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Die
Erfindung betrifft ein spanabhebendes, drehendes Werkzeug nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere ein Kreissägewerkzeug oder einen rückschlagfreien
schmalen, kreissägeähnlichen
Stirnplanfräser
zur Bearbeitung bzw. zum Trennen von Halbzeugen, z.B. von Profilen
und zur Bearbeitung von Holz, Holzwerkstoffen, Kunststoffen und
Leichtmetallen, vorzugsweise für
den Einsatz in von Hand betätigten
Kappsägen, Handkreissägen u.a.
Kreissägemaschinen,
innerhalb derer eine Unfallgefahr durch Rückschlag besteht.
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Kreissägemaschinen
neigen bei falscher Bedienung zum klassischen "Rückschlag" besonders dann,
wenn kein Spaltkeil vorhanden oder dieser unerlaubt demontiert wurde.
Es gibt Länder,
in denen ein Spaltkeil nicht zwingend vorgeschrieben ist, weil die
Wirksamkeit eines Spaltkeiles hinsichtlich der Gesamtsicherheit
einer Maschine noch umstritten ist.
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Als
Hauptursache für
einen Rückschlag
wird das Sägen
im Gleichlauf angesehen. Hierbei besteht die Möglichkeit, daß besonders
Handkreissägemaschinen
infolge großer
Kräfte,
die nicht von der Handkraft überwunden
werden können,
aus dem Spalt auf das Werkstück
klettern und so schwere Verletzungen hervorrufen können. Handbetätigte Kappsägen reagieren ähnlich.
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Wird
beispielsweise der Spaltkeil einer Handkreissägemaschine verbotenerweise
demontiert, was bedauerlicherweise oft vorkommt, besteht die Möglichkeit
des Gleichlaufes beim Eintauchen des Sägeblattes, wodurch der bekannte
und gefürchtete
Rückschlag
eintritt; in diesem Fall wird bspw. eine Handkreissäge von unten
nach oben bewegt.
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Ein
Rückschlag
kann dann ausgelöst
werden, wenn die Vorschubkraft in Vorschubrichtung wirkt und das
Werkzeug (bzw. auch das Werkstück) nicht
zwangsgeführt
wird. Das leicht bewegliche Werkstück oder die Bearbeitungseinheit – zum Beispiel
eine Handkreissägemaschine – wird durch Handkräfte gehalten.
Wird im Gleichlauf nun durch eine kleine Störgröße, z. B. durch ein Nachlassen
der Vorschubrichtung entgegenwirkenden Haltekraft der notwendige
gleichmäßige Vorschub
gestört,
kommt es zu einer Beschleunigung der Maschine in Vorschubrichtung.
Dies trifft allgemein für
den Handvorschub zu, deshalb ist die Betriebsart "Gleichlauf" nur für den Maschinenvorschub
zulässig.
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Die
Zerspankraft besteht aus den Komponenten Schnittkraft (tangential
angreifend), der Schnittnormalkraft (radial zum Werkzeugmittelpunkt zeigend)
und der Passivkraft (axial wirkend). Letztere ist sehr gering und
kann bei Kreissägewerkzeugen vernachlässigt werden.
Die Handkraft wirkt der Zerspankraft entgegen. Kritisch wird es
dann, wenn im Gleichlauf das Werkstück oder die Maschine durch die
in Vorschubrichtung wirkenden Vorschubkräfte beschleunigt werden. Mit
der Vorschubgeschwindigkeit wächst
die Spandicke, die ein Wachstum der Kräfte bewirkt, die wiederum eine
weitere Beschleunigung auslöst.
Ursache des Rückschlages
sind jedoch nicht die Kräfte,
die durch den Zerspanungsvorgang ausgelöst werden. Sie könnten bei
den vorliegenden Rückschlaggeschwindigkeiten
durchaus noch von der Hand aufgebracht werden. Vielmehr verhakt
sich das Kreissägeblatt
mit seinen Zähnen
im Werkstück,
wodurch es innerhalb sehr kurzer Zeit (etwa 50 ms) z.T. bis zum
Stillstand abgebremst wird. Der plötzliche Stillstand bewirkt,
daß ein
sehr großes Bremsmoment
entsteht und dieses Moment (Massenträgheitsmoment der rotierenden
Teile × Winkelbeschlenigung)
und die daraus resultierenden Kräfte subjektiv
nicht mehr von der menschlichen Hand aufgebracht werden können. Es
kann davon ausgegangen werden, daß nahezu die gespeicherte Rotationsenergie
innerhalb sehr kurzer Zeit in Translationsenergie umgewandelt wird.
Der plötzliche
Schlag veranlasst den Bediener sehr häufig, die Sägemaschine loszulassen.
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Die
Sägemaschine
klettert aus dem Sägespalt
und, wie die bislang durchgeführten
Untersuchungen zeigen, hebt sie sogar vom Werkstück ab. In dieser unkontrollierten
Phase ist das Werkzeug freiliegend, d. h. der Sägeblattschutz ist noch nicht
geschlossen, wodurch schwere Unfälle
entstehen können.
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Der
eigentliche Rückschlag
spielt sich in einem Zeitraum von etwa 50 ms ab. Messungen zeigen,
dass die vertikale Rückschlagkraft
Mittelwerte von 180 N erreicht. Dies ist jedoch ein Mittelwert,
der Maximalwert ist deutlich höher.
Der zeitliche Verlauf der Rückschlagkraft
hat die Form eines Dreiecks. Der Maximalwert ist deshalb bei diesem
Kraftverlauf etwa doppelt so groß, etwa 360 N.
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Hinzu
kommt noch die Horizontalkomponente der Rückschlagkraft (etwa drei- bis
fünffach
höher),
so daß durch
geometrische Addition sich eine Rückschlagkraft in der Größenordnung
von 1100 bis 1800 N entsteht, die von der menschlichen Hand während des
Werkzeugeingriffes im Normalfall nicht mehr beherrscht werden kann.
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Nach
bisherigen Erfahrungen der Werkzeugindustrie kann die plötzliche
Veränderung
der Vorschubgeschwindigkeit und damit der Rückschlag grundsätzlich durch
eine Begrenzung der Spandicke gemindert, aber nicht verhindert werden.
Eine Spandickenbegrenzung wird nach dem bisherigen Stand der Technik
dann erreicht, wenn der Überstand ü der Schneide
zum Grundkörper
gleich oder kleiner einer noch festzulegenden "Maximalen Spanungsdicke" ist: ü < h max (1)
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Mit
der Begrenzung der maximalen Spandicke wird auch die maximale Zerspankraft
begrenzt. Derart spandickenbegrenzte Werkzeuge unterliegen prinzipiell
im Gleichlauf denselben Grundgesetzen, jedoch wird die freigesetzte
Rückschlagenergie
eingeschränkt.
Ein Verhaken findet jedoch bei dem vorgeschriebenen Überstand
von ü =
1,1 mm, wie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Berufsgenossenschaften
zeigen, beim Rückschlagversuch
nach wie vor statt. Das Werkstück
wird beim "BG-Test" immer noch beschleunigt,
die übertragene
Rückschlagenergie
ist dabei das Bewertungskriterium.
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Spandickenbegrenzte
Kreissägeblätter sind bekannt.
Vor etwa 20 Jahren hatte die Fa. Guhdo das sog. RS-Sägeblatt
im Vertrieb. Hier wurde die Spandicke durch den Überstand zum Grundkörper begrenzt.
Eine weitere Möglichkeit
der Spandickenbegrenzung besteht durch Wahl spezieller "Abweiser" (1). Abweiser und Begrenzung des Schneidenüberstandes
wirken prinzipiell auf die gleiche Weise, sie unterscheiden sich
prinzipiell nicht.
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Nachteilig
dabei ist, daß bei
beiden Möglichkeiten
Platz für
die Spandickenbegrenzer benötigt wird,
der den zur Verfügung
stehenden Spanraum und die Schneidenzahl eingrenzt. Besonders Hochleistungswerkzeuge
erfordern jedoch eine hohe Schneidenanzahl z und entsprechende Spanräume, die
dann nicht mehr realisiert werden können. Solche spandickenbegrenzte
Werkzeuge konnten sich bei Handkreissägen nicht durchsetzen. Sie
funktionieren nämlich
nur dann, wenn Zahn und Spandickenbegrenzer und zumindest noch ein
weiterer Zahn im Eingriff sind und das kann besonders bei dünnen Werkstücken nicht
garantiert werden. Ist nur ein Zahn im Eingriff, erfolgt immer ein
Verhaken des Zahnes, weil die Spandickenbegrenzung erst anliegt,
nachdem der Zahn bereits im Eingriff ist, also viel zu spät wirkt.
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Die
US 5 713 259 A offenbart
ein spanabhebendes, drehendes Werkzeug in Form eines Kreissägewerkzeuges
mit weniger als 10 Zähnen,
bei dem der Freiwinkel zwischen 2° und
5° liegt.
Hierbei geht es jedoch weder darum, die Spandicke zu begrenzen,
noch den Rückschlag
zu verhindern, sondern darum, ein Hochgeschwindigkeitswerkzeug ähnlich einem
Schleifwerkzeug zu schaffen.
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Auch
aus der IL 120 814 ist ein spanabhebendes, drehendes Werkzeug bekannt,
dessen indirekt angegebener Freiwinkel einen Bereich von 0,2° bis kleiner
2° abdeckt.
Aber auch hier geht es nicht um eine Spandickenbegrenzung geschweige
denn um eine Rückschlagverhinderung.
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Die
DE 78 29 113 U1 offenbart
Glieder einer Sägekette,
die nach dem Prinzip einer linearen Schnittbewegung (linear zur
Spannung) funktioniert und keine kreisförmige Schnittbewegung ausführt. Lineare
und kreisförmige
Schnittbewegungen sind völlig
unterschiedlich zur Spannungsprozessen, deren Spanformen sich prinzipiell
unterscheiden (Parallelspan bei linearer Schnittbewegung, Span bei
kreisförmiger Schnittbewegung).
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Auch
in der
DE 37 02 253
A1 ist eine Kettensäge
beschrieben, die nach dem Prinzip der Schnittbewegung linear zur
Spannung arbeitet. Außerdem wird
in dieser Schrift darauf hingewiesen, dass im Umlenkbereich der
Führungsschiene
die Sägezähne stets
einen negativen Freiwinkel besitzen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein spanabhebendes, drehendes Werkzeug der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem konstruktionsbedingt kein
Rückschlag
möglich
ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind bei einem derartigen spanabhebenden, drehenden
Werkzeug die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung besteht
darin, eine Begrenzung der Spandicke mittels eines bislang bei drehenden
Werkzeugen unüblichen,
sehr kleinen Freiwinkels zu erzielen, um damit die aufgezeigten
Nachteile bisheriger Lösungen
zur Spandickenbegrenzung zu umgehen. Die Möglichkeit der Begrenzung der
Spandicke durch kleine Freiwinkel bei entsprechender Freiflächenlänge ist
der Fachwelt noch nicht bekannt, da allgemein behauptet wird, dass
ein Mindestfreiwinkel αmin von mehr als 5° bis etwa α = 15° für einen
ordnungsgemäßen Spannungsvorgang
notwendig sei.
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Erfindungsgemäß gilt α ≤ 5° (2)bevorzugt –2° < α < + 3° (3).
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Diese
Spandickenbegrenzung wirkt über eine
Begrenzung des Zahnvorschubes, denn bei einem sehr kleinen Freiwinkel
(α) stößt die Freifläche des
Schneidkeiles auf das Werkstück
auf, wodurch der Zahnvorschub und damit die maximale Spanungsdicke
eine bestimmte Größe nicht
mehr überschreiten
können.
Damit ist auch die Rückschlaggefahr
ausgeschlossen.
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Die
Funktionsweise der Spandickenbegrenzung durch kleine Freiwinkel
soll beim Auftreffen des Schneidkeiles im Gleichlauf nachfolgend
anhand der Zeichnung näher
erläutert
werden. Es zeigen:
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1 Spandickenbegrenzung
herkömmlicher
Art: Abweiser oder definierter Überstand
der Schneide zum Grundkörper
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2 Spandickenbegrenzung
durch kleine Freiwinkel
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3 Eingriff
des Schneidkeiles zu Beginn im Gleichlauf
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4 Eingriffsgebiet
des Schneidkeiles zu Beginn im Gleichlauf, vergrößert
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5 Ableitung
einer Beziehung zur Spandickenbegrenzung durch kleine Freiwinkel
(α)
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6 Berührungsbedingungen
von Freifläche
des Schneidkeiles und Werkstück: αR =
arcsin (fz max sind ⌀max/Sz
sinβ)
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7 Berührungsbedingungen
(vergrößerter Bereich
von Freiwinkel und Zahnvorschub)
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8 Qualitätsbildung
beim Kreissägen
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9 Entstehung
des Kantenausbruches beim Auftreffen des Sägezahnes
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10 Weg-Zeit-Diagramm;
Handkreissäge mit
rückschlagfreiem
Sägeblatt.
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Das
Eingriffsgebiet des Schneidkeiles im Gleichlauf ist in 3 und,
vergrößert, in 4 und 5 dargestellt.
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Man
erkennt in 5 drei rechtwinklige, aneinandergefügte Dreiecke.
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Bezeichnet
man mit ⌀ den
Eingriffswinkel, dann gilt: ⌀ =
arc cos (1 – 2
a/d) (4),wobei
d der Flugkreisdurchmesser der Kreissäge und a die Eingriffsgröße ist.
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Für das linke
untere rechtwinklige Dreieck (5), gebildet
aus der Maximalen Spanungsdicke hmax und
der gestreckten Länge
der Freifläche
LF und dem eingeschlossenen Freiwinkel α gilt: sin α = hmax/LF (5).
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Für das rechte
untere Dreieck gilt hmax = fz sin ⌀ (6).
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Bezeichnet
man mit β den
Keilwinkel und mit Sg die Zahndicke, dann
gilt: LF =
Sz sin β (7).
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Beim
Vorliegen des maximal erreichbaren Zahnvorschubs fZ
max kann die Vorschubgeschwindigkeit nicht mehr weiter gesteigert
werden, weil die Freifläche
auf dem Werkstück aufliegt.
In diesem Betriebszustand soll bei einem bestimmten kleinen, rückschlagbegrenzenden
Freiwinkels αR ein Rückschlag
nicht mehr erfolgen. Mit diesen experimentell zu bestimmenden Freiwinkel αR,
bei dem ein Rückschlag
verhindert wird, kann nunmehr bei Kenntnis der Länge LF (s. 6)
die maximale Spandicke h*max, bei der kein
Rückschlag
mehr erfolgt, berechnet werden: h*max = LF sin αR (8).
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Die
maximale rückschlagbegrenzende Spandicke
h*max ist ein Rechenwert, der über den
Eingriffswinkel und den maximal erreichbaren Zahnvorschub fz max bestimmt werden kann: h*max =
fZ max sin⌀max (10).
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Faßt man die
Beziehungen (9) und (8) zusammen, so erhält man für den spandickenbegrenzten
Freiwinkel eine Beziehung (8). LF × sin αR =
fZ max sin ⌀max (10).
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Nicht
nur über
den Freiwinkel, sondern auch mit Hilfe der Zahndicke (Sz) und dem
Keilwinkel (β) kann
der Rückschlag
eingegrenzt werden. αR =
arcsin (fZ max sin ⌀max/Sz
sinβ) (11).
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Für nebenstehende
Bedingungen:
Eingriffswinkel ⌀max =
45°
Zahndicke
Sz = 1 – 5
mm
max. Zahnvorschub fZ max = 0,16
mm (bei einer Vorschubgeschwindigkeit vf =
10 m/min, einer Umdrehungszahl n = 4000 min–1,
einer Schneidzähnezahl
z = 36)
Keilwinkel β =
60°
ergeben
sich die Berührungsbedingungen,
unter denen eine Berührung
der Freifläche
des Schneidkeiles mit dem Werkstück
erfolgt aus den 6 und 7.
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Mit
wachsendem Zahnvorschub und geringer werdender Zahndicke steigt
der Freiwinkel, bei dem eine Berührung
der Freifläche
mit dem Werkstück
erfolgt. Darüber
hinaus kann bei konstantem Freiwinkel und konstanter Zahndicke Sz
keine Erhöhung
des Zahnvorschubes mehr vorgenommen werden.
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Es
muß festgestellt
werden, bei welchen Bedingungen (Zahnvorschub (maximale Spanungsdicke),
Freiwinkel und Zahndicke) kein Rückschlag mehr
erfolgt. Nach vorliegenden Untersuchungsergebnissen erfolgt kein
Rückschlag
mehr im Bereich von Freiwinkeln kleiner 1°, bei einer Zahndicke von 3 mm
und einer Vorschubgeschwindigkeit von 15 m/min (fz = 0,1
mm). Im Diagramm ist dieser Bereich vergrößert in 7 dargestellt.
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Natürlich muß bei solchen
spandickenbegrenzten Werkzeugen auch eine gute Bearbeitungsqualität erreichbar
sein, denn sonst hätte
eine solche Maßnahme
keine praktische Bedeutung. Die Fachwelt ist zwar der Meinung, daß für eine gute
Bearbeitungsqualität
ein Mindestfreiwinkel von αmin > 5° erforderlich
sei. Erfindungsgemäße Untersuchungen
zeigen hingegen, daß auch
mit kleinen Freiwinkeln gute Schnittergebnisse erreichbar sind.
Ein Qualitätskriterium
ist beispielsweise die Deformation der Zellstruktur unterhalb der
gebildeten Oberfläche,
die durch den natürlichen
Schneidkeilverschleiß verursacht wird.
Beim Umfangsplanfräsen
werden die Schneidenspitzen rotierender Werkzeuge geringfügig (Fase 0,1mm...0,5mm) überschliffen
("gejointet"), um Rundlauffehler
definiert zu beseitigen. Damit wird durch "Jointen" mit einem Freiwinkel von α = 0° gearbeitet.
Trotzdem wird beim Umfangsplanfräsen
durch Jointen eine gute Bearbeitungsquaität erzeugt, weil die Deformation
der Zellstruktur unterhalb der gebildeten Oberfläche durch einen kleinen Freiwinkel
sehr gering ist, ja sogar wesentlich geringer als die, die der natürliche Verschleiß des Schneidkeiles
bewirkt. Man benutzt sogar das Jointen, nach einem bestimmten Vorschubweg
um innerhalb des Prozesses das Fräswerkzeug zu schärfen. Hinsichtich
des erforderlichen Mindestfreiwinkels lag also eindeutig im Stand
der Technik ein Irrtum vor. Kreissägewerkzeuge sind prinzipiell
auch schmale Fräser,
unterscheiden sich aber im Qualitätsbildungsmechanismus von Fräswerkzeugen.
Die Qualitätsbildung
mit einem Kreissägezahn
an der Schnittkante (Kante zwischen Breit- und Schmalfläche des
Werkstückes),
erfolgt im Gegenlauf bereits schon, bevor überhaupt die Umfangsschneide
das Werkstück
berührt
hat (8). Der Sägezahn
berührt
das Werkstück
mit seiner Spanfläche S.
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Im
Moment des Auftreffens schneidet beim Kreissägen nicht die Schneide, sondern
die Brust (Spanfläche).
Die Bearbeitungsqualität
wird in diesem Augenblick nicht von der Hauptschneide gebildet,
es liegt hier schon fast ein Stanzvorgang vor. Die Schneidenecke
ist unmittelbar danach, also erst nach der Qualitätsbildung
auf der Oberfläche
im Eingriff, sie bildet jedoch die Qualität der Schmalfläche. 9 zeigt
schematisch die Entstehung des Kantenausbruches beim Auftreffen
des Sägezahnes.
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Da
die Umfangsschneide des Kreissägezahnes
im Moment der Qualitätsbildung
ohnehin nicht im Eingriff ist, spielt ihr Freiwinkel auch keine
qualitätsrelevante
Rolle. Deshalb, und weil auch mit gejointeten Werkzeuge eine gute
Bearbeitungsqualität
erreicht wird, ist mit kleinen Freiwinkeln der Umfangsschneiden
eines Sägeblattes
auch eine hinreichend gute Bearbeitungsqualität erzielbar. Allerdings ist
die durch Jointen erzeugte Freiflächenfase zu klein, dass damit
ein Anschlag verhindert werden könnte.
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Durch
einen kleinen Freiwinkel wird auch ein weiterer positiver Effekt
bewirkt. Bei konstantem Spanwinkel wird der Keilwinkel größer, wodurch
der Verschleißwiderstand
des Schneidkeiles wächst
und nach den vorliegenden Erkenntnisstand größere Standvorschubwege erzielbar
sind. Zum Nachweis wurden im Labormaßstab verschiedene Kreissägewerkzeuge
ungeschliffen und sehr kleine Freiwinkel (radiale Höhenunterschiede
zwischen Schneide und Ende der Freilläche 0,05 bis 0,1 mm) realisiert.
Mit diesen Werkzeugen wurden Versuche mittels einer Rückschlagprüfvorrichtung
ohne Spaltkeil durchgeführt.
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10 zeigt
den Wegverlauf einer Handkreissäge
mit rückschlagfreien
Kreissägewerkzeugen.
Die Kurve 1 zeigt den Weg des Werkstückschlittens, die Kurve 2 den
Weg der Säge.
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Als
Ergebnis konnte nachgewiesen werden, daß beim Einsatz eines Werkzeuges
mit einem Höhenunterschied
der Schneidkeilspitze innerhalb der Freifläche von 0,05 mm in keinem einzigen
Versuch ein Rückschlag
entstand. Der Horizontalschlitten bleibt nach einem Weg von ca.
150 mm stehen, der Vertikalschlitten veränderte seine Höhenlage
nicht. Bemerkenswert ist die Bearbeitungsqualität, die mit den spandickenbegrenzten
Werkzeugen in ersten Versuchen erreicht wurde. Sie ist nach erster
visueller Beurteilung keinesfalls schlechter im Vergleich zu herkömmlichen
Werkzeugen. Mit spandickenbegrenzten erfindungsgemäßen Werkzeugen,
durch Wahl eines kleinen Freiwinkels, kann nach den vorliegenden
Untersuchungsergebnissen der Rückschlag
bzw. durch Gleichlauf ausgelöste
unkontrollierte Betriebszustände
sicher verhindert werden.
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Es
zeigt sich, daß der
größte Teil
des Spanvolumens mit einer rückschlagefreien
Schneidengeometrie der Umfangsschneide zerspant wird, und daß die Qualitätsbildung
von Schnittkante und Schmalfläche
von der Hauptschneide weg in den Bereich der Nebenschneiden verlagert
wird.