Zerspanungswerkzeug sowie Verfahren zur Herstellung eines Zerspanungswerkzeugs

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Zerspanungswerkzeug, insbesondere einen Bohrer, mit einem sich in einer Axialrichtung erstreckenden Grundkörper, der einen Außenmantel mit zumindest einer innenliegenden und sich in Axialrichtung erstreckenden Ausnehmung aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Zerspanungswerkzeugs.

Zerspanungswerkzeuge, insbesondere Bohrer weisen üblicherweise einen sich in Axialrichtung erstreckenden Spannschaft auf, an den sich ein üblicherweise genutetes Schneidteil anschließt, das sich bis zu einer vorderen Werkzeugspitze, insbesondere Bohrerspitze erstreckt. Bei diesen auch als Schaftwerkzeugen bezeichneten Zerspanungswerkzeugen sind im Inneren des Grundkörpers oftmals Ausnehmungen insbesondere für Kühlmittelkanäle ausgebildet, wie sie beispielsweise aus der EP 0 843 609 B1 oder der WO 03/024661 A1 zu entnehmen sind.

Bei sogenannten Vollhartmetallbohrern ist ein monolithischer Grundkörper als ein Sinterkörper ausgebildet. Bei der Herstellung wird aus einem Metallpulver als Sintermaterial zunächst ein Grünkörper beispielsweise durch Pressen hergestellt, welcher anschließend gesintert wird. Aus der US 7,226,254 B2 ist ein gesinterter Grundkörper zu entnehmen, bei dem zur Einsparung von Sintermaterial im Bereich des Spannschafts eine Zentralausnehmung in den Grünkörper eingebracht wird, bevor dieser gesintert wird. Das so gewonnene Sintermaterial wird für die Herstellung von weiteren Werkzeugen verwendet.

Aufgabe der Erfindung

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Zerspanungswerkzeug, insbesondere Vollhartmetallwerkzeug sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem ein effizienter Materialeinsatz gewährleistet ist.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Zerspanungswerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses ist vorzugsweise als Bohrer oder auch Fräser ausgebildet und weist einen sich in einer Axialrichtung erstreckenden Grundkörper vorzugsweise aus Hartmetall auf, welcher einen Außenmantel mit einer innenliegenden und sich in Axialrichtung erstreckenden Ausnehmung aufweist. Der Grundkörper ist dabei üblicherweise gebildet aus einem Spannschaft und einem sich daran anschließenden Schneidteil. Das Schneidteil ist dabei vorzugsweise genutet und weist als Teil des Grundkörpers stirnendseitig eine Werkzeugspitze auf. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass eine austauschbare Werkzeugspitze eingesetzt ist. Bei Vollhartmetall-Werkzeugen ist diese jedoch typischerweise integraler Bestandteil des Grundkörpers.

Im Inneren des Grundkörpers, vom Außenmantel umgeben, ist weiterhin eine Stützstruktur mit zumindest einem Trennsteg ausgebildet, durch den mehrere Ausnehmungen voneinander getrennt sind. Anstelle einer einzigen zentralen Ausnehmung zur Materialersparnis sind daher eine Vielzahl von Ausnehmungen zur Materialersparnis ausgebildet, wobei die einzelnen Ausnehmungen jeweils durch Trennstege einer Stützstruktur voneinander getrennt sind. Diese Ausgestaltung geht von der Überlegung aus, dass die vom Spannschaft aufzunehmenden Kräfte auch von der innenliegenden Stützstruktur aufgenommen werden kann, so dass die Wandungsstärke des Außenmantels zur Materialersparnis grundsätzlich gering gehalten werden kann. Durch die innenliegende Stützstruktur lässt sich daher ein Maximum an Materialersparnis bei gleichzeitig ausreichend hoher mechanischer Stabilität gewährleisten.

Im einfachsten Fall ist dabei eine zentrale Ausnehmung durch einen Quersteg in zwei Teilräume unterteilt. Vorzugsweise sind jedoch mehr als zwei Ausnehmungen ausgebildet. Die Stützstruktur ist dabei insbesondere im Bereich des Spannschaftes eingebracht und kann auch im Bereich des Schneidteils beispielsweise als Kühlkanäle fortgesetzt werden. Um eine möglichst hohe Stabilität zu erzielen ist die Stützstruktur im Querschnitt betrachtet vorzugsweise gitterförmig ausgebildet. Hierunter wird verstanden, dass die einzelnen Trennstege sich im Querschnitt betrachtet kreuzen oder aneinander anschließen. Die einzelnen Trennstege sind dabei typischerweise als ebene, plat- tenförmige Streben ausgebildet. In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung ist dabei die Stützstruktur insgesamt im Querschnitt betrachtet wabenartig ausgebildet. Die einzelnen Ausnehmungen bilden dabei von den Trennstegen begrenzte, im Querschnitt betrachtet hexagonale Teilkanäle. Eine derartige wabenförmige Stützstruktur weist eine sehr hohe mechanische Stabilität bei nur geringem Materialbedarf auf.

In zweckdienlicher Ausgestaltung ist der Außenmantel dabei zumindest annähernd ringförmig und umgibt einen mittigen Zentralraum. Der Zentralraum ist dabei im Querschnitt betrachtet vorzugsweise kreisförmig und bildet daher einen Zylinderraum. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass der Zentralraum eine polygonale, also eine mehreckige (Dreieck, Viereck, Fünfeck) Querschnittsform aufweist. Unter ringförmiger Außenmantel wird daher allgemein ein Außenmantel verstanden, welche eine Innenkontur aufweist, die eine solche kreisförmige oder polygonale Innenquerschnittsfläche des Zentralraums begrenzt.

In besonders zweckdienlicher Ausgestaltung ist dabei die Stützstruktur als ein separater Einsatz ausgebildet, welcher in den Zentralraum eingesetzt ist. Der Einsatz ist beispielsweise in den Zentralraum eingepresst oder auch eingelötet. Bei einem als Sinterkörper ausgebildeten Grundkörper wird der Einsatz dabei zweckdienlicherweise nach dem eigentlichen Sintervorgang in den fertig gesinterten Grundkörper eingesetzt. Insbesondere bei derartigen Sinterkörpern ist dadurch eine einfache Herstellung ermöglicht, da lediglich bei dem Herstellen des Sinterkörpers der mittige Zentralraum ausgebildet werden muss.

Ergänzend ist dabei in bevorzugter Weiterbildung vorgesehen, dass die Stützstruktur aus einem zum Werkstoff des Außenmantels verschiedenen Werkstoff ausgebildet ist. Insbesondere besteht dabei die Stützstruktur aus einem im Vergleich zum Grundkörper weicheren Werkstoff. Die Stützstruktur besteht dabei bei- spielsweise aus einem einfachen Werkzeugstahl oder auch aus Kunststoff. Aufgrund der Ausgestaltung als Stützstruktur kann auch ein im Vergleich zu Hartmetall deutlich weicheres Material eingesetzt werden. Im Bereich des Zentralraums besteht daher lediglich der Außenmantel aus Hartmetall.

Alternativ hierzu ist die Stützstruktur unmittelbar durch den Grundkörper selbst gebildet.

Wie bereits ausgeführt, ist die hier beschriebene Ausgestaltung insbesondere für gesinterte Grundkörper von Vorteil. Grundsätzlich lässt sich dieses Konzept jedoch auch auf andere Werkzeuge übertragen.

Zweckdienlicherweise sind die Vielzahl von Ausnehmungen im Spannschaft im Schneidteil zumindest teilweise in Axialrichtung fortgeführt. Im Schneidteil ist daher auch eine Anzahl von Ausnehmungen, also zumindest eine oder mehrere Ausnehmungen ausgebildet. Zweckdienlicherweise ist dabei die Gesamtquerschnittsfläche der Ausnehmungen im Schneidteil geringer als die Gesamtquerschnittsfläche der Ausnehmungen im Spannschaft. Da üblicherweise im Schneidteil außenseitig Spannuten eingebracht sind, ist der Materialquerschnitt im

Schneidteil bereits reduziert, so dass für eine ausreichende Stabilität, insbesondere beispielsweise zur Übertragung des erforderlichen Drehmoments bei einem Bohrer oder Fräser, im Inneren des Grundkörpers ein ausreichender Materialquerschnitt verbleiben muss.

Die Ausnehmungen im Schneidteil sind dabei vorzugsweise als Kühlkanäle ausgebildet, welche sich zu Austrittsbohrungen an der Werkzeugspitze erstrecken. Bei gewendelten Spannuten sind diese Kühlmittelkanäle vorzugsweise ebenfalls gewendelt ausgebildet. Alternativ ist lediglich ein zentraler Kühlmittelkanal ausgebildet, an den sich im Bereich der Werkzeugspitze eine Verteilerstruktur anschließt, insbesondere einzelne radial nach außen gerichtete Kühlmittelbohrungen. Weiterhin ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass im Bereich des Spannschafts der Außenmantel und die Stützstruktur eine Materialquerschnittsfläche aufweisen, die etwa der kleinsten Materialquerschnittsfläche des Grundkörpers im Schneidteil entspricht. Dies beruht auf der Überlegung, dass es ausreichend ist, wenn der Spannschaft eine derartige Materialquerschnittsfläche zur Übertragung der Drehmomentkräfte aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Zerspanungswerkzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Außenmantel des Grundkörpers eine Stützstruktur eingebracht wird, so dass mehrere voneinander getrennte Ausnehmungen ausgebildet werden.

Gemäß einer ersten Variante wird dabei zunächst in einen Grünkörper ein zentraler und vom Außenmantel umgebener Zentralraum eingebracht, in den dann die Stützstruktur als separater Einsatz eingesetzt wird.

Vorzugsweise wird der Grundkörper als Sinterkörper ausgebildet, wobei zunächst ein Grünkörper bereit gestellt wird, welcher anschließend gesintert wird. Bei dem Grünkörper handelt es sich üblicherweise um (Hart-) Metallpulver, welches unter Beigabe eines Binders in eine dem Grundkörper entsprechende Form beispielsweise durch Pressen gebracht wird. Dieser Grünkörper wird im anschließenden Sintervorgang bei hohen Temperaturen gesintert.

Gemäß der ersten Variante wird zunächst im Grünkörper der mittige Zentralraum beispielsweise durch Bohren eingebracht, anschließend wird der Grünkörper gesintert und erst danach wird der die Stützstruktur bildende Einsatz beispielsweise durch Einpressen, Einlöten , Weben etc. eingesetzt.

Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante wird die Stützstruktur bereits im Grünkörper ausgebildet und anschließend wird dieser gesintert. Zur Einbringung und Ausbildung der Stützstruktur wird dabei in den zunächst als Voll-Material ausgebildeten Grünkörper die Vielzahl der Ausnehmungen eingebracht. Dies erfolgt vorzugsweise durch einen einfachen Bohrvorgang. Es werden daher im Ausgangszustand des Grünkörpers rückseitig in den Spannschaft eine Vielzahl von einzelnen Bohrungen eingebracht. Diese sind wiederum von einem Außenmantel umgeben, welcher einstückig und nahtlos in die einzelnen, die Bohrungen voneinander abgrenzte Trennstege einstückig übergeht. Die Trennstege sind in diesem Fall entsprechend der Kreisform der Bohrungen konvex bzw. konkav gewölbt.

Beschreibung der Figuren

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:

FIG 1 eine teilweise Schnittansicht eines Vollhartmetallbohrers,

FIG 2 eine Schnittansicht im Bereich der Schnittlinie A-A in FIG 1 gemäß einer ersten Ausführungsvariante,

FIG 3 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in FIG 1 gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,

FIG 4 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie B-B in FIG 1.

In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das in FIG 1 dargestellte Zerspanungswerkzeug 1 ist als Vollhartmetall- Werkzeug, insbesondere als Vollhartmetall-Bohrer ausgebildet. Es ist gebildet durch einen sich in Axialrichtung 2 erstreckenden gesinterten, monolithischen Grundkörper 3, ausgehend von einem rückseitigen Spannschaft 4 bis zu einer vorderseitigen Werkzeugspitze 6. An den Spannschaft 4 schließt sich dabei ein die Werkzeugspitze 6 tragendes Schneidteil 8 an, welches mit Spannnuten 10 versehen ist. Das gesamte Zerspanungswerkzeug 1 ist insgesamt stabförmig mit einem durch stirnseitige Schneiden 12 definierten Nenndurchmesser gebildet.

Im Bereich des Spannschafts 4 weist das Zerspanungswerkzeug 1 einen Außenmantel 14 auf, in den eine Stützstruktur 16 eingebracht ist. Durch die Stützstruktur 16 ist eine Vielzahl von Ausnehmungen 18 geschaffen, die nach Art von sich in Axialrichtung 2 erstreckender Kanäle ausgebildet sind. Vorzugsweise sind dabei deutlich mehr als zwei Ausnehmungen 18 ausgebildet, beispielsweise mehr als fünf.

An die Stützstruktur 16, die im Ausführungsbeispiel ausschließlich im Spannschaft 4 ausgebildet ist, schließen sich im Schneidteil 8 weitere, als Kühlkanäle 20 ausgebildete Ausnehmungen an. Diese verlaufen vorzugsweise spiralförmig jeweils im Zwischenbereich zwischen den ebenfalls spiralförmig verlaufenden Spannuten 10. Sie erstrecken sich zur Werkzeugspitze 6, wo sie stirnseitig oder in der jeweiligen Spannut 10 austreten.

Gemäß einer ersten, in FIG 2 dargestellten Ausführungsvariante ist die Stützstruktur 16 als ein separater Einsatz 22 in einen als Bohrung ausgebildeten Zentralraum 24 eingesetzt. Die Stützstruktur 16 ist dabei als ein Gitter mit einer Vielzahl von sich kreuzender Streben, die Trennstege 26 bilden, ausgebildet. Alternativ zu der gitterartigen Stützstruktur 16 ist diese in einer bevorzugten Alternative als eine wabenartige Stützstruktur ausgebildet. Der Einsatz 22 ist dabei zweckdienlicherweise aus einem von dem Material des Grundkörpers 3 verschiedenen Material ausgebildet.

Der Zentralraum 24 wird dabei beim Herstellen des Grundkörpers 3 in einen Grünkörper eingebracht, bevor dieser gesintert wird. Nach dem Sintervorgang wird der Einsatz 22 in den Zentralraum 24 eingesetzt.

Alternativ hierzu wird bei der Ausführungsvariante der FIG 3 die Stützstruktur 16 bereits in den Grünkörper eingebracht. Hierzu sind die einzelnen Ausnehmungen 18 als einzelne Bohrungen eingebracht, die durch die Trennstege 26 voneinander getrennt sind. Die einzelnen Ausnehmungen 18 werden daher durch einen Bohrvorgang im Grünkörper-Zustand eingebracht, bevor der Sintervorgang erfolgt. Auch hier sind die Vielzahl der Ausnehmungen 18 durch den Außenmantel 14 umgeben. Die Trennstege 26 bilden zusammen mit dem Außenmantel 14 einen monolithischen Sinterkörper. Im Bereich des Spannschafts 4 weist der Außenmantel zusammen mit der Stützstruktur 16 eine Materialquerschnittsfläche A1 auf, die vorzugsweise lediglich so groß ist wie eine korrespondierende geringste Materialquerschnittsfläche A2 im Schneidteil 8. Der Materialbedarf ist dadurch so gering wie möglich gehalten.

Weiterhin weisen die Ausnehmungen 18 insgesamt einen Gesamtquerschnitt B1 auf, der vorzugsweise größer als ein korrespondierender Gesamtquerschnitt B2 im Schneidteil 8 ist.

Insgesamt wird durch die hier beschriebene Maßnahme nämlich mit der Ausbildung der Stützstruktur 16, die durch Trennstege 26 charakterisiert ist, über die eine Vielzahl von kanalartigen Ausnehmungen 18 gebildet sind, eine hohe Materialersparnis insbesondere bei Vollhartmetall-Bohrern erreicht. Gleichzeitig wird eine ausreichende mechanische Stabilität für die Aufnahme und Übertragung der erforderlichen mechanischen Kräfte im Einsatz, also beim Bohren oder Fräsen etc. gewährleistet.