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Die Erfindung betrifft ein rotierendes Zerspanungswerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Steigerung der Produktivität, Flexibilität, Fertigungsqualität und Wirtschaftlichkeit moderner Produktionseinrichtungen hat im wesentlichen der Einsatz numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen beigetragen. Durch die vielfältigen Möglichkeiten der Steuerungstechnik und Informationsverarbeitung sind Maschinenkonzepte entstanden, die für den Einsatz in automatischen Fertigungssystemen geeignet sind. Derartige Fertigungssysteme enthalten in der Regel Werkzeug- und Werkstückspeicher, automatische Wechseleinrichtungen und integrierte Meßstationen, so daß die vom Maschinenführer durchzuführenden manuellen Tätigkeiten auf ein Minimum reduziert sind. Sensoren zur Überwachung von Maschinenfunktionen und Prozeßzuständen, wie Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch sichern den automatischen Fertigungsablauf. Um die volle Leistungsfähigkeit derartiger Werkzeugmaschinen ausnutzen zu können, müssen parallel zur Werkzeugmaschinenentwicklung auch entsprechende Werkzeuge zur Verfügung gestellt werden, die eine Verlängerung der Standzeit und eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten erlauben, so daß die Fertigungszeiten auf ein Minimum reduzierbar sind. Bei modernen Bearbeitungsverfahren muß aber nicht zwangsweise die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit im Vordergrund stehen, sondern es kann bei bestimmten Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei der Bearbeitung von Leichtmetallen angestrebt werden, auf Kühl- und Schmiermittel zu verzichten oder zumindest deren Einsatz zu reduzieren und dafür eine reduzierte Schnittgeschwindigkeit Inkauf zu nehmen.
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Bei Werkzeugen mit geometrisch bestimmten Schneiden, wie beispielsweise Bohrer, Fräser, Reibahlen, Gewindebohrer, Senker etc. werden bevorzugterweise hochlegierte Werkzeugstähle, Hartmetalle, d. h. Sinterwerkstoffe aus metallischen Hartstoffen, wie beispielsweise Cermet, Schneidkeramik, monokristallinem Diamant, polykristallinem Diamant, polykristallinem Bornitrid etc. als Schneidstoffe verwendet.
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Des weiteren sind Werkzeuge bekannt, bei denen die Verschleißfestigkeit der Werkzeuge noch durch Beschichten mit Hartstoffschichten, wie beispielsweise Titannitrid, Titancarbid und Aluminiumoxid erhöht wird.
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Die ständige Weiterentwicklung der Werkzeugmaschinen und der Einsatz neuartiger Verfahren, wie beispielsweise der Trockenbearbeitung, bei der die Werkstücke ohne den Einsatz von Kühl-/Schmiermitteln bearbeitet werden oder der Bearbeitung mit reduzierten Kühlmittelmengen und das Streben nach immer kürzeren Fertigungszeiten stellen an die Werkzeuge Anforderungen hinsichtlich der Standzeiten und maximal erreichbaren Schnittgeschwindigkeiten, denen herkömmliche Werkzeuge nicht in vollem Umfang genügen können.
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Die
DE 37 30 377 A1 und die
DE 37 30 378 A1 betreffen ein Bohrwerkzeug, bei dem in der Arbeitsschneide Spanbrechernuten ausgebildet sind. Diese Spanbrechernuten können sich entlang der Freifläche oder entlang der Spannut erstrecken. Durch diese bekannten Spanbrechernuten wird die Arbeitsschneide in eine Vielzahl von Arbeitsschneiden-Elemente unterteilt, die beabstandet zueinander sind. Durch diese Vielzahl von Arbeitsschneiden-Elementen wird die Breite des Spanes reduziert, so daß mehrere schmale, parallel nebeneinander liegende Späne erhalten werden, wobei jeder Teilspan durch ein Arbeitsschneiden-Element ausgebildet wird. Die Spanbrechernuten selbst nehmen am eigentlichen Schneidvorgang nicht teil.
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Zur Standzeitverlängerung trägt ebenfalls die Beschich tung der Werkzeugoberfläche bei. Eine entsprechende Beschichtung ist in der Druckschrift
DE 195 11 829 A1 zu entnehmen, in der das Werkzeug mit einer Schicht versehen wird, deren Härte geringer ist als die des Schneidenwerkstoffes.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Schneidwerkzeug zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine verbesserte Standzeit bei höherer Schnittgeschwindikgeit oder reduzierten Kühl-/Schmiermittelmengen zuläßt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch die Maßnahme, in der Spannut und in der Freifläche eine oder eine Vielzahl von Rillen bzw. rillenförmigen Ausnehmungen auszubilden, entsteht eine wellenförmige Hauptschneide, die dem Spanbruch begünstigt, so daß ein Entstehen langer Fließspäne verhindert wird, die den Arbeitsablauf, z. B. bei automatischen Werkzeugmaschinen stören und die Späneentsorgung erschweren. Bei den entstehenden kurzen Bröckelspänen ist eine hohe Oberflächengüte bei leichter Entsorgbarkeit der Späne gewährleistet. Des weiteren erleichtert die Rille wellenförmige Hauptschneide bei der Naßbearbeitung die Zuführung von Kühl- und Schmiermitteln zum Schneidbereich des Werkzeugs, so daß dessen Standfestigkeit erhöht wird und die Späneabfuhr weiter erleichtert ist.
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Die Zerspanungsleistungen und Standzeiten eines derartigen Werkzeugs sind denjenigen herkömmlicher Werkzeuge überlegen, auch wenn die Werkstücke trocken oder mit verminderter Kühlmittelzufuhr bearbeitet werden.
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Im Fall, daß die Schneide an der Stirnseite des Schneidteils, wie beispielsweise bei Bohrern, Stirnfräsern, Senkern etc. ausgebildet ist, werden die Ausnehmungen vorteilhafterweise als Kreis- oder Spiralabschnitte auf der Freifläche ausgebildet, die etwa konzentrisch zur Schneidwerkzeugachse angeordnet sind.
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Die Spanbildung und die Kühl- und Schmiermittelzufuhr lassen sich weiter verbessern, indem jeder Rille eine Ausnehmung zugeordnet ist, so daß die Ausnehmung praktisch in Verlängerung einer Rille verläuft.
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Bei besonderen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, die Rillen oder Ausnehmungen nur über einen Teilbereich der Spannut bzw. der Freifläche auszubilden.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Breite und die Tiefe der Rillen und/oder der Ausnehmungen zwischen 0.2–2 mm beträgt.
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Die Standzeit des Schneidwerkzeugs läßt sich noch weiter verlängern, indem das Werkstück mit einer Schicht versehen wird, die eine geringere Härte als der Schneidenwerkstoff aufweist. Durch das Aufbringen der Gleitschicht wird das Gleiten des Spans beim Zerspanungsvorgang verbessert, so daß die Bildung einer Aufbauschicht verhindert oder zumindest verringert und die Standzeit des Werkzeugs erhöht werden. Es sind bereits einige Beschichtungsverfahren zum Aufbringen von Verschleißschichten auf Schneidwerkzeugen bekannt, so daß auf eine diesbezügliche Beschreibung verzichtet wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die weiche Gleitschicht auf einer verschleißfesten Grundschicht aufgebracht wird, die ihrerseits auf dem Grundkörper des Schneidwerkzeugs aufgetragen wurde, so daß dieses mit zwei Schichten versehen ist.
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Um einen optimalen Zerspanungsvorgang zu gewährleisten, wird die weiche Gleitschicht nicht im Bereich der Schneide ausgebildet.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Grundkörper des Schneidwerkzeugs aus HSS, Hartmetall, Cermet oder Keramik hergestellt ist, die verschleißfeste Schicht aus TiN, TiAlN, TiCN, Diamant oder ähnlichem besteht und die Gleitschicht Sulfide, Selenide, Telluride, wie z. B. MoS2, NbS2, TaS2, WS2, MoSe2, NbSe2, TaSe2, WSe2, MoTe2, NbTe2, WTe2 oder Mischverbindungen davon enthält.
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Je nach Anwendungsfall wird es bevorzugt, die Grundschicht in einer Dicke von 1–10 μ und die Gleitschicht in einer Dicke von 0,01–5 μ aufzubringen, während die Härte der Grundschicht zwischen 2000–10000 HV betragen sollte und die Schmierschicht eine Mohs-Härte von 1–2 haben sollte.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Darstellung des Schneidteils eines Spiralbohrers;
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2 eine schematische Draufsicht auf eine Spitze eines Bohrwerkzeugs;
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3 eine dreidimensionale Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges;
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4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Spanbildung bei einem erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug;
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5 ein Diagramm, in dem ein herkömmliches Schneidwerkzeug einem erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug gegenübergestellt ist und
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6 ein Diagramm, in dem ein herkömmliches Schneidwerkzeug einem mit einer Gleitschicht versehenen Schneidwerkzeug gegenübergestellt ist.
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In 1 ist das Schneidteil 2 eines Spiralbohrers 1 dargestellt. Dieser hat zwei spiralförmige Spannuten 4, 5, die sich entlang des Schneidteils 2 bis zur Bohrerspitze 6 erstrecken. Jede Hauptschneide 8, 9 ist an einem Schneidkeil ausgebildet, der einerseits durch eine Freifläche 10 und andererseits durch eine Spanfläche 12 der Spannut 5 gebildet ist.
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Des weiteren sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel in der Freifläche 10 rillenförmige Ausnehmungen 14 ausgebildet, die sich konzentrisch von der Hauptschneide 8 (9) hin zur Hinterkante 16 der Freifläche erstrecken.
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In jeder Spannut 4, 5 ist eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Rillen 18 ausgebildet, deren Achse etwa parallel zur Achse der Spannut 5 (4) angeordnet ist, d. h. die Rillen 18 erstrecken sich ebenfalls spiralförmig um die Achse 20 des Bohrers 1. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zur Ausbildung der Rillen 18 und der Ausnehmungen 14 sei auf die 2 und 5 verwiesen.
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Wie weiterhin in 1 mit strichpunktierten Linien angedeutet ist, ist der Bohrer 1 und insbesondere das Schneidteil 2 mit einer Gleitschicht 20 beschichtet, die allerdings nicht im Bereich der Hauptschneiden 8, 9 ausgebildet ist. Die Gleitschicht 20 enthält vorzugsweise Sulfide, Selenide, Telluride, wie z. B. MoS2, NbS2, TaS2, WS2, MoSe2, NbSe2, TaSe2, WSe2, MoTe2, NbTe2, WTe2 oder Mischverbindungen davon. Beim Auftragen dieser Gleitschicht 20 wurden die strichpunktiert angedeuteten Bereiche der Spitze 6 durch ein geeignetes Material abgedeckt, so daß die Hauptschneiden 8, 9 durch härteres Material gebildet sind. Hinsichtlich weiterer Details zu der Gleitschicht 20 sei auf die folgenden 3 und 6 verwiesen.
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2 zeigt eine schematisierte Draufsicht auf die Spitze 6 des Bohrers 1, wobei lediglich die Flächen der Bohrerspitze 6 dargestellt sind, während die außerhalb der Zeichenebene umlaufenden Nebenschneiden des Bohrers weggelassen wurden.
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Wie aus dieser Darstellung hervorgeht, begrenzen die beiden Spannuten 4, 5 ebenso die beiden Freiflächen 10, wie sie in der Darstellung nach 2 einerseits durch die Hauptschneiden 8 bzw. 9 und andererseits durch die Hinterkanten 16 begrenzt werden. Die radial außenliegende Begrenzung der Freiflächen 10 erfolgt durch die Nebenschneiden 22 und die Nebenfreiflächen 24. Die beiden Hauptschneiden 8, 9 sind durch die Querschneide 26 miteinander verbunden, die durch die Achse 27 des Bohrers 1 verläuft. Auf jeder Freifläche 10 sind, wie bereits vorstehend erwähnt, die Ausnehmungen 14 eingearbeitet, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel als Kreis- oder Spiralabschnitte ausgebildet sind, die konzentrisch zur Achse 27 des Bohrers 1 ausgebildet sind. Die in 2 dargestellten Kreislinien stellen jeweils den Boden einer Ausnehmung 14 dar. Gemäß 2 sind des weiteren in den Spanflächen der Spannuten 4, 5 (senkrecht zur Zeichenebene) die Rillen 18 ausgebildet, die sich etwa senkrecht zur Zeichenebene entlang den Spannuten 4, 5 erstrecken. Sowohl die Rillen 18 als auch die Ausnehmungen 14 haben einen etwa wellenförmigen oder U-förmigen Querschnitt, so daß die Hauptschneiden 8, 9 wellenförmig ausgebildet werden. Die Tiefe und Breite der Rillen 18 und/oder der Ausnehmungen 14 beträgt je nach Einsatzfall etwa zwischen 0.2–2 mm.
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Die eingangs erwähnte Gleitschicht 20 ist im Bereich der Hauptschneiden 8, 9 nicht ausgebildet, so daß lediglich die Bereiche zwischen der strichpunktierten Linie in 2 und den Hinterkanten 16 der Freiflächen 10 mit der Gleitschicht 20 bedeckt sind.
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Bei besonderen Anwendungsfällen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Gleitschicht 20 auf die Schneiden 8, 9 zu erstrecken.
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Durch die wellenförmige Ausbildung der Spanflächen 12 der Spannuten 4, 5 und der Freiflächen 10 wird das Zuführen von Kühl-/Schmiermittel – falls diese verwendet werden – hin zu den Hauptschneiden 8, 9 erheblich verbessert, so daß der Verschleiß des Bohrers 1 erheblich verringert werden kann oder aber eine Reduktion der Kühlmittelmenge erfolgen kann. Des weiteren führt die wellenförmige Struktur der Spannut zu einem früheren Spanbruch, so daß sich – wie bereits eingangs erwähnt – vergleichsweise kurze Bröckelspäne ausbilden, die eine hohe Oberflächengüte bei einer guten Abführbarkeit gewährleisten.
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Die Überlegenheit dieses sogenannten ”Rillenanschliffs” gegenüber den herkömmlichen Anschliffen ist in 5 verdeutlicht. Darin ist ein Standwegvergleich zweier Spiralbohrer dargestellt, von denen der eine mit einem Normalanschliff, d. h. mit einer ebenen Freifläche und einer ebenen Spanfläche oder Spannut versehen war, während das Vergleichswerkzeug mit dem erfindungsgemäßen Rillenanschliff an den Spannuten 4, 5 und den Freiflächen 14 versehen war. Mit beiden Bohrern wurde ein Werkstück aus 42CrMo4V bearbeitet, wobei beide Bohrer nicht mit der vorgenannten Gleitschicht 20 versehen waren. Beide Spiralbohrer hatten – abgesehen vom Rillenanschliff – identische geometrische Abmessungen und wurden mit der gleichen Schnittgeschwindigkeit vc, dem gleichen Vorschub f und der gleichen Schnitttiefe ap betrieben.
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Wie aus der 5 entnehmbar ist, läßt sich allein durch Vorsehen des Rillenanschliffs gegenüber herkömmlichen Werkzeugen der Standweg ganz erheblich verbessern, so daß die Standzeiten und maximal erzielbaren Schnittgeschwindigkeiten der erfindungsgemäßen Werkzeuge insbesondere bei der Trockenbearbeitung oder bei der Bearbeitung mit reduzierter Kühl-/Schmiermittelmenge denjenigen herkömmlicher Werkzeuge überlegen sind.
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In 3 ist eine dreidimensionale Darstellung eines Bohrwerkzeuges dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber, die Rillen 18 in den Spannuten 4, 5 im Bereich der Hauptschneiden 8, 9 gestrichelt angedeutet sind. Die Ausnehmungen 14 in den Freiflächen 10 sind lediglich strichpunktiert angedeutet, da anhand der 3 die erfindungsgemäße Beschichtung des Bohrers 1 verdeutlicht werden soll.
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Dessen Grundkörper kann beispielsweise aus herkömmlichem HSS-Stahl hergestellt werden, wobei entweder der gesamte Bohrer oder, wie in 3 angedeutet, lediglich das Schneidteil 2 mit einer harten Grundschicht 26 versehen werden. Diese Grundschicht 26 kann beispielsweise aus einem harten keramischen Material, wie TiN, TiAlN, TiCN oder aus Diamant etc. bestehen.
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Die Grundschicht 26 erstreckt sich bis hin zu den Hauptschneiden 8, 9, wobei in 3 die die Grundschicht 26 andeutende Schraffur im Bereich der Hauptschneiden 8, 9 nicht vorgenommen wurde.
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Auf der Grundschicht 26 ist die bereits erwähnte Gleitschicht 20 ausgebildet, die in 3 durch eine graue Schattierung angedeutet ist. Diese Gleitschicht 20 ist vorzugsweise auf Sulfid-, Selenid- oder Tellurid-Basis hergestellt und weist somit gewisse Schmiereigenschaften auf, die im folgenden noch näher erläutert werden. Die Gleitschicht 20 erstreckt sich nicht über das gesamte Schneidteil 2 sondern endet in einem Abstand vor den Hauptschneiden 8, 9, so daß diese durch die harte, verschleißfeste Grundschicht 26 gebildet sind. D. h., der eigentliche Schneidbereich des Bohrers 1 ist mit der harten Grundschicht 26 bedeckt, die beispielsweise eine Vickershärte von etwa 2000–10000 HV aufweisen kann, während die sonstigen Flächen des Schneidteils 2, die nicht unmittelbar zum Zerspanungsvorgang beitragen, mit der vergleichsweise weichen Gleitschicht 20 bedeckt sind, die beispielsweise eine Mohs-Härte von 1–2 aufweisen kann.
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In besonderen Fällen kann die Gleitschicht 20 auch direkt auf dem Grundkörper aufgebracht werden, so daß dieser selbst die Grundschicht bildet.
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Zur Verdeutlichung des Effekts dieser Gleitschicht 20 ist in 4 eine Schnittdarstellung einer Schneide 28 eines Schneidwerkzeuges beim Zerspanungsvorgang dargestellt. Durch die Vorschubbewegung in Pfeilrichtung wird von einem Werkstück 30 ein Span 32 abgetrennt, wobei die Schneide 28 in dem Bereich, in dem die eigentliche Zerspanung des Werkstücks 30 erfolgt, durch die harte, verschleißfeste Grundschicht 26 gebildet ist. Der Span wird entlang der Spanfläche 12 abgeführt und bewegt sich somit auf der gestrichelt angedeuteten Gleitschicht 20, die aufgrund ihrer Gleitwirkung (MoS2...) das Rutschen des Spanes entlang der Spanfläche 12 unterstützt. Dadurch wird das Abführen des Spanes aus dem eigentlichen Zerspanungsbereich unterstützt, so daß einerseits der Span und somit auch Wärmeenergie schnell vom Werkstück abführbar ist, andererseits wird der Spanflächenverschleiß durch den besonderen Aufbau, d. h. harte Grundschicht 26 im Schneidenbereich und weiche Gleitschicht 20 im Abführbereich der Spannuten 4, 5, minimiert, und der Bildung einer Aufbauschneide vorgebeugt.
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Des weiteren wird durch die Ausbildung der Gleitschicht 20 an der Freifläche 10 des Werkzeugs, dessen Reibung mit der bearbeiteten Fläche 34 des Werkstücks 30 minimiert, so daß auch der Freiflächenverschleiß im Bereich der Schneiden auf ein Minimum reduzierbar ist. Somit läßt sich durch das Vorsehen der Gleitschicht 20 der Verschleiß des Werkzeuges gegenüber herkömmlichen Werkzeugen ohne Gleitschicht 20 ganz wesentlich verringern.
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Derartige Werkzeuge sind somit ganz besonders vorteilhaft bei der Trockenbearbeitung oder bei der Bearbeitung mit reduzierter Kühlmittelmenge von Leichtmetallen (Aluminium/Magnesium-Legierungen) anwendbar, die in der Automobil- und Flugzeugindustrie zunehmende Bedeutung erlangt. Durch den Verzicht auf oder die Reduzierung von Kühl- und Schmiermittel lassen sich einerseits erhebliche Investitionskosten einsparen, andererseits stellt die Wiederaufbereitung oder Entsorgung derartiger Kühl-/Schmiermittel ein Problem dar, das angesichts strenger Auflagen des Gesetzgebers ebenfalls einen zunehmend wichtiger werdenden Kostenfaktor darstellt.
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Die Überlegenheit beschichteter Werkzeuge gegenüber unbeschichteten Werkzeugen läßt sich anhand der in 6 dargestellten Vergleichsversuche verdeutlichen. Diese Versuche wurden mit einem TiAlN-beschichteten Spiralbohrer durchgeführt, wobei die Versuche mit identischen Zerspanungsparametern (Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Schnittiefe) durchgeführt wurden. Die in 6 links dargestellte Versuchsreihe wurde an einem Werkstück aus AlSi9 durchgeführt, wobei mit demjenigen Werkzeug, das mit einer harten Grundschicht und einer weichen Gleitschicht versehen war (H + W) nahezu eine Verdreifachung des Standwegs erzielbar war.
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Das gleiche Ergebnis wurde auch bei einer Al-Legierung mit höherem Siliziumanteil (AlSi18) erzielt, wobei zwar aufgrund der schlechteren Zerspanbarkeit dieses Materials insgesamt niedrige Werte erzielt wurden, das beschichtete Werkzeug jedoch bei ansonsten gleichen Versuchsbedingungen einen erheblich längeren Standweg aufwies.
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Das heißt, durch das Vorsehen der weichen Gleitschicht auf einer harten Grundschicht oder einem harten Grundkörper eines Werkzeuges lassen sich die Standzeit und damit auch die maximal möglichen Schnittgeschwindigkeiten gegenüber herkömmlichen Werkzeugen wesentlich verbessern. Optimale Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das Werkzeug, wie in den 1 und 3 dargestellt, sowohl mit einem Rillenanschliff als auch mit einer weichen Gleitschicht versehen wird, wobei es in Einzelfällen vorteilhaft sein kann, nur eine der beschriebenen Verbesserungen (Rillenanschliff oder Gleitschicht) allein vorzusehen.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei Bohrwerkzeugen beschränkt, sondern der erfindungsgemäße Rillenanschliff und/oder die erfindungsgemäße Gleitschicht lassen sich auch bei anderen Schneidwerkzeugen, vorzugsweise mit geometrisch bestimmter Schneidfläche anwenden.
