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Die Erfindung betrifft einen Schneidkörper zur spanabhebenden Materialbearbeitung und ein entsprechendes Schneidwerkzeug.
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Schneidkörper sind allgemein bekannt. Sie sind Teil eines Schneidwerkzeugs, wie z.B. eines Fräswerkzeugs oder einer Säge. Beim Fräs- oder Sägevorgang werden sie relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück geführt und über den Eingriff einer Schneide des Schneidkörpers wird der gewünschte Materialabtrag durchgeführt.
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Dabei werden unterschiedliche Anforderungen an den Schneidkörper gestellt. Es soll die Werkstückbearbeitung mit einer hohen Schneidgeschwindigkeit und einem hohen Vorschub durchgeführt werden und die Werkzeugstandzeit soll möglichst groß sein. Bei derartig hohen Schneidleistungen wird eine hohe Zerspanungsenergie in das Werkzeug und Werkstück eingebracht. Die damit verbundene Temperaturerhöhung begrenzt die Schneidleistung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Schneidkörper bereitzustellen, welcher bei hohen Schneidleistungen verbessert ist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
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Ein Schneidkörper zur spanenden Materialbearbeitung, insbesondere von metallischen Werkstoffen, umfasst einen Trägerkörper, an dem freiflächenseitig ein Schutzkörper, insbesondere ein flacher Schutzkörper, angebracht ist. Der Trägerkörper macht das Hauptvolumen, wie z.B. mindestens 75% des Volumens des Schneidkörpers aus. Herkömmlich ist es bekannt, die Spanfläche mit einem Schutzkörper zu beschichten. Dieser Schutzkörper kann aus CBN sein. Dieses herkömmliche Verständnis beruhte auf der Erkenntnis, dass die Schneide und die Spanfläche besonderen Beanspruchungen ausgesetzt ist und somit am besten mit einer Beschichtung, wie z.B. Keramik oder CBN beschichtet werden sollte. Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Verständnis. Es ist vielmehr möglich, die Freifläche zu beschichten. Die Schneide des Schneidkörpers befindet sich an der geometrischen Schnittlinie von der Freifläche mit der Spanfläche. Die Schneide kann auf diese Art aus dem Material des Schutzkörpers gefertigt sein. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Beschichtung des Schutzkörpers werkzeugseitig außenliegend bzw. frei zugänglich ist. So kann sie leichter in einem Schleifvorgang auf die gewünschten Maße gebracht werden. Aufgrund der Härte und Sprödigkeit des Materials, welches für die Beschichtung genutzt wird, erleichtert die gute Zugänglichkeit die Bearbeitung. Statt CBN kann auch ein entsprechendes Keramikmaterial verwendet werden. Dabei ist eine Anforderung an das Ersatzmaterial, dass dessen Temperaturfestigkeit höher als die des Trägerkörpers ist.
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Insbesondere kann die Schneide des Schneidkörpers als Teil des Schutzkörpers ausgebildet sein. Im Bereich der Schneide sind die Temperaturen bei der Materialbearbeitung besonders hoch. Durch die Auswahl eines Materials des Schutzkörpers mit einer hohen Temperaturstandfestigkeit können für den Schneidkörper höhere Maximalbelastungen erreicht werden.
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Vorteilhaft ist ferner, wenn der Schutzkörper mit dem Trägerkörper verlötet oder verklebt ist. So können Schutzkörper und Trägerkörper in getrennten Herstellverfahren in großen Stückzahlen automatisiert gefertigt werden und über das Löten oder Kleben mit einem Grundkörper des Schneidwerkzeugs verbunden werden. Die Techniken des Lötens und Verklebens sind (anders als z.B. das Schweißen) lösbare Verbindungen. So kann entweder ein beschädigter Schneidkörper ausgetauscht werden oder es können bei einer Überarbeitung an einem Schneidwerkzeug sämtliche Schneidkörper ausgetauscht werden.
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Ferner kann der Trägerkörper aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein, wie insbesondere aus einem Hartmetall. Dies ist ein Material, welches sich in der spanenden Materialbearbeitung bewährt hat und gut maßlich bearbeitet werden kann.
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Auch ist vorteilhaft, wenn der Schutzkörper aus CBN (Kubisches Bornitrid) gefertigt ist. CBN lässt sich gut mit Metall verlöten oder verkleben. So kann der Schutzkörper gut mit dem Trägerkörper verbunden werden. Insbesondere kann so ein Schutzkörper hergestellt werden, der deutlich dicker ist, als eine unmittelbare Beschichtung des Trägerkörpers mittels z.B. CVD (Chemische Gasphasenabscheidung), bei der dicke Schichten (z.B. größer 0,1 bis 0,3 mm) nicht kostengünstig herstellbar sind.
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Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Schutzkörper eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweist, als der Trägerkörper. Der Schutzkörper ist bevorzugt dort vorgesehen, wo die höchste Temperaturbelastung besteht, nämlich an der Schneide.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Spanfläche großteils durch das Material des Trägerkörpers gebildet. Anders ausgedrückt ist die Spanfläche bevorzugt nicht beschichtet oder bedeckt mit einem anderen Werkstoff. Dies ist eine kostengünstige Ausführungsform. Es wurde nämlich erkannt, dass in Bezug auf Temperaturbeständigkeit und Festigkeit nicht die gesamte Spanfläche aus einem hochfesten und/oder temperaturbeständigen Werkstoff gefertigt bzw. beschichtet werden muss. Es genügt, wenn die Schneide hieraus gefertigt ist, was möglich ist, wenn die Freifläche mit einem Schutzkörper versehen, bzw. beschichtet ist. Der vorstehend genannte Begriff „großteils“ bedeutet insbesondere, dass mindestens 60%, vorzugsweise mindestens 80%, der Spanfläche durch den Trägerkörper gebildet wird. Der Rest der Spanfläche kann bspw. durch den Schutzkörper gebildet sein.
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Insbesondere umfasst die Spanfläche eine gewölbte Spanableitkontur. Die Spanableitkontur ist eine Kontur, die an dem fabrikneuen Schneidwerkzeug an der Spanfläche vorgegeben ist. Sie unterscheidet sich somit von einer Einwölbung in der Spanfläche, wie sie durch Verschleiß entstehen kann. Die Spanableitkontur ist konkav. Da bevorzugt die Spanfläche nicht mit einer verstärkenden bzw. schützenden Schicht beschichtet ist, ist die Spanableitkontur in das Material des Trägerkörpers, also bevorzugt Hartmetall, eingearbeitet. Der Platz im Schneidkörperzwischenraum ist relativ eng. So wird das Einschleifen der Spanleitkontur dadurch vereinfacht, dass Hartmetall sich besser schleifen lässt, als ein härteres Material wie bspw. CBN des Schutzkörpers.
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Auch kann der Schutzkörper zumindest zwei parallele Oberflächen umfassen, von denen eine mit dem Trägerkörper verbunden ist und beide Oberflächen einen Abstand von mindestens 0,3 mm aufweisen. Alternativ formuliert umfasst der Schutzkörper eine minimale Dicke von 0,3 mm. Bevorzugt entspricht die Dicke des Schutzkörpers dem Vorschub, der bei dem entsprechenden Schneidwerkzeug möglich ist. So wird sichergestellt, dass die Schneide im Bereich der größten thermischen Belastung mit dem Schutzkörper versehen ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Schutzkörper zumindest zwei parallele Oberflächen umfassen, von denen eine mit dem Trägerkörper verbunden ist und beide Oberflächen weisen einen Abstand von höchstens 1,3 mm, insbesondere höchstens 1,0 mm auf. Alternativ formuliert umfasst der Schutzkörper eine maximale Dicke von 1,3 mm, bevorzugt maximal 1,0 mm. Da das Material des Schutzkörpers, wenn CBN verwendet wird, relativ teuer ist, wird so der Materialeinsatz begrenzt.
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Ein Schneidwerkzeug kann eine Mehrzahl von Schneidkörper aufweisen, die mit dem Schneidwerkzeug dauerhaft verbunden sind. Dabei umfasst der Grundkörper des Schneidwerkzeugs Abschützflanken, die in Schneidrichtung hinter dem jeweiligen Trägerkörper und zumindest einem Teil des Schutzkörpers angeordnet sind. Hierdurch werden die Schneidkräfte aufgenommen und ein Teil davon kann unmittelbar von dem Schutzkörper in das Schneidwerkzeug abgeleitet werden, wodurch die mechanische Belastung von der Verbindung des Schneidkörpers zu dem Trägerkörper reduziert wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Ausschnitt einer Seitenansicht eines Schneidwerkzeugs mit zwei Schneidkörpern,
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2 eine Ansicht auf die Stirnseite eines Schneidkörpers,
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3 eine Ansicht auf die Stirnseite eines Schneidkörpers einer Ausführungsform mit einem Spanbrecher, und
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4 eine Seitenansicht eines Schneidwerkzeugs einer alternativen Ausführungsform.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Schneidwerkzeugs 10, welches als ein Sägeblatt oder ein Fräßkopf ausgeführt sein kann. Dabei hat das Schneidwerkzeug einen metallischen Grundkörper. Dieser ist bei der Ausführungsform eines Kreissägeblatt kreisförmig. An dem Grundkörper ist eine Vielzahl von Schneidkörpern 15 angebracht. Die Schneidkörper 15 können dabei bevorzugt angelötet oder verklebt sein.
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Jeder Schneidkörper 15 umfasst zwei Teile, nämlich einen Trägerkörper 20 und einen Schutzkörper 30. Der Trägerkörper 20 ist bevorzugt aus Hartmetall gefertigt und der Schutzkörper 30 aus CBN (Kubisches Bornitrid). Beide Teile 20 und 30 sind im Bereich der Freifläche 35 miteinander verlötet, verklebt oder im Sinterprozess unter Hochdruck verbunden. Die Freifläche ist die Fläche des Schneidkörpers 15, die in der Bewegungsrichtung des Schneidens gesehen, hinter der Schneide 25 des Werkzeugs liegt. Die Schneide 25 ist in den Figuren als ein Bereich eingezeichnet, da sie sich aufgrund der komplexen Materialverschiebungen beim Schneidevorgang nicht als einzelner Punkt bzw. Linie verstehen lässt. Die Freifläche 35 liegt dabei zwischen dem Schneidkörper 15 und einem Werkstück (nicht gezeigt), welches bearbeitet wird.
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Ferner ist 1 der Spanwinkel α gezeigt. Dies ist die Neigung der Spanfläche. In dem Bereich des Trägerkörpers 20 kann der Spanwinkel α1 negativ, neutral (0°) oder positiv ausfallen und im Bereich des Schutzkörpers 30 ist der Spanwinkel α0 meist negativ. Der negative Spanwinkel α0 liegt bei bevorzugten Ausführungsformen im Bereich von –5° bis zu –35°. Der Spanwinkel α1 liegt bevorzugt im Bereich von –15 bis +35°.
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Der Übergang von dem Bereich des Spanwinkels α1 zu dem Bereich des negativen Spanwinkels α0 liegt an einer Kante, die auch als Begrenzung der Schneide 25 bezeichnet werden kann.
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Bei alternativen Ausführungsformen (nicht grafisch dargestellt) kann die Schneide innerhalb des Schutzkörpers (in Dickenrichtung, bzw. Radialrichtung bei einem Rotationsschneidwerkzeug) liegen, so dass ein Teil des Schutzkörpers 30 mit dem Spanwinkel α1 versehen ist. In diesem Fall ist bevorzugt die Dicke des Schutzkörpers 30 mit dem Spanwinkel α1 nicht dicker als die Dicke mit dem negativen Spanwinkel α0. Ansonsten würde der Materialeinsatz des relativ teuren CBN-Materials des Schutzkörpers 30 zu hoch. Auch hat diese Aufbau den Vorteil, dass das Schneidwerkzeug nachschleifbar ist, um so die Gesamtstandzeit zu steigern.
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Bei dem Fräsvorgang (oder allgemeiner gesprochen: Schneidvorgang) muss Trennarbeit geleistet werden, um den Span vom bearbeiteten Werkstück zu trennen. Diese Trennarbeit setzt sich zusammen aus der Arbeit um den Span zu schneiden (Schneidarbeit), der Verformungsarbeit und der Reibungsarbeit des Spans an der Spanfläche 27 der Schneide 25. Die Verformungsarbeit ist die Arbeit, die benötigt wird, um den Span so zu verformen, so dass er entlang der Spanfläche 27 abgleiten kann. Die Summe der Schneidarbeit und der Verformungsarbeit machen mit Abstand den größten Anteil der Trennarbeit aus. Der Ort, an dem die Wärmeentwicklung dieser beiden Arbeiten entsteht, ist unmittelbar an der Schneide 25. Auch wenn ein Teil dieser Wärme über den Span abgeleitet wird, so ist die Schneide einer erheblichen Temperatur ausgesetzt. Diese Temperaturentwicklung begrenzt die maximale Schneidleistung, da bei zu hohen Arbeitsleistungen (v.a. Schnittgeschwindigkeit und Vorschub) die Schneide sich unzulässig stark erwärmt. Aus diesem Grund ist der Schutzkörper 30 entlang der Freifläche 35 angeordnet. Der Schutzkörper 30 ist aus CBN gefertigt. Allgemein ausgedrückt ist der Schutzkörper 30 aus einem Material gefertigt, welches eine höhere Temperaturbelastung aushalten kann, als der Trägerkörper 30 und dabei eine hohe Festigkeit hat, die bevorzugt höher ist als die Festigkeit des Trägerkörpers.
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Wenn beispielsweise der Trägerkörper 30 aus einem Hartmetall gefertigt ist, so ist dessen maximale Arbeitstemperatur 800–900°C. Hingegen beträgt die Arbeitstemperatur von CBN mehr als 1200°C. Hieraus ergibt sich die gewählte Bezeichnung der Beschichtung der Freifläche 35 als einem „Schutzkörper“, da dieser Körper die Temperatur in der Art eines Hitzeschilds vom Hartmetall des Trägerkörpers 30 fernhält. Versuche haben ergeben, dass es aufgrund dieses Designs möglich ist, die maximale Schneidgeschwindigkeit um das 2 bis 5-fache zu steigern.
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Der Spanwinkel α0, der bei dem Schutzkörper 30 besteht ist – wie bereits genannt – negativ. Dieser Winkel wird negativ gewählt, um die mechanische Belastung auf den Schutzkörper 30 nicht zu hoch werden zu lassen. So wird die Gefahr eines Abplatzens der Schneide reduziert. Die ist gerade bei einem spröden Werkstoff, wie CBN, vorteilhaft. Der Spanwinkel α1 (also beim Trägerkörper) ist meist positiv, um so ein gutes Abgleiten des geschnittenen Spans zu ermöglichen.
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Während in 1 die Spanfläche 27 im Bereich des Trägerkörpers 20 eben ist, ist in 4 eine Variante gezeigt, bei der eine Spanleitstufe 28 in den Spanfläche 27 eingeformt ist, die als eine konkave Form ausgeführt ist. Die Spanleitstufe 28 hat eine doppelte Funktion. Zunächst ermöglicht sie in der Nähe der Schneide 25, dass der Span sich weniger verformen muss, was die Verformungsarbeit reduziert. Am anderen Ende der konkaven Form (in 4 unten gezeigt) gibt die Spanleitstufe 28 dem Span, der entlang der Spanfläche gleitet, eine Bewegungsrichtung, die von dem Schneidkörper 15 weg gerichtet ist. So wird eine Bewegung der Späne aus dem Schneidenzwischenraum unterstützt. Hartmetall lässt sich besser bearbeiten als CBN. So ist es (einfacher) möglich, die konkave Form der Spanleitstufe in den Trägerkörper 20 zu schleifen. Eine entsprechende Formgebung wäre mit CBN deutlich schwieriger zu realisieren. Damit das Schneidwerkzeug eine hohe Maßgenauigkeit aufweist, werden in dessen Herstellverfahren nämlich zuerst die Schneidkörper 15 an dem Grundkörper des Schneidwerkzeugs befestigt und anschließend in einem Schleifvorgang auf Maß gebracht.
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Die hier betrachteten Schneidwerkzeuge werden insbesondere bevorzugt mit einem Vorschub pro Zahn von 0,04 bis 0,2 mm betrieben. Der Vorschub ist der Versatz, mit dem die Schneide 25 bei dem Schneiden in das Werkstück in Tiefenrichtung versetzt wird. Es hat sich in Versuchen als vorteilhaft erwiesen, dass die Dicke des Schutzkörpers 30 (in Vorschubrichtung gemessen) mindestens so groß wie der gewünschte Vorschub ist. So liegt der Span in seinem Bereich, in dem die Verformungsarbeit geleistet wird, großteils an dem Schutzkörper 30 an. Bevorzugt sollte die Dicke des Schutzkörpers größer gewählt werden. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt sie mindestens 0,2 mm. CBN hat mit 100 Wm–1 K–1 eine geringfügig schlechtere Wärmeleitfähigkeit als ein Hartmetall. Aus diesem Grund sollte der Schutzkörper 30 nicht zu dick gefertigt werden, da dadurch die Wärmeableitung in den (metallischen) Trägerkörper 20 verzögert werden kann. Auch wird so der Materialeinsatz des relativ teuren CBN reduziert. So kann die Dicke des Schutzkörpers 30 bevorzugt bis zu 1,0 mm betragen.
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Aufgrund des beschriebenen Aufbaus ist auch das Spanabgleitverhalten gegenüber reinen Hartmetallwerkzeugen verbessert. Denn das Problem, welches häufig bei Hartmetallwerkzeugen auftritt, ist ein Verkleben von dem Span mit dem Werkzeug. Der Teil des Werkzeugs, welcher davon besonders betroffen ist, ist die äußere Kante der Schneide 25 oder des Schutzkörpers 30, welche erfindungsgemäß aus CBN gefertigt ist, bzw. in deren Nähe CBN sich befindet.
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In 2 und 3 ist jeweils eine Ansicht eines Schneidelements 15 aus der Ansicht A, also frontal auf die Spanfläche gezeigt. Erkennbar ist, dass das Schneidelement 15 sich in der Ebene quer zur Schneide in dem Winkel β verjüngt. Dieser Winkel kann bis zu 45° betragen. Und in 3 ist eine Variante des Schneidkörpers 15 gezeigt, bei der der Schutzkörper einen Spanbrecher 36 umfasst. Der Spanbrecher 36 ist eine unsymmetrische Geometrie, die insbesondere eine Vertiefung ist, die in den Schutzkörper 30 eingeformt ist. Die Tiefe der Vertiefung beträgt maximal 80%, bevorzugt maximal 50% der Dicke des Schutzkörpers 30. Die Tiefe von max. 80% ist vorteilhaft bei relativ dünnen Schutzkörpern 30 und bei max. 50% behält der Schutzkörper 30 eine ausreichende Stabilität und Festigkeit. Der Spanbrecher 36 sorgt dafür, dass die Späne eine ungleiche Dicke haben, was dazu führt, dass die Späne sich verdrehen und so leichter aus dem Schneidenzwischenraum entfernt werden können.
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Vorstehend wurde ein Schneidkörper 15 betrachtet, der an einem Schneidwerkzeug, wie z.B. einem Sägeblatt angebracht werden kann. Alternativ hierzu kann ein Schutzkörper ohne die Verwendung eines gesonderten Trägerkörpers an dem Grundkörper des Schneidwerkzeugs befestigt sein. In diesem Fall dient das Schneidwerkzeug selbst als Trägerkörper. Dabei umfasst dieser Grundkörper die entsprechenden Spanflächen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schneidwerkzeug
- 13
- Abstützflanke
- 15
- Schneidkörper
- 20
- Trägerkörper
- 25
- Schneide
- 27
- Spanfläche
- 28
- Spanleitstufe
- 30
- Schutzkörper
- 35
- Freifläche
- 36
- Spanbrecher
