DE102008022758A1

DE102008022758A1 - Mittels Verbundguss hergestellte Umform- und Trennwerkzeuge

Info

Publication number: DE102008022758A1
Application number: DE102008022758A
Authority: DE
Inventors: Michael Bader; Andreas Mackensen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2008-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft mittels Verbundguss hergestellte Schneidaktivelemente, die sich durch eine werkstoffseitige Funktionstrennung zwischen einem niedrig belasteten Werkzeuggrundkörperwerkstoff und einem hochwertigen Werkstoff in Bereichen hoher Belastung (Schneidleisten- bzw. Schneidkantenbereich) auszeichnen, sowie das Verfahren zur Herstellung dieser Schneidaktivelemente. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der Schneidaktivelemente durch Um- bzw. Angießen eines pulvermetallurgisch hergestellten Sinterwerkstoffes in Form von PM-Stahl für den Bereich der Schneidleiste bzw. der Schneidkante mit einem schmelzflüssigen Gusseisenwerkstoff für den Werkzeuggrundkörper.

Description

Die Erfindung betrifft mittels Verbundguss hergestellte Schneidaktivelemente, die sich durch eine werkstoffseitige Funktionstrennung zwischen einem niedrig belasteten Werkzeuggrundkörperwerkstoff und einem hochwertigen Werkstoff in Bereichen hoher Belastung (Schneidleisten- bzw. Schneidkantenbereich) auszeichnen sowie das Verfahren zur Herstellung dieser Schneidaktivelemente. Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung der Schneidaktivelemente durch Um- bzw. Angießen eines pulvermetallurgisch hergestellten Sinterwerkstoffes in Form von PM-Stahl für den Bereich der Schneidkante bzw. der Schneidleiste mit einem schmelzflüssigen Gusseisenwerkstoff für den Werkzeuggrundkörper. Im Folgenden wird auf den erfindungsgemäß relevanten Stand der Technik bezüglich der Bereiche Schneidwerkzeugherstellung sowie Verbundguss näher eingegangen.
Stand der Technik
Um den Qualitätsansprüchen beim Scherschneiden von Blechwerkstoffen zu genügen, wird durch den Einsatz hochwertiger und i. d. R. hochpreisiger Werkzeugwerkstoffe (z. B. hochfeste Werkzeugstähle, PM-Stähle, Hartmetalle, Keramiken) versucht, den Verschleiß der Aktivelemente zu minimieren bzw. die Werkzeugstandzeit zu erhöhen, um eine dauerhafte und möglichst gleichbleibende hohe Qualität der Bauteile zu realisieren.
Die Herausforderungen seitens der Konstruktion bei der Herstellung von Schneidwerkzeugen bestehen sowohl in der kontinuierlichen Verbesserung der Schnittflächenqualität als auch in der Verarbeitung hoch- und höchstfester oder pressgehärteter Blechwerkstoffe ohne Einschränkung der Standmenge, bei einer gleichzeitigen Kostenreduzierung der Schneidwerkzeugherstellung.
Während des Schneidprozesses treten i. d. R die höchsten mechanischen Belastungen im Schneidkantenbereich auf. Die Auslegung des Schneidkantenbereichs ist dabei mit hohen Anforderungen z. B. an die Verschleißbeständigkeit verbunden. Zur Einstellung der funktionalen Eigenschaften der Schneidkante stehen bei der konventionellen Herstellung von Schneidaktivelementen verschiedene Herstellungs- bzw. Wärmebehandlungsverfahren zur Verfügung. Zu den gängigsten Verfahren gehören dabei beispielsweise:

• gehärtete Schneidkanten
• auftragsgeschweißte Schneidkanten
• verschraubte sowie hartgelötete Schneidkanteneinsätze aus hochwertigen Werkzeugwerkstoffen
• beschichtete Schneidkanten

Insbesondere gehärtete und beschichtete Schneidwerkzeuge stehen dabei im Fokus der industriellen Praxis, erfordern jedoch z. T. den Einsatz hochwertiger und hochpreisiger Werkstoffe. Zudem sind gegebenenfalls aufwändige Bearbeitungsschritte zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften im Schneidkantenbereich erforderlich.
In EP 1 897 970 A1 wird ein beschichtetes Schneidwerkzeug geschützt. Der Grundwerkstoff wird dabei mit einem TiCN-Film und Schichtdicken von 0,05 bis 0,5 μm überzogen.
In EP 1 892 052 A1 wird ein auf Titan-Carbonnitrid basierendes Cermet mit einer Mikrostruktur, die bis zu 75–90% aus einer harten Phase besteht, vorgestellt. Anwendung dieses Werkstoffes ist vor allem die spanende Werkstückbearbeitung.
In EP 1 837 105 A1 werden Schneidwerkzeuge mit Sialon Einsätze vorgestellt. Diese werden jedoch vorzugsweise für Schneidwerkzeuge für die spanende Werkstoffbearbeitung eingesetzt.
In EP 1466710 A2 wird ein Konzept für ein beheiztes Schneidwerkzeug für schwierig zerteilbare Materialien vorgestellt. Hierbei wird das aus einer Mischkeramik bestehende Schneidwerkzeug elektrisch beheizt.
Verbundgussverfahren finden ihre industrielle Anwendung u. a. in Bereichen des Verschleißschutzes. Beispiele hierfür sind u. a. Bremsscheiben für Hochgeschwindigkeitszüge oder für die Automobilindustrie. Auch werden Rohrleitungen zum Transport hochabrasiver Güter mittels Verbundguss hergestellt. Die verschleißfeste Rohrauskleidung aus weißem Gusseisen wird dabei in einem vorgewärmten Rohrkörper eingegossen. Weitere Anwendungen finden sich in der Fertigung von Führungsplatten für Pflugscharen sowie für Gleitsohlen für Tagebaubagger.
In DE 44 14 095 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundbauteils beschrieben, mit dem sich Kolben, Zylinderköpfe oder Wellen fertigen lassen. Verbundgussverfahren lassen sich auch als Fügemethode zum Verbinden zweier Werkstücke verwenden, wie in DE 44 14 168 A1 dargelegt.
In WO 03/041895 A1 wird eine Methodik zur Herstellung von Umform-, Schneid- und Abkantwerkzeugen vorgestellt, die mittels Verbundguss hergestellt werden. Bei dem Verfahren werden nacheinander zwei Guss- und/oder Stahl-Schmelzen unterschiedlicher Legierung in eine Gießform gefüllt, wobei sich entlang der Kontaktfläche der beiden Legierungen eine Interdiffusionszone ausbildet und eine stoffschlüssige Anbindung erzeugt.
Aufgabenstellung
Um Material- und Herstellungskosten zu senken, gibt es u. a. die Möglichkeit die Schneidaktivelemente hinsichtlich des Werkstoffes belastungsangepasst zu konstruieren. Dabei werden für die jeweils unterschiedlich beanspruchten Bereiche des Werkzeugs verschieden verschleißfeste Werkstoffe als Einsätze verwendet. Ein wichtiger Aspekt beim Verwenden verschiedener Werkstoffe ist der Verbund der beiden Komponenten. Möglichkeiten bestehen beispielsweise durch Verschrauben einer verschleißfesten Schneidleiste auf einen weniger hochwertigen Grundkörper. Da aber diese Schneidleisten, insbesondere bei großen Beschneidewerkzeugen, immer noch ein großes Volumen ausmachen und Hochleistungsschneidwerkstoffe extrem teuer sind, verursacht diese Methode hohe Kosten. Ein für diese Anwendungen bislang noch nicht verwendeter Lösungsansatz stellt das Verbundgießen dar. Erfindungsgemäß beträgt dabei der Anteil des Hochleistungsschneidwerkstoffs an der Schneidleiste (Werkzeugeinsatz) nur noch einen sehr geringen Anteil an der Gesamtmasse. In der hier dargelegten Erfindung erfolgt die Aktivelementherstellung von Schneidwerkzeugen, wie beispielhaft in 2 anhand eines Schneidaktivelements 3 veranschaulicht, mittels Verbundguss durch Um- bzw. Angießen eines vergleichsweise hochwertigen, pulvermetallurgisch hergestellten Sinterwerkstoffes in Form von PM-Stahl für den Bereich der Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 mit einem Gusseisenwerkstoff als Grundkörper 12. Dabei stellt sich erfindungsgemäß im Kontaktbereich 13 zwischen Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 und dem gusseisernen Werkzeuggrundkörper 12 eine stoffschlüssige Verbundzone 14 ein.
Das Schneidaktivelement 3 wird bei der vorliegenden Erfindung mittels offenen Herdgussverfahrens durch Einlegen eines z. T. bereits vorgefertigten Schneidkanten- bzw. Schneidleisteneinsatzes 11 aus pulvermetallurgisch hergestelltem Stahl in eine Sandform und anschließendem Um- bzw. Angießen mit einer Gusseisenschmelze hergestellt. Durch die hohen Temperaturen der Gusseisenschmelze (> 1200°C) während der Formfüllung findet ein Aufheizen und Anschmelzen der Randschicht der Schneidleiste statt, wodurch eine stoffschlüssge Verbundzone 14 entsteht. Die Erfindung ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass die Einlegeteile während des Gießvorgangs durch die Wärmeübertragung aus der Schmelze vorgewärmt werden, was die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung entlang der Kontaktfläche 13 zusätzlich unterstützt.
Erfindungsgemäß können durch den Einsatz mittels Verbundguss hergestellter Schneidaktivelemente Herstellungskosten gesenkt werden. Bedingt durch die belastungsangepasste Ausführung der Aktivelemente lassen sich Materialkosten senken sowie aufwendige Nacharbeitsprozesse reduzieren, bei einer gleichzeitig hohen Standzeit der Werkzeuge.
Ausführungsbeispiel
Anhand eines Schneidwerkzeugs zum Schneiden ebener Blechwerkstoffe wurde beispielhaft der erfindungsgemäße Ansatz zur Herstellung von Schneidaktivelementen mittels Verbundguss erfolgreich angewendet. In 1 ist der Aufbau des Schneidwerkzeugs 1 schematisch dargestellt. Das Schneidwerkzeug zum Schneiden eines Blechwerkstücks 8 besteht aus einem Oberteil 2, an dem das Schneidaktivelement 3 (Obermesser) befestigt ist. Das Aktivelement 6 (Untermesser) ist dagegen auf dem Werkzeugunterteil 5 montiert. Die Werkzeugführung wird über vier Führungssäulen 4 sichergestellt. Der Niederhalter 7 ist auf der Niederhalterplatte 9 befestigt. Mittels Schraubenfeder 10 wird die benötigte Niederhalterkraft aufgebracht. 2 zeigt den Aufbau des Schneidaktivelements 3. Der Bereich der Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 besteht erfindungsgemäß aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Stahlwerkstoff, während der Werkzeuggrundkörper 12 aus einem Gusseisenwerkstoff ausgeführt ist. Der Verbund zwischen Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 und dem Grundkörper 12 des Aktivelements erfolgt in der dargelegten Erfindung mittels Verbundguss durch Um- bzw. Angießen der Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 mit schmelzflüssigem Gusseisen. Dabei ermöglicht das Verbundgießen die Einstellung einer stoffschlüssigen Verbundzone 14, wie in 3 verdeutlicht. Durch die Wärmeeinwirkung der über die Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 fließenden Gusseisenschmelze erfahren die Schneidkante bzw. Schneidleiste eine Wärmebehandlung, die erfindungsgemäß zur Vergütung der Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 genutzt wird, so dass ein nachträglicher Vergütungsprozess z. B. mittels Wärmeofen entfällt.

1: Schneidwerkzeug
2: Werkzeugoberteil
3: Schneidaktivelement (Obermesser)
4: Führungssäule
5: Werkzeugunterteil
6: Schneidaktivelement (Untermesser)
7: Niederhalter
8: Werkstück
9: Niederhalterplatte
10: Schraubenfeder
11: Schneidkante bzw. Schneidleiste
12: Aktivelementgrundkörper
13: Stirn- und Mantelfläche der Schneidkante bzw. Schneidleiste
14: Verbundzone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1897970 A1 [0006]
- EP 1892052 A1 [0007]
- EP 1837105 A1 [0008]
- EP 1466710 A2 [0009]
- DE 4414095 A1 [0011]
- DE 4414168 A1 [0011]
- WO 03/041895 A1 [0012]

Claims

Werkzeug zum Trennen eines Werkstücks und das Verfahren zu dessen Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidaktivelemente 3 und 6 mittels einer werkstoffseitigen Funktionstrennung zwischen einem niedrig belasteten Werkzeuggrundkörperwerkstoff 12 und einem hochwertigen Werkstoff in Bereichen hoher Belastung im Schneidprozess und hoher Anforderung an die Verschleißbeständigkeit im Schneidkanten- bzw. Schneidleistenbereich 11 aufgebaut sind.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeuggrundkörperwerkstoff 12 aus einem Gusseisenwerkstoff und der Bereich der Schneidkante bzw. Schneidleiste 11 aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Stahlwerkstoff besteht.
Werkzeug nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Anbindungsbereich zwischen dem Werkzeuggrundkörperwerkstoff 12 und dem pulvermetallurgisch hergestellten Stahlwerkstoff im Schneidkanten- bzw Schneidleistenbereich 11 ein stoffschlüssiger Verbund 14 entlang der gemeinsamen Kontaktfläche 13 vorliegt, der mittels Verbundgießen durch Um- bzw. Angießen des pulvermetallurgischen Stahls mit einer schmelzflüssigen Gusseisenlegierung erzeugt wird.
Werkzeug nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der pulvermetallurgisch hergestellte Stahl im Ausgangszustand vor dem Verbundgießen sowohl im unvergüteten (nicht-wärmebehandelten) als auch im vergüteten (wärmebehandelten) Zustand vorliegen kann.
Werkzeug nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag aus der Gusseisenschmelze in den pulvermetallurgischen Stahl während des Gieß- bzw. des Erstarrungsprozesses zur thermischen Vergütung genutzt wird.
Werkzeug nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag aus der Gusseisenschmelze in den pulvermetallurgischen Stahl während des Gieß- bzw. des Erstarrungsprozesses zum Vorwärmen der Schneidkante bzw. Schneidleiste genutzt wird, was die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbundzone unterstützt.
Werkzeug und Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidaktivelement auch als fügbarer Einsatz/Insert in einem Werkzeug verbaut werden kann.
Werkzeug und Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug auch als Umformwerkzeug genutzt werden kann.