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Die
Erfindung bezieht sich auf Herstellungsverfahren für ein Schneidwerkzeug
zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken insbesondere aus Metall
oder Kunststoff, wobei das Schneidwerkzeug einen mit einem Trägerteil
verbundenen Schneideinsatz aus Diamant aufweist, dem eine Spanführung zugeordnet
ist.
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Für die Bearbeitung
(Drehen, Bohren, Fräsen)
zum Beispiel von Aluminium, AlSi-Legierungen und NE-Metallen werden
Schneidwerkzeuge mit Schneideinsätzen
aus hartem Werkstoff, beispielsweise aus Hartmetall, Oxidkeramik,
Diamant oder mit Kobalt gesinterten Diamantkörnungen (PKD) verwendet.
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Beim
Betrieb hochautomatisierter Produktionsanlagen stellt die Spanbildung
ein großes
Problem dar. Schlecht geformte Späne stören den Produktionsprozess
nachhaltig. Sie verhängen
sich an Werkstück
und Maschine, sind schlecht aus dem Maschinenraum zu entsorgen und
behindern den automatischen Teilewechsel. Sauber bearbeitete Oberflächen werden
zerkratzt, die Qualität
der Werkstücke nachteilig
reduziert. Moderne Wendeschneidplatten aus Hartmetall, wie sie für die Bearbeitung
von Stahl verwendet werden, verfügen
deshalb als Spanführung über sogenannte
Spanleitstufen oder Spanbrecher, mit denen die Spanformung gezielt
beeinflusst, beziehungsweise der Span gebrochen werden kann.
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Aus
der WO 0048789 A1 ist ein PKD-Schneidwerkzeug mit Spanleitstufe
bekannt, dessen Herstellung eine Formgebung vor beziehungsweise
während
des Sinterprozesses vorsieht. Nachteilig ist hierbei, dass beim
Sintern keine glatte Oberfläche
entsteht. Dies behindert einen sauberen Spanfluss.
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Stand der Technik
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Aus
der
US 6 315 502 B1 beziehungsweise der
EP 1023962 A1 ist
ein Schneidwerkzeug bekannt, deren Schneideinsatz mit Spanleitstufe
an einem Halter angebracht ist. Der Schneideinsatz besteht aus drei
Teilen, nämlich
einem Trägerkörper aus
Hartmetall, einer darauf aufgebrachten Schicht aus PKD (polykristalliner
Diamant), welche die Schneidkante bildet sowie der Spanführung aus Hartmetall.
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Die
PKD-Schicht hat eine bis auf den Hartmetallträger reichende Ausnehmung, in
der die Spanführung
eingesetzt ist. Die Schneidkante und die Spanführung bestehen aus unterschiedlichen Materialien
nämlich
aus PKD und Hartmetall und sind jeweils mit dem Hartmetallträger verbunden.
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Nachteilig
ist bei diesem Schneideinsatz, dass dieser wegen der Ausbildung
aus drei Teilen aus unterschiedlichem Material vergleichsweise kompliziert
herzustellen ist. Insbesondere die form schlüssige Verbindung zwischen Schneidenteil
und Spanführung
ist schwierig zu realisieren, da die Ausnehmung in der PKD-Schicht
durch Erosion oder Laser-Ablation erzeugt wird und dabei Strukturschwankungen
von einigen Mikrometern auftreten können. Die mechanisch stark
belastete Spanführung
besteht nicht aus Diamant, sondern nur aus Hartmetall.
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Die
Schneidkante wird von einer PKD-Schicht gebildet. PKD ist ein Sintermaterial
bestehend aus Diamantkristallen in einem metallischen Binder. Dieses
Material ist gegenüber
Diamant weniger beständig
und hat eine geringere Abriebfestigkeit bei geringerer Härte und
Steifigkeit sowie einen höheren
Reibungskoeffizienten und ist wegen der metallischen Binderphase
für bestimmte
Schneidanwendungen nicht geeignet.
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Außerdem ist
eine präzise
Einstellung des Abstandes der zum Einsetzen der Spanführung vorgesehenen
Ausnehmung in der PKD-Schicht zur Schneidkante nur durch das nachträgliche Einbringen
möglich.
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Aus
der
DE 199 37 740
A1 ist Werkzeug mit einem Schneideinsatz aus polykristallinem
Diamant oder polykristallinem Bornitrid sowie einen in Bewegungsrichtung
des Spans hinter dem Schneideinsatz angeordneten Spanbrecher bekannt.
Der Spanbrecher ist durch einen Einsatz aus Stahl oder Hartmetall
gebildet.
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Bei
dem vorbesschriebenen Stand der Technik ist auch nachteilig, dass
die Herstellung der Schneidwerkzeuge mit Spanführung vergleichsweise umständlich ist
und dass jeweils eine Zuordnung von Schneidkeil und Spanführung mit
exakter Positionierung vorgenommen werden muss.
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Aus
der
US 5 772 366 A ist
ein Verbund-Werkzeug bekannt, das aus einem Träger besteht, der sämtliche
Strukturen inklusiv Schneide, Spanführung und einer dünnen Diamantschicht
enthält.
Die Diamantbeschichtung des Verbund-Werkzeugs ist mit 1–20 µm sehr
dünn und
damit entsprechend gering belastbar und haltbar. Zwischen dem Träger und
der dünnen
Diamantbeschichtung können
Haftungsprobleme auftreten, was im Betrieb zum Abplatzen der Diamantschicht
führen
kann. Das Werkzeug ist daher nicht für höchste Belastungen geeignet.
Außerdem
ist die Diamantschicht nicht sehr glatt, so dass die Schneidkante
sowie die Spanleitstufe entsprechend ungenau definiert sind.
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In
der
EP 670 192 A1 ist
ein Schneidwerkzeug mit einem Träger
für Diamantteile
beschrieben, wobei quaderförmige
Diamantteile auf einen entsprechend geformten Metallträger aufgebracht
werden. Der Metallträger
weist eine Einformung auf, in die ein entsprechend geformtes Diamantteil
eingepasst wird.
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Die
GB 23 66 804 A offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeuges, bei welchem
die Oberfläche
eines CVD-Diamanten durch Kontakt mit der Grenzfläche einer
Form festgelegt wird. Dabei wird der CVD-Diamant in einer Dicke
von 30 μm
bis 200 μm
auf dieses Form abgeschieden.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren der
eingangs erwähnten Art zu
schaffen, wobei die Zuordnung von Schneidkeil und Spanführung fest
vorgegeben ist und Justierarbeiten vermieden werden und wobei außerdem die Qualität des Schneidwerkzeugs
hinsichtlich der Standzeit und der Güte des damit hergestellten
Produkts verbessert ist.
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Bezüglich des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vorgeschlagen, dass zum Herstellen eines einstückig aus
einem Schneidkeil und einer Spanführung bestehenden Schneideinsatzes
ein Substrat mit einer zu der Oberfläche des Schneideinsatzes komplementären Oberfläche geformt,
diese Formung dann durch Diamantabscheidung mittels Diamant-CVD
(Chemical Vapor Deposition) überwachsen,
die Diamantschicht auf ihrer Wachstumsseite bearbeitet und anschließend der
Diamant-Schneideinsatz bestehend aus Schneidkeil und Spanführung entformt
wird und dass dann zur Bildung einer Schneidkante des Schneidkeiles
eine äußere Fläche des
Schneidkeiles präpariert
wird.
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Dabei
wird vor Aufbringen der Diamantschicht die Oberfläche des
Substrates mit den Einformungenen zur Erzielung einer hohen Nukleationsdichte
in einem Ultraschallbad mit einer Diamantsuspension vorbehandelt.
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Ein
solcher Schneideinsatz ist wesentlich einfacher aufgebaut, da der
Schneideinsatz einstückig
den Schneidkeil mit Spanführung
umfasst. Demzufolge ist auch eine präzise Zuordnung dieser beiden
Teile vorhanden mit exakt vorgegebenen Eigenschaften auch der Spanführung. Durch
den vorgesehenen, mittels Gasphasenabscheidung hergestellten Diamantwerkstoff
enthält
dieser keinerlei Binder, wie dies bei gesintertem Material der Fall
ist. Gegenüber dem
Werkstoff PKD ist CVD-Diamant härter
und steifer, er besitzt einen geringeren Reibungskoeffizienten und
ist zwei bis zehnmal abriebfester. Hinzu kommen eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit
sowie eine ausgezeichnete chemische und thermische Stabilität. Dadurch
ist eine extrem hohe Verschleißfestigkeit vorhanden,
wodurch lange Standzeiten der Werkzeuge erreicht werden.
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Darüber hinaus
ist eine wesentlich verbesserte Oberfläche mit einer sehr kleinen
Oberflächenrauhigkeit
vorhanden. Dieser Diamantwerkstoff zeichnet sich durch eine extrem
hohe Verschleißfestigkeit
und somit durch lange Standzeiten der Werkzeuge aus. Charakteristisch
ist auch die hohe Oberflächengüte der bearbeiteten
Werkstückoberflächen.
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Im
Bereich der Oberfläche
des Schneidwerkzeugs sind die mechanischen Eigenschaften wie Zähigkeit
und Bruchfestigkeit insbesondere durch die Synthese von feinkörnigem Material
und durch die Verwendung der Nukleationsseite als Funktionsseite optimiert.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass die Formgebung des Schneideinsatzes durch Bearbeitung
des Substratmateriales erfolgt, was wesentlich einfacher ist als
die Bearbeitung von Diamantwerkstoff.
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Die
Bearbeitung des Substratmateriales kann vorzugsweise durch eine
spanende Bearbeitung, insbesondere durch Schleifen, Läppen, Polieren
vorgenommen werden. Außerdem
kann die Bearbeitung des Substratmateriales durch nass- oder trockenchemisches Ätzen erfolgen.
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Als
Substratmaterial kann Silicium oder ein Metall, vorzugsweise Molybdän verwendet
werden.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
zur gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl von Diamant-Schneideinsätzen das
Substrat mit einer entsprechenden Anzahl von Einformungen versehen und
anschließend
eine zusammenhängende,
die Einformungen überdeckende
Diamantbeschichtung vorgenommen wird.
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Damit
ist eine wirtschaftliche Herstellung solcher Diamant-Schneideinsätze auch
in größeren Stückzahlen
möglich.
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Die
zusammenhängende,
die Einformungen überdeckende
Diamantbeschichtung wird nach Erreichen einer vorgebbaren Schichtdicke
bearbeitet, insbesondere an ihrer Wachstumsseite eingeebnet. Diese
Bearbeitung kann vor oder nach dem Entformen vorgenommen werden.
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Zusätzliche
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.
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Nachstehend
ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der
Zeichnungen noch näher
erläutert.
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Ausführungsbeispiel
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Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Wende-Schneidwerkzeugs mit aus Diamant
bestehenden Schneideinsätzen,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer gegenüber 1 abgewandelten
Ausführungsform
eines Scheidwerkzeugs mit aus Diamant bestehendem Schneideinsatz,
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3 eine
vergrößerte Querschnittdarstellung
eines Schneidwerkzeuges mit einem einstückig aus Diamant bestehenden
Schneideinsatz und
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4 bis 9 Fertigungsschritte
zum Herstellen von Diamant-Schneideinsätzen.
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Die
in den 1 und 2 gezeigten Schneidwerkzeuge 1, 1a dienen
zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken. Das Schneidwerkzeug 1, 1a weist
ein vorzugsweise aus Hartmetall bestehendes Trägerteil 2 auf, das
einen oder mehrere Ausschnitte zur Aufnahme eines Schneideinsatzes 3, 3a hat.
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Der
Schneideinsatz 3, 3a weist im wesentlichen einen
Schneidkeil 4 mit einer Schneidkante 5 auf, an
die sich rückseitig
eine Spanführung 6 anschließt. In den 1 und 2 und
insbesondere auch in 3 ist gut erkennbar, dass die
an die Schneid kante 5 angrenzende, äußere Fläche 7 und die innere
Fläche 8 des
Schneidkeiles 4 einen Winkel kleiner als 90° einschließen, wobei
dieser Winkel vorzugsweise zwischen 70° und 90° liegen kann.
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Der
Schneideinsatz 3, 3a besteht einstückig aus
CVD-Diamant, wobei die sich an den Schneidkeil 4 rückseitig
anschließende
Spanführung 6 integraler Bestandteil
dieses Schneideinsatzes ist.
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Die
Spanführung 6 kann
je nach den praktischen Erfordernissen als Spanbrecher oder als Spanleitstufe
geformt sein. In den Ausführungsbeispielen
ist erkennbar, dass sich die Spanführung 6 kontinuierlich
an den Schneidkeil 6 anschließt, wobei die Keil-Fläche 8 in
eine Vertiefung übergeht,
welche zusammen mit einer sich über
einen gerundeten Übergang 9 anschließenden Spanleitfläche 10 die Spanführung 6 bildet.
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In
den 4 bis 9 ist schematisch ein Herstellungsverfahren
für den
in 1 und 3 gezeigten Schneideinsatz 3 dargestellt.
Es ist dabei ein Herstellungsverfahren beschrieben, mit dem gleichzeitig
eine Vielzahl von Diamant-Schneideinsätzen 3 hergestellt
werden können.
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In
ein plattenförmiges
Substrat 11 gemäß 4 werden
entsprechend der vorgesehenen Anzahl herzustellender Schneideinsätze 3 Einformungen 12 in
die Oberfläche
des Substrates 11 eingebracht (5). Die
Einformungen 12 sind komplementäre Formungen der herzustellenden Schneideinsätze 3.
Das Substratmaterial kann Silicium oder ein Metall und dabei vorzugsweise
Molybdän
sein. Die Bearbeitung des Substrates zur Bildung der Einformungen 12 kann
durch Schleifen, Läppen, Polieren,
nass- oder trockenchemisches Ätzen
erfolgen.
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In 5 ist
gut zu erkennen, dass die Einformungen jeweils eine Schrägfläche 8a entsprechend der
Schneidkeil-Fläche 8 und
eine sich daran über
einen gerundeten Übergang
anschließende
Fläche 10a entsprechend
der Spanleitfläche 10 aufweisen.
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Das
Substrat 11 wird an seiner die Einformungen 12 aufweisenden
Seite mit CVD-Diamant 13 überwachsen, bis sich eine die
Einformungen 12 vollständig überdeckende
Schichtdicke eingestellt hat, wie dies in 6 gezeigt
ist.
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Die
CVD-Diamantschicht kann beispielsweise mittels Mikrowellen-Plasma-CVD
aufgebracht werden. Dies erfolgt beispielweise bei einer Temperatur
von 850° C
in einer Atmosphäre
mit 99% Wasserstoff und 1 % Methan bei einem Druck von etwa 100
Millibar. Die so aufgebrachte Diamantschicht 13 kann eine
Dicke von 0,2 bis 1 mm vorzugsweise etwa 0,5 mm haben.
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Erwähnt sei
noch, dass vor dem Aufbringen der Diamantschicht 13 die
Oberfläche
des Substrates 11 mit den Einformungen 12 zur
Erzielung einer hohen Nukleationsdichte vorbehandelt wird. Eine
solche Vorbehandlung erfolgt in einem Ultraschallbad mit einer Diamantsuspension.
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Nach
dem Aufbringen der Diamantschicht 13 wird die Wachstumsseite 14 der
Diamantschicht eingeebnet, vorzugsweise durch Schleifen, Läppen, Polieren
(7). Nach dieser Bearbeitung ergibt sich eine ebene
Fläche,
die eine einfache Montage und exakte Positionierung an dem Trägerteil 2 nach
dem Vereinzeln der Schneideinsätze
begünstigt.
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Es
erfolgt anschließend
eine Trennung von Substrat 11 und der auf der Wachstumsseite
bearbeiteten Diamantschicht 13. Dieses Entformen erfolgt vorzugsweise
durch Auflösung
des Substrates in Säure,
zum Beispiel Flusssäure
und Salpetersäure. Neben
einer Auflösung
des Substrates durch Säure oder
Lauge kann das Entformen der Diamant-Schneideinsätze auch durch eine thermische Schockbehandlung
erfolgen. In 8 ist die vom Substrat 11 getrennte
Diamantschicht 13 mit nebeneinander aneinanderhängenden
Schneideinsätzen erkennbar.
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Um
nun einzelne Schneideinsätze 3 zu
erhalten, wird die zusammenhängende
Diamantschicht 13 zerteilt und damit die Schneideinsätze 3 segmentiert.
Dies erfolgt vorzugsweise durch Laserschneiden, wobei ein gepulster
NdYAG-Laser, beispielsweise mit einer Leistung von 18 Watt (gütegeschaltet) zum
Einsatz kommen kann. In 9 sind die einzelnen Schneideinsätze 3 nebeneinanderliegend
dargestellt.
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Es
erfolgt anschließend
eine Bearbeitung der Schneidkanten 5 des Schneidkeiles 4,
was entweder mit einem Laser oder durch eine Schleifbearbeitung
zum Beispiel mit einer keramisch gebundenen Diamantschleifscheibe
erfolgen kann. Dabei wird die äußere Fläche 7 des
Schneidkeiles 4 präpariert.
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Alternativ
zu dem vorbeschriebenen Segmentieren der Schneideinsätze 3 und
der Präparation
der Schneidkanten 5 mit Bearbeitung der äußeren Keil-Fläche 7 ist
es auch möglich,
elektrisch leitfähigen
Diamant herzustellen und diesen mittels Drahterosion zu bearbeiten.
Zur Herstellung von elektrisch leitfähigem Diamant wird dem Prozessgas
bei der Diamantsynthese geringe Mengen (einige ppm) an Bor zugesetzt.
Die Boratome werden in das Diamantkristallgitter eingebaut und bilden
dort einen elektrisch aktiven Akzeptor.
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Die
fertigen Schneideinsätze 3 werden
anschließend
noch mit dem Trägerteil
verbunden, wobei die Schneideinsätze
in eine entsprechende Ausnehmung des Trägerteiles 2 eingesetzt
werden und dort vorzugsweise mittels Vakuumlöten mit einem Aktivlot mit
dem Trägerteil 2 verbunden
werden. Erwähnt
sei noch, dass die Präparation
der Schneidkante 5 durch Bearbeitung der Fläche 7 des
Schneidkeiles 4 gegebenenfalls auch nach der Montage des Schneideinsatzes 3 an
dem Trägerteil 2 erfolgen kann.
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Durch
das vorbeschriebene Herstellungsverfahren lassen sich extrem glatte
Flächen
im spanführenden
Bereich der Schneideinsätze 3, 3a fertigen, wobei
eine Oberflächenrauhigkeit
von kleiner als ei nem Mikrometer erreichbar ist.
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Erwähnt sei
noch, dass das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug
in modifizierter Ausführung auch
bei anderen Werkzeugen zur spanabhebenden Bearbeitung eingesetzt
werden kann, beispielsweise zum Bohren und Fräsen.