesser vergleichsweise kleinen Kerndurchmesser ausgelegt, während der zumindest eine Werkzeugsteg sich radial nach außen bis zum Werkzeug-Außendurchmesser ausweitet. Von daher kann in einer bevorzugten Ausführungsform der zentrale Strömungsabschnitt des Kanals im Werkzeugkern eher mit kleinem Querschnitt ausgeführt sein und unter Querschnittserweiterung in den seitlichen Strömungsabschnitt des Kanals übergehen.
Wie oben bereits erwähnt, sind der zentrale sowie der seitliche Strömungsabschnitt miteinander entlang der Werkzeuglängsachse durchgängig in Strömungsverbindung. Zusätzlich können die beiden Abschnitte mit durchgängig konstantem, radial nach außen geschlossenem Querschnitt durch das Zerspanwerkzeug geführt sein. Speziell der radial nach außen ausgeweitete seitliche Strömungsabschnitt kann dabei analog zum Bohrersteg geradlinig oder gewendelt verlaufen.
In einer technischen Umsetzung kann die am Werkzeugsteg ausgebildete Seitenschneide an der Werkzeugspitze an einer Schneidenecke in eine Hauptschneide übergehen, die sich quer zur Werkzeuglängsachse erstreckt und an die entgegen einer Rotationsrichtung des Bohrwerkzeuges eine Hauptfreifläche anschließt.
Der Kühl- oder Schmiermittelkanal kann an der Werkzeugspitze einen stirnseitigen Kanalaustritt aufweisen. Dieser kann korrespondierend zur Kontur des Kanalströmungsquerschnittes einen zentralen Strömungsquerschnitt aufweisen, der radial nach außen mit einem seitlichen Strömungsaustritt ausgeweitet ist. Der seitliche Strömungsaustritt kann dabei unmittelbar in der stirnseitigen Hauptfreifläche an der Bohrerspitze angeordnet sein, während der zentrale Strömungsaustritt koaxial zur Werkzeuglängsachse angeordnet ist.
Demgegenüber ist es jedoch bevorzugt, wenn der Kanal an der Werkzeugspitze einen stirnseitigen Kanalaustritt aufweist, der durch zwei voneinander beabstandete Austrittsöffnungen aufgebaut ist, die bevorzugt jeweils in den stirnseitigen Hauptfreiflächen angeordnet sind. Der Austrittsquerschnitt entspricht daher nicht mehr dem hantelförmigen Kanalströmungsquerschnitt. Dadurch ist gewährleistet, dass eine stirnseitige Querschneide nicht durch den Kanalaustritt unterbrochen wird.
Alternativ und/oder zusätzlich zu dem obigen stirnseitigen Kanalaustritt kann zumindest ein radial nach außen weisender Kanalaustritt im Zerspanwerkzeug ausgebildet sein. In diesem Fall kann vom zentralen Kühl- und/oder Schmiermittelkanal zumindest ein Teilkanal in Querrichtung abzweigen, dessen Kanalaustritt in einer, den nutenförmigen Spanraum begrenzenden Spanfläche angeordnet ist.
In einer besonderen Ausführungsform kann das Bohrwerkzeug zweischneidig mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Bohrerstegen ausgebildet sein. In diesem Fall kann der zentrale Strömungsabschnitt des Kanals mit zwei einander gegenüberliegenden seitlichen Strömungsabschnitten radial nach außen ausgeweitet sein. Der zentrale Strömungsabschnitt sowie die beiden seitlichen Strömungsabschnitte können dabei insgesamt einen hantelförmigen Strömungsquerschnitt ausbilden, und zwar mit querschnittsgroßen seitlichen Strömungsabschnitten sowie einem dazwischen geordneten querschnittskleinen zentralen Strömungsabschnitt.
Alternativ dazu kann die Erfindung auch generell auf mehrschneidig ausgeführte Zerspanwerkzeuge angewendet werden, etwa bei einem dreischneidig ausgeführten Zerspanwerkzeug mit insgesamt drei umfangsverteilt angeordneten Werkzeugstegen, die mittig im zentralen Werkzeugkern zusammenlaufen. In diesem Fall kann der Strömungsquerschnitt des Kanals drei, jeweils in einen der Werkzeugstege ausgeweitete seitliche Strömungsabschnitte aufweisen, die sternförmig am zentralen Strömungsquerschnitt, der koaxial zur Werkzeugachse geführt ist, zusammenlaufen. Der zumindest eine seitliche Strömungsabschnitt des Kanals ist dabei jeweils um einen Winkelversatz gegenüber der Seitenschneide versetzt im Bohrersteg angeordnet.
Das Zerspanwerkzeug kann beispielhaft aus einem Vollhartmetall gefertigt sein. In diesem Fall kann in einer Prozessabfolge zunächst ein Vollhartmetallpulver in einer Extrudiervorrichtung zu einem Hartmetallstabgrünling extrudiert werden, der bereits die Innen- sowie Außenkontur des zu fertigenden Zerspanwerkzeuges aufweist. Anschließend kann der Grünling gesintert werden und darauffolgend einem Schleifschritt unterworfen werden, in dem die Innen- und Außenkonturen des gesinterten Zerspanwerkzeuges auf ein Nennmaß gebracht werden. Zur Bildung des Kühl- oder Schmiermittelkanals kann im Extrudierprozess ein sogenanntes Kammerwerkzeug verwendet werden. Für einen gewendelten Verlauf des Kanals kann der Extrudierprozess mit einer an die Pressgeschwindigkeit angepassten Rotation des Kammerwerkzeuges durchgeführt werden.
Bei der Auslegung des Zerspanwerkzeuges ist eine Erhöhung der Querschnittsfläche des Kühl- oder Schmiermittelkanals durch die zu erzielende Werkzeugsteifigkeit begrenzt. Einerseits besteht die Anforderung, im Zerspanprozess in Abhängigkeit vom eingestellten Fluiddruck einen möglichst großen Volumenstrom einzustellen. Andererseits besteht das Erfordernis, eine maximale Werkzeugsteifigkeit zu erzielen. In gängiger Praxis wird bei der Auslegung der Zerspanwerkzeuges versucht, den Kühl- oder Schmiermittelkanal so weit wie möglich an den Außendurchmesser des Zerspanwerkzeuges zu legen, um die Werkzeugbereiche effektiv zu kühlen, an denen die höchsten Belastungen auftreten. Diese sind speziell die Schneidenecken am Außenumfang des Werkzeuges.
Durch eine Optimierung des Zerspanwerkzeuges hinsichtlich seiner Steifigkeit und des erzielbaren Volumenstroms des eingesetzten Prozesshilfsstoffes kann einerseits die Werkzeugstandzeit erhöht werden und können andererseits höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und die damit einhergehenden kürzeren Bearbeitszeiten erreicht werden.
Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
Es zeigen:
1 in einer Seitenansicht ein zweischneidiges Bohrwerkzeug;
2 eine Ansicht auf die Bohrerspitze des Bohrwerkzeuges;
3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus 1;
4 in einer Ansicht entsprechend der 3 ein dreischneidiges Bohrwerkzeug.
In der 1 ist beispielhaft ein Bohrwerkzeug dargestellt, in dem die Erfindung realisiert ist. Das Bohrwerkzeug weist einen Spannschaft 1 und einen daran anschließenden Bohrkörper 3 auf. Zwischen einer Bohrerspitze 5 des Bohrkörpers 3 und dem Spannschaft 1 erstreckt sich koaxial zu einer Bohrkörperlängsachse L ein im Querschnitt kreisförmiger Bohrerkern 7 (in der 2 mit einem strichpunktierten Kreis angedeutet). Das in den 1 bis 3 gezeigte Bohrwerkzeug ist zweischneidig ausgeführt, und zwar zwei einander gegenüberliegenden Bohrerstegen 9, die ausgehend vom Bohrerkern 7 radial nach außen abragen. An jedem der Bohrerstege 9 ist eine Seitenschneide 11 (1 oder 3) ausgebildet. An der Seitenschneide 11 laufen gemäß der 3 eine außenseitige Führungsfase 13 mit daran anschließenden Seitenfreifläche 15 und eine Spanfläche 17 zusammen, die einen nutförmigen Spanraum 19 begrenzt. Die beiden Bohrerstege 9 sind in den 1 bis 3 gewendelt entlang der Bohrkörperlängsachse L geführt.
Wie aus den 2 hervorgeht, gehen die beiden Seitenschneiden 11 an der Bohrerspitze 5 an einer Schneidenecke 21 jeweils in eine Hauptschneide 23 über. Die beiden Hauptschneiden 23 erstrecken sich quer zur Bohrkörperlängsachse L und laufen an einer stirnseitigen Querschneide 25 zusammen. An die beiden Hauptschneiden 23 schließt sich entgegen einer Werkzeug-Rotationsrichtung jeweils eine stirnseitige Hauptfreifläche 24 an.
Gemäß der 1 ist im Spannschaft 1 und im Bohrkörper 3 ein innerer Kühl- oder Schmiermittelkanal 27 integriert, der sich entlang der Bohrkörperlängsachse L bis zur Bohrerspitze 5 erstreckt. Gemäß der 3 ist der Gesamt-Strömungsquerschnitt 26 des einzigen Kanals 27 keine Kreisfläche, sondern weist dieser vielmehr einen koaxial zur Bohrkörperlängsachse L verlaufenden zentralen Strömungsabschnitt 29 auf, der mittels zweier einander gegenüberliegender seitlicher Strömungsabschnitte 31 radial nach außen in das Material der beiden Bohrerstege 9 hinein ausgeweitet ist. Der zentrale Strömungsabschnitt 29 ist dabei in Axialrichtung unmittelbar durch den Bohrerkern 7 geführt und mit einem entsprechend reduzierten Strömungsquerschnitt versehen. Demgegenüber sind die beiden radial äußeren seitlichen Strömungsabschnitte 31 mit größerem Strömungsquerschnitt versehen, wodurch der Gesamt-Strömungsquerschnitt 26 insgesamt in etwa hantelförmig ausgebildet ist. Der Gesamt-Strömungsquerschnitt 26 ist radial nach außen durch eine umlaufende Innenwandung 33 (3) geschlossen, wobei die Materialstärke m zwischen der Innenwandung 33 und der Werkzeug-Außenfläche derart gewählt ist, dass bei größtmöglichen Strömungsquerschnitt eine ausreichend gute Werkzeugsteifigkeit bereitgestellt ist.
In der 2 weist der innere Kanal 27 an der Bohrerspitze 5 einen stirnseitigen Kanalaustritt 35 auf. Der Kanalaustritt 35 ist durch zwei kreisförmige Austrittsöffnungen 41, 41 aufgebaut, die jeweils in den stirnseitigen Hauptfreiflächen 24 angeordnet sind. Der Austrittsquerschnitt entspricht daher nicht mehr dem hantelförmigen Kanalströmungsquerschnitt. Dadurch ist gewährleistet, dass die stirnseitige Querschneide 25 nicht durch den Kanalaustritt 35 unterbrochen wird.
Zusätzlich und/oder alternativ zu dem dargestellten stirnseitigen Strömungsaustritt 35 können auch seitliche Strömungsaustritte 41 im Bohrwerkzeug ausgebildet sein, wie es in der 1 angedeutet ist. In diesem Fall zweigt vom zentralen Kühl- und/oder Schmiermittelkanal 27 ein Teilkanal 43 ab, wobei der seitliche Strömungsaustritt 41 im, den nutenförmigen Spanraum 19 begrenzenden Spanfläche 17 angeordnet ist.
In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel angedeutet, bei dem das Bohrwerkzeug nicht zweischneidig, sondern vielmehr dreischneidig ausgeführt ist, mit insgesamt drei umfangsverteilt angeordneten Bohrerstegen 9. Der Strömungsquerschnitt des Kanals 27 weist dabei insgesamt drei seitliche Strömungsabschnitte 31 auf, die jeweils in einen Bohrersteg 9 einragen. Die seitlichen Strömungsabschnitte 31 laufen dabei sternförmig am zentralen Strömungsabschnitt 29 zusammen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 62136306 A [0003]

Claims

Zerspanwerkzeug mit einem Spannschaft (1) und einem daran anschließenden Werkzeugkörper (3), zwischen dessen Werkzeugspitze (5) und dem Spannschaft (1) sich koaxial zu einer Werkzeuglängsachse (L) ein Werkzeugkern (7) erstreckt, von dem zumindest ein, sich geradlinig oder gewendet entlang der Werkzeuglängsachse (L) erstreckender Werkzeugsteg (9) radial nach außen abragt, an dem eine Seitenschneide (11) ausgebildet ist und ein nutenförmiger Spanraum (19) angrenzt, wobei im Werkzeug entlang der Werkzeuglängsachse (L) ein innerer Kühl- oder Schmiermittelkanal (27) verläuft für eine Kühl- oder Schmiermittelzufuhr zur Werkzeugspitze (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (26) des Kanals (27) einen koaxial zur Werkzeuglängsachse (L) verlaufenden zentralen Strömungsabschnitt (29) und zumindest einen seitlichen Störmungsabschnitt (31) aufweist, der radial nach außen in den Werkzeugsteg (9) hinein ausgeweitet ist.
Zerspanwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (26) des Kanals (27) radial nach außen durch eine umlaufende, geschlossene Innenwandung (33) geschlossen ist.
Zerspanwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der koaxial zur Werkzeuglängsachse (L) verlaufende zentrale Strömungsabschnitt (29) des Strömungsquerschnitts (26) unter Querschnittserweiterung in den seitlichen Strömungsabschnitt (31) des Kanalströmungsquerschnitts (26) übergeht.
Zerspanwerkzeug nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Strömungsabschnitt (29) und der seitliche Strömungsabschnitt (31) des Kanals (27) mit in Axialrichtung durchgängig konstantem, geschlossenem Strömungsquerschnitt (26) durch das Zerspanwerkzeug geführt sind, und dass insbesondere der seitliche Strömungsabschnitt (31) analog zum Werkzeugsteg-Verlauf geradlinig oder gewendelt verläuft.
Zerspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Werkzeugsteg (9) ausgebildete Seitenschneide (11) an der Werkzeugspitze (5) an einer Schneidenecke (21) in eine Hauptschneide (23) übergeht, die sich quer zur Werkzeuglängsachse (L) erstreckt und an die entgegen einer Rotationsrichtung des Werkzeugs eine Hauptfreifläche (24) anschließt.
Zerspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (27) an der Werkzeugspitze (5) einen stirnseitigen Kanalaustritt (35) aufweist, und dass insbesondere der Kanalaustritt (35) durch zwei voneinander beabstandete Austrittsöffnungen (41, 41) aufgebaut ist, die bevorzugt jeweils in den stirnseitigen Hauptfreiflächen (24) angeordnet sind.
Zerspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom zentralen Kühl- und/oder Schmiermittelkanal (27) zumindest ein Teilkanal (43) abzweigt, dessen Kanalaustritt in einer den nutenförmigen Spanraum (19) begrenzenden Spanfläche (17) angeordnet ist.
Zerspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanwerkzeug zweischneidig mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Werkzeugstegen (9) ausgebildet ist, und dass der zentrale Strömungsabschnitt (29) des Kanals (27) mit zwei einander gegenüberliegenden seitlichen Strömungsabschnitten (31) ausgeweitet ist, und zwar insbesondere unter Bildung eines hantelförmigen Strömungsquerschnitts (26).
Zerspanwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanwerkzeug mehrschneidig, insbesondere dreischneidig ausgeführt ist mit insgesamt umfangsverteilt angeordneten Werkzeugstegen (9), und dass der Strömungsquerschnitt (26) des Kanals jeweils in einen der Werkzeugstege (9) ausgeweitete seitliche Störmungsabschnitte (31) aufweist, die sternförmig am zentralen Strömungsabschnitt (29) zusammenlaufen.
Zerspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine seitliche Strömungsabschnitt (31) des Kanals (27) um einen Winkelversatz gegenüber der Seitenschneide (11) versetzt ist.
Zerspanwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanwerkzeug aus einem Vollhartmetall gefertigt ist, und dass bei der Herstellung des Zerspanwerkzeugs ein Vollhartmetallpulver in einem Extrudierprozess zu einem Hartmetallstabgrünling extrudiert und anschließend gesintert wird, und dass zur Bildung des Kühl- oder Schmiermittelkanals (27) ein Kammerwerkzeug einsetzbar ist, mit dem insbesondere bei angepasster Rotation und angepasster Pressgeschwindigkeit ein gewendelter Verlauf des Kanals (27) erzeugbar ist.