DE10297038B4

DE10297038B4 - Schneideinsatz und seine Verwendung

Info

Publication number: DE10297038B4
Application number: DE10297038T
Authority: DE
Inventors: Werner Penkert
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: CN1543384A; JP2005527385A; US7313991B2; WO2003018241A1; TW579312B; DE10297038T5; US20040258491A1; DE10142049A1

Abstract

Schneideinsatz (10) aus Hartmetall mit mindestens einer Ausnehmung (2), in die ein Schneidkörper (3) aus einem von Hartmetall verschiedenen Schneidmaterial unter Ausbildung einer festen Verbindung eingesetzt ist, wobei der Schneidkörper (3), an dem eine Schneidkante (4) gebildet ist, aus einer Schneidkeramik besteht und eine geometrische Form besitzt, die mit der geometrischen Form der Ausnehmung (2) mindestens bereichsweise kongruent ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikschneidkörper (3) die Form eines Kreiskegelstumpfs besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schneideinsatz aus Hartmetall mit mindestens einer Ausnehmung, in die ein Schneidkörper aus einem von Hartmetall verschiedenen Schneidmaterial unter Ausbildung einer festen Verbindung eingesetzt ist, wobei an dem Schneidkörper eine Schneidkante ausgebildet ist.
Solche Schneideinsätze sind beispielsweise aus den US-Patenten 3 369 283 und 4 201 501 sowie aus EP-B1-0 431 009 bekannt.
Diese bekannten Schneideinsätze bestehen aus einem Hartmetall auf Wolframcarbid-Basis, wobei das Bindermetal für den Hartstoff meist Kobalt, Nickel und/oder Eisen ist, und der in eine Ausnehmung des Schneideinsatzes eingesetzte Schneidkörper besteht dabei aus polykristallinem Material, beispielsweise aus Diamant oder kubischem Bornitrid. Das polykristalline Material wird mit Hilfe eines geeigneten Klebers in die Ausnehmung des Schneideinsatzes geklebt oder eingelötet. Dafür geeignete Kleber und Lotmaterialien sind im Handel erhältlich.
Außerdem sind Schneideinsätze seit langem bekannt, die entweder nur aus Hartmetall bestehen oder aber nur aus einer Schneidkeramik.
Während Keramikschneideinsätze für Hochtemperaturanwendungen, d. h. für die spanabhebende Bearbeitung von Werkstücken im Hochgeschwindigkeitsbereich, grundsätzlich besser geeignet sind als Hartmetallschneideinsätze, macht sich die geringere Biegebruchfestigkeit der Keramikschneideinsätze immer negativer bemerkbar, je kleiner die Dimensionen der Schneideinsätze werden. Deshalb war es bisher nicht möglich, Werkzeuge mit sehr kleiner Stechbreite oder sehr kleinem Radius für das Kopierdrehen im Hochgeschwindigkeitsbereich aus hochtemperaturbeständiger Keramik herzustellen. Andererseits war es bisher nicht möglich, brauchbare Wendeschneidplatten sehr kleiner Abmessungen und gleichzeitig hochkomplexer Formen aus Vollhartmetall herzustellen.
Die DE 695 20 195 T2 zeigt einen Schneideinsatz aus Hartmetall, der mindestens eine Ausnehmung besitzt, in die ein Sinterkörper aus kubischem Bornitrid als Schneidkörper unter Ausbildung einer festen Verbindung eingesetzt ist. Der Schneidkörper hat eine geometrische Form, die mit der geometrischen Form der Ausnehmung mindestens bereichsweise kongruent ist.
Aus der EP 0 940 215 A1 sind Schneideinsätze aus Hartmetall mit mindestens einer Ausnehmung bekannt, in die ein Schneidkörper aus einem von Hartmetall verschiedenen Schneidmaterial unter Ausbildung einer festen Verbindung eingesetzt ist. Der Schneidkörper, an dem eine Schneidkante gebildet ist, besteht aus einer Schneidkeramik, insbesondere aus kubischem Bornitrid.
Die nachveröffentlichte EP 1 190 795 A1 zeigt einen Schneideinsatz aus Hartmetall oder Keramik mit Ausnehmungen, dessen teilkreisförmige Schneidkanten an den Enden des Hartmetallkörpers selbst gebildet sind. Die Flanken der Enden sind kreiszylindrisch und parallel zur Außenwand des Schneideinsatzes geformt, können aber auch andere Geometrien aufweisen. Die im Schneideinsatz vorhandenen Ausnehmungen dienen der Aufnahme von Lagerbolzen zur genauen Positionierung des Schneideinsatzes im Werkzeughalter.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Schneideinsätze bereitzustellen, die sich besonders für Hochgeschwindigkeitszerspanungen eignen, also besonders hitzebeständig sind, aber dennoch eine sehr hohe mechanische Festigkeit besitzen, so daß auch sehr kleine Schneidkörper mit sehr kleiner Stechbreite oder sehr kleinem Radius hergestellt werden können, die eine ausreichende Standzeit besitzen.
Diese Aufgabe wird durch einen Schneideinsatz gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Schneideinsatz verbindet die Hochtemperaturcharakteristik eines Keramikschneidkörpers mit den Vorteilen eines Trägers aus Vollhartmetall. Durch die spezielle gegenseitige Anpassung der geometrischen Form des Keramikschneidkörpers, der nach Art einer Patrize ausgebildet ist, und der nach Art einer daran angepaßten Matrize ausgebildeten geometrischen Form der Ausnehmung im Hartmetalleinsatz wird eine hohe mechanische Steifigkeit des aus den beiden Körpern gebildeten Verbundes erreicht, die sich insbesondere bei der mit hohen und höchsten Temperaturen verbundenen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Werkstücken vorteilhaft auswirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Schneideinsatz besitzt der Keramikschneidkörper die Form eines Kreiskegelstumpfs, und zwar vorzugsweise eines senkrechten Kreiskegelstumpfs. Diese Form ergibt einen besonders stabilen kegelförmigen Sitz des Keramikschneidkörpers im Hartmetallschneideinsatz, und damit eine optimale Abstützung und Verbindung der beiden, aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Körper.
Vorzugsweise ist der Keramikschneidkörper mit seiner kleineren Grundfläche auf dem Boden der Ausnehmung befestigt, während die Schneidkante am freiliegenden Kreisbogen der größeren Grundfläche des Kreiskegelstumpfs ausgebildet ist und teilkreisförmig verläuft. Aus dieser Gestaltung ergibt sich ein optimales Verhältnis zwischen Span- und Freiflächen und damit eine hervorragende Eignung des Schneideinsatzes zur Herstellung von Wendeschneidplatten, die vielseitig verwendbar sind und insbesondere für Werkzeuge mit sehr kleiner Stechbreite oder sehr kleinem Radius geeignet sind.
Die Schneidkante umfaßt vorzugsweise einen Teilkreis von mindestens 200°, höchstens aber von 230°. Wenn der Teilkreis, auf dem die Schneidkante liegt, weniger als 200° umschreibt, ist die effektive Gesamtlänge der Schneidkante zu kurz, um universell einsetzbar zu sein, und wenn der Teilkreis mehr als 230° umschreibt, ist die verbleibende Restfläche des Kegelstumpfmantels, der zur mechanischen Verbindung und Befestigung der beiden Körper dient, zu klein, um eine ausreichende mechanische Festigkeit des Verbundes sicherzustellen.
Der Kegelwinkel für den Kreiskegelstumpf wird vorzugsweise so gewählt, daß der Freiwinkel (α) unterhalb der Schneidkante kleiner als 10°, besonders bevorzugt, etwa 7 ± 2° beträgt.
Der Schneidkörper wird vorzugsweise in die Ausnehmung eingeklebt oder eingelötet. Geeignete Klebstoffe auf Basis von Epoxidharz oder Acrylharz oder anderen hochtemperaturfesten Klebern sind bekannt und dem Fachmann geläufig.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes ist mindestens eine quer zu seiner Längsachse verlaufende Nut zur Befestigung des Schneideinsatzes an einem herkömmlichen Werkzeughalter vorgesehen. Zur Erzielung eines unverrückbaren, geometrisch genau definierbaren Sitzes des Schneideinsatzes in einem dafür vorgesehenen Werkzeughalter ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Nut beidseitig von parallel zur Nut verlaufenden Erhebungen begrenzt ist, damit ein formschlüssiger Eingriff mit den dafür vorgesehenen Befestigungsmitteln des Werkzeughalters erfolgen kann.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Schneideinsatz als Wendeschneidplatte ausgebildet, wobei die Wendeschneidplatte besonders bevorzugt zwei bis vier Schneidkörper aufweist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt der Maximaldurchmesser des Schneidkörpers etwa 4 ± 0,05 mm bis etwa 10 ± 0,05 mm, wobei die Materialstärke bzw. Dicke des Keramikschneidkörpers bis auf Werte von etwa 2 mm herabgesetzt werden kann, ohne daß die Mindestanforderungen an die mechanische Festigkeit und Steifigkeit unterschritten würden. Vorzugsweise entspricht die Dicke des Keramikschneidkörpers etwa der Hälfte der Dicke des Schneideinsatzes, ohne Berücksichtigung der die Befestigungsnut umgebenden Erhebungen.
Der erfindungsgemäße Schneideinsatz wird besonders vorteilhaft zum Einstechen oder Kopierdrehen verwendet, insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten bzw. Hochtemperaturanwendungen, und insbesondere bei Schneideinsätzen mit sehr kleiner Stechbreite oder sehr kleinem Radius. Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Schneideinsatz zum Einstechen oder Kopierdrehen von Leichtmetallwerkstücken, insbesondere von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wie sie beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich bei Leichtmetallfelgen und anderen Teilen anzutreffen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert:
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schneideinsatzes;
2 ist eine (nicht maßstabgerechte) Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des Schneideinsatzes gemäß 1.
Der Schneideinsatz 10 besteht aus einem Grundkörper 1 aus Hartmetall (Kobalt-gebundenes Wolframcarbid), wobei der Schneideinsatz als Wendeschneidplatte mit zwei Keramikschneidkörpern 3 ausgebildet ist.
Die beiden Keramikschneidkörper 3 besitzen die Form eines senkrechten Kreiskegelstumpfs, die mittels eines Hochtemperaturklebers in vorgeformte Ausnehmungen 2 des Grundkörpers 1 eingeklebt sind, und zwar so, daß die kleinere Grundfläche des Kreiskegelstumpfs auf dem Boden 7 der Ausnehmung und ein Teil der konischen Mantelfläche des Kreiskegelstumpfs an der damit kongruenten konischen Wandfläche der Ausnehmung 2 festgeklebt ist. Am freiliegenden Kreisbogen der größeren Grundfläche des Kreiskegelstumpfs der beiden Keramikschneidkörper 3 ist jeweils eine Schneidkante 4 ausgebildet. Der freiliegende, d. h. nicht innerhalb der Ausnehmung 2 verlaufende Teilkreis der größeren Grundfläche des Kreiskegelstumpfs umfaßt mindestens 200°, höchstens aber 230° (jeweils bezogen auf die 360° des Vollkreises).
Der Freiwinkel α unterhalb der Schneidkanten 4 beträgt beim gezeichneten Ausführungsbeispiel 7°.
Quer zur Längsachse L des Schneideinsatzes 10 verläuft eine Nut 5 zur Befestigung des Schneideinsatzes an einem an sich bekannten Werkzeughalter. Die Nut 5 ist beidseitig von parallel zur Nut verlaufenden Erhebungen 6 begrenzt, wodurch sich ein gelegentlich als "Hundeknochen" bezeichneter Profilquerschnitt ergibt. In die Nut 5 greift eine komplementär ausgebildete Pratze eines (nicht dargestellten) Werkzeughalters bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Schneideinsatzes ein.
Der Maximaldurchmesser der größeren Grundfläche des Kreiskegelstumpfs der Keramikschneidkörper 3 beträgt vorzugsweise 4, 6 oder 8 mm, mit einer Standardabweichung von ±0,05 mm, und die Materialstärke s der Keramikschneidkörper 3 beträgt vorzugsweise 2,5 mm.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schneideinsatzes besitzt eine „Hundeknochen"-Konfiguration, wie sie in den 1 und 2 der Zeichnung dargestellt ist. Diese Ausführungsform weist in Kombination die folgenden Merkmale auf:

– ein Schneideinsatz aus Hartmetall mit mindestens einer Ausnehmung, in die ein Schneidkörper aus einem von Hartmetall verschiedenen Schneidmaterial unter Ausbildung einer festen Verbindung eingesetzt ist,
– an dem Schneidkörper ist eine Schneidkante gebildet,
– der Schneidkörper besteht aus einer Schneidkeramik und besitzt die Form eines Kreiskegelstumpfs, der mindestens bereichsweise mit der geometrischen Form der Ausnehmung kongruent ist,
– mindestens eine Nut, die beidseitig von parallel zur Nut verlaufenden Erhebungen begrenzt ist, verläuft quer zu einer Längsachse des Schneideinsatzes zur Befestigung des Schneideinsatzes an einem Werkzeughalter.

Die Vorteile der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung treten im Hinblick auf die Querbruchfestigkeit dann am deutlichsten zutage, wenn der Maximaldurchmesser des Schneidkörpers klein ist und beispielsweise 4 bis 10 ± 0,05 mm beträgt.

Claims

Schneideinsatz (10) aus Hartmetall mit mindestens einer Ausnehmung (2), in die ein Schneidkörper (3) aus einem von Hartmetall verschiedenen Schneidmaterial unter Ausbildung einer festen Verbindung eingesetzt ist, wobei der Schneidkörper (3), an dem eine Schneidkante (4) gebildet ist, aus einer Schneidkeramik besteht und eine geometrische Form besitzt, die mit der geometrischen Form der Ausnehmung (2) mindestens bereichsweise kongruent ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikschneidkörper (3) die Form eines Kreiskegelstumpfs besitzt.
Schneideinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikschneidkörper (3) mit seiner kleineren Grundfläche auf dem Boden (7) der Ausnehmung (2) befestigt ist und daß die Schneidkante (4) am freiliegenden Kreisbogen der größeren Grundfläche des Kreiskegelstumpfs ausgebildet ist und teilkreisförmig verläuft.
Schneideinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiskegelstumpf ein senkrechter Kreiskegelstumpf ist.
Schneideinsatz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkante (4) einen Teilkreis von mindestens 200° umfaßt.
Schneideinsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkante (4) einen Teilkreis von höchstens 230° umfaßt.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Freiwinkel (α) von < 10°.
Schneideinsatz nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Freiwinkel (α) von 7 ± 2°.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidkörper (3) in die Ausnehmung (2) eingeklebt oder eingelötet ist.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens eine quer zu seiner Längsachse (L) verlaufende Nut (5) zur Befestigung des Schneideinsatzes (10) an einem Werkzeughalter.
Schneideinsatz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Nut (5) beidseitig von parallel zur Nut verlaufenden Erhebungen (6) begrenzt ist.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er als Wendeschneidplatte ausgebildet ist.
Schneideinsatz nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendeschneidplatte mit zwei bis vier Schneidkörpern (3) ausgestattet ist.
Schneideinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximaldurchmesser des Schneidkörpers (3) 4 ± 0,05 mm bis 10 ± 0,05 mm beträgt.
Verwendung des Schneideinsatzes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Einstechen oder Kopierdrehen, insbesondere mit hoher Drehgeschwindigkeit.
Verwendung nach Anspruch 14 zum Einstechen oder Kopierdrehen von Leichtmetallwerkstücken, insbesondere von Werkstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen.