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Die Erfindung bezieht sich auf einen Werkzeugkopf für ein modulares Schaftwerkzeug. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Schaftwerkzeug mit einem solchen Werkzeugkopf sowie ein Herstellungsverfahren für den Werkzeugkopf.
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Hintergrund der Erfindung
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Werkzeuge für eine spanende Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere Werkstücken aus metallischen Werkstoffen, finden mitunter in großserientechnischen Produktions- und Fertigungseinrichtungen Anwendung. Die spanende Bearbeitung lässt sich grundsätzlich in zwei Bereiche unterteilen. Ein Bereich ist das Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Typische Verfahren sind hier beispielsweise Schleifen und Läppen. Der andere Bereich ist das Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden, wie zum Beispiel Bohren, Fräsen und Drehen. Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der Fertigung ist in beiden Bereichen eine möglichst lange Standzeit der verwendeten Werkzeuge gefordert. Die Standzeit der Werkzeuge wird durch verschiedene, sich gegenseitig beeinflussende, Faktoren bestimmt. Gerade im Bereich der geometrisch bestimmten Schneiden sind diese Faktoren zum Teil dem betreffenden Werkzeug inhärent, wie zum Beispiel Schneidengeometrie oder Werkzeug-Werkstoff, die beide wiederum auch von einem Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstücks abhängen. Andere Faktoren sind mitunter einstellbare Prozessbedingungen, wie zum Beispiel eine Zufuhr eines Kühlschmiermittels und eine Schnittgeschwindigkeit. Kühlschmiermittel dienen, wie die Bezeichnung impliziert, einerseits der Kühlung des Werkzeugs, insbesondere der Schneide, sowie eines abgehobenen Spans, andererseits einer Schmierung zwischen Schneide und Werkstück. Zusätzlich sorgen die Kühlschmiermittel aber auch für einen Spanabtransport aus einer Schneidzone.
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Für extrem harte oder metallische Werkstückwerkstoffe werden üblicherweise Werkzeuge aus Hartmetall oder Werkzeugeinsätze aus keramischen Werkstoffen eingesetzt. Diese Werkstoffe werden in einem mehrstufigen Prozess zunächst aus körnigen Ausgangsstoffen gepresst oder in alternativen Verfahren wie beispielsweise Pulverspritzgießen in einen Vorformling (auch „Grünling”) überführt. Dieser Vorformling wird anschließend in einem Sinterprozess verdichtet und zu einem massiven Formteil „verbacken”. Aufgrund der zumeist teuren hochpräzisen Werkzeuge hat es sich in wirtschaftlicher Hinsicht bewährt, nicht das gesamte Werkzeug bei zu großem Verschleiß auszuwechseln, sondern nur die hochbelasteten, schnell verschleißenden, Schneiden. Hierfür sind Werkzeugsysteme mit auswechselbaren Werkzeugköpfen, welche aus Hartmetallen oder Keramiken hergestellt sind, verbreitet.
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Mitunter sind in den Werkzeugen selbst Kanäle für die Zufuhr des Kühlschmiermittels nahe an der Schneidzone integriert. Dies ist insbesondere für spanende Verfahren in tiefer gelegenen Werkstückbereichen wie beispielsweise in Bohrungen vorteilhaft, da das Werkzeug selbst eine externe Kühlschmiermittelzufuhr am Bohrungsgrund erschwert und das extern zugeführte Kühlschmiermittel beim Einströmen in die Bohrung die Späne zurück in die Schneidzone drückt.
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Eine einfache Ausführung für eine solche integrierte Kühlschmiermittelzufuhr ist eine zentrale Bohrung, die in der Längsachse durch das gesamte Werkzeug verläuft. Eine verbesserte Kühlschmiermittelzufuhr wird beispielsweise durch zwei Kanäle erreicht, die an den Freiflächen der Werkzeugspitze austreten. Diese Kanäle werden mitunter durch Strangpressverfahren helixförmig entlang eines Dralls von Spannuten der Werkzeuge hergestellt.
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Für die Kühlschmiermittelzufuhr sind hinsichtlich der Strömung und des Durchsatzes des Kühlschmiermittels sowie der Kühlung der eingreifenden Schneiden oftmals komplexe Formen der Austrittsöffnungen und der Kanäle für die Kühlschmiermittel vorteilhaft. Nachteiligerweise stellen diese komplexen Kanalstrukturen für die Fertigung vorgenannter Hartstoffwerkzeuge ein nicht zu vernachlässigendes Hindernis dar. Hinterschneidungen und komplexe innenliegende Hohlstrukturen können nur unter erhöhtem Fertigungsaufwand realisiert werden. Geeignete Verfahren sind beispielsweise im Bereich der sogenannten Rapid Prototyping oder Rapid Tooling Verfahren angeordnet, bei denen Bauteile schichtweise in zeitaufwändigen Prozessen zum Beispiel aus Pulvern hergestellt werden.
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Eine Werkzeugspitze mit zwei Öffnungen für das Kühlschmiermittel ist beispielsweise aus
US 3,085,453 A bekannt. Dort wird eine einteilige Werkzeugspitze angegeben, die in einem pulvermetallurgischen Verfahren zuerst gepresst wird und anschließend in einem Sinterprozess verfestigt und in die endgültige Form gebracht wird. Die Kühlschmiermittelöffnungen werden während des Pressens des Pulvers durch ein Kernelement in der Pressform ausgeformt. Anschließend wird die gesinterte Werkzeugspitze auf einen Werkzeugschaft gelötet. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass lediglich gerade Kanäle für das Kühlschmiermittel gefertigt werden können, da keine anderen Strukturen durch das Kernelement in der Pressform geformt werden können. Ansonsten würde das Kernelement nicht mehr entformt werden können.
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Eine weitere Werkzeugspitze, angegeben in
US 6,551,035 B1 , umfasst ebenfalls Kanäle für Kühlschmiermittel und ist aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen gebildet. Das Ziel der unterschiedlichen Werkstoffe ist, die Schneiden der Werkzeugspitze an verschiedene Belastungsintensitäten anzupassen. Die äußeren Schneidenbereiche sind aus einem härteren Werkstoff geformt, da dort aufgrund der höheren Schnittgeschwindigkeit bei rotierendem Werkzeug eine höhere Härte zu geringerem Verschleiß führt. Diese Werkzeugspitze wird in einem Mehrkomponentenspritzgießverfahren geformt und anschließend gesintert. Das heißt, die zwei unterschiedlichen Werkstoffe werden in einem Prozess zu einem zusammenhängenden Bauteil vorgeformt und anschließend versintert, wobei die beiden Werkstoffe jeweils einen Kern und einen Mantel bilden. Wie in vorgenanntem Dokument werden die Kanäle für das Kühlschmiermittel ebenfalls in dem Spritzgießprozess mit eingeformt.
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Weitere bekannte Schneideneinsätze für Bohr- oder Fräswerkzeuge sind beispielsweise aus
US 3,422,706 A ,
US 6,663,326 B9 und
US 2010/0021253 A1 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines hinsichtlich der Geometrie oder mehrerer unterschiedlicher Werkzeug-Werkstoffe komplexen Werkzeugkopfes für ein modulares Schaftwerkzeug zu vereinfachen. Die Erfindung soll insbesondere eine einfache Herstellung komplexer Kanalsysteme für eine integrierte Kühlschmiermittelzufuhr in dem Werkzeugkopf ermöglichen.
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Lösung der Aufgabe
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Bezüglich eines Werkzeugkopfes für ein modulares Schaftwerkzeug wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich eines modularen Schaftwerkzeugs mit einem solchen Werkzeugkopf wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung des Werkzeugkopfes wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Der erfindungsgemäße Werkzeugkopf für ein modulares Schaftwerkzeug ist aus mindestens zwei getrennt voneinander aus jeweils einem körnigen Werkstoff hergestellten Vorformlingen gebildet. Diese Vorformlinge sind zusammengesetzt und anschließend gemeinsam verdichtet und dabei stoffschlüssig miteinander verbunden. Vorzugsweise ist der körnige Werkstoff ein Hartmetall oder ein keramischer Ausgangsstoff. Der Werkstoff ist sinterbar und für den Einsatz bei einer spanenden Bearbeitung von Werkstücken geeignet.
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Durch die Aufteilung des Werkzeugkopfes in mehrere Vorformlinge ist die Fertigung komplexer Strukturen erheblich vereinfacht, zumal der Werkzeugkopf dabei vorteilhafterweise in weniger komplexe Teilstrukturen aufgeteilt werden kann. Aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung der Vorformlinge durch das gemeinsame Sintern ist ein geringer Fertigungsaufwand nötig. Verbindungstechniken wie zum Beispiel Löten der einzelnen Vorformlinge nach dem Sintern und damit verbundene Verbindungsstellen zwischen den Vorformlingen sind nicht erforderlich.
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Grundsätzlich können die Vorformlinge aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sein. In einer zweckmäßigen Ausführungsvariante sind die Vorformlinge allerdings aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt. Die Werkstoffe können sich dabei in ihrer Zusammensetzung unterscheiden oder in einer veränderten Korngröße von ansonsten gleichen Grundbestandteilen des jeweiligen Werkstoffs. Ein Vorteil unterschiedlicher Werkstoffe liegt hierbei darin, dass die Härte oder Zähigkeit des jeweiligen Vorformlings auf Anforderungen an einen jeweiligen Bereich des Werkzeugkopfes angepasst werden kann. In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist zum Beispiel der Bereich, der für die Verbindung mit dem Schaftwerkzeug vorgesehen ist, aus einem Werkstoff mit hoher Festigkeit bzw. aus einem grobkörnigen Werkstoff hergestellt, während der Bereich für die spanende Bearbeitung vorzugsweise aus einem harten, feinkörnigen, Werkstoff hergestellt ist. Ferner ist es auch möglich, im Schneidenbereich eine (innere) Zentrumsschneide und den diese umgebenden äußeren Schneidenbereich aus Schneidwerkstoff mit unterschiedlichen Härtegraden herzustellen.
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Der Werkzeugkopf umfasst, in einer Axialrichtung gesehen, ein vorderes Ende und ein diesem entgegengesetztes hinteres Ende. An dem vorderen Ende sind Schneiden des Werkzeugkopfes ausgeprägt. Das vordere Ende wird deshalb nachfolgend als „Schneidenende” bezeichnet. An dem hinteren Ende ist in einer zweckmäßigen Ausführungsform eine Kupplungsstruktur ausgeprägt, die einer passgenauen Verbindung mit dem Schaftwerkzeug dient. Nachfolgend wird das hintere Ende des Werkzeugkopfes deshalb als „Kupplungsende” bezeichnet.
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Der Werkzeugkopf ist vorzugsweise für ein rotierendes Schaftwerkzeug vorgesehen. Der Werkzeugkopf weist dabei eine in Axialrichtung verlaufende Rotationsachse auf, um die das Schaftwerkzeug im bestimmungsgemäßen Betrieb rotiert wird. Bevorzugt hat der Werkzeugkopf geometrisch bestimmte Schneiden. Das Schneidenende umfasst dabei mindestens eine Hauptschneide mit einer entgegen einer Rotationsrichtung an die Hauptschneide anschließende Freifläche. Bei einem Bohrwerkzeug bildet das Schneidenende zweckmäßigerweise eine Spitze, durch die die Rotationsachse des Schaftwerkzeugs verläuft. In dieser Ausführungsform umfasst der Werkzeugkopf vorzugsweise zwei Hauptschneiden, die durch eine Querschneide miteinander verbunden sind, wobei die Querschneide über die Spitze des Schneidenendes verläuft. Bei einem Fräswerkzeug ist das Schneidenende zweckmäßigerweise in einer radial zur Rotationsachse verlaufenden Ebene flach ausgeformt. Das Schneidenende umfasst dabei vorteilhafterweise mindestens zwei Hauptschneiden, die nicht durch eine Querschneide verbunden sind.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Werkzeugkopf im Bereich des Schneidenendes mindestens eine Öffnung (nachfolgend Düse) für ein Kühlschmiermittel. Diese Düse ist durch jeweils ein Kanalsystem mit entsprechend einer (Eintritts-)Öffnung für das Kühlschmiermittel an dem Kupplungsende des Werkzeugkopfes verbunden. Das Kühlschmiermittel ist dadurch direkt an eine Schneidzone des Schaftwerkzeugs geführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Werkzeugkopf mindestens zwei Düsen für das Kühlschmiermittel im Bereich des Schneidenendes, wobei diese Düsen durch ein sich verzweigendes Kanalsystem mit einer Eintrittsöffnung an dem Kupplungsende verbunden sind. Die Eintrittsöffnung an dem Kupplungsende ist vorzugsweise in der Achse des Werkzeugkopfes angeordnet, da dies die Fertigung einer Zuleitung für das Kühlschmiermittel durch das Schaftwerkzeug zu dem Werkzeugkopf erheblich vereinfacht. Durch zwei oder mehr Düsen in dem Werkzeugkopf ist das Kühlschmiermittel präziser zu den Bereichen geführt, in denen es vorrangig erforderlich ist, insbesondere in den Bereich der gegebenenfalls mehreren Hauptschneiden. Die Fertigung der hierzu nötigen sich verzweigenden Kanalsysteme ist durch die Herstellung des Werkzeugkopfes aus mehreren Vorformlingen wesentlich vereinfacht.
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In einer fertigungstechnisch besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist das sich verzweigende Kanalsystem derart aufgeteilt, dass in jedem Vorformling jeweils nur gerade Kanalabschnitte eingeformt sind. Die Fertigung der jeweiligen Vorformlinge und der Kanalabschnitte ist somit erheblich vereinfacht, da gerade Kanalschnitte ohne großen Aufwand hergestellt werden können.
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Grundsätzlich können sich die Kanalabschnitte an einer Verzweigung des Kanalsystems in einem Punkt treffen. Fertigungstechnisch vorteilhaft ist aber, an der oder jeder Verzweigung des Kanalsystems eine Verteilerkammer mit einem den breitesten Kanaldurchmesser wesentlich überschreitenden Durchmesser vorzusehen. Die Verteilerkammer ist hierbei vorteilhafterweise in einer Verbindungsfläche zwischen zwei Vorformlingen angeordnet. Zweckmäßigerweise ist die Verteilerkammer vollständig in einem Vorformling ausgeformt. Die mindestens zwei Teilkanäle, die von der Verteilerkammer in Richtung des Schneidenendes abzweigen, sind insbesondere als gerade Teilkanäle ausgeführt.
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Die Verbindungsflächen zwischen zwei Vorformlinge verlaufen bevorzugt näherungsweise senkrecht zu der Achse des Werkzeugkopfes. Dadurch sind keine Übergänge zwischen den Vorformlingen im Bereich des Schneidenendes bzw. dessen Spitze angeordnet. Die Verbindungsflächen der jeweiligen Vorformlinge weisen zweckmäßigerweise Strukturen auf, insbesondere konische Bereiche oder Absätze, so dass die Vorformlinge beim Zusammensetzen automatisch zueinander zentriert und in einem Winkel ausgerichtet sind.
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Die Düsen des Werkzeugkopfes können grundsätzlich einfach herzustellende runde Öffnungsgeometrien aufweisen. Hinsichtlich einer Kühl- und Schmierfunktion des Kühlschmiermittels ermöglicht die Erfindung, auf einfache Weise auch eine komplexe Düsenanordnung mit vielen Einzeldüsen oder unrunden Düsenquerschnitten herzustellen. Insbesondere können die Düsen ovale oder polygonale (optional mit ausgerundeten Ecken und bzw. oder gekrümmten Kanten) Querschnitte aufweisen, wobei auch eine Kombination von mehreren Düsen unterschiedlicher Querschnitte im Rahmen der Erfindung denkbar ist.
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In einer ersten Düsenanordnung umfasst der Werkzeugkopf pro Hauptschneide mehrere runde Düsen, die jeweils entlang der zugehörigen Schneide des Werkzeugkopfes derart nebeneinander aufgereiht sind, dass sie zusammen etwa die Form eines Eishockeyschlägers oder Buchstabens „J” bilden, wobei die Anordnung der Düsen jeweils einen kurzen Schenkel und einen langen Schenkel aufweist. Der kurze Schenkel – gebildet insbesondere von zwei Düsen – ist etwa parallel zu der Querschneide angeordnet. Der lange Schenkel – zum Beispiel gebildet von vier Düsen – ist exakt oder zumindest näherungsweise, parallel zu der Hauptschneide auf der zugehörigen Freifläche angeordnet. Dadurch sind auf beiden Seiten der Querschneide und neben jeder Hauptschneide jeweils sechs runde Düsen ausgeformt.
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Eine zweite Düsenanordnung umfasst zwei Düsen mit einer näherungsweise polygonen länglichen Öffnungsgeometrie – insbesondere in Form eines länglichen Schlitzes mit abgerundeten Ecken. Jede Düse formt jeweils wiederum einen Eishockeyschläger nach. Wie in vorgenannter erster Düsenanordnung sind beide Düsen entlang der Hauptschneiden an den jeweiligen Freiflächen derart angeordnet, dass die kurzen Schenkel beidseitig der Querschneide liegen.
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In einer dritten Düsenanordnung sind zwei näherungsweise rechteckige Düsen parallel zu den beiden Hauptschneiden an den Freiflächen angeordnet. Die Düsen weisen wie in vorgenannter Düsenanordnung bevorzugt abgerundete Ecken auf.
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In den drei vorgenannten Düsenanordnungen sind die Anordnung und Öffnungs- bzw. Kanalgeometrie der Düsen derart nahe an den Schneiden des Werkzeugkopfes ausgeformt, dass die bei einer spanenden Bearbeitung eines Werkstücks entstehende Reibungswärme besonders effektiv an das Kühlschmiermittel abgeführt wird. Infolge der Düsengeometrie tritt das Kühlschmiermittel bei den vorstehend beschriebenen Düsenanordnungen mit hoher Geschwindigkeit aus, was zusätzlich auch den Spanabtransport begünstigt.
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In einer vierten Düsenanordnung sind zwei Düsen mit näherungsweise nierenförmiger Öffnungsgeometrie in den Freiflächen der Hauptschneiden angeordnet. Abweichend von den vorgenannten Düsenanordnungen sind die Düsen nicht direkt an einer Hauptschneide sondern etwa parallel zu einem Rand des Werkzeugkopfes ausgeformt.
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Jede der vorstehen beschriebenen Düsenanordnungen wird als eigenständige Erfindung betrachtet, die auch losgelöst von den übrigen Merkmalen des erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes bzw. Schaftwerkzeugs und des zugehörigen Herstellungsverfahrens vorteilhaft einsetzbar ist.
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In einer Variante des Werkzeugkopfes – insbesondere bei Fräswerkzeugen, die auch an ihrem Umfang Material von den Werkstücken abtragen – können im Rahmen der Erfindung auch Düsen an Umfangsflächen oder in der oder jeder Spannut des Werkzeugkopfes angeordnet sein. Letztere begünstigen insbesondere den Spanabtransport.
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Das erfindungsgemäße Schaftwerkzeug umfasst zusätzlich zu einem Werkzeugkopf der vorstehend beschriebenen Art einen Grundkörper oder Werkzeugschaft. Der Werkzeugkopf ist dabei über eine an dem Kupplungsende vorgesehene Kupplungsstruktur, die in eine korrespondierende Kupplungsstruktur an dem zugewandten Ende des Grundkörpers eingreift bzw. diese aufnimmt, austauschbar mit dem Grundkörper verbunden. An einem entgegengesetzten Ende des Grundkörpers ist zweckmäßigerweise eine Struktur zur Aufnahme des Schaftwerkzeugs in einer Werkzeugmaschine ausgeformt. Diese Struktur ist beispielsweise ein Konus, der eine automatische Zentrierung und Klemmung des Schaftwerkzeugs in der Werkzeugmaschine sicherstellt.
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Der Grundkörper des Schaftwerkzeugs kann grundsätzlich mehrere Kanäle als Zuleitungen für das Kühlschmiermittel umfassen. Diese Zuleitungen sind derart in dem Grundkörper angeordnet, dass in einem verbundenen Zustand des Grundkörpers mit dem Werkzeugkopf die Öffnungen der Zuleitungen mit der entsprechenden Eintrittsöffnung an dem Kupplungsende des Werkzeugkopfes in Deckung gebracht sind. In fertigungstechnisch vorteilhafter Weise ist nur eine Zuleitung entlang der Rotationsachse des Grundkörpers vorgesehen, die deckungsgleich mit der Eintrittsöffnung des Kanalsystems des Werkzeugkopfes, insbesondere achszentral, angeordnet ist.
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In dem erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren werden zunächst in jeweils einem Spritzgieß- oder Druckgussprozess die Vorformlinge separat voneinander hergestellt. Die Vorformlinge werden dabei jeweils aus einem körnigen Werkstoff geformt. Anschließend werden die Vorformlinge zu dem Werkzeugkopf zusammengesetzt und nachfolgend gemeinsam – insbesondere in einem Sinterprozess – verdichtet, so dass die Vorformlinge stoffschlüssig und irreversibel miteinander verbunden werden. Vorzugsweise werden die Vorformlinge beim Zusammensetzen zueinander ausgerichtet, so dass Außenstrukturen wie z. B. Spannuten bestimmungsgemäß verbunden sind.
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In zweckmäßiger Durchführung des Verfahrens werden gegebenenfalls die Kanalabschnitte eines sich verzweigenden Kanalsystems für das Kühlschmiermittel bereits während des jeweiligen Formgebungsprozesses in die Vorformlinge eingeformt. Insbesondere das Spritzgießen bietet für eine Fertigung von Durchdringungen verschiedene Möglichkeiten, beispielsweise über bewegliche Kerne, in einem formgebenden Werkzeug geeignete hohle Strukturen auszuformen. Hierbei sind gerade und kurze auszuformende Kanalabschnitte hinsichtlich der Steifigkeit der Kerne vorteilhaft, da die körnigen Werkstoffe aufgrund ihrer hohen Viskosität mit hohen Drücken in das formgebende Werkzeug eingespritzt werden. Durch die hohen Drücke können lange Kerne verformt oder verschoben werden und somit geometrische Abweichungen der Kanalabschnitte verursachen.
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Die Verbindung zwischen dem Werkzeugkopf und dem Grundkörper des Schaftwerkzeugs kann grundsätzlich durch verschiedene Verbindungstechniken hergestellt werden. In einer einfachen Ausführungsform wird der Werkzeugkopf über die Kupplungsstruktur auf dem Grundkörper ausgerichtet und mit einer Lötverbindung stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden. Durch ein Erwärmen kann bei einem Wechsel des Werkzeugkopfes die Lötverbindung wieder gelöst werden. Eine weitere Ausführungsform sieht ein Gewinde an der Kupplungsstruktur des Werkzeugkopfes und ein korrespondierendes Gewinde an dem Grundkörper vor, durch welche der Werkzeugkopf – vorzugsweise entgegen der Rotation des Schaftwerkzeugs bei der Bearbeitung des Werkstücks – mit dem Grundkörper verschraubt wird. Der Vorteil der formschlüssigen Verbindung liegt in einer einfachen Lösbarkeit der Verbindung zwischen Werkzeugkopf und Grundkörper.
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Beschreibung der Figuren
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein modulares Schaftwerkzeug mit einem Grundkörper und einem damit austauschbar verbundenem Werkzeugkopf in zusammengesetzten Zustand,
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2 in Darstellung gemäß 1 das Schaftwerkzeug in einem unverbundenem Zustand,
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3 in perspektivischer Darstellung den Werkzeugkopf aufgeteilt in zwei (teilweise geschnitten dargestellte) Vorformlinge,
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4 in perspektivischer Darstellung den Werkzeugkopf mit den zusammengesetzten Vorformlingen,
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5 in einem Längsschnitt den Werkzeugkopf,
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6 in Darstellung gemäß 5 eine weitere Ausführungsform des Werkzeugkopfes,
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7 in Darstellung gemäß 5 wiederum eine weitere Ausführungsform des Werkzeugkopfes,
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8 in perspektivischer Darstellung den Grundkörper des Schaftwerkzeugs in einer weiteren Ausführungsform,
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9 in Darstellung gemäß 8 den Grundkörper des Schaftwerkzeugs wiederum in einer weiteren Ausführungsform,
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10 in Draufsicht auf ein Schneidenende den Werkzeugkopf mit Öffnungen für ein Kühlschmiermittel in einer ersten Düsenanordnung,
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11 in Darstellung gemäß 10 eine zweite Bauform des Werkzeugkopfes mit einer alternativen Düsenanordnung,
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12 in einer Darstellung gemäß 10 eine dritte Bauform des Werkzeugkopfes mit einer wiederum alternativen Düsenanordnung,
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13 in einer Darstellung gemäß 10 eine vierte Bauform des Werkzeugkopfes mit einer weiteren Düsenanordnung, und
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14 in Darstellung gemäß 2 eine Variante des dortigen Schaftwerkzeugs mit zweiteiligem Grundkörper.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 und 2 zeigen ein modulares Schaftwerkzeug 1 mit einem Grundkörper 2 (auch Werkzeugschaft) und einem Werkzeugkopf 3. Bei dem dargestellten Schaftwerkzeug 1 handelt es sich um ein rotierendes Werkzeug, nämlich um einen Bohrer. Eine (Rotations-)Achse 4 für eine Drehbewegung des Schaftwerkzeugs 1 bei einer spanenden Bearbeitung von Werkstücken verläuft mittig in einer Längsrichtung durch das Schaftwerkzeug 1. Dem Schaftwerkzeug 1 ist eine Bearbeitungsrichtung 5 zugeordnet. Die Bearbeitungsrichtung 5 definiert ein vorderes Ende des Schaftwerkzeugs 1, mit dem letzteres im bestimmungsgemäßen Betrieb gegen das Werkstück vorgeschoben wird, sowie ein hierzu entgegengesetztes hinteres Ende.
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In den Grundkörper 2 sind zwei Spannuten 6a und 6b sowie eine entlang der Rotationsachse 4 verlaufende Bohrung als Zuleitung 8 für ein Kühlschmiermittel eingearbeitet. An seinem hinteren Ende weist der Grundkörper 2 eine (nicht dargestellte) Struktur zur Aufnahme in einer Werkzeugmaschine auf. An dem in Bearbeitungsrichtung 5 vorderen Ende des Grundkörpers 2 ist ein Kupplungsbereich 10 mit einer Kupplungsstruktur 15 ausgeformt. Die Kupplungsstruktur 15 weist eine zentral angeordnete zylindrische Vertiefung 16 mit einem koaxial darin angeordneten zylindrischen Zapfen 17 auf. Der Zapfen 17 steht entlang der Achse 4 in Bearbeitungsrichtung 5 vor und umschließt die Zuleitung 8.
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Der Werkzeugkopf 3 umfasst zwei Vorformlinge 20 und 25, die in einer senkrecht auf der Achse 4 stehenden Verbindungszone 30 zusammengesetzt sind. Der in Bearbeitungsrichtung 5 vordere Vorformling 20 weist ein konisch zulaufendes vorderes (Schneiden-)Ende 35 mit Schneiden zur spanenden Bearbeitung und eine Werkzeugspitze 36 auf. Ein hinteres, und somit dem Grundkörper 2 zugewandtes Ende des anderen, hinteren Vorformlings 25 ist als Kupplungsende 40 ausgebildet und trägt entsprechend eine Kupplungsstruktur 45. Diese Kupplungsstruktur 45 ist komplementär zu der Kupplungsstruktur 15 des Grundkörpers 2 ausgeführt, so dass eine automatische Zentrierung und Verbindung zwischen dem Grundkörper 2 und dem Werkzeugkopf 3 sichergestellt ist. In den Werkzeugkopf 3 sind zwei Düsen 50a und 50b eingebracht, die über ein sich verzweigendes Kanalsystem 55 mit einer Eintrittsöffnung 60 an dem Kupplungsende 40 verbunden sind. Das sich verzweigende Kanalsystem 55 umfasst einen geraden Kanal 65 in dem hinteren Vorformling 25 und je einen geraden Teilkanal 70a und 70b in dem vorderen Vorformling 20. Der Kanal 65 führt in eine Verteilerkammer 75, die in der Verbindungszone 30 in dem vorderen Vorformling 20 angeordnet ist. Von dieser Verteilerkammer 75 zweigen die Teilkanäle 70a und 70b ab. Die Teilkanäle 70a und 70b führen zu den Düsen 50a und 50b.
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Für eine sichere und zugleich lösbare Verbindung zwischen Grundkörper 2 und Werkzeugkopf 3 ist an der Kupplungsstruktur 45 des Werkzeugkopfes 3 ein Außengewinde angeformt. Das Außengewinde greift in ein korrespondierendes Innengewinde in der Vertiefung 16 des Grundkörpers 2. Die Gewinde sind mit einem der Drehbewegung des Schaftwerkzeugs 1 entgegengesetzten Drall ausgeführt, so dass die Verbindung zwischen dem Werkzeugkopf 3 und dem Grundkörper 2 nicht während der Bearbeitung gelöst wird. Die Gewinde sind in den 1 und 2 nicht dargestellt.
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1 zeigt das Schaftwerkzeug 1, wobei der Grundkörper 2 mit dem Werkzeugkopf 3 vollständig verbunden ist. Der Werkzeugkopf 3 ist dabei durch die Kupplungsstrukturen 15 und 45 derart in dem Grundkörper 2 ausgerichtet und fixiert, dass die Zuleitung 8 für das Kühlschmiermittel und die Eintrittsöffnung 60 des Kanalsystems 55 fluchtend zueinander angeordnet sind. Durch die Gewinde der Kupplungsstrukturen 15 und 45 wird zusätzlich eine ausreichend mediendichte Verbindung gewährleistet, so dass keine Leckage des Kühlschmiermittels erfolgt.
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2 zeigt den Grundkörper 2 und den Werkzeugkopf 3 in einem nicht montierten Zustand.
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Die Vorformlinge 20 und 25 des Werkzeugkopfes 3 werden jeweils in einem Spritzgießprozess separat hergestellt. Dazu wird jeweils ein körniger Werkstoff aus Wolframcarbid- und Kobaltpartikeln mit einem flüchtige organische Bestandteilen enthaltenden Binder zunächst in einen teigigen Zustand überführt und anschließend mit hohem Druck in ein Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Dabei werden das Kanalsystem 55 und der Kanal 65 jeweils durch bewegliche Kerne in einer Kavität des Spritzgießwerkzeugs ausgespart. Nach dem Spritzgießvorgang werden die beweglichen Kerne aus der Kavität und dem jeweiligen Vorformling 20 und 25 herausgezogen, das Spritzgießwerkzeug geöffnet und der Vorformling 20 bzw. 25 entformt. Anschließend werden in einem weiteren Prozessschritt die flüchtigen Bestandteile des Binders durch Ausheizen der Vorformlinge 20 und 25 entfernt.
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Die Vorformlinge 20 und 25 werden entlang der Verbindungszone 30 zusammengesetzt und gemeinsam in einem Sinterofen verdichtet und gebrannt, bis eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Vorformlingen 20 und 25 entsteht. Der Werkzeugkopf 3 liegt abschließend als ein stoffschlüssig zusammenhängendes Bauteil vor. In nachfolgenden Schritten werden die Schneiden des Werkzeugkopfes durch Schleifvorgänge in eine endgültige Form für die spanende Bearbeitung gebracht.
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Für ein passgenaues Zusammensetzen und eine Zentrierung der Vorformlinge 20 und 25 zueinander ist in der Verbindungszone 30 an dem Vorformling 20 eine Verbindungsfläche 80 mit einem konischen Absatz 85 angeformt (siehe 3 bis 5). Korrespondierend zu dieser Verbindungsfläche 80 ist an dem Vorformling 25 eine Verbindungsfläche 90 mit einem entsprechenden Innenkonus 95 ausgeformt. Die Spannuten 6a und 6b des Grundkörpers 2 sind in dem Werkzeugkopf 3 fluchtend fortgesetzt.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verbindungsflächen 80 und 90 zwischen den Vorformlingen 20 und 25 zur passgenauen Verbindung und Zentrierung. Dabei ist der Absatz 85 in der Verbindungsfläche 80 des Vorformlings 20 im Gegensatz zu der vorher beschriebenen konischen Ausführungsform senkrecht abgestuft ausgeführt. Die Verbindungsfläche 90 weist entsprechend keinen Innenkonus 95 auf, sondern einen zu dem Absatz 85 korrespondierenden Absatz 100.
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In 7 ist eine besonders einfache Ausführungsform der Verbindungsflächen 80 und 90 ohne Absatz 85 und Innenkonus 95 bzw. Absatz 100 gezeigt. Die passgenaue Verbindung wird bei dieser Ausführungsform zweckmäßigerweise durch einen Zentrierstift erreicht. Der Zentrierstift ist bei dem Zusammensetzen der Vorformlinge 20 und 25 in den Kanal 65 eingesetzt.
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8 zeigt den Grundkörper 2 – in einer alternativen Ausführungsform zu 1 und 2 – mit paarweisen Zuleitungen 105a und 105b für das Kühlschmiermittel. Die paarweisen Zuleitungen 105a und 105b verlaufen parallel zu den Spannuten 6a und 6b an einem äußeren Rand des Grundkörpers 2, wobei die Zuleitungen 105a und 105b auf einem Radius um die Rotationsachse 4 liegen und in Kontakt mit Öffnungen im Vorformling 25 stehen. Die Kupplungsstruktur 15 des Grundkörpers 2 umfasst dabei die zylindrische Vertiefung 16, in die ein entsprechendes Gegenstück der Kupplungsstruktur 45 des Werkzeugkopfes 3 eingesetzt wird.
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Eine in 9 dargestellte weitere Ausführungsform des Grundkörpers 2 umfasst die zentrale Zuleitung 8 entsprechend der Ausführung in 1 und 2. Im Gegensatz zu der Ausführung in 1 und 2 ist hier in der Vertiefung 16 der Kupplungsstruktur 15 der zentrale Zapfen 17 nicht vorgesehen.
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Eine erste alternative Düsenanordnung des Werkzeugkopfes 3 weist gemäß 10 eine Schneidengeometrie für eine Rotation in eine Drehrichtung 110 auf. Die Drehrichtung 110 des Werkzeugkopfes 3 ist in 10 entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet. Die Schneidengeometrie umfasst zwei Hauptschneiden 115a und 115b. Die Hauptschneiden 115a und 115b sind in Drehrichtung 110 nacheilend zu den Spannuten 6a und 6b angeordnet. Entgegen der Drehrichtung 110 schließen an die Hauptschneiden 115a und 115b (Haupt-)Freiflächen 120a und 120b an. Die Hauptschneiden 115a und 115b sind parallel zueinander auf entgegengesetzten Seiten des Werkzeugkopfes 3 angeordnet und durch eine Querschneide 125 verbunden. Die Querschneide 125 verläuft durch die Achse 4. Der Werkzeugkopf 3 ist in radialer Richtung von einer Mantelfläche 130 (auch: Umfangsfläche) begrenzt, in die die Spannuten 6a und 6b eingeformt sind.
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Die Düsen 50a und 50b sind in dieser Düsenanordnung durch jeweils sechs runde Kleinstdüsen 135a bis 135l dargestellt. Die Kleinstdüsen 135a bis 135l sind direkt hinter den Hauptschneiden 115a und 115b auf den jeweiligen Freiflächen 120a und 120b angeordnet. Die Kleinstdüsen 135a bis 135l sind nebeneinander entlang der Hauptschneiden 115a und 115b und der Querschneide 125 ausgeformt. Die Querschneide ist dadurch beidseitig von den Kleinstdüsen 135a bis 135c und 135j bis 135l eingefasst. Die Anordnung der aneinandergereihten Kleinstdüsen 135a bis 135l entspricht der Form zweier Eishockeyschläger mit jeweils einem langen Schenkel entlang der Hauptschneiden 115a und 115b und jeweils einem kurzen Schenkel entlang der Querschneide 125.
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Eine zweite alternative Düsenanordnung des Werkzeugkopfes 3 weist zwei polygonale, schlitzförmige gewinkelte Düsen 50a und 50b mit abgerundeten Ecken auf (11). Vergleichbar zu 10 entsprechen die Formen der gewinkelten Düsen 50a und 50b ebenfalls zwei Eishockeyschlägern. Die langen Schenkel der gewinkelten Düsen 50a und 50b sind wiederum entlang der Hauptschneiden 115a und 115b auf den zugehörigen Freiflächen 120a und 120b angeordnet. Die kurzen Schenkel sind parallel und beidseitig zu der Querschneide 125 ausgeformt.
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In einer dritten alternativen Düsenanordnung gemäß 12 sind die Düsen 50a und 50b als Rechtecke mit abgerundeten Ecken bzw. gerade Schlitze entlang der Hauptschneiden 115a und 115b ausgeführt. Die Düsen 50a und 50b sind wie in den vorhergehend beschriebenen Düsenanordnungen (10 und 12) in den Freiflächen 120a und 120b ausgeformt.
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Eine vierte alternative Düsenanordnung des Werkzeugkopfes 3 umfasst wiederum zwei schlitzförmige, nierenförmige Düsen 50a und 50b. Gemäß 13 sind die schlitzförmigen Düsen 50a und 50b parallel zu der Mantelfläche 130 gebogen und entlang der Mantelfläche 130 in den Freiflächen 120a und 120b ausgeformt.
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Der (bisher einteilig dargestellte) Grundkörper 2 kann im Rahmen der Erfindung auch mehrteilig ausgeführt sein. So ist beispielsweise bei einer in 14 dargestellten Variante des Schaftwerkzeugs 1 gemäß 1 und 2 der dortige Zapfen 17 des Grundkörpers 2 durch eine separate Übergangseinheit 140 (hier in Form einer Hülse) ersetzt. Die Übergangseinheit 140 besteht vorzugsweise aus Weichmetall (insbesondere Messing) oder Gummi und dient der besseren Abdichtung des Übergangs zwischen dem Kanalsystem 55 und der Zuleitung 8.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3085453 A [0007]
- US 6551035 B1 [0008]
- US 3422706 A [0009]
- US 6663326 B9 [0009]
- US 2010/0021253 A1 [0009]