DE102019005486A1

DE102019005486A1 - Zerspanungswerkzeug

Info

Publication number: DE102019005486A1
Application number: DE102019005486.5A
Authority: DE
Inventors: Julia Wiśniewski; Bartek Kamiński; Marta Mazur; Kamil Nowak; Nils Haneklaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-08-05
Filing date: 2019-08-05
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft Zerspanungswerkzeuge mit geschlossenen Kühlsystemen, bei denen kein Austritt des Kühlmittels erfolgt, sowie ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Bauteile. Durch die gleichzeitige Herstellung einer großen Anzahl an Zerspanungswerkzeugrohlingen aus plattenartigen Segementen mittels Diffusionsfügen ist eine große Flexibilität bei der Wahl des Werkstoffes/der Werkstoffe gegeben. Außerdem können kostenersparnisse erzielt werden und es ist möglich das Zerspanungswerkzeug als „Heat-Pipe-System“ (Wärmerohr) auszuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Zerspanungswerkzeuge mit einem geschlossenen Kühlsystem, das Kanäle umfasst, über die ein Kühlmittel in den Bereich des Schneidteils geführt wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Bauteile, insbesondere Zerspanungswerkzeugen mit verschachtelten, insbesondere rückführenden, und geschlossenem Kühlkanalsystem, bei dem kein Austritt des Kühlmittels erfolgt. Bei den herzustellenden Zerspanungswerkzeugen handelt es sich insbesondere um Bohrer oder Fräser und hier im Besonderen um Spiralbohrer mit einem Spiralteil mit zwei oder mehr spiralig gekrümmten Rippen/Schneidteilen, wobei mindestens ein Kühlkanal in jeder Rippe/in jedem Schneidteil vorgesehen ist.
Bohrer und Verfahren zur Herstellung von Bohrern mit durchgehenden, nicht verschachtelten oder nicht rückführenden Kühlkanälen, also offenen Kanälen bei denen das Kühlmittel austritt, sind beispielsweise aus EP 0729 803 B1 bekannt. Bei diesen Bauteilen und Verfahren ist es durchaus erwünscht, dass das verwendete Kühlmittel am Schneidteil/den Schneidteilen austritt um unter Anderem eine möglichst hohe Wärmeabfuhr während des Bohrprozesses zu gewährleisten. Bei anderen Zerspanungsprozessen kann es sein, dass ein im Zerspanungswerkzeug integriertes geschlossenes Kühlsystem, bei dem das Kühlmittel nicht austritt, erwünscht ist. Das Kühlmittel strömt also durch mindestens einen Kühlmittel-Zulauf und mindestens einen Kühlmittel-Ablauf durch den Bohrer, wobei die Kühlkanäle in dem Zerspanungswerkzeug verschachtelt und/oder rückführend angeordnet sind.
Die spanende Bearbeitung von Knochen ist ein Beispiel für einen Fertigungsprozess aus der Medizintechnik bei dem der Austritt eines Kühlmittels unerwünscht ist. Bei der spanenden Bearbeitung von Knochen kann es auf Grund der entstehenden Wärme ab einer Temperatur von 48 °C zu Gewebeschäden kommen. Eine Kühlung des Werkzeuges ist nur eingeschränkt möglich, da Kühlmittel nicht in die Wunde gelangen soll. Aus diesem Grund erfolgen Operationen bislang iterativ, das heißt, das Bohren wird immer wieder unterbrochen, um die Temperatur möglichst niedrig zu halten. Das neue Zerspanungswerkzeug wird mit rückführenden, innenliegenden, geschlossenen Kühlkanälen gekühlt ohne das Kühlmittel austritt und somit verkürzte Operationszeiten ermöglichen. Bohrköpfe dieser Art konnten in ersten Forschungsarbeiten mittels Selektivem Lasersintern (SLS) additiv hergestellt werden und wurden durch Denkena et al. („Geschlossenes Kühlsystem vermeidet Osteonekrose“, Werkstatt und Betrieb, 149 (12) 42-45, 2016) beschrieben. Das beschriebene Herstellungsverfahren ist aufwendig, teuer und in seiner Produktionsgeschwindigkeit, sowie in der Wahl der verwendeten Materialien stark eingeschränkt. Außerdem lässt sich durch die Fertigung mittels Selektivem Lasersintern (SLS) keine geschlossene Geometrie mit innenliegenden Hohlräumen/Kühlkanälen, wie beispielsweise für ein „Heat-Pipe-System“ (Wärmerohr) realisieren.
Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde, ein Zerspanungswerkzeug, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Zerspanungswerkzeugs mit verschachtelten, geschlossenen Kühlkanälen anzugeben, das du ch seine Einfachheit gekennzeichnet ist, welche eine kostengünstige Herstellung des Zerspanungswerkzeugs ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Zerspanungswerkzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung sowie in der Figur und deren Erläuterung angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur näher erläutert. Diese zeigt:

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs und erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.

In 1 ist eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Zerspanungswerkzeugs, sowie dessen Herstellungsverfahren gezeigt.
Das Zerspanungswerkzeug weist als wesentliche Bauteile plattenförmige Segmente (1), sowie vorgefertigte Ausschnitte (hier Löcher) (2) in den plattenförmigen Segmenten auf. Die plattenförmigen Segmente werden nach dem bekannten additiven Fertigungsprozess des Diffusionsfügens (Diffusionsschweißens, Diffusionslöten und- oder TLP Diffusionsschweißens) bei erhöhter Temperatur und unter Aufbringung einer Kraft (3) gefügt. Durch die Verwendung größerer plattenförmiger Segmente (4) werden pro Diffusionsfügevorgang („Ofenfahrt“) wie angedeutet weit mehr als ein Zerspanungswerkzeug hergestellt (77 in 1). Nach dem Diffusionsfügen der vergefertigten plattenförmigen Segmente, werden zunächst Blöcke aus dem Packet („Sandwich“) herausgefräst, die zu Rohlingen und anschließend zu dem Zerspanungswerkzeug weiterverarbeitet werden.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Ausführung ist, dass weit mehr als ein Zerspanungswerkzeug pro Diffusionsfügevorgang hergestellt werden kann, sodass eine kostenersparnis gegenüber dem Selektivem Lasersintern (SLS) zu erwarten ist. Darüber hinaus können die plattenförmige Segmente aus verschiedenen Materialien, vorteilhafterweise aus Metallen verbunden werden. So ist es zum Beispiel möglich für die Spitze des Zerspanungswerkzeuges plattenförmige Segmente aus einem besonders harten Material, beispielsweise metallartige Carbide oder Werkzeugstahl, zu wählen und dieses mit plattenförmige Segmente aus einem duktileren Material/mehreren duktileren Materialien, beispielsweise Edelstahl, zu fügen.
Die Anzahl der verwendeten plattenförmige Segmente liegt dabei bevorzugt zwischen 4 und 44. Das fügen von gleichen und plattenförmige Segmenten mit verschiedenen Dicken ist möglich. Vozugsweise werden plattenförmige Segmente aus metallischen Werkstoffen mit Dicken von 0.1 bis 4.4 mm verwendet.
Die Mikrokanalstruktur zum Kühlen wird duch das fügen der plattenförmige Segmente mit vorgefertigten Ausschnitten (rund oder andersförmig) gebildet. Die Auschnitte werden mittels Zerspanung, Ätztechnik und/oder Schneideverfahren (vorzugsweise Laserstrahlschneiden) gefertigt. In einer vorteilhaften Ausführung haben die Ausschnitte eine Kantenlänge / einen Durchmesser von 40 bis 4000 µm. Das Diffusionsfügen von plattenförmige Segmenten mit gefrästen Kühlkanälen ist beispielsweie durch die Fertigung von Plattenwärmetauschern bekannt. Die so gefertigten Kühlkanäle sind in der Regel gerade oder S-förmig allerdings weitesgehend planar, also auf Ebenen die durch die verwendeten plattenförmige Segmente gebildet werden.
Vorteilhaft an der Erfindungsmäßigen Ausführung ist, dass Kühlkanäle in Form von 3 dimensionalen Helices gebildet werden, die extrem nah an der Helixform der Werkzeugschneide/den Werkzeugschneiden platziert werden können, um so eine besonders gute Wärmeabfuhr zu gewährleisten.
In 1 ist schematisch eine Doppelhelix-Kühlstruktur bestehend aus einem Kühlkanal mit Kühlmittel-Zulauf und Kühlmittel-Ablauf dargestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, einen einfachen Aufbau bereitzustellen und dennoch ein effizient anzuwendendes Verfahren anzugeben, welches eine qualitativ hochwertige Verbindung von zwei Fügeteilen herstellt. Abhängig von der Anzahl der Werkzeugschneiden und des Zerspanungswerkzeugdurchmessers sind auch komplizierte Kühlstrukturen, wie beispielsweise weiter verschachtelte Kühlstrukturen und/oder Strukturen mit mehr als einem Kühlmittel-Zulauf und Kühlmittel-Ablauf vorstellbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Lösungsweg handelt es sich um die Verknüpfung eines Zerspanungswerkzeugs mit einem Mikrowärmetauschers. Der Mikrowärmetauscher wird dabei so in das Zerspanungswerkzeug integriert, dass die Wärmeabfuhr an den kritischen Stellen des Zerspanungswerkzeugs, also unmittelbar im Bereich der Werkzeugschneide/den Werkzeugschneiden, gewährleistet ist. Hierbei ist wesentlich, dass die Kühlkanäle oder die Kühlstruktur freie Strömungsquerschnitte aufweisen, die bevorzugt zwischen 40 und 4000 µm betragen. Mit den beschriebenen Mikrokühltrukturen ist es möglich, große Wärmemengen unmittelbar von der Werkzeugschneide/den Werkzeugschneiden abzuführen, und zwar in Form eines geschlossenen Kühlsystems, sodass die Entsorgungsproblematik/der Austritt des Kühlmittels, Eigenschaften die in der Regel bei herkömmlichen Zerspanungswerkzeugen mit offenem Kühlmittelfluss akzeptiert werden, entfällt.
Durch die schnelle Abfuhr auch hoher Wärmemengen von der Werkzeugschneide/den Werkzeugschneiden werden durch die prozessbedingte Erwärmung des Werkzeugs entstehende Formfehler minimiert.
Um die Kühlkanäle in die gewünschten Bereiche nahe der Werkzeugschneide/den Werkzeugschneiden zu führen, ist es bevorzugt, dass das Zerspanungswerkzeug aus mehreren plattenförmigen Segmenten aufgebaut ist. Dies bietet die Möglichkeit die Überlappungsbereiche der Auschnitte, welche den minimalen Querschnitt der Kühlkanäle bestimmen, bei möglichst kleinem durchschnittlichen Kühlkanalquerschnitt, möglichst groß zu halten. Verschiedene Kantenlängen und/oder Lochdurchmesser oder geometrische Ausführungen für verschiedene plattenförmige Segmente sind möglich.
Die vorstehend angegebenen Kühlkanalstrukturen im Zerspanungswerkzeug verfügen über mindestens einen Kühlmittel-Ablauf und mindestens einen Kühlmittel-Zulauf. Neben dieser geschlossenen Ausführungsform, bei der das Kühlmittel aktiv durch Pumpen durch das Zerspanungswerkzeug strömt, kann das Zerspanungswerkzeug auch als „Heat-Pipe-System“ (Wärmerohr) und/oder Verdampfer-Teil eines „Heat-Pipe-System“ (Wärmerohr), ausgeführt werden. Bei einem Kühlsystem mittels Wärmerohr, die allgemein bekannt sind, wird ein in dem Wärmerohr eingeschlossenes Kühlmittel (vorzugsweise ein Fluid) an einer heißen Stelle verdampft (im vorliegenden Fall an der Werkzeugschneide/den Werkzeugschneiden). Das verdampfende Kühlmittel strömt aus dem Verdampfer-Teil des Systems zum Kondensator-Teil des Systems wo der Dampf an kühleren Wänden kondensiert und in flüssiger Phase zurück in den Verdampfer-Teil fließt. Hierdurch ergibt sich ein Kreislauf in dem geschlossenen Kühlsystem, ohne das eine aktive Kühlung durch Pumpen zum Transport des Kühlmittels eingesetzt werden müsste.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es somit möglich, einen einfachen Aufbau bereitzustellen und dennoch ein effizient anzuwendendes Verfahren anzugeben, wodurch eine kostenersparnis erzielt werden kann.
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

EP 0729803 B1 [0002]

Claims

Zerspanungswerkzeug mit mindestens einem Schneidteil, und mit einem Kühlsystem das Kanäle umfasst, über die ein Kühlmittel in den Schneidteil/die Schneidteile geführt wird ohne das Kühlmittel austritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanungswerkzeug aus plattenartigen Segmenten mit vorgefertigten, unterschiedlich angeordneten Ausschnitten mittels Diffusionsfügen gefertigt wird.
Zerspanungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als vier Zerspanungswerkzeugrohlinge pro Diffusionsschweißfügevorgang („Ofenfahrt“) gleichzeitig hergestellt werden.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in den plattenförmigen Segmenten ausgeführten Ausschnitte Kantenlängen und/oder Durchmesser von 40 µm bis 4000 µm aufweien.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle Kantenlängen und/oder Durchmesser <1000 µm aufweisen.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartigen Segmente aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartigen Segmente unterschiedliche Dicken aufweisen.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartigen Segmente Dicken von 0.1 mm bis 4.4 mm aufweisen.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der plattenartigen Segmente zwischen 4 und 44 gewählt wird.
Zerspanungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenartigen Segmente aus metallischen Werkstoffen bestehen.