DE102012220439A1

DE102012220439A1 - Werkzeug zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012220439A1
Application number: DE201210220439
Authority: DE
Inventors: Andreas Kienzle; Ingrid Krätschmer; Birgit Reiter; Maik Baumblüth; Peter Dohmen; Stephan Beetz
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von Siliciumcarbid-Pulver, b) Vermischen des Siliciumcarbid-Pulvers mit einem organischen Bindemittel, c) Formen wenigstens eines Formkörpers aus der in dem Schritt b) hergestellten Mischung, d) Carbonisieren des Formkörpers und e) Silicieren des Formkörpers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, ein damit erhältliches Werkzeug sowie dessen Verwendung.
Bei der spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken wird von den Werkstücken mittels einer Schneide überflüssiges Material in Form von Spänen abgetragen. Die Schneide kann hierbei geometrisch bestimmt sein, wie dies z.B. beim Drehen, Fräsen, Gewindeschneiden und Hobeln der Fall ist, oder geometrisch unbestimmt, das heißt lediglich über statistische Kenngrößen beschreibbar, wie beispielsweise beim Schleifen und beim Honen. Bei jeder Art von spanabhebender Bearbeitung sind die materialabtragenden Bereiche des betreffenden Werkzeugs einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Um über eine ausreichend lange Standzeit hinweg einen präzisen Materialabtrag zu gewährleisten, müssen daher spanabhebende Werkzeuge aus relativ harten und temperaturbeständigen Werkstoffen gefertigt werden. Beispielsweise können Werkzeuge aus Hartmetall verwendet werden, wobei diese zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit zusätzlich mit einer Beschichtung aus einer Titanverbindung versehen sein können. Andere Werkstoffe, die sich zur Fertigung von spanabhebenden Werkzeugen eignen, sind beispielsweise polykristalliner Diamant (PKD), whiskerverstärktes Siliciumcarbid, kubisch kristallines Bornitrid (CBN) oder keramische Verbundwerkstoffe (Cermet).
Insbesondere wenn das Werkzeug zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken aus PKD oder CBN hergestellt wird, wird häufig ein zweiteiliger Werkzeugaufbau gewählt. Hierbei wird ein vergleichsweise kleiner spanabhebender Besatz aus PKD oder CBN auf einen Grundkörper oder Trägerkörper aus Hartmetall aufgebracht, und zwar beispielsweise aufgelötet. Dies erfordert zusätzliche Verfahrensschritte, welche den Herstellungsaufwand erhöhen. Außerdem ist bei einem Werkzeugaufbau aus Grundkörper und Besatz die geometrische Form der Schneide bestimmten Einschränkungen unterworfen, so dass sich daher nicht alle gewünschten Schneidenformen in Besatzbauweise herstellen lassen. Demgegenüber sind Werkzeuge aus Cermet oder Siliciumcarbid üblicherweise einstückig ausgebildet. Allerdings weisen Werkzeuge aus diesen Werkstoffen eine relativ ausgeprägte Sprödigkeit auf, was insofern nachteilig ist, als sich aufgrund dieser Sprödigkeit nur geringe Standzeiten realisieren lassen. Unabhängig von der Art des Materials ist die Ausfallrate der verwendeten Werkzeuge bei spanabhebenden Bearbeitungsprozessen mit hoher Vorschubgeschwindigkeit und/oder mit unterbrochenen Schnitten grundsätzlich oft unerwünscht hoch. Insbesondere kann es bei der Verwendung eines Besatzes aus PKD oder CBN aufgrund von schwankenden Belastungen zu einem Ablösen des Besatzes vom Grundkörper kommen.
Aus der DE 197 03 202 A1 ist ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken bekannt, dessen Schneidenbereich aus einem faserhaltigen Verbundwerkstoff gefertigt ist. Der Verbundwerkstoff basiert auf einem Gewebe, Gewirk oder Gestrick aus kontinuierlichen Kohlenstofffasern. Allerdings ist die Handhabung solcher Endlosfasern schwierig, und zwar insbesondere in dem Fall eines automatisierten Herstellungsprozesses. Ferner kann es beim Formen von Schneiden mittels eines Gewebes, Gewirkes oder Gestrickes zu Ungleichmäßigkeiten im Gefüge kommen, wodurch letztlich die Gefahr von Ausbrüchen an der Schneide während des Werkzeugeinsatzes steigt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines spanabhebenden Werkzeugs sowie ein damit erhältliches spanabhebendes Werkzeug bereitzustellen, das sowohl hart als auch zäh ist und sich im Vergleich zu bekannten spanabhebenden Werkzeugen durch eine erhöhte Standzeit und eine erhöhte Temperaturbeständigkeit auszeichnet. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei spanabhebenden Werkzeugen die Flexibilität hinsichtlich der Schneidenform zu erhöhen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen von Siliciumcarbid-Pulver,
b) Vermischen des Siliciumcarbid-Pulvers mit einem organischen Bindemittel,
c) Formen wenigstens eines Formkörpers aus der in dem Schritt b) hergestellten Mischung,
d) Carbonisieren des Formkörpers und
e) Silicieren des Formkörpers zu dem Werkzeug oder zumindest einem Teil des Werkzeugs.

Erfindungsgemäß erfolgt somit die Herstellung eines spanabhebenden Werkzeugs aus einem Verbundwerkstoff, welcher durch Silicieren eines Siliciumcarbid-Pulver und einem organisches Bindemittel enthaltenden Formkörpers erhalten wird.
Ein Vorteil der Verwendung von Siliciumcarbid-Pulver liegt darin, dass dadurch überraschenderweise ein Formkörper mit einer relativ hohen Zähigkeit erhalten werden kann. Im Vergleich zu nicht zermahlenen bzw. kontinuierlichen Kohlenstoff-Fasern, welche aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung bei der Silicierung die Entstehung von Mikrorissen begünstigen und zudem schwierig zu handhaben und daher schwer automatisierbar verarbeitbar sind, führt der Einsatz des feinen Pulvers aufgrund der Vermeidung der Ausbildung solcher Mikrorisse zu einer erhöhten Festigkeit und Steifigkeit des Werkzeugs. Ferner ist die Mischung aus Siliciumcarbid-Pulver und organischem Bindemittel gut verarbeitbar, gut carbonisierbar und insbesondere auch hervorragend silicierbar. Zudem führt der Einsatz von Siliciumcarbid-Pulver im Gegensatz zu der Verwendung von Fasern zu der Ausbildung eines vergleichsweise homogenen Gefüges, wodurch zum einen Ausbrüche an den Schneidkanten des Werkzeugs, welche bei inhomogenen Gefügen auftreten, zuverlässig verhindert werden und zum anderen die Möglichkeit eröffnet wird, das Werkzeug einschließlich der Schneide direkt aus einer Pressmasse endkonturnah zu pressen. Dies ist vor allem deshalb von Bedeutung, da im Allgemeinen für jedes Werkstückmaterial, wie Metall, Holz oder Verbundwerkstoff, eine eigene optimale Schneidkantenform angegeben werden kann. Aufgrund des durch die Erfindung erzielbaren homogenen Gefüges kann auf einfache Weise für jede Anwendung die ideale Schneidkantenform für das Werkzeug realisiert werden. Weiterhin hat es sich gezeigt, dass die Schneide eines erfindungsgemäß hergestellten Werkzeugs nachschärfbar ist, was eine Wiederverwertung ermöglicht.
Der in dem Schritt c) gebildete Formkörper kann in Abhängigkeit von der Art und dem Einsatzzweck des herzustellenden Werkzeugs im Prinzip von beliebiger Gestalt sein. Insbesondere kann der Formkörper zumindest eine spanabhebende Schneide definieren. Dies kann eine geometrisch bestimmte Schneide in Form einer scharfen "Schneidkante" sein oder eine geometrisch unbestimmte Schneide in Form eines flächigen, spanabhebend wirksamen "Schneidenbereichs". Die spanabhebende Schneide kann im Rahmen des Schritts c) ohne Materialabtrag, d.h. im Sinne eines Urformens oder Umformens, vollständig gebildet werden. Prinzipiell kann jedoch auch eine spanende Nachbearbeitung des Formkörpers in Erwägung gezogen werden, um beispielsweise die Schneide in der geforderten Genauigkeit zu erstellen. Eine solche Nachbearbeitung kann insbesondere vor dem Carbonisieren und dem Silicieren des Formkörpers durchgeführt werden, da der Formkörper dann als Grünkörper bereits formstabil, aber noch leicht spanend bearbeitbar ist.
Bei dem Silicieren in dem Schritt e) werden Poren, welche in dem Formkörper vorhanden sind oder sich in diesem bilden, mit reinem Silicium gefüllt. Dadurch dass die Poren und Mikrorisse des Formkörpers mit Silicium infiltriert werden, erhält man einen Formkörper auf Basis von siliciuminfiltriertem Siliciumcarbid (SiSiC), welcher sich dadurch auszeichnet, dass dieser praktisch keine Restporosität aufweist.
Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von spanabhebenden Werkzeugen, welche sich durch eine Kombination aus hoher Härte und hoher Zähigkeit auszeichnen. Im Vergleich zu Werkzeugen aus bekannten Werkstoffen weisen die erfindungsgemäß hergestellten Werkzeuge außerdem eine erhöhte Standzeit und eine verbesserte Temperaturbeständigkeit auf. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nicht zwingend einen Werkzeugaufbau aus Grundkörper und Schneidenbesatz, sondern ermöglicht die bedarfsweise Fertigung von spanabhebenden Werkzeugen aus einem Stück. An die Form bzw. den Verlauf der Schneide sind hierbei keine besonderen Anforderungen gestellt, so dass durch eine Optimierung der Schneidkantengeometrie eine Verbesserung von spanabhebenden Werkzeugen hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit möglich ist. Eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit bedeutet umgekehrt, dass eine gewünschte Werkstückbearbeitung mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit durchführbar ist, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Werkstückbearbeitung erhöht wird.
Im Rahmen der Erfindung hat es sich als günstig erwiesen, dass in dem Schritt a) ein Siliciumcarbid-Pulver mit einer Korngröße zwischen 2 µm und 500 µm und bevorzugt zwischen 5 µm und 100 µm bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß wird die Korngröße des Siliciumcarbid-Pulvers gemäß dem in der DIN 66165 normierten Verfahren bestimmt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde es als vorteilhaft hinsichtlich der gewünschten Werkstoffeigenschaften, vor allem hinsichtlich der Homogenität des Gefüges, befunden, als abrasiven Grundstoff ein relativ feines Pulver aus Siliciumcarbid zu verwenden.
In dem Schritt b) kann als organisches Bindemittel grundsätzlich jedes als Bindemittel geeignete organische Material eingesetzt werden, welches sich leicht zu Kohlenstoff carbonisieren bzw. pyrolysieren lässt, wie beispielsweise Pech, Teer, Bitumen, Phenolharz oder Furanharz. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als organisches Bindemittel ein Phenolharz oder eine Mischung aus zwei oder mehr Phenolharzen eingesetzt, da sich Phenolharze vor allem hinsichtlich der Verarbeitbarkeit der zu carbonisierenden Mischung als vorteilhaft erwiesen haben.
Unter Phenolharz wird im Sinne der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der fachüblichen Definition dieses Begriffs jedes Kunstharz verstanden, welches durch Kondensation von Phenol oder Phenolderivat mit Aldehyd, durch Derivatisierung der dabei resultierenden Kondensate oder durch Addition von Phenol oder Phenolderivat an ungesättigte Verbindungen erhalten wird.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Phenolharz ein Resol, ein Novolak, eine Mischung aus wenigstens zwei Resolen und/oder wenigstens zwei Novolaken oder eine Mischung aus wenigstens einem Resol und wenigstens einem Novolak eingesetzt. Dabei ermöglicht die Verwendung von Resolen und/oder Novolaken insbesondere die leichte Zubereitung einer verpressbaren Masse.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, in dem Schritt b) eine faserfreie Mischung herzustellen und diese faserfreie Mischung in dem Schritt c) zu dem Formkörper zu formen. Damit können die mit dem Zusatz des Siliciumcarbid-Pulvers verbundenen Vorteile in besonders hohem Ausmaß erreicht werden, und zwar unter Vermeidung der mit dem Faserzusatz verbundenen Nachteilen.
Bezüglich der Mengenverhältnisse der einzelnen Bestandteile in der in dem Schritt b) hergestellten Mischung, welche wie dargelegt bevorzugt faserfrei ist, ist die vorliegende Erfindung nicht limitiert. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere erhalten, wenn in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt wird, die 30 bis 95 Gew.-% und bevorzugt 75 bis 85 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver enthält. Gemäß einer ganz besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt b) eine faserfreie Mischung hergestellt, die 30 bis 95 Gew.-% und besonders bevorzugt 75 bis 85 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver enthält.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, in dem Schritt b) eine Mischung herzustellen, welche 5 bis 70 Gew.-% und bevorzugt 15 bis 25 Gew.-% organisches Bindemittel enthält. Gemäß einer ganz besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt, die 5 bis 70 Gew.-% und besonders bevorzugt 15 bis 25 Gew.-% Phenolharz enthält, wobei es höchst bevorzugt ist, eine faserfreie Mischung herzustellen, die 5 bis 70 Gew.-% und besonders bevorzugt 15 bis 25 Gew.-% Phenolharz enthält. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das sich als ganz besonders vorteilhaft erwiesen hat, ist die Mischung aus etwa 80 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver und etwa 20 Gew.-% Phenolharz zusammengesetzt.
Vorzugsweise wird in dem Schritt c) aus der Mischung wenigstens ein Formkörper hergestellt, welcher eine spanabhebende Schneide (17, 17', 17'') definiert.
Weiterhin kann der Formkörper während oder nach dem Schritt c), aber vor dem Carbonisieren in dem Schritt d) gepresst werden. Bevorzugt erfolgt dieses Pressen endkonturnah, d.h. die Formgebung des Werkzeugs erfolgt hauptsächlich über ein Pressformen des Formkörpers im grünen Zustand, so dass aufwändige Nachbearbeitungsprozesse weitgehend vermieden werden.
Vorzugsweise wird bei dem Pressen des Formkörpers ein Anpressdruck von 0,5 bis 4 MPa und besonders bevorzugt von 1 bis 2 MPa eingestellt.
Sollte die Anwendung es erfordern, so kann der Formkörper, vorzugsweise vor dem Carbonisieren in dem Schritt d), zusätzlich einer spanabhebenden Bearbeitung, bevorzugt einem Schleifen und/oder einem Drahterodieren, unterzogen werden. Hierdurch kann insbesondere die Schneide mit erhöhter Exaktheit gebildet werden.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, in dem Schritt d) das Carbonisieren des Formkörpers bei einer Temperatur von 500°C bis 1.500°C, bevorzugt von 800°C bis 1.200°C und besonders bevorzugt von 850°C bis 950°C durchzuführen. Gemäß einem ganz besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Carbonisierung bei etwa 900°C durchgeführt.
Bei Bedarf kann nach dem Carbonisieren des Formkörpers in dem Schritt d), aber vor dem Silicieren gemäß dem Schritt e) ein Graphitieren des Formkörpers durchgeführt werden. Sofern eine solche Graphitierung durchgeführt wird, kann diese bei jeder geeigneten Temperatur durchgeführt werden, und zwar vorzugsweise bei einer Temperatur von 1.600°C bis 2.500°C, weiter bevorzugt von 1.800°C bis 2.200°C und besonders bevorzugt von 1.900°C bis 2.100°C. Als besonders günstige Temperatur zur Durchführung einer Graphitierung hat sich eine Temperatur von etwa 2.000°C herausgestellt.
Grundsätzlich kann das Silicieren des Formkörpers zu dem Werkzeug in dem Schritt e) auf jede dem Fachmann bekannte Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Silicieren des Formkörpers durch Infiltration des Formkörpers mit flüssigem Silicium oder mit einer flüssigen Siliciumlegierung durchgeführt werden. Als Siliciumlegierung kann beispielsweise eine aus der Gruppe der Eisen-, Chrom-, Titan-, Molybdän-, Nickel- und Aluminiumsilicide ausgewählte Legierung verwendet werden.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird ferner vorgeschlagen, das Silicieren des Formkörpers in dem Schritt f) unter Vakuum, und zwar vorzugsweise bei einem Druck von maximal 100 Pa unter Feinvakuum, durchzuführen.
Während oder nach dem Silicieren des Formkörpers in dem Schritt e) kann eine Wärmebehandlung des Formkörpers bei einer Temperatur von 1.100 bis 2.200°C, bevorzugt von 1.350 bis 2.000°C und besonders bevorzugt von 1500°C bis 1.800°C durchgeführt werden. Durch die Wärmebehandlung während des Zuführens von Silicium erfolgt ein wenigstens teilweises Umsetzen von etwaig in dem Formkörper vorhandenem Kohlenstoff zu Siliciumcarbid.
Nach dem Silicierschritt kann der Formkörper durch Wiederholen des vorstehend beschriebenen Siliciervorgangs noch ein- oder mehrmals nachsiliciert werden.
Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass, vorzugsweise nach dem Schritt e), eine Beschichtung auf den Formkörper aufgebracht wird. Eine solche Beschichtung, welche beispielsweise auf einer Titanverbindung beruht, kann die Verschleißfestigkeit des herzustellenden Werkzeugs weiter erhöhen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Werkzeug zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, welches mit dem zuvor beschriebenen Verfahren erhältlich ist.
Erfindungsgemäß ist der Verbundwerkstoff, aus dem zumindest ein Teil des Werkzeugs ausgebildet ist, durch Silicieren eines Siliciumcarbid-Pulver und carbonisiertes organisches Bindemittel enthaltenden Formkörpers hergestellt. Ein Werkzeug aus einem derartigen Verbundwerkstoff zeichnet sich gegenüber den bekannten Werkzeugen durch eine erhöhte Härte bei gleichzeitig erhöhter Zähigkeit und Temperaturbeständigkeit aus.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Werkzeug wenigstens eine spanabhebende Schneide auf, wobei zumindest die Schneide aus einem durch das zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Verbundwerkstoff ausgebildet ist.
Dabei ist es ganz besonders bevorzugt, dass zumindest die Schneide des Werkzeugs aus einem durch das zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren hergestellten faserfreien Verbundwerkstoff ausgebildet ist.
Bevorzugt weist die Schneide eine gemäß der DIN EN ISO 14577-1 gemessene Universalhärte von wenigstens 3.000 N/mm² und besonders bevorzugt von wenigstens 5.000 N/mm² auf. Eine derart harte Schneide ermöglicht eine zuverlässige spanabhebende Bearbeitung aller gängigen Holz-, Metall- und Faserverbundwerkstoffe.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Schneide eine gemäß der DIN EN 843-1 mittels 4-Punkt-Biegeversuch gemessene Biegefestigkeit von wenigstens 170 MPa und bevorzugt von wenigstens 250 MPa aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Werkzeug weist außerdem bevorzugt eine gemäß der DIN EN 843-1 gemessene Dehnung von wenigstens 0,05% und besonders bevorzugt von wenigstens 0,075% auf.
Es ist außerdem bevorzugt, dass die Schneide eine Dichte von 1,5 bis 5 g/cm³ und bevorzugt von 2 bis 4 g/cm³ aufweist.
Die Schneide weist weiterhin bevorzugt ein gemäß der DIN EN 843-1 gemessenes Elastizitätsmodul von wenigstens 150 GPa und besonders bevorzugt von wenigstens 250 GPa auf.
Schließlich weist die Schneide bevorzugt eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 600°C und besonders bevorzugt von wenigstens 1.000°C auf.
Eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Werkzeug plattenförmig ausgestaltet ist und eine schmalseitig umlaufende Schneidkante aufweist, welche die Schneide bildet. Derartige Werkzeuge finden als sogenannte Wendeschneidplatten Verwendung. Die schmalseitig umlaufende Schneidkante kann hierbei in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung dreieckförmig oder kreisrund sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Werkzeug vollständig aus dem faserfreien Verbundwerkstoff gefertigt. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Herstellungsprozess.
Das Werkzeug kann hierbei insbesondere einstückig ausgebildet sein. Hierdurch wird insbesondere das unerwünschte Ablösen von Besatzteilen bei wechselnder Belastung des Werkzeugs vermieden.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht demgegenüber vor, dass das Werkzeug einen Grundkörper und einen die Schneide umfassenden Funktionskörper umfasst, wobei der Funktionskörper vollständig aus dem faserfreien Verbundwerkstoff gefertigt ist.
Zumindest auf die Schneide des Werkzeugs kann eine Beschichtung aufgebracht sein, um die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines zuvor beschriebenen Werkzeugs als Wendeschneidplatte, Fräser oder Gewindeprofilleiste.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von diese erläuternden, diese aber nicht einschränkenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugs gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Das in der 1 gezeigte Werkzeug ist eine Wendeschneidplatte 11, welche eine Freifläche 13, eine Spanfläche 15 und eine entlang des Übergangs zwischen der Freifläche 13 und der Spanfläche 15 gebildete Schneide 17 aufweist. Die Schneide 17 weist bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform einen dreieckförmigen Verlauf auf. Zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks wird die Wendeschneidplatte 11 in grundsätzlich bekannter Weise in einen Werkzeughalter eingespannt und z.B. in einer Drehbank mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit gegen die rotierende Werkstückoberfläche getrieben oder umgekehrt.
Die Wendeschneidplatte 11 ist monolithisch, d.h. einstückig, und vollständig aus einem faserfreien Verbundwerkstoff auf Basis eines Siliciumcarbid-Pulvers, eines Phenolharzes und Silicium gefertigt.
Zum Herstellen der Wendeschneidplatte 11 wurde zunächst ein Siliciumcarbid-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 50 µm bereitgestellt und mit einem Phenolharz zu einer faserfreien Pressmasse vermischt, wobei die fertige Pressmasse aus 80 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver und 20 Gew.-% Phenolharz bestand.
Die Mischung aus Siliciumcarbid-Pulver und Phenolharz wurde dann in einer Pressform zu einem plattenförmigen Formkörper geformt und in mehreren Verdichtungszyklen bis auf eine Dichte von etwa 1,8 g/cm³ gepresst. Die Pressform gab hierbei die Endkontur der Wendeschneidplatte 11 einschließlich der Schneide 17 vor. Anschließend wurde der Formkörper bei einer Temperatur von 900°C carbonisiert.
Nach Abschluss des Carbonisierens wurde der Formkörper siliciert, indem bei einer Temperatur von 1.680°C für eine Zeitdauer von 1 h flüssiges Silicium in den Formkörper infiltriert wurde.
Nach Abschluss des Siliciervorgangs wurde eine Wendeschneidplatte 11 aus einem SiSiC-ähnlichen Verbundwerkstoff erhalten, welche weitgehend homogene und isotrope Materialeigenschaft aufwies. Konkret betrug die gemäß der DIN EN ISO 14577 gemessene Universalhärte 5900 N/mm², die gemäß der DIN EN 843-1 mittels 4-Punkt-Biegeversuch gemessene Biegefestigkeit 255 MPa und die gemäß der DIN EN 843-1 gemessene Dehnung 0,08%. Weiterhin betrug die Dichte 2,93 g/cm³ und das gemäß der DIN EN 843-1 gemessene Elastizitätsmodul 310 GPa.
In der 2 ist eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wendeschneidplatte 11' dargestellt, welche eine kreisrunde Schneide 17' anstelle einer dreieckförmigen Schneide 17 aufweist. Die Wendeschneidplatte 11' gemäß der alternativen Ausführungsform wurde auf die gleiche Weise hergestellt wie die in der 1 gezeigte Wendeschneidplatte 11. Lediglich die Pressform wurde entsprechend angepasst.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der 3 dargestellt. Anstelle einer Wendeschneidplatte sieht diese Ausführungsform einen Fräser 21 vor, der ebenfalls vollständig einschließlich der Schneide 17'' aus einem faserfreien Verbundwerkstoff auf Basis eines Siliciumcarbid-Pulvers, eines Phenolharzes und Silicium gefertigt wurde.
Bezugszeichenliste

11, 11': Werkzeug/Wendeschneidplatte
13: Freifläche
15: Spanfläche
17, 17', 17'': Schneide
21: Werkzeug/Fräser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19703202 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 66165 [0012]
DIN EN ISO 14577-1 [0034]
DIN EN 843-1 [0035]
DIN EN 843-1 [0036]
DIN EN 843-1 [0038]
DIN EN ISO 14577 [0055]
DIN EN 843-1 [0055]
DIN EN 843-1 [0055]
DIN EN 843-1 [0055]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs (11, 11', 21) zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, umfassend die nachfolgenden Schritte: a) Bereitstellen von Siliciumcarbid-Pulver, b) Vermischen des Siliciumcarbid-Pulvers mit einem organischen Bindemittel, c) Formen wenigstens eines Formkörpers aus der in dem Schritt b) hergestellten Mischung, d) Carbonisieren des Formkörpers und e) Silicieren des Formkörpers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) ein Siliciumcarbid-Pulver mit einer Korngröße zwischen 2 µm und 500 µm und bevorzugt mit einer Korngröße zwischen 5 µm und 100 µm bereitgestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) als organisches Bindemittel ein Phenolharz, insbesondere ein Resol und/oder ein Novolak, eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine faserfreie Mischung hergestellt wird und diese faserfreie Mischung in dem Schritt c) zu dem Formkörper geformt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt wird, die 30 bis 95 Gew.-% und bevorzugt 75 bis 85 Gew.-% Siliciumcarbid-Pulver enthält.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt wird, die 5 bis 70 Gew.-% und bevorzugt 15 bis 25 Gew.-% organisches Bindemittel enthält.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt c) aus der Mischung wenigstens ein Formkörper, welcher eine spanabhebende Schneide (17, 17', 17'') definiert, hergestellt wird.
Werkzeug (11, 11', 21) zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, welches durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erhältlich ist.
Werkzeug (11, 11', 21) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (11, 11', 21) wenigstens eine spanabhebende Schneide (17, 17', 17'') aufweist, wobei zumindest die Schneide (17, 17', 17'') aus einem durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten Verbundwerkstoff ausgebildet ist.
Werkzeug (11, 11', 21) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Schneide (17, 17', 17'') des Werkzeugs (11, 11', 21) aus einem durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten faserfreien Verbundwerkstoff ausgebildet ist.
Werkzeug nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (17, 17', 17'') eine gemäß der DIN EN ISO 14577-1 gemessene Universalhärte von wenigstens 3.000 N/mm² und bevorzugt von wenigstens 5.000 N/mm² aufweist und/oder dass die Schneide (17, 17', 17'') eine gemäß der DIN EN 843-1 mittels 4-Punkt-Biegeversuch gemessene Biegefestigkeit von wenigstens 170 MPa und bevorzugt von wenigstens 250 MPa aufweist.
Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine gemäß der DIN EN 843-1 gemessene Dehnung von wenigstens 0,05% und bevorzugt von wenigstens 0,075% aufweist.
Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (17, 17', 17'') eine Dichte von 1,5 bis 5 g/cm³ und bevorzugt von 2 bis 4 g/cm³ aufweist und/oder dass die Schneide (17, 17', 17'') ein gemäß der DIN EN 843-1 gemessenes Elastizitätsmodul von wenigstens 150 GPa und bevorzugt von wenigstens 250 GPa aufweist und/oder dass die Schneide (17, 17', 17'') eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 600°C und bevorzugt von wenigstens 1.000°C aufweist.
Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (11, 11', 21) vollständig aus einem durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellten faserfreien Verbundwerkstoff gefertigt ist.
Verwendung eines Werkzeugs nach einem der Ansprüche 8 bis 14 als Wendeschneidplatte (11, 11'), Fräser (21) oder Gewindeprofilleiste.