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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Schaftfräser
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und ein Schneidverfahren unter Verwendung des Schaftfräsers und
insbesondere ein Schneidverfahren unter Verwendung eines Kugelschaftfräsers und eines
Radiusschaftfräsers.
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Im Allgemeinen ist ein Schaftfräser auf
einer Hauptspindel eines NC-Frässystems,
wie z. B. eines Fräszentrums
montiert, und wird verwendet, um eine Oberfläche mit einer dreidimensionalen
komplizierten Gestalt zu erzeugen, wie z. B. eine Oberfläche eines
Metallformwerkzeugs. Der Schaftfräser ist eine Art eines Frässchneidwerkzeugs.
Von den Schaftfräsern
weisen ein Kugelschaftfräser
und ein Radiusschaftfräser
Zähne an
einem vorderen Spitzenende in einer Weise auf, dass sie sich kontinuierlich
von einer äußeren Umfangsfläche desselben
zu einem spitzen Ende erstrecken, und dass das Spitzenende auch
als Schneidende dient.
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Schaftfräser dieser Art werden grob
in einen festen Kugelschaftfräser,
der aus einem einzelnen einstückigen
Werkzeug aus einem Schaft und Zähnen
besteht, und in ein Werkzeug mit befestigter Spitze eingeteilt,
bei dem eine Spitze, auf der Zähne
ausgebildet sind, an einen Werkzeugkörper gelötet oder geschraubt ist.
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Herkömmliche Kugelschaftfräser oder
Radiusschaftfräser
weisen jedoch die nachstehend erläuterten Probleme auf:
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Da die Schneidgeschwindigkeit in
der Nähe des
Drehzentrums des Spitzenendes im Wesentlichen null ist, besteht
ein Risiko, dass keine gute Schneidleistung vorliegt und eine Arbeitsoberfläche verkratzt
oder abgelöst
werden kann.
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Ferner ist der Abstand der Schneidzähne in der
Nähe des
Drehzentrums des Spitzenendes verkleinert und es besteht ein Risiko
dahingehend, dass Späne
nicht gut entfernt werden und eine Arbeitsoberfläche beschädigt wird.
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Ferner ist der feste Schaftfräser teuer,
da dieses Werkzeug als ganzes aus einem seltenen Material hergestellt
ist. Außerdem
besteht ein Raum zur Verbesserung bei den Einsparungen des verwendeten
Materials.
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Ferner sind bei einem Schaftfräser mit
fixierter Spitze beispielsweise mehrere Spitzen an dem Werkzeugkörper montiert
und werden mit hohen Geschwindigkeiten gedreht, was zu einer Variation
bei der Montagegenauigkeit des Spitzenendes sowie bei der Formgebungsgenauigkeit
der Spitze selbst führt, was
einen sehr nachteiligen Effekt auf die Fräsgenauigkeit ausübt.
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Der Kugelschaftfräser mit fixierter Spitze ist größer und
es besteht eine Beschränkung
im Hinblick auf die Drehzahl und somit eine inhärente Beschränkung bezüglich des
Bereichs, in dem gefräst
wird.
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Die
DE 195 11 551 A1 beschreibt einen Schaftfräser gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um
die Nachteile eines herkömmlichen
Schaftfräsers auszuschließen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schaftfräser gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren gemäß Anspruch
12 gelöst.
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Weiterentwicklungen der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Andere Merkmale und Vorteile ergeben
sich durch die Bezugnahme auf die Ausführungsformen 1 bis 8,
die nachstehend als Beispiele eines Schaftfräsers detaillierter beschrieben
werden, der zum Verständnis
der vorliegenden Erfindung nützlich
ist, wobei die sechste Ausführungsform
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
ist.
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Die Erfindung kann mittels der nachstehenden
detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
besser verstanden werden, wobei
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1 eine
Vorderansicht, teilweise im Querschnitt, ist, die eine erste Ausführungsform
zeigt;
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2 eine
Seitenansicht ist, welche die erste Ausführungsform zeigt;
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die 3A bis 3C jeweils eine praktische Form
eines Kopfes der Ausführungsform
zeigen;
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4 eine
erläuternde
Ansicht ist, die einen Zustand zeigt, bei dem die Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
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die 5A und 5B jeweils eine praktische Form
eines Kopfes in einer zweiten Ausführungsform zeigen;
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6 eine
Vorderansicht ist, die eine dritte Ausführungsform zeigt;
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7 eine
Seitenansicht ist, die einen Kopf in einer vierten Ausführungsform
zeigt;
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8 eine
Querschnittsansicht ist, die einen Kopf in einer fünften Ausführungsform
zeigt;
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9 eine
Querschnittsansicht ist, die einen Kopf in einer sechsten Ausführungsform
zeigt, bei der es sich um eine erfindungsgemäße Ausführungsform handelt;
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10 eine
Vorderansicht, teilweise im Querschnitt, ist, die eine siebte Ausführungsform zeigt;
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11 eine
Vorderansicht, teilweise im Querschnitt, ist, die eine achte Ausführungsform zeigt;
und
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12 eine
Vorderansicht ist, die eine Variante des Kopfes zeigt.
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Nachstehend wird eine erste Ausführungsform
beschrieben.
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Der in 1 gezeigte
Kugelschaftfräser
umfasst einen zylindrischen Schaft 1, der abnehmbar auf
einer Hauptspindel beispielsweise eines Fräszentrums montiert ist, und
einen Fräskopf 6,
der an einem vorderen Ende des Schafts 1 montiert ist.
Die 1 und 2 zeigen jeweils einen kombinierten
Zustand des Kopfs 6 und des Schafts 1 und die 3A bis 3C zeigen nur den Kopf 6.
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Wie es in den 1 und 2 gezeigt
ist, weist der Schaft 1 einen axial hindurch tretenden
Kühlmitteldurchgang 2 an
zwei geeigneten Stellen in der Richtung seines Durchmessers auf.
Ferner sind in einer vorderen Endfläche des Schafts 1 ein
Querkeilsitz 3 und eine zylindrische Ausnehmung 4 bereitgestellt,
so dass eine Ausrichtung mit dem Kopf 6 stattfindet, der
auf dem Schaft 1 montiert ist.
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Wie es durch die gestrichelten Linien
in 2 gezeigt ist, ist
der Querkeilsitz 3 in der Durchmesserrichtung des Schaftelements 1 bereitgestellt und
weist eine vorbestimmte Breite auf. Durch den Querkeilsitz 3 werden
das Schaftelement 1 und der Kopf 6 davor bewahrt,
dass sie sich relativ zueinander drehen. Die zylindrische Ausnehmung 4 ist
koaxial mit der Mittelachse des Schafts 1 bereitgestellt und
definiert eine kreisförmige
Ausnehmung, die einen geringeren Durchmesser aufweist als der Querkeilsitz 3 und
die tiefer ist als der Querkeilsitz 3. Die zylindrische
Ausnehmung 4 richtet die Achse des Kopfs 6 mit
der Achse des Schafts 1 aus. Ein Schraubenloch 5 ist
in einer Bodenflächenwand
der zylindrischen Ausnehmung 4 geöffnet und erstreckt sich entlang
der Drehzentrumachse des Schafts 1. Der Schaft 1 ist
z. B. eine vergütete
Stahllegierung, wie z. B. ein SCM 440-Stahl (gemäß dem japanischen Industriestandard).
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Der Kopf 6 umfasst einen
integralen Komponententeil aus einem ultraharten Werkzeugmaterial, wie
z. B. einer Hartmetalllegierung. Wie es in 3A und 3B gezeigt
ist, weist der Kopf 6 eine Mehrzahl von Kugelzähnen 7 auf,
die in einem vorbestimmten Abstand entlang einer Umfangsrichtung
bereitgestellt sind. Die Kugelzähne 7 sind
vom geraden Typ und nicht von einem verdrehten Typ, und, wie es
in 3C gezeigt ist, derart,
dass sie einen Kreisbogen mit einem vorbestimmten Radius um einen
Mittelpunkt A auf einer Drehzentrumachse beschreiben.
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Wie es ferner in 3C gezeigt ist, ist auf der Drehzentrumachse
des Kopfs 6 ein abgestuftes Schraubenloch 10 ausgebildet,
wobei dessen Seite mit dem größeren Durchmesserabschnitt 10a auf
der Seite der Spitzenendfläche
der Kugelzähne 7 geöffnet ist.
Der Durchmesser des Abschnitts 10a mit dem großen Durchmesser
ist so festgelegt, das ein Winkel α zwischen einer Kante B des
Abschnitts 10a mit dem großen Durchmesser und dem Mittelpunkt A auf der
Drehzentrumachse der Kugelzähne
10° bis
90°, mehr
bevorzugt 20° bis
45°, beträgt. In der
vorliegenden Ausführungsform
ist der Winkel α so
ausgebildet, dass er einen Winkel von 41° definiert.
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Ferner sind auf einer Rückseite
des Kopfs 6 ein Querkeil 8, der in dem Querkeilsitz 3 des
Schafts 1 eingepasst ist, und ein Vorsprung 9 des
Kopfs 6 bereitgestellt, der in die zylindrische Ausnehmung 4 des Schafts 1 eingepasst
ist, um den Kopf 6 mit dem Schaft 1 auszurichten.
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In dem Kopf 6 sind Kühlmittellöcher 16 so
bereitgestellt, dass sie mit den Kühlmitteldurchgängen 2 in
dem Schaft 1 in Verbindung stehen. Die Kühlmittellöcher 16 sind
in den zwischen den Kugelzähnen 7 definierten
Spitzentaschen 12 geöffnet.
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Wenn der Kopf 6 an dem Schaft 1 montiert werden
soll, dann wird der Vorsprung 9 des Kopfs 6 mit
der Ausnehmung 4 in dem vorderen Endabschnitt des Schafts 1 ausgerichtet,
und der Kopf 6 und der Schaft 1 werden relativ
zu der Position des Querkeils 8 bezogen auf den Querkeilsitz 3 gedreht.
In diesem Zustand ist der Kopf 6 an dem Schaft 1 befestigt.
Der Vorsprung 9 und die Ausnehmung 4 können eine
kurze Verjüngung
aufweisen.
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Nachdem auf diese Weise der Kopf 6 genau mit
dem Schaft 1 ausgerichtet und daran befestigt ist, wird
eine mit einem sechseckigen Kopf ausgestattete Schraube 13 über den
Abschnitt 10a mit dem großen Durchmesser des Schraubenlochs 10 in
den Kopf 6 in das Schraubenloch 5 in den Schaft 1 eingesetzt, wie
es in 1 gezeigt ist.
In einem Zustand, bei dem der Kopf 6 vollständig in
den Schaft 1 geschraubt worden ist, wird der Kopf 13a der
Schraube 13 an dem Schraubenloch 10 des Kopfs 6 in
einem zurückgezogenen
Zustand platziert, wie es in 1 gezeigt
ist, d. h. in einen Zustand, bei dem der Kopf 13a der Schraube 13 vollständig im
Kopf 6 des Kugelschaftfräsers versenkt ist. Es sollte
beachtet werden, dass die Schraube 13 derart in einer Richtung mit
einem Gewinde versehen ist, dass sie durch die Drehung des Kugelschaftfräsers angezogen
wird. Wenn der Kugelschaftfräser
beispielsweise nach rechts gedreht wird, dann wird eine rechtsgängige Schraube
verwendet.
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Im Gebrauch ist bei dem so strukturierten Kugelschaftfräser ein
hinterer Endabschnitt seines Schafts 1 an der Hauptspindel
zum Beispiel eines Fräszentrums
fixiert (3-, 4- oder 5-Achsengesteuertes Fräszentrum). 4 zeigt einen Zustand, bei dem unter
Verwendung dieses Kugelschaftfräsers geschnitten
wird. Wenn auf dem Fräszentrum
geschnitten wird, dann wird die Programmierung so durchgeführt, dass
die Mittelachse des Kugelschaftfräsers in einem Winkel Beta relativ
zu einer Schneidfläche
einschließlich
eines Schneipunktes Q gekippt ist. In dieser Figur ist
unter Verwendung eines imaginären
Scheitelpunktes P auf dem Spitzenende des Kugelschaftfräsers aus
Gründen
der Zweckmäßigkeit
der Winkel (3 zwischen einer senkrechten Linie am Scheitelpunkt P und
der Mittelachse des Kugelschaftfräsers in einem Winkel von mehr
als 1/2 des vorstehend genannten Winkels α eingestellt, d. h. in einem
Winkel von etwa 5° ≤ β ≤ 90° vorzugsweise
in einem Winkel von 10° ≤ β ≤ 90°. In dieser
Ausführungsform
ist der verwendete Kippwinkel 10°.
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Es sollte beachtet werden, dass ein
NC-Programm eingesetzt werden kann, bei dem anstelle des Kreuzungspunkts P der
Schneipunkt Q verwendet wird. Der Unterschied zwischen
diesen Punkten ist gering und die Verwendung dieser Punkte verursacht keine
wesentlichen Schwierigkeiten.
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Einer der Vorteile des so konstruierten
Kugelschaftfräsers
besteht darin, dass eine Vertiefung (10a) in der Nähe des Mittelbereichs
eines Spitzenendes des Kopfs 6 bereitgestellt ist, das eine
geringere Schneidleistung erfordert, und die Schraube 13 kann
unter Verwendung dieses Bereichs fixiert werden.
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D. h., das Schaftelement 1 und
der Kopf 6 können
als separate Komponententeile hergestellt und mit einer einzelnen
Schraube 13 aneinander fixiert werden. Da auf diese Weise
nur der Kopf 1 aus einem teuren Material hergestellt werden
muss, wird die Materialausbeute verbessert.
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Ferner kann der Kopf 6 an
den Schaft 1 mit der an der Drehzentrumachse bereitgestellten
einzelnen Schraube 13 fixiert werden, wodurch es möglich ist,
einen Kugelschaftfräser
mit einem geringeren Durchmesser zu erhalten. Dies stellt eine bessere Ausgewogenheit
des Werkzeugs und somit ein Hochgeschwindigkeitsschneiden sicher.
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In einem herkömmlichen Kugelschaftfräser ist
es sehr schwierig, Kugelzähne
in der Nähe
eines Drehzentrums herzustellen. In der vorliegenden Erfindung wird
an dem Steuerbereich des Werkzeugs ein Raum erzeugt und es ist einfacher,
Kugelzähne 7 auszubilden.
Darüber
hinaus können
viele Kugelzähne 7 in
einer dichteren und näher
beieinander liegenden Weise bereitgestellt werden, wodurch die Schneidleistung
verbessert wird.
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Ferner ist es durch die Bereitstellung
der Kühlmitteldurchgänge 2 und 16 in
dem Kugelschaftfräser
möglich,
ein Kühlmittel
vom Inneren des Werkzeugs direkt an die Schneidkanten zuzuführen, und zwar
im Vergleich zu einer gewöhnlichen
Struktur, bei der ein Kühlmittel
von außen
zugeführt
wird, wodurch der erfindungsgemäße Schaftfräsen einen
großen Vorteil
aufweist.
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Obwohl in der vorstehend genannten
Ausführungsform
sechs gerade Kanten als Kugelzähne 7 bereitgestellt
sind, können
stattdessen auch verdrehte Zähne
bereitgestellt werden und deren Anzahl ist nicht auf sechs beschränkt.
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Obwohl in der vorstehend genannten
Ausführungsform
als ultrahartes Werkzeugmaterial die Hartmetalllegierung verwendet
wird, kann bzw. können
auch ein Sinterkörper,
Keramiken und beschichtete, ultraharte Legierungen verwendet werden.
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Die 5A und 5B zeigen eine zweite Ausführungsform,
wobei zur Bezeichnung von Teilen oder Elementen, die denjenigen
in den 3A bis 3C entsprechen, die gleichen
Bezugszeichen verwendet werden, und nur die verschiedenen Teile
oder Elemente erläutert
werden.
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In der zweiten Ausführungsform
ist der Kopf 6, der aus einem ultraharten Werkzeugmaterial
hergestellt ist, von einem Typ, bei dem ein abgestufter Schneidabschnitt
an den Bereichen bereitgestellt ist, die den Kugelzähnen 7 entsprechen,
und in diesem Fall ist eine ultrahochdruckgesinterte Spitze 14,
wie z. B. ein Sinterdiamant, an dem abgestuften Schneidstück bereitgestellt,
um Kugelzähne 11 bereitzustellen.
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Wenn die Kugelzähne eine derartige Struktur aufweisen,
können
diese sehr effizient in einem Hochgeschwindigkeitsschneidbereich
eingesetzt werden, bei dem die Eigenschaften des ultrahochdruckgesinterten
Spitzenendes 14 verwendet werden.
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6 zeigt
eine dritte Ausführungsform,
wobei zur Bezeichnung von Teilen oder Elementen, die denjenigen
in der 1 entsprechen,
die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, und nur die verschiedenen
Teile oder Elemente erläutert
werden.
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In der dritten Ausführungsform
ist ein Durchmesser d eines Schafts 1 so ausgebildet,
dass er kleiner ist als ein Durchmesser D eines Kopfs 6,
wie es in 6 gezeigt
ist.
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Diese Struktur stellt ein geringeres
Risiko der Störung
zwischen einem Werkstück
und dem Schaft 1 und einen leichter einzusetzenden Kugelschaftfräser bereit.
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7 zeigt
eine vierte Ausführungsform,
wobei zur Bezeichnung von Teilen oder Elementen, die denjenigen
in der 2 entsprechen,
die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, und nur die verschiedenen
Teile oder Elemente erläutert
werden.
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In der vierten Ausführungsform
ist ein Kugelschaftfräser
von einem Typ, bei dem ein Kühlmitteldurchgang 17 durch
einen Kopf 6, eine mit einem sechseckigen Kopf ausgestattete
Schraube 13 und die Mittelachse eines Schafts 1 hindurchtritt.
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Diese Struktur stellt eine bessere
Drehausgewogenheit eines resultierenden Werkzeugs und somit eine
geeignete Anwendung für
eine Hochgeschwindigkeitsdrehung sicher.
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8 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform, wobei
zur Bezeichnung von Teilen oder Elementen, die denjenigen in der 3C entsprechen, die gleichen
Bezugszeichen verwendet werden, und nur die verschiedenen Teile
oder Elemente erläutert
werden.
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In der fünften Ausführungsform ist ein Kugelschaftfräser von
einem Typ, bei dem der Vorsprung 9 des Kopfs 6 und
die Ausnehmung 4 des Schaftelements 1 in der ersten Ausführungsform
jeweils durch eine Ausnehmung 9' des Kopfs und des Vorsprungs (nicht
gezeigt) eines Schafts 1 ersetzt sind. Ferner ist die fünfte Ausführungsform
nicht mit einem Querkeil und einem Querkeilsitz ausgestattet.
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Das so strukturierte Kopfelement 6 ist
eine kompakte Einheit mit geringem Gewicht und ein seltenes Material,
aus dem der Kopf hergestellt ist, kann besser eingespart werden,
als dies sonst der Fall ist.
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9 zeigt
eine sechste Ausführungsform, die
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
ist. In 9 werden zur
Bezeichnung von Teilen oder Elementen, die denjenigen in der 3C entsprechen, die gleichen
Bezugszeichen verwendet, und aus Gründen der Kürze werden nur die verschiedenen Teile
oder Elemente erläutert.
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Der Kopf der sechsten Ausführungsform
ist so ausgebildet, dass er im Wesentlichen eine Kugelform aufweist.
Der Kopf weist gegenseitig kontinuierliche Kugelzähne 7a und 7b an
gegenüberliegenden Enden
auf. Ein Schraubenloch 10 weist an seinen gegenüberliegenden
Enden Abschnitte 10a und 10b mit großem Durchmesser
auf. Einer dieser Abschnitte 10b mit großem Durchmesser
hat die gleiche Funktion wie die Ausnehmung 9' von B.
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Gemäß einer solchen Struktur können die gegenseitig
kontinuierlichen Kugelzähne 7a und 7b auf
dem Schaftelement 1 montiert werden und ein Schneiden kann
an jeder Seite durchgeführt
werden. Ferner ist es bevorzugt, dass der Durchmesser des Schafts 1 mit
dem darauf montierten Kopf 6 kleiner ist als der Außendurchmesser
des Kopfs 6, so dass die Kugelzähne 7a (7b)
in einem breiteren Bereich verwendet werden können.
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10 zeigt
eine siebte Ausführungsform.
In 10 werden zur Bezeichnung
von Teilen oder Elementen, die denjenigen in der 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen
verwendet, und aus Gründen
der Kürze
werden nur die verschiedenen Teile oder Elemente erläutert.
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In der siebten Ausführungsform
wird eine Schraube 13' mit einer Länge verwendet, die im Wesentlichen
der gesamten Länge
eines Schaftelements 1 entspricht. Ferner weist der Schaft 1 ein Durchgangsloch 5 über seine
gesamte Länge
auf und ein Innengewindeabschnitt 15 ist in dem anderen Endabschnitt
des Durchgangslochs 5 bereitgestellt, wobei die Schraube 13' darin
eingeschraubt ist. Ferner ist die Schraube 13' vom vorderen
Ende des Kopfs 6 eingesetzt und in dem Innengewindeabschnitt 15 in
dem anderen Endabschnitt des Schafts 1 eingeschraubt, so
dass der Kopf 6 an dem Schaft 1 fixiert ist. In
der Schraube 13' ist ein Kühlmitteldurchgang 2' bereitgestellt
und durch den Kühlmitteldurchgang 2' wird
ein Kühlmittel
zu einer Schneidfläche
zugeführt.
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Gemäß dieser Struktur werden durch
Anziehen der Schraube 13' im Innengewindeabschnitt das vordere
Ende des Kopfs 6 und der andere Endabschnitt (15)
des Schafts 1 in einer gegenseitig gespannten Richtung
aufeinander zugezogen, wodurch eine Druckkraft entlang einer axialen
Richtung auf den Kugelschaftfräser
wirkt, so dass dem Kugelschaftfräser
eine verbesserte Steifigkeit verliehen wird. Es sollte beachtet
werden, dass selbst dann, wenn der Schaftfräsen von einem Typ ist, der
eine integrale Einheit aus einem Schaft 1' und einem Kopf 6' aufweist
(wie es in 11 gezeigt
ist), die Verwendung der Schraube 13' den Kugelschaftfräser mit
einer verbesserten Steifigkeit ausstattet.
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In einer solchen Struktur kann ein
Kühlmittel auf
die gleiche Weise wie in der vierten Ausführungsform einem Kopf 6 zugeführt werden
und es kann ein Kugelschaftfräser
erhalten werden, der eine gut ausgewogene Drehung sicherstellt.
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11 zeigt
eine achte Ausführungsform.
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Ein Kugelschaftfräser dieser Ausführungsform
weist eine integrale Einheit aus einem Schaft 1' und einem
Kopf 6' auf, wobei sich ein Kühlmitteldurchgang 2'' dadurch
entlang dessen Drehachse erstreckt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht
auf die vorstehend genannte sechste Ausführungsform beschränkt und
es können
verschiedene Änderungen oder
Modifizierungen durchgeführt
werden, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise müssen
die Schneidzähne 7 des
Kopfs 6 nicht so definiert sein, dass sie einen Kreisbogen
mit einem Punkt A als Ursprung aufweisen, wie es in 3C gezeigt ist, und sie
können
von einem Typ sein, dass sie Kreisbögen aufweisen, von denen einer
einen Punkt A1 als Ursprung und der andere einen Punkt A2 als
Ursprung hat, wie es in 12 gezeigt
ist. Diese Art von Schaftfräsen
mit Schneidzähnen 7',
wie sie in 12 gezeigt
ist, wird als Radiusschaftfräser
bezeichnet.