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Dokumentenidentifikation DE102006020613A1 08.11.2007
Titel Werkzeuggeometrie für eine geometrisch bestimmte Schneide
Anmelder Universität Hannover, 30167 Hannover, DE
Erfinder Denkena, Berend, Prof. Dr.-Ing., 30900 Wedemark, DE;
Ben Amor, Raouf, Dr.-Ing., 73547 Lorch, DE
Vertreter Scheffler, J., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 30171 Hannover
DE-Anmeldedatum 02.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006020613
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse B23B 27/02(2006.01)A, F, I, 20060502, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23C 5/16(2006.01)A, L, I, 20060502, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein zu spanenden Bearbeitung eines Werkstücks bestimmtes Werkzeug (1) mit einer geometrisch bestimmten Schneide (5). Eine Freifläche (2) des Werkzeuges (1) weist innerhalb der durch die vorbestimmte kritische Verschleißmarkenbreite (VBzul) festgelegten Grenzen zumindest zwei in verschiedenen Ebenen angeordnete Bereiche (3, 4) auf, wobei der zweite, einer Schneide (5) bzw. einer Spanfläche (8) abgewandte Bereich (4) gegenüber dem ersten, der Schneide (5) benachbarten Bereich (3) zurückspringend verläuft. Die Verschleißmarkenbreite ändert sich bis zum Erreichen der kritischen Verschleißmarkenbreite (VBzul) über einen vergleichsweise langen Bearbeitungszeitraum nur geringfügig. Das Werkzeug (1) kann dadurch wesentlich länger eingesetzt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks bestimmtes Werkzeug mit einer geometrisch bestimmten Schneide, welches eine Spanfläche und zumindest eine Freifläche aufweist.

Bei der spanenden Bearbeitung eines Werkstückes, beispielsweise aus einem gehärteten Stahl, mittels des mit einer geometrisch bestimmten Schneide ausgestatteten Werkzeuges kommt es infolge des Werkzeugsverschleißes zur Ausprägung von Zugeigenspannungen in der Werkstückrandzone. Ursache hierfür ist die mit einer zunehmenden Verschleißmarkenbreite der Freifläche bzw. mit der zunehmenden Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ansteigende thermomechanische Beanspruchung des Werkstücks.

Ab einer werkstoffspezifischen kritischen Verschleißmarkenbreite führt der linear ansteigende Freiflächenverschleiß zu einer negativen Veränderungen der Bauteilrandzone durch Bildung unerwünschter Anlasszonen oder sogar Neuhärtungszonen. Diese Effekte können beispielsweise durch Messung von Eigenspannungen in dem betroffenen Werkstückbereich detektiert werden.

Es zeigt sich zudem, dass die Zerspankraftkomponenten sehr stark von dem Werkzeugverschleiß abhängen. Dies führt zu extrem hohen Pressungen im Kontaktbereich zwischen dem Werkstück und der Werkzeugfreifläche mit der Folge einer hohen mechanischen und thermischen Belastung der Werkstückrandzone. Diese Beanspruchungen beeinflussen unter anderem auch die erreichbaren Genauigkeiten bei der spanenden Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere von hartgedrehten Bauteilen.

In der Werkstückoberfläche können bei der geometrisch bestimmten Hartbearbeitung bereits ab einer Verschleißmarkenbreite von 0,05 mm Zugeigenspannungen auftreten. Ab einer Verschleißmarkenbreite von 0,1 mm treten zudem häufig Gefügeänderungen auf. In der Praxis wird eine Verschleißmarkenbreite des Werkzeuges ab 0,2 mm als besonders kritisch für die Bauteilqualität gehärteter Werkstücke angesehen.

In der Praxis sind bereits zahlreiche Versuche unternommen worden, das Verschleißverhalten von geometrisch bestimmten Werkzeugen für die Hartbearbeitung zu verbessern. Beispielsweise kann durch geeignete Beschichtungen oder den Einsatz verschleißmindernder Werkzeugmaterialien der Verlauf bis zur Entstehung der kritischen Verschleißmarkenbreite verzögert werden.

Die DD 27 76 22 A1 beschreibt eine Werkzeugschneide mit reduzierter Kontaktlänge auf der Spanfläche. Hierzu hat die Spanfläche einen der Schneidkante zugewandten konvexen kreisbogenförmigen Spanflächenabschnitt, dem sich ein ebener Spanflächenabschnitt anschließt. Mit zunehmendem Freiflächenverschleiß ergibt sich ein gegenüber dem ursprünglichen Spanwinkel größerer Spanwinkel, so dass die Schnittkraft trotz erhöhter Reibung auf der Freifläche nur wenig größer wird.

Durch die EP 01 60 278 A2 ist es ferner bekannt, bei einem auswechselbaren Schneidwerkzeug im Bereich der einer Eck-Schneidkante sowie der sich daran beiderseits anschließenden Hilfs-Schneidkanten zugeordneten Seitenflächen eine gegenüber der Ebene der geneigten Seitenfläche zurückspringende Fixierfläche zu schaffen. Diese zurückspringende Fixierfläche erstreckt sich von der Rückweise des Schneidwerkzeuges bis zur Mitte der Seitenfläche. Auf diese Weise wird erreicht, die zur zuverlässigen und optimalen Fixierung des austauschbaren Schneidwerkzeuges erforderliche Schleifbearbeitung nicht über die gesamte Seitenfläche zu erstrecken, sondern auf den der Vorderseite benachbarten Bereich bis etwa zur Schneidwerkzeugmittelebene zu beschränken, so dass die Bearbeitung vereinfacht und die Bearbeitungsdauer verkürzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung zu schaffen, durch welches der unvermeidliche Verschleiß wesentlich reduziert bzw. verzögert wird. Insbesondere soll die Einsatzdauer bis zum Erreichen der kritischen Verschleißmarkenbreite wesentlich verlängert und damit die Werkzeugkosten vermindert und die Bauteilqualität verbessert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks bestimmten Werkzeug mit einer geometrisch bestimmten Schneide, welches eine Spanfläche und zumindest eine Freifläche aufweist, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Freifläche innerhalb der jeweiligen, durch den Bearbeitungsfall vorbestimmten kritischen Verschleißmarkenbreite der Freifläche zumindest zwei in verschiedenen Ebenen angeordnete Bereiche aufweist, wobei der zweite, der Schneide abgewandte Bereich, gegenüber dem ersten, der Schneide benachbarten Bereich, zurückgesetzt ist. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass aufgrund des zurückgesetzten zweiten Bereichs die Verschleißmarkenbreite nur langsam fortschreitet und sich die Verschleißmarkenbreite bis zum Erreichen der kritischen Verschleißmarkenbreite über einen vergleichsweise langen Bearbeitungszeitraum nur geringfügig ändert. Demgegenüber hat sich gezeigt, dass die Größe der Verschleißmarkenbreite für die maximale Einsatzdauer des Werkzeuges entscheidend ist. Indem nun erfindungsgemäß der erste Bereich der Freifläche gegenüber dem Werkstück vorspringend ausgestaltet ist, verändert sich die Verschleißmarkenbreite nach einem zunächst dem Stand der Technik entsprechenden Verlauf über einen erheblichen Schnittzeitraum nur sehr geringfügig. Insbesondere ändert sich also die Verschleißmarkenbreite erst dann erheblich, wenn der vorspringende erste Bereich derart abgetragen ist, dass die Ebenen der beiden Bereiche im Wesentlichen übereinstimmen. Der erste Bereich kann dabei auf die Umgebung der Schneidenecke beschränkt sein oder sich über die gesamte Länge der Schneide erstrecken. Neben der deutlichen Verlängerung der Werkzeugstandzeit ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine Reduzierung der Werkzeugkosten sowie der Werkzeugwechselkosten. Weiterhin wird auch die Bauteilqualität der so bearbeiteten Werkstücke entscheidend verbessert, insbesondere auch bei der Zerspanung gehärteter Stähle, wie beispielsweise Wälzlagerstahl.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass das Werkzeug einen die beiden Bereiche verbindenden Übergangsbereich aufweist. Hierdurch wird eine dem zu erwartenden Werkzeugverschleiß angepasste Geometrie erreicht, durch die zugleich eine sprunghafte Änderung der Verschleißmarkenbreite ausgeschlossen ist. Der Übergangsbereich kann dabei grundsätzlich eine beliebige Formgebung und Oberflächenbeschaffenheit aufweisen und beispielsweise auch eine konkave oder konvexe Ausformung umfassen.

Der Verlauf des Übergangsbereichs ist wesentlich auch durch die erforderliche Belastbarkeit des Werkzeuges in Bereich der Schneide bestimmt. Besonders vorteilhaft ist es daher, wenn der Übergangsbereich einen Winkel von zumindest 10° gegenüber dem ersten Bereich der Freifläche einschließt. Hierdurch wird eine vergleichsweise geringe Materialschwächung im Bereich der Schneidkante ebenso wie ein dem fortschreitenden Verschleiß angepasster Abstand der jeweiligen Ebenen der beiden Bereiche erreicht.

Dabei ist es besonders praxisgerecht, wenn der Übergangsbereich einen stetigen Verlauf aufweist, um so im Wesentlichen gleich bleibende Bearbeitungsergebnisse bei der spanenden Bearbeitung des Werkstücks sicherzustellen. Insbesondere werden dadurch kurzfristige Änderungen der Zerspanungskräfte vermieden.

Die jeweiligen Ebenen der beiden Bereiche könnten zueinander geneigt verlaufen. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn die beiden Ebenen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und daher die Grundform des erfindungsgemäßen Werkzeuges von den aus dem Stand der Technik bekannten, insbesondere handelsüblichen Werkzeugen nur sehr geringfügig abweicht. Die Handhabung sowie die Herstellung des erfindungsgemäßen Werkzeuges wird auf diese Weise wesentlich vereinfacht.

Weiterhin wird eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeuges dadurch geschaffen, dass der erste Bereich zumindest abschnittsweise konvex und der zweite Bereich zumindest abschnittsweise konkav ausgeführt ist. Die Formgebung ermöglicht dabei eine individuelle Anpassung an unterschiedliche Einsatzbedingungen, insbesondere Werkstoffe, wobei der zeitliche Verlauf der Verschleißmarkenbreite nicht allein durch die Geometrie des Werkzeuges vorbestimmt ist, sondern in Abhängigkeit des eingestellten Spanwinkels von dem Bediener angepasst werden kann.

Die Ausformung der beiden Bereiche könnte auf die Hauptfreifläche beschränkt sein. Besonders viel versprechend ist jedoch darüber hinaus eine Abwandlung, bei der die beiden Bereiche einer Hauptfreifläche und/oder einer Nebenfreifläche zugeordnet sind, um so eine Anpassung an den dreidimensionalen Verschleiß im Umfeld der Schneidenecke zu ermöglichen. Insbesondere kann hierzu der Verlauf der beiden Bereiche unabhängig von der Haupt- und Nebenschneide bestimmt werden.

Eine andere, ebenfalls in vorteilhafter Weise realisierbare Ausgestaltung wird dadurch erreicht, dass zumindest einer der beiden Bereich eine Beschichtung oder einen Formkörper zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit aufweist, welche reibungsmindernde oder thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Die Beschichtung oder der Formkörper kann bei einer speziellen Ausgestaltung einen optimalen Übergang zwischen der Ebene des ersten und des zweiten Bereichs erzielen, um so die Belastbarkeit des Werkzeuges, insbesondere der Schneide zu verbessern. Zugleich wird die Beschichtung oder der Formkörper jedoch derart ausgewählt, dass diese keine oder lediglich sehr geringe Reibungskräfte oder thermische Energie übertragen. Beispielsweise kann sich die Beschichtung oder der Formkörper aufgrund der wachsenden Verschleißmarkenbreite in den entsprechenden Abschnitten der Freifläche ohne weiteres auflösen, so dass die darunter liegende Fläche des entsprechenden Bereichs mit dem Werkstück in Kontakt kommt.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

1 ein erfindungsgemäßes Werkzeug in einer perspektivischen Darstellung;

2 das in 1 gezeigte Werkzeug in einer teilweise geschnittenen Draufsicht;

3 das in 2 gezeigte Werkzeug in einer entlang der Linie III-III geschnittenen Ansicht;

4 den zeitlichen Eigenspannungsverlauf des Werkstücks in der Oberfläche bei Verwendung des in 1 gezeigten Werkzeuges sowie eines Werkzeuges nach dem Stand der Technik;

5 den zeitlichen Verlauf der Verschleißmarkenbreite des Werkzeuges bei Verwendung des in 1 gezeigten Werkzeuges sowie eines Werkzeuges nach dem Stand der Technik.

Das erfindungsgemäße Werkzeug 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 3 dargestellt, wobei die 1 eine perspektivische Darstellung, 2 eine vergrößerte Draufsicht und 3 eine entlang der Linie III-III geschnittene Darstellung des jeweils lediglich abschnittsweise gezeigten Werkzeuges 1 zeigt. Als eine wesentliche Größe zur Bestimmung des fortschreitenden Verschleißes dient die Verschleißmarkenbreite VBzul in einer Freifläche 2 als Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug 1 und einem Werkstück 7. Mit der zunehmenden Verschleißmarkenbreite infolge des Werkzeugsverschleißes kann es bei der spanenden Bearbeitung bestimmter Werkstoffe zur Ausprägung von unerwünschten Zugeigenspannungen in der Werkstückrandzone kommen. Die Freifläche 2 des Werkzeuges 1 weist innerhalb der durch die vorbestimmte kritische Verschleißmarkenbreite VBzul festgelegten Grenzen zumindest zwei in verschiedenen Ebenen angeordnete Bereiche 3, 4 auf, wobei der zweite, einer Schneide 5 bzw. einer Spanfläche 8 abgewandte Bereich 4 gegenüber dem ersten, der Schneide 5 benachbarten Bereich 3 zurückspringend verläuft. Die Verschleißmarkenbreite wächst daher bei der Zerspanung in Vorschubrichtung f nicht stetig an. Vielmehr ändert sich die Verschleißmarkenbreite über einen bestimmten Verschleißzeitraum nur geringfügig, bis letztlich bei fortschreitendem Verschleiß die kritische Verschleißmarkenbreite VBzul erreicht wird. Das Werkzeug 1 kann dadurch wesentlich länger eingesetzt werden. Die beiden Bereiche 3, 4 sind dabei durch einen Übergangsbereich 6 mit einem konvexen, stetigen Verlauf verbunden, welcher entsprechend den jeweiligen Einsatzbedingungen, insbesondere auch in Abhängigkeit des ausgewählten Einstellwinkels &kgr; ausgeformt sein kann.

Ergänzend zeigen die 4 und 5 jeweils in einer Diagrammdarstellung den zeitlichen Verlauf der in das Werkstück eingebrachten Eigenspannungen sowie der Verschleißmarkenbreite bei der spanenden Bearbeitung mittels des in 1 gezeigten Werkzeuges 1 einerseits und eines Werkzeuges nach dem Stand der Technik andererseits. Zu erkennen ist der ab Erreichen einer bestimmten Verschleißmarkenbreite entsprechend dem in der 1 gezeigten Übergangsbereich 6 wesentlich verzögerte weitere Anstieg sowohl der Eigenspannungen als auch der Verschleißmarkenbreiten. Die kritische Verschleißmarkenbreite VBzul wird demnach erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt erreicht entsprechend einer zusätzlichen Zerspanzeit t.


Anspruch[de]
Ein zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks bestimmtes Werkzeug (1) mit einer geometrisch bestimmten Schneide (5), welches eine Spanfläche (8) und zumindest eine Freifläche (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Freifläche (2) innerhalb der jeweiligen durch den Bearbeitungsfall vorbestimmten kritischen Verschleißmarkenbreite (VBzul) zumindest zwei in verschiedenen Ebenen angeordnete Bereiche (3, 4) aufweist, wobei der zweite, der Schneide (5) abgewandte Bereich (4) gegenüber dem ersten, der Schneide (5) benachbarten Bereich (3) zurückgesetzt ist. Werkzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) einen die beiden Bereiche (3, 4) verbindenden Übergangsbereich (6) aufweist. Werkzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (6) einen Winkel (&eegr;) von zumindest 10° gegenüber dem ersten Bereich (3) der Freifläche (2) einschließt. Werkzeug (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (6) einen stetigen Verlauf aufweist. Werkzeug (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Ebenen der beiden Bereiche (3, 4) zueinander geneigt verlaufen. Werkzeug (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Ebenen der beiden Bereiche (3, 4) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Werkzeug (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (3) zumindest abschnittsweise konvex und der zweite Bereich (4) zumindest abschnittsweise konkav ausgeführt ist. Werkzeug (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bereiche (3, 4) einer Hauptfreifläche und/oder einer Nebenfreifläche zugeordnet sind. Werkzeug (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der beiden Bereiche (3, 4) eine Beschichtung oder einen Formkörper zur Verbesserung der mechanischen Belastbarkeit aufweist, welcher reibungsmindernde und/oder thermisch isolierende Eigenschaften aufweist.






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