WO2011006479A1 - Werkzeug und verfahren zum herstellen eines werkzeugs - Google Patents

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Thorsten Kirchner
Lars Heinzinger
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B31/00—Chucks; Expansion mandrels; Adaptations thereof for remote control
    • B23B31/005—Cylindrical shanks of tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/28—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass cutting tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2260/00—Details of constructional elements
    • B23B2260/092—Lasers

Definitions

  • the present invention relates to a tool with a shank, in particular a milling tool or a drilling tool, and to a method for producing such a tool with a shank.
  • the shanks of different tools can be releasably secured in a tool holder. Friction or frictional connection forces and moments are transmitted between the tool holder and the shank of the tool. These forces and moments are required in particular for machining a workpiece or occur at least during the machining of a workpiece by means of the tool.
  • the shank of the tool slips or slides in the tool holder.
  • the tool can get stuck in the workpiece and be pulled out of the tool holder.
  • the quality of the work result for example the dimensional accuracy of the machined workpiece or the quality of a generated surface, can be affected by any type of slippage or slippage of the shank of the tool in the tool holder.
  • the shank of the tool has already been irradiated with granules and thus roughened. However, this will damage the surface of the shaft.
  • An object of the present invention is to provide a tool with a shank and a method of manufacturing a tool that allow for improved attachment of the tool in a tool holder. This object is solved by the subject matters of the independent claims. Further developments are specified in the dependent claims. !
  • Various embodiments of the present invention are based on the idea of structuring at least one surface section on a shank of a tool by means of a laser.
  • a very fast and at the same time fine, uniform and reproducible structuring of the tool shank is possible.
  • uneven material removal and resulting concentricity problems can be reliably avoided.
  • damage to the surface can be minimized or prevented by the laser treatment.
  • the structuring is carried out by thermal or non-thermal laser ablation.
  • the laser structured surface may have a periodic pattern in one or two dimensions.
  • the pattern may include periodically repeated diamonds, rectangles, straight or curved lines, sinusoidal or straight line wavy lines, or a herringbone pattern.
  • the laser-structured surface has a non-periodic pattern.
  • the tool is for example a milling tool or a drilling tool with a shaft for releasable attachment in a tool holder, in particular a chuck or a collet chuck.
  • the laser structuring of the surface section makes it possible to uniformly and reproducibly increase the roughness of the surface section and to increase the frictional force between the tool and a tool holder. the. Due to the high precision and reproducibility of the laser structuring, for example, concentricity properties of the tool are not influenced.
  • Figure 1 is a schematic representation of a tool
  • Figure 2 is a schematic representation of a structured surface portion
  • Figure 3 is a schematic representation of a structured surface portion
  • Figure 4 is a schematic representation of a structured surface portion
  • Figure 5 is a schematic representation of a structured surface portion
  • Figure 6 is a schematic representation of a structured surface portion
  • FIG. 7 shows a schematic flow diagram of a method for producing a
  • Figure 1 shows a schematic representation of a tool 10 with a plurality of cutting edges 12 and a cylindrical or substantially cylindrical shaft 20.
  • the tool 10 is for example a milling tool or a drilling tool.
  • the shaft 20 is usually circular cylindrical or at least substantially circular cylindrical.
  • the shaft 20 has a laser-structured surface section 30.
  • the laser-structured surface portion 30 can the shaft 20 circumferentially whole or partially or consist of several contiguous or non-contiguous subsections.
  • the laser-structured surface portion 30 may have a periodic pattern in one or two dimensions. Examples are explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 6. In each of FIGS. 2 to 6, a plane development of the surface portion 30 or a section thereof is illustrated.
  • Figure 2 shows a pattern 40 of a periodic arrangement of diamonds 41 in two dimensions.
  • the diamonds 41 are square and border each other with their tips. Alternatively, the diamonds 41 may be spaced from each other.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a pattern 40 of wavy lines 42.
  • each individual wavy line 42 is sinusoidal or consists of several straight lines.
  • the entire pattern 40 comprises a periodic arrangement of identical or similar wavy lines 42.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a pattern 40 with a periodic arrangement of rectangles 43.
  • the rectangles 43 are arranged in a plurality of periodically arranged columns. Within each column, the rectangles 43 are also arranged periodically. Adjacent rectangles 43 are spaced from each other. Alternatively, the rectangles 43 may adjoin one another at their corners, for example, similar to the rhombuses shown above with reference to FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a pattern 40 having a plurality of periodically arranged straight lines 44.
  • the pattern 40 may comprise a plurality of groups of straight lines 44.
  • the individual straight lines 44 can be arranged parallel to the circumference of the shaft 20 or perpendicular to the axis of the shaft 20 and the tool 10.
  • the individual lines 44 can be arranged perpendicular to the circumference or parallel to the axis of the tool 10 and its shaft 20 or at any desired angle. Further, a plurality of groups of straight lines 44 may be provided, which are arranged at predetermined angles to each other.
  • Figure 6 shows a schematic representation of a pattern 40 of rectangles 45, which are arranged in the manner of a herringbone pattern. Each rectangle 45 that is not located at the edge of the pattern 40 directly adjoins four adjacent rectangles. Alternatively, the rectangles 45 may be spaced from each other.
  • a herringbone pattern may alternatively be constructed of straight lines in two different orientations.
  • the areas or lines illustrated in black may be the areas processed by means of laser radiation, while the white areas or lines represent areas not processed by laser radiation.
  • the surfaces or lines shown in white are the areas processed by means of laser radiation, while the black areas or lines represent areas which are not processed by means of laser radiation.
  • the increase in static friction between the shank 20 of the tool 10 and a tool holder achieved by means of the laser structuring depends on the technology of the laser structuring, on the material of the shank 20, on the material and the surface structure of the tool receptacle and on the pattern 40. As a rule, the frictional force is perpendicular to structural edges, for example perpendicular to the straight lines 44, larger than parallel to them.
  • FIG. 7 shows a schematic flow diagram of a method for producing a tool.
  • a tool blank is provided in a first step 101.
  • a surface section on a shaft of the tool blank is patterned by means of a laser, for example by means of thermal or non-thermal laser ablation.
  • a pattern which is periodic in one or two dimensions is produced, as was shown above with reference to FIGS. 2 to 6.
  • the tool blank provided at the first step 101 may be a finished tool other than the structuring at the second step 102.

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Abstract

Ein Werkzeug (10) umfasst einen Schaft (20) zur lösbaren Befestigung in einer Werkzeugaufnahme, wobei der Schaft (20) einen laserstrukturierten Oberflächenabschnitt (30) aufweist.

Description

Beschreibung
Werkzeug und Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug mit einem Schaft, insbesondere ein Fräs Werkzeug oder ein Bohrwerkzeug, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Werkzeugs mit einem Schaft.
Bei einer Bohr-, Fräs- oder anderen Vorrichtung können die Schäfte verschiedener Werk- zeuge in einer Werkzeugaufnahme lösbar befestigt werden. Durch Kraftschluss bzw. Reib- schluss werden Kräfte und Momente zwischen der Werkzeugaufnahme und dem Schaft des Werkzeugs übertragen. Diese Kräfte und Momente sind insbesondere zur Bearbeitung eines Werkstücks erforderlich oder treten zumindest bei der Bearbeitung eines Werkstücks mittels des Werkzeugs auf.
Wenn beispielsweise die zwischen Werkzeug und Werkzeugaufnahme zu übertragende Kraft die Reibungskraft zwischen Werkzeug und Werkzeugaufnahme überschreitet, rutscht bzw. gleitet der Schaft des Werkzeugs in der Werkzeugaufnahme. Im Extremfall kann das Werkzeug im Werkstück stecken bleiben und aus der Werkzeugaufnahme herausgezogen werden. Die Qualität des Arbeitsergebnisses, beispielsweise die Maßhaltigkeit des bearbeiteten Werkstücks oder die Güte einer erzeugten Oberfläche, können durch jede Art von Rutschen oder Gleiten des Schafts des Werkzeugs in der Werkzeugaufnahme beeinträchtigt werden. Um die Reibungskraft zwischen einem Schaft eines Werkzeugs und einer Werkzeugaufnahme zu erhöhen, wurde bereits der Schaft des Werkzeugs mittels Granulat bestrahlt und so aufgeraut. Dadurch wird jedoch die Oberfläche des Schafts beschädigt. Ferner können Rundlaufprobleme entstehen, da der Materialabtrag durch das Strahlen nur ungenau steuerbar ist. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Werkzeug mit einem Schaft und ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs zu schaffen, die eine verbesserte Befestigung des Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. !
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, zu- mindest einen Oberflächenabschnitt an einem Schaft eines Werkzeugs mittels eines Lasers zu strukturieren. Bei geeigneter Steuerung des Lasers ist eine sehr schnelle und gleichzeitig feine, gleichmäßige und reproduzierbare Strukturierung des Werkzeugschaftes möglich. Dadurch können ein ungleichmäßiger Materialabtrag und resultierende Rundlaufprobleme zuverlässig vermieden werden. Ferner kann durch die Laserbehandlung eine Schädigung der Oberfläche minimiert oder verhindert werden. Abhängig von der verwendeten Technologie und dem genutzten Wirkungsmechanismus, insbesondere abhängig von der Wellenlänge, der Energie, der Dauer und der Wiederholfrequenz einzelner Laserpulse können Schäden am verbleibenden Materialgefüge auf wenige Atomlagen begrenzt oder ganz vermieden werden. Insbesondere erfolgt die Strukturierung durch thermische oder nicht- thermische Laserablation.
Die laserstrukturierte Oberfläche kann ein in ein oder zwei Dimensionen periodisches Muster aufweisen. Das Muster kann periodisch wiederholte Rauten, Rechtecke, gerade oder gekrümmte Linien, sinusförmige oder aus geraden Linien zusammengesetzte Wellen- linien oder ein Fischgrätmuster umfassen. Alternativ weist die laserstrukturierte Oberfläche ein nicht-periodisches Muster auf.
Das Werkzeug ist beispielsweise ein Fräswerkzeug oder ein Bohrwerkzeug mit einem Schaft zur lösbaren Befestigung in einer Werkzeugaufnahme, insbesondere einem Spann- futter oder einer Spannzange. Durch die Laserstrukturierung des Oberflächenabschnitts können die Rauheit des Oberflächenabschnitts gleichmäßig und reproduzierbar vergrößert und die Reibungskraft zwischen dem Werkzeug und einer Werkzeugaufnahme erhöht wer- den. Aufgrund der hohen Präzision und Reproduzierbarkeit der Laserstrukturierung werden beispielsweise Rundlaufeigenschaften des Werkzeugs nicht beeinflusst.
Kurzbeschreibung der Figuren
Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines strukturierten Oberflächenabschnitts;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines strukturierten Oberflächenabschnitts; Figur 4 eine schematische Darstellung eines strukturierten Oberflächenabschnitts;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines strukturierten Oberflächenabschnitts;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines strukturierten Oberflächenabschnitts;
und
Figur 7 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines
Werkzeugs. Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkzeugs 10 mit mehreren Schneiden 12 und einem zylinderförmigen oder im Wesentlichen zylinderförmigen Schaft 20. Das Werkzeug 10 ist beispielsweise ein Fräswerkzeug oder ein Bohrwerkzeug. In beiden Fällen ist der Schaft 20 in der Regel kreiszylinderförmig oder zumindest im Wesentlichen kreis- zylinderförmig. Der Schaft 20 weist einen laserstrukturierten Oberflächenabschnitt 30 auf. Der laserstrukturierte Oberflächenabschnitt 30 kann den Schaft 20 umfänglich ganz oder teilweise umschließen oder aus mehreren zusammenhängenden oder nicht zusammenhängenden Teilabschnitten bestehen.
Der laserstrukturierte Oberflächenabschnitt 30 kann ein in ein oder zwei Dimensionen pe- riodisches Muster aufweisen. Beispiele werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 2 bis 6 näher erläutert. In jeder der Figuren 2 bis 6 ist eine ebene Abwicklungen des Oberflächenabschnitts 30 oder eines Ausschnitts desselben dargestellt.
Figur 2 zeigt ein Muster 40 aus einer in zwei Dimensionen periodischen Anordnung von Rauten 41. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Rauten 41 quadratisch und grenzen mit ihren Spitzen aneinander. Alternativ können die Rauten 41 voneinander beabstandet sein.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Musters 40 aus Wellenlinien 42. Beispielsweise ist jede einzelne Wellenlinie 42 sinusförmig oder besteht aus mehreren geraden Linien. Das gesamte Muster 40 umfasst eine periodische Anordnung gleicher oder ähnlicher Wellenlinien 42.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Musters 40 mit einer periodischen Anordnung von Rechtecken 43. Die Rechtecke 43 sind in mehreren periodisch angeordneten Spalten angeordnet. Innerhalb jeder Spalte sind die Rechtecke 43 ebenfalls periodisch angeordnet. Benachbarte Rechtecke 43 sind voneinander beabstandet. Alternativ können die Rechtecke 43 beispielsweise an ihren Ecken aneinandergrenzen, ähnlich wie dies bei den oben anhand der Figur 2 dargestellten Rauten der Fall ist. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Musters 40 mit einer Mehrzahl periodisch angeordneter gerader Linien 44. Alternativ kann das Muster 40 eine Mehrzahl von Gruppen von geraden Linien 44 umfassen. Die einzelnen geraden Linien 44 können parallel zum Umfang des Schafts 20 bzw. senkrecht zur Achse des Schafts 20 und des Werkzeugs 10 angeordnet sein. Alternativ können die einzelnen Linien 44 senkrecht zum Um- fang bzw. parallel zur Achse des Werkzeugs 10 und seines Schafts 20 oder in einem beliebigen Winkel angeordnet sein. Ferner können mehrere Gruppen von geraden Linien 44 vorgesehen sein, die in vorbestimmten Winkeln zu einander angeordnet sind. Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Musters 40 aus Rechtecken 45, die in der Art eines Fischgrätmusters angeordnet sind. Jedes Rechteck 45, das nicht am Rand des Musters 40 angeordnet ist, grenzt an vier benachbarte Rechtecke unmittelbar an. Alternativ können die Rechtecke 45 voneinander beabstandet sein. Ein Fischgrätmuster kann alternativ aus geraden Linien in zwei verschiedenen Ausrichtungen aufgebaut sein.
Bei allen oben anhand der Figuren 2 bis 6 dargestellten Beispielen können die schwarz dargestellten Flächen bzw. Linien die mittels Laserstrahlung bearbeiteten Bereiche sein, während die weißen Flächen bzw. Linien nicht mittels Laserstrahlung bearbeitete Bereiche darstellen. Alternativ sind die weiß dargestellten Flächen bzw. Linien die mittels Laserstrahlung bearbeiteten Bereiche, während die schwarzen Flächen bzw. Linien nicht mittels Laserstrahlung bearbeitete Bereiche darstellen. Die mittels der Laserstrukturierung erzielte Erhöhung der Haftreibung zwischen dem Schaft 20 des Werkzeugs 10 und einer Werkzeugaufnahme ist von der Technologie der Laserstrukturierung, von dem Material des Schafts 20, von dem Material und der Oberflächenstruktur der Werkzeugaufhahme und vom Muster 40 abhängig. In der Regel ist die Reibungskraft senkrecht zu Strukturkanten, beispielsweise senkrecht zu den geraden Li- nien 44, größer als parallel zu diesen. Durch Wahl des Musters und seiner Orientierung kann die Haftreibung zwischen dem Schaft 20 des Werkzeugs 10 und einer Werkzeugaufnahme für die zu erwartenden Kräfte und Momente und ihre Richtungen optimiert werden.
Figur 7 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Werkzeugs. Bei einem ersten Schritt 101 wird ein Werkzeug-Rohling bereitgestellt. Bei einem zweiten Schritt 102 wird ein Oberflächenabschnitt an einem Schaft des Werkzeug- Rohlings mittels eines Lasers strukturiert, beispielsweise mittels thermischer oder nichtthermischer Laserablation. Dabei wird beispielsweise ein in ein oder zwei Dimensionen periodisches Muster erzeugt, wie es oben anhand der Figuren 2 bis 6 dargestellt wurde. Der beim ersten Schritt 101 bereitgestellte Werkzeug-Rohling kann ein von der Strukturierung beim zweiten Schritt 102 abgesehen fertiges Werkzeug sein.

Claims

Ansprüche:
1. Werkzeug (10), mit:
5 einem Schaft (20) zur lösbaren Befestigung in einer Werkzeugaufnahme, wobei der Schaft (20) eine zumindest abschnittweise laserstrukturierte Oberfläche (30) aufweist. 0 2. Werkzeug (10) nach Anspruch 1, wobei die laserstrukturierte Oberfläche (30) ein in ein oder zwei Dimensionen periodisches Muster (40) aufweist.
3. Werkzeug (10) nach Anspruch 2, wobei das Muster (40) zumindest entweder eine periodisch wiederholte Raute (41) oder ein periodisch wiederholtes Rechteck5 (43) oder eine periodisch wiederholte gerade Linie (44) oder eine periodisch wiederholte sinusförmige oder aus geraden Linien zusammengesetzte Wellenlinie (42) oder ein Fischgrätmuster aus Linien oder Rechtecken umfasst.
4. Werkzeug (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug0 (10) ein Fräs Werkzeug oder ein Bohrwerkzeug ist.
5. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs (10), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (101) eines Werkzeug-Rohlings mit einem Schaft (20);
5
Strukturieren (102) zumindest eines Oberflächenabschnitts (30) an dem Schaft (20) mittels eines Lasers.
6. Verfahren nach dem vorangehenden Verfahrensanspruch, wobei der Oberflächen- o abschnitt (30) mittels thermischer oder nicht-thermischer Laserablation strukturiert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, wobei ein Werkzeug (10) nach einem der vorangehenden Vorrichtungsansprüche hergestellt wird.
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