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Die
Erfindung betrifft einen Fräser
mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Fräser dieser
Gattung sind im Allgemeinen bekannt. Die Schneiden können nach
Verschleiß schnell
ausgewechselt werden. Die Standzeiten derartiger Schneiden sind
begrenzt durch die Wahl des Materials und des zu bearbeitenden Werkstückes. Bedingt
durch die Anordnung der Schneidecken erfolgt bei bekannten Fräsern eine
Bearbeitung von zylindrischen Flächen
von Werkstücken
bisher so, dass die spanenden Bearbeitung vom Außenumfang des Fräsers in
Richtung seiner Rotationsachse erfolgt. Dieser sogenannte Außenanschnitt
hat zur Folge, dass die Schneiden beim Schneideintritt schlagartig mit
hoher Kraft in das Werkstück
eintreten. Der Fräser
neigt dann zu Vibrationen und zu einer großen Auslenkkraft, die sogar
zur Zerstörung
der Schneiden führen
kann.
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Um
dieses Problem zu beheben ist es bekannt, die Schneidenkanten der
Schneiden schraubenförmig
und mit einem Drallwinkel größer 20° auszubilden.
In der CH 686235 A5 ist eine solche Maßnahme offenbart.
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Maßnahmen
die darauf abzielen, sowohl die Schneidenkanten als auch Schneidenecken
zu schützen,
können
dieser Schrift nicht entnommen werden.
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Der
DE 19516946 A1 ist
ein Fräswerkzeug zu
entnehmen, bei welchem aber ebenfalls eine Bearbeitung von zylindrischen
Flächen
von Werkstücken
vom Außenumfang
des Fräsers
in Richtung seiner Rotationsachse erfolgt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fräser zu schaffen bei dem Schneidenausbrüche vermieden
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Fräser
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert, dabei
zeigt:
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1 Ansicht auf einen herkömmlichen
Fräser
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2 Draufsicht auf einen herkömmlichen Fräser im Schneidprozess
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3 Schnittfläche mit
Begrenzungslinien bei einem Werkstück nach dem Schneidprozess
gemäß 2
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4 Gesamtschnittkraftverlauf
eines herkömmlichen
Fräsers
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5 Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Fräser
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6 Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Fräser im Schneidprozess
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7 Schnittfläche mit
Begrenzungslinien bei einem Werkstück nach dem Schneidprozess
gemäß 6
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8 Gesamtschnittkraftverlauf
eines erfindungsgemäßen Fräsers
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In
der 1 ist ein herkömmlicher
Fräser 2' zum Bearbeiten
von zylindrischen Werkstückflächen dargestellt.
Das Werkstück 1 ist
um eine in Längsrichtung
der Werkstückachse
liegende Spindelachse S drehend antreibbar gespannt (2). Die Bearbeitung der Werkstückfläche erfolgt über den
Fräser 2', wobei die
Rotationsachse R des Fräsers 2' quer zur Spindelachse
S angeordnet ist. Diese Art des Fräsens wird als exzentrisches
orthogonales Drehfräsen bezeichnet.
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Zum
Außendrehfräsen von
Werkstücken wird
in der Regel ein exzentrisches orthogonales Drehfräsverfahren
eingesetzt. Hierbei wird das Werkstück 1 in einem oder
mehreren Umläufen
mit einem Fräser 2' bearbeitet,
der unterschiedliche Schneiden aufweist. Es werden, wie in der 1 dargestellt, Stirnschneiden 3 und
Umfangsschneiden 4 eingesetzt um für das Außendrehfräsen typische Umfangs- und Stirnschnittzerspanung
verrichten zu können.
Wie allgemein üblich,
dreht sich das Werkstück 1 gegenüber dem
Fräser 2' um seine Spindelachse S.
Das Werkstück 1 wird
von außen
relativ dem rotierenden Fräser 2' zugeführt (Außenanschnitt).
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An
den Schneiden bildet sich ein Zweiflankenspan aus. Dieser Span entsteht,
in Abhängigkeit vom
Werkzeugdrehwinkel an der Umfangs- 4 und/oder Stirnschneide 3.
Beim Ein- und Austritt des Fräsers 2' in oder aus
dem Werkstück 1 liegt
ein Umfangsspan vor.
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In
der Werkstückmitte
bildet sich weitgehend ein Stirnspan aus.
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Zur
Erzeugung einer erforderlichen zylindrischen Oberfläche muss
die Fräsermittenachse
FA gegenüber
der Werkstückmittenachse
WA einen bestimmten Betrag versetzt werden (Exzentrizität).
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Beim
Eintritt der Schneiden in das Material des Werkstückes 1 trifft
hierbei die Schneidenecke 5', 6' bzw. der eckennahe
Bereich der Stirnschneide 3 und der Umfangsschneide 4 mit
maximalem Zerspanungsquerschnitt auf das Werkstück 1 auf.
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Ebenso
verlassen die Schneiden mit maximalem Zerspanungsquerschnitt das
Werkstück 1. Die
Dauerbeanspruchung der Schneidenecken 5', 6' ist hierbei so hoch, dass vorzeitig
vor dem normalen Schneidenverschleiß die Schneidenecken 5', 6' ausbrechen.
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Um
dieses zu vermeiden kann man beim Planfräsen die Position des Fräsers 2' so einstellen, dass
ein tangentialer Schneidenein- und austritt erzeugt wird. Diese
Mittenverstellung beim Drehfräsen von
zylindrischen Werkstücken
führt wie
in der 3 dargestellt
zu einer Schnittfläche 7' bei der die
Begrenzungslinien 8', 9' so ausgebildet
sind, dass keine zylindrische Oberfläche im Ein- und Austrittsbereich der
Schneiden erzeugt wird. Dieses ist dadurch zu erklären, dass
der Zylinderschnittbereich sich entsprechend der Mittenverstellung
mitverschiebt. Es bilden sich Ein- und Auslaufradien.
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Eine
weitere ungünstige
Charakteristik des exzentrischen Außendrehfräsens mit Außenanschnitt ist der verfahrensbedingte
Zerspanungsvolumenanteil von Umfangsschneide 4 und Stirnschneide 3 in
Abhängigkeit
von der Werkstücklänge. Am Anfang
(Schneideneintritt) und Ende (Schneidenaustritt) liegt ausschließlich Umfangsschneidenzerspanungsvolumen
vor, welches sich bis zur Werkstückmitte
zugunsten des Stirnschnittzerspanungsvolumens verringert. Der keilförmige Stirnschneidenspan ist
gekennzeichnet durch eine relativ große Spanungsbreite und eine
kleine Mittenspanhöhe.
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Bei
kleinen Spanungsdicken treten größere spezifische
Schnittkräfte
auf. Damit resultieren aus der Stirnschneidenzerspanung im Vergleich
zu der Umfangsschneidenzerspanung, deutlich höhere Zerspanungskräfte.
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Am
Schneideneintritt 11 und beim Schneidenaustritt 12 ist
der Anteil der Umfangsschnittkraft hoch und der Anteil der Stirnschnittkraft
klein. Über die
Länge des
zu bearbeitenden Werkstückes ändern sich
die Verhältnisse.
Die Linie 10' in
der 4 zeigt den Gesamtschnittkraftverlauf.
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Bedingt
durch den in der Werkstückmitte
M (über
die Einspannlänge
gesehen) maximal ansteigenden Gesamtschnittkraftverlauf (Linie 10),
stellen sich Formfehler an der gefrästen Oberfläche der Werkstücke 1 ein,
wie z.B eine Tonnenform. Neben dem bekannten Effekt der Tonnenform
bedingt durch die axiale Einspannung des Werkstückes überlagert sich nun noch die
Tonnenform hervorgerufen durch die ungleichförmige Schnittkraftverteilung.
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Die 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Fräser 2.
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Die
Stirnschneiden 3 und Umfangsschneiden 4 sind so
angeordnet, dass die Schneidenecken 5, 6 auf einem
inneren Flugkreisdurchmesser FI liegen 7.
Zur Bearbeitung des Werkstückes 1 wird das
Werkstück 1,
vom inneren Flugkreisdurchmesser beginnend, den Schneiden zugeführt, 6.
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Mit
dem Fräser 2 ist
somit ein Innenanschnitt im Gegensatz zum bisherigen Außenanschnitt
erzeugt.
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Beim
erfindungsgemäßen Innenanschnitt stellt
sich gegenüber
dem üblichen
Verfahren mit Außenanschnitt
ein grundlegend andersartiger Schnittverlauf ein. In der 7 ist die Schnittfläche 7 dargestellt.
Der Ein- und Austrittsbereich erstreckt sich über einen Fräserdrehwinkelbereich,
und zwar vom Erstkontakt der Schneiden bis zum gesamten vollständigen Zerspanungsquerschnitt.
Die Schneiden treffen nicht zuerst mit ihren Schneidenecken 5, 6 auf das
Werkstück 1 auf.
Die Schneiden durchlaufen einen Winkelbereich, in dem der Zerspanungsquerschnitt
kontinuierlich größer wird.
Dieser weiche Ein- und Austritt belastet die Schneiden nicht so
plötzlich und
schlagartig wie beim üblichen
Drehfräsen
mit Außenanschnitt
( 3) wo die Schneidenecken 5, 6 schlagartig – bei vollem
Zerspanungsquerschnitt – auf
das Werkstück 1 treffen.
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Der
Fräser 2 mit
den Schneiden ist geometrisch so konzipiert, dass beim Erstkontakt
der Schneiden nicht die empfindlichen Schneidenecken 5, 6 von
Umfangsschneiden 4 und Stirnschneiden 3 auf das
Werkstück 1 treffen,
sondern lediglich die robusteren Kanten 13 der Stirnschneiden 3.
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Der
Zerspanungsvolumenanteil von Stirn- und Umfangsschneiden 3, 4,
in Abhängigkeit
von der Werkstücklänge, hat
eine völlig
andere Aufteilung. Am Anfang und am Ende des Werkstückes 1 liegt
ein Stirnschneidenspan und etwa in der Werkstückmitte ein Umfangsschneidenspan
vor. Im Gegensatz hierzu sind die Verhältnisse beim üblichen
Außendrehfräsen mit
Außenanschnitt
umgekehrt. Dementsprechend stellt sich damit auch eine veränderte Zerspanungskraftverteilung
ein, siehe 8.
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Am
Schneideneintritt 11 und beim Schneidenaustritt 12 ist
der Anteil der Umfangsschnittkraft gar nicht vorhanden, der Stirnschneidenanteil
wächst langsam
an bis zu einem Punkt 15 an dem auch die Umfangschneiden 4 eingreifen.
Nun übernehmen
die Umfangsschneiden 4 den Materialabtrag, die Umfangs-
und Stirnschnittkraft steigt an bis zum Punkt 16 (8) von dem der Zylinderschnitt
erzeugt wird, Begrenzungslinie 8, 7. Die Linie 10 in der 8 zeigt den Gesamtschnittkraftverlauf.
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Der
Gesamtschnittkraftverlauf von Umfangs- und Stirnschneiden 4, 3 bildet
eine Wannenform mit einem Minimum in der Werkstückmitte M. Entsprechend dieses
Kräfteverlaufs
werden die Schneiden 3, 4 belastet und es stellen
sich relative Verlagerungen zwischen Fräser 2 und Werkstück 1 ein.
Im günstigsten
Fall kann die durch die axiale Einspannung hervorgerufene bekannte
Tonnenform, bei rohrförmigen Werkstücken, durch
den – Wanneneffekt – kompensiert
werden.
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Beim
Drehfräsen
mit Innenanschnitt sind durch die veränderten Schnittbedingungen
die Schneidenecken 5, 6 zum einen deutlich geringer
belastet, zum anderen wirkt sich ein Schneideneckenbruch nicht qualitätsmindernd
aus, da eine gebrochene Schneidenecke 5, 6 nicht
im maßbestimmenden Ein-
und Austrittsbereich auftrifft (Zylinderschnittlinie 8, 7).