WO2007134561A1 - Schneideinsatz und werkzeug, bestehend aus werkzeughalter und schneideinsatz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz mit einer Auflagefläche (11) und einer hierzu beabstandeten Spanfläche und mindestens einer durch einen positiven Freiwinkel angeordneten Freifläche (12), die eine umlaufende runde oder polygonale Schneidkante bilden, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt (13) mit einem maximalen Abstand zu einer Ebene, in der die Auflagefläche (11) liegt, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt (16, 17) mit einem minimalen Abstand von derselben Ebene. Erfindungsgemäß ist der geometrische Ort eines jeden Schneidkantenpunktes, zumindest jedoch der Schneidkantenpunkt (16, 17) mit minimalem Abstand und hierzu benachbarte Punkte der Schnittpunkt einer vertikalen Hüllfläche mit einer parallelen Ebene zur Auflagefläche (11), wobei die vertikale Hüllfläche senkrecht zur Auflagefläche angeordnet ist und durch eine Schar von zueinander parallelen Vertikallinien (18, 19) gebildet wird, die in der zur Auflagefläche (11) parallelen Ebene, in der der Punkt (13) mit maximalem Abstand von der Auflageflächenebene liegt, einen idealen theoretischen runden oder polygonalen Schneidkanten-Kurvenverlauf bildet.

Description

Schneideinsatz und Werkzeug, bestehend aus Werkzeughalter und Schneideinsatz

Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz mit einer Auflagefläche und einer hierzu beabstandeten Spanfläche und mindestens einer durch einen positiven Freiwinkel angeordneten Freifläche, die eine umlaufende runde oder polygonale Schneidkante bilden, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt mit einem maximalen Abstand zu einer Ebene, in der die Auflagefläche liegt, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt mit einem minimalen Abstand von derselben Ebene.

Die vorbeschriebenen Schneideinsätze zählen zu den sogenannten positiven Schneideinsätzen, die in einer Draufsicht kreisrund, im Wesentlichen dreieckförmig, viereckförmig, insbesondere quadratisch, rhombisch oder rechteckig sein können. Die Schneidkante wird durch die aneinandergrenzende Spanfläche und eine einzige oder mehrere Freiflächen gebildet. Im einfachsten Fall ist die Spanfläche eben ausgebildet, d. h. der Spanwinkel beträgt 0°. Es sind nach dem Stand der Technik auch solche Schneideinsätze bekannt, bei denen sich an die Schneidkante auf der Spanfläche eine abfallende Flanke anschließt, wodurch ein positiver Spanwinkel gebildet wird. Zum Stand der Technik gehören auch wellenförmig ausgebildete Schneidkanten, an die sich wellenförmig ausgebildete Spanflächenabschnitte anschließen.

Bekannt ist schließlich zur Vermeidung eines Ausbrechens einer Schneidkante die Schneidkantenverrundung oder die Anordnung einer Fase unter einem positiven oder negativen Winkel.

Zur Bearbeitung der Laufflächen von Eisenbahnrädern werden Schneideinsätze eingesetzt, die eine kreisrunde Schneidkante konstanter Höhe und einen konstanten positiven Freiwinkel aufweisen. Die kegelstumpfförmigen Schneideinsätze werden zum Piandrehen der Laufflächen eingesetzt. Nach einem Verschleiß der aktiv eingesetzten Schneidkante können die Schneideinsätze um einen von der ursprünglichen Schnitttiefe abhängigen Drehwinkel von 90° oder 120° im Werkzeugträger versetzt angeordnet werden, wonach ein neuer unbenutzter Schneidkantenbereich nutzbar gemacht wird.

Nachteiliger Weise neigen Wendeschneidplatten der beschriebenen Art mit einer kreisrunden Schneidkante in konstanter Höhe zu Schwingungen bei der Zerspanungsoperation, dem sogenannten „Rattern". Durch diese unkontrollierten Schwingungsbewegungen bei dem Zerspanen entstehen auf der Oberfläche des bearbeiteten Werkstückes Unebenheiten (Rattermarken). Abgesehen von dieser schlechten Oberflächenqualität des bearbeiteten Werkstückes erweist sich die Standzeit solcher Wendeschneidplatten als relativ gering.

Grundsätzlich bekannt sind auch Wendeschneidplatten der eingangs genannten Art, bei denen die Schneidkante oder eine der Schneidkanten ein Maxima und beidseitig hiervon jeweils abfallende Schneidkanten bis zu einem Schneidkantenminimum aufweist. Anders als bei negativen Schneideinsätzen mit einem Freiwinkel von 0° wirkt sich jedoch eine bereichsweise Absenkung der Schneidkante auf der bestehenden Freifläche so aus, dass die ursprüngliche Schneidkantenform verändert wird.

Nach dem Stand der Technik sind auch Werkzeuge bekannt, die aus einem Werkzeughalter mit mindestens einer Ausnehmung zur Aufnahme und zur Befestigung eines Schneideinsatzes der vorbeschriebenen Art dienen. Je nach gewählter Zerspanungsoperation können auch über die Anordnung des Schneideinsatzes im Werkzeughalter effektive Spanwinkel eingestellt werden, die sich durch eine Kippung des bestimmten Schneideinsatzes in axialer und radialer Richtung in Grenzen verändern lassen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schneideinsatz und ein Werkzeug, bestehend aus einem Werkzeughalter und einen Schneideinsatz zu schaffen, das einen möglichst geringen Verschleiß hat und mit dem sich eine verbesserte Oberflächenqualität des Werkstückes erzeugen lässt. Diese Aufgabe wird durch den Schneideinsatz nach Anspruch 1 oder das Werkzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes.

Nach der vorliegenden Erfindung liegt der geometrische Ort eines jeden Schneidkantenpunktes, zumindest jedoch der Schneidkantenpunkte mit minimalem Abstand von der Auflagefläche oder mit minimalem Abstand benachbarter Schneidkantenpunkte zur Auflagefläche im Schnittpunkt einer vertikalen Hüllfläche mit einer parallelen Ebene zur Auflagefläche, wobei die vertikale Hüllfläche senkrecht zur Auflagefläche angeordnet ist und durch eine Schar von zueinander parallelen Vertikallinien gebildet wird, die in der zur Auflagefläche parallelen Ebene, in der der Punkt mit maximalem Abstand von der Auflagenflächenebene liegt, einen idealen theoretischen runden oder polygonalen Schneidkanten-Kurvenverlauf bildet.

Die beschriebene Geometrie lässt sich am einfachsten anhand eines positiven Schneideinsatzes mit einer in der Draufsicht kreisrunden Spanfläche erläutern. Zunächst wird die Krümmung der Schneidkante konstruktiv gegenüber einer Kegelstumpfform so geändert, dass die Schneidkante mindestens zwei Maxima mit dazwischen liegenden Minima verläuft, den jeweils höchste und tiefste Punkt des Schneidkantenverlaufs bestimmen die jeweilige Krümmung der Schneidkante. Allerdings wird die Schneidkante in den gewünschten Minima nicht entlang der Freifläche abgesenkt, sondern vertikal zur Auflagefläche, so dass die Spanfläche in diesem abgesenkten Bereich gegenüber der ursprünglichen Spanfläche verbreitert wird. Das Verbreiterungsmaß ist umso größer je tiefer das Maß der Schneidpunktabsenkung ist. Entsprechendes gilt auch für die übrigen Schneidkantenpunkte, die entsprechende Zwischenlagen einnehmen. Durch diese Maßnahme wird der Schneidkantenverlauf auf der Spanfläche dem gekrümmten Verlauf der neu geschaffenen Schneidkante konstruktiv angepasst, wobei sich in der Projektion exakt eine wie eine kreisrunde Schneidkante wirkende Schneide ergibt.

Die wirksame Schneidkante wird im Vergleich zu einer Wendeschneidplatte mit einer in einer einzigen Ebene verlaufenden Schneidkante verlängert, wodurch ein ruhige- rer Schnitt (ohne Rattern) beim Zerspanen gewährleistet wird. Die geschaffene Werkstückoberfläche ist entsprechend glatter. Periodische Schwingungen des Schneideinsatzes bzw. des Werkzeuges können nur dann auftreten, wenn alle beliebig gewählten Punkte auf dem Schneidkantenverlauf eine im Spanbildungsprozess situativ gleiche Position einnehmen. Dies bedeutet, dass die Schneidkante in allen Punkten im Schneidenverlauf gleichzeitig periodischen Belastungen in der Spanumformphase und Entlastungen in der Abscherphase ausgesetzt wird. Deckt sich die Frequenz der Periode mit der Eigenfrequenz des Werkzeuges, entstehen starke Schwingungen, das bereits erwähnte Rattern. Treffen jedoch beliebige Punkte auf dem Schneidkantenverlauf auf unterschiedliche Situationen im Spanbildungsprozess, werden solche Schwingungen unterdrückt, da sich die Kräfte im System überlagern und zumindest teilweise kompensieren.

Vorzugsweise ist der Schneideinsatz durch einen idealen, kreisrunden, im Wesentlichen dreieckigen, quadratischen oder rhombischen Schneidkantenverlauf gekennzeichnet. Dies heißt, dass das gewählte Konstruktionsprinzip nicht nur auf in der Spanflächenebene runde Schneidkanten, sondern auch auf gradlinige Schneidkanten angewendet werden kann.

Vorzugsweise besitzt der erfindungsgemäße Schneideinsatz zumindest eine im Wesentlichen runde Form und mindestens zwei, vorzugsweise drei Schneidkantenpunkte mit maximalem Abstand von der Ebene der Auflagefläche. Zwischen den Schneidkantenmaxima liegen Schneidkantenminima. Weiterhin vorzugsweise ist die Form der Schneideinsätze (in einer Draufsicht betrachtet) rotationssymmetrisch ausgebildet. Bei zwei Schneidkantenmaxima besteht eine 180° Rotationssymmetrie, bei drei Schneidkantenmaxima 120° Rotationssymmetrie etc.

Der positive Freiwinkel wird insbesondere zwischen 2° und 15°, vorzugsweise bis maximal 10° gewählt. Der in Richtung zur Auflagefläche gemessene vertikale Abstand des Punktes mit maximalem Abstand zum Punkt mit minimalem Abstand beträgt mindestens 0,5 mm und/oder maximal 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm.

Die Spanwinkel des Schneideinsatzes können entweder über den gesamten Schneidkantenverlauf konstant sein, in diesem Fall liegen sie vorzugsweise bei 2° bis 25°, oder entlang der Schneidkante variieren. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt der ringförmige, von der Schneidkante weitest entfernte Spanflächenbereich in eine Ebene parallel zur Auflagefläche.

Schließlich kann die einzige Freifläche als Kegelstumpfmantelfläche unter einem konstanten Winkel oder können einzelne Freiflächenbereiche als Ebenen unterhalb der Schneidkante ausgebildet sein. Nach einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterteilen sich jedoch die Freiflächenbereiche in zwei Zonen, von denen eine benachbart zur Schneidkante und die andere benachbart zur Auflagefläche liegt. Die beiden Freiflächenzonen schließen einen Winkel < 180° ein, d. h. dass die weiter von der Schneidkante entfernt liegende Freiflächenzone unter einem größeren Freiwinkel angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft femer ein Werkzeug, bestehend aus einem Werkzeughalter mit mindestens einer Ausnehmung zur Aufnahme und Befestigung eines Schneideinsatzes mit einer Auflagefläche und einer hierzu beabstandeten Spanfläche mit mindestens einer unter einem positiven Freiwinkel angeordneten Freifläche, die eine umlaufende, runde oder polygonale Schneidkante bilden, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt, mit einem maximalen Abstand von einer Ebene, in der die Auflagefläche liegt, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt mit einem minimalen Abstand von derselben Ebene, wobei der Schneideinsatz im Werkzeughalter unter einem Anstellwinkel axial und/oder radial zu der Bearbeitungsfläche eines Werkstückes oder einer Tangentialfläche hierzu geneigt ist. Erfindungsgemäß ist der geometrische Ort eines jeden Schneidkantenpunktes der Schnittpunkt einer vertikalen Hüllfläche mit einer parallelen Ebene zu einer Vertikalebene zur Bearbeitungsfläche eines Werkstückes oder zu einer Tangentialfläche hierzu, wobei die vertikale Hüllfläche senkrecht zu der genannten Vertikalebene angeordnet ist und durch eine Schar von zueinander parallelen Vertikallinien gebildet wird, die in der zur Vertikalebene parallelen Ebene, in der der Punkt mit maximalem Abstand von der Vertikalebene liegt, einen idealen theoretischen runden oder polygonalen Schneidkanten- Kurvenverlauf bildet. Grundsätzlich gilt für dieses Werkzeug dasselbe wie für den vorbeschriebenen Schneideinsatz, allerdings wird hier der nur für vertikal angesetzte Schneideinsätze gültige Bezug zu der Auflagefläche durch eine entsprechende Vertikalfläche zu der Bearbeitungsebene des Werkstückes oder einer Tangentialfläche zum Bearbeitungspunkt des Werkstückes ersetzt. Anders ausgedrückt, dass Kippungsmaß des Schneideinsatzes kann in die Schneidkantenkorrektur einfließen.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung und sonstige Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von Zeichnungen erörtert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Skizze mit einer Erläuterung des Konstruktionsprinzips,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schneideinsatzes,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Schneideinsatzes nach Fig. 2 und

Fig. 4 eine Draufsicht des Schneideinsatzes nach Fig. 2 auf die Spanfläche.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird am deutlichsten anhand der Fig. 1 sichtbar, bei der ein kegelstumpfförmiger Schneideinsatz als Ausgangskörper angenommen wird, der eine ebene Spanfläche 10, eine Auflagefläche 11 , die hierzu parallel angeordnet ist, sowie eine rundum unter einem gleichen Freiwinkel angeordnete Freifläche 12 als Mantelfläche des Kegelstumpfes aufweist. Der Schneidkantenverlauf eines solchen Schneideinsatzes, der die Ebene 10 begrenzt, ist kreisförmig.

Unter Beibehaltung eines Schneidkantenmaximums 13 werden nunmehr die Schneidkantenpunkte 14 und 15 bis zum Punkt 16 bzw. 17 abgesenkt, der auf einer Vertikalen 18 bzw. 19 zur Ebene liegt, in der die Auflagefläche 11 angeordnet ist. In entsprechender Weise werden die übrigen Schneidkantenpunkte zwischen den Punkten 13 und 14 bzw. 13 und 15 unterschiedlich abgesenkt, wobei sich eine gekrümmte Schneidkante ergibt, welche die mit Bezugszeichen 20 dargestellte Schnittebene bildet, die trotz der unebenen Schneidkantenkontur eine in der Projektion exakt wie eine kreisrunde Schneidkante wirkende Schneide erzeugt.

Die Anzahl der Maxima 13 im Schneidkantenverlauf kann beliebig gewählt werden, sofern eine ausreichend lange wirksame Schneidkante erhalten bleibt. Die genauen Maße der Krümmung der Schneidkante ergeben sich aus dem konstruktiven Zusammenhang, der durch den höchsten Punkt 13 und den tiefsten Punkt 16 bzw. 17 des Schneidkantenverlaufes bestimmt wird. Legt man einen horizontalen Schnitt unmittelbar unterhalb des tiefsten Punktes der Schneidkantenebene, erhält man einen konvexen, nicht kreisförmigen Verlauf der Außenkontur, da der Freiflächenpunkt 21 , der sich bei Beibehaltung der Freifläche im ursprünglichen Maß ergeben hätte, nach außen zu Punkt 16 verschoben wird. Im dargestellten Fall, in dem die in einer Draufsicht runde Wendeschneidplatte zwei Maxima 13 aufweist, stimmt die engste Stelle der Außenkontur mit den Schneidmaxima 13 überein und die weiteste Stelle der Außenkontur fällt mit der tiefsten Stelle der Schneidkante (Punkt 16) zusammen, die damit in dieser Schnittebene (parallel zur Auflagefläche) von der idealen Kreisform abweicht.

Das vorbeschriebene Konstruktionsprinzip kann auf jede Wendeschneidplatte mit abfallenden Schneidkanten angewendet werden, also auch bei quadratischen, rechteckigen oder rhombischen Wendeschneidplatten. Durch die Korrektur der Schneidkante wird gewährleistet, dass auch bei abfallenden Schneidkanten im Anwendungsfall ein exakt gerader Verlauf der Schneidkante erzeugt wird.

Fig. 2 bis 4 zeigen einen in einer Draufsicht kreisrunden Schneideinsatz, der drei Schneidkantenmaxima 13 und dazwischen liegende Schneidkantenminima aufweist. Die Schneidkante verläuft gekrümmt im Raum und wird durch eine umlaufende Freifläche 22 unter einem positiven Freiwinkel einerseits sowie einem durchgehend abfallend ausgebildeten Spanflächenbereich 23 andererseits begrenzt bzw. gebildet. Der untere Freiflächenbereich 24, der unterhalb der Auflagefläche 11 liegt, ist unter einem stärkeren Freiwinkel als der Freiflächenbereich 22 geneigt. Der Schneideinsatz besitzt ein mittleres Befestigungsloch 25 zur Aufnahme einer Spannschraube. Das in Fig. 4 dargestellte Maß a, um den der Schneidkantenpunkt 16 relativ zum Schneidkantenpunkt 13 beabstandet ist, zeigt das Absenkungsmaß. Richtet man die Konstruktion des Schneidkantenverlaufes anhand des Maximums 13 sowie des Absenkungspunktes 16 aus, kann das mit b bezeichnete Abweichungsmaß von der idealen Kreisform auf ein Minimum (im μm-Bereich) reduziert werden.

Wie insbesondere anhand Fig. 2 deutlich wird, richtet sich der Spanwinkelverlauf entlang der Schneidkante danach, ob entlang der in Fig. 3 sichtbaren Linie 26, durch die das Ende des abfallenden Spanflächenbereiches 23 bestimmt ist, in einer Ebene liegt - in diesem Fall ergeben sich je nach Absenkung der Schneidkante unterschiedliche Spanwinkel entlang dem Schneidkantenverlauf - oder der Verlauf der Kurve 26 wird dem Höhenverlauf des konstruierten Schneidkantenverlaufes im Raum angepasst, so dass die Spanwinkel entlang der gesamten Schneidkante konstant bleiben.

Der Schneideinsatz eignet sich insbesondere zum Längsdrehen von Planflächeπ. Bei einer Zustellung des Schneideinsatzes kommen zunächst die Schneidkantenbereiche um das Maximum 13 mit dem Werkstück in Eingriff, wonach sukzessive entsprechend dem Neigungswinkel der Schneidkante entlang dem Schneidkantenverlauf die übrigen Bereiche folgen. Der Schneideinsatz wird somit schonender mit dem Werkstück in Eingriff gebracht, als dies bei einem streng kegelstumpfförmigen Schneideinsatz mit einer planen Spanfläche der Fall wäre.

Claims

Ansprüche

1. Schneideinsatz mit einer Auflagefläche (11 ) und einer hierzu beabstande- ten Spanfläche und mindestens einer unter einem positiven Freiwinkel angeordneten Freifläche (12), die eine umlaufende runde oder polygonale Schneidkante bilden, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt (13) mit maximalem Abstand von einer Ebene, in der die Auflagefläche (11) liegt, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt (16, 17) mit einem minimalen Abstand von derselben Ebene, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der geometrische Ort eines jeden Schneidkantenpunktes, zumindest jedoch der Schneidkantenpunkt (16, 17) mit minimalem Abstand und hierzu benachbarte Punkte der Schnittpunkt einer vertikalen Hüllfläche mit einer parallelen Ebene zur Auflagefläche (11) ist, wobei die vertikale Hüllfläche senkrecht zur Auflagefläche (11) angeordnet ist und durch eine Schar von zueinander parallelen Vertikallinien (18, 19) gebildet wird, die in der zur Auflagefläche (11 ) parallelen Ebene, in der der Punkt (13) mit maximalem Abstand von der Auflageflächenebene liegt, einen idealen theoretischen runden oder polygonalen Schneidkanten-Kurvenverlauf bildet.

2. Schneideinsatz nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch einen idealen kreisrunden, im Wesentlichen dreieckigen, quadratischen oder rhombischen Schneidkanten-Kurvenverlauf.

3. Schneideinsatz nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine im wesentlichen runde Form und mindestens zwei, vorzugsweise drei Schneidkantenpunkte (13) mit maximalem Abstand von der Ebene der Auflagefläche (11 ).

4. Schneideinsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Form rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

5. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der positive Freiwinkel zwischen 2° und 15°, vorzugsweise bis maximal 10° beträgt.

6. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der in Richtung zur Auflagefläche (11) gemessene vertikale Abstand (a) des Punktes mit maximalem Abstand zum Punkt mit minimalem Abstand mindestens 0,5 mm und/oder maximal 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm beträgt.

7. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanwinkel über den gesamten Schneidkantenverlauf konstant sind und vorzugsweise 2° bis 25° betragen.

8. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanwinkel entlang der Schneidkante variieren, wobei vorzugsweise der ringförmige, von der Schneidkante weitest entfernte Spanflächenbereich in einer Ebene parallel zur Auflagefläche liegt.

9. Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Schneidkante ein erster Freiflächenbereich (22) und hierunter benachbart zur Auflagefläche (11) ein weiterer Freiflächenbereich (24) mit größeren Freiwinkeln angeordnet ist.

10. Werkzeug, bestehend aus einem Werkzeughalter mit mindestens einer Ausnehmung zur Aufnahme und zur Befestigung eines Schneideinsatzes mit einer Auflagefläche (11) und einer hierzu beabstandeten Spanfläche und mindestens einer unter einem positiven Freiwinkel angeordneten Freifläche (12), die eine umlaufende runde oder polygonale Schneidkante bilden, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt (13) mit maximalem Abstand von einer Ebene, in der die Auflagefläche (11) liegt, und mit mindestens einem Schneidkantenpunkt (16, 17) mit einem minimalen Abstand von derselben Ebene, wobei der Schneideinsatz im Werkzeughalter unter einem Anstellwinkel axial und/oder radial zu der Bearbeitungsfläche eines Werkstückes oder einer Tangentialfläche hierzu geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Ort eines jeden Schneidkantenpunktes der Schnittpunkt einer vertikalen Hüllfläche mit einer parallelen Ebene zu einer Vertikalebene zur Bearbeitungsfläche des Werkstückes oder zu einer Tangentialfläche hierzu ist, wobei die vertikale Hüllfläche senkrecht zu der genannten Vertikalebene angeordnet ist und durch eine Schar von zueinander parallelen Vertikallinien gebildet wird, die in der zur Vertikalebene parallelen Ebene, in welcher der Punkt mit maximalem Abstand von der Vertikalebene liegt, einen idealen theoretischen runden oder polygonalen Schneidkanten-Kurvenverlauf bildet.