DE102009018813B4

DE102009018813B4 - Werkzeugsystemkomponente

Info

Publication number: DE102009018813B4
Application number: DE102009018813.4A
Authority: DE
Inventors: Gilbert Kleiner
Original assignee: Guehring KG
Current assignee: Guehring KG
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2029-04-25
Also published as: DE102009018813A1

Abstract

Werkzeugsystemkomponente mit einer Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52), über die im Zusammenwirken mit einer Gegenfläche Kräfte übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52) zumindest abschnittsweise mit einer Hartstoffbeschichtung versehen ist, deren Dicke vorzugsweise in einem die vorgegebene Maßhaltigkeit der Werkzeugsystemkomponente nicht verändernden Bereich liegt, wobeidie Hartstoffbeschichtung eine Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 10 Mikrometer hat,der beschichtete Abschnitt der Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra hat, der im Wesentlichen doppelt so groß ist wie der arithmetischen Mittenrauwert Ra der unbeschichteten Oberfläche, undder arithmetische Mittenrauwert Ra des beschichteten Abschnitts der Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52) im Bereich zwischen 0,1 und 0,8 Mikrometer liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugsystemkomponente mit einer Funktionsoberfläche, über die im Zusammenwirken mit einer Gegenfläche Kräfte übertragbar sind. Mit anderen Worten, die Erfindung findet bei allen denkbaren Werkzeugkomponenten Anwendung, bei denen es darum geht, eine kraft- bzw. reibschlüssige Verbindung zu angrenzenden Komponenten herzustellen. Werkzeugkomponenten, bei denen es auf diese Art der Verbindung ankommt, sind beispielsweise drehangetriebene Schaftwerkzeuge, die über ein Präzisions-Spannfutter, wie z.B. Hydrodehn- oder Thermo- bzw. Schrumpfspannfutter in einer Werkzeugaufnahme gespannt werden.
Werkzeugsystemkomponenten sind beispielsweise aus der DE 42 09 307 C2 , DE 33 28 224 C2 , JP S56- 21 706 A , DE 100 52 681 A1 , DE 101 57 040 A1 , DE 199 05 735 A1 , CH 530 834 A , EP 1 867 417 B1 , DD 293 531 A5 , EP 0 291 933 B1 , DE 43 00 289 A1 oder DE 44 21 144 A1 bekannt.
Eine andere Werkzeugkomponente, bei der es auf eine sichere kraftschlüssige Verbindung zu anderen Bauteilen ankommt, ist beispielsweise ein Werkzeugsystemmodul mit einer Werkzeugschnittstelle zum Spannsystem, beispielsweise zum Spannsystem einer Werkzeugmaschinenspindel. Wesentlicher Bestandteil einer derartigen Werkzeugschnittstelle bzw. Werkzeug-Trennstelle ist häufig ein sogenannter Hohlschaftkegel (HSK), über den im Zusammenwirken mit einem sich daran anschließenden Radialbund häufig extrem große Drehmomente übertragen werden müssen. Da derartige Werkzeugsystemkomponenten mittlerweile mit höchster Präzision gefertigt werden müssen, damit die geforderten engen Toleranzen hinsichtlich Rundlauf und Schneidenposition eingehalten werden können, sind diese Funktionsoberflächen an Werkzeugsystemkomponenten in der Regel mit einer sehr hochwertigen Oberfläche ausgestattet, was regelmäßig nur durch Feinbearbeitung, wie Schleifbearbeitung oder Polierbearbeitung sichergestellt werden kann.
Im Zuge der jüngsten Werkzeugentwicklung gelangen immer höherwertigere Werkstoffe, wie z. B. Hartmetalle oder Cermet-Werkstoffe oder Diamant-Werkstoffe, wie z. B. PKD-Schneideinsätze, zur Anwendung. Der Einsatz dieser Werkstoffe führt dazu, dass die im Einsatz befindlichen Schneiden der Werkzeuge immer höher belastbar werden, wobei auch die Standzeit dieser Schneiden immer weiter zunimmt. Es zeigt sich allerdings, dass die von den Schneideinsätzen bzw. vom Werkzeug ertragbaren Schnittkräfte nicht voll ausgeschöpft werden können, weil der Kraftschluss im Bereich der Funktionsoberfläche der Werkzeugsystemkomponente nicht mehr ausreicht, um die auftretenden und vom Werkstoff verkraftbaren Kräfte zu übertragen.
Man hat deshalb in Erwägung gezogen, die am Kraft- bzw. Reibschluss beteiligten Funktionsoberflächen der einzelnen Werkzeugsystemkomponenten gezielt aufzurauen. Dieser Vorgang verteuert allerdings das Werkzeug beträchtlich, und es zeigt sich, dass der dadurch erzielbare positive Effekt der Verbesserung der Kraftübertragung mit zunehmender Einsatzdauer des Werkzeugs, insbesondere bei häufigerem Auswechseln der Werkzeugsystemkomponente, mit der Zeit mehr oder weniger stark nachlässt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe, eine Werkzeugsystemkomponente mit einer Funktionsoberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in der Weise weiterzubilden, dass es bei wirtschaftlicher Herstellung der Werkzeugsystemkomponente gelingt, die am Kraft- bzw. Reibschluss beteiligte Funktionsoberfläche über eine lange Einsatzdauer hinweg hinsichtlich ihrer verbesserten Kraftübertragungskapazität zu stabilisieren.
Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugsystemkomponente mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Werkzeugsystemkomponente in der Ausbildung als Schaftwerkzeug, in der Ausbildung als Werkzeugsystemmodul, in der Ausbildung als Schneideinsatz, in der Ausbildung als Werkzeugkassette sowie in der Ausbildung als Spannpratze mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche.
Erfindungsgemäß wird die Funktionsoberfläche zumindest abschnittsweise mit einer Hartstoffbeschichtung ausgestattet, die in der Weise aufgebracht bzw. abgeschieden wird, dass sich durch den Prozess des Aufbringens bzw. Abscheidens die Maßhaltigkeit der Werkzeugsystemkomponente nicht maßgeblich ändert. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass die Funktionsoberfläche auf exaktes Maß und mit entsprechend hoher Oberflächengüte vorbearbeitet werden kann, woraufhin die Hartstoffschicht in einem industriell optimierten Prozess aufgebracht werden kann.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit diesem Abscheidungs- bzw. Beschichtungsprozess die Rauheit der Funktionsoberfläche im Wesentlichen verdoppeln lässt, und zwar selbst dann, wenn die Beschichtung im Mikrometerbereich abgeschieden wird. Die über die Funktionsoberflächen übertragbaren Kräfte lassen sich auf diese Weise erheblich steigern, wobei der vorteilhafte Nebeneffekt erzielt wird, dass die Funktionsoberfläche abriebfester und formstabiler wird, mit der Folge, dass auch nach häufigem Auswechseln der Werkzeugsystemkomponente, d.h. nach häufigem Lösen und Wiederherstellen des Kraftschlusses zwischen der Werkzeugsystemkomponente und einer entsprechenden Gegenfläche, ein Einbruch der Kraftübertragung über die Funktionsoberfläche nicht zu erwarten ist.
Es konnte in Versuchen gezeigt werden, dass beispielsweise dann, wenn der zylindrische Schaft eines spanabhebenden Werkzeugs, wie z. B. eines Fräswerkzeugs, mit einer erfindungsgemäßen Hartstoffbeschichtung ausgestattet wird, das über ein Schrumpffutter oder ein Hydrodehnspannfutter übertragbare Drehmoment auf das Dreibis Vierfache gesteigert werden kann, wobei diese vergrößerte Kraftübertragung auf Dauer, d.h. im gesamten Lebenszyklus des Werkzeugs, sichergestellt werden konnte.
Vorteilhafterweise ist die Hartstoffbeschichtung von einer Beschichtung gebildet, die nach dem PVD- ((physical vapour deposition) -Verfahren abgeschieden ist. Es hat sich gezeigt, dass bei dieser Art der Schichtabscheidung die abzuscheidenden Werkstoffatome vorrangig an den Erhöhungen der durch die Bearbeitung, insbesondere Feinbearbeitung, der Funktionsoberfläche vorgegebenen Oberflächenstruktur abgeschieden werden. Auf diese Weise wird selbst bei geringsten Schichtdicken, die im Mikrometerbereich liegen können, der arithmetische Mittenrauwert Ra im Wesentlichen doppelt so groß wie der arithmetische Mittenrauwert Ra der unbeschichteten Oberfläche, wodurch der Reibungskoeffizient zwischen der Funktionsoberfläche und der Gegenfläche ohne zusätzliche Oberflächenbearbeitungsmaßnahmen auf ein Vielfaches angehoben werden kann.
Vorzugsweise werden metallische Hartstoffe abgeschieden, wobei die Hartstoffbeschichtung zumindest eine Schicht aus der Gruppe der TiN(Titannitrid)-, TiAIN(Titanaluminiumnitrid)-, AlTiNi(Aluminiumtitannitrid)-, TiCNi(Titancarbonnitrid)- und der Al-CrN(Aluminiumchromnitrid)-Schichten aufweisen kann.
Es ist auch möglich, zahlreiche Einzelschichten aufzubringen, wobei die Stärke jeder Lage im Bereich weniger Atomschichten bzw. Nanometer liegen kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine einlagige Gradientenschicht aufzubringen, innerhalb der sich die Eigenschaft zusätzlich steuern lässt.
Die Hartstoffbeschichtung wird mit einer Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 10 Mikrometer ausgebildet, wobei die Dicke der Schicht auch Einfluss auf die Standzeit hat. Um die Maßhaltigkeit der Werkzeugsystemkomponente nicht zu verändern, wird die Schichtdicke bei Werkzeugsystemkomponenten mit kleinem Nennmaß regelmäßig kleiner gehalten als bei Werkzeugsystemkomponenten mit großem Nennmaß. Bei eng tolerierten Nennmaßen, wie z.B. bei einem mit der Passung h6 gefertigten WerkzeugSchaftdurchmesser, wird die Schichtdicke vorzugsweise entsprechend klein gehalten.
Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der über die Funktionsoberfläche übertragbaren Reibschlusskräfte lassen sich dann erzielen, wenn die Funktionsoberfläche einen arithmetischen Mittenrauwert Ra hat, der im Wesentlichen doppelt so groß ist wie der arithmetische Mittenrauwert Ra der unbeschichteten, vorzugsweise feinbearbeiteten Oberfläche.
Bei einer geschliffenen Oberfläche der Werkzeugsystemkomponente liegt der arithmetische Mittenrauwert Ra des beschichteten Abschnitts der erfindungsgemäßen Funktionsoberfläche im Bereich zwischen 0,1 und 0,8 Mikrometer.
Es konnte in Versuchen gezeigt werden, dass die erfindungsgemäß angestrebte Steigerung des Kraftübertragungspotentials der Funktionsoberfläche gleichermaßen realisierbar war, wenn die unbeschichtete Oberfläche geschliffen oder poliert war. Diese Erkenntnis eröffnet die Möglichkeit, sogar extrem glattoberflächige bzw. polierte Schneideinsätze aus extrem hartem Werkstoff, wie z. B. PKD- (polykristalliner Diamant) - Schneideinsätze oder Schneideinsätze aus CBN (kubisches Bornitrid) an ausgewählten Stellen mit einer erfindungsgemäßen Hartstoffbeschichtung auszustatten, wodurch es gelingt, diese hochfesten Schneideinsätze auch beim Auftreten größter Schnittkräfte verschiebesicher am Werkzeughalter zu fixieren.
Die Funktionsoberfläche kann grundsätzlich eine beliebige Geometrie haben, da die Abscheidung durch geeignete Kinematik in der Abscheidungskammer so gesteuert werden kann, dass sie auf beliebigen Substratoberflächen eine gleichmäßige Abscheidungsdicke liefert. Sie kann als ebene Fläche ausgebildet sein, aber auch als gekrümmte Fläche, wie z. B. eine Kegelstumpf- oder Zylindermantelfläche.
Vorteilhafte Anwendungsgebiete der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. So kann beispielsweise ein Schaftwerkzeug, wie z.B. ein Fräswerkzeug, das über einen zylindrischen oder einen konischen Spannschaft gespannt wird, in diesem Bereich mit einer erfindungsgemäßen Hartstoffbeschichtung ausgestattet werden.
Somit kann beispielsweise ein zylindrischer Spannschaft mit der erfindungsgemäßen Beschichtung in eine entsprechende Ausnehmung eines Schrumpf- oder Hydrodrehnspannfutters (HDSF) eingesetzt werden. Da sich die Maßhaltigkeit des Spannschafts durch die erfindungsgemäße Beschichtung nicht ändert, können die Spannparameter, wie Aufheizungsgeschwindigkeit, Temperatur und Abkühlungsgeschwindigkeit bzw. Druckauf- und -abbau in der Membrankammer des HDSF, beim Einspannen und Ausspannen des Werkzeugs unverändert wie bei einem unbeschichteten Werkzeugschaft beibehalten werden, was die Handhabung der Werkzeuge und des Spannsystems stark vereinfacht und funktionssicher hält.
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Funktionsoberfläche kann auch an jedem anderen Werkzeugsystemmodul ausgebildet werden, und zwar an der an dem jeweiligen Werkzeugsystemmodul vorgesehenen Schnittstellenkomponente. Diese Schnittstellen verfügen in der Regel über zumindest eine Flächenpaarung, über die im angekoppelten Zustand Kräfte übertragbar sind. Erfindungsgemäß wird dann zumindest eine Fläche der jeweiligen Flächenpaarung mit einer erfindungsgemäßen Funktionsoberfläche ausgestattet.
Es ist auch möglich, die erfindungsgemäße Hartstoffbeschichtung an ausgewählten Oberflächen einer so genannten HSK-Schnittstelle auszubilden. Es konnte gezeigt werden, dass es selbst dann, wenn sowohl die konische Hohlschaft-Außenoberfläche als auch der sich daran anschließende Radialbund mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehen wird, das über den Konus und die Planfläche maximal übertragbare Drehmoment um den Faktor 4 angehoben werden konnte.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung dann aus, wenn die Werkzeugsystemkomponente als spanabhebendes, vorzugsweise drehantreibbares Werkzeug, insbesondere Fräswerkzeug, ausgebildet wird. Bei diesen Werkzeugen kommt es in besonderem Maße darauf an, über einen kleinen Durchmesser, nämlich über den Einspannschaft, große Drehmomente in der Werkzeugaufnahme zu übertragen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Funktionsoberfläche in Form der beschichteten Zylindermanteloberfläche löst dieses Problem auf besonders wirtschaftliche Art und Weise.
Die Werkzeugsystemkomponente kann auch als Werkzeugverlängerung eines Werkzeugsystems ausgebildet sein. Komponenten eines solchen Werkzeugsystems sind beispielsweise im Lieferkatalog der Anmelderin „GÜHRING, Wer bietet mehr? The Tool Company, Ausgabe Deutsch 2006, Preisliste Nr. 40 unter der Überschrift „Modulare Werkzeugsysteme“, auf den Seiten 1345 bis 1361" zusammengestellt. Die dort gezeigten Passungsflächen sind grundsätzlich sämtlich für die Ausgestaltung im Sinne der vorliegenden Erfindung geeignet.
Eine erfindungsgemäße Werkzeugsystemkomponente kann auch von einem Schneideinsatz gebildet sein, der über eine Stützfläche an einem Schneideinsatzhalter verschiebefest fixiert werden muss, sei es über Kraftschluss allein oder über eine Kombination aus Kraft- und Formschluss. Als zu beschichtende Oberflächen kommen hierbei alle Stützflächen in Betracht, über die sich der Schneideinsatz abstützt, d.h. sowohl eine großflächige Bodenfläche als auch die den Schneiden benachbarte Seitenfläche/n. Hierbei kann es sich auch um eine Hartmetall-Wechselplatte mit PKD- und/oder CBN-Bestückung handeln. Es können jedoch auch PKD- und/oder CBN-Platten direkt an einem Plattenträgerteil formschlüssig abgestützt werden.
Die Werkzeugsystemkomponente kann auch als Werkzeugkassette ausgebildet sein, auf der sich zumindest über eine Stützfläche ein Schneideinsatz abstützt. Derartige Schneideinsatz-Kassetten sind bei modular aufgebauten Werkzeugen weit verbreitet. Häufig sind diese Kassetten mittels einer zentralen Spannschraube, die durch ein Langloch in der Werkzeugkassette greift, gegen im Winkel zueinander stehende Stützflächen drückbar. Zumindest eine dieser Stützflächen kann somit erfindungsgemäß mit einer den Reibschluss verbessernden Beschichtung ausgestattet werden.
Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt in der Ausbildung der Werkzeugkomponente als Spannpratze, wie sie beispielsweise in der eigenen europäischen Patentanmeldung EP 1 293 280 A1 beschrieben ist. In diesem Fall drückt die Spannpratze einen Schneideinsatz flächig gegen eine Auflagerfläche eines Trägerkörpers. Die mit der Stützfläche des Schneideinsatzes zusammenwirkende Kontaktoberfläche der Spannpratze kann erfindungsgemäß als beschichtete Funktionsoberfläche ausgebildet werden, wodurch es gelingt, den Reibschluss zwischen Schneideinsatz und Spannpratze wesentlich zu verbessern und selbst bei sehr großen Schnittkräften sicherzustellen, dass die Lagegenauigkeit der Schneide beibehalten wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines mit einer HSK- (Hohlschaftkegel) -Schnittstelle ausgebildeten Schrumpffutters mit einem darin einzuspannenden Schaftwerkzeug in der Ausbildung als Wendelbohrwerkzeug;
2 eine schematische Seitenansicht eines den Schneiden benachbarten Teils eines spanabhebenden Werkzeugs, bei dem Schneideinsätze mittels einstellbarer Spannpratzen an einem Werkzeugträger fixierbar sind;
3 eine perspektivische schematische Ansicht einer bei der Ausführungsform gemäß 2 einsetzbaren Spannpratze;
4 in etwas vergrößerter Darstellung eine Ansicht der Spannpratze gemäß 3 von unten;
5 eine schematische perspektivische Ansicht eines für die Ausgestaltung nach den 2 bis 4 verwendbaren Schneideinsatzes;
6 eine schematische Seitenansicht einer modifizierten Werkzeugkupplung, bei der ein Spannkonus mit einer Plan-Ringfläche zusammenwirkt;
7 ein Rauheitsprofil einer erfindungsgemäß ausgebildeten Funktionsoberfläche;
8 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der erfindungsgemäßen Funktionsoberfläche; und
9 eine rasterelektronenmikroskopisch stark vergrößerte Aufnahme der mit einer Hartstoffbeschichtung ausgestatteten Funktionsoberfläche.

In 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Wendelbohrer bezeichnet, bei dem sich an ein Schneidteil 12 ein zylindrischer Spannschaft 14 anschließt. Die Werkzeugspannung erfolgt über ein mit 16 bezeichnetes Schrumpffutter, das eine Passungsaufnahme 18 mit Einstellschraube 20 aufnimmt.
Derartige Schrumpffutter zeichnen sich dadurch aus, dass damit ein extrem guter Rundlauf des gespannten Werkzeugs erzielbar ist. Andererseits setzt dieses Spannsystem enge Toleranzen auf Seiten des Spannschafts voraus. Die Oberfläche des Spannschafts 14 ist deshalb in der Regel präzisionsbearbeitet, d.h. geschliffen, wobei in der Regel ein arithmetischer Mittenrauwert Ra im Bereich von 0,1 und 0,2 Mikrometer vorliegt.
Damit das über das Schrumpffutter übertragbare Drehmoment wesentlich angehoben werden kann, wobei gleichzeitig sichergestellt sein soll, dass dieses maximal übertragbare Drehmoment auch bei häufigem Werkzeugwechsel nicht abfällt, ist der Spannschaft 14 zumindest abschnittsweise (im gezeigten Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge L) mit einer Hartstoffbeschichtung ausgestattet.
Diese Hartstoffbeschichtung hat eine Dicke, die vorzugsweise in einem Bereich liegt, der die vorgegebene Maßhaltigkeit der zylindrischen Funktionsoberfläche in Form der Kreiszylindermantelfläche nicht verändert. Es wurde herausgefunden, dass selbst dünnste Hartstoffbeschichtungen im Bereich dieser Funktionsoberfläche genügen, um den Reibwert zwischen der zylindrischen Aufnahme 18 (mit dem Werkstoff Stahl) und dem Spannschaft 14 um den Faktor 5 zu erhöhen, wodurch gleichzeitig das über das Schrumpffutter übertragbare Drehmoment erheblich angehoben werden kann.
Die Dicke der Hartstoffbeschichtung liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 10 Mikrometer. Es kann jedoch in Einzelfällen bereits genügen, die Schichtdicke auf einen Bruchteil eines Mikrometers zu beschränken und gleichzeitig eine wesentliche Anhebung des Reibwerts zwischen den Passungsoberflächen zu erzielen.
In bevorzugter Weise ist die Hartstoffbeschichtung, die in den Figuren durch die gepunktete Flächen angedeutet ist, von einer Beschichtung gebildet, die nach dem PVD- (physical vapour deposition) -Verfahren abgeschieden ist. Es konnte nämlich gezeigt werden, dass bei dieser Art der Beschichtung die auf die zu beschichtende Oberfläche auftreffenden Beschichtungspartikel nicht nur eine gute Verbindung mit dem zu beschichtenden Substrat bewirken, sondern gleichzeitig dazu beitragen, dass der arithmetische Mittenrauwert Ra der Funktionsoberfläche in etwa verdoppelt wird. Gleichwohl wird durch die erfindungsgemäße Begrenzung der Schichtdicke die Maßhaltigkeit der betreffenden Werkzeugkomponente (in 1 die Maßhaltigkeit des Spannschafts 14, der beispielsweise auf ein h6-Maß geschliffen ist) nicht beeinträchtigt, so dass die Werkzeugkomponente nach wie vor wirtschaftlich herstellbar ist.
Als Hartstoffbeschichtung eignet sich beispielsweise eine Schicht aus der Gruppe der TiN- (Titannitrid), TiAIN- (Titanaluminiumnitrid), AlTiN- (Aluminiumtitannitrid), TiCN-(Titancarbonnitrid) und der AICrN- (Aluminium-Chromnitrid) -Schichten. Dabei kann zumindest eine einzelne Schicht, wie z. B. eine TiAIN-Schicht von einer Multilayerschicht gebildet sein.
Anhand des Bohrwerkzeugs 10 wurde eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funktionsoberfläche beschrieben. Im Folgenden wird ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung näher erläutert.
1 zeigt auf der linken Seite des Schrumpffutters, wie die Ankopplung an ein weiteres Werkzeugsystemmodul, wie z. B. an eine (nicht gezeigte) Spindel einer Werkzeugmaschine, erfolgt. Hierzu verfügt das Schrumpffutter über eine so genannte HSK-(Hohlschaftkegel) -Schnittstelle. Diese Schnittstelle ist in der ISO 12164-1/-2 festgeschrieben, so dass sich eine nähere Beschreibung der Einzelheiten erübrigt. Entscheidend ist, dass bei dieser Schnittstelle zur Ankopplung des Werkzeugsystemmoduls ein konischer Hohlschaft 22 in eine konische Innenausnehmung des benachbarten Werkzeugsystemmoduls hineingezogen wird, bis eine sich an den konischen Hohlschaft 22 anschließende Plan-Stirnfläche 24 an einer entsprechenden Gegenfläche mit vorbestimmter Normalkraft anliegt.
Das über die Schnittstelle übertragbare Drehmoment wird somit über den Kraftschluss sowohl im Bereich des Hohlschafts 22 als auch im Bereich der Plan-Stirnfläche 24 bestimmt. Erfindungsgemäß kann zumindest abschnittsweise die Passungsoberfläche des Hohlschafts 22 und/oder zumindest abschnittsweise die Ring-Passungsfläche am Radialbund bzw. an der Plan-Stirnfläche 24 mit einer Hartstoffbeschichtung im vorstehend beschriebenen Sinne ausgestattet werden. Es konnte in Versuchen nachgewiesen und rechnerisch bestätigt werden, dass bei Erhöhung des Reibwerts im Bereich des konischen Hohlschafts und im Bereich der Plan-Stirnfläche 24 um den Faktor 5 das über die Funktionsoberflächen, d.h. über die Konusfläche 22 und die sich daran anschließende Radialringfläche 24, übertragbare Drehmoment noch um das Vierfache gesteigert werden konnte.
Die Erfindung ist auch an anderen Werkzeugkomponenten vorteilhaft einsetzbar. Ein weiteres vorteilhaftes Einsatzgebiet zeigen die 2 bis 5.
2 zeigt die Front eines spanabhebenden, drehangetriebenen Werkzeugs 30 mit einer Drehachse A und einer Vielzahl von Schneideinsätzen 32, die mittels Spannpratzen 34 am Werkzeugträger 36 lagegenau fixierbar sind. Einzelheiten dieses Werkzeugs sind in der europäischen Patentanmeldung EP 1 293 280 A1 beschrieben, so dass sich eine detaillierte Beschreibung dieser Details hier erübrigt. Entscheidend ist, dass die Anordnung so gewählt ist, dass eine Spannpratze 34 in der Lage ist, einen Schneideinsatz 32 mit vorbestimmter Geometrie unverrückbar gegen eine Plan-Stützfläche 36A auf Seiten des Werkzeugträgers zu drücken. Zu diesem Zwecke hat die von einer Spannschraube 35 durchragte Spannpratze 34 auf der der Stützfläche 36A zugewandten Seite eine taschenförmige Ausnehmung 44 zur formschlüssigen Aufnahme des Schneideinsatzes 32. Der Schneideinsatz kann von einem Hartmetall- oder Cermet-Plättchen gebildet sein, oder aber auch von einer PKD- (polykristalliner Diamant) oder CBN- (kubisches Bornitrid) -Schneidplatte 32D (siehe 5), die auch auf einem Schneidplattenträger 32A sitzen kann. Seitliche Halteflächen im Bereich der Spannpratze 34 sind mit 44A bezeichnet, im Bereich des Schneideinsatzes mit 32B. Die Druckfläche der taschenförmigen, beispielsweise in die Spannpratze eingefrästen Ausnehmung 44 ist mit 44B bezeichnet.
Bei der Ausführungsform gemäß den 2 bis 5 ist also der Schneideinsatz zweiteilig aufgebaut, wobei ein PKD-Teil 32D auf einer Trägerplatte 32A als Schneidplattenträger sitzt, vorzugsweise mit diesem verlötet ist. Das PKD- oder CBN-Schneideinsatzteil kann jedoch auch direkt von der Spannpratze gespannt werden.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Kontaktoberfläche zwischen Spannpratze und Schneideinsatz bzw. zwischen Schneideinsatz und Schneideinsatzträger mit einer Hartstoffbeschichtung im vorstehend beschriebenen Sinne ausgestattet. Diese Hartstoffbeschichtung ist in den 3 bis 5 mit gepunkteten Flächen angedeutet. Die Hartstoffbeschichtung ist aber nicht nur auf die großflächigen Kontaktoberflächen beschränkt. Sie kann auch in den Bereich der Wangenflächen 44A der Spannpratze 34 oder aber auf die Seitenflächen 32B des Schneideinsatzes 32 erstreckt werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung zeigt 6. Hier ist eine Werkzeugkupplung gezeigt, bei der ein Kurzkegel 50 mittels einer nicht näher dargestellten Spannschraube in eine entsprechend geformte konische Innenausnehmung eines Werkzeugträgers gespannt wird, wobei über die Nachgiebigkeit des Spannkonus 50 das Werkzeug so weit eingezogen werden kann, bis ein Radialflansch 52 fest an einer Gegenfläche anliegt. Das Spannsystem ist also ähnlich demjenigen der HSK-Schnittstelle, wobei lediglich die Abmessungen des Spannkonus 50 und der Innenausnehmung unterschiedlich gehalten sind.
Wie in 6 gezeigt, kann auch bei dieser Verbindung durch Beschichtung des Spannkonus 50 und/oder der Planfläche 52 das über die Schnittstelle übertragbare Drehmoment erheblich angehoben werden.
7 zeigt das Messergebnis einer Abtastung der erfindungsgemäß ausgestalteten Funktionsoberfläche eines Spannschafts. Man erkennt, dass sich über die Peaks der Oberflächenkontur die Beschaffenheit der Funktionsoberfläche so verändern lässt, dass der Reibungskoeffizient zur Gegen-Kontaktfläche spürbar erhöht wird. Gleichzeitig wird jedoch die Maßhaltigkeit des mit der erfindungsgemäßen Funktionsoberfläche ausgestatteten Werkzeugs bzw. der Werkzeugsystemkomponente nicht spürbar beeinträchtigt.
Die 8 und 9 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der erfindungsgemäßen Funktionsoberfläche. Man erkennt die flachen Riefen der Oberflächenbearbeitung vor dem Abscheidender Beschichtung. Durch die erfindungsgemäß aufgebrachte Hartstoffbeschichtung werden quasi punktförmige Erhöhungen und Vertiefungen in der Funktionsoberfläche erzeugt, die dazu führen, dass sich der arithmetische Mittenrauwert Ra der Oberfläche selbst beim Abscheiden dünnster Schichtdicken verdoppeln lässt.
Selbstverständlich sind Abweichungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Das in 1 gezeigte Schaftwerkzeug kann auch ersetzt werden durch ein anderes Werkzeug, beispielsweise ein Fräswerkzeug oder aber auch ein stehendes Werkzeug. Entscheidend ist allerdings, dass diese Beschichtung insbesondere dann sinnvoll eingesetzt werden kann, wenn es darum geht, über die Spann- bzw. Kontaktflächen verhältnismäßig größte Kräfte zu übertragen.
Anstelle des Schrumpffutters gemäß 1 kann selbstverständlich auch ein anderes Spannfutter, wie z. B. ein Hydrodehnspannfutter Anwendung finden, wie es beispielsweise in den Druckschriften EP 1 109 642 B1 , EP 0 923 421 B1 oder DE 43 17 170 A1 beschrieben ist.
Die zu beschichtenden Funktionsoberflächen können auch im Bereich einer Trennstelle zwischen Werkzeugsystemkomponenten Anwendung finden.
Die Erfindung ist auch nicht auf irgendwelche Formgebungen der Funktionsoberflächen beschränkt. Es können auch Funktionsoberflächen beschichtet werden, die von einer Konus- oder Zylinderform oder Planfläche abweichen, beispielsweise abgerundete Polygonflächen in zylindrischer oder konischer Ausgestaltung.
Es ist in Einzelfällen auch bereits ausreichend, die Funktionsoberflächen nur bereichsweise zu beschichten.
Auch kann die abgeschiedene Schichtdicke auch größer gewählt werden, wenn zuvor das Nennmaß der Werkzeugkomponente entsprechend verringert eingestellt wird.
Als Materialien für die Werkzeugsystemkomponente kommen alle gängigen Werkstoffe der Werkzeugindustrie in Frage, also Werkzeugstahl, Schnellstahl wie HSS oder HSSE, Vollhartmetall, Cermets und PKD oder CBN-Komponenten, sowie Verbundwerkstoffe und Verbundkonstruktionen.
Es genügt in der Regel, dass eine beschichtete Funktionsoberfläche gegen eine unbeschichtete Gegenfläche gedrückt wird, um den verbesserten Kraftschluss sicherzustellen. Es ist schließlich noch zu betonen, dass die Anordnung auch so getroffen werden kann, dass bei dem zusammengestellten Werkzeug beschichtete Funktionsoberflächen gegeneinandergedrückt werden.
Die Erfindung schafft somit eine Werkzeugsystemkomponente mit einer Funktionsoberfläche, über die im Zusammenwirken mit einer Gegenfläche Kräfte übertragbar sind. Um die über Kraft- bzw. Reibschluss übertragbaren Kräfte bzw. Drehmomente erheblich anheben zu können, ohne gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit der Herstellung der Werkzeugsystemkomponente zu verschlechtern, wird die Funktionsoberfläche zumindest abschnittsweise mit einer Hartstoffbeschichtung versehen, deren Dicke vorzugsweise in einem die vorgegebene Maßhaltigkeit der Werkzeugsystemkomponente nicht verändernden Bereich liegt. Diese Maßnahme hat den besonderen zusätzlichen Vorteil, dass die verbesserte Kraftübertragung auch auf Dauer sichergestellt werden kann, weil die Beschichtung gleichzeitig eine hohe Formstabilität bietet.

Claims

Werkzeugsystemkomponente mit einer Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52), über die im Zusammenwirken mit einer Gegenfläche Kräfte übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52) zumindest abschnittsweise mit einer Hartstoffbeschichtung versehen ist, deren Dicke vorzugsweise in einem die vorgegebene Maßhaltigkeit der Werkzeugsystemkomponente nicht verändernden Bereich liegt, wobei die Hartstoffbeschichtung eine Dicke im Bereich zwischen 0,5 und 10 Mikrometer hat, der beschichtete Abschnitt der Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52) einen arithmetischen Mittenrauwert Ra hat, der im Wesentlichen doppelt so groß ist wie der arithmetischen Mittenrauwert Ra der unbeschichteten Oberfläche, und der arithmetische Mittenrauwert Ra des beschichteten Abschnitts der Funktionsoberfläche (14; 22, 24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 50, 52) im Bereich zwischen 0,1 und 0,8 Mikrometer liegt.
Werkzeugsystemkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung von einer Beschichtung gebildet ist, die nach dem PVD-(physical vapour deposition) -Verfahren abgeschieden ist.
Werkzeugsystemkomponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung zumindest eine Schicht aus der Gruppe der TiN- (Titannitrid), TiAIN- (Titanaluminiumnitrid), AlTiN-(Aluminiumtitannitrid), TiCN- (Titancarbonnitrid) und der AICrN- (Aluminium-Chromnitrid) -Schichten aufweist.
Werkzeugsystemkomponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine einzelne Schicht, wie z. B. eine TiAIN-Schicht, von einer MultilayerSchicht gebildet ist.
Werkzeugsystemkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung auf einer feinbearbeiteten, beispielsweise geschliffenen oder polierten Oberfläche, abgeschieden ist.
Werkzeugsystemkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsoberfläche (24; 36A; 44A, 44B, 32B, 32C; 52) als ebene Fläche ausgebildet ist.
Werkzeugsystemkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsoberfläche (14; 22; 50) als gekrümmte Fläche ausgebildet ist.
Werkzeugsystemkomponente in der Ausbildung als Schaftwerkzeug (10), bei dem ein zylindrischer oder konischer Spannschaft (14) die Funktionsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausbildet.
Werkzeugsystemkomponente in der Ausbildung als Werkzeugsystemmodul (16), das über eine Schnittstelle (21) an ein weiteres Werkzeugsystemmodul ankoppelbar ist, wobei die Schnittstelle (21) zumindest eine Flächenpaarung aufweist, über die im angekoppelten Zustand Kräfte übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Flächen (22, 24) der jeweiligen Flächenpaarung eine Funktionsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausbildet.
Werkzeugsystemkomponente nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf ihrer der Stirnseite abgewandten Seite einen Spannkonus (22; 50) trägt, der sich an einen Radialbund (24; 52) anschließt, wobei der Spannkonus (22; 50) und/oder der Radialbund (24; 52) eine Funktionsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausbildet.
Werkzeugsystemkomponente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannkonus (22; 50) hohl ist.
Werkzeugsystemkomponente nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch die Ausbildung als spanabhebendes, vorzugsweise drehantreibbares Werkzeug, insbesondere Fräswerkzeug.
Werkzeugsystemkomponente nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Werkzeugverlängerung.
Werkzeugsystemkomponente in der Ausbildung als Schneideinsatz (32), der unter Einwirkung einer Spanneinrichtung (34, 35) über zumindest eine Stützfläche (32B, 32C) an einem Schneideinsatz-Trägerteil (36) und/oder an einer Spannfläche (44A, 44B) verschiebefest abstützbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stützfläche (32B, 32C) eine Funktionsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausbildet.
Werkzeugsystemkomponente nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneideinsatz (32, 32A) zumindest teilweise von einer PKD- (polykristalliner Diamant) oder CBN- (kubisches Bornitrid) -Schneidplatte gebildet ist, von der zumindest eine Außenoberfläche (32B, 32C) eine Funktionsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausbildet.
Werkzeugsystemkomponente in der Ausbildung als Werkzeugkassette, auf der sich über zumindest eine Stützfläche ein Schneideinsatz abstützt, der mittels einer Spanneinrichtung gegen die zumindest eine Stützfläche pressbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Stützfläche eine Funktionsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausbildet.
Werkzeugsystemkomponente in der Ausbildung als Spannpratze (34), mit der über zumindest eine Druckfläche (44B) ein Schneideinsatz (32) gegen eine Stützfläche (36A) eines Schneideinsatzträgers (36) drückbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfläche (44B) eine Funktionsoberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausbildet.