DE69906702T2

DE69906702T2 - Schneideinsatz mit kühlkanal

Info

Publication number: DE69906702T2
Application number: DE69906702T
Authority: DE
Inventors: Stig Lagerberg
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2019-01-28
Also published as: SE513610C2; JP4275856B2; EP1053069B1; SE9800304D0; DE69906702D1; US6447218B1; JP2002502711A; WO1999039853A1; SE9800304L; EP1053069A1

Description

Schneideinsatz mit Kühlkanal
Technischer Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft einen Schneideinsatz, der für die spanabhebende Bearbeitung vorgesehen ist, der begrenzt wird durch eine Oberseite, eine Unterseite und eine Anzahl von Seitenflächen, die sich zwischen der Ober- und Unterseite erstrecken, und der zumindest eine Schneidkante zwischen der Oberseite und einer als Flanke dienenden Seitenfläche hat, wobei Nuten, die voneinander getrennt und nach oben offen sind, in der Oberseite in Verbindung mit der Schneidkante für das Zuführen von Kühlflüssigkeit in Richtung zu der Schneidkante vorgesehen sind.
Allgemeiner Hintergrund der Erfindung und des Standes der Technik
Die Praxis der Kühlung nicht nur des Schneideinsatzes eines Schneidwerkzeugs, z. B. von Werkzeugen zum Drehen, sondern auch des durch das Werkzeug zu bearbeitenden Werkstücks sowie des Spans, der von dem Werkstück weggeschnitten wird, ist seit langer Zeit bekannt. Ein grundlegendes Ziel in der heutigen Technologie für die Schneidbearbeitung ist es, die Verwendung des höchstmöglichen Drucks in der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen und die Flüssigkeit in Form eines Strahls oder mehrerer Strahle vornehmlich in Richtung auf den Schneideinsatz und die dadurch freigesetzten Späne zu liefern. Je höher der Druck ist, der in dem Flüssigkeitsstrahl verwendet werden kann, desto größer wird die Möglichkeit sein, den Flüssigkeitsstrahl nicht nur für das reine Kühlen zu verwenden, sondern auch einen mechanischen Effekt auf den Span zu erhalten, präziser gesagt, mit dem Zweck, die Späne in so kleine Partikel wie möglich zu zerbrechen. Unter den Fachleuten gibt es einige verschiedene Meinungen darüber, was in diesem Zusammenhang als niedriger beziehungsweise hoher Flüssigkeitsdruck betrachtet werden kann. Im allgemeinen jedoch dürfte die Klassifizierung wahrscheinlich in den folgenden Teilschritten erfolgen
Niedriger Druck < 10 Bar
Mittlerer Druck 10–100 Bar und
Hoher Druck > 100 Bar.
Bei älteren Schneidwerkzeugen wurde das Kühlen unter Verwendung von Flüssigkeit mit niedrigem Druck durchgeführt, wohingegen modernere Schneidwerkzeuge mit Kühlflüssigkeit mittleren Drucks gearbeitet haben. In der jüngeren Technologie findet sich die Verwendung von Flüssigkeitsdrücken von Hunderten von Bar. So sieht zum Beispiel die US 5 148 728 die Verwendung von Flüssigkeitsdrücken in der Höhe von bis zu 2800 Bar vor.
Wenn ein Schneideinsatz zum Beispiel während des Drehens einen Span von einem sich drehenden, üblicherweise aus Metall bestehenden Werkstück abschneidet, werden beträchtliche Mengen an Hitze erzeugt. Das jeweilige Schneiden des Spans findet in einer primären Scherzone statt, welche sich in einem Umfangsabschnitt des Werkstücks entwickelt und sich von der Schneidkante des Schneideinsatzes aus schräg nach oben erstreckt. Aufgrund der entwickelten hohen Temperaturen nicht nur in dem Span und dem Werkstück, sondern auch in dem Schneideinsatz, kann der in der primären Scherzone abgetrennte Span nicht über die Oberseite des Schneideinsatzes hinweg gleiten, ohne sowohl von Reibung als auch vom Widerstand beeinflusst zu werden. Andererseits haftet der sehr heiße Span an der oberen Oberfläche des Schneideinsatzes entlang einer bestimmten Kontaktlänge während eines Ablaufs von Vorgängen, was gewisse Ähnlichkeiten zum Schweißen aufweist. Die Kontaktlänge kann, abhängig z. B. von dem Material des Werkstücks, zwischen Zehnteln eines Millimeters bis zu wenigen Millimetern rückwärts einer Scherzone variieren, welche nahe bei der Schneidkante liegt. Dabei haftet das heiße Material stark in einer dünnen Schicht, über welcher das richtige Schneiden des Spans durch das Scheren in einer sekundären Scherzone (teilweise als Schweißzone bezeichnet) stattfindet. Hiernach folgt eine sogenannte Reibungszone, an der entlang der Span in kräftigen Reibungskontakt mit dem Schneideinsatz tritt, bevor er sie verläßt. Um das Abtrennen des Spans von dem Schneideinsatz zu erleichtern, wird zumeist eine gewisse Art von Spanabweiser bereitgestellt, z. B. in Form von Erhebungen oder Vorsprüngen an der Oberseite des jeweiligen Schneideinsatzes und/oder in Form spezieller Körper an dem Werkzeug, insbesondere Klammern für das Zurückhalten des Schneideinsatzes.
Die moderne Hockdruck-Kühlflüssigkeitstechnologie zielt darauf ab, den Kühlflüssigkeitsstrahl in den im wesentlichen keilförmigen Raum einzuführen, der zwischen der Unterseite des Spans und der Oberseite des Schneideinsatzes an dem Punkt besteht, wo der Span anfänglich von dem Schneideinsatz getrennt wird. Die Idee ist, einen sogenannten hydraulischen Keil zwischen dem Span und der Oberseite des Schneideinsatzes zu bilden, und dass dieser Keil dazu beitragen soll, den Span "herauszubrechen" und, soweit möglich, das Ausmaß an Kontaktlänge des Spans entlang des Schneideinsatzes zu verringern. Ein grundlegendes Ziel des Einführens einer Hochdruck-Kühlflüssigkeit zwischen den Span und den Schneideinsatz ist natürlich auch, diese so wirksam wie möglich zu kühlen. Jedoch sind die ausgeführten Versuche, die Kühlung und das Wegfliessen des Spans von herkömmlichen Schneideinsätzen bisher nicht vollständig erfolgreich gewesen.
Ziele und Merkmale der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die oben erwähnten Nachteile der bisher bekannten Technologie zu beseitigen und einen Schneideinsatz mit verbesserten Fähigkeiten zum effektiveren Kühlen und Entfernen der Späne bereitzustellen. Ein vorrangiges Ziel der Erfindung ist es daher, einen Schneideinsatz bereitzustellen, welcher den Zugang von Hochdruck-Flüssigkeitsstrahlen zu dem Bereich unter der Zone gestattet, entlang welcher der Span von dem Schneideinsatz getrennt wird, und zwar zur gleichen Zeit, in welcher der Span so effektiv wie möglich aus der Oberseite des Schneideinsatzes herausgebrochen werden soll. Ein anderes Ziel ist es, einen Schneideinsatz bereitzustellen, der die beabsichtigte Verbesserung des Kühlens und des Entfernens von Spänen mittels einfacher und damit kostengünstiger Mittel, genauer gesagt, durch Bereitstellung des Schneideinsatzes mit einer neuen geometrischen Form, garantiert.
Gemäß der Erfindung wird zumindest das primäre Ziel durch Merkmale erreicht, die in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 definiert sind. Die bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes werden weiterhin in den anhängenden Ansprüchen definiert.
Weitere Erklärung des Standes der Technik
Ein speziell für das Bilden von Gewinden konstruierter Schneideinsatz ist aus der DE 3 740 814 bereits bekannt, wobei der Einsatz mehrere Nuten für das Einspeisen von Kühlflüssigkeit in Richtung auf die Schneidkante des Schneideinsatzes in dessen Oberseite aufweist. Genauer gesagt, drei verhältnismäßig breite Nuten sind in der Oberseite des Schneideinsatzes eingelassen und so angeordnet, dass sie mit einer getrennten Klammer zusammenwirken, die den Zweck hat, den Schneideinsatz in dem zugehörigen Sitz zu halten und gleichzeitig als ein Spanabweiser zu dienen. Die Nuten begrenzen zusammen mit der Unterseite der Klammer Leitungen, in die Flüssigkeit aus einer zentralen Hauptleitung in dem Rahmen des Schneidwerkzeugs eingespeist wird. Dies bedeutet unter anderem, dass die Kühlflüssigkeit nicht in Form von Strahlen mit hohem Druck eingespeist werden kann. Darüber hinaus ist dieser Weg des Einspeisens der Kühlflüssigkeit nur auf die Schneideinsätze beschränkt, die durch die Klammern gehalten werden.
Kurze Beschreibung der beigefügten Zeichnungen
In den Zeichnungen ist
1 eine perspektivische Ansicht einer ersten einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneideinsatzes,
2 eine Draufsicht auf den Schneideinsatz gemäß 1,
3 ein Schnitt A-A in 2,
4 eine mit Figur übereinstimmende Draufsicht auf einen Schneideinsatz, der einer zweiten, alternativen Ausführungsform des Schneideinsatzes entspricht,
5 eine Draufsicht, die eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform des Schneideinsatzes zeigt,
6 ein Schnitt B-B in 5,
7 ein Schnitt C-C in 5,
8 eine vergrößerte detaillierte Darstellung, die eine einzelne Nut im Querschnitt zeigt,
9 ein vergrößerter detaillierter Schnitt, der einen den 5–8 entsprechenden Schneideinsatz während des Drehens eines Werkstückes zeigt, und
10 eine Draufsicht, die eine vierte alternative Ausführungsform des Schneideinsatzes zeigt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
In den 1–3 wird ein Schneideinsatz 1 gezeigt, welcher durch eine Oberseite 2, eine Unterseite 3 als auch mehrere sich dazwischen erstreckende Seitenflächen 4 begrenzt wird. In dem gezeigten Beispiel beträgt die Anzahl an Seitenflächen vier. Zwischen der Oberseite 2 und einer Seitenfläche 4 gibt es eine Schneidkante 5, welche als eine Flanke dient. An den Ecken de Schneideinsatzes geht der gerade geschnittene Kantenabschnitt 5 in einen abgerundeten Kantenabschnitt 5' über. In dem allgemein quadratförmigen Schneidkörper befindet sich ein zentrales Loch 6 für eine (nicht gezeigte) Befestigungsschraube, mittels derer der Schneideinsatz in einem Sitz eines Schneidwerkzeugs, z. B. für das Drehen, befestigt werden kann. Teile dieses Werkzeugs sind in 9 bei 7 herausgestellt.
Mehrere voneinander getrennte Nuten 8 sind in Verbindung mit der Schneidkante 5 vorgesehen, und die Nuten öffnen sich in der Oberseite des Schneideinsatzes nach oben. Die Vorsprünge 9 sind zwischen benachbarten Nuten 8 in einer Weise angeordnet, welche für die Erfindung charakteristisch ist, wobei diese Vorsprünge von der Oberseite des Schneideinsatzes aus hervorragen und zusammen einen Spanabwesier für jeden Span bilden, der durch die Schneidkante herausgeschnitten wird. Wie deutlich in den 1 und 3 zu sehen ist, erstrecken sich die einzelnen Nuten von einem Bereich nahe des zentralen Lochs 6 aus über den gesamten Ver lauf hin zu der Freifläche 4. Auf diese Weise öffnet sich in dem Ausführungsformbeispiel gemäß den 1–3 jede einzelne Nut in die Freifläche 4 hinein.
Die Ausführungsform gemäß 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß den 1–3 nur in dem Umstand, dass Gruppen von Nuten 8 entlang jeder der vier Seitenschneidkanten oder Schneidkanten des Schneideinsatzes angeordnet sind. Mit anderen Worten, der Schneideinsatz gemäß 4f bildet eine Wendeschneidplatte.
Es wird nun Bezug genommen auf die 5–8, welche eine dritte, alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes darstellen. Der einzige grundlegende Unterschied zwischen diesem Schneideinsatz und dem in den 1–3 dargestellten Schneideinsatz ist der, dass die einzelnen Nuten 8 in einem bestimmten Abstand von der zugehörigen Schneidkante 5 enden. Dementsprechend erstreckt sich in diesem Fall die Schneidkante 5 ununterbrochen zwischen zwei Ecken des Schneideinsatzes.
Wie deutlich in den 7 und 8 zu sehen ist, hat die einzelne Nut 8 eine nach oben auseinandergehende Querschnittsform. Genauer gesagt, die Nut wird durch zwei schräge Seitenwände 10, 10' begrenzt, welche am Boden in eine gemeinsame Bodenfläche 11 mit abgerundeter Form übergehen. Die einzelne Nut sollte eine Tiefe haben, die größer ist als deren Breite, und zwar auf einem Niveau mit der oberen Oberfläche 2 des Schneideinsatzes. In der Praxis kann die Nut, auf einem Niveau mit der Oberseite 2, eine Breite in dem Bereich 0,2–0,4 mm haben, wogegen die Tiefe – von der Bodenfläche 11 aus bis zu dem Niveau der Oberseite 2 gerechnet – in dem Bereich von 0,4–0,6 mm liegen kann. In 7 bezeichnet die Ziffer 12 eine Fläche zwischen zwei benachbarten Nuten B. Die Breite dieses Flächenabschnittes sollte zumindest zweimal so groß sein wie die Breite der einzelnen Nut 8, und zwar auf einem Niveau mit dem Flächenabschnitt. In der Praxis beträgt daher die Breite des Flächenabschnitts 0,8–1,2 mm oder mehr.
Die Form des einzelnen Spanabweiservorsprungs 9 sollte im allgemeinen abgerundet sein. Auf diese Weise geht, wie in 6 zu sehen, eine konvex abgerundete Kronenoberfläche über konkav abgerundete Übergangsflächen in die Oberseite 2 beziehungsweise einen Flächenabschnitt 12 über. Seitlich kann der einzelne Vorsprung vorteilhafterweise durch Ausdehnungen der schneidkantenförmigen, auseinandergehenden Seitenflächen 10, 10', die die Nut begrenzen, begrenzt werden.
In 10 wird eine Wendeschneidplatte mit vier Gruppen aus Nuten statt nur einer Gruppe aus Nuten, wie 5 entsprechend, gezeigt.
Zu bemerken ist, dass die Vorsprünge 9 bei allen Typen an Ausführungsformen vollständig oder teilweise außerhalb der inneren Enden der Nuten 8 plaziert sind, und zwar am nächsten zu dem zentralen Loch 6. In den Zeichnungen werden diese inneren Enden der Nuten mit 13 bezeichnet.
Funktion und Vorteile des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes
Wie ein rotierendes Werkstück 14 mittels des Schneideinsatzes 1 zusammen mit dem zugehörigen Werkzeug 7 einem Drehvorgang ausgesetzt wird, wird schematisch in 9 gezeigt. Dabei schneidet der Schneideinsatz einen mit 15 bezeichnet Span ab. Das Abtrennen dieses Spans 15 von dem Werkstück 14 wird in einer primären Scherzone eingeleitet, welche in 9 mittels der gepunkteten Linie 16 herausgestellt wird. In einem mit 17 bezeichneten Abschnitt des Spans befindet sich eine sekundäre Scherzone, entlang derer der Span endgültig abgetrennt wird. Das Material haftet an der Oberseite des Schneideinsatzes in einer dünnen Schicht unterhalb dieser Scherzone, und dieser folgt dann eine Reibungszone, bevor der Span endgültig den Schneideinsatz verläßt.
Die Ziffer 18 bezeichnet einen Kühlflüssigkeitsstrahl, welcher in hohem Druck von einer (nicht gezeigten) Düse ausgestoßen wird, die in dem Werkzeug eingeschlossen und gegen den Bereich zwischen der Unterseite des Spans 15 und der Oberseite des Schneideinsatzes gerichtet ist. Der Druck in der Kühlflüssigkeit, welche die Düse verläßt, vorteilhaft in dem Bereich 250-1000 Bar oder sogar darüber liegen.
Dank der Anwesenheit der Nuten 8 in Kombination mit den Span führenden Elementen in Form der Vorsprünge 9 kann der Kühlflüssigkeitsstrahl 18 in den Raum unterhalb des Spans 15 geführt werden. Genauer gesagt, ein Einspeisen der Kühlflüssigkeit zu der unmittelbaren Umgebung der Schneidkante findet in Form einer Reihe von Teilströmen in jeder der Nuten 8 statt. Dies bedeutet, dass dem mit hohem Druck arbeitenden Strahl insofern eine verbesserte Fähigkeit zur mechanischen Beeinflussung des Spans verliehen wird, als dieser zumindest in der Reibungszone in einem steileren Winkel zu der Oberseite des Schneideinsatzes zerbrochen wird als mit bisher bekannten Technologien. Dies bedeutet, dass die Kontaktlänge des Spans von der Schneidkante bis zu dem Punkt, an dem er sich von dem Schneideinsatz trennt, verringert wird. Gleichzeitig gilt, je steiler der Bruchwinkel des Spans ist, desto leichter zerbricht er in kleinere Teile. Ein anderer wichtiger Vorteil der Nuten ist, dass das Kühlen des Spans als auch des Schneideinsatzes effektiver gemacht wird. Auf diesem Weg wird der Span auf verbesserte Weise durch die teilweisen Ströme der Kühlflüssigkeit von unten her gekühlt werden, die unter dem Span durch die Nuten hindurch eingespeist wird. Gleichzeitig werden die Abschnitte des Schneideinsatzes in der Nähe der Nuten deutlich besser gekühlt als die entsprechenden Oberflächenabschnitte eines herkömmlichen Schneideinsatzes ohne Nuten für die Kühlflüssigkeit. Mit anderen Worten, die Temperatur des Spans als auch des Schneidkantenabschnitts des Schneideinsatzes kann radikal reduziert werden.
Im Vergleich zu den Ausführungsformen entsprechend Figur Schneidkante 5 und 10 haben die Ausführungsformen entsprechend den 1 und 4 den Vorteil, dass die gelieferte Kühlflüssigkeit durch die Enden der Nuten 8 hindurchlaufen kann, welche sich in die Freifläche Seitenfläche 4 hinein öffnen.

Claims

Schneideinsatz, der für die spanabhebende Verarbeitung vorgesehen ist, der begrenzt wird durch eine Oberseite (2), eine Unterseite (3) und eine Anzahl von Seitenflächen (4), die sich zwischen der Ober- und Unterseite erstrecken, und der zumindest eine Schneidkante (5) zwischen der Oberseite (2) und einer als Freifläche dienenden Seitenfläche (4) hat, wobei Nuten, die gegenseitig zueinander beabstandet und nach oben offen sind, in der Oberseite (2) in Verbindung mit der Schneidkante zur Verfügung gestellt werden für das Zuführen von Kühlflüssigkeit in Richtung zu der Schneidkante, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Nuten (8) Vorsprünge (9) angeordnet sind, die über die Oberseite des Schneideinsatzes vorstehen und die zusammen einen Spandeflektor für jeden Span (15), der von der Schneidkante freigeschnitten wird, bildet, wobei der einzelne spanführende Vorsprung (9) zumindest teilweise außerhalb der inneren Enden (13) von benachbarten Nuten (8) liegt.
Schneideinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Nut (8) eine Form mit einem nach oben auseinandergehenden Querschnitt hat.
Schneideinsatz nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Nut (8) eine Tiefe hat, die größer als ihre Breite auf dem Niveau der Oberseite ist.
Schneideinsatz nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Spanflächenabschnitt (12) zwischen zwei benachbarten Nuten (8) eine Breite hat, die zumindest zweimal so groß wie die Breite der einzelnen Nut auf demselben Niveau wie der Freiflächenabschnitt ist.
Schneideinsatz nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Nut (8) von der Schneidkante (5) beabstandet endet.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die einzelne Nut (8) in der Freifläche (4) öffnet.