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Die Erfindung betrifft einen Frässtift nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ebenso betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Frässtifts.
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Derartige Frässtifte sind auch unter dem Namen Rotationsfeilen bekannt (im Englischen: bur oder auch burr). Sie werden im Rahmen dieser Erfindung und im Sinne der Definition in DIN 8032/8033 und ANSI in insbesondere handgeführten, mit einem elektrischen Motor oder auch pneumatisch angetriebenen Werkzeugen eingesetzt und zum manuellen Bearbeiten von insbesondere Metalloberflächen durch feinen Materialabtrag verwendet. Frässtifte dienen hierbei in der Regel zum Entgraten, Formen, Schleifen und Endbearbeiten von Metall, aber auch anderen Materialien wie Holz, Kunststoff und Verbundwerkstoffen. Sie werden häufig bei Anwendungen eingesetzt, bei denen Präzision und komplizierte Details erforderlich sind, z.B. in der Metallbearbeitung, aber auch in der Schmuckherstellung und der Zahnmedizin.
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Frässtifte unterscheiden sich von Schaftfräsern (im Englischen: end mills) insbesondere durch den Einsatz in anderen Werkzeugen sowie in der Art der Bearbeitung der jeweiligen Oberflächen. Schaftfräser werden in feststehenden Maschinen, insbesondere in CNC- oder fußbetriebenen Maschinen verwendet, und hierbei in erster Linie zum Schneiden und Formen von Materialien, insbesondere im Wege von Fräsarbeiten. Sie werden häufig in der Metall- und Holzbearbeitung sowie bei anderen Bearbeitungsprozessen eingesetzt, um Material von einem Werkstück zu entfernen und bestimmte Formen, Schlitze oder Merkmale zu erzeugen.
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Bekannte Frässtifte für handbetätigte Werkzeuge weisen einen Schaftabschnitt und einen Fräsabschnitt auf, der sich an den Schaftabschnitt anschließt und in einer freien Frässpitze endet. Zumindest der Fräsabschnitt besteht aus Hartmetall, beispielsweise aus Wolframkarbid. Der Schaftabschnitt und der Fräsabschnitt sind drehsymmetrisch zu einer Rotationsachse ausgebildet. Der Fräsabschnitt besitzt eine Fräslänge und weist eine Vielzahl von Schneiden auf, die durch voneinander beabstandete Hauptnuten getrennt sind. Eine übliche Anzahl an Hauptnuten bei bekannten Frässtiften mit einem Kopfdurchmesser (größter bzw. maximaler Durchmesser des Fräsabschnitts, d.h. an dessen dickster Stelle) von 12 mm oder 12,7 mm (d.h. 1/2 Inch bzw. 1/2") zur Bearbeitung von eisenhaltigen Oberflächen beträgt beispielsweise 24. Die Hauptnuten besitzen eine Nuttiefe, im Folgenden Hauptnuttiefe genannt, und erstrecken sich in einer ersten Drallrichtung helixförmig mit einem ersten Drallwinkel entlang des Fräsabschnitts. Jede der Schneiden weist hierbei eine Spanfläche und eine Freifläche sowie eine Schneidkante am Übergang zwischen der Spanfläche und der Freifläche unter Bildung eines Spanwinkels und eines Freiwinkels auf. Der erste Drallwinkel wird zwischen einer an die Schneidkante angelegten Tangente und einer Parallelen zur Rotationsachse gemessen.
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Handelsübliche Frässtifte der vorgenannten Art haben den Nachteil, dass sie insbesondere bei der Bearbeitung von Aluminium und anderen nicht-eisenhaltigen Materialien, aber auch bei eisenhaltigen Materialien, kein optimales Zerspanungsverhalten bieten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Frässtift mit einer verbesserten Gesamtleistung insbesondere bei der Bearbeitung von Aluminium und anderen nicht-eisenhaltigen Materialien, aber auch bei eisenhaltigen Materialien, zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Frässtift mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Auch wird diese Aufgabe gelöst durch entsprechende Verwendungen eines solchen Frässtifts.
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Die Erfindung schlägt erstmals die Ausgestaltung von Frässtiften mit einer zweiten Freifläche vor, die sich an eine dann als erste Fräsfläche zu bezeichnende Fräsfläche anschließt. Solche zweiten Freiflächen sind bisher nur bei Schaftfräsern bekannt. Für Frässtifte wurde bisher noch nicht erkannt, dass eine zweite Freifläche, Vorteile bringt. Bei Frässtiften lag der Fokus bisher auf der Schneidcharakteristik der Frässtifte und ihrer Zerspanungsleistung.
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Erfindungsgemäß liegt der erste Freiwinkel im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser (mit anderen Worten: im Bereich des größten Durchmessers des Fräsabschnitts) im Bereich von 6° bis 20° und der zweite Freiwinkel im Bereich von 8° bis 30°, wobei der zweite Freiwinkel größer ist als der erste Freiwinkel, um einen Freiraum hinter der ersten Freifläche zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung verbessert der Einsatz von zweiten Freiflächen in Frässtiften aufgrund des hierdurch geschaffenen Spanraums hinter der ersten Freifläche signifikant die Spanabfuhr während des Bearbeitungsprozesses. Die zweite Freifläche hilft somit bei der effizienten Abfuhr von Spänen und verhindert, dass sich Späne ansammeln, die zu Werkzeugschäden oder schlechter Oberflächengüte des Werkstücks führen könnten. Auch verringert die zweite Freifläche die Reibung zwischen dem Frässtift und der bearbeiteten Oberfläche, da durch die Schaffung von Freiraum die Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück verkleinert wird, wodurch die Wärmeentwicklung und der Verschleiß des Werkzeugs deutlich reduziert werden. Hierdurch wird auch eine verbesserte Oberflächengüte, d.h. eine glattere Oberfläche, erreicht. Schließlich kann durch die effektive Spanabfuhr und die reduzierte Reibung die Lebenszeit des Frässtifts vergrößert werden.
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Die erste Freifläche kann auch als primäre Freifläche oder Primärfreifläche bezeichnet werden und die zweite Freifläche als sekundäre Freifläche oder Sekundärfreifläche. Dementsprechend kann der erste Freiwinkel auch als primärer Freiwinkel oder Primärfreiwinkel bezeichnet werden und der zweite Freiwinkel als sekundärer Freiwinkel oder Sekundärfreiwinkel.
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Der Begriff „im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser“ wird verwendet, um einen einheitlichen Bezugspunkt auch bei unterschiedlichen Geometrien der erfindungsgemäßen Frässtifte zu haben. Somit können beispielsweise sowohl bei einem zylindrischen als auch einem kugelförmigen Fräsabschnitt die erfindungsgemäßen Merkmale identifiziert werden. Etwas weniger präzise, für den Fachmann aber verständlich, könnte die Bezeichnung „Grundkörper des Fräsabschnitts“ gewählt werden, insbesondere zur Abgrenzung vom Bereich der Frässpitze.
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Es hat sich als Vorteil für die Spanabfuhr erwiesen, wenn der erste Freiwinkel im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser im Bereich von 5° bis 18° liegt und hierbei vorzugweise im Bereich von 12° bis 15°.
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Gleiches gilt auch, wenn der zweite Freiwinkel im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser im Bereich von 13° bis 27° liegt, vorzugweise im Bereich von 20° bis 23° - auch hier unter der Bedingung, dass der zweite Freiwinkel größer ist als der erste Freiwinkel.
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In Versuchen wurde zudem ermittelt, dass es einer verbesserten Spanabfuhr gleichfalls zugutekommt, wenn die Breite der ersten Freifläche im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser im Bereich von 0,2 mm bis 2 mm liegt, vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 1,6 mm.
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In diesem Zusammenhang hat es sich ebenfalls von Vorteil erwiesen, dass die Breite der zweiten Freifläche im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser im Bereich von 0,3 mm bis 2 mm liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 1,6 mm.
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Die o.g. Größenwahl hinsichtlich Winkel und Breite der ersten und zweiten Freiflächen haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um bei insbesondere der Bearbeitung von Aluminiumoberflächen und Oberflächen anderer eisenfreien Materialien einerseits hervorragende Zerspanungsleistungen und andererseits einen hervorragenden Spanabtrag zu erzielen.
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Aber auch bei der Bearbeitung von eisenhaltigen Oberflächen hat sich der erfindungsgemäße Frässtift hinsichtlich Zerspanungsleistung und Spanabtrag generell als sehr vorteilhaft erwiesen.
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Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass sie zwei Freiflächen zur Verfügung stellt. Es ist ebenso möglich, dass sich an die zweite Freifläche in Umfangsrichtung des Fräsabschnitts eine dritte Freifläche und optional an diese eine vierte Freifläche und weiter optional eine oder mehrere weitere Freiflächen anschließen. Im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser verläuft die dritte Freifläche in einem dritten Freiwinkel und die optionale vierte Freifläche in einem vierten Freiwinkel. Hierdurch kann ein weiter verbesserter Freiraum zur Spanentfernung zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafterweise liegt der dritte Freiwinkel im Bereich von 10° bis 40°, vorzugsweise im Bereich von 20° bis 30°, und ist größer als der zweite Freiwinkel. Der optionale vierte Freiwinkel liegt hierbei im Bereich von mehr als 10° und 60°, vorzugsweise im Bereich von 22° bis 42° und besonders bevorzugt im Bereich von 30° bis 35°, und ist größer als der dritte Freiwinkel. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Breite der dritten Freifläche im Bereich von 0,3 mm bis 2 mm liegt, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 1,6 mm. Die Breite der optionalen vierten Freifläche liegt vorzugsweise im Bereich von 0,3 mm bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 1,6 mm.
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Gute Zerspanungsleistungen bei nur kleinem Verschleiß wurden bei Spanwinkeln an den Schneidkanten im Bereich zwischen -10° und +25° erzielt, vorzugsweise im Bereich von -5° bis 20° und besonders bevorzugt im Bereich von 0° bis 15°, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 5° bis 15°. Vorgenannte positive Spanwinkel haben sich insbesondere bei der Bearbeitung von weicheren Materialien wie Aluminium als vorteilhaft erwiesen. Ein negativer Spanwinkel kann bei der Bearbeitung von eisenhaltigen Materialien wie Stahl vorteilhaft sein.
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Der Spanwinkel kann konstant sein oder, in den genannten Bereichen, über die Fräslänge variieren. Es kann dementsprechend vorteilhaft sein, wenn sich der Spanwinkel entlang des Verlaufs der Hauptnuten ändert. Zum Beispiel könnte der Spanwinkel im Bereich der Frässpitze des Frässtifts 5° betragen, in der Mitte seines Fräsabschnitts 10° und an seiner dem Schaft zugewandten Seite 7° oder auf 5° zurückgehen. Variable Spanwinkel und Steigungen können helfen, Vibrationen bei der Materialbearbeitung zu reduzieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Art der Ausgestaltung ist der erste Drallwinkel positiv und liegt im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser im Bereich von 15° bis 50°, vorzugsweise im Bereich von 30° bis 35. Der erste Drallwinkel kann hierbei konstant sein oder variieren. Im letzteren Fall variiert der erste Drallwinkel vorzugsweise im Bereich von 15° bis 40°.
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Gemäß einer Alternative ist der erste Drallwinkel negativ und liegt im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser im Bereich von -10° bis -50°, vorzugsweise im Bereich von -30° bis -35°. Auch hier kann der erste Drallwinkel konstant sein oder variieren.
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Bevorzugt beträgt die Anzahl der Hauptnuten, insbesondere bei einem maximalen Durchmesser des Fräsabschnitts (Kopfdurchmesser) von 12 mm oder 12,7 mm oder weniger, nicht mehr als 12 und vorzugsweise nicht mehr als 10. Besonders bevorzugt weist der Frässtift nicht mehr als 8 Hauptnuten auf und beispielsweise nicht mehr als 6. Eine Ausführung, die sich insbesondere für u.a. Aluminium als in bestimmten Fällen vorteilhaft erwiesen hat, weist 5 Hauptnuten auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Frässtiften ist dies eine geringe Zahl, die sich jedoch in vielen Fällen als vorteilhaft erwiesen hat.
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Insbesondere bei der Bearbeitung von eisenfreien Materialien bzw. Oberflächen hat sich die Wahl von einer relativ geringen Anzahl an Hauptnuten, nämlich bis zu 12, beispielsweise 10 oder 8 oder 6 oder 5, als vorteilhaft erwiesen, insbesondere bei einem maximalen Durchmesser des Fräsabschnitts bis zu 12 mm bzw. 12,7 mm.
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Bei einem größeren maximalen Durchmesser des Fräsabschnitts, beispielsweise von 16 mm oder 20 mm, kann es vorteilhaft sein, die Anzahl der Hauptnuten größer zu wählen im Vergleich zu einem 12 mm oder 12,7 mm maximalen Durchmesser. In solchen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, mindestens 10 und vorzugsweise mindestens 14 Hauptnuten vorzusehen, beispielsweise 18 oder 20 Hauptnuten oder noch mehr.
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Die Hauptnuttiefe im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,9 bis 1,35 mm.
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Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen verlaufen zusätzlich zu den Hauptnuten Sekundärnuten durch die Schneiden, wobei sich die Sekundärnuten entlang der Fräslänge in einer zweiten Drallrichtung helixförmig mit einem zweiten Drallwinkel mit geändertem Vorzeichen gegenüber dem ersten Drallwinkel erstrecken, wobei die Tiefe der Sekundärnuten 1% bis 100% der Tiefe der Hauptnuten beträgt, vorzugsweise 5% bis 50%. Solche Ausführungen sind auch unter dem Begriff „cross-cut“ bekannt und können auch als „Doppelschnitt“ übersetzt werden. Durch die sich überschneidenden Nutverläufe entstehen mehr Schneidkanten entlang der Länge und des Umfangs des Frässtifts, was seine Schneid- und Abtrageffizienz in mehreren Richtungen und somit die Leistung im Vergleich zu Frässtiften mit nur Schneidkanten in einer Richtung erhöht.
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Die erfindungsgemäßen Frässtifte können generell die Form einer rechtsgängigen Spirale (Schneiden verlaufen spiralförmig nach rechts oben, gesehen von der Frässpitze zum Schaftabschnitt) und einen Rechtsschnitt (Materialabtrag durch die Schneiden bei Drehrichtung im Uhrzeigersinn, gesehen von der Frässpitze zum Schaftabschnitt) aufweisen. Es ist auch möglich, erfindungsgemäße Frässtifte mit einer linksgängigen Spirale und einem rechtsgängigen Schnitt herzustellen. Eine weitere Option ist eine linksgängige Spirale mit einem linksgängigen Schnitt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsart weist der Frässtift in jeder Schneide eine Mehrzahl von Spanbrechern (im Englischen: chip breaker) auf. Die Spanbrecher besitzen eine Tiefe, die im Folgenden Spanbrechertiefe genannt wird, und sich vorzugsweise helixförmig in einer dritten Drallrichtung mit einem dritten Drallwinkel entlang des Fräsabschnitts erstrecken. Der dritte Drallwinkel wird zwischen einer Tangente an die Verbindungslinie von in aufeinanderfolgenden Freiflächen vorgesehener benachbarter, aber zueinander schräg versetzter Spanbrecher und der genannten Parallelen zur Rotationsachse gemessen. Die erste Drallrichtung verläuft in Drehrichtung des Frässtifts, während die dritte Drallrichtung entgegengesetzt zur ersten Drallrichtung und damit auch entgegen der Drehrichtung des Frässtifts verlaufen kann; der dritte Drallwinkel ist dann negativ. Alternativ kann die dritte Drallrichtung auch in Drehrichtung des Frässtifts verlaufen, wobei der dritte Drallwinkel dann positiv ist.
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Die Funktion der Spanbrecher besteht einerseits in der Kontrolle der Spanbildung und andererseits in der Reduzierung des Schneidwiderstands. Wenn die Späne in eine günstige Länge gebrochen werden können, wickeln sie sich nicht um das Werkstück, Vibrationen werden unterdrückt und die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung des Frässtifts sinkt. Ein niedriger Schneidwiderstand verhindert ein frühzeitiges Brechen der Schneidkante aufgrund von Vibrationen. Auch trägt ein niedriger Schneidwiderstand zur Reduzierung der Last und der Wärmeentwicklung bei und kann den Verschleiß verzögern.
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Wenn Spanbrecher in den Schneidflächen vorhanden sind, weisen diese im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser vorzugsweise eine Spanbrechertiefe im Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm auf. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Spanbrechertiefe im Bereich des Fräsabschnitts mit dem größten Durchmesser vorteilhafterweise bis zu 80% der Hauptnuttiefe, besonders bevorzugt im Bereich von 5% bis 25% und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 10% bis 20% der Hauptnuttiefe.
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Die Spannbrecher erstrecken sich in Umfangsrichtung des Fräsabschnitts vorzugsweise nicht nur über die erste Freifläche, sondern auch über die zweite Freifläche (und ggf., falls vorhanden, auch über die dritte und ggf., falls vorhanden, auch über weitere Freiflächen).
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Der Abstand (der sog. Pitch) von benachbarten Spanbrechern entlang jeder Schneide liegt vorteilhafterweise im Bereich von 0,5 mm bis 7 mm, vorzugsweise im Bereich von 3 mm bis 6 mm.
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Besonders bevorzugt ist die erste Freifläche mittels eines tangentialen Schliffs hergestellt worden. Hierbei wird die erste Freifläche in einem Winkel von 90° zur Schleifscheibe, die meistens Diamant-beschichtet ist, geschliffen. Es resultiert eine erste Freifläche, die tangential zur Schneidkante des Bohrers angeordnet ist. Der Zweck der tangentialen Freifläche ist es, einen vergrößerten Freiraum zwischen der Schneide und dem bearbeiteten Material zu schaffen. Dieser Abstand verbessert die Spanabfuhr und verringert die Reibung sowie die Wärmeentwicklung, wodurch ein vorzeitiger Verschleiß verhindert und die Lebensdauer der Schneide verlängert wird. Alternativ oder zusätzlich ist auch die zweite Freifläche tangential geschliffen.
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Alternativ sind auch andere Schleifgeometrien möglich. Gemäß einem entsprechenden Beispiel wird die erste Freifläche mit einem radialen Schliff hergestellt; die resultierende radiale Freifläche bildet hierbei einen festen Winkel mit der Rotationsachse des Frässtifts.
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Auch die zweite und ggf. weitere vorhandene Freiflächen können einen tangentialen Schliff aufweisen. Auch hier sind alternative Schliffe möglich, insbesondere radiale oder gerade Schliffe. Es ist auch möglich, dass die Schliffe für verschiedene Freiflächen unterschiedlich sind, also die erste Freifläche beispielsweise einen tangentialen Schliff und die zweite Freifläche einen radialen Schliff aufweist.
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Bei allen vorgenannten angegebenen Unter- und Obergrenzen für Parameterwerte sind diese nicht als jeweils geschlossene bzw. fixe Paare anzusehen. So kann z.B. die bevorzugte Untergrenze eines genannten Wertepaares mit der Obergrenze eines anderen genannten Wertepaares einen weiteren vorteilhaften Bereich darstellen.
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Die Fräsabschnitte der erfindungsgemäßen Frässtifte können mit verschiedenen Beschichtungen versehen werden, die zu einer Reduzierung des Verschleißes und einer Erhöhung der Lebensdauer beitragen. Solche Spezialbeschichtungen können z.B. aus TiN, TiAIN, AlTiN, DLC, CH-NFE und CH-FEP bestehen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines wie oben beschriebenen Frässtifts in einem elektrisch oder pneumatisch betriebenen, in der Hand zu haltenden Werkzeug, um insbesondere eine eisenfreie Oberfläche insbesondere zu entgraten, formen, schleifen und/oder zu endbearbeiten.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Verwendung besteht die zu bearbeitende Oberfläche aus Aluminium oder Titan oder einer Legierung mit diesen Werkstoffen oder aus verstärktem Kunststoff. Insbesondere hat sich der erfindungsgemäße Frässtift als hervorragend zur Bearbeitung von eisenfreien Werkstoffe erwiesen.
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Die Verwendung des erfindungsgemäßen Frässtifts ist allerdings nicht auf die Bearbeitung von eisenfreien Oberflächen beschränkt. Bei einer Änderung der Geometrie des Frässtifts ist auch die Bearbeitung von eisenhaltigen Oberflächen möglich und vorteilhaft.
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Es versteht sich, dass unterschiedliche Geometrien der Fräsabschnitte mit unterschiedlichen Zahlenwerten in Bezug auf die genannten physikalischen Größen (Drallwinkel, Freiwinkel, Spanwinkel, Spanbrechertiefe, Anzahl Hauptnuten) innerhalb der beanspruchten Bereiche zu einem jeweils optimalen Ergebnis hinsichtlich Zerspanungsleistung und Lebensdauer der Frässtifte führen. Anknüpfend an das oben Gesagte sind beispielsweise die Geometrien von erfindungsgemäßen Frässtiften entsprechend für die Bearbeitung von eisenfreien Oberflächen oder entsprechend für die Bearbeitung von eisenhaltigen Oberflächen zu wählen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Frässtifts;
- 2 eine Vorderansicht auf den Frässtift der 1;
- 3 Querschnittsansicht entlang A-A in 1;
- 4 eine Detailvergrößerung B der 3;
- 5 eine zweite Ausführungsform eines Frässtifts mit einem sog. Cross-cut;
- 6 eine dritte Ausführungsform eines Frässtifts mit Spannbrechern, und
- 7 eine vierte Ausführungsform mit einer dritten Freifläche.
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Wenn im Folgenden von Zahlenwerten und Bereichen von Zahlenwerten in Bezug auf den in den Figuren gezeigten Frässtift die Rede ist, beziehen sich diese grundsätzlich - soweit nicht ausdrücklich anderes gesagt wird oder offensichtlich ist - auf den Bereich des Fräsabschnitts des Frässtifts mit dem größten Durchmesser.
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In den 1-4 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Frässtifts 1 dargestellt, wie er sich insbesondere für die Bearbeitung von weicheren Materialien wie beispielsweise Aluminium als vorteilhaft erwiesen hat. Gemäß der Seitenansicht der 1 weist der Frässtift 1 einen zylindrischen Schaftabschnitt 2 und einen vorliegend im Wesentlichen konusförmigen Fräsabschnitt 4 auf, wobei letzterer eine Fräslänge f aufweist und in einer Frässpitze 6 endet. Der Schaftabschnitt 2 dient zum Befestigen in einem insbesondere per Hand betätigten Werkzeug, das den Schaftabschnitt 2 und damit den gesamten Frässtift 1 in eine Drehrichtung 9 in Rotation versetzt, um ein insbesondere metallenes, eisenfreies Werkstück zu schleifen. Hierzu sind der Schaftabschnitt 2 und der Fräsabschnitt 4 drehsymmetrisch zu einer Rotationsachse 8 ausgebildet.
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Zumindest der Fräsabschnitt 4 besteht aus Hartmetall, vorzugsweise aus einem Karbid-Werkstoff, insbesondere aus Wolframkarbid. Der Schaftabschnitt 2 kann ebenfalls - was auch bevorzugt ist - aus Hartmetall bestehen und ist dann vorzugsweise einteilig mit dem Fräsabschnitt 4 ausgebildet; alternativ ist der Schaftabschnitt 2 aus Stahl gefertigt, wobei dann der Schaftabschnitt 2 mit dem Fräsabschnitt 4 beispielsweise durch Hartlöten verbunden ist. Der Fräsabschnitt 4 kann unterschiedliche Geometrien aufweisen. Anstelle eines im Wesentlichen konus- bzw. kegelförmigen Querschnitts kann der Fräsabschnitt 4 mit einem konstanten oder kugelförmigen Querschnitt ausgebildet sein. Viele weitere Formen sind möglich, ebenso wie Mischformen, die dem Fachmann allesamt bekannt sind.
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Am Fräsabschnitt 4 wechseln sich in Drehrichtung 9 des Frässtifts 1 Schneiden 10 und Hauptnuten 14 ab, wobei diese Schneiden 10 und Hauptnuten 14 entlang des Fräsabschnitts 4, gesehen in Richtung der Frässpitze 6, in einer Drallrichtung 16 helixförmig mit einem ersten, hier konstanten Drallwinkel α von ca. 32° verlaufen (s. 1). Der Drallwinkel α wird - im Bereich des Fräsabschnitts 4 mit dem größten Durchmesser, hier also im Bereich des Übergangs vom Fräsabschnitt 4 zum Schaftabschnitt 2 - zwischen einer an die Schneidkante 12 (s.u.) einer Schneide 10 angelegten Tangente und einer Parallelen zur Rotationsachse 8 gemessen. Die erste Drallrichtung 16 verläuft hierbei - mit Blickrichtung zur Frässpitze 6 - in Drehrichtung 9. Die Anzahl der Hauptnuten 14 ist niedrig gewählt und nicht größer als 12. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, das einen Frässtift 1 mit einem maximalen Durchmesser von 12 mm oder 12,7 mm (1/2 Inch bzw. 1/2") zeigt, sind lediglich fünf Hauptnuten 14 und damit auch lediglich fünf Schneiden 10 vorhanden, siehe auch die Draufsicht der 2.
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Der Drallwinkel α liegt, im Bereich des Fräsabschnitts 4 mit dem größten Durchmesser, vorzugsweise im Bereich von 15° bis 50°, vorzugsweise im Bereich von 22° bis 42° und besonders bevorzugt im Bereich von 30° bis 35°. Auch sind Ausführungsformen möglich, bei denen zumindest zwei aufeinanderfolgende Schneiden 10 einen voneinander verschiedenen Drallwinkel α aufweisen, beispielsweise mit einem 0,5°, 1° oder 2° voneinander verschiedenen Drallwinkel α.
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Wie insbesondere in der Schnittansicht der 3 und in der Detailvergrößerung B der 4 gezeigt ist, weist jede der Schneiden 10 eine Schneidkante 12 auf. Auf der der Drehrichtung 9 des Frässtifts 1 zugewandten Seite jeder Schneidkante 12 ist bekanntermaßen eine Spanfläche 20 vorhanden, die einen Spanwinkel γ mit einer senkrecht zur und durch die Rotationsachse 8 des Frässtifts 1 verlaufenden Geraden G bildet (vgl. 3).
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Auf der in Drehrichtung 9 abgewandten Seite jeder Schneidkante 12 ist eine erste Freifläche 24 (im Englischen: primary relief) vorhanden, die einen ersten Freiwinkel δ mit einer an der Schneidkante 12 anliegenden Tangente T bildet, wobei diese Tangente T an einen die Schneidkanten 12 berührenden imaginären Kreis angelegt ist, die senkrecht zur Geraden G verläuft (vgl. 3). Erfindungsgemäß schließt sich an die erste Freifläche 24 entgegen der Drehrichtung 9 eine zweite Freifläche 26 (im Englischen: secondary relief) an, die einen zweiten Freiwinkel ε mit der besagten an der Schneidkante 12 anliegenden Tangente T bildet.
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Der erste Freiwinkel δ liegt bei dem in den Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiel bei ca. 15° und gemäß der Erfindung generell im Bereich von 6° bis 20°, vorzugsweise im Bereich von 5° bis 18° und besonders bevorzugt im Bereich von 12° und 15°. Die Freifläche 24 weist vorzugsweise eine Breite a, gemessen in Drehrichtung 9 des Frässtifts 1, im Bereich von 0,2 mm bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 1,6 mm auf (s. 4).
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Der zweite Freiwinkel ε liegt bei dem in den Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiel bei ca. 21 ° und gemäß der Erfindung generell im Bereich von 8° bis 30°, vorzugsweise im Bereich von 13° bis 27° und besonders bevorzugt im Bereich von 20° bis 23°. Der zweite Freiwinkel ε ist stets größer als der erste Freiwinkel δ. Die zweite Freifläche 26 weist vorzugsweise eine Breite b, gemessen in Drehrichtung 9 des Frässtifts 1, im Bereich von 0,3 mm bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 1,6 mm auf.
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Die erste Freifläche 24 ist vorteilhafterweise mittels eines tangentialen Schliffs hergestellt. Alternativ oder zusätzlich kann auch die zweite Freifläche 26 (und weitere, sich ggf. anschließenden Freiflächen, s.u.) mit einem tangentialen Schliff produziert werden. Alternativ können eine oder mehrere der Freiflächen 24, 26, 28 (s. hierzu unten) auch einen radialen oder einen geraden Schliff aufweisen.
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Der Spanwinkel γ liegt bei dem in den Figuren abgebildeten Ausführungsbeispiel bei ca. +7° und liegt vorteilhafterweise im Bereich zwischen von -10° bis +25° und hierbei vorzugsweise im Bereich von -5° bis +20° und besonders bevorzugt im Bereich von 0° bis +15°. Der Bereich von +5° bis +15° hat sich als besonders geeignet erwiesen. Auch variable Spanwinkel über die Länge von einzelnen oder allen Schneiden 10 sind möglich.
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Die Hauptnuttiefen, d.h. die Tiefen der Hauptnuten 14, liegen im Bereich des Fräsabschnitts (4) mit dem größten Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,9 bis 1,35 mm.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der in den 5 und 6 dargestellten alternativen Ausführungsbeispiele werden für Merkmale, die im Vergleich zu dem in 1-4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise gleich sind, dieselben Bezugszeichen verwendet. Sofern nichts Abweichendes erläutert wird, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und/oder Wirkweise der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale.
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In der 5 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Frässtifts 1 dargestellt, bei der in jeder Schneide 10 mehrere entlang des Verlaufs der jeweiligen Schneide 10 beabstandete Sekundärnuten 30 vorgesehen sind. Diese Sekundärnuten 30 verlaufen in einer zweiten Drallrichtung 32 helixförmig mit einem zweiten Drallwinkel β - gemessen zwischen einer Tangente an eine Verbindungslinie von in benachbarten Schneiden 10 vorgesehener, aber zueinander schräg versetzter Sekundärnuten 30 und einer Parallelen zur Rotationsachse 8 - mit geändertem Vorzeichen gegenüber dem ersten Drallwinkel α der Hauptnuten 14. Die Tiefe der Sekundärnuten 30 beträgt 1% bis 100% der Tiefe der Hauptnuten 14 und liegt vorzugsweise im Bereich von 5% bis 50%. Die Ausführung mit den Sekundärnuten 30 wird auch als Cross-cut oder Zweischneiden-Ausführungen bezeichnet. Durch die sich überschneidende Verläufe der Hauptnuten 14 und der Sekundärnuten 30 entstehen mehr Schneidkanten am Fräsabschnitt 4 gegenüber der Ausführung der 1-4, womit Schneid- und Abtrageffizienz gesteigert werden können. Der zweite Drallwinkel β liegt, im Bereich des Fräsabschnitts 4 mit dem größten Durchmesser, vorzugsweise im Bereich von -15° bis -50°, vorzugsweise im Bereich von -22° bis -42° und besonders bevorzugt im Bereich von -30° bis -35°.
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In der 6 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Frässtifts 1 dargestellt, bei der in jeder Schneide 10 - und vorliegend sowohl in jeweils der ersten Freifläche 24 als auch der zweiten Freifläche 26 der Schneiden 10 - mehrere Spanbrecher 34 (im Englischen: chip breaker) entlang des Verlaufs jeder Schneide 10 vorgesehen sind. Die Spanbrecher 34 weisen jeweils eine Spanbrechertiefe auf, die im Vergleich zur Hauptnuttiefe h gering ist. Beispielsweise beträgt die Tiefe der Spanbrecher 34 im Bereich zwischen 5% und 25% der Hauptnuttiefe h und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10% und 20% der Hauptnuttiefe h. Die Spanbrecher 34 benachbarter Schneiden 10 folgen aufeinander in Form einer Helix, die sich in einer dritten Drallrichtung 36, die der ersten Drallrichtung 16 und damit auch der Drehrichtung 9 entgegengesetzt ist. Der dritte Drallwinkel ω wird auch hier zwischen einer Tangente an eine Verbindungslinie von in aufeinanderfolgenden Schneiden 10 vorgesehener benachbarter, aber zueinander schräg versetzter Spanbrecher 34 und einer Parallelen zur Rotationsachse 8 gemessen. Der auf diese Weise gebildete dritte Drallwinkel ω ist, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der 6 dargestellt, vorzugsweise konstant. Er liegt vorteilhafterweise im Bereich zwischen -65° und -88°; der dritte Drallwinkel o) kann aber auch positiv sein und vorteilhafterweise zwischen +65° und +88° liegen.
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Die Anzahl der Spanbrecher 34 entlang einer Schneidkante 12 ist von der Fräslänge f, dem Durchmesser des Fräsabschnitts 4 und/oder der Anzahl der Schneiden 10 abhängig. Die Anzahl der Spanbrecher 34 entlang einer Schneide 10 liegt beispielsweise zwischen vier und acht, zum Beispiel bei fünf oder sechs. Der Abstand von benachbarten Spanbrechern 34 entlang der Schneiden 10 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 7 mm, beispielsweise im Bereich von 3 mm bis 6 mm.
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In der 7 ist ein Ausschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels gezeigt, bei dem exemplarisch eine dritte Freifläche 28 sich an die zweite Freifläche 26 entgegen der Drehrichtung 9 des Frässtifts 1 anschließt. Die übrigen Merkmale des Frässtifts 1 gemäß dieser Ausführungsform entsprechen denjenigen der anderen Ausführungsformen. Die dritte Freifläche 28 bildet mit der Tangente T an die Schneidkante 12 einen dritten Freiwinkel ζ, der größer ist als der zweite Freiwinkel ε (der wiederum größer ist als der erste Freiwinkel δ, s.o.). Die dritte Freifläche 28 weist vorzugsweise eine Breite c, gemessen in Drehrichtung 9 des Frässtifts 1, im Bereich von 0,3 mm bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 1,6 mm auf.
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Mischformen der Ausführungsbeispiele der 1-7 sind im Übrigen möglich.
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Die für die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen angegebenen Werteangaben (insbesondere zu den Freiwinkeln δ, ε, ζ, den Freiflächen 24, 26, 28 und zum Spanwinkel y) beziehen sich auf den Bereich des Fräsabschnitts 4 mit dem größten Durchmesser, d.h. vorliegend auf den Bereich kurz vor dem Übergang zwischen dem Fräsabschnitt 4 zum Schaftabschnitt 2. Auf diese Weise wird ein einheitlicher Bezugspunkt angegeben, der auch für Fräsabschnitte 4 mit einer unterschiedlichen Geometrie (beispielsweise kugelkopfförmig) gilt. Etwas weniger präzise, für den Fachmann aber auch verständlich, könnte die Bezeichnung „Grundkörper des Fräsabschnitts 4“ gewählt werden, insbesondere zur Abgrenzung vom Bereich der Frässpitze 6.
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Die 1-7 zeigen einen beispielhaften Frässtift 1 mit einem konusförmigem Fräsabschnitt 4. Andere Geometrien des Fräsabschnitts 4 sind ohne Weiteres auch möglich, z.B. zylindrische, kugelförmige, kegelförmige, kegelförmige mit abgerundeter Frässpitze, zapfenförmige, usw.
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Der erfindungsgemäße Frässtift 1 ist besonders geeignet für das Entgraten, Formen, Schleifen und Endbearbeiten von eisenfreien Oberflächen wie beispielsweise Aluminium. Bei Anpassung von einigen Parametern lassen sich aber auch eisenhaltige Werkstoffe, beispielsweise Stähle, bearbeiten, beispielsweise durch eine größere Anzahl an Hauptnuten 14 (d.h. mehr oder auch wesentlich mehr als die fünf Hauptnuten 14 gemäß der 1-7) und die Wahl eines negativen Spanwinkels γ.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Frässtift
- 2
- Schaftabschnitt
- 4
- Fräsabschnitt
- 6
- Frässpitze
- 8
- Rotationsachse
- 9
- Drehrichtung
- 10
- Schneiden
- 12
- Schneidkante
- 14
- Hauptnuten
- 16
- erste Drallrichtung
- 20
- Spanfläche
- 24
- Erste Freifläche
- 26
- Zweite Freifläche
- 28
- Dritte Freifläche
- 30
- Sekundärnuten
- 32
- zweite Drallrichtung
- 34
- Spanbrecher
- 36
- dritte Drallrichtung
- f
- Fräslänge
- h
- Hauptnuttiefe
- a
- Breite der ersten Freifläche
- b
- Breite der zweiten Freifläche
- c
- Breite der dritten Freifläche
- G
- Gerade durch Rotationsachse
- T
- Tangente
- B
- Detailvergrößerung
- α
- erster Drallwinkel
- β
- zweiter Drallwinkel
- ω
- dritter Drallwinkel
- γ
- Spanwinkel
- δ
- Erster Freiwinkel
- ε
- Zweiter Freiwinkel
- ζ
- Dritter Freiwinkel