DE102016111934A1 - Spanabhebendes Schneidwerkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein spanabhebendes Schneidwerkzeug (10) und ein Verfahren zu dessen Herstellung, bei welchem ein in einer Werkzeugmaschine aufnehmbarer, vorzugsweise aus einem Werkzeugstahl bestehender Grundkörper (12) durch Trennen in eine Endform gebracht wird, ein Schneidenträger (16) aus einem Pulvermaterial durch selektives Laserschmelzen generativ aufgebaut wird, und der Schneidenträger (16) mit mindestens einem Schneidelement (18) versehen wird, wobei der Schneidenträger (16) separat von dem Grundkörper (12) auf einer Bauplattform (34) generativ vorgefertigt wird, und anschließend der Schneidenträger (16) mit dem Grundkörper (12) an einer Fügestelle (14) durch Laserschweißen fest verbunden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines spanabhebenden Schneidwerkzeugs, bei welchem ein in einer Werkzeugmaschine aufnehmbarer, vorzugsweise aus einem Werkzeugstahl bestehender Grundkörper durch Trennen, insbesondere Spanen in eine Endform gebracht wird, ein Schneidenträger aus einem Pulvermaterial durch selektives Laserschmelzen generativ aufgebaut wird, und der Schneidenträger mit mindestens einem Schneidelement versehen wird. Die Erfindung betrifft weiter ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Schneidwerkzeug.
  • Für die spanende Bearbeitung, insbesondere die Bearbeitung von Metall, aber auch von Kunst-, Faser- und Verbundstoffen, haben sich Maschinenwerkzeuge mit besonderen Schneidelementen bewährt. Diese kommen am Arbeitsende des Werkzeugs auf einem Schneidenträger zum Einsatz, über den auch die Kühlmittelzufuhr und Spanableitung erfolgt. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, den Grundkörper für das Schneidwerkzeug mit einfacher Geometrie aus einem kostengünstigen Werkzeugstahl konventionell und den geometrisch anspruchsvolleren Schneidenträger aus höherwertigem Material additiv herzustellen. Dabei wird auf eine ebene Stirnfläche des Grundkörpers der Schneidenträger schichtweise aufgebaut. Bei diesem direkten Hybridbau werden Werkstoffe unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung stoffschlüssig miteinander verbunden, wodurch innere Spannungen in dem Gebilde entstehen können. Dies kann soweit führen, dass sich Risse im Gefüge bilden. Im schlechtesten Fall löst sich das additiv generierte Bauteil während der Herstellung ab. Der Herstellvorgang wird unterbrochen, das Bauteil ist zerstört, und zumeist entsteht auch ein Schaden an der Fertigungsanlage.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Maschinenwerkzeuge zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile weiter zu verbessern und eine mit hoher Prozesssicherheit und Qualität herstellbare Hybridkonstruktion anzugeben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, additive und subtraktive Verfahren bei der Werkzeugherstellung vorteilhaft zu kombinieren, so dass das generativ zu fertigende Bauteilvolumen stark reduziert werden kann. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Schneidenträger separat von dem Grundkörper auf einer Bauplattform generativ vorgefertigt wird, und anschließend der Schneidenträger mit dem subtraktiv gefertigten Grundkörper an einer Fügestelle durch Laserschweißen fest verbunden wird. Durch das Laserschweißen wird vergleichsweise wenig Wärme lokal begrenzt eingetragen. Dadurch werden Spannungen im Bereich der Fügestelle gering gehalten. Die Gefahr, dass sich die Bauteile ungewollt verziehen, wird somit auf ein Mindestmaß reduziert. Außerdem werden keine unkontrollierten Härteprozesse ausgelöst bzw. nachteilige Gefügeveränderungen bewirkt. Durch die formlose Fertigung des Schneidenträgers können anspruchsvolle Topologien realisiert werden.
  • Vorteilhafterweise wird der Schneidenträger in Verbindung mit dem Grundkörper einer Wärmebehandlung durch Aufheizen auf mindestens 400°C, vorzugsweise etwa 500°C unterzogen. Dadurch kann das Bauteil weitgehend spannungsfrei erhalten werden und ein Härteabfall vermieden werden. Die Standmenge des Werkezugs lässt sich somit verbessern.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Schneidelemente auf den Schneidenträger aufgelötet werden, so dass eine optimierte Spanungsfunktion und eine hohe Standzeit erreicht wird.
  • In diesem Zusammenhang lässt sich eine weitere Verbesserung dadurch erreichen, dass die mit dem Schneidenträger verbundenen Schneidelemente insbesondere durch Schleifen, Erodieren oder Laserbearbeitung in eine vorgesehene Endform gebracht werden.
  • Zur Aufnahme hoher Zerspankräfte ist es auch von Vorteil, wenn der Schneidenträger und/oder der Grundkörper mit Formschlusselementen, insbesondere mit einem Bund für einen Formschluss an der Fügestelle versehen werden.
  • Um das generativ herzustellende Volumen gering zu halten, ist es günstig, wenn der Schneidenträger zumindest in einem dem Grundkörper zugewandten Abschnitt innen hohlzylindrisch ausgebildet wird.
  • Vorteilhafterweise wird der Schneidenträger im Bereich von einer oder mehreren Schweißebenen mit dem Grundkörper durch Laserschweißen fest verbunden.
  • Möglich ist es auch, dass beim Laserschweißen an der Fügestelle ein Schweißzusatzwerkstoff hinzugeführt wird. Wenn allerdings die mechanische Beanspruchung des Werkzeugs zulässt, ist eine Schweißung ohne Zuführung von Schweißdraht zu bevorzugen, weil diese kostengünstig mit geringem Rüstaufwand und teilautomatisiert hergestellt werden kann.
  • Um zusätzlich Funktionalitäten zu schaffen, ist es vorteilhaft, wenn in den Schneidenträger im Zuge der generativen Fertigung mindestens ein Kühlmittelkanal und/oder ein Spanraum eingeformt wird.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Vielzahl von Schneidenträgern in einer Losfertigung generativ aufgebaut wird. Dadurch kann die Laserschmelzanlage besser ausgelastet werden und die Herstellkosten der Bauteile werden gesenkt. Die solchermaßen in größeren Losgrößen produzierten Schneidenträger können auch in identischer Ausführung mit verschiedenen Werkzeugtrennstellen verschweißt werden.
  • Um die Schweißverbindung zu optimieren, ist es möglich, dass beim Laserschweißen ein Laserstrahl entlang einer vorgegebenen Bahn geführt wird oder der Grundkörper zusammen mit dem aufgesetzten Schneidenträger relativ zu einem ortsfesten Laserstrahl gedreht wird.
  • Vorteilhafterweise wird beim selektiven Laserschmelzen das Pulvermaterial in übereinanderliegenden Schichten auf der Bauplattform aufgebracht und schichtweise in einer vorgegebenen Bauteilgeometrie mittels Laserstrahlung umgeschmolzen.
  • Die Mischbauweise lässt sich vorteilhaft einsetzen, um ein Schneidwerkzeug ausgewählt aus der Gruppe Fräswerkzeug, Bohrwerkzeug, Aufbohrwerkzeug, Reibwerkzeug herzustellen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein spanabhebendes Schneidwerkzeug mit einem durch Trennen, insbesondere Spanen in seine Endform gebrachten Grundkörper, der eine Schnittstelle zur Aufnahme in einer Werkzeugmaschine aufweist, und einem aus einem Pulvermaterial durch selektives Laserschmelzen generativ aufgebauten Schneidenträger, der mit mindestens einem Schneidelement versehen ist, wobei der separat von dem Grundkörper generativ vorgefertigte Schneidenträger mit dem Grundkörper an einer Fügestelle durch eine Laserschweißverbindung fest verbunden ist. Dadurch werden die vorgenannten Vorteile in analoger Weise erreicht.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Maschinenfräswerkzeug mit generativ gefertigtem Schneidenträger in Seitenansicht;
  • 2 eine Prinzipdarstellung einer Station zum selektiven Laserschmelzen;
  • 3–6 verschiedene Fertigungsschritte des Maschinenfräswerkzeugs Werkzeugs in ausschnittsweiser Vergrößerung der 1;
  • 7–9 verschiedene Varianten der Fügestelle für das Laserschweißen des Werkzeugs nach 1 in teils aufgebrochener Seitenansicht.
  • Das in der Zeichnung dargestellte Fräswerkzeug 10 umfasst einen Grundkörper 12 und einen damit an einer Fügestelle 14 fest verbundenen, generativ bzw. additiv gebildeten Schneidenträger 16, der mit mindestens einem Schneidelement 18 versehen ist.
  • Der Grundkörper 12 besitzt an seinem rückseitigen Abschnitt ein zum Einspannen in eine Werkzeugmaschine geeignetes, an sich bekanntes Spannteil 20, zum Beispiel eine ABS-, HSK- oder Steilkegel-Schnittstelle. Damit lässt sich das Werkzeug um eine Dreh- bzw. Werkzeugachse 22 rotierend antreiben. Der Grundkörper 12 ist konventionell aus einem Werkzeugstahl (z. B. 1.2344 oder 1.7225) gebildet und wird durch Zerspanen in seine gezeigte Endform gebracht.
  • Der Schneidenträger 16 ist an der Fügestelle 14 über eine Schweißverbindung 24 stoffschlüssig mit dem Grundkörper 12 verbunden. Neben den Plattensitzen 26 für die Schneidelemente 18 sind Spannuten 28 und Kühlmittelkanäle 30 in den Schneidenträger 16 eingeformt. Zu diesem Zweck wird der Schneidenträger 16 getrennt von dem Grundkörper 12 als gesondertes Formteil durch ein 3D-Formgebungsverfahren hergestellt, wie es nachstehend beschrieben wird.
  • 2 veranschaulicht eine Fertigungsstation 32 zum selektiven Laserschmelzen des Schneidenträgers 16. Hierbei wird auf einer Bauplattform 34 eine dünne Schicht des zu verarbeitenden Werkstoffs in Form eines Pulvermaterials 36 aufgebracht. Hierfür kommt zweckmäßig Werkzeugstahl der Sorte 1.2709 zum Einsatz. Geeignete Schichtdicken liegen zwischen 10–200 μm, bevorzugt zwischen 10–55 μm. Danach wird das Pulvermaterial 36 mittels eines Lasers 38 lokal umgeschmolzen, so dass sich nach dem Erstarren eine feste Materialschicht bildet. Jede Schicht wird anhand von vorgegebenen 3D-CAD-Daten durch entsprechendes Abfahren mittels des Laserstrahls 40 generiert. Ist das Material erstarrt, wird die Bauplattform 34 um den Betrag der Schichtdicke in Richtung des Pfeils 42 abgesenkt und eine neue Schicht Pulver aufgetragen. Der Prozess erfolgt unter einer Schutzgasatmosphäre, so dass es zu keiner Kontamination mit Sauerstoff kommt. Auf diese Weise können Werkzeuge oder Formen entfallen, wobei der Formling 44 mit großer Geometriefreiheit herstellbar ist. Das selektive Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting) ist somit ein additiver Prozess im Gegensatz zur subtraktiven zerspanenden Fertigung des Grundkörpers 12.
  • Der solchermaßen hergestellte Schneidenträger 16 wird anschließend in Hybridbauweise mit dem komplett fertig bearbeiteten Grundkörper 12 verbunden. Die einzelnen Fertigungsschritte dazu sind in 3 bis 6 illustriert.
  • Gemäß 3 wird die Schweißverbindung 24 durch Laserschweißen erzeugt. Der Wärmeeintrag ist bei diesem Verfahren minimal und lokal begrenzt. Somit wird eine Gefügeveränderung bzw. ein Härteverlust verhindert. Außerdem werden Spannungen im Bereich der Fügestelle 14 auf ein Mindestmaß reduziert. Wenn es die mechanische Beanspruchung des zu bildenden Werkzeuges zulässt, ist eine Schweißung ohne Zuführung von Schweißdraht zu bevorzugen, weil diese kostengünstig mit geringem Rüstaufwand teilautomatisiert hergestellt werden kann.
  • In einem weiteren Schritt entsprechend 4 werden die Schneidelemente 18 in die Plattensitze 26 eingelötet. Diese können als PKD-Schneidplatten aus extrem hartem Werkstoff (Poly-Kristalliner Diamant) ausgebildet sein. Ebenso sind Schneiden aus CVD-Dickschichtdiamant, unterschiedlichen Keramiken, Hartmetall oder Cermet vorstellbar.
  • 5 veranschaulicht eine Wärmebehandlung, wobei im Wesentlichen der kopfseitige Werkzeugbereich 46 das Zielgebiet darstellt. Durch Aufheizen auf beispielsweise 500°C wird der Schneidenträger 16 auf seine Zielhärte gebracht. So wird ein Härteabfall im Bereich der Lötstelle der Schneidelemente 18 verhindert.
  • Die Wärmebehandlung nach dem Löten beseitigt eventuell aufgetretene Gefügespannungen. Ist der Härteabfall nicht relevant, kann das Einlöten der Schneidelemente 18 auch nach der Wärmebehandlung erfolgen.
  • Danach werden die Schneidelemente 18 in ihre endgültige Form gebracht. Die Fertigbearbeitung erfolgt durch Schleifen, Erodieren oder Laserbearbeitung der Schneidkanten, wie es in 6 durch Linie 48 illustriert ist.
  • Die Form der Schweißverbindung 24 an der Fügestelle 14 muss in Abhängigkeit der zu erwartenden Zerspankräfte ausgewählt werden. In 7 bis 9 sind mögliche Formen dargestellt. 7 zeigt eine Stumpfschweißung in einer einzigen Schweißebene. 8 zeigt einen Bund 50 am Schneidenträger 16, ebenfalls mit einer Schweißverbindung 24 in einer Ebene.
  • Bei der Ausführungsform nach 9 ist ein Bund 52 am Grundkörper 12 ausgebildet, während der dazu komplementäre Schneidenträger 16 innen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Grundsätzlich ist zum Laserschweißen eine solche Fügestelle 14 zu bevorzugen, weil hier das generativ zu fertigende Volumen am geringsten ist. Das spart Herstellkosten. Bei dieser Variante kann eine stirnseitige Schweißverbindung 24' auf einer zweiten Ebene von der innen offenen vorderen Stirnseite des Schneidenträgers 16 her eingebracht werden. So lässt sich das Verfahren auch bei Werkzeugen mit großen Zerspankräften anwenden.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines spanabhebenden Schneidwerkzeugs (10), bei welchem – ein in einer Werkzeugmaschine aufnehmbarer, vorzugsweise aus einem Werkzeugstahl bestehender Grundkörper (12) durch Trennen, insbesondere Spanen in eine Endform gebracht wird, – ein Schneidenträger (16) aus einem Pulvermaterial durch selektives Laserschmelzen generativ aufgebaut wird, und – der Schneidenträger (16) mit mindestens einem Schneidelement (18) versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – der Schneidenträger (16) separat von dem Grundkörper (12) auf einer Bauplattform (34) generativ vorgefertigt wird, und – anschließend der Schneidenträger (16) mit dem Grundkörper (12) an einer Fügestelle (14) durch Laserschweißen fest verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidenträger (16) in Verbindung mit dem Grundkörper (12) einer Wärmebehandlung durch Aufheizen auf mindestens 400°C, vorzugsweise etwa 500°C unterzogen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidelemente (18) auf den Schneidenträger (16) aufgelötet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Schneidenträger (16) verbundenen Schneidelemente (18) insbesondere durch Schleifen, Erodieren oder Laserbearbeitung in eine vorgesehene Endform gebracht werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidenträger (16) und/oder der Grundkörper (12) mit Formschlusselementen, insbesondere mit einem Bund (50, 52) für einen Formschluss an der Fügestelle (14) versehen werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidenträger (16) zumindest in einem dem Grundkörper (12) zugewandten Abschnitt innen hohlzylindrisch ausgebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidenträger (16) im Bereich von einer oder mehreren Schweißebenen mit dem Grundkörper (12) durch Laserschweißen fest verbunden wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laserschweißen an der Fügestelle (14) ein Schweißzusatzwerkstoff hinzugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schneidenträger (16) im Zuge der generativen Fertigung mindestens ein Kühlmittelkanal (30) und/oder Spanraum (28) eingeformt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Schneidenträgern (16) in einer Losfertigung generativ aufgebaut wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laserschweißen ein Laserstrahl (40) entlang einer vorgegebenen Bahn geführt wird oder der Grundkörper (12) zusammen mit dem aufgesetzten Schneidenträger (16) relativ zu einem ortsfesten Laserstrahl gedreht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim selektiven Laserschmelzen das Pulvermaterial (36) in übereinanderliegenden Schichten auf der Bauplattform (34) aufgebracht und schichtweise in einer vorgegebenen Bauteilgeometrie mittels Laserstrahlung umgeschmolzen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schneidwerkzeug (10) ausgewählt aus der Gruppe Fräswerkzeug, Bohrwerkzeug, Aufbohrwerkzeug, Reibwerkzeug hergestellt wird.
  14. Spanabhebendes Schneidwerkzeug mit einem durch Trennen, insbesondere Spanen in seine Endform gebrachten Grundkörper (12), der eine Schnittstelle (20) zur Aufnahme in einer Werkzeugmaschine aufweist, und einem aus einem Pulvermaterial durch selektives Laserschmelzen generativ aufgebauten Schneidenträger (16), der mit mindestens einem Schneidelement (18) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der separat von dem Grundkörper (12) generativ vorgefertigte Schneidenträger (16) mit dem Grundkörper (12) an einer Fügestelle (14) durch eine Laserschweißverbindung (24, 24') fest verbunden ist.
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