DE102012220454A1

DE102012220454A1 - Werkzeug zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102012220454A1
Application number: DE201210220454
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 zermahlenen Carbonfasern, b) Vermischen der zermahlenen Carbonfasern mit einem organischen Bindemittel, c) Formen wenigstens eines Formkörpers, welcher eine spanabhebende Schneide definiert, aus der in dem Schritt b) hergestellten Mischung, d) Carbonisieren des Formkörpers, e) ggf. Graphitieren des in dem Schritt d) erhaltenen carbonisierten Formkörpers und f) 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 durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken gelöst, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen von zermahlenen Carbonfasern,
b) Vermischen der zermahlenen Carbonfasern mit einem organischen Bindemittel,
c) Formen wenigstens eines Formkörpers, welcher eine spanabhebende Schneide definiert, aus der in dem Schritt b) hergestellten Mischung,
d) Carbonisieren des Formkörpers,
e) ggf. Graphitieren des in dem Schritt d) erhaltenen carbonisierten Formkörpers und
f) 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 carbonisierte und ggf. graphitierte, zermahlene Carbonfasern bzw. Carbonfasermehl enthaltenden Formkörpers erhalten wird.
Ein Vorteil der Verwendung von zermahlenen Carbonfasern bzw. Carbonfasermehl, worunter im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Pulver aus fein zermahlenen Carbonfasern verstanden wird, liegt darin, dass dadurch überraschenderweise ein Formkörper mit einer relativ hohen Zähigkeit erhalten wird. Darüber hinaus weist Carbonfasermehl eine relativ hohe Umsetzbarkeit mit Silicium zu Siliciumcarbid auf, so dass bei dem Silicieren in dem Schritt f) vergleichsweise viele Siliciumcarbid-Brücken gebildet werden. Im Vergleich zu nicht zermahlenen, d.h. kontinuierlichen Carbonfasern, welche aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung bei der Silicierung die Ausbildung von Mikrorissen begünstigen und zudem schwierig zu handhaben und daher schwer automatisierbar verarbeitbar sind, führt der Einsatz der zermahlenen Carbonfasern aufgrund der Vermeidung der Ausbildung solcher Mikrorisse zu einer erhöhten Festigkeit und Steifigkeit des Werkzeugs. Zudem führt der Einsatz von zermahlenen Carbonfasern im Gegensatz zu der Verwendung von Endlosfasern 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. Bedeutsam ist lediglich, dass der Formkörper zumindest eine spanabhebende Schneide definiert. 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 f) wird der Kohlenstoff des kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterials mit von außen zugeführtem Silicium zu Siliciumcarbid reagiert. Gegebenenfalls werden hierbei Poren, welche in dem Formkörper vorhanden sind oder sich in diesem bilden, mit reinem Silicium gefüllt. In dem letztgenannten Fall, bei dem die Poren 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) zermahlene Carbonfasern bereitgestellt werden, deren durchschnittliche Länge L höchstens 75 µm, bevorzugt höchstens 50 µm und besonders bevorzugt höchstens 10 µm beträgt. Dadurch werden die vorstehend für die Verwendung von zermahlenen Carbonfasern bzw. Carbonfasermehl beschriebenen Vorteile in besonders hohem Ausmaß erreicht.
Dabei ist es bevorzugt, dass die Dicke D der zermahlenen Carbonfasern, sofern diese keine sphärischen Partikel sind, also nicht durch Zermahlen der Ausgangsfasern zu sphärischen Partikeln hergestellt worden sind, 1 bis 40 µm und besonders bevorzugt 3 bis 10 µm beträgt. In diesem Fall beträgt das Streckungsverhältnis (L/D) bzw. Aspektverhältnis, d.h. der Quotient aus der längsten Dimension zu der kürzesten Dimension, vorzugsweise 1,875 bis 75 und besonders bevorzugt 1 bis 3,3. Sofern die zermahlenen Carbonfasern sphärische Partikel oder annährend sphärische Partikel sind, beträgt deren Durchmesser vorzugsweise 1 bis 30 µm und besonders bevorzugt 3 bis 15 µm.
Grundsätzlich können die zermahlenen Carbonfasern auf alle denkbaren Arten hergestellt werden, wobei es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen hat, die zermahlenen Carbonfasern herzustellen, indem zunächst Fasern aus einem Kohlenstoffvorläufermaterial zermahlen werden, bevor die zermahlenen Fasern anschließend carbonisiert werden. Dabei kann das Zermahlen mit jeder geeigneten Zerkleinerungsvorrichtung durchgeführt werden, wie beispielsweise mit einer Schneidmühle, mit einer Prallmühle oder mit einer Hammermühle.
Prinzipiell kann als Kohlenstoffvorläufermaterial jede zu Kohlenstoff carbonisierbare bzw. pyrolysierbare Verbindung eingesetzt werden, wobei insbesondere mit Fasern aus Polyacrylnitril, Pech, Cellulose und/oder Lignin als Kohlenstoffvorläufermaterial gute Ergebnisse erhalten werden. Besonders bevorzugt ist das Kohlenstoffvorläufermaterial Cellulose, so dass das Bereitstellen von zermahlenen Carbonfasern in dem Verfahrensschritt a) besonders bevorzugt erfolgt, indem Cellulosefasern zermahlen und anschließend carbonisiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass die vorstehend aufgeführten Vorteile in besonders hohem Ausmaß durch den Einsatz von zerkleinerten, carbonisierten Cellulosefasern bzw. durch den Einsatz von carbonisiertem Cellulosefasermehl erhalten werden.
Alternativ dazu können die zermahlenen Carbonfasern auch hergestellt werden, indem zunächst Fasern aus einem Kohlenstoffvorläufermaterial carbonisiert werden, bevor die so hergestellten Carbonfasern anschließend zermahlen werden. Auch bei dieser Ausführungsform kann das Zermahlen mit jeder geeigneten Zerkleinerungsvorrichtung durchgeführt werden, wie beispielsweise mit einer Schneidmühle, mit einer Prallmühle oder mit einer Hammermühle.
Auch bei dieser Ausführungsform können als Kohlenstoffvorläufermaterial alle zu Kohlenstoff carbonisierbaren bzw. pyrolysierbaren Verbindungen eingesetzt werden, wobei insbesondere mit Fasern aus Polyacrylnitril, Pech, Cellulose und/oder Lignin als Kohlenstoffvorläufermaterial gute Ergebnisse erhalten werden. Besonders bevorzugt ist das Kohlenstoffvorläufermaterial Cellulose, so dass das Bereitstellen von zermahlenen Carbonfasern in dem Verfahrensschritt a) besonders bevorzugt erfolgt, indem Cellulosefasern carbonisiert und anschließend zermahlen werden.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, das Carbonisieren der Fasern aus Kohlenstoffvorläufermaterial und besonders bevorzugt aus Cellulose 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.
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.
Bezüglich der Mengenverhältnisse der einzelnen Bestandteile in der in dem Verfahrensschritt b) hergestellten Mischung ist die vorliegende Erfindung nicht limitiert. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere erhalten, wenn in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt wird, die 30 bis 85 Gew.-% und bevorzugt 65 bis 75 Gew.-% zermahlene Carbonfasern enthält. Gemäß einer ganz besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt, die 30 bis 85 Gew.-% und bevorzugt 65 bis 75 Gew.-% zerkleinerte, carbonisierte Cellulosefasern, d.h. carbonisiertes Cellulosemehl, enthält.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, in dem Schritt b) eine Mischung herzustellen, welche 15 bis 70 Gew.-% und bevorzugt 25 bis 35 Gew.-% organisches Bindemittel enthält. Gemäß einer ganz besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt, die 15 bis 70 Gew.-% und bevorzugt 25 bis 35 Gew.-% Phenolharz enthält.
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 2,5 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.
Weiterhin ist es bevorzugt, nach dem Carbonisieren des Formkörpers in dem Schritt e) ein Graphitieren des Formkörpers durchzuführen.
Das Graphitieren des Formkörpers kann 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 durchgeführt werden. 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 f) 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 f) 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 des Kohlenstoffs in dem Formkörper 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 f), 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 ist ein Werkzeug zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, welches wenigstens eine spanabhebende Schneide aufweist, welches mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist.
Erfindungsgemäß ist der Verbundwerkstoff, aus dem zumindest die Schneide hergestellt ist, durch Silicieren eines carbonisierte und ggf. graphitierte, zermahlene Carbonfasern bzw. Carbonfasermehl enthaltenden Formkörpers hergestellt. Ein Werkzeug aus einem derartigen Verbundwerkstoff weist gegenüber bekannten Werkzeugen eine erhöhte Härte bei gleichzeitig erhöhter Zähigkeit und Temperaturbeständigkeit auf.
Bevorzugt weist die Schneide eine gemäß der DIN EN ISO 14577-1 gemessene Universalhärte von wenigstens 3000 N/mm² und besonders bevorzugt von wenigstens 5000 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 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 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 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 Verbundwerkstoff auf Basis eines carbonisierten Cellulosemehls, eines Phenolharzes und Silicium gefertigt.
Zum Herstellen der Wendeschneidplatte 11 wurde zunächst ein Cellulosemehl bereitgestellt, indem Cellulosefasern derart fein zermahlen wurden, dass die durchschnittliche Länge der Cellulosefasern höchstens 50 µm betrug. Anschließend wurden diese zermahlenen Cellulosefasern carbonisiert. Der Carbonisiervorgang beinhaltete zunächst ein Erwärmen der zermahlenen Cellulosefasern bei einer Aufheizrate von 0,6 K/min bis zu einer Temperatur von 550°C und anschließend ein Erwärmen der zermahlenen Cellulosefasern bei einer Aufheizrate von 2 K/min bis zu einer Temperatur von 900°C.
Die so carbonisierten, zerkleinerten Cellulosefasern wurden mit einem Phenolharz zu einer Pressmasse vermischt, wobei die fertige Pressmasse etwa 70 Gew.-% Cellulosefasern und etwa 30 Gew.-% Phenolharz enthielt.
Die Mischung aus carbonisiertem Cellulosemehl und Phenolharz wurde dann in einer Pressform zu einem plattenförmigen Formkörper geformt und in mehreren Verdichtungszyklen bis auf eine Dichte von etwa 0,8 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 und bei einer Temperatur von 2.000°C graphitiert.
Nach Abschluss des Carbonisierens und Graphitierens 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 cellulosefaserbasierten Verbundwerkstoff erhalten, welche weitgehend homogene und isotrope Materialeigenschaften aufwies. Konkret betrug die gemäß der DIN EN ISO 14577-1 gemessene Universalhärte 9000 N/mm², die gemäß der DIN EN 843-1 mittels 4-Punkt-Biegeversuch gemessene Biegefestigkeit 340 MPa und die gemäß der DIN EN 843-1 gemessene Dehnung 0,08%. Weiterhin betrug die Dichte 2,94 g/cm³ und das gemäß der DIN EN 843-1 gemessene Elastizitätsmodul 320 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 Verbundwerkstoff auf Basis eines carbonisierten Cellulosemehls, 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 EN ISO 14577-1 [0037]
DIN EN 843-1 [0038]
DIN EN 843-1 [0039]
DIN EN 843-1 [0041]
DIN EN ISO 14577-1 [0059]
DIN EN 843-1 [0059]
DIN EN 843-1 [0059]
DIN EN 843-1 [0059]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugs (11, 11', 21) zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, umfassend die nachfolgenden Schritte: a) Bereitstellen von zermahlenen Carbonfasern, b) Vermischen der zermahlenen Carbonfasern mit einem organischen Bindemittel, c) Formen wenigstens eines Formkörpers, welcher eine spanabhebende Schneide (17, 17', 17'') definiert, aus der in dem Schritt b) hergestellten Mischung, d) Carbonisieren des Formkörpers, e) ggf. Graphitieren des in dem Schritt d) erhaltenen carbonisierten Formkörpers und f) Silicieren des Formkörpers.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt a) zermahlene Carbonfasern bereitgestellt werden, deren durchschnittliche Länge höchstens 75 µm, bevorzugt höchstens 50 µm und besonders bevorzugt höchstens 10 µm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zermahlenen Carbonfasern hergestellt werden, indem Fasern aus einem Kohlenstoffvorläufermaterial zermahlen werden und die zermahlenen Fasern anschließend carbonisiert werden, wobei vorzugsweise Cellulosefasern zermahlen und anschließend carbonisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zermahlenen Carbonfasern hergestellt werden, indem Fasern aus einem Kohlenstoffvorläufermaterial carbonisiert werden und die so hergestellten Carbonfasern anschließend zermahlen werden, wobei vorzugsweise Cellulosefasern carbonisiert und anschließend zermahlen werden.
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 Mischung hergestellt wird, die 30 bis 85 Gew.-% und bevorzugt 65 bis 75 Gew.-% zermahlene Carbonfasern und besonders bevorzugt zerkleinerte, carbonisierte Cellulosefasern enthält.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schritt b) eine Mischung hergestellt wird, die 15 bis 70 Gew.-% und bevorzugt 25 bis 35 Gew.-% organisches Bindemittel und bevorzugt Phenolharz enthält.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper während oder nach dem Schritt c), aber vor dem Carbonisieren in dem Schritt d) gepresst wird.
Werkzeug (11, 11', 21) zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken, welches wenigstens eine spanabhebende Schneide (17, 17', 17'') aufweist, wobei das Werkzeug (11, 11', 21) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 erhältlich ist.
Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide (17, 17', 17'') eine gemäß der DIN EN ISO 14577-1 gemessene Universalhärte von wenigstens 3000 N/mm² und bevorzugt von wenigstens 5000 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 Anspruch 9 oder 10, 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 11, 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.
Werkzeug nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, 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 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (11, 11', 21) vollständig aus dem durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Verbundwerkstoff gefertigt ist.
Verwendung eines Werkzeugs nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14 als Wendeschneidplatte (11, 11'), Fräser (21) oder Gewindeprofilleiste.