DE19824212A1 - Hartmetall-Kugelschneidschaftfräser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung eines Hartmetall- Kugelschneidkopfschaftfräsers.

Ein herkömmlicher Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser (solid cemented carbide ball nose end mill) umfaßt einen im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich, der Schneiden auf dem oberen Ende desselben aufweist und einen Werkzeugkörper, der einen zylindrischen Umfangsbereich mit Umfangsschneiden aufweist, die sich von den Schneiden erstrecken und einen zylindrischen oder konischen Schaft an dem hinteren Ende desselben, wie in EP 0 591 122 A1 offenbart ist. Um das obere Ende herum sind zwei oder vier Schneiden, von denen jede einen positiven Spanwinkel aufweist, gesehen von dem oberen Ende, symmetrisch positioniert, und die Schneiden erstrecken sich über den zylindrischen Umfangsbereich, wobei sie Umfangsschneiden bilden, die das 0,5 bis 3fache der Länge des Außendurchmessers des Schaftfräsers aufweisen. In den meisten Fällen ist jede Fläche der Schneiden mit einem Hartmaterial beschichtet. Ein solcher Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser wird häufig für eine dreidimensionale Bearbeitung einer Metallgußform verwendet, welche eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Schnittbelastung erfordert.

Eine Metallgußform und dergleichen besteht jedoch im allgemeinen aus einem schwierig zu bearbeitenden Material, wie einem abgeschreckten oder gehärteten Material. Entspre­ chenderweise trat im Falle einer hocheffizienten Bearbeitung und bei einer höheren Geschwindigkeit und einer höheren Schnittbelastung Schwierigkeiten auf, wie z. B. das Ausbrechen (chipping) der Schneiden und eine schlechte Schnittgenauigkeit.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaft­ fräser zu schaffen, der die Fähigkeit aufweist, eine leistungsfähigere Schnittleistung zu realisieren und außerdem eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Schnittbe­ lastung eines abgeschreckten oder gehärteten Materials auszuführen, das als ein schwierig zu bearbeitendes Material bekannt ist.

Hinsichtlich der Ergebnisse der Untersuchung des Anmelders erkannte dieser, daß die äußersten Grenzen der Umfangsschneiden, die sich über den zylindrischen Umfangsbereich des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers erstrecken, so lang sind, daß sie keine Festigkeit besitzen, und außerdem neigt jede der Schneiden zum Ausbrechen wegen deren positiven Spanwinkels, wobei diese, einzeln oder in Verbin­ dung miteinander, eine Unzulänglichkeit der Schnittgenauigkeit bewirken und ein Ausbrechen der Schneiden bewirken. Schenkt man zusätzlich der Tatsache Beachtung, daß die Umfangsschneiden des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers stark belastet bei einer dreidimensionalen Bearbeitung einer Metallgußform usw. verwendet werden, erkannte der Anmelder, daß die Festigkeit einer Schneide stark verbessert wird, wenn die Länge jeder äußersten Grenze der Umfangsschneide in einer Weise verkürzt wird, daß sie vollständig zurückgezogen ist.

Basierend auf dieser Untersuchung des Anmelders wurden die obigen Probleme des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers durch Schaffung eines Hartmetall- Kugelschneidkopfschaftfräsers gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, welcher einen im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich umfaßt, der mit einer Mehrzahl von Schneiden versehen ist, die eine virtuelle S-förmige symmetrische Konfiguration, gesehen von dem Schneidenende, bilden und einen Werkzeugkörper bilden, der mit dem Kugelschneidkopfbereich einstückig ausgebildet ist und einen zylindrischen Umfangsbereich aufweist, der ohne Umfangsschneide versehen ist und mit einem Schaft an dem hinteren Ende desselben versehen ist, und wobei die Schneiden des Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräsers, die sich von dem Schneidenende des Kugelschneidkopfbereiches zu den entsprechenden Endstücken erstrecken, die am weitesten in der Nähe der Grenze zwischen dem Kugelschneidkopfbereich und dem Werkzeugkörper positioniert sind, nur in dem Kugelschneidkopfbereich ausgebildet sind. Eine Länge der Schneiden wird so bestimmt, daß sie eine genügend große Länge aufweisen, die zum Bearbeiten einer Metallgußformfläche erforderlich ist.

Da durch eine solche Anordnung die Schneiden in dem Kugelschneidkopfbereich ange­ ordnet sind, welche sich von dem Schneidenende derselben am weitesten zur Nähe der Grenze zwischen dem Kugelschneidkopfbereich und dem Werkzeugkörper erstrecken, kann die vorliegende Erfindung einen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser schaffen, bei welchem die Festigkeit der Schneiden stark verbessert wird durch Verkürzen jeder Länge der Schneiden, und wobei außerdem ein Ausbrechen, welches durch das Fehlen der Festigkeit bewirkt wird, und eine Verminderung der Schnittgenauigkeit verhindert wird, wodurch eine höhere Geschwindigkeit und eine höhere Schnittbelastung verwirk­ licht werden kann, auch wenn ein abgeschrecktes oder gehärtetes Material, das als ein schwierig zu bearbeitendes Material bekannt ist, bearbeitet wird.

Wenn zusätzlich jede Schneide mit einem positiven Spanwinkel versehen ist, ist dieser für ein Ausbrechen anfällig, wodurch dadurch die Lebensdauer des Werkzeuges vermindert wird, und wenn jede Schneide einen negativen Spanwinkel von weniger als -10° hat, schwächt dies eine Schnittschärfe und vermindert eine Schnittwirkung, wobei deshalb ein Spanwinkel ermittelt wurde, der bevorzugterweise zwischen 0° und -10° beträgt. Wenn unterdessen ein Freiwinkel jeder Schneide weniger als 6° beträgt, wird die Lebensdauer des Werkzeuges verkürzt, und wenn der Freiwinkel erhöht wird, wird dessen Schnittschärfe (cutting sharpness) verbessert, wenn jedoch der Freiwinkel über 16° wird, wird leicht ein Ausbrechen der Schneide verursacht. Daher verhindert bevorzugterweise ein Freiwinkel zwischen 6° und 16° ein Ausbrechen und verwirklicht ein hochwirksames Schneiden. Jeder des Spanwinkels und des Freiwinkels wird in dem Abschnitt der Schneide (Fig. 3B) entlang der Linie (B-B Linie in Fig. 3A, Bezugszeichen 21) gemessen, welcher durch die Mitte des Kugelschneidkopfbereiches in einem Winkel von 45° durch eine Körperachse hindurchtritt.

Aus dem gleichen Grund wird noch bevorzugter ein Winkel an der Schneide, der gleichermaßen gemessen wird, zwischen 80° und 90° (Bezugszeichen 16 in Fig. 3B) gesetzt. Wenn ein Winkel zwischen dem oberen Ende des Kugelschneidkopfbereiches und der Grenze, die den Kugelschneidkopfbereich und den Werkzeugkörper trennt, auf einen Winkel von 90° gesetzt wird, welcher zwischen zwei Linien gemessen wird, von denen jede durch die Mitte des Kugelschneidkopfbereiches hindurchtritt, fällt bevorzug­ terweise ein Endstück oder eine äußerste Grenzposition der Schneide in den Bereich von 80° und 90°.

Ferner ist jede Schneide bevorzugterweise mit einer Schicht aus einer auf Titan- Aluminium-Nitrid basierenden Hartmaterialschicht (titanium-aluminium nitride based material film) beschichtet, wodurch die Wärmebeständigkeit und Schweißbeständigkeit erhöht werden und ein wirksamerer Schneidvorgang ermöglicht wird. Ferner ist ein Bereich für die Schneiden und für eine Oberflächenbeschichtung innerhalb eines oberen Bereiches, nämlich des Endkugelschneidkopfbereiches, begrenzt, wobei der Kugel­ schneidkopfschaftfräser der vorliegenden Erfindung solche Vorteile haben kann, die von anderen Vorteilen resultieren, als von den Schneideigenschaften, dahingehend, daß sie einen preiswerteren Kugelschneidkopfschaftfräser schaffen kann und daß das Zurück­ ziehen der herkömmlichen Umfangsschneiden ein Neuschärfen der Schneiden leichter macht. Da andererseits das Schneiden eines härteren Materials von einer höheren Temperatur begleitet wird, ist eine auf Titan-Kohlenstoff-Nitrid (TiCN) basierende Hartmaterialschicht in der Wärmebeständigkeit und der Schweißbeständigkeit geringer, so daß es bevorzugterweise durch eine solche Oberflächenbehandlung ersetzt wird, bei der eine auf einem Titan-Aluminium-Nitrid (TiAlN) basierende Hartmaterialschicht verwendet wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, die einen zweinutigen Hartmetall-Kugelschneidkopf­ schaftfräser entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 2A eine vergrößerte Draufsicht, die einen oberen Endbereich gesehen in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1 darstellt,

Fig. 2B eine vergrößerte Vorderansicht, die den oberen Endbereich gesehen in Richtung des Pfeiles C in Fig. 2A darstellt,

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht, die den oberen Endbereich von Fig. 1 zeigt,

Fig. 3B eine vergrößerte Teilschnittansicht, die einen Abschnitt der Schneiden darstellt, der entlang der Linie 21 (B-B Linie in Fig. 3A) verläuft, welche durch die Mitte des Kugelschneidkopfbereiches hindurchtritt und in einem Winkel von 45° zu einer Körperachse 10 positioniert ist,

Fig. 4A einen Graph, der die Vergleichsergebnisse zwischen einem Kugelschneid­ kopfschaftfräser der vorliegenden Erfindung und einem herkömmlichen Kugelschneid­ kopfschaftfräser zeigt, und Fig. 4B eine Perspektivansicht, die das Profilschneiden darstellt, das in Fig. 4A gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wird eine detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nachstehend gegeben. Wie in einer Seitenansicht von Fig. 1 dargestellt ist, die eine bevorzugte Ausführungs­ form eines zweinutigen (two-flute) Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräsers zeigt, umfaßt der Schaftfräser der vorliegenden Erfindung einen im wesentlichen halbkugel­ förmigen Kugelschneidkopfbereich 1 und einen zylindrischen Werkzeugkörper 2, der mit dem Kugelschneidkopfbereich einstückig ausgebildet ist und sowohl einen zylindrischen Umfangsbereich 2' aufweist, der ohne Umfangsschneide versehen ist, als auch einem Schaft 3 an dem hinteren Bereich desselben aufweist. Wie aus Fig. 2B versehen ist, erstrecken sich zwei Schneiden (cutting edges) 4, 4, die auf dem im wesentlichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich 1 ausgebildet sind, von der Spitze der Körperachse 10 zu der Grenze 5 zwischen dem Kugelschneidkopfbereich 1 und dem Werkzeugkörper 2 über den Winkelbereich von 90° und sind nicht auf einem anderen Bereich ausgebildet, wobei demzufolge keine Umfangsschneiden sich weiter von der Grenze 5 erstrecken.

Mit anderen Worten, da in Fig. 1 der Außendurchmesser 6 des Kugelschneidkopf­ bereiches 1 und der Außendurchmesser 7 des zylindrischen Bereiches 2' des Werk­ zeugkörpers 2 gleich sind, sind die Schneiden nur auf dem halbkugelförmigen Bereich ausgebildet. Demzufolge kann eine Länge 9 (Fig. 2A) der Schneid-Spannuten 8,8, die erforderlich sind, um die Schneiden 4, 4 zu bilden, sehr stark verkürzt werden, wodurch ein Beitrag zur Erhöhung der Festigkeit des Schaftfräsers erfolgt.

Wie in Fig. 2B gezeigt ist, sind die Schneiden 4, 4 so ausgebildet, daß sie von dem oberen Ende derselben gesehen symmetrisch S-geformt sind. Jede der Schneiden 4, 4 hat einen sich stetig verändernden Spiralwinkel (helix angle) der in Kontakt mit der S- geformten Schneide ist. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet eine Spanfläche und das Bezugszeichen 15 eine Freifläche, wie in einer Teilschnittansicht von Fig. 3B dargestellt verläuft, die einen Schnitt zeigt, der entlang der B-B-Linie 21 der Schneide 4 von Fig. 3A ist und in einer Seitenansicht 3A gezeigt ist, die das obere Ende von Fig. 1 vergrößert. Wie in Fig. 3B dargestellt ist, ist ein Spanwinkel 12 und ein Freiwinkel 13 jeweils in der Schnittansicht entlang der Linie (B-B-Linie in Fig. 3A, Bezugszeichen 21) gemessen, welcher durch die Mitte 20 des Kugelschneidkopfbereiches in einem Winkel von 45° zu einer Körperachse 10 hindurchtritt. In dieser Ausführungsform sind jeweils der Span­ winkel 12 auf -10°, der Freiwinkel 13 auf 12° und der Winkel 16 an der Schneide auf 88° festgelegt. Bevorzugterweise ist jeweils der Spanwinkel 12 zwischen 0° und -10°, der Freiwinkel 13 zwischen 6° und 16° und der Winkel 16 an der Schneide zwischen 80° und 90° festgelegt. Über den Bereich 17 (Fig. 1), welcher sich von dem Kugelschneidkopf­ bereich 1 zu dem Werkzeugkörper 2 über die Grenze 5 hinaus erstreckt, ist teilweise mit einer auf Titan-Aluminium-Nitrid basierenden Hartmaterialschicht beschichtet, d. h., zu­ mindest die Schneiden 4, 4 sind damit vollständig beschichtet.

BEISPIEL

Eine Schnellendbearbeitung (fast finish machining), die unter Verwendung eines zweinutigen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräsers entsprechend der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers ausgeführt wird, werden für einen Vergleichstest ausgeführt. Für diesen Test sind die Schneiden des Kugelschneidkopfschaftfräsers der vorliegenden Erfindung mit dem Spanwinkel 12 von 10°, dem Freiwinkel 13 mit 12° und dem Winkel 16 des Werkzeuges auf 88° festgelegt, wobei der Außendurchmesser der Schneiden 10 mm beträgt und die Schneiden mit einer auf Titan-Aluminium-Nitrid basierenden Hartmaterialschicht beschichtet sind. Der herkömmliche Kugelschneidkopfschaftfräser zum Vergleich ist ein zweinutiger Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser, bei dem sich die Schneiden bis zu dem zylindrischen Umfangsbereich erstrecken, um Umfangsschneiden zu bilden, und der gesamte Kugelschneidkopfbereich, die Schneiden und die Umfangsschneide sind mit einer auf Titan-Kohlenstoff-Nitrid (TiCN) basierenden Hartmaterialschicht beschichtet, wobei jeweils der Spanwinkel auf 6°, der Freiwinkel auf 14° und der Winkel des Werkzeuges auf 70° festgelegt ist, wobei der Außendurchmesser der Schneide 10 mm beträgt.

Entsprechend des verwendeten Verfahrens für den Test ist jeder der Kugelschneidkopf­ schaftfräser der vorliegenden Erfindung und des herkömmlichen Typs an einem Vertikal­ bearbeitungszentrum angebracht, und das abgeschrägte härtere Material SKD11 (60HRC) wird einem Schneiden unter Verwendung eines Emulsions-Schneidöls folgenden Bedingungen unterworfen: Anzahl der Umdrehungen 12.000 Umdrehungen pro Minute; Vorschubwert 2.400 mm/min.; Schnittiefe in der Axialrichtung a_a = 0,15 mm; schrittweiser Vorschub P_f = 0,3 mm und Profilschneiden (contour cutting) mit einem Abwärtsschnitt von 30° (um eine Werkstofffläche mit einem Neigungswinkel von 30° zur Schaftfräserachse in Querrichtung der Fläche zu schneiden). Dieses Profilschneiden ist in Fig. 4B dargestellt.

Die Ergebnisse sind in Fig. 4A gezeigt. Der Freiflächenverschleiß (flank wear) der Frei­ fläche 15 der Schneiden 4 des Kugelschneidkopfbereiches 1 wird in Übereinstimmung mit der Schnittlänge (m) gemessen. Wie aus Fig. 4A unter Bezugnahme auf die Schnitt­ länge 20 m zu sehen ist, ist der Freiflächenverschleiß der Freifläche des herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräsers 280 m, und im Falle der vorliegenden Erfindung sind 170 m angegeben, welches um ca. 40° im Vergleich mit dem herkömmlichen Schaftfräser vermindert ist. Außerdem trat bei dem herkömmlichen Kugelschneidkopfschaftfräser ein Ausbrechen auf, wobei aber kein Ausbrechen bei dem Kugelschneidkopfschaftfräser der vorliegenden Erfindung auftrat, so daß daher bei dem letztgenannten Schaftfräser eine längere Werkzeuglebensdauer erwartet wird.

Die obige Ausführungsform bezieht sich auf einen zweinutigen Hartmetall-Kugelschneid­ kopfschaftfräser, es ist jedoch ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung auch auf einen viernutigen Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser anwendbar ist.

Claims (3)

1. Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser, gekennzeichnet durch einen im wesent­ lichen halbkugelförmigen Kugelschneidkopfbereich (1), der mit einer Mehrzahl von Schneiden (4, 4) versehen ist, die gesehen von dem Schneidenende eine symmetrische, virtuelle S-geformte Konfiguration bilden, und der mit einem Werkzeugkörper (2) ver­ sehen ist, der mit dem Kugelschneidkopfbereich (1) einstückig ausgebildet ist und einen zylindrischen Umfangsbereich (2') aufweist, der ohne Umfangsschneide versehen ist und an dem hinteren Ende desselben mit einem Schaft (3) versehen ist, wobei die Schneiden (4, 4), die sich von dem Schneidenende des Kugelschneidkopf­ bereiches (1) zu den jeweiligen Endstücken erstrecken, die am weitesten in der Nähe der Grenze (5) zwischen dem Kugelschneidkopfbereich (1) und dem Werkzeugkörper (2) positioniert sind, nur in dem Kugelschneidkopfbereich (1) ausgebildet sind.

2. Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Spanwinkel (12) der Schneiden (4, 4) in einen Bereich zwischen 0° und -10° fällt und ein Freiwinkel (13) der Schneiden (4, 4) in einen Bereich zwischen 6° und 16° fällt, wobei jeder in dem Schnitt entlang der Linie (21) gemessen ist, der durch die Mitte (20) des Kugelschneidkopfbereiches (1) in einem Winkel von 45° zu einer Körperachse (10) hindurchtritt.

3. Hartmetall-Kugelschneidkopfschaftfräser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schneiden (4, 4) mit einer auf Titan-Aluminium-Nitrid basierenden Materialschicht beschichtet sind.