Verfahren zur Herstellung eines mit Einsätzen versehenen Gegenstandes, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren hergestellter Gegenstand Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mit Einsätzen ver- sehenen Gegenstandes, insbesondere das Befestigen von harten Einsätzen auf einem Trägermaterial, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver fahrens und einen nach dem Verfahren hergestellten Gegenstand.
Sowohl bei der Befestigung als auch bei der Ver wendung von harten Einsätzen bei Werkzeugen oder anderen Organen zeigen sich gewisse Probleme. Eines dieser Probleme besteht in der gebrauchstüchtigen Be festigung dieser Einsätze und in den damit verbun denen, aussergewöhnlich hohen Kosten. Die Materia lien, aus denen solche Einsätze hergestellt sind, eignen sich im allgemeinen nicht für eine gute Befestigung in Fassungen oder an Haltern, und sie lassen sich schlecht und nur mit grossem Kostenaufwand nach bearbeiten. Ein weiteres Problem bilden die Ein schränkungen, welche bei der Verwendung von Werk zeugen und Vorrichtungen mit solchen harten Ein sätzen in Kauf genommen werden müssen.
Es muss bei der Verwendung darauf geachtet werden, dass keine Vibrationen auftreten, dass die Geschwindigkeit nicht zu hoch ist, dass bei Fräsen die Schnittiefe nicht zu gross ist, damit die Werkzeuge nicht brechen usw.
Bei der Herstellung von Werkzeugen mit Schnei den aus Wolframkarbid, aus Titaniumkarbid, aus Schnellstahl, aus keramischem oder ähnlichem Mate rial entstehen beispielsweise Schwierigkeiten bei der Befestigung dieser schneidenden Elemente auf dem Werkzeug. Einsätze aus Wolframkarbid werden bei spielsweise vom Hersteller mit relativ rauhen, unebe nen und nicht parallelen Oberflächen geliefert.
Bisher wurden solche Oberflächen mit Hilfe von Diamant- schleifwerkzeugen oder ähnlichen Werkzeugen so gut wie möglich glatt und flach geschliffen. Dies geschah deshalb, weil die Einsätze meist am Umfang des Werkzeuges mit Hilfe von Teilen, welche eine keil- oder Klemmwirkung ausübten, befestigt wurden, oder weil die Einsätze durch Löten befestigt wurden.
Solche Karbide oder keramische Einsätze brechen leicht infolge von Unregelmässigkeiten in ihrer Ober fläche. Bisher war es deshalb üblich, diese Einsätze zu schleifen, um die Bruchgefahr beim Einklemmen oder Halten zu verringern oder um eine geeignete Fläche zum Löten zu schaffen, falls gelötet wurde. Dieses Schleifen kostet viel Zeit und erhöht den Preis des Werkzeuges erheblich. Schätzungsweise erhöhten die Schleifkosten eines durchschnittlichen Einsatzstük- kes dessen Preis auf das Doppelte des Preises des rohen Einsatzes.
Da der Preis der geschliffenen Einsätze einen er heblichen Teil des Gesamtpreises des fertigen Schneid- werkzeuges darstellte, war es nötig, die Einsätze neu zu schleifen, wenn diese stumpf geworden waren. Das bedeutete, dass die Einsätze vom Werkzeug entfernt, mit einem teuren Diamantwerkzeug geschliffen und nachher wieder eingesetzt und gerichtet werden muss ten. Die Gebrauchskosten des Werkzeuges umfassten daher nicht nur den hohen Anschaffungspreis, son dern auch noch die hohen Kosten für den Unterhalt des Werkzeuges, solange dieses verwendet wurde.
Auch beim Gebrauch weist diese Befestigungsart der Einsätze Nachteile auf. Wird beispielsweise eine Klemmbefestigung verwendet, dann nehmen die Mit tel zum Klemmen einen beträchtlichen Platz auf dem Werkzeug ein, so dass dadurch die Anzahl der Schnei den, die angeordnet werden kann, beträchtlich ein geschränkt ist.
Werden dagegen die Einsätze durch Löten befestigt, dann treten infolge der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten des Einsatzes, des Löt- materials und des Halters schädliche Spannungen auf, die oft zum Bruch der teuren Einsätze führt. Wird eine Klemmbefestigung gewählt, dann kann diese in folge des Platzbedarfs der Klemmittel nicht bei klei nen Werkzeugen angewendet werden.
Die bisherigen Verfahren bedingen oft relativ grosse und teure Ein sätze, damit sie bei den üblichen Befestigungen durch Klemmen oder Löten die erforderliche Zugfestigkeit aufweisen.
Es ist eine bekannte Tatsache, dass Schwingungen oft die Ursache für Ermüdungsbrüche, für Werkzeug defekte und Werkzeugabnutzung und für Verschleiss sind. Die Schwingungen verursachen bei hochtourigen Maschinen und Vorrichtungen auch Lärm. Bei Schneidwerkzeugen beschränken die Schwingungen die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Schnittiefe, erzeugen Rattermarkierungen auf dem Werkstück und enorme Zerstörungskräfte an dem Werkzeug und insbesondere an den Einsätzen. Schwingungen erhöhen daher die Produktionskosten.
Bei der bisherigen Ausführung wurden in der Re gel beim Löten die Einsätze in Fassungen mit Über mass eingelegt in ausgerichteter Stellung gehalten, während der Spalt zwischen dem Einsatz und der Fas sung mit einem fällenden oder haftenden, geschmol zenen Lötmittel aufgefüllt wurde, oder die Einsätze wurden mit Lötplättchen auf eine vorbereitete Fläche gedrückt. Diese Lötbefestigung bietet grosse Schwie rigkeiten bei der Ausrichtung der Schneidkanten, ist relativ teuer, begrenzt die Bearbeitungsgeschwindig keit und erzeugt gefährliche Spannungen, die oft zum Bruch der Einsätze führen.
Die vorliegende Erfindung will nun diese Nach teile beseitigen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines mit Einsätzen versehenen Gegenstandes ist da durch gekennzeichnet, dass ein relativ zur Umgebung hartes Einsatzelement auf eine Trägermatrize aus fein zerkleinertem, ' schwingungsdämpfendem Metall als Träger für das Einsatzelement aufgebracht wird, und dass das Matrizenmaterial mittels eines das Wachsen bewirkenden und in fliessbarem Zustand in der Ma trize mindestens benachbart dem Einsatzelement gleichmässig verteilten Materials wachsengelassen wird,
wodurch die an das Element anschliessenden Teile der Matrize gegen das Element gedrückt wer den, so dass das Element vom Material der Matrize festgehalten und so das Element in der Matrize ver ankert wird.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Fig. 1 ist eine Draufsicht eines nach dem Verfah ren der Erfindung hergestellten Schneidwerkzeuges. Fig. 2 ist ein Schnitt dieses Werkzeuges längs der Schnittlinie III-I11 der Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht des in Fig. 1 gezeig ten Werkzeuges.
Fig. 4 ist ein Längsschnitt einer Vorrichtung zur Herstellung von Matrizen aus pulverförmigem Metall, die als Tragkörper bzw. Halter für Werkzeuge, wie in Fig. 1 bis 3 dargestellt, dienen. Fig. 5 ist eine Draufsicht eines gepressten Körpers bzw. einer Matrize, wie sie mit Hilfe des Werkzeuges von Fig. 4 hergestellt wird.
Fig. 6 ist ein Längsschnitt einer Werkzeughalter matrize wie in Fig. 5, bei der ein Einsatz bzw. ein Schneidelement in eine dafür angeordnete Nut ein gesetzt ist.
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf ein zusammengesetz tes Fräswerkzeug mit wegnehmbaren Schneiden.
Fig. 8 ist ein Teilschnitt längs der Linie VIII-VIII der Fig. 7.
Fig. 9 ist ein Teilschnitt längs der Linie IX-IX der Fig. B.
Fig. 10 ist ein Längsschnitt einer andern Vorrich tung zum Verdichten von Metallpulver.
Fig. 11 ist ein Längsschnitt einer weiteren Vor richtung zum Verdichten von Metallpulver.
Fig. 12 ist eine Seitenansicht eines Fräswerkzeu- ges mit Werkzeughaltern und von diesen gehaltenen Einsätzen, wie sie mit Hilfe der in Fig. 11 gezeigten Vorrichtung hergestellt werden können.
Fig. 13 ist ein Teilschnitt längs der Linie XIII-XIII der Fig. 12.
Fig. 14 ist ein Teilschnitt längs der Linie XIV-XIV der Fig. 12.
Fig. 15 ist eine Seitenansicht einer andern Ma trize bzw. eines Halters für Einsätze.
Fig. 16 ist eine andere Variante eines Werkzeug halters.
Fig. 17 ist ein Teil einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt einer andern Variante eines Fräsers.
Fig. 18 ist ein Teilschnitt längs der Linie XVIII-XVIII der Fig. 17.
Fig. 19 ist ein Teil einer Seitenansicht eines ähn lichen Fräsers wie in Fig. 17, aber mit einer andern Anordnung und Form der schneidenden Zähne.
Fig. 20 ist ein Teilschnitt längs der Linie XX-XX der Fig. 19.
Fig. 21 zeigt einen Teil eines Formfräsers. Fig. 22 zeigt einen Teil eines Planfräsers.
Fig. 23 ist eine perspektivische Darstellung eines Dreh- oder Bohrstahles.
Fig. 24 ist eine perspektivische Darstellung eines meisselartigen Werkzeuges.
Fig. 25 ist ein Querschnitt eines Schlitzmessers. Fig. 26 ist eine Variante eines solchen Messers. Fig. 27 zeigt eine Verzahnung.
Fig. 28 ist ein Teilschnitt längs der Linie XXVIII-XXVIII der Fig. 27.
Fig. 29 zeigt eine Innenverzahnung. Fig. 30 zeigt einen Treiberfinger.
Fig. 31 ist ein Ausschnitt in grösserem Massstab durch die Verbindung von Einsatz und Halter, nach dem diese vereinigt sind, jedoch vor dem Infiltrieren.
Fig. 32 zeigt dieselbe Verbindung in erwärmtem Zustand, jedoch bevor die Infiltration stattgefunden hat, und Fig. 33 zeigt die Verbindung nach dem Infiltrie ren. Harte Einsätze oder verschleissfeste Teile werden in einem Träger bzw. Körper durch den festen Zu sammenschluss gegenüberliegender Flächen des Ein satzes und einer den Einsatz aufnehmenden Ausspa rung im Körper gehalten Das Wort Einsatz bezeich net hier einen harten Teil, der sowohl metallischer als auch nichtmetallischer Art sein kann, der in Form einer Schneide oder in anderer Form einen dem Ver schleiss unterworfenen Teil bildet, der in oder auf einer Matrize gehalten ist.
ES hat sich gezeigt, dass sich sehr gute Resultate mit einer Matrize aus gesintertem, pulverförmigem Metall oder aus gesintertem, feinem, fadenförmigem Metall erzielen lassen, die mit einem die Ausdehnung fördernden Metall infiltriert wird. Es hat sich gezeigt, dass gesintertes Eisen für die Matrizen am vorteilhaf testen ist, obwohl auch andere pulverförmige Metalle verwendet werden können. Im allgemeinen genügt gewöhnliches Eisenpulver mit 98 1/o, Fe; es können aber dem Eisen in speziellen Fällen zur Erzielung be stimmter Eigenschaften verschiedene Mengen Man gan, Molybdän, Kupfer, Kohle oder dergleichen bei gemischt werden.
Das Metallpulver wird verdichtet und gesintert, wodurch die Metallteilchen an ihren Berührungspunkten zusammenhaften. Vorzugsweise sind die Teilchen des Metallpulvers relativ fein und ergeben in ihrer Gesamtheit eine relativ grobe Porosi tät; ferner werden sie nur so viel verdichtet, dass die noch nicht gesinterte Matrize hantiert werden kann. Die Partikelgrösse kann zwischen 80 Maschen bis zu etwa 325 Maschen liegen, wobei aber vorzugsweise der grösste Teil der Partikel kleiner als 200 Maschen sein sollte.
Da der Halteeffekt auf einer Infiltration beruht, ist eine so gross wie mögliche Porosität (nach Mass gabe der erforderlichen Zugfestigkeit) und damit eine so gross wie mögliche Saugfähigkeit des Infiltrations mittels erstrebenswert. Bei Matrizen aus Eisenpulver hat es sich gezeigt, dass Dichtigkeiten von 5 bis 7 g/cm3 mit dazwischenliegenden Optimalwerten von 5,8 bis 6,5 g/cm3, nach Massgabe der für den gegebenen Fall erforderlichen Zugfestigkeit und Verformbarkeit, ge eignet sind. Es ist klar, dass Teile mit einer grösseren Dichtigkeit auch eine grössere Zugfestigkeit und eine grössere Verformbarkeit aufweisen. Zur Erzielung op timaler Porosität sollte die Dichtigkeit so klein wie möglich sein.
Das Sintern der Matrize sollte so lange und bei solcher Temperatur vorgenommen werden, dass eine der Verwendung der Matrize entsprechende Zugfestig keit und Verformbarkeit entsteht. Für die meisten Matrizen, die einen Einsatz halten sollen, ist keine sehr grosse Zugfestigkeit erforderlich, und es hat sich gezeigt, dass im allgemeinen ein Sintern der Fe-Matri- zen bei etwa 1200 C genügt.
In einzelnen Fällen ist eine Temperatur von 1270 C erwünscht, während auch schon bei 1120" C Sintertemperatur gute Resul tate erzielt wurden. Ein Sintern lässt sich in einem Bereich von etwa 15 Minuten bis zu einer Stunde, entsprechend der Grösse und der Form der Matrize, sowie je nach Art des Eisenpulvers erzielen. Die Ab kühlungsweise und die Abkühlungsgeschwindigkeit nach dem Sintern ist nicht kritisch. Ein normales Kühlen im Ofen hat sich als zufriedenstellend er wiesen.
Die Matrize kann in ungesintertem Zustand bereits eine Aussparung enthalten, die schon während der Verdichtung hergestellt wurde, es kann aber eine sol che Aussparung durch eine Nachbearbeitung nach dem Verdichten oder sogar nach dem Sintern her gestellt werden. In jedem Fall sollte die Aussparung so eng wie möglich Toleranzen in bezug auf den Ein satz, das heisst auf dessen Endstück bzw. auf dessen Teil, der in die Aussparung eingesetzt wird, aufwei sen.
Beispielsweise ist eine Massabweichung von plus oder minus 0,0125 mm in der Dicke des Einsatzes und eine gleiche Massabweichung von plus oder minus 0,0125 mm in der Breite der Aussparung erwünscht, woraus sich ein maximales Spiel zwischen der Begren zungswand der Aussparung und des Einsatzes von 0,025 mm ergibt. Meistens ergibt dies einen Press- sitz, obwohl auch ein enger Gleitsitz genügt. Zur Er zielung eines sehr hohen Haltedruckes kann der Ein satz in eine leicht unterdimensionierte Aussparung ein gebracht werden, die durch eine thermische Ausdeh nung der Matrize geöffnet wurde.
Hat die Aussparung ein grosses Übermass, wie es bei manchen Einsätzen mit verdichteten Endstücken erforderlich ist, dann kann die Matrize zugehämmert oder zugedrückt wer den, um die Matrize um den Einsatz herum zu schlie ssen. Wenn erwünscht, kann auch eine schwalben schwanzförmige Verbindung verwendet werden.
Nachdem die gesinterte Matrize und der Einsatz zusammengesetzt sind, findet eine Infiltration der Ma trize statt, wodurch der Einsatz in der Muffe veran kert wird. Dank seiner Wirtschaftlichkeit und seiner Wachstumseigenschaften ist Kupfer für die Infiltra tion besonders geeignet. Infolge der hervorragenden Wachstumseigenschaften der Kupfer-Infiltration in einer Matrize aus gesintertem Eisen entsteht eine her vorragende Verankerung des Einsatzes in der Aus sparung einer solchen Matrize.
Bei einer bevorzugten Kombination weist das Infiltrationsmittel 90 bis 97 % Cu und den Rest Fe auf, entsprechend der Tempera tur, bei der die Infiltration stattfinden soll. Ein höhe rer Kupfergehalt oder eine Basislegierung wie Messing oder Bronze können ebenfalls verwendet werden, ent weder weil sie den Vorzug verdienen oder weil sie leichter erhältlich sind. Die Ausdrücke: Kupfer- Infiltrationsmittel , Kupfer-Infiltration , kupfer- artige Infiltration oder ähnliche Ausdrücke bezeich nen daher ein Material oder eine Legierung mit hohem Kupfergehalt.
Da Kupfer bei der Infiltrationstemperatur eine grosse Affinität zu Eisen hat, ist es erwünscht, den Hunger des Infiltrationsmittels nach Eisen vorher zu stillen, indem diesem eine gewisse Menge Eisen zugefügt wird, damit die gesinterte Matrize so wenig wie möglich erodiert. Je höher die Infiltrationstem- peratur ist, um so grösser sollte der Anteil des Eisens sein, um gute Resultate zu erzielen.
Die Infiltration geschieht derart, dass der in die gesinterte Matrize eingesetzte Einsatz mit dieser zu sammen auf die Infiltrationstemperatur gebracht wird, mit einer vorbestimmten, gemessenen, vorzugsweise so grossen Menge des Infiltrationsmittels, dass diese die poröse Struktur der Matrize so gut wie möglich auffüllt, in Berührung gebracht und während einer genügenden Zeitdauer gehalten wird. Die Menge des Infiltrationsmittels, welche die Matrize aufnehmen kann, entspricht hauptsächlich der Dichtigkeit der Matrize. Eine Fe-Matrize mit mindestens 98 0/o Eisen und mit einer Dichtigkeit von 5,8 Gramm pro Kubik zentimeter hat eine Porosität von etwa 30 0/o.
Die In filtration kann etwa zwei Drittel dieser Porosität auf füllen, so dass die Masse der Matrize um etwa 20 /o zunimmt. Es ist erwünscht, die Matrize so schnell wie möglich auf die Infiltrationstemperatur zu bringen. Die Infiltrationsdauer bei voller Hitze wird nach Mass gabe der Grösse und der Ausbildung der Matrize be stimmt. Die Infiltrationszeit einer Matrize von 75 mm Durchmesser und 25 mm Höhe beträgt beispielsweise zwischen 10 und 45 Minuten. Die Infiltrationstem peratur kann bei einem Infiltrationsmittel mit hohem Kupfergehalt bis zu 1200 C betragen.
Wenn Messing- oder Bronzeinfiltrationsmittel verwendet werden, kön nen etwas niedrigere Infiltrationstemperaturen ange wendet werden. Die Kühlung der Matrize kann so geregelt werden, dass bestimmte erwünschte Eigen schaften erzielt werden. Langsames Abkühlen erhöht die Verformbarkeit. Ein schnelleres Abkühlen erhöht die Zugfestigkeit.
Nach der Abkühlung zeigt es sich, dass die Be grenzungswände der den Einsatz umschliessenden Aus sparung sich mit gleichmässigem Druck um den Ein satz zusammengezogen haben, so dass sie diesen fest in der Aussparung verankern und halten.
Die Fig. 31, 32 und 33 veranschaulichen den Zu sammenschluss zwischen dem Einsatz und der Ma trize in verschiedenen Stadien vor und während des Infiltrationsprozesses. Diese Figuren zeigen mehr oder weniger schematisch, was sich abspielt und wahr genommen wurde; sie stellen Abbildungen der etwa 500fach vergrösserten Struktur dar. Mit andern Wor ten: die Figuren 31, 32 und 33 zeigen nur ganz kleine Teile der Elemente.
Fig.31 zeigt den Zusammenschluss der zusam mengeschobenen Teile. Ein Teil eines Einsatzes B ist mit Schiebe- oder Presssitz in einen Teil M der Ma trize eingebracht. Die gegenüberliegenden Seiten des Einsatzes und der Matrize erscheinen bei einer sol chen Vergrösserung recht unregelmässig, und nur die höchsten Stellen berühren einander. Der Einsatz B kann ein Hartmetall- oder ein keramischer Teil sein, dessen Oberfläche sozusagen roh ist, wie sie nach dem Sintern, ohne Schleifen oder Bearbeiten, aussieht.
Die Matrize aus gesintertem Eisen ist porös und be sitzt ein Skelett aus zusammengeschmolzenen Eisen- partikeln F und miteinander in Verbindung stehenden leeren Räumen V, die das ganze Skelett durchsetzen. Ungefähr die gleichen Verhältnisse liegen vor bei einem natürlichen mineralischen Einsatz und dessen Fassung in einer Matrize.
Fig. 32 zeigt den Zusammenschluss der gegenüber liegenden Flächen des Einsatzes B und der Matrize M, wie sie sich kurz vor dem Erreichen der Temperatur, wobei das Infiltrationsmittel zu fliessen und zu wach sen beginnt, verhalten. Es ist daraus ersichtlich, dass die gegenüberliegenden Flächen der Teile sich in folge der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten ein wenig voneinander entfernt haben, die relativ wei chere und porösere Matrize M hat sich mehr gedehnt als der relativ härtere und viel dichtere Einsatz B.
Fig. 33 zeigt den Zusammenschluss der Elemente infolge des Wachstums durch die Infiltration. Die Par tikel der Matrize F sind gewachsen bzw. zum Einsatz hin gedrückt worden, so dass sie eng an der Trenn fläche des Einsatzes anliegen und die Unregelmässig keiten, die Vertiefungen und Aushöhlungen der gegen überliegenden Oberfläche des Einsatzes B mit den Skeletteilen der Matrize auffüllen. Die leeren Räume, die Poren und Durchgänge sind mit dem Infiltrations mittel In angefüllt. Während an manchen Stellen das Infiltrationsmittel direkt die Oberfläche des Einsatzes berührt, besteht der Zusammenschluss zur Hauptsache aus dem Material der Matrize infolge des Infiltrations- wachstums desselben.
Dieser Zusammenschluss erfolgt offenbar während der Infiltration infolge des Wachs tums der Matrize in den zwischen den gegenüberlie genden Oberflächen von Einsatz und Matrize befind lichen Spalt. Wenn das maximale Wachstum erreicht ist und die infiltrierte Einheit sich abgekühlt hat, so dass die Matrizen in den kalten Zustand zusammen schrumpft, besteht eine Tendenz, einen Spalt wie in Fig. 32 zu bilden, da aber dieser Spalt jetzt grössten teils infolge des Infiltrationswachstums ausgefüllt ist, entsteht ein grosser, die Teile verbindender Druck in Richtung des Einsatzes.
Daraus geht deutlich hervor, dass die Befestigung des Einsatzes in der Matrize infolge der Infiltration keine Löt- oder Schmelzverbindung, bei der ein Teil am andern haftet, sondern eine mechanische Verbin dung ist, bei der das Material der Matrize zusammen gedrängt wird und die Vertiefungen in der gegenüber liegenden Oberfläche des Einsatzes auffüllt, während die Erhöhungen auf der Oberfläche des Einsatzes in die gegenüberliegende Oberfläche der Matrize eindrin gen. Dies, zusammen mit dem Druck infolge des Schrumpfens bei der Abkühlung, erzeugt eine tatsäch liche metallische Verankerung der gegenüberliegen den Oberflächen.
Eine solche Verbindung wurde auch dadurch nachgewiesen, dass eine Matrize so nahe wie möglich dem Einsatz abgetrennt wurde, wonach die dünne Restschicht der Matrize mit relativ geringer Kraft von der Oberfläche des Einsatzes getrennt werden konnte. Eine noch grössere Haltewirkung kann erzielt werden, wenn die Oberfläche des Einsatzes ver zahnt oder auf andere Weise absichtlich aufgerauht wird.
Zusammenfassend kann daher über die ausser gewöhnlich gute Verankerung des Einsatzes, die das wesentliche Merkmal der Erfindung darstellt, folgen des gesagt werden: Infolge der verschiedenen Ausdeh nungskoeffizienten des Einsatzes und der Matrize öff net sich ein Spalt zwischen dem Einsatz und den Wänden der Aussparung in der Matrize, während diese auf die Infiltrationstemperatur gebracht wird.
Wenn das Infiltrationsmittel seinen Schmelzpunkt er reicht und zu fliessen anfängt, füllt es rasch die Poren der Matrize, wonach das Legieren, welches zwischen dem Eisengerippe der Matrize und dem geschmol zenen Kupferinfiltrationsmittel einsetzt, das metallur gische Phänomen des Wachsens hervorruft. Es hat sich gezeigt, dass dieses Wachstum eine wirkliche Bewegung der Metallpartikel in der Richtung des ge ringsten Widerstandes und daher im vorliegenden Fall in der Richtung des thermisch hervorgerufenen Spal tes bzw. der Öffnung zwischen dem Einsatz und den Wänden der Aussparung bewirkt, so dass sich der Spalt füllt und die Wände der Aussparung eine in die Oberfläche des Einsatzes eingepasste Oberflächenform aufweisen.
Infolge des grösseren Ausdehnungskoeffi zienten der Matrize schrumpft diese bei der Abküh lung um den Einsatz und hält diesen fest.
Es ist klar, dass, wo hier von einem Kupferinfil trationsmittel die Rede ist, auch geeignete Kupfer legierungen oder Kupfer oder Kupferpuder, gemischt mit anderem puderförmigem Material, in entspre chender Menge angewendet werden kann. Wo Kupfer- Eisen-Gemische oder Lösungen genannt sind, verdie nen Kupferlegierungen wie Messing oder Bronze in manchen Fällen den Vorzug, da sie besonderen An forderungen besser genügen.
Die mit Kupfer infiltrierte Matrize kann noch ver schiedenen Nachbehandlungen unterworfen werden, um ihre Bearbeitbarkeit zu verbessern oder um ihre Verformbarkeit oder ihre Zugfestigkeit zu vergrössern, falls dies erwünscht sein sollte. Infolge der gleichmässigen, innigen Berührung zwischen dem Material der Matrize und des Einsatzes wird der Einsatz nirgends einer unzulässigen Druck- oder Zugbeanspruchung unterworfen, sondern wird gleichmässig auf der ganzen gefassten Oberfläche ge drückt. Diese Art des Zusammenschlusses ist er wünscht und zeigt sich als besonders wertvoll bei einer Nachbehandlung, bei der die zusammengefügte Einheit einer Erwärmung ausgesetzt wird.
Sie ist auch beim Gebrauch, wobei er sich bekanntlich erhitzt, wertvoll. Trotz den unterschiedlichen Ausdehnungs koeffizienten des Einsatzes und der Matrize werden keine unzulässigen oder ungleichmässigen Spannungen auf den Einsatz ausgeübt, wie dies bei bisherigen Klemmbefestigungen oder Verlötungen am Werk zeughalter bzw. am Schaft der Fall war. Es gibt auch keine Stellen oder Flächen mehr, wo der Einklemm druck verschwindet. Es ist eine nachgiebige, gleich mässige Einklemmung an jeder Stelle der eingefassten Fläche des Einsatzes vorhanden, die sich zwar ent- sprechend den Temperaturveränderungen in ihrer Stärke ändert, aber trotzdem gleichmässig bleibt.
Das vorliegende Verfahren eignet sich daher, um Hartmetalleinsätze aus Wolframkarbid oder aus Ti- taniumkarbid, keramische Einsätze, Edelsteineinsätze, wie Diamanten oder Granate, sowie jede andere Art von Einsätzen zu befestigen, sofern diese die Infiltra tionstemperatur vertragen können. Infolge der grossen Anpassungsfähigkeit in beäug auf die Form und die Abmessung wie auf die Art der Einsätze, die von den infiltrierten Matrizen gehalten werden sollen, lässt sich das Verfahren bei praktisch allen Werkzeugen und Vorrichtungen anwenden.
Es kann beispielsweise bei Fräsen, Hobelmessern, Sägen mit eingesetzten Zäh nen, Drehstählen, Bohrwerkzeugen, Bohrern, Schlag werkzeugen wie Meissel, Schlitzfräsen, Getrieben, grei fenden oder arbeitenden Trägern wie Treiberfingern und bei andern Teilen, die scharfe Spitzen oder Kan ten behalten sollen bzw. die sich nicht abnützen sol len, verwendet werden.
Im folgenden sind einige spezifische Anwendungs beispiele beschrieben. Fig. 1 zeigt beispielsweise ein Schneidwerkzeug 10, das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist und bei dem die Matrize 11 den Körper des Werkzeuges darstellt. Die Schneidseite des Werkzeuges 10 weist eine schräge Kante 12 auf, in der mehrere am Umfang verteilte, ungefähr radial verlaufende Nuten 13 angeordnet sind. Die Nuten 13 sind ein wenig gegen den Radius und gegen die Achse des Körpers 11 versetzt, damit die Einsätze 14 mit einem solchen radialen und axialen Winkel eingesetzt werden können, wie ihn die dem Schneidwerkzeug zugeordnete Arbeit erfordert. In der schrägen Kante 12 sind längs den Nuten 13 für die Einsätze Vertiefungen 16 für die Spanabfuhr ange ordnet.
In der Mitte weist die Werkzeugmatrize 11 eine zentrale Bohrung 17 mit einer quer verlaufenden Keilbahn 18 am Fussende der Bohrung sowie eine Ansenkung 19 und einen Mittelteil mit einer Boh rung 20 von kleinerem Durchmesser auf.
Sind die Schneideneinsätze 14 gesinterte Teile wie beispielsweise Hartmetallteile oder keramische Teile, dann können diese ir, roher ungeschliffener Form, genau so wie sie nach dem Sintern sind, verwendet werden.
Zuerst wird die Matrize 11, vorzugsweise aus pul verförmigem Metall, als Pressteil in einer Pressform, wie sie Fig. 4 mehr oder weniger schematisch zeigt, hergestellt. Die Pressform umfasst eine Form 21 mit einem oberen Stempel 22 und einem unteren Stempel 23. Die Formmulde 24 wird von der Form 21, in der sich die zwei relativ zueinander bewegbaren Stempel 22 und 23 bewegen, gebildet. Der untere Stempel 23 trägt einen Kernbolzen 25, der in einer Bohrung 22a des oberen Stempels 22 gleiten kann.
Der untere Teil des Bolzens 25 weist eine Nabe 25a auf, welche die Ansenkbohrung erzeugt.
Nachdem die erforderliche Metallpulvermenge in die Mulde 24 auf den Stempel 23 eingefüllt worden ist, werden die Stempel 22 und. 23 aufeinander zu bewegt und verdichten das Pulver. Die Fassungsnuten 13 können natürlich durch Nachbearbeitung der ver dichteten oder der verdichteten und gesinterten Ma trize hergestellt werden; sie können aber auch schon während des Verdichtens in der Form durch zusätz liche, verteilt angeordnete Rippen 26 am oberen Stempel 22 gebildet werden.
Auf gleiche Art können die Vertiefungen 16 für die Spanabfuhr in der schrä gen Kante 12 in der verdichteten oder in der verdich teten und gesinterten Matrize durch eine Nachbearbei tung hergestellt werden, oder es können diese Vertie fungen durch geeignete, nicht gezeigte, erhabene Teile des Stempels 22 nahe den Rippen 26 geformt werden.
Nachdem das verdichtete, noch nicht gesinterte Formstück aus der Formmulde 24 herausgenommen ist, hat es die in Fig. 5 gezeigte Form. Anschliessend wird das Formstück gesintert. Nach dem Sintern wer den die Schneideneinsätze 14 in die Nuten 13 ein gesetzt und wird die Matrize infiltriert, vorzugsweise in einer schützenden, keine Oxydation hervorrufenden Atmosphäre. Dabei können Mittel vorgesehen wer den, die verhüten, dass die Einsätze ihre Stellung in den Nuten ändern, wenn sich diese infolge der Deh nung beim Infiltrieren erweitern. Wenn sich die Nu ten erweitern, kann eine endgültige Einstellung vor genommen werden, um jede Ungenauigkeit in der Einstellung der Schneiden infolge einer Verklemmung oder aus andern Gründen zu beseitigen.
Zur Infiltration kann ein Stück 31 des zu infiltrie renden Metalls oben auf die Matrize gelegt werden, wie Fig. 6 zeigt. Ein solches Stück könnte auch in die versenkte Bohrung 17 eingelegt werden, wenn die Matrize umgekehrt wird, oder das Metallstück könnte auch unter die Matrize gelegt werden, weil die Infil tration eine Kapillarwirkung ist, wenn nur dafür ge sorgt ist, dass das Infiltrationsmittel während der Dauer des Infiltrationsprozesses mit der Matrize in Berührung bleibt. Bei der Infiltrationstemperatur, die in einem Ofen erzeugt wird, schmilzt das Infiltrations metall und dringt in das poröse Skelett der Matrize ein, wobei es ein Wachstum erzeugt, so dass die Wände der Fassung elastisch um den Einsatz 14 fest schrumpfen und diesen halten.
Die angesenkte Boh rung 19 kann durch einen Bearbeitungsvorgang vor oder nach dem Infiltrieren erzeugt werden. In Fig. 7 bis 9 ist ein anderes Fräswerkzeug 33 mit einem zylindrischen Körper 34 gezeigt, der an der Randpartie gleichmässig verteilte Aussparungen auf weist, in denen entsprechende schneidende Elemente 35 festgehalten sind. Jedes solches Element umfasst einen ergänzenden zylindrischen Teil 36 aus gesin tertem pulverförmigem Metall mit einer radial verlau fenden Nute 37, in welcher ein Schneideneinsatz 38 durch Infiltration befestigt ist.
Die Schneidkante des Einsatzes 38 steht am Umfang und an einer Endfläche des zylindrischen Körpers 36 ein wenig vor, so dass die Schneide nach erfolgtem Zusammenbau im Kör per 34 des Werkzeuges aus den Aussparungen am Umfang hervorragt. Zur Befestigung der die Schneiden tragenden Kör per oder Matrizen 36 im Körper 34 des Werkzeuges können runde konische Haltestifte 39 vorgesehen wer den. Diese Stifte werden in entsprechende Nuten 39a und 39b des Werkzeugkörpers bzw. der Matrize ein getrieben.
Aus der in Fig. 7 dargestellten Anordnung geht hervor, dass die schneidenden Elemente 35 zur Erzie lung spezieller Schneideigenschaften in jeder gewünsch ten Stellung eingesetzt werden können. Die Winkel der Schneidkanten der Einsätze in bezug auf die Achse des Werkzeuges können so gewählt werden, wie es die spezielle Bearbeitungsart erfordert.
Da die Elemente 35 je nur einen durch Infiltra tion in einer Matrize gehaltenen Schneideneinsatz ent halten, ist es klar, dass hier nur ein Beispiel der vielen Werkzeuge oder Vorrichtungen mit einer Schneide gezeigt ist, die auf ähnliche Art hergestellt werden können.
Wo infolge der Schrägstellung der Fassungen 40 in der Matrize 41 (Fig. 10) eine Anordnung wie in Fig. 4 zum Verdichten der Matrize nicht brauchbar ist, kann eine Verdichtungsvorrichtung mit einer Form 42 und einem oberen und einem unteren Stempel 43 und 44 verwendet werden. Die Stempel können in einer Bohrung 45 der Form 42 relativ zueinander bewegt werden. Der obere Stempel weist einen Vorsprung 46 und eine zentrale Bohrung 47 auf, um einen die zen trale Bohrung bildenden Bolzen 48 durchzulassen. Auf der Druckseite des Stempels 43 und radial zum Vorsprung 46 ist eine Rippe 49 angeordnet, welche die Keilbahn formt. Die gegenüberliegende Seite des unteren Stempels 44 ist so geformt, dass sie der Ma trize 41 die gewünschte Form gibt.
Seitlich und nahe der oberen Kante weist der Stempel 44 Schlitze 50 auf, die den Aussparungen für die Einsätze entsprechen. In den Schlitzen 50 kön nen die Aussparungen bildende Schieber 51 hin und her bewegt werden. Die Schieber sind in der Form 42 geführt, werden von entsprechenden Federn 52 nach aussen gedrückt und können von Betätigungsorganen 53 in eine Stellung gebracht werden, in der sie Aus sparungen für Einsätze in der Matrize bilden. Auf diese Weise ist ein. Werkzeug geschaffen, welches die Matrize in einem Arbeitsgang herzustellen gestattet.
Nach dem Verdichten der Matrize 41 wird diese gesintert, mit Schneideinsätzen ausgerüstet und, wie bereits beschrieben, infiltriert.
Matrizen, die sich nur zur Aufnahme einer ein zigen Schneide eignen, können mit Hilfe einer wesent lich einfacheren Form nach Fig. 11 hergestellt wer den. Eine solche Vorrichtung umfasst eine Form 55 mit einer Bohrung 57 und Stempeln 58 und 59, die so ausgebildet sind, dass sie die gewünschte Gestalt der Matrize 60 erzeugen.
Die in Fig. 11 gezeigte Vorrichtung erzeugt Ma trizen zum Halten von Einsätzen 61, wie sie in Fig. 12, 13 und 14 dargestellt sind. Die Nute 62 wird von einem entsprechenden Vorsprung 63 auf dem Stempel 58 geformt. Die Spanfläche kann durch eine Nachbearbeitung erzeugt werden. Eine solche Fläche 65 kann aber auch bereits beim Verdichten durch eine entsprechend geformte Fläche 64 am Stempel 58 erzeugt werden. An der Berührungsstelle der Span fläche 65 mit dem Einsatz weist letzterer vorzugs weise einen Vorsprung 67 auf, so dass der Arbeits teil etwas dicker als der gefasste Teil ist. Der Arbeits teil weist daher eine Schulter 68 auf, die bei der Schulter 67 der Matrize aufliegt.
Der Übergang von der Schneidfläche zur Spanfläche wird daher glätter.
Entlang der Seite der Spanfläche der Matrize 60 erstreckt sich eine Keilnute 69, die in der Form 55 als eine Tippe 70 in der Bohrung 57 ausgebildet ist.
Bei Fig. 12 und 13 ist eine Vielzahl von Matrizen 60 mit durch Infiltration befestigten Einsätzen 61 in einem Werkzeughalter 71 eingesetzt. Der Werkzeug halter 71 kann aus einem üblichen Material wie Stahl, Schmiedeisen, Aluminium oder aus einem Kunststoff hergestellt sein. Der Werkzeughalter ist der eines Frä sers mit einer Arbeitsfläche 72 unter einem Winkel von 45 und weist Öffnungen 73 auf, in welche die Matrizen 60 eingesetzt und mit Hilfe von Befesti gungsmitteln, wie Stifte 74, gehalten sind. Die Stifte greifen in die Nuten 69 der Matrizen 60 sowie in ent sprechende Nuten in den Wänden der Öffnungen 73 ein und bestimmen den gewünschten Arbeitswinkel.
Wenn einer der Schneidenhalter 60 ersetzt werden muss, so kann er leicht mit Hilfe eines Werkzeuges, welches durch die den Werkzeughalter 71 durchset zende Öffnung 75 hindurchreicht, herausgeschlagen werden.
Die in Fig. 12, 13 und 14 dargestellte Konstruk tion kann auch bei andern Fräsern verwendet werden. Fig. 15 zeigt, auf welche Art die vorliegende Er findung bei einem segmentförmigen Halter 77 mit mehreren Einsätzen angewendet werden kann. Der Halter ist als Segment von bestimmter Länge und mit einem bestimmten Radius ausgebildet, welches mit weiteren, ähnlichen Segmenten auf dem Körper eines Profilfräsers befestigt werden kann. Dazu sind Bolzen löcher 78 angeordnet. Eine Vielzahl von Schneiden einsätzen 79 ist durch Infiltration in Aussparungen auf der Arbeitsseite der Haltematrize befestigt. Diese Seg mente sind besonders für Fräsen mit grossem Durch messer geeignet.
Fig. 16 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der ein segmentförmiger Matrizenhalter 80 winkelversetzte und überlappende Schneideneinsätze 81 trägt, wie sie bei Sägen Verwendung findet. Der segmentförmige Halter 80 aus infiltriertem, gesintertem, pulverförmi gem Material wird zusammen mit ähnlichen Haltern auf dem scheibenförmigen Körper 82 einer Säge be festigt. Die in Fig. 16 gezeigte Säge ist eine Metall säge; es ist klar, dass dasselbe Prinzip auch bei Stein sägen oder andern Sägen, die harte Zähne erfordern, angewendet werden kann.
Fig. 17 und 18 zeigen Anwendungsbeispiele der Erfindung bei Scheiben- oder Radfräsen, bei denen die Schneideneinsätze am Umfang des scheibenförmi gen Körpers eingesetzt sind. Dazu sind in einer gesin- terten Metallscheibe 83 Aussparungen 84 vorgesehen, in welche entsprechende Einsätze 85 durch einen In filtrationsprozess befestigt sind. Im vorliegenden Fall ist der Fräser ein Könkav-Profilfräser.
Fig. 19 und 20 zeigen Anwendungsbeispiele der Erfindung bei einem Konvex-Profilfräser. Bei diesem sind in einer gesinterten Metallscheibe 87 Aussparun gen 88 vorgesehen, in welche entsprechende Einsätze 89 durch Infiltration befestigt sind. Sowohl bei diesem Fräser als auch bei dem in Fig. 17 und 18 gezeigten sind neben den Schneidkanten der Einsätze Vertie fungen für die Spanabfuhr vorgesehen.
Ein Anwendungsbeispiel bei einer zusammenge setzten Formfräse ist in Fig. 21 dargestellt. Bei diesem sind gesinterte Tragringe 90 am Umfang mit schräg angeordneten Schneideneinsätzen 91 ausgerüstet, deren entgegengesetzte Enden sich überlappen. Die Ringe sind auf einer nicht gezeigten Spindel aufgereiht.
Fig. 22 zeigt eine ähnliche Anordnung für einen Planfräser mit Tragringen 92 und Schneideneinsät- zen 93.
Fig. 23 zeigt einen Drehstahl mit einem Schaft 94 und einer Aussparung 95 am Arbeitsende, in dem ein rasch auswechselbarer Teil durch die Klemmplatte 99 gehalten ist. Der auswechselbare Teil umfasst eine Matrize 97 aus gesintertem Metall, in dem eine Schneide 98 durch Infiltration befestigt ist.
Schlagwerkzeuge werden oft mit harten Spitzen oder Einsätzen ausgerüstet. Fig. 24 zeigt ein solches meisselartiges Werkzeug mit einem Halter 100, an dem eine gesinterte Matrize 101 mit einer harten Spitze 102 befestigt ist. Die harte Spitze.102 ist durch Infil tration an der gesinterten Matrize 101 befestigt. Die Matrize weist dazu eine Nut 103 auf, in die ein ent sprechend ausgebildeter vorspringender Teil 104 des harten Einsatzes 102 eingreift. Die Matrize weist einen vorspringenden Teil 105 auf, der in eine Nut 107 des Halters greift und mittels Schrauben oder Bolzen 108 mit diesem verbunden ist.
Bei Scheren oder messerartigen Werkzeugen wird ein harter Ring am Umfang einer Tragscheibe oder eines Tragringes angeordnet. Fig. 25 zeigt beispiels weise einen harten Schneidring <B>110</B> aus Hartmetall oder keramischem Material mit einem Verankerungs- flansch 111. Ein scheibenförmiger Körper 112 wird aus auf dem Ring<B>110</B> verdichtetem pulverförmigem Metall hergestellt und durch Infiltration mit demsel ben verbunden. Es ist klar, dass der Ring<B>110</B> auch aus mehreren Segmenten gebildet werden kann, die nach dem Sintern der Matrize 112 in dieser verankert sind.
Es ist auch möglich, den gesinterten Körper 112 aus Segmenten zu bilden, die infolge der Infiltration zusammenhaften. Es ist klar, dass der rechteckig ge zeichnete Ring 110 auch ein- oder beidseitig vor stehende, abgeschrägte Kanten aufweisen kann oder auch zur Mitte hin abgeschrägt sein kann, insbeson dere wenn er bei einer Schlitz- oder Kantenschere verwendet werden soll.
Fig. 26 zeigt eine andere Konstruktion eines mes serartigen Werkzeuges, bei dem ein radial nach innen gerichteter Flansch 114 von einem Scheibenpaar 115 gehalten ist. Diese Scheiben sind gesintert und wer den von entsprechenden Schrauben 117 zusammen- Crehalten. Eine Infiltration, wie oben beschrieben, ver bindet den ringförmigen Teil 113 mit den Scheiben. Es hat sich gezeigt, dass nach der Infiltration auch die Scheiben<B>115</B> aneinander haften.
Die Erfindung kann auch bei Zahnrädern wie in Fig. 27 und 28 angewendet werden. Bei einem Zahn rad mit Aussenverzahnung trägt ein gesinterter Kör per 118 in einer Nute 119 die Flanschteile 120 der einzeln geformten Zähne 121, die durch ein oben beschriebenes Infiltrationsverfahren im Körper 118 befestigt sind.
Fig. 29 zeigt ein Zahnrad mit einer Innenverzah nung mit einem Haltekörper 122, in dem die Zähne 123 durch Infiltration befestigt sind.
Als Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einem Werkzeug, wo der Verschleiss eine Rolle spielt, zeigt Fig. 30 einen Treiberfinger, wie er in der Textilindu strie Verwendung findet. Im Körper 125 des Fingers, der aus gesintertem Material besteht, ist eine Ausspa rung vorgesehen, in welche die harte Spitze 127 nach dem Verfahren der Erfindung durch Infiltration be festigt ist.
Zu den vielen Vorteilen, welche die solide und billige Befestigung von Einsätzen aller Art, wie oben beschrieben, bietet, gesellt sich noch der grosse Vorteil einer Vibrationsdämpfung, das dem relativ toten gesinterten pulverförmigen Material der Matrizen eigen ist. Demzufolge treten keine Ratterschwingun gen mehr auf und verschwindet der Lärm bzw. es wird der Einfluss dieser störenden Erscheinungen stark vermindert.
Werden daher Werkzeuge, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, ver wendet, dann steigt infolge der grösseren Bearbeitungs geschwindigkeit, des grösseren Vorschubs und der grö sseren Schnittiefe die Produktion und sinken die Pro duktionskosten. Bei Werkzeugen und Vorrichtungen mit harten Einsätzen, die bei hoher Geschwindigkeit aufeinander reiben oder miteinander in Eingriff ste hen, verschwindet die Vibration und sichert diesen Teilen einen relativ ruhigen Lauf und eine grosse Le bensdauer.
Die Verwendung von Werkzeughaltern aus gesin tertem, pulverförmigem Metall zur Befestigung von Einsätzen erweist sich als sehr vorteilhaft. Manche Anordnungen eignen sich zur Herstellung aus andern Mischungen mit pulverförmigem Metall, beispielsweise aus einer Mischung von pulverförmigem Metall und Kunstharz. Eine solche Mischung, die unter dem Namen Decon bekannt ist, bietet den Vorteil, dass ein verdichteter Teil ohne Anwendung von Hitze her gestellt werden kann.
Nachdem der Kunstharz aus gehärtet ist, verbleibt noch ein genügendes Wachs tum, so dass ein darin eingebetteter oder eingesetzter Einsatz gut festsitzt, wenn die Matrize hart geworden ist. Natürlich besitzt eine solche Matrize nicht dieselbe Zug- und Druckfestigkeit einer Matrize aus gesinter tem Metall. Trotzdem bietet eine solche Matrize aus pulverförmigem Metall und Kunstharz auch die Vor teile eines sog. toten , vibrationsdämpfenden Ma terials, welches ein ratterfreies und so gut wie vibra- tionsfreies Arbeiten gestattet.