BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Sinterkörper, ein Verfahren zu dessen Herstellung und Weiterverarbeitung.
Seit die funkenerosive Bearbeitung, insbesondere im Stahlformenbau Eingang gefunden hat, wurden zahlreiche Versuche unternommen, die harten Oberflächen mit Rauhtiefen von 30 llm rationell einzuebnen und die extrem harte Grundschicht zu entfernen.
Müssen Oberflächen, wie es im Kunststoff-Formenbau an der Tagesordnung ist, riss- und porenfrei bearbeitet werden, so bedeutet dies, dass die Oberflächen nicht nur bis auf den Grund der vorhandenen Rauhtiefen abgetragen werden müssen, sondern dass auch die im Grund aufgebaute, extrem harte Schicht beseitigt werden muss.
Die der VDI-Richtlinie 3400 korrespondierenden tatsächlichen Rauhtiefen liegen in einem Bereich von 4-150 llm.
Die schnellsten Ergebnisse zur Abtragung bzw. zur Einebnung der extrem harten Erosionsschichten werden durch maschinelles Schleifen erzielt. Dieser Art der Bearbeitung ist allerdings nur ein beschränkter Anteil Oberflächen zugänglich. Eine Bearbeitung der Oberflächen von Hand mit rotierenden Schleifstiften ergibt vielfach eine unzureichende Oberflächengeometrie.
Bei der Bearbeitung der extrem harten Oberflächen mit Schleiffeilen wirken diese Oberflächen als gute Abrichtflächen, was bedeutet, dass der Verschleiss der Schleiffeilen sehr hoch und demzufolge die Einebnung zeitraubend ist.
Die bekannte Bearbeitung der extrem harten Oberflächen mit Handfeilen mit galvanisch gebundenen Diamantkörnern verschiedenster Form hat bisher noch an keiner Stelle zu befriedigenden Ergebnissen geführt. Dies ist sehr leicht einzusehen, wenn man den Aufbau dieser Werkzeuge betrachtet.
Fig. 1 zeigt im Schnitt auf einem Tragkörper, der eine Querschnittsform handelsüblicher Feilen hat, in einer Nickelschicht 12 galvanisch gebundene Diamantkörnchen 13, 14 und 15 in einem angenäherten Grössenverhältnis 2:3:4,5, welches für die Körnungen D 51, D 124 und D 181 zutrifft, wobei im Bereich der Verhältnisgrössen 2 und 3 jeweils mit 70% der anzahlmässige Hauptanteil und im Bereich der Verhältnisgrösse 4,5 5% der gröbsten Körner liegen.
Letztere überragen den Hauptanteil der Körner bei D 51 um 30 llm, bei D 124 um 60 llm und bei D 181 um 90 llm; dabei entfallen auf eine Belagfläche von 1 mm2 bei D 51 mit etwa 200 Körnern 10 Körner mit einer Übergrösse von 30 *zum, bei D 124 mit 60 Körnern je mm2 4 Körner mit einer Übergrösse von 60 llm und bei D 181 mit 25 Körnern je mm2 nur ein einziges Korn mit der Übergrösse von 90 ,zum.
Es ist einzusehen, dass mit diesen Werkzeugen, ob von Hand oder mittels Handfeilmaschinen betätigt, Oberflächen, gleich welcher Rauheit, kaum unter 10 llm Rt eingeebnet werden können, damit die Möglichkeit der Weiterbearbeitung durch Läppen und Polierläppen gegeben ist.
Nach Angaben der Diamantkornhersteller und Diamantkornlieferanten sind in einer Kornfraktion 25% der Körner kleiner als die unterste angegebene Korngrösse, wobei die 1 l/zfache Grösse der oberen Grenze nicht überschritten werden soll.
Galvanisch gebundene Diamantfeilen werden in den Körnungen D 51 fein, D 124 mittel und D 181 grob hergestellt.
Im Formenbau werden nicht nur hohe, sondern sogar sehr hohe Schliffgüten angestrebt, insbesondere dann, wenn eine Oberfläche durch das Schleifen für das Läppen, Polierläppen und Polieren vorbereitet werden soll.
Wesentlich ungünstiger liegen die Ergebnisse bei funkenerodierten Oberflächen, die für eine maschinelle Bearbeitung nicht zugänglich sind und mittels Handfeilen mit galvanisch gebundenen Diamantkörnern von Hand oder mit Handfeilmaschinen bearbeitet werden. Die wenigen, infolge ihrer Übergrösse vorstehenden Körner tragen zwar die extrem harte, aus Karbiden bestehende Schicht ab, hinterlassen jedoch schon bei den als feingekennzeichneten Diamantfeilen Riefen, die bis zu 30 y.m tief sind. Von einer Schliffgüte kann hier kaum gesprochen werden, zumal der weitere Abbau der neu entstandenen Rauheit mit Schleiffeilen bis zu Rauhtiefen von 10 llm und weniger erfolgen muss, damit die Weiterbearbeitung durch Läppen und Polierläppen erfolgen kann.
Ein weiterer Nachteil der Handfeilen mit galvanisch gebundenen Diamantschleifkörpern ist die arteigene Stossempfindlichkeit der Körner, die bei der Betätigung durch Handfeilmaschinen von 3000 bis 10000 min-' schon bei Arbeitsbeginn zertrümmert werden.
Selbst ein erhöhter Arbeitsdruck reicht dann nicht aus, um die zähharten Schichten abzutragen, damit die überplattierten Körner zum Einsatz gelangen können.
Es sind bereits metallgebundene Diamant-, Schleifscheiben-, Schleifstifte-, -honleisten, -honaalen, -sägen, -kreissägen, -bohrkronen, -pallets zur Bestückung von Kalotten zur Glasbearbeitung bekannt. Für die Herstellung der aufgeführten metallgebundenen Diamantwerkzeuge werden Formen benötigt. Vielfach wird im Anschluss an eine Entformung der sogenannten green articles vorgenommen, wie es in der US-PS 2737454 beschrieben wird. Die Sinterung erfolgt in einer nicht oxidierenden Atmosphäre. Die Sinterzeit bei 600 C beträgt 5 Stunden.
Die Aufheizzeit auf 6000 C mit einer Aufheizrate von 750 C pro Stunde beträgt 8 Stunden, so dass sich eine Gesamtverweilzeit im Ofen von 13 Stunden ergibt. 13 Stunden sind eine zu lange Verweilzeit und verunmöglichen eine Fertigung in grösseren Stückzahlen.
Kleinere Stückzahlen und auch Einzelstücke werden in Formen aus Sinterkohle einem Drucksinterverfahren unterzogen, bei dem Temperaturen bis etwa 10000 C erreicht werden. Eine derartige Drucksinterung kann in normaler Atmosphäre während einer Zeitdauer von etwa 10 bis 12 Minuten durchgeführt werden. Bei diesem Drucksinterverfahren ist jedoch der Abbrand an den freien Flächen und insbesondere an den Kanten der Formen verhältnismässig gross, so dass mit den Formen nur wenige Teile gefertigt werden können. Eine sehr hohe Sprödigkeit lässt keine zweiachsige Beanspruchung zu, so dass die herzustellenden Konturen bzw. Formen im wesentlichen nur flächig sind. Es hat sich gezeigt, dass die Oberfläche der Formen nach einer spanabhebenden Bearbeitung verhältnismässig rauh ist, so dass dieses Verfahren für viele Zwecke nicht geeignet ist.
In dem Prospekt der Firma Schunk & Ehe GmbH, Giessen, mit der Überschrift S & E Graphitformen für die Herstellung von Diamant-Hartmetall und Keramikwerkzeugen werden eine Drucksintertechnik und dafür geeignete Graphitformen beschrieben. Das Drucksinterverfahren wird mittels Widerstands erhitzung durchgeführt. Mit derartigen Formen können aber keine metallgebundenen Diamantwerkzeuge für Handfeilmaschinen gewünschten Querschnitts hergestellt werden, insbesondere nicht Querschnitte von Nadel- oder Schlüsselfeilen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einfache Herstellung sich selbstschärfender, insbesondere mittels Handfeilmaschinen im Kurzhub zu betätigender, metallgebundener Diamantwerkzeuge kleiner Abmessungen zu ermöglichen, die eine - in Abhängigkeit von den durch die unterschiedliche Funkenintensität bei der Funkenerosion entstehenden verschiedenen Rauhtiefen - wirtschaftli- che Abtragung der extrem harten Schicht bei gleichzeitig ständig reproduzierter Einebnung auch in engen Kavitäten ermöglichen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Sinterkörper aus einem Diamant-Bindemittel-Pulvergemisch geschaffen wird, der plattenförmig und derart stabförmig profiliert ausgebildet ist, dass die Stäbe durch Stege miteinander verbunden sind. Insbesondere können die Stege 0,05 bis 0,1 mm stark sein.
Dieser Sinterkörper bildet ein in einfachster Weise herzustellendes und weiterzuverarbeitendes Zwischenprodukt, aus dem die einzelnen Diamantwerkzeuge hergestellt werden. Die Stäbe können etwa 1 bis 2,5 mm stark sein. Die Platte kann eine Fläche von 3 x 4 cm haben, wobei die Stäbe dann 1 bis 3 mm stark sind. Insbesondere können die Stäbe im Querschnitt prismatisch sein.
Gemäss weiterer Erfindung kann der plattenförmige, stabförmig profilierte Sinterkörper in der Weise hergestellt werden, dass in eine Drucksintermatrize aus anlassbeständigem Stahl mit profiliertem Ober- und Unterstempel ein Diamant-Bindemittel-Pulvergemisch in einer Schicht eingefüllt wird, deren Schichtdicke gegenüber der Längen- und Breitenabmessung gering ist, wobei das Pulvergemisch quer zur Hauptachse der Druckstäbe beaufschlagt wird. Anschliessend wird bei einer Temperatur bis zu 6000 C druckgesintert.
Durch eine Drucksinterung bei 6000 C und eine Verwendung von Formen aus anlassbeständigen Stählen wird mit Vorteil erreicht, dass kein Abbrand zu befürchten ist, auch nicht nach einer grösseren Anzahl von durchgeführten Drucksinterverfahren. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird sichergestellt, dass eine vorgegebene Presskapazität, ausgedrückt in Sinterdruck pro cm2 Sinterpressfläche, voll ausgenutzt werden kann. Es wird eine ausreichend grosse Sinterpressfläche zur Verfügung gestellt. Das eingefüllte Diamant-Sintermetall-Pulvergemisch bildet in der Form eine Schicht, deren Dickenabmessung gegenüber der Längen- und Breitenabmessung der Gesamtschicht gering ist.
Dadurch, dass eine Anzahl Werkzeuge nebeneinanderliegend in einem Arbeitsgang druckgesintert werden, erfolgt praktisch die Druckbeaufschlagung quer zur Hauptachse des Werkzeuges, insbesondere wenn dieses als prismatischer Stab ausgebildet werden soll. Die einzelnen Werkzeuge werden in einem Sintervorgang aneinanderhängend zu einer Platte geformt, die entformt werden kann, wobei anschliessend die einzelnen Werkzeuge, beispielsweise durch Funkenerosion, voneinander getrennt werden.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass nebeneinanderliegende Stäbchen als green articles praktisch nicht gefertigt werden können, da der Verbindungsfilm von einem Stäbchen zum benachbarten nur eine Stärke von 0,05-0,1 mm hat. Wenn die Stäbchen selbst eine Stärke von etwa 1-2,5 mm haben, würden sie beim Entformen als green articles zerbröckeln.
Erfindungsgemäss kann der nach diesem Verfahren hergestellte Sinterkörper in der Weise weiterverarbeitet werden, dass der Sinterkörper an den Stegen getrennt wird. Der Körper oder die Stäbe können zusätzlich quer geteilt werden, wobei die Teilung über Funkenerosion erfolgt. Die abgetrennten Teile können an einem Schaft befestigt werden, wobei es möglich ist, dass der Schaft am abgetrennten Teil angelötet wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Stäbe oder die abgetrennten Teile in ein Spannfutter eingespannt werden.
Beispiel
Auf einer Sinterpressformstempeloberfläche von 3 x 4 cm lässt sich die nachstehende Anzahl von 40 mm langen Stäbchen anordnen:
Durchmesser Anzahl
1 mm 30
1,5 mm 20
2 mm 15
2,5 mm 12
3,0 mm 10
Jeweils als zusammenhängende Platte mit einer fünflamelligen (0,8 mm starke Cu-Bleche im Abstand von 6 mm angeordnet) Elektrode funkenerosiv geteilt ergibt die folgende Anzahl Stäbchen von 6 mm Länge mit den angegebenen Durchmessern:
Durchmesser Anzahl
1 mm 180
1,5 mm 120
2 mm 90
2,5 mm 72
3,0 mm 60
Derartige Fertigungsverhältnisse sind auch bei anderen Querschnittsformen möglich.
Fig. 11 zeigt ein Sinterwerkzeug aus Sinterpresskohle mit Unterstempel 111 und Oberstempel 112 und den Bohrungen 113 zum Einfüllen des Metall- und Diamantpulvergemisches, wie es für die Herstellung von runden metallgebundenen Diamantwerkzeugen verwendet werden könnte.
Angenommen, man würde in eine Graphit- oder auch Stahlplatte 180 Löcher mit 1 mm Durchmesser bohren, diese von unten mit Nadeln oder Stempeln mit 1 mm Durchmesser verschliessen und anschliessend an alle 180 Bohrungen das nicht rieselfähige Diamantmetallgemisch für jede einzelne Bohrung, auf Milligramm genau gewogen, einfüllen, so ergäbe dies eine ausserordentlich schwierige Arbeit. Für 180 Stäbchen, die 6 mm lang sind und 1 mm Durchmesser haben, müssten beispielsweise 180 Wägungen zu je 0,03297 Gramm durchgeführt werden. Nach dem Einfüllen müssten dann 180 Oberstempel eingeführt werden. Das Drucksinterverfahren würde in diesem Fall nur 10-12 mm beanspruchen. Für das Wiegen und Füllen wäre jedoch eine Zeit von 8 Stunden nicht ausreichend.
Ausserdem besteht die Gefahr, dass bei einer derartigen Anordnung die Stempel überlastet werden, brechen oder ausserordentlich frühzeitig verschleissen. Mit besonderem Vorteil kann ein Diamant-Mikropulver folgender Zusammensetzung verwendet werden:
EMI2.1
<tb> <SEP> Konzentration
<tb> Körnung <SEP> Körnerzahl/Karat <SEP> 100 <SEP> = <SEP> 4,4 <SEP> Karat/cm3
<tb> <SEP> 60/40 <SEP> -3,2 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 13,12 <SEP> > < x <SEP> 10 <SEP> 6
<tb> <SEP> 40/28 <SEP> 8,0 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 35,2 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> 6
<tb> <SEP> 28/20 <SEP> 25,3 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 111,3 <SEP> x <SEP> 106
<tb>
EMI3.1
<tb> Konzentration
<tb> Körnung <SEP> <SEP> Kornerzahl/Karat <SEP> 100= <SEP> 4,4 <SEP> Karat/cm3
<tb> <SEP> 20/14 <SEP> 80,0 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 352,0 <SEP> x
<SEP> 10 <SEP> 6 <SEP>
<tb> <SEP> 14/10 <SEP> 200,0 <SEP> x <SEP> 106 <SEP> 880,0 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP>
<tb> <SEP> 10/7 <SEP> 570,0 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> 2,5 <SEP> x <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP>
<tb>
Beim Arbeitseinsatz der Werkzeuge wird die wesentlich weichere Bronzeverbindung der Körper von den Erhabenheiten der funkenerodierten Oberfläche abgetragen, und dadurch werden die umhüllten Diamantkörnchen freigelegt, so dass diese dann ihrerseits in Aktion treten, um die extrem harte Funkenerosionsschicht abzutragen und die gegebene Rauheit einzuebnen. Beim Abstumpfen der im Eingriff befindlichen Körnchen wird die Bronzebindung weiter abgetragen, so dass immer wieder neue Körnchen für den Arbeitseinsatz freigelegt werden. Dies ist ein infolge des Werkzeugbaues sich langsam vollziehender Vorgang.
Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für eine Herstellung mit einer Sinterform mit Unter- und Oberstempeln, bei der Unterstempel und Oberstempel korrespondierend derart profiliert sind, dass in beiden die Formvertiefungen parallel zueinander verlaufend ausgebildet sind. Eine derartige Sinterform kann problemlos gefüllt werden, und es können gesinterte Formkörper mit vorbestimmten Querschnitten hergestellt werden, die dann in entsprechende Längen unterteilt werden, um mit einem Sintervorgang eine grosse Anzahl von Werkzeugeinheiten herzustellen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Feilenkörper mit galvanisch in einer Schicht gebundenen Diamantkörnchen,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Werkzeuges in perspektivischer Darstellung in Arbeitsstellung,
Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines rechteckigen Werkzeuges,
Fig. 4 die perspektivische Darstellung eines quadratischen Werkzeuges,
Fig. 5 die perspektivische Darstellung eines dreikantigen Werkzeuges,
Fig. 6 die perspektivische Darstellung eines runden Werkzeuges,
Fig. 7 die perspektivische Darstellung eines halbrunden Werkzeuges,
Fig. 8 die perspektivische Darstellung eines ovalen Werkzeuges,
Fig. 9 die perspektivische Darstellung eines messerförmigen Werkzeuges,
Fig. 10 die perspektivische Darstellung eines bogenförmigen Werkzeuges,
Fig.
11 die perspektivische Darstellung eines Sinterwerkzeuges aus Sinterpresskohle mit Unter- und Oberstempel, wie es vielfach heutzutage für die Herstellung von zum Beispiel runden, metallgebundenen Diamantwerkzeugen Verwendung findet, und
Fig. 12 die perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Sinterwerkzeuges mit profiliertem Unter- und korrespondierendem Oberstempel und Rahmenteil.
Fig. 2-10 zeigen Ausführungsformen von Werkzeugen, die mit dem Verfahren und der Erfindung hergestellt wurden. Bei diesen Werkzeugen enthält jeder mm3 der metallisch gebundenen Mikrokörnungen mit der Konzentration 100 bei der
Körnung die Körneranzahl je mm
60/40 13120
40/28 35200
28/20 111000
20/14 352000
14/10 880000
10/7 2500000
Dies lässt deutlich erkennen, dass mit den erfindungsgemäss hergestellten Werkzeugen, die in den Fig. 2-10 dargestellt sind, bei der Abtragung und Einebnung der extrem harten Funkenerosionsschichten unvergleichlich bessere, immer wieder in sehr engen Grenzen reproduzierbare Rz-Werte erhalten werden.
Mit den einzelnen Körnungen wurden die in der nachstehenden Tabelle aufgezeigten Rz-Werte erreicht:
Erodierte Oberfläche Diamant
EMI3.2
<tb> RA <SEP> RA <SEP> Rt <SEP> Körnung <SEP> Erzielte <SEP> Rt
<tb> VDI <SEP> <SEP> 3400 <SEP> (n) <SEP> (pin) <SEP> <SEP> (pm) <SEP> <SEP> (tun) <SEP> (tun) <SEP>
<tb> <SEP> N <SEP> 21 <SEP> 1,12 <SEP> 10 <SEP> 10/7 <SEP> 1,5-2
<tb> <SEP> N24 <SEP> <SEP> 1,60 <SEP> 15 <SEP> 14/10 <SEP> 2 <SEP> -2,5
<tb> <SEP> N <SEP> 30 <SEP> 3,15 <SEP> 30 <SEP> 20/14 <SEP> 3 <SEP> -3,5
<tb> <SEP> N <SEP> 33 <SEP> 4,50 <SEP> 45 <SEP> 30/20 <SEP> 3,5-5
<tb> <SEP> N <SEP> 36 <SEP> 6,30 <SEP> 60 <SEP> 60/40 <SEP> 5 <SEP> -7
<tb>
Zur gleichmässigen Verteilung der
spezifisch leichteren Diamantpulver in der Mischung werden die spezifisch schwereren Metallpulver mit entsprechenden Flüssigkeiten angefeuchtet. Das Gemisch verliert dadurch seine Rieselfähigkeit, so dass dessen Einfüllen in kleine und enge, auf der Unterseite mit passenden Stempeln verschlossene Bohrungen oder Durchbrüche sehr zeitaufwendig ist.
Obendrein muss bei Mehrfach-Werkzeugen die Füllmenge für jede einzelne Kavität auf Mikrogramm genau abgewogen werden, damit die gesinterten Teile eine einheitliche Dichte haben.
Fig. 12 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Sinterwerkzeuges mit profiliertem Unterstempel 121, korrespondierend profiliertem Oberstempel 122 und dazu passendem Rahmen 123, welches die Nachteile des Sinterwerkzeuges nach Fig. 11 nicht aufweist.
In den sich durch das Einführen des Unterstempels 121 in den Rahmen 123 ergebenden Füllraum 124 wird das - entsprechend dem sich ergebenden Hohlraum zwischen den Profilstempeln 121 und 123 - genau dosierte Diamant-Metall-Pulvergemisch eingefüllt und unter Druck entsprechend dem Stempelprofil 125 gesintert. Die Sinterprofile für die Werkzeuge nach Fig. 3-10 und auch andere Ausführungen in unterschiedlichen Formen und Abmessungen können auf die geschilderte Art einfach und preisgünstig hergestellt werden.