DE3531786A1 - Fraeser fuer das umfangs- oder nutenfraesen von hochleistungsverbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fräser für das Umfangs- oder Nutenfräsen von Hochleistungsverbundwerkstoffen aus duroplastischen Reaktionsharzen als Matrixwerkstoff und synthetischen Verstärkungsfasern, insbesondere von SFK-Aramid aus Epoxid- oder ungesättigtem Polyesterharz und aromatischen Polyamidfasern mit einem Volumenanteil von 60% bis 70% in der Matrix, mit in Umfangsrichtung des Fräsers aufeinander folgenden, jeweils durch einen Unterbrechungsspanraum voneinander getrennten Schneidenreihen abwechselnd steigender und fallender Ausrichtung unter einem seiner absoluten Größe nach in allen Schneidenreihen im wesentlichen gleichgroßen Schnittdrallwinkel, wobei in jeder Schneidenreihe die Schneiden in Drehrichtung des Fräsers eine Überdeckung zwischen den nachlaufenden Schneidenenden einerseits und dem vorlaufenden Ende der jeweils voranlaufenden Schneide andererseits aufweisen.

Derartige Fräser sind beispielsweise aus der Literaturstelle ZwF 80 (1985) 1, S. 29-31 bekannt. Bei ihnen ist der Schnittdrallwinkel größer als 65°, und in den Schneidenreihen sind der Schneidenabstand und die Schneidentiefe vergleichsweise gering, so daß sich die Spannuten zwischen den Schneiden leicht mit Matrixwerkstoff zusetzen können. Das kann schnell zu einem Spänestau und in der Folge zu stark abnehmender Bearbeitungsqualität und höheren Arbeitskräften am Fräser sowie größerer Wärmeentstehung am Werkstück führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fräser der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Schnittkräfte möglichst gering sind und durch störungsfreie Spanabfuhr auch über längere Bearbeitungszeiten so gering bleiben.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Größe des Schnittdrallwinkels zwischen 55° und 65° und des (als Normalfreiwinkel angeschliffenen) Schneidenfreiwinkels als Orthogonalfreiwinkel in der zur Fräserachse senkrechten Orthogonalebene zwischen 15° und 20° beträgt, daß die Schneidentiefe größer als 20% des Fräserfliehkreisdurchmessers ist und die Schneidenlänge für die Überdeckung Werte zwischen 5% bis 20% des Schneidenabstands ergibt, sowie der Normalspanwinkel der Schneiden positive Werte zwischen 7° und 15° besitzt, wobei die Schneidentiefe, der Schneidenabstand und der Normalspanwinkel in der jeweils zur Schneidenrichtung senkrechten Normalebene gemessen sind.

Die Größe des Schnittdrallwinkels ist bei dem erfindungsgemäßen Fräser durch den Werkstoff des Werkstücks bedingt und ergibt ein gutes Zerspanen ohne Gefahr eines Ausfransens der Verstärkungsfasern in den äußeren Deckschichten des Werkstücks. Zur Verringerung der Schnittkräfte trägt ferner der verhältnismäßig große Schneidenfreiwinkel und der über die gesamte Schneidenlänge konstante positive Normalspanwinkel bei, was eine hinterschliffene Schneidenbrust und im Ergebnis einen geringen Keilwinkel der Schneiden bedeutet. Schneidentiefe und Schneidenabstand sind ungewöhnlich groß, so daß der Spanraum zwischen benachbarten Schneiden ein entsprechend großes Freiprofil zur Spanabfuhr aufweist, das durch Matrixmaterial praktisch nicht zugesetzt werden kann. Dennoch ist die Überdeckung sehr gering, was ebenfalls geringe Schnittkräfte und geringe Wärme am Werkstückwerkstoff bedeutet, und durch entsprechende Bemessung der Schneidenlänge bzw. der Schneidenteilung des Fräsers erreicht werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrechungsspanwinkel zwischen 75° und 100°, der Unterbrechungsdrallwinkel zwischen -5° und +5°, die Stegbreite zwischen 25% und 30% des Fliehkreisdurchmessers und der Schneidenfußradius in der Normalebene gesehen zwischen 25% und 30% der Schneidentiefe beträgt. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittdrallwinkel etwa 55°, der Schneidenfreiwinkel in der Orthogonalebene etwa 20°, der Normalspanwinkel etwa +15°, die Schneidentiefe etwa 25% des Fliehkreisdurchmessers und die Überdeckung etwa 10% des Schneidenabstandes beträgt, und daß der in der Orthogonalebene gemessene Unterbrechungswinkel für die Breite des Unterbrechungsspanraumes in Umfangsrichtung des Fräsers etwa 90° beträgt.

Der positive, also eine hinterschliffene Schneidenbrust bedeutende Normalspanwinkel erfordert ein besonderes Arbeitsverfahren beim Schleifen der Schneiden. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zum Schleifen des erfindungsgemäßen Fräsers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der zu schleifende Fräser um seine Achse gedreht und gleichzeitig längs seiner Achse so verschoben wird, daß der geforderte Schnittdrallwinkel entsteht und konstant gehalten wird, und daß die nach Art einer Topfscheibe mit einem stirnseitig vorstehenden, die aktive Schleifzone bildenden Scheibenring ausgestaltete Schleifscheibe mit ihrer Stirnseite gegen den Fräser zugestellt wird, wobei die Schleifscheibenachse aus der Orthogonalebene des Fräsers heraus soweit geneigt wird, daß der der aktiven Schleifzone gegenüber liegende Bereich des Scheibenrings die Mantelfläche des entstehenden Fräsers nicht berührt, wobei ferner für diesen Scheibenneigungswinkel das Schleifprofil des Scheibenrings dem in der Normalebene liegenden Spanraumprofil zwischen den Schneiden entspricht, und wobei die Schleifscheibenachse einen solchen Abstand von der Fräserachse aufweist, daß in der aktiven Schleifzone die Tangente an den Scheibenring unter dem Schnittdrallwinkel zur Fräserachse verläuft.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Fräsers nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt in Richtung II-II durch den Fräser nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilabwicklung des Fräsers nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4a einen Schnitt in Richtung A-A durch die Abwicklung in Fig. 3,

Fig. 4b den entsprechenden Schnitt wie Fig. 4.1 durch die zweite Schneidenreihe,

Fig. 5 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Schleifvorgangs eines Fräsers nach der Erfindung,

Fig. 6 eine ebenfalls nur schematisch dargestellte Seitenansicht des Gegenstandes der Fig. 5.

Der in der Zeichnung dargestellte Hartmetall-Fräser mit im wesentlichen zylindrischem Fliehkreismantel dient zum Umfang- oder Nutenfräsen von insbesondere SFK-Aramid. Die Verstärkungsfaser, eine aromatische Polyamidfaser unter dem Handelsnamen -Kevlar 49- der Fa. Du Pont, USA, hat einen Volumenanteil von 60% bis 70% in der Epoxidharzmatrix. Der Fräser besitzt zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende Schneidenreihen 1, 2, und zwar abwechselnd in steigender und fallender Ausrichtung, wobei unter Voraussetzung einer in Fig. 2 durch den Pfeil 3 angegebenen Drehrichtung die Schneidenreihe 1 rechtssteigende, die Schneidenreihe 2 linkssteigende Schneiden 4 besitzt. Der Schnittdrallwinkel Ws, d. i. in Fig. 3 der Winkel zwischen einer der Schneiden 4 und der Richtung der Fräsenachse 5, ist in beiden Schneidenreihen 1, 2 gleich groß, nämlich etwa 55°, und über die Länge jeder Schneide 4 konstant, so daß die Schneiden 4 am Fräserumfang schraubenförmig verlaufen und in der Abwicklung nach Fig. 3 Geraden ergeben. In jeder Schneidenreihe 1, 2 ergeben die Schneiden 4 eine teilweise gegenseitige Überdeckung ü (Fig. 3) zwischen den in Drehrichtung des Fräsers nachlaufenden Schneidenenden einerseits und dem vorlaufenden Ende der jeweils voranlaufenden Schneide andererseits. Die Überdeckung ü soll möglichst klein sein, damit in jeder zur Fräserachse 5 senkrechten Orthogonalebene B-B aus jeder Schneidenreihe 1, 2 im wesentlichen jeweils nur eine der Schneiden 4 schneidet und der in der Überdeckung ü liegende Teil der nachfolgenden Schneide nur so kurz ist, daß durch ihn keine nennenswerte Reibung und Wärme am Werkstückwerkstoff entstehen. Zwischen beiden Schneidenreihen 1, 2 liegt jeweils ein sie voneinander trennender Unterbrechungsspanraum 6. Sein Unterbrechungsspanwinkel von im Ausführungsbeispiel etwa 90° ist mit Wus, der Radius seiner Ausrundung mit Ru bezeichnet. Der Radialspanwinkel Wr (Fig. 2) beträgt im Ausführungsbeispiel der Einfachheit wegen 0°, kann aber bis zu +15° groß sein. Im übrigen verläuft im Ausführungsbeispiel der Unterbrechungsspanraum 6 gerade entlang der Fräserachse 5, kann aber auch schraubenartig verlaufen, in der Abwicklung nach Fig. 3 also eine Neigung gegen die Gerade der Achse 5 aufweisen, wobei der Unterbrechungsdrallwinkel Wud zwischen -5° und +5° groß sein kann. Die Stegbreite SB (Fig. 2) beträgt zwischen 25% bis 30% des Fliehkreisdurchmessers d (Fig. 1), der beispielsweise 1/2 Zoll, also etwa 12,7 mm betragen kann.

Die in Fig. 3 eingetragene Normalebene A-A steht auf den Schneiden 4 der ihr zugeordneten Schneidenreihe 1 senkrecht. Entsprechendes gilt für die in Fig. 3 nicht gezeigte Normalebene der Schneidenreihe 2. Die entsprechenden Schnittbilder der Schneiden 4 in ihren jeweiligen Normalebenen A-A zeigen die Fig. 4a für die rechtssteigende Schneidenreihe 1 und die Fig. 4b für die linkssteigende Schneidenreihe 2. Der Rücken 4.1 jeder Schneide 4 bildet einen Schneidenfreiwinkel, der in der Normalebene A-A mit Wfn bezeichnet ist. In der Orthogonalebene B-B entsprechend Fig. 2 bildet der Schneidenfreiwinkel den Orthogonalfreiwinkel Wfo von im Ausführungsbeispiel etwa 20°. Letzterer ist die zur Fräserachse 5 parallele Projektion des Normalfreiwinkels Wfn und mit diesem über den Schnittdrallwinkel Ws gemäß der Beziehung tang Wfo = Wfn · cos Ws verknüpft, so daß bei einem Orthogonalfreiwinkel Wfo von etwa 20° und einem Schnittdrallwinkel Ws von etwa 55° der Normalfreiwinkel Wfn etwa 32° beträgt. Die Schneidenbrust 4.2 bildet in der Normalebene A-A den Normalspanwinkel Wsn, der im Ausführungsbeispiel +15° beträgt, also hinterschliffen ist und konkav ausgerundet mit dem Schneidenfußradius Rf an den Schneidenrücken 4.1 der benachbarten Schneide 4 anschließt. Der Schneidenfußradius Rf beträgt etwa 25% bis 30% der in der Normalebene A-A gemessenen Schneidentiefe St, die mindestens 20% des Fliehkreisdurchmessers d, im Ausführungsbeispiel also mindestens 2,54 mm, nämlich etwa 3 mm beträgt. Die in der Abwicklung gemäß Fig. 3 gemessene Schneidenlänge Sl und der in der Normalebene A-A gemessene Schneidenabstand Sa ergeben sich dann unter dem Gesichtspunkt der geforderten Überdeckung ü. Wird die Überdeckung ü als Bruchteil x des Schneidenabstands Sa angegeben, so gilt, da für ü sich aus Fig. 3 die geometrische Beziehung ermitteln läßt, die folgende Gl. (1):

Andererseits gilt für die Schneidenlänge Sl die folgende Gl. (2) wo Sl · sin Ws die in die Orthogonalebene B-B entsprechend Fig. 2 projizierte Schneidenlänge ist. Schließlich gilt für den Schneidenabstand Sa aus Fig. 4a oder Fig. 4b und, da die Schneidentiefe St als Bruchteil y von mindestens 20% des Fliehkreisdurchmessers d vorgegeben ist und tang Wfn sich nach der schon genannten Beziehung durch tang Wfo/cos Ws ersetzen läßt, schließlich die folgende Gl. (3)

Setzt man nun in Gl. (1) die Werte für Sl nach Gl. (2) und für Sa nach Gl (3) ein, so erhält man die Beziehung

Im Ergebnis können unabhängig vom Fliehkreisdurchmesser d die gewünschten Werte für y, x, Ws und Wfo vorgegeben werden, woraus sich bei gegebenem d über Wus die Schneidenlänge Sl, über y die Schneidentiefe St und über Sfn der Schneidenabstand ergeben. So erhält man im Ausführungsbeispiel für x=0,1, y=0,25, Wfo=20°, Ws=55° einen Schneidenabstand Sa von etwa 5 mm und eine Überdeckung ü von etwa 0,5 mm bei einer Schneidenlänge Sl von etwa 11,5 mm.

Fig. 5 veranschaulicht den Schleifvorgang bei der Herstellung des Fräsers, so daß die hinterschliffenen positiven Normalspanwinkel Wsn erhalten werden. Während des Schleifvorgangs wird der Fräser 10 in Richtung seiner Achse 5 verschoben und gleichzeitig in Richtung des Pfeiles 11 gedreht, so daß der geforderte Schnittdrallwinkel Ws entsteht und in konstanter Größe gehalten wird. Für rechtssteigende Schneiden 4 erfolgt die axiale Verschiebung des Fräsers 10 in Richtung des Pfeiles 12.1, für linkssteigende Schneiden in Richtung des Pfeiles 12.2. Die Schleifscheibe 13 ist nach Art einer Topfscheibe mit einem die aktive Schleifzone 14 bildenden und dazu stirnseitig vorstehenden Scheibenring 15 ausgestattet und wird im wesentlichen mit ihrer Stirnseite gegen den Fräser zugestellt. Dabei ist die Schleifscheibenachse 17 um den Winkel 18 soweit aus der Orthogonalebene 19 heraus geneigt, daß der der aktiven Schleifzone 14 längs des Fräsers gegenüber liegende Bereich 16 des Scheibenringes 15 die Mantelfläche 20 des entstehenden Fräsers nicht berührt. Für diese Größe des Scheibenneigungswinkels 15 genau dem in der Normalebene liegenden Profil des Spanraums 21 zwischen den Schneiden 4. Die Schleifscheibenachse 17 besitzt einen solchen Abstand D von der Fräserachse 5, daß in der aktiven Schleifzone 14 die Tangente an den Scheibenring 15 unter dem Schnittdrallwinkel Ws zur Fräserachse 5 verläuft, wie insbesondere aus Fig. 6 ersichtlich ist. Der Abstand D hängt u. a. von der Größe des Schnittdrallwinkels Ws und von dem durch den Doppelpfeil 30 bezeichneten Scheibendurchmesser ab.

Claims (8)

1. Fräser für das Umfangs- oder Nutenfräsen von Hochleistungsverbundwerkstoffen aus duroplastischen Reaktionsharzen als Matrixwerkstoff und synthetischen Verstärkungsfasern, insbesondere von SFK-Aramid aus Epoxid- oder ungesättigtem Polyesterharz und aromatischen Polyamidfasern mit einem Volumenanteil von 60% bis 70% in der Matrix, mit in Umfangsrichtung des Fräsers aufeinander folgenden, jeweils durch einen Unterbrechungsspanraum (6) voneinander getrennten Schneidenreihen (1, 2) abwechselnd steigender und fallender Ausrichtung unter einem seiner absoluten Größe nach in allen Schneidenreihen (1, 2) im wesentlichen gleichgroßen Schnittdrallwinkel (Ws), wobei in jeder Schneidenreihe (1, 2) die Schneiden (4) in Drehrichtung (3) des Fräsers eine Überdeckung (ü) zwischen den nachlaufenden Schneidenenden einerseits und dem vorlaufenden Ende der jeweils voranlaufenden Schneide andererseits aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Schnittdrallwinkels (Ws) zwischen 55° und 65° und des (als Normalfreiwinkel Wfn angeschliffenen) Schneidenfreiwinkels als Orthogonalfreiwinkel (Wfo) in der zur Fräserachse (5) senkrechten Orthogonalebene zwischen 15° und 20° beträgt, daß die Schneidentiefe (St) größer als 20% des Fräserfliehkreisdurchmessers (d) ist und die Schneidenlänge (Sl) für die Überdeckung (ü) Werte zwischen 5% bis 20% des Schneidenabstands (Sa) ergibt, sowie der Normalspanwinkel (Wsn) der Schneiden (4) positive Werte zwischen 7° und 15° besitzt, wobei die Schneidentiefe (St), der Schneidenabstand (Sa) und der Normalspanwinkel (Wsn) in der jeweils zur Schneidenrichtung senkrechten Normalebene (A-A) gemessen sind.

2. Fräser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrechungsspanwinkel (Wus) zwischen 75° und 100° beträgt.

3. Fräser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrechungsdrallwinkel (Wud) zwischen -5° und +5° beträgt.

4. Fräser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialspanwinkel (Wr) zwischen 0° bis +15° beträgt.

5. Fräser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbreite (SB) zwischen 25% bis 30% des Fliehkreisdurchmessers (d) beträgt.

6. Fräser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidenfußradius (Rf) in der Normalebene gesehen zwischen 25% bis 30% der Schneidentiefe (St) beträgt.

7. Fräser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittdrallwinkel (Ws) etwa 55°, der Schneidenfreiwinkel (Wfo) in der Orthogonalebene etwa 20°, der Normalspanwinkel (Wsn) etwa +15°, die Schneidentiefe (St) etwa 25% des Fliehkreisdurchmessers (d) und die Überdeckung (ü) etwa 10% des Schneidenabstandes (Sa) beträgt, und daß der in der Orthogonalebene gemessene Unterbrechungsspanwinkel (Wus) für die Breite des Unterbrechungsspanraumes (6) in Umfangsrichtung des Fräsers etwa 90° beträgt.

8. Verfahren zum Schleifen eines Fräsers nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zu schleifende Fräser (10) um seine Achse (5) gedreht und gleichzeitig längs seiner Achse so verschoben wird, daß der geforderte Schnittdrallwinkel (Ws) entsteht und konstant gehalten wird, und daß die nach Art einer Topfscheibe mit einem stirnseitig vorstehenden, die aktive Schleifzone (14) bildenden Scheibenring (15) ausgestattete Schleifscheibe (13) mit ihrer Stirnseite gegen den Fräser (10) zugestellt wird, wobei die Schleifscheibenachse (17) aus der Orthogonalebene (19) des Fräsers (10) heraus soweit (Winkel 18) geneigt wird, daß der der aktiven Schleifzone (14) gegenüber liegende Bereich (16) des Scheibenrings (15) die Mantelfläche (20) des entstehenden Fräsers (10) nicht berührt, wobei ferner für diesen Scheibenneigungswinkel (18) das Schleifprofil des Scheibenrings (15) dem in der Normalebene (A-A) liegenden Spanraumprofil zwischen den Schneiden (4) entspricht, und wobei die Schleifscheibenachse (17) einen solchen Abstand (D) von der Fräserachse (5) aufweist, daß in der aktiven Schleifzone (14) die Tangente an den Scheibenring (15) unter dem Schnittdrallwinkel (Ws) zur Fräserachse (5) verläuft.