SCHNEIDWERKZEUG

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung mit einer Zuführung eines kalten Gasstromes zur Kühlung des unmittelbaren Zerspanungsbereiches.

Insbesondere bei der Zerspanung von metallischen Werkstoffen kommt es im unmittelbaren Zerspanungsbereich zu einer erheblichen Temperaturentwicklung, was zu einem frühzeitigen Verschleiß bzw. Ausfall des Zerspanungswerkzeuges führen kann. Um diese Temperaturentwicklung in Grenzen zu halten und gleichzeitig die Ausbringung der Späne aus dem Zerspanungsbereich zu verbessern, ist es üblich, den unmittelbaren Zerspanungsbereich des Schneidwerkzeuges durch Zufuhr eines Kühlmittels zu kühlen. Das Kühlmittel kann dabei gasförmig oder flüssig sein und durch innenliegende Zufuhr über das Schneidwerkzeug oder durch Zufuhr über externe Anordnungen zum unmittelbaren Zerspanungsbereich geleitet werden.

Ein Schneidwerkzeug mit innenliegender Zufuhr für ein flüssiges Kühlmittel ist beispielsweise in der WO 02/068142 beschrieben.

In der DE 196 40 599 A1 ist ein Schneidwerkzeug mit einer innenliegenden Kühlmittelzufuhr beschrieben, bei dem gekühlte Luft zur Kühlung des unmittelbaren Zerspanungsbereiches verwendet wird. Nachteilig bei diesem Schneidwerkzeug ist, dass die kalte Luft nicht innerhalb des Werkzeuges, sondern außerhalb des Schneidwerkzeuges hergestellt werden muss und dafür wiederum externe Einrichtungen bereitgestellt werden müssen.

Die Herstellung von kalten Gasen in einem Kälteerzeuger, welche nach dem Joule-Thomson-Effekt durch Zufuhr von komprimiertem Gas, vorzugsweise Pressluft arbeitet, ist ebenfalls seit langem bekannt. Das Prinzip derartiger Kälteerzeuger basiert auf der Wirkungsweise eines Wirbelrohres. Dem

Wirbelrohr wird dabei über einen Gasverwirbler in einer Wirbelkammer Druckluft mit Normaltemperatur und wenigen Bar Druck zugeführt und in einen kalten und heißen Luftstrom geteilt. Die über den Gasverwirbler dem Wirbelrohr zugeführte

Druckluft wird entlang der Innenwandung des Wirbelrohres kreisend mit hoher Geschwindigkeit in Richtung einer Heißgasdüse an einem Ende des Wirbelrohres bewegt. Ein Teil der Luft entweicht durch die Heißgasdüse als Heißluftstrom. Die nicht entwichene Luft wird zwangsweise durch die Mitte dieses mit hoher Geschwindigkeit am Rand des Rohres verlaufenden Luftstromes in die entgegengesetzte Richtung mit deutlich langsamerer

Geschwindigkeit an das andere Ende des Wirbelrades zurückgeleitet. Dieser innere langsamere Luftstrom gibt Wärme an den äußeren schnelleren Luftstrom ab und kühlt sich bis zum Austritt an einer Kaltgasdüse auf Temperaturen bis zu -40 ⁰ C ab. Derartige Kälteerzeuger sind beispielsweise in der US 3 173273 oder in der US 3 208 229 beschrieben und werden vielfach als externe Anordnung zur externen Zufuhr von Kaltluft in den unmittelbaren Zerspanungsbereich von Schneidwerkzeugen eingesetzt. Nachteilig dabei ist, dass derartige externe Anordnungen auf jedes Zerspanungswerkzeug individuell ausgerichtet und so fixiert werden müssen, dass auch bei einer Vorschubbewegung des Zerspanungswerkzeuges die zielgerichtete Zuführung des Kühlluftstromes in den unmittelbaren Zerspanungsbereich gewährleistet bleibt. Dies ist jedoch nur mit erheblichem Aufwand erreichbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Schneidwerkzeug mit Kühlung des unmittelbaren Zerspanungsbereiches durch einen kalten Gasstrom zu schaffen, bei dem der Einrichtungsaufwand für die exakte Ausrichtung des Gasstromes entfällt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Schneidwerkzeug einen in den Werkzeuggrundkörper integrierten Kälteerzeuger sowie ein innenliegendes Kanalsystem zur Zuführung des kalten Gasstromes aufweist, wobei der Kälteerzeuger aus einem lang gestreckten Wirbelrohr zur Umwandlung eines über einen Gasverwirbler zugeführten komprimierten Gases von Normaltemperatur in einen kalten und warmen Gasstrom, einem Kaltgasaustritt an einem Ende des Wirbelrohres, sowie einem Heißgasaustritt am anderen Ende des Wirbelrohres, besteht.

Völlig überraschend hat sich herausgestellt, dass die Verlagerung eines

Kälteerzeugers, welcher bisher nur für den externen Betrieb vorgesehen war, in den Grundkörper eines Schneidwerkzeuges ohne Nachteile auf dessen Funktionsweise durchführbar ist. Die Weiterleitung des kalten Gasstromes in den unmittelbaren Zerspanungsbereich erfolgt vom Kälteerzeuger aus durch weiterführende Kanäle im Inneren des Schneidwerkzeuges bis zum unmittelbaren Zerspanungsbereich, ohne dass eine immer wiederkehrende Einstellung und Ausrichtung der Kühlmittelzuführung erfolgen muss. Durch die erfindungsgemäße Ausführung eines Schneidwerkzeuges wird nicht nur der unmittelbare Zerspanungsbereich selbst hervorragend gekühlt, sondern zudem auch noch der gesamte Werkzeuggrundkörper durch den das kalte Gas geführt wird. Dadurch wird die bei der Zerspanung erzeugte Wärme vom Schneideinsatz äußerst rasch abgeleitet, wodurch sich die Standzeit des Schneideinsatzes weiter erhöht und eine Aufbauschneidenbildung verringert wird.

Ein besonders einfacher Einbau in das Innere des Schneidwerkzeuges wird dadurch erreicht, dass der komplette Kälteerzeuger in eine entsprechende Aufnahmebohrung des Werkzeuggrundkörpers eingebaut ist, in welche die weiteren Bohrungen für die Weiterführung des kalten Gases, die Zuführung des komprimierten Gases und die Abführung des heißen Gases einmünden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Zufuhr des komprimierten Gases über eine Bohrung im Werkzeuggrundkörper parallel zum Kälteerzeuger erfolgt. Unter diesen Bedingungen ist die Gaszufuhr auf einfache Weise vom Ende des Schneidwerkzeuges her machbar.

Besonders günstig ist es, wenn ein Kälteerzeuger verwendet wird, der mit Luft betrieben wird. Dadurch kann in der Regel die in jeder Fertigung vorhandene Pressluftversorgung eingesetzt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein erfindungsgemäßes Drehwerkzeug, teilweise im Schnitt Figur 2 ein Detail des Drehwerkzeuges nach Fig. 1 in vergrößerter Ansicht Figur 3 ein weiteres Detail des Drehwerkzeuges nach Fig. 1 in vergrößerter Ansicht Figur 4 a-b der Kaltgasaustritt für das Drehwerkzeug nach Fig. 1 in verschiedenen Ansichten Figur 5 der Heißgasaustritt für das Drehwerkzeug nach Fig. 1

In Figur 1 ist ein Drehwerkzeug mit einem Werkzeuggrundkörper -1- dargestellt, welches in einer Werkzeugaufnahme -20- aufgenommen ist. In einer in den Werkzeuggrundkörper -1 - eingebrachten Bohrung -7- ist ein Kälteerzeuger -2- integriert. Der Kälteerzeuger -2- besteht aus einem langgestreckten Wirbelrohr -3- mit einem Kaltgasaustritt -5- an einem Ende und einem Heißgasaustritt -6- am anderen Ende. Der Kaltgasaustritt -5-, der in den Figuren 2 und 4a - 4b noch genauer dargestellt ist, ist einstückig als hohlzylindrisches Teil mit zwei voneinander abgesetzten Abschnitten mit unterschiedlichen Außendurchmessern ausgeführt. Der Abschnitt mit dem größeren Außendurchmesser grenzt direkt an das Wirbelrohr -3- an und bildet mit einer Bohrung, die etwa dem Innendurchmesser des Wirbelrohres -3- entspricht, eine Wirbelkammer -14-. Das an das Wirbelrohr -3- angrenzende Ende des Kaltgasaustrittes -5- ist mit einer Ringfläche mit tangential an die Wirbelkammer -14- angrenzenden Schlitzen -18- abgeschlossen, welche den Gasverwirbler -A- bilden. Der Abschnitt mit dem kleineren Außendurchmesser des Kaltgasaustrittes -5- weist angrenzend an die Wirbelkammer -14- eine sich konisch nach außen zu erweiternde Bohrung -21 - auf. Der Abschnitt mit dem größeren Außendurchmesser weist gegenüber der Aufnahmebohrung -7- im Werkzeuggrundkörper -1 - einen etwas kleineren Durchmesser auf, so dass eine Ringkammer -9- gebildet wird. In diese Ringkammer -9- mündet eine Bohrung -8- zur Zufuhr eins komprimierten Gases, vorzugsweise in Form von Pressluft ein. Die zunächst parallel zum Wirbelrohr -3- verlaufende Bohrung -8- wird in einen senkrecht zur Ringkammer -9- verlaufenden Abschnitt umgeleitet. Aus fertigungstechnischen Gründen durchsetzt dieser Abschnitt den gesamten Werkzeuggrundkörper -1- und ist zur Außenseite des Werkzeuges hin mit einer

O

Madenschraube -16- verschlossen, um einen Austritt von Pressluft an dieser Stelle nach außen zu verhindern. Die sich konisch erweiternde Bohrung -21- des Kaltgasaustrittes -5- mündet in eine Bohrung -17- des Werkzeuggrundkörpers, welche die Kaltluft bis in unmittelbare Nähe des Schneideinsatzes -22- heranführt. Das Wirbelrohr -3- und der Kaltgasaustritt -5- sind mit Dichtringen -10- gegenüber der Aufnahmebohrung -7- abgedichtet. Der Heißgasaustritt -6- am anderen Ende des Wirbelrohres -3- besteht aus einem zylinderförmigen Grundkörper mit Außengewinde sowie einer zur Abfuhr der Heißluft vorgesehenen, innen liegenden Bohrung -13-, die seitlich umgeleitet und nach rückwärts durch eine Madenschraube -15- verschlossen ist. Der Heißgasaustritt -6- wird in die an dieser Stelle mit einem Innengewinde versehene Aufnahmebohrung -7- eingeschraubt bis sie am Ende des Wirbelrohres -3- anliegt. Zur Abdichtung sind dazwischen noch Dichtringe -10- angeordnet. Zentral weist der Heißgasaustritt -6- einen Kompressionskegel -11 - auf, der mit geringem Randabstand in die Bohrung des Wirbelrohres -3- eingreift. Am Auslauf des Kompressionskegels -11 - weist dieser

Durchbrechungen -12- auf, über welche die Heißluft in die Bohrung -13- zur weiteren Abfuhr nach außen gelangt.

Die Funktionsweise des Kälteerzeugers -2- ist so, dass zunächst über geeignete Zuführungen in der Werkzeugaufnahme -20- und dann über die Bohrung -8- des Drehwerkzeuges Pressluft mit etwa 5 Bar Druck und Raumtemperatur zur Ringkammer -9- des Kälteerzeugers -2- zugeführt wird. In der Ringkammer -9- baut sich dann ein höherer Druck auf, der dann die Luft über die Schlitze -18- des Gasverwirblers -4- in das Wirbelrohr -3- drückt. Der Luftstrom wird durch die tangential angeordneten Schlitze -18- in eine kreisende Bewegung gebracht und bewegt sich entlang der Innenwandung des Wirbelrohres -3- mit hoher Geschwindigkeit auf den Heißgasaustritt -6- am Ende des Wirbelrohres -3- zu. Durch den durch den Kompressionskegel -11 - des Heißgasaustrittes -6- verengten Austrittsbereich kann über die Durchbrechungen -12- nur ein Teil der Heißluft entweichen. Die nicht entweichende Luft wird zwangsläufig mittig innerhalb des Hochgeschwindigkeitsluftstromes mit deutlich niedrigerer Geschwindigkeit in Richtung des Kaltgasaustrittes -5- zurückgeführt und gibt dabei stetig Wärme

an den äußeren Hochgeschwindigkeitsluftstrom ab. Wenn der innere Luftstrom durch den Kaltgasaustritt -5- austritt hat er dann eine sehr niedrige Temperatur von etwa -4O ⁰ C erreicht.