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Die Erfindung betrifft ein Fräswerkzeug
zur spanabhebenden Bearbeitung, das wenigstens eine Schneide aufweist
und rotierend antreibbar ist.
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Die bekannten Fräser dieser Art bestehen aus
Metall, in der Regel aus Kobalt enthaltendem Hartmetall. Diese Fräser haben
sich in der Metallbearbeitung bewährt. Zur Bearbeitung fragiler
Werkstücke
aus Kunststoff und dergleichen sind die bekannten Fräser jedoch
ungünstig.
In diesem Zusammenhang ist davon auszugehen, dass die bekannten
Metallfräser
vergleichsweise schwer sind, so dass die Antriebsgeschwindigkeit
zur Vermeidung von Schäden
an der Spindellagerung begrenzt ist, was einen vergleichsweise geringen
Vorschub bedingt. Die Folge davon sind nicht nur lange Bearbeitungszeiten, sondern
insbesondere vergleichsweise hohe Schnittkräfte, wodurch fragile Werkstücke beschädigt werden
können.
Die hohen Schnittkräfte
führen
in Verbindung mit den vergleichsweise geringen Schnittgeschwindigkeiten
außerdem
dazu, dass die Zerspanungsenergie noch während der Bildung eines Spans
zu einer starken Erwärmung
des Spans und zu einer starken Wärmeübertragung
auf das Werkzeug und das Werkstück
führt.
Die Erwärmung
des Werkzeugs kann eine unzulässige
Erwärmung
der benachbarten Maschinenteile hervorrufen und zu einem Fressen
der Spindellager oder ähnlichen
Schäden
führen.
Die Erwärmung
des Werkstücks
ist aber bei aus Kunststoff bestehenden bzw. Kunststoff enthaltenden
Werkstücken
besonders ungünstig.
In diesem Zusammenhang ist nämlich
davon auszugehen, dass viele Kunststoffe einen Binder enthalten,
der bei bestimmten Temperaturen frei wird. Dabei besteht die Gefahr
einer Vermischung mit dem bei der Zerspanung entstehenden, nicht
vermeidbaren Staub, was zu einem Zusetzen des Span raums führen kann. Die
Folge davon sind Störungen
des Zerspanungsvorgangs. Außerdem
können
Kunststoffe eine Säure enthalten,
die im Falle einer Erwärmung
ebenfalls frei wird und den Fräser
angreifen kann. Die Folge davon ist ein schneller Verschleiß der bekannten
Metallfräser.
Diese sind daher zur Bearbeitung fragiler, aus Kunststoff bestehender
oder Kunststoff enthaltender Werkstücke nicht geeignet. Gerade
bei der Verarbeitung von solchen Kunststoffen, die nicht gestanzt werden
können,
ist es jedoch erforderlich, Werkstücke mittels eines Fräsers im
sogenannten Zirkularbohr-Verfahren aus einem Halbzeug auszuschneiden.
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In der
DE 199 26 366 A1 wird zwar
zur Herstellung der bei einer Chipkarte vorgesehenen Formtasche
ein zumindest im Bereich der Schneide aus Keramik bestehender Stichel
vorgeschlagen, der durch die beim Bearbeitungsvorgang frei werdende Säure nicht
angegriffen werden kann. Bei einem Stichel hier vorliegender Art
handelt es sich jedoch um ein Werkzeug, das vergleichsweise langsam
linear bewegt wird und keinen Ersatz für rotierende Fräswerkzeuge
darstellt.
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Hiervon ausgehend ist es daher die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fräswerkzeug eingangs erwähnter Art
zu schaffen, das eine spanabhebende Bearbeitung fragiler, aus Kunststoff
bestehender oder Kunststoff enthaltender Werkstücke mit hoher Geschwindigkeit
ermöglicht
und dabei nicht nur die Erzielung einer hohen Oberflächengüte gewährleistet,
sondern auch eine hohe Standzeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass zur spanabhebenden Bearbeitung zumindest teilweise aus Kunststoff
bestehender Materialien zumindest die wenigstens vorgesehene, eine
Schneide aus keramischem Material besteht und eine Schneidengeometrie
mit einem Keilwinkel von höchstens
40° aufweist.
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Mit diesen Maßnahmen wird die vorstehend genannte
Aufgabe auf höchst
einfache und kostengünstige
Weise gelöst.
Das keramische Material er möglicht
infolge seiner geringen Korngröße die Herstellung
sehr scharfer Schneiden. In Verbindung mit dem vergleichsweise kleinen
Keilwinkel von maximal 40° führt dies
zu vergleichsweise geringen Schnittkräften. Dieser Vorteil wird dadurch
noch verstärkt, dass
infolge des vergleichsweise geringen Gewichts des keramischen Materials
auch sehr hohe Drehzahlen von 60.000 U/min aufwärts möglich sind, ohne die Spindellager
zu gefährden.
Dies ermöglicht
in vorteilhafter Weise hohe Vorschubgeschwindigkeiten, ohne dass
die Schnittkräfte
unzulässig
hoch würden. Gleichzeitig
führt dies
zur Entstehung vergleichsweise kleiner Späne, die leicht abführbar sind.
Außerdem
ergeben sich sehr feine Bearbeitungsflächen. Dieser Vorteil wird dadurch
noch verschärft,
dass hier Geschwindigkeiten erreicht werden können, die außerhalb
des Resonanzbereichs der Spindelanordnungen liegen, was zu einem
besonders ruhigen Lauf führt.
Außerdem
wird hierdurch die Werkstückbeanspruchung
weitestgehend reduziert, was bei der Bearbeitung fragiler Werkstücke besonders
vorteilhaft ist. Die zu erwartenden, geringen Zerspanungskräfte ermöglichen
in vorteilhafter Weise auch eine leichte Bauweise der Werkstückspannung
und der Spindelanordnung, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die
Genauigkeit und die Gestehungskosten auswirkt.
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Ein weiterer, ganz besonderer Vorteil
der erfindungsgemäßen Maßnahmen
ist darin zu sehen, dass infolge der hohen Schnittgeschwindigkeiten während des
Zerspanungsvorgangs kein nennenswerter Wärmeübergang von den Spänen auf
das Werkstück
bzw. das Werkzeug erfolgen kann. Hierdurch ist sichergestellt, dass
sowohl das Werkstück als
auch das Werkzeug praktisch kalt bleiben, was sich vorteilhaft auf
die erzielbare Oberflächenqualität und die
Vermeidung von Verschleiß auswirkt.
Außerdem
wird hierdurch sichergestellt, dass eine durch das Werkzeug verursachte
Erwärmung
der Spindelanordnung etc. unterbleibt, was eine hohe Funktionssicherheit
gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Folge der unterbleibenden Erwärmung des
zu zerspanenden Kunststoffs ist, dass ein im Kunststoff enthaltender
Binder nicht frei wird und zu keinem Verkleben der Spanräume führen kann
und dass auch keine Säure
frei werden kann, gegen die das aus keramischem Werkstoff bestehende
Werkzeug zwar unempfindlich wäre,
die aber zu einer starken Beeinträchtigung der Arbeitsplatzbedingungen
führen
und andere aus Metall bestehende Gegenstände beschädigen könnte.
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Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
ersichtlich erstmals ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, das eine wirtschaftliche
Fräsbearbeitung
von Kunststoffen bzw. Kunststoff enthaltenden Materialien, insbesondere
die Zirkularbohr-Bearbeitung ermöglicht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und
zweckmäßige Fortbildungen
der übergeordneten
Maßnahmen sind
in den Unteransprüchen
angegeben. So kann der Keilwinkel der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
zweckmäßig im Bereich
zwischen 25° und 40° liegen.
Dies gewährleistet
neben geringen Schnittkräften
eine ausreichend hohe Schneidenstabilität.
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Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin
bestehen, dass der Spanwinkel der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie größer als
20°, vorzugsweise
im Bereich zwischen 25° und
35° liegt. Dies
stellt sicher, dass auch bei ungünstigen
Verhältnissen
eine zuverlässige
Spanabfuhr erfolgt.
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In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen
kann ein umfangsseitiger Arbeitsbereich mit einer Vielzahl von jeweils
eine polygonale Grundfläche
aufweisenden, schuppenartigen Zähnen
vorgesehen sein, deren in Drehrichtung über die Grundfläche vorspringender
Bereich wenigstens eine Schneide mit der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
aufweist. Dies ermöglicht
in vorteilhafter Weise besonders hohe Vorschubgeschwindigkeiten
und führt
dennoch zu vergleichsweise kleinen Spänen, die leicht abführbar sind.
Infolge der Vielzahl der umfangsseitig vorgesehenen Zähne mit
der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
werden in vorteilhafter Weise nicht nur ein besonders ruhiger Lauf
und damit eine hohe Oberflächenqualität erreicht,
sondern auch hohe Standzeiten der Schneiden.
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In weiterer Fortbildung kann gleichzeitig
zumindest eine einem stirnseitigen Arbeitsbereich zugeordnete Linearschneide
mit der erfindungsgemäßen Schneidengeometrie
vorgesehen sein. Dies ermöglicht
eine besonders einfache Bohrbearbeitung und führt daher in Verbindung mit
einer umfangsseitigen Schneidenanordnung zu einem für die Zirkularbohr-Bearbeitung
besonders günstigen
Werkzeug.
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Zweckmäßig kann das erfindungsgemäße Fräswerkzeug
ganz aus keramischem Material bestehen, was insgesamt eine besonders
hohe Biegebruchsicherheit ergibt.
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Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin
bestehen, dass das keramische Material eingefärbt ist. Dabei können beispielsweise
verschiedene Werkzeuge eines Werkzeugsatzes mit unterschiedlichen
Farben eingefärbt
sein, was ein schnelles optisches Erkennen ermöglicht und daher die Arbeitssicherheit
steigert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung
der übergeordneten
Maßnahmen
kann als keramisches Material Zirconoxyd (ZrO2)
und/oder Siliciumnitrit (Si3N4)
vorgesehen sein. Diese Materialien ergeben eine besonders hohe Biegebruchsicherheit.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und zweckmäßige Fortbildungen
der übergeordneten Maßnahmen
sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der
nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.
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In der nachstehend beschriebenen
Zeichnung zeigen: 1 einen
erfindungsgemäßen Fräser mit
umfangsseitiger Riffelschneidenanordnung und stirnseitiger Linearschneidenanordnung,
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2 eine
Variante zu 1 mit konvexer, eine
Riffelschneidenanordnung aufweisender Stirnseite,
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III/III in 1,
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4 eine
Teildraufsicht auf die Riffelschneidenanordnung,
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5 einen
Schnitt entlang der Linie V/V in 4 und
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6 einen
Schnitt entlang der Linie VI/VI in 4.
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Hauptanwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Fräser ist
die Herstellung von aus Kunststoff oder Kunststoff-Verbundwerkstoffen
bestehenden Formteilen, die aus plattenförmigen Halbzeugen im Zirkularbohr-Verfahren ausgeschnitten
werden. Hierzu kann ein Fräser
der in den 1 oder 2 dargestellten Art Verwendung
finden. Der Fräser
gemäß 1 besteht aus einem stiftförmigen Schaft 1,
der an der vorderen Stirnseite mit zwei um 180° gegeneinander versetzten Bohrschneiden 2 versehen
ist und der im hieran anschließenden,
vorderen Umfangsbereich mit nach Art einer umfangsseitigen Riffelung
angeordneten Schneidzähnen 3 ausgestattet ist.
Ein derartiger Fräser
kann in axialer Richtung in eine Platte einstechen und anschließend translatorisch
entlang einer gewünschten
Kontur bewegt werden.
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Der Fräser gemäß 2 besteht ebenfalls aus einem stiftförmigen Schaft 1,
der im Unterschied zur Anordnung gemäß 1 eine konvexe, vordere Stirnseite aufweist
und der sowohl im Bereich der konvexen Stirnseite als auch im hieran
anschließenden,
vorderen Umfangsbereich mit nach Art einer Riffelung angeordneten
Schneidzähnen 3 versehen
ist.
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Die erfindungsgemäßen Fräser bestehen zumindest im mit
Schneiden versehenen Bereich aus keramischem Material. Die dargestellten
Fräser
sol len insgesamt aus keramischem Material bestehen, was die Herstellung
vereinfacht und eine vollständige Einfärbung der
Fräser
ermöglicht.
Dabei können
verschiedene Fräser
eines Werkzeugsatzes bzw. für verschiedene
Fräsbearbeitungen
in Frage kommende Fräser
mit unterschiedlichen Farben eingefärbt sein, was eine schnelle,
optische Erkennbarkeit gewährleistet
und damit eine hohe Bedienungsfreundlichkeit und Arbeitssicherheit
ergibt. Als keramisches Material können insbesondere Zirconoxyd
(ZrO2) und/oder Siliciumnitrit (SI3N4) Verwendung finden. Beide
Materialien besitzen eine hohe Biegebruchsicherheit. Siliciumnitrit
hat dabei den zusätzlichen Vorteil
einer besonders hohen Härte,
Zirconoxyd einer besonders einfachen Verarbeitbarkeit.
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Die Fräser hier vorliegender Art können in
an sich bekannter Weise in rotierend antreibbaren sowie axial und
translatorisch bewegbaren Frässpindeln eingespannt
werden. Der Durchmesser der erfindungsgemäßen Fräser kann 2 bis 20 mm betragen. Bei
Fräsern
im oberen Durchmesserbereich beträgt die Drehzahl 60.000 U/Min.
Bei Fräsern
mit kleinerem Durchmesser liegt die Drehzahl noch höher. Die Vorschubgeschwindigkeit
in axialer bzw. translatorischer Richtung kann 1 m/sec betragen.
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Sämtliche
Schneiden der erfindungsgemäßen Fräser besitzen
eine definierte Schneidengeometrie, die sich durch einen sehr kleinen
Keilwinkel α und
einen vergleichsweise großen
Spanwinkel β auszeichnet.
Der Keilwinkel α beträgt dabei
in jedem Fall höchstens
40°. Eine
untere Grenze liegt bei 25°.
Der Spanwinkel β beträgt in jedem
Fall mehr als 20° und liegt
vorzugsweise im Bereich zwischen 25° und 35°.
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Die stirnseitige Bohrschneide 2 der
Anordnung gemäß 1 besitzt, wie in 3 verdeutlicht ist, einen
Keilwinkel α im
oberen Bereich von etwa 40°.
Der Spanwinkel β beträgt hier
etwa 25°.
Dies ermöglicht
gute Bohrverhältnisse.
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Die nach Art einer Riffelung ausgebildeten Zähne 3 der
Fräser
gemäß 1 und 2 sind, wie aus 4 ersichtlich ist, schuppenartig angeordnet
und ausgebildet, wobei eine polygonale, vorzugsweise rautenartige,
mit in Drehrichtung weisender Ecke angeordnete Grundfläche 4 vorgesehen
ist, über
der sich ein pyramidenförmiger
Zahn 3 mit in Drehrichtung nach vorne weisender Spitze 5 erhebt.
Die an der nach vorne weisenden Spitze zusammenlaufenden Seitenkanten
sind dabei, wie die 4 und 5 zeigen, als Schneiden 6 ausgebildet.
Dasselbe gilt für die
Spitze 5, wie die 4 und 6 erkennen lassen.
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Auch hier liegt die Schneidengeometrie
innerhalb der oben genannten Bereiche, wobei der Keilwinkel α hier, wie
die 5 und 6 zeigen, mehr im unteren
Bereich liegen kann. Der Keilwinkel α der seitlichen Schneiden 6 beträgt im dargestellten
Beispiel, wie der 5 entnehmbar
ist, 25°.
Der Spanwinkel β kann
dabei etwa 30° betragen. Ähnliche
Verhältnisse
liegen, wie aus 6 hervorgeht,
auch an der Spitze 5 vor.
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Vorstehend sind zwar einige bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung im Einzelnen beschrieben, ohne dass jedoch hiermit
eine Beschränkung
verbunden sein soll. Vielmehr stehen dem Fachmann eine Reihe von
Möglichkeiten
zur Verfügung,
um den allgemeinen Gedanken der Erfindung an die Verhältnisse
des Einzelfalls anzupassen. So wäre
anstelle von umfangsseitigen Riffelschneiden selbstverständlich auch
eine umfangsseitige Spiralschneide denkbar.