DE202020100455U1

DE202020100455U1 - Werkzeughalter

Info

Publication number: DE202020100455U1
Application number: DE202020100455.7U
Authority: DE
Original assignee: ZCC Cutting Tools Europe GmbH
Current assignee: ZCC Cutting Tools Europe GmbH
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2020-03-17
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: CN211805135U

Abstract

Werkzeughalter mit einem lösbar befestigten Schneideinsatz sowie einer Kühlmittelzufuhr in einem Klemmdeckel (10), der mindestens eine Auslassöffnung (12 bis 18) besitzt, durch die ein Kühlmittelstrahl unter einem Druck von mindestens 3×10Pa auf die aktive Schneidkante des Schneideinsatzes gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Auslassöffnung (12 bis 18) mehrere Einschnürungen (20) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter mit einem lösbar befestigten Schneideinsatz sowie einer Kühlmittelzufuhr in einem Klemmdeckel, der mindestens eine Auslassöffnung besitzt, durch die ein Kühlmittelstrahl unter einem Druck von mindestens 3×10⁵ Pa auf die aktive Schneidkante des Schneideinsatzes gerichtet ist.
Ein solcher Werkzeughalter ist beispielsweise aus der WO 2019/149309 A1 bekannt.
Kühlmitteln bzw. Kühlschmiermitteln kommt bei Zerspanungsprozessen eine erhebliche Bedeutung zu. Beim Zerspanen, zu dem Drehen, Fräsen und Bohren zählen, kommt es an der aktiven Schneidkante, welche den Span von dem Werkstück abhebt, zu hohen Temperaturen, die den Verschleiß des Schneideinsatzes beschleunigen. Der Grund für die Temperaturerhöhung an der Schneideinsatzschneide liegt darin, dass die spezifische Wärme sowie die Wärmeleitfähigkeit des Schneideinsatzwerkstoffes nicht ausreichen, um die entstehende Reibungswärme in hinreichendem Maß abzuführen. Bei der Zerspanung von Titanwerkstücken kommt noch hinzu, dass Titan dazu neigt, sich mit dem Werkzeug zu verschweißen. Eine solche Klebeneigung kann ebenfalls mit einem Kühlschmierstoff minimiert werden, um ein Kühlmittel in ausreichender Menge an dem Zerspanungsort zu bringen. So schlägt die DE 37 40 814 A1 ein Klemmwerkzeug mit einem Klemmhalter und einem daran fixierten Schneidkörper vor, bei dem der Klemmhalter und der Schneidkörper mit innerhalb der Anlageflächen dieser beiden Bauteile ineinander mündenden Kühlmittelkanälen versehen sind. Mindestens ein Kühlmittelkanal des Schneidkörpers soll in unmittelbarer Nähe der aktiven Schneidkante münden. Der Nachteil einer solchen Ausgestaltung liegt darin, dass Bohrungen im Schneideinsatz den Schneideinsatzkörper schwächen, womit die Bruchgefahr erhöht wird. Im Übrigen ist die über solche Bohrungen zugeführte Kühlmittelmenge häufig nicht ausreichend.
In der DE 930 790 C2 wird beschrieben, dass der Kühlmittelstrahl aus einem Düsenmundstück unter Druck und hoher Geschwindigkeit in den Raum zwischen der Freifläche des Werkzeuges und dem Werkstück an die Schneidkante gespritzt wird. Abgesehen davon, dass hiermit im Wesentlichen nur die Freifläche des Werkzeugs, nicht jedoch die Spanfläche sowie die abgehobenen Späne mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden, besteht noch der Nachteil, dass die verwendete Düse an einer separaten Haltevorrichtung angeordnet ist, die ohne Verbindung zum Werkzeug bzw. Werkzeughalter steht und somit schwer justierbar ist.
Unter anderem in der EP 1 073 535 B1 wird vorgeschlagen, einen Kühlmittel-Fluid-Strahl nicht nur für die reine Kühlung des Schneideinsatzes auszunutzen, sondern zusätzlich um Späne, die von dem Werkstück freigeschnitten werden, mechanisch zu beeinflussen, insbesondere mit dem Ziel, die Späne in kleinstmögliche Teile zu brechen. Das Kühlmittel soll mit einem hohen Druck auf die Schnittstelle (Schneidkante) gerichtet werden, der oberhalb von 10⁷ Pa liegt. Hierzu besitzt der Werkzeughalter einen Sitz für einen Schneideinsatz sowie eine angeschraubte Platte, die mindestens eine Düse aufweist, die Teil eines Düseneinsatzes ist, der um seine eigene Mittelachse gedreht werden kann und derart in einer Position fixierbar sein soll, dass der Kühlmittel-Fluid-Strahl von dieser Düse ausgehend auf die Spanflächen des Schneideinsatzes gerichtet wird.
Aus dem Stand der Technik sind Auslassöffnungen bekannt, die einen kreisrunden Querschnitt besitzen. Eine solche kreisrunde Querschnittsöffnung oder auch eine ovale Öffnung hat den Nachteil, dass der unter einem hohen Druck von bis zu 10⁷ Pa oder mehr austretende Kühlmittelstrahl eine erhebliche Reibung erfährt, die sich im Hinblick auf die gewünschte Strahlbündelung störend auswirkt. In vielen Fällen werden daher dreieckige Austrittsquerschnitte verwendet, die zwar eine Verbesserung liefern, aber dennoch unzureichend sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Werkzeughalter durch Ausbildung der Austrittsöffnung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Strahlbündelung verbessert und die Reibung im Kühlmittelkanal zum Austrittsende hin verringert wird.
Hierzu wird der Werkzeughalter nach Anspruch 1 vorgeschlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Querschnitt der Auslassöffnung mehrere Einschnürungen aufweist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeughalter steht der Gedanke im Vordergrund, den Hochdruck-Kühlmittelstrahl zum Brechen des beim Zerspanen von der Schneidkante abfließenden Spans zu verwenden. Die Kühlung der Schneidkante, die sich zudem verschleißmindert auswirkt, stellt nur einen Nebeneffekt dar. Die Einschnürungen bewirken, dass die Reibung des austretenden Hochdruckstrahls an der Kühlmittelwandung verringert wird, weil der Kühlmittelstrahl im Wesentlichen nur an den vorhandenen Einschnürungspunkten bzw. den entlang der Längsachse gebildeten Linien abgebremst wird. Die Querschnittsformen des Kühlmittelkanals bis hin zur Austrittsöffnung können vorzugsweise sternförmig oder blumenförmig ausgebildet sein, wobei die Sterne n-eckig mit n=3, 4, 5, 6 bis 7 Spitzen und ebenso viele Einkerbungen besitzen. Entsprechende Einkerbungen besitzen auch solche Querschnittsformen, bei denen zwischen den Einkerbungen gerundete Ecken bzw. Abschnitte verwendet werden.
Die Querschnittsform ist vorzugsweise gleichförmig, d.h. spiegel- oder rotationssymmetrisch, kann jedoch auch ungleichförmig sein, etwa um den austretenden Strahl etwa ovalförmig, d.h. mit größerer Breite als Höhe auszubilden. Durch die nach innen gerichteten Einkerbungen wird der Kühlmittelstrahl bis zum Austritt der Kühlmittelflüssigkeit optimal und weitgehend ungebremst geführt, so dass die gewollte Strahlrichtung und das Aufprallziel des Strahls, nämlich die aktive Schneidkante, optimal erhalten bleibt. Unter der aktiven Schneidkante wird der Bereich verstanden, in dem beim Zerspanen ein Span erzeugt wird. Für den Spanbruch sind neben dem Kühlmitteldruck, der auch 10⁷ Pa oder auch mehr betragen kann, das Flüssigkeitsvolumen pro Minute entscheidend. Die Stern- oder Blumenform am Austrittsquerschnitt führt gegenüber der vornehmlich verwendeten Dreieckform bei gleichem Außenkreis zu einer Strahlquerschnittsvergrößerung und damit einem höheren Flüssigkeitsvolumen.
Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des durch die Punkte der Einschnürung gelegten Innenkreises 0,2 mm bis 3 mm und der durch die äußeren Punkte des Querschnitts gelegte Außenkreisdurchmesser 0,5 mm bis 5 mm, wobei der Innenkreisdurchmesser mindestens 0,2 mm kleiner als der Außenkreisdurchmesser ist. Beispielsweise kann der Außenkreisdurchmesser 2 bis 5mal so groß sein wie der Innenkreisdurchmesser.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Ecken und/oder Spitzen eines stern- oder volumenförmigen Querschnitts abgerundet und weisen einen Radius von 0,05 mm bis 1,5 mm auf.
Zusätzlich kann die Auslassöffnung auch eine Senkung aufweisen, die vorzugsweise konisch oder parabelförmig ausgebildet ist. Durch diese Ansenkung wird der Durchmesser zum Rand des betreffenden Werkzeughalterteils mit der Auslassöffnung vergrößert, so dass die erfindungsgemäße ausgebildete Auslassöffnung in der Senkung geschützt wird.
Als Klemmdeckel kann insbesondere eine Klemmpratze zur Fixierung des Schneideinsatzes verwendet werden. Weitere Erläuterungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Klemmpratze,
2 eine Ausschnittsvergrößerung dieser Klemmpratze mit fünf sternförmigen Austrittsöffnungen und
3 bis 6 Ausführungsbeispiele der möglichen erfindungsgemäßen Querschnittsformen der Kühlmittelaustrittsöffnungen.

Werkzeuggrundhalter sowie Werkzeughalter zur Aufnahme und Fixierung eines Schneideinsatzes einschließlich der Kühlmittelleitungsführungen durch den Werkzeuggrundhalter und den Werkzeughalter sind im Prinzip nach dem Stand der Technik bekannt. Der Werkzeuggrundhalter kann beispielsweise eine Aufnahmebohrung besitzen, die zur Einführung und Fixierung eines Hohlkegelschaftes eines Werkzeughalters geeignet ist. Der Werkzeughalter kann jedoch auch die in der WO 2019/149309 A1 dargestellte Form einer austauschbaren Kassette besitzen. Im Regelfall besitzt der Werkzeuggrundhalter an seiner Rückseite Anschlussmöglichkeiten für Hochdruckleitungen zur Kühlmittelzufuhr, die insbesondere für hohe Drücke größer 10⁷ PA ausgelegt sind. Durch den Werkzeuggrundhalter bis hin zum Werkzeughalter führt eine Kühlmittelleitung, die in einem Klemmdeckel endet, der im vorliegenden Fall als Klemmpratze 10 ausgebildet ist. Solche Klemmpratzen oder Spannpratzen werden, wie beispielsweise in der WO 2019/149309 A1 beschrieben, über eine Schraube am Grundhalter lösbar fixiert. Eine weitere Schraube, die eine Bohrung 11 der Klemmpratze durchgreift, ist in einer entsprechend ausgebildeten Bohrung eines Werkzeughalters verankert. Aufgrund der Elastizität der Klemmpratze 10 ist es möglich, den Spannpratzenkopf auf einen Schneideinsatz zu pressen, so dass dieser hinreichend beim Zerspanen fixiert wird. Die Klemmpratze besitzt mindestens einen Kühlmittelauslass bzw. mindestens eine Kühlmittelaustrittsöffnung. Im vorliegenden Fall sind fünf Austrittsöffnungen 12 bis 16 vorgesehen, wovon die zwei äußeren Austrittsöffnungen eine konisch ausgebildete Ansenkung 17 besitzen, durch welche die sternförmigen Austrittsöffnungen geringfügig hinter die Klemmpratzenfrontfläche versetzt sind. Die Auslassöffnungen 14, 15, 16 zeigen eine Sternform mit sechs Spitzen, die in 3 vergrößert dargestellt ist. Der Düsenquerschnitt nach 3 ist spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei jeweils zwei gegenüberliegende Spitzen 19 sowie zwei gegenüberliegende Einschnürungen 20 (als einwärts gerichtete Spitzen) jeweils als Spiegelungsachse dienen. 4 zeigt exemplarisch einen sternförmigen Querschnitt mit fünf Spitzen bzw. fünf Einschnürungen, an dem jeweils ein Innenkreis 21 und ein Außenkreis 22 dargestellt sind. Der Außenkreis 22 dient als gemeinsamer geometrischer Ort auf dem jede der fünf Spitzen 19 liegt, entsprechendes gilt für den Innenkreis 21, auf dem alle Einschnürungen 20 liegen. Der Außenkreis 22 ist im gewählten Beispiel etwa 3mal so groß wie der Innenkreis 21.
5 zeigt einen Stern mit sieben Spitzen 19 und sieben Einschnürungen 20, 6 einen Stern mit vier Spitzen 19 und 7 eine ungleichförmige Sterngestaltung 24, die allesamt als Querschnitte der Auslassöffnungen für die Kühlmittelflüssigkeit dienen können. In jedem der dargestellten Fälle werden die Adhäsionskräfte zwischen der Austrittskanalwand und der Kühlmittelflüssigkeit reduziert, indem die Kontaktflächen verkleinert werden. Die Kontaktflächen werden im Wesentlichen durch die Einschnürungen 20 bestimmt. Durch diese nach innen gerichteten Einschnürungen wird der Flüssigkeitsstrahl bis zum Austritt der Flüssigkeit optimal, ungebremst geführt, so dass die gewollte Strahlrichtung und das Aufprallziel des Strahls optimal erhalten bleibt. Durch die Ausbildung der stern- oder blumenförmigen Querschnitte bleibt der Strahldruck im Wesentlichen erhalten, insbesondere werden Turbulenzen in den Randbereichen des Strahls, die zu einer Kühlmittelstrahlschwächung führen, weitestgehend vermieden. Durch die gewählte Sternform kann der Austrittsquerschnitt gegenüber einer nach dem Stand der Technik bekannten Dreieckform bei gleichem Außenkreis vergrößert und somit das Flüssigkeitsvolumen bei gleichem Druck vergrößert werden, so dass die Effektivität des Kühlmittelstrahls zum Zwecke des Spanbruches verbessert wird.
8 zeigt eine mögliche Abwandlung der Querschnittsform der Auslassöffnung, die blumenförmig ausgebildet ist. Zwischen den jeweiligen Einschnürungen 20 sind die Kanten 23 bzw. Kühlmittelkanalflächen gerundet ausgebildet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind auch die in 7 dargestellten ungleichförmigen Sternformen 24 sowie Mischformen aus der in 8 dargestellten Ausführungsform und einer oder mehreren der in 3 bis 6 dargestellten Ausführungsformen möglich, soweit das Ziel der vorliegenden Erfindung erhalten bleibt, durch jeweilige Einschnürung die Reibung des Kühlmittelstrahls im Kühlmittelauslass bis hin zur Austrittsöffnung zu minimieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/149309 A1 [0002, 0015]
DE 3740814 A1 [0003]
DE 930790 C2 [0004]
EP 1073535 B1 [0005]

Claims

Werkzeughalter mit einem lösbar befestigten Schneideinsatz sowie einer Kühlmittelzufuhr in einem Klemmdeckel (10), der mindestens eine Auslassöffnung (12 bis 18) besitzt, durch die ein Kühlmittelstrahl unter einem Druck von mindestens 3×10⁵ Pa auf die aktive Schneidkante des Schneideinsatzes gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Auslassöffnung (12 bis 18) mehrere Einschnürungen (20) aufweist.
Werkzeughalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt sternförmig oder blumenförmig ausgestaltet ist.
Werkzeughalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt einen durch die Punkte der Einschnürungen (20) gelegten Innenkreis (21) mit einem Durchmesser vom 0,2 mm bis 3 mm aufweisen und dass der durch die äußeren Punkte des Querschnitts gelegte Außenkreis (22) einen Durchmesser von 0,5 mm bis 5 mm aufweist, wobei der Innenkreisdurchmesser mindestens 0,2 mm ≤ der Außenkreisdurchmesser ist.
Werkzeughalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken und/oder Spitzen eines stern- oder blumenförmigen Querschnitts abgerundet sind und einen Radius von 0,05 mm bis 1,5 mm aufweisen.
Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (12, 13) eine Ansenkung (17) aufweist, die vorzugsweise konisch oder parabelförmig ausgebildet ist.
Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmdeckel (10) als Klemmpratze zur Fixierung eines Schneideinsatzes ausgebildet ist.