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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug mit mindestens zwei eine Oberflächenmikrostrukturierung ausbildenden Schneidplatten.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass keilförmige Schneiden von Schneidwerkzeugen üblicherweise mit verschiedenen Übergangsradien oder -flächen in der Nähe der eigentlichen theoretischen Schneidkante versehen sind. Weitere sogenannte Aktivelemente, die sich auf oder im Bereich der eigentlichen Schneidkante befinden können, sind sog. Spänebrecher, die für eine gute Trennung des abgetragenen Materials an der Trennstelle sorgen und dadurch die Haltbarkeit der Schneidkante erhöhen.
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Heutzutage erhöhen sich die Anforderungen an die Haltbarkeit von Schneidwerkzeugen, was zumeist mit der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen wie etwa Ni-, Ti- und Co-Legierungen zusammenhängt. Deswegen ist es zur Verbesserung einer Haltbarkeit der Schneidwerkzeuge notwendig, neben der Verwendung des richtigen Werkzeugwerkstoffs, der dünnen verschleißfesten Beschichtung und der richtigen Makro- und Mikrogeometrie der Schneidkante auch die thermische und mechanische Belastung des Werkzeugs zu senken.
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Zur Senkung der thermischen und mechanischen Belastung kann gemäß der US-Patentveröffentlichung
US 2014/0212232 A1 eine vollständige Oberfläche einer Werkzeugschneide im Submikronbereich strukturiert werden. Auf Grund der verfügbaren Strukturierungsverfahren ist die finale Struktur allerdings sehr fein und unregelmäßig. Deswegen kann es speziell beim Zerspanen von weichen Materialien wie z.B. von Aluminiumlegierungen zum Verkleben der Oberflächenstruktur kommen, so dass diese dann nicht mehr wirksam ist. Dieses Problem kann speziell dann auftreten, wenn die Schneidkante wegen der Kosteneinsparung einer hohen thermischen und mechanischen Belastung durch hohe Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit, großer Werkstoffabnahme oder sogar mangelhafter bzw. fehlender Kühlung und Schmierung ausgesetzt wird. Die Mikrostrukturierung wird außerdem auch auf der Schneidkante oder in der unmittelbaren Nähe der theoretischen Schneidkante verwendet, was speziell beim Zerspanen von z.B. hochfesten Stählen problematisch ist, weil die Unebenheiten und lokale Kerbeinwirkungen die Zähigkeit der Schneidkante reduzieren, was zur Abbröcklung der Schneidkante führen kann. Die Mikrostrukturierung widerspricht auch dem Trend der perfekten Ausführung der Schneidkante aus der Sicht der Mikrogeometrie, die neben anderen Merkmalen auch durch die Oberflächenrauheit und theoretische Rauheit der Schärfe (Chipping) charakterisiert wird, und in vielen Fällen durch Feinschleifen bzw. Läppen optimiert wird.
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Die Mikrostrukturierung der Oberfläche ist auch aus anderen technischen Bereichen bekannt, z.B. aus der Herstellung von Umformwerkzeugen (Matrizen) gemäß der US-Patentanmeldung
US 2016/0059617 A1 . Solche Mikrostrukturen werden in der Regel durch Lasertechnologien hergestellt, wie z.B. in den Patentdokumenten
WO 2012/019741 A1 ,
DE 10 2012 112 550 A1 oder
DE 10 2010 034 085 A1 beschrieben.
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Eine Aufgabe der Erfindung kann aus diesem Grunde darin gesehen werden, ein Schneidwerkzeug bereitzustellen, welches die genannten Nachteile nicht besitzt oder ein bekanntes Schneidwerkzeug unter weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile zumindest verbessert. Das Schneidwerkzeug soll einen einfachen Aufbau besitzen.
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Die obige Aufgabe wird durch ein Schneidwerkzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die mit der Erfindung bereitgestellte technische Lösung lässt sich wie nachfolgend beschrieben charakterisieren. So betrifft die Erfindung ein Schneidwerkzeug mit mindestens zwei Schneidplatten, die sich in einem Übergangsbereich treffen und hierbei im Übergangsbereich eine Schneide ausbilden. Wenigstens eine der mindestens zwei Schneidplatten bildet auf einer Breitseitenfläche bzw. vorzugsweise außenliegenden Breitseitenfläche eine Oberflächenmikrostrukturierung aus.
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Die technische Lösung bezieht sich auf die Ausführung der Schneiden von Schneidwerkzeugen, womit sowohl Rotationswerkzeuge als auch Linearwerkzeuge, sowohl ganzheitliche Werkzeuge als auch Werkzeuge mit gelötete Schneidplatten bzw. mit auswechselbaren Schneidplatten umfasst sein können, die mit regelmäßiger Oberflächenstrukturierung zur Reduzierung der thermischen und mechanischen Belastung beim Schneidprozess ausgestattet sind.
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Es ist zudem vorgesehen, dass die auf der jeweiligen Breitseitenfläche ausgebildete Oberflächenmikrostrukturierung gegenüber der im Übergangsbereich ausgebildeten Schneide zurückversetzt ist bzw. nicht vollständig bis zur Schneide reicht.
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Es haben sich Ausführungsformen bewährt, bei welchen ein Raster der Oberflächenmikrostrukturierung durch mehrere sich schneidende Mikrorillen gebildet wird, die ein System von Inseln auf der jeweiligen eine Oberflächenmikrostrukturierung ausbildenden Schneidplatte ausbilden. Ein Durchmesser eines via eine Insel definierten Kreises kann größer als 10 µm sein, wobei ein innerer Teil der Insel gegenüber einer Grenze der Insel versenkt und/oder angehoben ist.
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Weiter kann es sein, dass eine Oberfläche wenigstens einer Schneidplatte der mindestens zwei Schneidplatten mit einer verschleißbeständigen Beschichtung versehen ist und dass eine Tiefe der Mikrorillen kleiner ist als eine Dicke bzw. Stärke der Beschichtung.
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Auch ist denkbar, dass wenigstens eine außenliegende Breitseitenfläche der mindestens zwei Breitseitenflächen mit einer Profilierung in Form eines Auslaufs oder einer Nut versehen ist, die einen Spänebrecher bildet.
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Vorstellbar ist, dass zumindest ein Teil einer Oberfläche der Profilierung mit einer Oberflächenmikrostrukturierung versehen ist.
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Es kann sein, dass eine Breite der Mikrorillen größer ausgebildet ist als eine Tiefe der Mikrorillen.
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Weiter haben sich Ausführungsformen bewährt, bei welchen eine Breite der Mikrorillen gleich oder kleiner ist, als eine Tiefe der Mikrorillen.
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Zudem ist denkbar, dass ein Durchmesser des via eine Insel definierten Kreises größer ist als eine Breite der Mikrorillen.
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Das Prinzip der technischen Lösung kann daher in der Verwendung mindestens einer keilförmigen Schneidkante auf einem Werkzeug gesehen werden, deren Oberfläche mikrostrukturiert ist. Bei dem Werkzeug kann es sich um ein ganzheitliches Werkzeug, um ein Werkzeug mit gelöteten Schneidplatten oder um ein Werkzeug mit auswechselbaren Schneidplatten handeln. Es kann sich um ein Rotationswerkzeug oder um ein Linearwerkzeug handeln. Eine Stirnfläche bzw. Breitseitenfläche der Schneidkante kann in bevorzugten Ausführungsformen durch eine ebene Fläche oder durch eine 3D-Fläche (Teil einer Schraubfläche) gebildet sein. Eine weitere Breitseitenfläche bzw. Rückenfläche kann ebenfalls aus einer Ebene oder einer 3D-Fläche (Teil einer Schraubfläche) bestehen. Ein Übergang in Form einer Schneidkante zwischen diesen beiden Flächen kann durch mindestens eine Facette und/oder mindestens einen Radius ausgebildet sein, wobei diese Fläche im Raum eine theoretische Überschneidungslinie bildet, die sich durch eine Schnittlinie einer gedachten Fortsetzung der mindestens zwei Schneidplatten ergibt.
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Mindestens auf einem Teil der Stirnfläche bzw. Breitseitenfläche und/oder mindestens auf einem Teil der Rückenfläche bzw. weiteren Breitseitenfläche kann sich ein genau definiertes Raster der Oberflächenstrukturierung befinden. Zwischen einem Rand des Rasters und der theoretischen Überschneidungslinie kann sich in dem Übergangsbereich bzw. auch auf einem Teil der Stirn- oder Rückenfläche ein Raster ohne strukturierte Oberfläche befinden. Die Breite dieses Bereichs ist sodann ggf. durch die Entfernung von der theoretischen Überschneidungslinie definiert. Ein wichtiges Merkmal kann sein, dass sich diese Mikrostrukturierung gezielt außerhalb des Übergangsbereichs (Schnittkante) der Schneide befindet. Die Schnittkante kann also hochpoliert sein, um eine lange Standzeit der Schneide ohne Entstehung von Kerben und Rissen zu gewährleisten, wodurch im Schneidprozess bei der mechanischen Bearbeitung des Materials eine hohe Qualität der bearbeiteten Oberfläche über eine lange Zeit gewährleistet werden kann.
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Der Raster der Oberflächenstrukturierung kann aus mehreren sich schneidenden Mikrorillen bestehen, die auf der Stirn- und/oder Rückenoberfläche mehrere Inseln bilden. Der Innenkreisdurchmesser der Insel ist hierbei ggf. größer als 10 µm.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann ein innerer Teil einer Insel gegenüber einer Inselgrenze versenkt sein. Dies bringt einen Vorteil durch die Reduzierung der Kontaktfläche zwischen der Stirnfläche auf der Schneidkante und dem Span bzw. der Kontaktfläche zwischen der Rückenfläche der Schneidkante und der bearbeiteten Oberfläche, was letztendlich zur Senkung der Reibkräfte, zur Reduzierung der thermischen Belastung und zur Erhöhung der Werkzeugstandzeit führt. Bei manchen bearbeiteten Materialien kann dadurch sogar die Entstehung der Aufbauschneide auf der Werkzeugstirnfläche vermieden werden, wodurch die Standzeit der Schneidkante und die Stabilität des Schneidprozesses verbessert werden. Ebenfalls wird dadurch eine hohe Qualität der bearbeiteten Oberfläche gewährleistet.
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Für manche Anwendungen kann die Schneidkante mit einer verschleißbeständigen Oberflächenbeschichtung versehen werden, z.B. auf der Basis von Nitriden, Karbonitriden, Oxiden, Kohlenstoff usw. In solchen Ausführungen ist die Tiefe der Mikrorillen geringer als die Dicke der Oberflächenschicht, damit der unbeschichtete Werkzeugwerkstoff, d.h. HSS-Stahl, Hartmetall, Cermet, Schneidkeramik, CBN, polykristalliner Diamant usw. nicht direkt belastet wird.
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Optional kann mindestens ein Teil der Rückenfläche die Form eines Teils der Walzenoberfläche haben. Dies ist besonders bei Schneidkanten von Rotationswerkzeugen günstig, die für finale Bearbeitungen verwendet werden, z.B. bei Reibahlen, bei welchen der walzförmige bzw. walzenförmige Teil der Oberfläche die bearbeitete Fläche kopiert (kalibriert), wenn eine Präzisionsbohrung mit solchem Werkzeug bearbeitet wird.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann die Stirnfläche mindestens mit einer Profilierung in Form von Rillen und Ansätzen versehen werden, die einen sog. Spänebrecher bilden. Der Spänebrecher dient dann zum Brechen und/oder zum Zerkleinern der entstehenden Späne des bearbeiteten Werkstückes. Gleichzeitig hilft er, die Stabilität des Schneidprozesses zu erhöhen und die Schneidkräfte zu reduzieren. Mindestens ein Teil der Profilierung kann ebenfalls mit der bzw. einer Oberflächenmikrostrukturierung versehen werden.
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Abhängig von der konkreten Anwendung, z.B. mit Rücksicht auf die Härte des bearbeiteten Materials, die gewählte Schnittgeschwindigkeit usw., kann es günstig sein, wenn die Breite der Mikrorillen größer ist als die Tiefe. In anderen Anwendungen kann es allerdings vorteilhaft sein, engere Mikrorillen zu verwenden, deren Breite kleiner oder gleich der Tiefe ist.
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Aus der Sicht der hydrodynamischen Parameter bei der Verwendung der Schneidflüssigkeit ist es bei den meisten Anwendungen sinnvoll, wenn der Durchmesser des Innenkreises der Insel größer ist als die Breite der Mikrorillen. Das bedeutet, dass die Mikrorillen relativ schmal sind und die Späne können nicht bis zum Boden der Mikrorillen reichen, wo sie die Reibung erhöhen könnten und ähnliche Verhältnisse wie bei Schneidkanten ohne Mikrostrukturierung herstellen könnten.
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Die beschriebene gezielte Mikrostrukturierung reduziert also die Reibung zwischen dem Span und der Stirnfläche des Schneidwerkzeugs und reduziert bzw. eliminiert das Risiko der Entstehung einer Aufbauschneide durch Mikroanschweißungen auf der Stirnfläche. Die Aufbauschneide und Mikroanschweißungen können den Span bremsen und hierdurch die thermische und mechanische Belastung der Schneidkante erhöhen.
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Durch die Verwendung der richtigen Mikrostrukturierung kann die Standzeit bzw. Haltbarkeit der Schneidkante um einen Faktor 1,2 bis 5 im Vergleich zum konventionellen Werkzeug ohne Mikrostrukturierung erhöht werden. Dies ist dadurch verursacht, dass in den höchstbelasteten Bereichen der Schneidkante die thermische und mechanische Belastung deutlich reduziert werden und der Span durch geringere Reibkräfte einfacher abgeführt wird.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren (Zeichnungen) näher erläutern. Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nun folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel dient und auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen:
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1: Normalschnitt durch die Werkzeugschneidkante einer Ausführungsform eines Schneidwerkzeuges;
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2: Axonometriedarstellung der Ausführungsform einer Schneidkante mit mikrostrukturierter Oberfläche;
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3: Normalschnitt durch eine Ausführungsform der Werkzeugschneidkante mit der Profilierung;
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4: grafische Darstellung einer Möglichkeit der Mikrostrukturierung, wie sie bei diversen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein kann;
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5: Mikroaufnahme der realen Mikrostrukturierung, wie sie bei diversen Ausführungsformen vorgesehen sein kann, und gemäß 4;
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6: Mikroaufnahme der realen Mikrostrukturierung, wie sie bei diversen Ausführungsformen vorgesehen sein kann, und gemäß 4.
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Nachfolgend finden sich zwei unterschiedliche Beispiele für eine Umsetzung der technischen Lösung beschrieben.
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So sieht das nachfolgend beschriebene Beispiel 1 eine technische Lösung vor, bei der auf einem Schneidwerkzeug eine keilförmige Schneidkante hergestellt und mit einer Oberflächenmikrostrukturierung versehen wurde. Das Schneidwerkzeug ist in diesem Fall ein Werkzeug mit auswechselbaren Schneidplatten. Die Schneidkante hat eine ebene Stirnfläche bzw. Breitseitenfläche 1 und eine ebene Rückenfläche bzw. weitere Breitseitenfläche 2.
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Den Übergang 3 in Form einer Schneide zwischen diesen beiden Flächen 1, 2 bildet ein System von Facetten und Radien. Die Flächen 1, 2 bilden im Raum eine theoretische Schnittlinie o der Schneidkante.
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In einem Teil 1 der Stirnfläche und in einem Teil 2 der Rückenfläche befindet sich ein genau definiertes Raster 4 der Oberflächenmikrostrukturierung. Zwischen dem Rand des Rasters 4 und der theoretischen Schnittlinie o befindet sich in dem Übergang 3 auf einem Teil der Stirnfläche 1 und auf einem Teil der Rückenfläche 2 ein Bereich 5 ohne Raster 4 der Oberflächenmikrostrukturierung. Die Breite dieses Bereichs ist durch die Entfernung 6 von der theoretischen Schnittlinie o definiert und beträgt in diesem Fall etwa 10 µm oder auch genau 10 µm.
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Der Raster 4 der Oberflächenmikrostrukturierung besteht aus mehreren sich schneidenden Mikrorillen 7 (vgl. 4), die mehrere Inseln 8 auf der Stirnfläche 1 und auf der Rückenfläche 2 bilden. Der Durchmesser des in der Insel 8 eingeschriebenen Kreises beträgt in diesem Fall 22 µm.
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Der innere Teil 9 bzw. zentrumsnahe Bereich der Insel 8 ist gegenüber der Grenze 10 der Insel 8 versenkt. Die Schneidkante ist mit einer verschleißbeständigen Beschichtung versehen, wobei die Tiefe der Mikrorillen 7 kleiner ist als die Dicke der Beschichtung und in diesem Fall ca. 1 µm beträgt.
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Die Breite der Mikrorillen 7 ist ungefähr siebenmal größer als deren Tiefe. Das bedeutet, dass der Durchmesser des in der Insel 8 eingeschriebenen bzw. Kreises größer ist, als die Breite der Mikrorillen 7.
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Die Beispielsausführung des Beispiels 1 wird in 1 und 2 sowie in den 4 bis 6 dargestellt.
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Weiterhin sieht das nachfolgend beschriebene Beispiel 2 eine technische Lösung vor, bei der auf einem Schneidwerkzeug eine keilförmige Schneidkante hergestellt und mit einer Oberflächenmikrostrukturierung versehen wurde. Das Schneidwerkzeug ist in diesem Fall ein Werkzeug mit auswechselbaren Schneidplatten. Die Schneidkante hat eine ebene Stirnfläche bzw. Breitseitenfläche 1 und eine ebene Rückenfläche bzw. weitere Breitseitenfläche 2. Den Übergang 3 in Form einer Schneide zwischen diesen beiden Flächen 1, 2 bildet ein System von Facetten und Radien. Die Flächen 1, 2 bilden im Raum eine theoretische Schnittlinie o der Schneidkante.
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In einem Teil 1 der Stirnfläche und in einem Teil 2 der Rückenfläche befindet sich ein genau definiertes Raster 4 der Oberflächenmikrostrukturierung. Zwischen dem Rand des Rasters 4 und der theoretischen Schnittlinie o befindet sich in dem Übergang 3, auf einem Teil der Stirnfläche 1 und auf einem Teil der Rückenfläche 2 ein Bereich 5 ohne Raster 4 der Oberflächenmikrostrukturierung. Die Breite dieses Bereichs ist durch die Entfernung 6 von der theoretischen Schnittlinie o definiert und beträgt in diesem Fall 30 µm.
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Das Raster 4 der Oberflächenmikrostrukturierung besteht aus mehreren sich schneidenden Mikrorillen 7, die mehrere Inseln 8 auf der Stirnfläche 1 und auf der Rückenfläche 2 bilden. Der Durchmesser eines in der Insel 8 eingeschriebenen bzw. in der Insel 8 befindlichen Kreises ist in diesem Fall 20 µm.
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Ein Teil der Rückenfläche 2 hat die Form eines Teils der Walzenoberfläche. Die Stirnfläche 1 ist hier mit einer Profilierung 11 in Form einer Nut versehen, die einen Spänebrecher darstellt. Ein Teil der Profilierung 11 ist mit einem Raster 4 der Oberflächenmikrostrukturierung bedeckt. Die Breite der Mikrorillen 7 ist ungefähr siebenfach größer als deren Tiefe. Das bedeutet, dass der Durchmesser des in der Insel 8 eingeschriebenen Kreises größer ist, als die Breite der Mikrorillen 7. Die Beispielsausführung des Beispiels 2 wird in 3 bis 6 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stirnfläche, Breitseitenfläche
- 2
- Rückenfläche, weitere Breitseitenfläche
- 3
- Übergang
- 4
- Raster
- 5
- Bereich ohne Raster
- 6
- Entfernung von der theoretischen Schnittlinie der Schneidkanten
- 7
- Mikrorille
- 8
- Insel
- 9
- Innerer Teil der Insel
- 10
- Grenze der Insel
- 11
- Profilierung
- o
- Theoretische Schnittlinie der Schneidkanten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0212232 A1 [0004]
- US 2016/0059617 A1 [0005]
- WO 2012/019741 A1 [0005]
- DE 102012112550 A1 [0005]
- DE 102010034085 A1 [0005]
