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GEGENSTAND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Schneideinsatz, der in einem
Werkzeughalter anzuordnen ist, um Löcher in Metallen zu bohren.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Schneidwerkzeugeinsatz
mit einer speziellen Geometrie, die eine Spanteilungsnut enthält, welche
mit einem negativen Spanwinkel an der Schneidfläche ausgebildet ist, was eine
erhöhte
Festigkeit und höhere
Zustellgeschwindigkeiten ermöglicht.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bohrsysteme
werden häufig
verwendet, um zylindrische Löcher
in metallischen Werkstücken
herzustellen. Der Schneid- oder Bohrvorgang des Bohrsystems kann
durch ein langgestrecktes, im Wesentlichen zylindrisches Bohrwerkzeug,
wie der Kombination aus einem Werkzeughalter und einem Bohreinsatz,
welcher wahlweise daran angebracht werden kann, ausgeführt werden.
Eine derartige Anordnung kann anschließend bei Einsatzanwendungen verwendet
werden, wobei ein Ende des Werkzeughalters fest in einem Antriebsgerät angeordnet
ist, welches den Halter um dessen Längsachse in Drehung versetzt.
An dem gegenüberliegenden
Ende des langgestreckten Werkzeughalters gelangt der Schneideinsatz
in Eingriff mit dem zu schneidenden Material. Alternativ kann das
Werkstück
relativ gegenüber
dem Halter und dem Schneideinsatz in Rotation versetzt werden, wie
beispielsweise bei der Anordnung des Halters in dem Drehstock einer
Drehmaschine und dergleichen. Weiterhin kann das Werkzeug und das
Werkstück
relativ zueinander in Drehung versetzt werden. Die Verwendung von Schneideinsetzen
ermöglicht
die schnelle Auswechslung des Einsatzes bei Verschleiß der Schneidoberflächen anstelle
des Austausches des gesamten Werkzeuges und erlaubt den Einsatz
eines Werkzeuges für
eine Reihe unterschiedlicher Bohranwendungen durch einfaches Auswechseln
des Einsatzes und nicht der gesamten Bohranordnung.
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Ein
Problem bei den bekannten Schneidwerkzeugen besteht darin, dass
häufig
Verbesserungen an dem Einsatz zur Erhöhung des Schneidwirkungsgrades
ebenfalls die Festigkeit des Einsatzes ändert. Ein Beispiel hierfür ist der
Einsatz von Spanbrechern, welche üblicherweise parallel zu der
Freifläche
an der Rückseite
der Schneidkante ausgebildet werden. Ein üblicher bekannter spatenförmiger Einsatz 2 ist
in Querschnittsansicht, die durch die Mitte eines Spanbrechers 4,
der durch die Schneidkante 6 des Einsatzes 2 ausgebildet
ist, verläuft,
in 1B gezeigt. Hinter der Schneidkante 6 fällt die
Hauptfreifläche 8 in
einem Winkel α aus
der Horizontalen ab. Die Freifläche
verhindert unerwünschten
Kontakt zwischen dem Werkstück
und dem Einsatz 2. Der bekannte Einsatz 2 besitzt
darüber
hinaus eine zweite Freifläche 9,
die in einem Winkel θ aus
der Horizontalen ausgebildet ist, welcher größer ist als der Winkel α, was einen
zusätzlichen
Freiraum schafft. Die doppelt angewinkelten Freiflächen 8, 9 ermöglichen, dass
mehr Material hinter der Schneidkante 6 vorhanden ist als
bei einer Freifläche,
die nur an dem zweiten Freiflächenwinkel θ ausgebildet
ist, und dass mehr Freiraum vorhanden ist, wie er sich durch den Hauptfreiflächenwinkel α ausbildet.
Der Spanbrecher 4 ist an einem Versatzabstand D parallel
zu dem Hauptfreiflächenwinkel α ausgebildet.
Infolge des zweiten Freiflächenwinkels θ durchbricht
der Spanbrecher 4 die Freiflächenoberfläche des Einsatzes 2 am
Punkt P. Obwohl dies nicht dargestellt ist, wird darüber hinaus
ein Ausbrechpunkt P vorhanden sein, wenn der Spanbrecher nicht parallel
zu dem Freiflächenwinkel α ausgebildet
ist, sondern mit einem kleineren Winkel aus der Horizontalen als
der Freiflächenwinkel α nach unten
verläuft.
Obwohl dies ebenfalls nicht gezeigt ist, können sich bekannte Spanbrecher
quer über
die gesamte Breite W des Einsatzes 2 erstrecken. Das Entfernen
von Material über
die Breite des Einsatzes, oder über
einen signifikanten Abschnitt des Einsatzes, kann die Einsatzfestigkeit deutlich
verringern. Dies trifft insbesondere für Einsätze zu, die aus gesinterten
metallischen Hartmaterialien hergestellt sind, welche generell brüchiger sind
als andere Materialien. Übliche
gesinterte Hartmaterialien enthalten Karbit, Cermet, Keramik, monokristalline
und polykristalline Diamanten, Bohrnitrit usw.
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Ein
Bohrwerkzeug mit einem Spanbrecher, wie vorstehend erläutert, ist
in der EP-Patentanmeldung 0 278 288 gezeigt.
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Die
EP-Patentanmeldung 0 508 468 offenbart einen Bohreinsatz mit einem
ersten und einem zweiten Spanbrecher. Diese Spanbrecher sind an
kugelförmigen
Vorsprüngen
ausgebildet, wobei die zweiten Spanbrecher größer sind als die ersten Spanbrecher.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen neuen Bohreinsatz mit Spanbrechern
bereit, die an den Schneidflächen
ausgebildet sind, wie es im Anspruch 1 definiert ist. Die Spanbrecher
erhöhen
den Schneidwirkungsgrad des Werkzeuges, wobei sie gleichzeitig ermöglichen,
die Kantenfestigkeit zu erhöhen.
Der Bohreinsatz der vorliegenden Erfindung ermöglicht höhere Zustellgeschwindigkeiten.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden deutlicher
zutage treten, wie es in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der Zeichnungsfiguren
offenbart ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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Die
Erfindung und die Entwicklungen hiervon werden im Folgenden näher im Wege
des Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beschrieben. Hierbei
ist:
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1A Eine
Draufsicht auf einen bekannten Einsatz mit einem typischen Spanbrecher,
der parallel zu dem Hauptfreiwinkel ausgebildet ist;
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1B Eine
Querschnittsansicht durch den Spanbrecher eines bekannten Einsatzes
mit einem typischen Spanbrecher, der parallel zu dem Hauptfreiwinkel
ausgebildet ist;
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2 Eine
auseinandergezogene Ansicht der Bohrwerkzeuganordnung der vorliegenden
Erfindung;
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3 Eine
teilweise perspektivische Ansicht des Halters im Zusammenhang mit
der in 2 gezeigten Anordnung;
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4A–4E Eine
Reihe von unterschiedlichen Ansichten eines Einsatzes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Spanbrecher, der an einem großen negativen
Spanwinkel ausgebildet ist;
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5A–5E Eine
Reihe unterschiedlicher Ansichten eines Einsatzes gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einem Spanbrecher, der an einem kleinen
negativen Spanwinkel ausgebildet ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird nun auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
Bezug genommen, wobei 2 eine Bohrwerkzeuganordnung
zeigt, die generell mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist.
Die Bohrwerkzeuganordnung 10 weist einen Halter 12 auf,
welcher einen Schaft 14 und einen hierzu gehörenden Kopfabschnitt 16 enthält. Bei
dem bevorzugen Ausführungsbeispiel
besitzt der Halter 12 im Wesentlichen eine zylindrische
Form mit einem ersten Ende 20 und einem zweiten Ende 22,
wobei das zweite Ende 22 und ein Abschnitt des Schaftes 14 dafür vorgesehen
sind, fest in einer Bohrmaschine beim Einsatz fixiert zu werden.
Wie in 3 gezeigt ist, besitzt das erste Ende 20 des
Halters 12 einen Klemm- oder Halteschlitz 30,
welcher sich über
den gesamten Durchmesser des Kopfabschnittes 16 oder zumindest über einen
Mittenabschnitt hiervon an der generellen Stelle der Drehachse 18 des
Halters 12 erstreckt. Der Halterschlitz 30 besitzt
eine Bodenwand 32, die in wesentlich senkrechter Ausrichtung, bezogen
auf die Drehachse 18 des Halters 12, angeordnet
ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
die Anordnung 10 weiterhin einen Ausrichtvorsprung oder
Ausrichtstift 24 besitzen, welcher genau gegenüber der
Achse 18 angeordnet ist und welcher sich von der Bodenwand 32 des
Halterschlitzes 30 aus erstreckt. Der Stift 24 kann
innerhalb eines Loches 26 angeordnet werden, welches sich
nach unten von der Bodenwand 32 des Schlitzes 30 entlang der
Achse 18 des Halterkörpers
in einer Presspassung mit dem Positionierstift 24 erstreckt.
Alternativ kann der Ausrichtvorsprung, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
den Stift 24 enthält,
in einer anderen Weise ausgestaltet sein, um die entsprechende Funktionalität des Stiftes 24 zu
erzielen, beispielsweise als ein einstücki ges Element, welches sich
von der Bodenwand 32 aus erstreckt. Innerhalb des Halterschlitzes 30 ist
ein Bohreinsatz 35 der vorliegenden Erfindung präzise gegenüber dem
Halter 12 positioniert, um die gewünschte Bohrfunktion in Verbindung
mit dem Halter auszuführen.
Wie es nachstehend noch näher
erläutert
werden wird, besitzt der Bohreinsatz 35 der vorliegenden
Erfindung, wie es im Detail in den 4 und 5 gezeigt ist, eine Punktgeometrie, die
eine Vielzahl an Schneidoberflächen
besitzt, welche präzise
gegenüber
der Achse 18 des Halters 12 positioniert sind,
um Fehler während des
Bohrvorgangs bei Einsatz der Anordnung 10 zu minimieren.
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Insbesondere
ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel
des Halters 12 in 3 gezeigt
und kann so ausgestaltet sein, dass an seinem ersten Ende 20 ein
paar Klemmarme 34 vorgesehen sind, welche sich über den
Halterschlitz 30 hinaus erstrecken. Die Klemmarme 34 enthalten
vorzugsweise Öffnungen 36,
welche Schrauben 38 (vgl. 2) aufnehmen,
um den Bohreinsatz 35 in seiner Position innerhalb des
Halterschlitzes 30 zu fixieren. Bei der bevorzugten Ausgestaltung
sind die Löcher 36 mit
einem Gewinde versehen, welches in Eingriff mit den Schrauben 38 gelangt
wobei die Löcher 36 mit Schraubenlöchern fluchten,
die in dem Bohreinsatz 35 in einer vorbestimmten Weise
ausgebildet sind, um den Bohreinsatz in einer vorbestimmten Anordnung
innerhalb des Halterschlitzes 30 präzise anzuordnen, wie es nachstehend
näher erläutert wird.
Jeder der Klemmarme 34 kann darüber hinaus eine Schmiermittelentlüftung 28 aufweisen,
welche die Verwendung und die Strömung eines Schmiermittels benachbart
der Schneidoberflächen
des Bohreinsatzes erlaubt, um den Bohrvorgang zu erleichtern. Die Klemmarme 34 können darüber hinaus
in einem Winkel verlaufende oder gekrümmte Oberflächen aufweisen, welche die
Spanentfernung über
Spanaustragnuten 37 an jeder Seite des Halters 12 erleichtern. Die
Sitzfläche 32 ist
darüber
hinaus in einer Weise dargestellt, dass sie als ebene Oberfläche ausgebildet
ist, welche dem ebenen Bodenabschnitt des bevorzugten Bohreinsatzes 35 entspricht,
obwohl andere Ausgestaltungen der Bodenoberfläche 32 eingesetzt
werden können
und hierin enthalten sind.
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Es
wird nun auf 4A Bezug genommen, in der ein
erstes Ausführungsbeispiel
des Bohreinsatzes 35 gezeigt ist. Der Bohreinsatz 35 kann
als eine spatenförmige
Bohrklinge ausgebildet sein, wobei die Erhebungen oder Seitenkanten 60 des Spatens
im Wesentlichen parallel zu der Drehachse 18 des Halters 12 verlaufen,
wenn der Einsatz 35 in dem Halter 12 eingesetzt
und an diesem angebracht ist. Wenn der Bohreinsatz 35 an
dem Halter 12 angebracht ist, besitzt er ebenfalls eine
Drehachse, welche vorzugsweise koaxial mit der Achse 18 des
Halters 12 verläuft.
Der Bohreinsatz 35 besitzt darüber hinaus eine Breite 61,
welche bei Drehungen mit dem Halter 12 einen Außendurchmesser
des zusammengesetzten Werkzeugs definiert. Der Bohreinsatz 35 besitzt
darüber
hinaus Schneidkanten 64 an seiner oberen Oberfläche in der
Form eines abgestumpften V, wobei die Schneidkanten 64 an
jeder Seite des axialen Mittelpunkts 62 angeordnet sind.
Die Schneidkanten 64 können
eine Reihe an Schneidbestandteilen enthalten, welche zusammenwirken,
um die gewünschte
Schneidoberfläche 64 für den Material- und/oder
Bohreinsatz bereit zu stellen. Im Wesentlichen ist der Einsatz 35 ausgestaltet,
um, wenn er in Drehung versetzt worden ist, in Verbindung mit dem Halter 12 in
einer vorbestimmten Richtung zu schneiden und ist nicht reversibel,
obwohl derartige Gestaltungen dem Fachmann bekannt sind und in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, falls
dies erwünscht
ist. Der Bohreinsatz 35 weist darüber hinaus Öffnungen 70 auf, welche mit
den Öffnungen 36 in
den Klemmarmen 34 zusammenwirken, um den Einsatz 35 innerhalb
des Halterschlitzes 30 und gegen die Sitzfläche 32 zu
fixieren. Darüber
hinaus enthält
der Halter 35 einen Ausrichtschlitz 65, welcher
die Positionierung des Ausrichtstiftes 24 darin ermöglicht.
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Bei
der vorliegenden Erfindung enthalten die Schneidkanten 64 zumindest
einen Spanbrecher oder einen Spanteiler 72, der darauf
ausgebildet ist, wie es in den 4B–4E gezeigt
ist. Im Gegensatz zu bekannten Spanbrechern, die an den Freiwinkeln
unterhalb der Horizontalen ausgebildet sind, ist der Spanteiler 72 an
einem negativen Spanwinkel ψ ausgebildet,
der hier als ein circa 80° aufweisender Winkel,
gemessen gegenüber
der Vertikalen gezeigt ist. Der Spanwinkel ist im Wesentlichen als
der Winkel des Werkzeuges gegenüber
der Schneidrichtung definiert. Wie am besten aus 1 entnehmbar
ist, ist ein negativer Spanwinkel jeder Winkel ϕ zwischen der
Horizontalen (die in den Freiwinkel übergeht) und links der Schneidkantenvertikalen
(neutrale Schneidwinkel) und ein positiver Spanwinkel ist jeder
Winkel λ zwischen
der Horizontalen und rechts der Vertikalen (neutraler Schneidwinkel).
Der Spanteiler 72 wirkt als Ausnehmungsabschnitt entlang
der Schneidkante 64 so, dass der Spanteiler 72 die
lineare Oberfläche der
Schneidkante 64 unterbricht. Der Spanteiler 72 ist
am besten aus 4D entnehmbar und ist v-förmig ausgebildet
mit einem Radius an dem tiefsten Punkt 74. Wie vorstehend
erwähnt,
sind die bekannten Spanbrecher im Wesentlichen an einem Freiwinkel
in der Weise ausgebildet, dass nur die Spanbrecheroberflächen an
der Schneidkante in der Lage sind, das Werkstück zu schneiden. Bei der vorliegenden
Erfindung ist der Spanteiler 72 an einem negativen Spanwinkel ψ in der
Weise ausgebildet, dass nicht nur die Spanteileroberflächen an
der Schneidkante in der Lage sind, das Werkstück zu schneiden, sondern die
Kanten des Spanteilers, die an der Freifläche ausgebildet sind, ebenfalls
das Werkstück
schneiden.
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Jeder
Spanbrecher 72 ist mit einem unterschiedlichen Radialabstand
X, Y entlang der Schneidfläche 64 von
dem mittleren Totpunkt 62 des Einsatzes 35 aus
angeordnet. Dies ermöglicht,
dass Material, welches von einem Spanteiler 72 an einer Seite
des Einsatzes 35 übrig
geblieben ist, bei dem nächsten
Durchgang der Schneidfläche 64 an
der gegenüberliegenden
Seite des Einsatzes 35 entfernt zu werden. Die Ausbildung
des Spanteilers 72 ist direkt auf die Zustellrate bzw.
Zustellgeschwindigkeit des Werkzeuges bezogen. Um das Teilen der
Späne zu unterstützen, ist
es wünschenswert,
dass die Tiefe Z des Spanteilers 72 (wie am besten in 4D gezeigt)
größer ist
als die Zustellrate des Werkzeuges. Dies stellt sicher, dass zumindest
der tiefste Punkt 74 des Spanteilers 72 an jeder
Seite des Einsatzes 35 jedes Metall während seines Durchganges entfernt, was
ein diskontinuierliches Ergebnis bei kleineren Spänen entlang
der Schneidfläche 64 erzeugt.
Die Seiten des Spanteilers 72, die in Richtung des tiefsten
Punktes 74 führen,
bilden eine Schneidkante, welche die Enden der Späne, die
an beiden Seiten der Vertiefung 74 während der Schneidvorgänge ausgebildet
werden, schneidet. Wenn die Tiefe Z des Spanteilers 72 kleiner
ist als die Zustellgeschwindigkeit des Werkzeuges, wird die gesamte
Schneidfläche 64 inklusive
des Spanteilers 72 Material entfernen, wodurch ein langer
kontinuierlicher Span hervorgerufen wird, der quer über die
Schneidfläche 64 ausgebildet
ist.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
das am besten in 5D gezeigt ist, wird der Spanteiler 72' mit einem kleinen
negativen Spanwinkel δ ausgebildet,
der hierbei in einem Winkel von circa 20°, gemessen gegenüber der
Vertikalen gezeigt ist. Der Spanteiler 72' ist darüber hinaus als vollständiger Radius
mit ei ner Apextiefe Z ausgebildet. Wenn der Spanteiler 72' mit einem derartigen
negativen Spanwinkel δ ausgebildet
ist, ist der Vorgang der Spanteilungsbildung unterschiedlich gegenüber dem
vorstehend erläuterten
Ausführungsbeispiel.
Mit der Apextiefe Z, die geringer ist, schneidet der Spanteiler 72' entlang seines
gesamten Profils in der Weise, dass der gesamte Spanteiler eine
Schneidkante ausbildet. Daher teilt der Spanteiler 72' die Späne mehr
in Folge einer übermäßigen Materialverformungsgeschwindigkeit,
die innerhalb des Spanteilers durch die Spanteilerbeschränkungen
erzeugt wird, als durch eine Diskontinuität der Schneidkante 64.
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Es
ist zu bemerken, dass die Spanteiler 72, 72' mit unterschiedlichen
Querschnittsformen ausgebildet werden können und nicht auf einen besonderen
Querschnitt, der hier gezeigt ist, beschränkt sind. Darüber hinaus
ist zu bemerken, dass die Spanteiler 72, 72' bei jedem negativen
Spanwinkel ausgebildet werden können
und nicht auf die Beispiele von 20° und 80°, die hier dargestellt sind,
beschränkt
sind, obwohl eine Präferenz
für Winkel
im Bereich von 10° bis
30° und
65° bis
85° besteht.
Während
ein negativer Winkel typischerweise mehr mit der Verformung eines
Metalls als mit dem Schneiden durch Scherung verbunden ist, wird
bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen,
die hier gezeigt sind, die Spanteiler 72, 72' an hohen Positionen
unterhalb oder oberhalb der Mittenlinie in der Weise ausgebildet,
dass sie hinsichtlich der Scherung des Metalls mit einem effektiveren
positiven Spanwinkel wirken.
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Der
Einsatz der Spanteiler 72, 72' ermöglicht eine höhere Kantenbeanspruchung
entlang kritischer Ecken des Einsatzes 35 im Vergleich
zu den bekannten Spanbrechern, welche üblicherweise normal an der
Schneidkante ausgebildet werden und in der Weise, dass die Spanbrechernuten
sich über
die gesamte Breite des Einsatzes erstrecken. Diese bekannte Praxis
entfernt einen beträchtlichen
Betrag des Materials und erzeugt scharfe Kanten, welche ein hohes
Potential an Beanspruchungsschwachpunkten bildet. Spanteiler 72, 72' sind in der
Weise winklig ausgebildet, dass ihre Tiefe mit dem Abstand von der
Schneidkante 64 abnimmt und im Wesentlichen verschwindet,
bevor der Mittelpunkt der Einsatzbreite erreicht wird. Erhöhte Materialbeanspruchung
verstärkt
die Schneidkante. Das Entfernen und/oder Festigen von Ecken erhöht darüber hinaus die
Festigkeit der Schneidkante 64 und des Einsatzes 35 im
Allgemeinen. Während
negative Spanwinkel der Spanteiler 72, 72' die Werkzeugkräfte erhöhen können, wird
dieser geringfügige
Nachteil durch die hinzugefügte
Unterstützung
der Schneidkante beseitigt. Diese Faktoren kombinieren bei dem Einsatz 35, 35' der vorliegenden
Erfindung, dass höhere Zustellraten,
eine höhere
Eindringtiefe, höhere
Drehzahlen und eine längere
Lebensdauer erreicht werden können.
Die Spanteiler 72, 72' verringern die Spanbreite, was
die Entfernung der Späne
aus dem Bohrloch erleichtert.
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Die
Spanteiler sind gezeigt mit einem Einsatz, der eine selbstzentrierende
Ausgestaltung besitzt, wie es am besten in den 4E und 5E gezeigt
ist, wobei ein vierfacettiger Mittelpunkt 68 auf einem
Bohreinsatz 35, 35' gezeigt
ist. Der Mittelpunkt 68 ist durch eine diagonale Freischneidkante 76 gebildet,
welche sich über
dem Mittelpunkt 62 der Spitze 68 von jeder vorderen
Kante erstreckt. Die diagonale Freischnitt 76 erhöht die Festigkeit
des Einsatzes 35 durch Entfernen geringeres Materials als
eine Freischnittkante, die parallel zu der Schneidfläche 64 ausgebildet
ist, wie dies bei den bekannten Einsätzen der Fall ist. Es ist zu
bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz derartiger
Konfiguration beschränkt
ist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend in Detail erläutert worden
ist, ist dies nur zur Illustration im Wege eines Beispiels geschehen
und wird nicht als Beschränkung
der Erfindung verstanden. Demzufolge wird der Umfang und der Inhalt
der vorliegenden Erfindung nur durch die Ausdrücke der angehängten Ansprüche definiert.