DE19731246B4 - Bohr- oder Fräswerkzeug und Verfahren zur Ermittlung der absoluten Freiwinkel der Freiflächenbereiche eines Schneideinsatzes - Google Patents

Abstract

Bohr- oder Fräswerkzeug mit einem Werkzeugträger und mindestens zwei an der Stirnseite des Werkzeugträgers in je einer Aussparung angeordneten Schneideinsätzen mit einer Spanfläche, die durch Schneidkanten begrenzt wird, wobei mindestens ein Schneideinsatz mindestens eine durch eine Ausstülpung gebildete gebrochene Schneidkante, eine Auflagefläche und seitliche Freiflächen aufweist, die unter einem positiven Freiwinkel angeordnet sind, wobei jeder Punkt einer aktiven Schneidkante eines an der Stirnseite angeordneten Schneideinsatzes bei fest vorgegebenem axialem Bohr- oder Fräsvorschub (f_z) eine spiral- oder wendelförmige Raumkurve beschreibt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der sich an diese aktive Schneidkante anschließende Bereich der Freifläche aus einer Schar von senkrecht zur Schneidkante liegenden Geraden gebildet wird, von denen jede in bezug auf die zu einer entsprechend dem Bohr- oder Fräsvorschub (f_z) zu einer geneigten Gerade abgewickelten Raumkurve unter einem effektiven positiven (Frei-) Winkel (α) geneigt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Bohr- oder Fräswerkzeug mit einem Werkzeugträger und mindestens zwei an der Stirnseite des Werkzeugträgers in je einer Aussparung angeordneten Schneideinsätzen mit einer Spanfläche, die durch Schneidkanten begrenzt wird, wobei mindestens ein Schneideinsatz, mindestens eine durch eine Ausstülpung gebildete gebrochene Schneidkante, eine Auflagefläche und seitliche Freiflächen aufweist, die unter einem positiven Freiwinkel angeordnet sind, wobei jeder Punkt einer aktiven Schneidkante eines an der Stirnseite angeordneten Schneideinsatzes bei fest vorgegebenem axialen Bohr- oder Fräsvorschub (f_z) eine wendelförmige Raumkurve beschreibt.
• Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung der absoluten Freiwinkel der Freiflächenbereiche, die sich an die aktive Schneidkante eines Schneideinsatzes in einem Bohr- oder Fräswerkzeug der vorgenannten Art anschließen.
• Nach dem Stand der Technik sind für Bohrungen in Vollmaterial geeignete Bohrwerkzeuge bekannt, die einen Schaft mit mindestens zwei in entsprechenden Aussparungen angeordnete, um 180° versetzte Schneideinsätze aufweisen. Die Schneideinsätze sind in verschiedenem Radialabstand am Schaft angeordnet, so daß sich ihre Arbeitsbereiche teilweise überlappen und im übrigen aneinander angrenzen. Gegebenenfalls können an der Stirnseite in unterschiedlichem radialen Abstand auch mehr als zwei Schneideinsätze angeordnet sein. Entsprechendes gilt auch für Planfräser mit stirnseitig angeordneten Schneideinsätzen.
• Die jeweils verwendeten Schneideinsätze gibt es in vielfachen Grundformen, so z.B. als sechseckige, achteckige, fünfeckige, dreieckige, rhombische und rechteckige Schneidplatten, z.T. auch mit vergrößertem Schneideckenwinkel. Zum Bohren oder Fräsen werden insbesondere die aus der EP 0 088 505 A1 bekannten trigon- oder rhombusförmigen Schneideinsätze verwendet, die drei bzw. vier dachförmig ausgebildete Schneidkanten aufweisen, so daß pro Schneidkante zwei einen stumpfen Winkel einschließende Schneidkantenhälften gebildet werden, die beide spanend in Eingriff stehen. Die Verwendung trigonförmiger Schneidplatten in einem Bohrwerkzeug wird beispielsweise in der DE 27 30 418 C2 vorgeschlagen, wobei die Schneidplatten an je einer Aussparung des Bohrerschaftes so angeordnet sind, daß die Winkelhalbierenden der in Eingriff stehenden Schneidplatten jeder Wendeschneidplatte zur Bohrerachse parallel oder unter einer geringfügigen Kippung von maximal 2° angeordnet sind.
• Aus der WO 93/0 28 24 A1 sind auch Schneideinsätze zum Bohren bekannt, die mindestens drei die Spanfläche begrenzende Schneidecken und zwischen zwei benachbarten Schneidecken liegende Schneidkanten aufweisen, von denen mindestens eine der Schneidkanten mindestens zwei vorstehende Schneidspitzen aufweist.
• Alle zum Bohren oder Fräsen stirnseitig des Werkzeughalters verwendete Schneideinsätze haben eine positive Plattengeometrie, um einen ausreichenden Freiwinkel der Freifläche zu gewährleisten. Der Nachteil der beschriebenen, nach dem Stand der Technik bekannten Schneideinsätze liegt darin, daß sich der effektiv zwischen dem Bohr- oder Fräsgrund und der Freifläche bildende Freiwinkel entsprechend dem axialen Vorschub verringert, da der Bohr- oder Fräsgrund bei axialem Vorschub keine Ebene darstellt. Dies wirkt sich bei aktiven, d.h. in spanendem Eingriff am Bohr- oder Fräsgrund befindlichen Schneidkantenspitzen bzw. die hieran angrenzende Freifläche nachteilig aus, nämlich durch einen dortigen erhöhten Verschleiß.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Bohr- oder Fräswerkzeug durch eine bessere Stabilisierung des zwischen der Spanfläche und der Freifläche gebildeten Keils zu optimieren. Hierzu soll auch ein Verfahren zur Ermittlung des absoluten Winkels der sich an die aktive Schneidkante angrenzenden Freiflächenbereiche angegeben werden. Die zu lösende Aufgabe soll sich auf alle Schneideinsatzgeometrien beziehen, die stirnseitig an einem Bohrer oder Fräser einsetzbar sind, gleichgültig an welcher Stelle der aktiven Schneidkante die Ausstülpung (Schneidkantennase) angeordnet ist. Vor allem bei solchen Schneideinsätzen, die im Mittenbereich eines Bohrers eingesetzt werden sollen, soll der beim Bohren entstehende Druck auf die Freifläche so gering wie möglich gehalten werden. Beim Fräsen wird die Aufgabe insbesondere bei Eckfräsern mit großem axialen Winkel zu lösen sein.
• Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird neben dem Patentanspruch 5 auch das im Anspruch 1 beschriebene Bohr- oder Fräswerkzeug der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens der sich an die aktive Schneidkante anschließende Bereich der Freifläche aus einer Schar von senkrecht zur Schneidkante liegenden Geraden gebildet wird, von denen jede in Bezug auf die zu einer entsprechend dem Bohr- oder Fräsvorschub zu einer geneigten Geraden abgewickelte Raumkurve unter einem effektiven positiven (Frei-) Winkel geneigt ist. Durch diese Maßnahme wird jede Freifläche der stirnseitig angeordneten Schneideinsätze entlang der gesamten Schneidkante, insbesondere im Bereich von Schneidkantenspitzen, dem sich aus der Bohrerrotation und dem axialen Vorschub ergebenden abgetragenen Fläche, nämlich dem Bohr- oder Fräsgrund, derart angepaßt, daß sich an jedem Ort ein effektiver tatsächlicher positiver Freiwinkel ergibt. Vorzugsweise ist dieser effektive positive Freiwinkel kleiner 15°, insbesondere 5° bis 9°.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt sowohl solche Schneideinsätze, bei denen nur der unmittelbar an die aktive Schneidkante angrenzende Freiflächenbereich nach der vorgenannten Maßnahme ausgebildet ist, demgegenüber die sich daran anschließenden Freiflächenbereich unterschiedliche, insbesondere größere Freiwinkel aufweisen können, als auch solche Freiflächenausbildung, bei denen jeder senkrecht zur Schneidkante gelegte Schnitt eine Gerade über die gesamte Freifläche ergibt. Durch diese Maßnahme verlängert sich die Lebensdauer der jeweils aktiven Schneidkante, da diese erheblich stabilisiert werden.
• Die jeweilige Ermittlung der absoluten Freiwinkel der Freiflächenbereiche, die sich an die aktive Schneidkante eines Schneideinsatzes in einem Bohr- oder Fräswerkzeug der vorbeschriebenen Art anschließen, erfolgt nach dem im Anspruch 4 beschriebenen Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß für jeden Punkt einer aktiven Schneidkante eines an der Stirnseite angeordneten Schneideinsatzes für den fest vorgegebenen maximalen axialen Bohr- oder Fräsvorschub die wendelförmige Raumkurve ermittelt wird. die anschließend zu einer Geraden (in einer Ebene) abgewickelt wird, welche relativ zu einer senkrechten Ebene zum Bohr- oder Fräsvorschub liegt. Durch jeweilige Drehung dieser Geraden um den gewünschten Freiwinkel, den die an die aktive Schneidkante angrenzende Freifläche gegenüber dem Bohr- oder Fräslochgrund haben soll, erhält man jeweils im Anschluß an einen auf der aktiven Schneidkante liegenden Grenzpunkt den dortigen Freiflächenverlauf. Die Schar der jeweiligen Freiflächenverläufe ergibt dann die gesamte, an die aktive Schneidkante angrenzende Freifläche bzw. einen Teilbereich derselben.
• Zur weiteren Erläuterung dient folgende Überlegung:
  Jeder Punkt einer aktiven Schneidkante eines stirnseitig angeordneten Schneideinsatzes beschreibt beim Bohr- oder Fräsvorschub bei zentrierter Bohrerausrichtung in axialer Richtung eine wendelförmige (helixförmige) Kurve, wobei sich aus der Gesamtheit dieser Kurven der Bohr- oder Fräsgrund ergibt. Dreht man jede dieser wendelförmigen Kurve um einen gewünschten Freiwinkel, den der sich an die Schneidkante anschließende Freiflächenbereich haben soll, ergibt sich eine weitere Gruppe von wendelförmigen Raumkurven, die im Gegensatz zu ungedrehten jeweiligen wendelförmigen Kurve einen Abstand bzw. Freiwinkel zwischen dem Bohr- oder Fräsgrund entstehen läßt. Da der Radius eines Punktes auf der aktiven Schneidkante in Draufsicht betrachtet vom Bohr- oder Fräszentrum gesehen nach außen größer wird, ergeben sich bei der Abwicklung der jeweiligen wendelförmigen Raumkurven Geraden unterschiedlicher Länge, wodurch sich auch erklärt, daß die jeweiligen Freiwinkel entlang der Schneidkante unterschiedlich groß sind. Die um den gewünschten tatsächlichen Freiwinkel verdrehte Helixschar dient somit als Stütz- oder Hüllkurve für die zu schaffende Freifläche.
• Eine von der Wendelform abweichende Spiralform ergibt sich dann, wenn der Bohrer mit einer effektiven Schneide nicht nur bei dem angegebenen Nenndurchmesser, sondern auch zum Bohren von geringfügig größeren oder kleineren Bohrdurchmessern eingesetzt wird, wobei die Bohrerachse um ein entsprechend geringes Maß z.B. von einigen 1/10 mm aus der Bohrlochachse ausgelenkt wird. Um auch in diesem Fall einen entsprechenden effektiven Freiwinkel einstellen zu können, muß der effektive Freiwinkelverlust, der sich durch die Spiral- statt der Wendelbahn eines Schneidkantenpunktes ergibt, durch eine entsprechende Stauchung der Wendelform um eine Kreisbahn zu einer Spirale kompensiert werden.
• Das geschilderte Verfahren läßt sich für jeden axialen Vorschub bzw. für jeden gewünschten tatsächlichen Freiwinkel anwenden, wobei der jeweils zugrunde gelegte Vorschub dann als der maximal zulässige Vorschub für den Bohrer oder Fräser anzusehen ist.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der Darstellungen weiter erläutert. Es zeigen
• 1 auf eine Ebene abgewickelte Raumkurven, die unter alleiniger Berücksichtigung des Freiwinkels und unter gemeinsamer Berücksichtigung der Summe aus dem Freiwinkel und dem Vorschub des Werkzeuges ergeben,
• 2 eine Draufsicht auf eine spiralförmige Raumkurve, die einen Schneidkantenpunkt eines Schneideinsatzes bei geringfügig exzentrisch ausgelenkter Bohrerachse durchläuft,
• 3, 4 eine jeweils um 90° versetzte Ansicht der spiralförmigen Raumkurve nach 2,
• 5 einen exemplarischen Schneideinsatz in schematischer Darstellung und
• 6, 7 jeweils einen Schnitt in Schnittebenen a und b.
• Jeder Punkt einer aktiv schneidenden Kante eines Schneideinsatzes an einem rotierenden Bohrer, der nicht im Bohrlochzentrum bzw. auf der Bohrerlängsachse liegt, beschreibt bei einer Bohrerdrehung ohne einen Vorschub eine in einer Ebene liegende Bahn, wie dies anhand des Schneideinsatzes 10 und der durch den Kreis 11 bestimmten Ebene, welche der Punkt 12 der Schneidkante durchläuft, aus 4 ersichtlich ist. Berücksichtigt man den Vorschub des Bohrers bzw. des Schneideinsatzes beim Bohren, ergibt sich eine helixartige Raumkurve 13, die bei exakt zentriertem Bohrer, d.h. beim Bohren eines Nenndurchmessers, eine Wendelform beschreibt. Abweichungen aus der Wendelform ergeben sich dann, wenn zum Bohren kleinerer oder größerer Durchmesser als dem Nenndurchmesser der Bohrer um einige zehntel Millimeter aus der Bohrlochachse ausgelenkt wird. Die diesbezügliche Spiralform als Projektion der Helix in eine Ebene ist aus 3 ersichtlich und mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnet. Die abgewickelten Raumkurven 13, 14 entsprechend der waagerecht dargestellten Grundlinie in 1. Demgegenüber ist der auf einer Senkrechten zur Schneidkante liegende Punkt der unterhalb der Schneidkante liegenden Freifläche, welcher ebenfalls einer entsprechenden Raumkurve folgt, um den Freiwinkel a geneigt. Diese Freiwinkeleinstellung bleibt jedoch nur so lange erhalten, wie kein Bohrervorschub auftritt. Um einen effektiven Freiwinkel zu erhalten, ist somit der sich aus dem Bohrervorschub ergebende "Freiwinkelverlust" auszugleichen, was durch Gerade 15 verdeutlicht wird, welche den in bezug auf den ruhenden Schneideinsatz objektiven Freiwinkel b für jeden Freiwinkelteil unterhalb eines Schneidkantenpunktes zeigt. Beim fortschreitenden Bohrereinsatz kann so ein effektiver Freiwinkel der gewünschten Art bezogen auf den Vorschub unabhängig von der Freiflächenkontur des Schneideinsatzes 10 jeweils ermittelt werden. Die aus Bild 5 jeweils erhaltenen Schnitte A und B zeigen unterschiedliche Konturen 16 der Freifläche unterhalb des Schneidkantenpunktes 12.

Claims (5)

1. Bohr- oder Fräswerkzeug mit einem Werkzeugträger und mindestens zwei an der Stirnseite des Werkzeugträgers in je einer Aussparung angeordneten Schneideinsätzen mit einer Spanfläche, die durch Schneidkanten begrenzt wird, wobei mindestens ein Schneideinsatz mindestens eine durch eine Ausstülpung gebildete gebrochene Schneidkante, eine Auflagefläche und seitliche Freiflächen aufweist, die unter einem positiven Freiwinkel angeordnet sind, wobei jeder Punkt einer aktiven Schneidkante eines an der Stirnseite angeordneten Schneideinsatzes bei fest vorgegebenem axialem Bohr- oder Fräsvorschub (f_z) eine spiral- oder wendelförmige Raumkurve beschreibt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der sich an diese aktive Schneidkante anschließende Bereich der Freifläche aus einer Schar von senkrecht zur Schneidkante liegenden Geraden gebildet wird, von denen jede in bezug auf die zu einer entsprechend dem Bohr- oder Fräsvorschub (f_z) zu einer geneigten Gerade abgewickelten Raumkurve unter einem effektiven positiven (Frei-) Winkel (α) geneigt ist.
2. Bohr- oder Fräswerkzeug nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Freiwinkel (α) < 15° ist.
3. Bohr- oder Fräswerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Freiwinkel (α) zwischen 5° und 9° liegt.
4. Bohr- oder Fräswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb eines an die Schneidkante angrenzenden Freiflächenbereiches mindestens ein weiterer Freiflächenbereich unter einem größeren Freiwinkel als dem absoluten Freiwinkel des ersten Freiflächenbereiches angeordnet ist.
5. Verfahren zur Ermittlung der absoluten Freiwinkel der Freiflächenbereiche, die sich an die aktive Schneidkante eines Schneideinsatzes in einem Bohr- oder Fräswerkzeug nach Anspruch 1 anschließen, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Punkt einer aktiven Schneidkante eines an der Stirnseite angeordneten Schneideinsatzes für den fest vorgegebenen maximalen axialen Bohr- oder Fräsvorschub (f_z) die spiral- oder wendelförmige Raumkurve ermittelt, zu einer Geraden abgewickelt und auch aus der Neigung dieser Geraden relativ zu einer senkrechten Ebene zum Bohr- oder Fräsvorschub (f_z) zuzüglich des effektiven Freiwinkels der absolute Freiwinkel für jeden unterhalb des genannten Punktes auf der Schneidkante liegende Freiflächenbereich ermittelt wird.