DE4009994A1

DE4009994A1 - Schneidorgan fuer drehbearbeitung von holz

Info

Publication number: DE4009994A1
Application number: DE19904009994
Authority: DE
Inventors: Katsuaki Soga; Takao Kawai; Yoshihiro Ozawa
Original assignee: Kanefusa Corp
Current assignee: Kanefusa Corp
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1990-10-04
Also published as: JPH0669681B2; JPH02252501A

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug, welches geeignet ist zur Verwendung beim Ausführen von ebenem Schneiden oder Gestalt- bzw. Formbearbeitung von Holz mittels einer Drehbearbeitung des Holzes, bei welcher es an einer Maschine, beispielsweise einer Hobelmaschine, einer Formmaschine oder einer elektrischen Hobelmaschine befestigt ist.

Auf dem Gebiet der Werkzeuge zum Schneiden von Stahl ist es bekannt, ein Schneidwerkzeug, welches beispielsweise aus Carbidhartmetall oder einem Schnellstahl gebildet ist, mit Titaniumnitrid oder Titaniumcarbid zu beschichten. Hierfür wird das sogenannte physikalische Dampfniederschlagungsverfahren (PVD-method) verwendet, insbesondere die Ionenplattierungstechnik, da dieses Verfahren frei von Verunreinigungsproblemen sowie für Massenproduktion geeignet ist und Überzüge bzw. Beschichtungen guter Haftfestigkeit erhalten werden können bei einer Behandlungstemperatur von 300 bis 500°C. Demgemäß wird diese Beschichtungstechnik vorteilhaft angewendet beim letzten Schritt der Herstellung von Schneidwerkzeugen für das Schneiden von Stahl, die nicht nur aus Carbidhartmetall gebildet sind, sondern auch aus Werkzeugstählen, die eine Vergütungs- bzw. Tempertemperatur von höher als mehrere hundert Grad C erfordern, wie beispielsweise Schnellstahl und ein hochchromlegierter Stahl.

Es wurden bereits Untersuchungen durchgeführt hinsichtlich der Anwendung der obigen Beschichtungstechnik auf dem Gebiet von Holzschneidwerkzeugen. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, die bekannte Beschichtungstechnik direkt bei Schneidwerkzeugen für Holzbearbeitung zu verwenden, jedoch wurden bis jetzt zufriedenstellende Ergebnisse nicht erhalten, wie es in den nachstehend angegebenen Literaturstellen angegeben ist:

(1) Eber Kirbach et al, "Sägespitzen mit Selbstschärfungscharakteristiken", 8. Holzbearbeitungsseminar, Abstracts, Wood Industry, Seite 40, April 1986

Diese Literatur lehrt, daß beim Sägen von Holz mittels einer Kreissäge mit Spitzen aus Carbidhartmetall eine Selbstschärfungscharakteristik erhalten werden kann durch Beschichtung der Schneidfläche der Carbidhartmetallspitze als Substrat mit Al₂O₃-TiC (mittels des chemischen Dampfniederschlagungsverfahrens). Es wird jedoch weiterhin gelehrt, daß die erzielten Selbstschärfungscharakteristiken praktisch nicht zufriedenstellend sind und daß ein Substrat verwendet werden sollte derart, daß die Abnutzungsgeschwindigkeit des Substrats synchron zu derjenigen der Beschichtungslage ist.

(2) M. S. Sulonen, "Performance of TiN-Coated Tools in Wood Cutting", Surface and Coatings Technology, 33C, Seiten 141 bis 151, 1987

In dieser Literaturstelle ist eine TiN-Beschichtung auf einem Carbidhartmetall und einem Schnellstahl diskutiert. Es wird gelehrt, daß, wenn TiN in einer Dicke von 0,7 bis 1,0 µm auf Spitzen aus Carbidhartmetall aufgebracht wird (Ionenplattierungsverfahren), der Abrieb der Schneidfläche um 50% verringert werden kann, wenn Hartfaserplatten oder Preßplatten geschnitten werden, daß jedoch kein Effekt erhalten wird beim Schneiden einer Spanplatte oder Holzspanplatte, von Pappe oder Karton und Schichtholz oder Sperrholz. Es wird auch gelehrt, daß, wenn Fichte oder Tanne geschnitten wird mittels eines in ähnlicher Weise beschichteten Schneidwerkzeugs aus Schnellstahl, der Abrieb bzw. die Abnutzung der Schneidfläche um etwa 20% verringert werden kann im Vergleich zu einem unbehandelten Schneidwerkzeug. In jedem Fall wird jedoch kein wesentlicher Effekt erzielt.

(3) Kaoru Banshoya et al., "Abrasion Characteristics of TiN- Coated High Speed Steel Bits", Proceedings of 38th Meeting of Japanese Wood Association, 1988.

Diese Literaturstelle lehrt, daß wenn eine Beschichtung von TiN mit einer Dicke von etwa 2 µm auf die Flächen von geschlitzen Mittelstreben von Schnellstahlbits bzw. Schnellstahlbohrern gebildet wird (mittels des Ionenplattierungsverfahrens) und Melapi, Fichte, Tanne, eine halbharte Platte und Schichtholz oder Sperrholz gebohrt wird, das Fortschreiten der Abnutzung nicht wesentlich verschieden ist von demjenigen, welches bei Verwendung unbehandelter Bits oder Bohrer bzw. Bohrspitzen beobachtet worden ist, und es wird die Schlußfolgerung gezogen, daß im Fall von Holzbehandlungsbohrspitzen gute Ergebnisse, wie sie auf dem Gebiet des Metallschneidens erzielt werden, nicht erhalten werden können.

Auch auf dem Gebiet der Holzbearbeitung sind bedingungsfreie automatische Arbeitsvorgänge und Bearbeitungen hoher Präzision und hoher Wirksamkeit erwünscht, und von Schnellstahlschneidwerkzeugen wird zu Carbidhartmetallschneidwerkzeugen und von nachzuschärfenden Schneidwerkzeugen zu Wegwerf-Schneidwerkzeugen mit auswechselbarer Klinge übergegangen. Es ist hierbei erforderlich, das Verhältnis der Schneidwerkzeugkosten zu den Gesamtherstellungskosten zu verkleinern. Weiterhin ist es, um das physikalische Dampfniederschlagungsverfahren, welches für Werkzeuge zum Schneiden von Stahl, für Werkzeuge für das Abscheren von Stahlblech und für Schlitzmesser bei der Papierherstellung wirksam angewendet wird, für Werkzeuge zum Schneiden von Holz wirksam anwenden zu können, erforderlich, eine für diese Anwendung geeignete Beschichtungstechnik zu entwickeln.

Es ist daher ein Hauptzweck der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen, die bei der üblichen Technik vorhanden sind, und ein Schneidwerkzeug für die Drehschneidbearbeitung von Holz zu schaffen, welches mit guter Massenproduktivität und mit verringerten Kosten hergestellt werden kann sowie hohe Leistung und lange Lebensdauer in einem großen Bereich des Schneidens von Holz zeigt.

Gemäß der Erfindung kann dieser Zweck erreicht werden durch Schaffen eines Schneidwerkzeugs für Drehschneiden bzw. Drehbearbeitung von Holz, umfassend ein Schneidwerkzeugsubstrat, welches zusammengesetzt ist aus einem Werkzeugstahl, beispielsweise einem Schnellstahl oder einem hochchromlegierten Werkzeugstahl oder aus Carbidhartmetall und einer Chromnitridschicht, zusammengesetzt aus CrN, Cr₂N oder aus einem Gemisch von CrN und Cr₂N, wobei diese Schicht eine Dicke von 0,5 bis 6,0 µm hat und auf die Flanke oder auf die Schneidfläche des Substrats als Beschichtung aufgebracht ist.

Der Ausdruck "Schneidwerkzeug", wie er zuvor und nachstehend verwendet wird, umfaßt verschiedene Schneidorgane, Schneidklingen, Schneidmesser, Sägen, Bohrer und Bohrspitzen, die für ein Drehschneiden von Holz verwendbar sind, wobei nachstehend anstelle von "Drehschneiden" der Ausdruck "Drehbearbeitung" verwendet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Die Fig. 1A, 1B und 1C sind jeweils ein Querschnittsdiagramm nach der Bearbeitung eines Substrats aus SKH 51, dessen Flanke mit Chromnitrid beschichtet ist, eines Substrats aus SKH 51 ohne Beschichtung bzw. eines Substrats aus SKH 51, dessen Flanke mit ZrN beschichtet ist.

Die Fig. 2C, 2D, 2E, 2F, 2G, 2H und 2I sind Diagramme, in denen die Röntgenstrahlbrechungsintensitäten der Flächen von Chromnitridbeschichtungen an dem Klingensubstrat (SKH 51) zeigen, während Fig. 2A ein Diagramm ist, welches die Röntgenstrahlbrechungsintensität der Fläche einer ZrN-Beschichtung an dem Klingensubstrat (SKH 51) zeigt, Fig. 2B ein Diagramm ist, welches die Röntgenstrahlbrechungsintensität einer VN-Beschichtung an dem Klingensubstrat (SKH 51) zeigt, und Fig. 2J ein Diagramm ist, welches die Röntgenstrahlbrechungsintensität einer unbeschichteten Fläche des Klingensubstrats (SKH 51) zeigt.

Fig. 3A, 3B, 3C und 3D sind jeweils ein Querschnittsdiagramm nach der Bearbeitung eines Substrats aus SKH 51, dessen Schneidfläche mit Chromnitrid beschichtet ist, eines Substrats aus einem hochchromlegierten Werkzeugstahl, dessen Schneidfläche mit Chromnitrid beschichtet ist, eines Substrats aus Carbidhartmetall ohne Beschichtung bzw. eines Substrats aus Carbidhartmetall, dessen Schneidfläche mit Chromnitrid beschichtet ist.

Fig. 4A ist eine Seitenansicht eines Fingerschneidwerkzeugs, Fig. 4B ist eine Ansicht des Fingerschneidwerkzeugs, gesehen von der Seite der Schneidfläche, und Fig. 4C ist eine Schnittansicht nach Linie A-A der Fig. 4B.

Fig. 5A ist eine Seitenansicht des Schneidwerkzeuges zum Bearbeiten von runden Stangen, Fig. 5B ist eine Ansicht dieses Schneidwerkzeugs, gesehen von der Seite der Schneidfläche, und Fig. 5C ist eine Schnittansicht nach Linie B-B der Fig. 5B.

Fig. 6A ist ein Diagramm, welches die Abnutzung an dem Fingerschneidwerkzeug zeigt, welches an der in Fig. 4C dargestellten Flanke keine Beschichtung hat, und Fig. 6B ist ein Diagramm, welches die Abnutzung an dem Fingerschneidwerkzeug zeigt, welches an der in Fig. 4C dargestellten Flanke eine Chromnitridbeschichtung hat.

Fig. 7A ist ein Diagramm, welches die Rauhigkeit der Fläche zeigt, die durch das Schneidwerkzeug in dem Zustand gemäß Fig. 3D bearbeitet worden ist, und Fig. 7B ist ein Diagramm, welches die Rauhigkeit der Fläche zeigt, die durch das Schneidwerkzeug in dem Zustand gemäß Fig. 3C bearbeitet worden ist.

Das Fortschreiten von Untersuchungen, die durchgeführt wurden, um die vorliegende Erfindung zu konzipieren und zu komplettieren, werden zunächst beschrieben. Es wurde gefunden, daß durch Beschichten einer Flanke eines Schneidwerkzeuges bzw. einer Klinge mit einer harten Chromplattierung oder einer Vanadiumcarbidschicht mit dem Schmelzsalzverfahren derartige Selbstschärfungscharakteristiken erhalten werden können, daß die Schneidfläche wahlweise abgenutzt und eine scharfe Schneidkante erneut erzeugt wird, und eine ansehnliche bearbeitete Fläche erhalten werden kann mit langer Lebensdauer (Proceedings of 5th Annual Meeting of Japanese Wood Processing Technique Asssociation). Da jedoch beim Schmelzsalzverfahren die Behandlung bei einer hohen Temperatur im Bereich von 800 bis 1000°C durchgeführt wird, sollten danach ein Abschrecken und ein Tempern durchgeführt werden, und es werden leicht Spannungen erzeugt und die Massenproduktion ist schwierig. Da weiterhin die Hartchromplattierung hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Elektroniederschlagung schlecht ist, und um eine gleichmäßige Plattierungsdichte entlang der gesamten Länge des Schneidwerkzeugs zu erhalten, ist es erforderlich, die Stromdichtenverteilung in Übereinstimmung mit der Konfiguration des Schneidwerkzeuges zu uniformieren bzw. zu vergleichmäßigen. Daher ist die Produktivität oftmals nicht ausreichend. Weiterhin ist, wenn die Hartchromplattierung an einem Substrat aus Schnellstahl, der hohen Abnutzungswiderstand hat, oder an einem hochchromlegierten Werkzeugstahl, der hohen Abnutzungswiderstand und hohen Korrosionswiderstand hat, gebildet wird und senkrechtes Schneiden von Holz unter Verwendung eines solchen Schneidwerkzeuges mit einer Schneidgeschwindigkeit von 50 bis 80 m/min erfolgt, die Abnutzungsgeschwindigkeit der unbeschichteten Fläche höher als diejenige der beschichteten Fläche, wodurch die Selbstschärfungscharakteristiken manifestiert werden. Hierdurch wird ein gewisser Effekt gesteuerter Abnutzung gezeigt. Wenn jedoch das Schneidwerkzeug bzw. die Klinge für Drehbearbeitung verwendet wird bei einer Schneidgeschwindigkeit von 1000 bis 3000 m/min, ist der Effekt der Steuerung der Abnutzung nicht ausreichend.

Bei weiteren Untersuchungen wurde gefunden, daß, wenn Fichte oder Tanne, welches ein in der Praxis benutztes Holz ist, mittels Klingen bearbeitet wird, deren Flanke in einer Dicke von 2 bis 3 µm mit TiN oder TiC unter verschiedenen Bedingungen mittels des physikalischen Dampfniederschlagungsverfahrens beschichtet ist, kein wesentlicher Effekt der Steuerung der Abnutzung erhalten wird bzw. ein solcher Effekt sehr gering ist, so daß eine Verbesserung, durch welche die Oberflächenbehandlungskosten kompensiert werden, nicht erhalten werden kann.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungen wurden weitere Untersuchungen durchgeführt unter Verwendung eines Schnellstahles, eines hochchromlegierten Werkzeugstahles und eines Carbidhartmetalls als das Substrat. Vanadiumnitrid (VN) und Zirconnitrid (ZrN) wurden zuerst als Beschichtungssubstanzen ausgewählt, die beim physikalischen Dampfniederschlagungsverfahren verwendbar sind, und die Flanken der Probeschneidwerkzeuge wurden mit diesen Nitriden beschichtet, und die beschichteten Flächen wurden mittels Röntgenstrahlendiffraktometrie geprüft. Wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt, erscheint eine sehr klare Diffraktionsspitze für ZrN und eine beträchtlich klare Diffraktionsspitze erscheint für VN. Demgemäß wurde bestätigt, daß die gewünschten Substanzen beschichtet worden sind, und dementsprechend wurde der Bearbeitungstest durchgeführt unter Verwendung dieser beschichteten Schneidwerkzeuge. Es ist gefunden worden, daß diese beiden Substanzen kaum einen Abnutzungssteuereffekt wie im Fall von TiN oder TiC erzeugen. Weiterhin wurden die nachstehenden Experimente durch die Erfinder durchgeführt. Chrom in einem Schmelzgefäß wurde in einen Vakuumtank verdampft durch Widerstandserhitzung und es wurde durch einen Heißfaden ionisiert, und N₂ wurde als ein Reaktionsmittelgas eingeführt, und die Flanke einer Klinge, deren Substrat aus SKH 51 bestand und an das eine negative Spannung angelegt wurde, wurde mit Chromnitrid beschichtet. Die beschichtete Fläche wurde dann durch Röntgenstrahlendiffraktometrie geprüft. Dieses Beschichtungsverfahren ist eine Art eines Ionenplattierungsverfahrens mit thermoelektrischer Aktivierung. Deutliche Diffraktionsspitzen für CrN und Cr₂N ergaben sich, wie es in den Fig. 2C und 2D dargestellt ist. Dementsprechend wurde bestätigt, daß die betreffenden Substanzen beschichtet waren, und es erfolgte eine Drehbearbeitung von Fichte oder Tanne unter Verwendung dieser beschichteten Schneidwerkzeuge. Hierbei wurde gefunden, daß die Schneidwerkzeugkante abgenutzt wurde, wie es in Fig. 1A dargestellt ist, und das Chromnitrid zeigte einen guten Abnutzungssteuereffekt.

Als Ergebnis der Untersuchungen wurde somit unerwartet gefunden, daß Chromnitrid, welches eine relativ geringe Härte hat, für die Bearbeitung von Holz wirksamer ist als Titannitrid oder Titancarbid, Vanadiumnitrid und Zirconnitrid, die höhere Härte haben. Es wird angenommen, daß dieser Unterschied in der Wirkung sich ergibt als Folge der Tatsache, daß der mechanische Abnutzungsvorgang beim Bearbeiten von Holz geringfügig ist, während die Verschlechterung der Oberflächenschicht der Schneidkante durch chemische Reaktion, beispielsweise durch Korrosions oder Oxydation, hauptsächlich zum Fortschreiten der Abnutzung beiträgt, so daß nicht nur die Härte, sondern auch die chemische Stabilität, wie Korrosionswiderstand oder Oxydationswiderstand, erforderlich sind, um die Abnutzung der Klinge zu steuern.

Auf der Basis der gefundenen Ergebnisse wurden detaillierte Prüfungen durchgeführt hinsichtlich der Verwendung von Chromnitrid, und die Ergebnisse sind nachstehend angegeben. Dazu sind bekannte Werte der Mikrohärte von verschiedenen Nitriden in der Tabelle 1 als Bezugswerte dargestellt ("Trends of Surface Modifying Treatments", Heat Treatment, Volume 27, Nr. 5).

Härtewerte (Mikrovickershärte) von verschiedenen Nitriden
Substanz
Härte
TiC
2900-3200
TiN	1800-2100
VN	1500
ZrN	1400-1600
CrN	1000-1188
Cr₂N	1522-1629

(1) Beschichtungsverfahren und Zustand von Chromnitrid

Es wurden Klingen beschichtet mit Chromnitrid gemäß dem oben genannten Ionenplattierungsverfahren mit thermoelektronischer Aktivierung, wobei das HCD-Verfahren Verdampfung und Ionisierung von Chrom unter Verwendung einer hohlen Kathodenkanone umfaßt, und das Ionenplattierungsverfahren mit Lichtbogenentladung Verdampfung und Ionisierung von Chrom durch Lichtbogenentladung umfaßt, und ein Bearbeitungstest wurde durchgeführt unter Verwendung dieser beschichteten Klingen. Es wurde gefunden, daß bei jeder dieser beschichteten Klingen die Haftfestigkeit oder Haftstärke der Beschichtungsschicht ausreichend war und ein Abziehen oder Ablösen nicht erfolgte. Es wurde weiterhin gefunden, daß ein guter Effekt hinsichtlich der Steuerung der Abnutzung erreicht wurde bei Klingen, deren Beschichtungen die Röntgenstrahldiffraktionsmuster hatten, wie sie in den Fig. 2C bis 2I dargestellt sind.

Das oben genannte Ionenplattierungsverfahren mit Lichtbogenentladung wurde ausgeführt mittels des Kathodenlichtbogen- Plasmaverdampfung-Anlagerungsverfahren (VACTEC SYSTEM, INC Co.) und des Beschichtungsverfahrens mittels Ionenbindung (Nippon Multiarc Co.). Diese Verfahren werden nachstehend innerhalb der Kategorie von "Ionenplattierung" eingeschlossen.

Proben von den Fig. 2C bis 2I wurden als Cr-N-1 bis Cr-N- 7 bezeichnet, und die gemessenen Abstände d der Gitterebenen der betreffenden Spitzen sind in der Tabelle 2 dargestellt. Das Substrat jeder Probe Cr-N-1 bis Cr-N-6 besteht aus SKH 51, und das Substrat der Probe Cr-N-7 ist ein hochchromlegierter Werkzeugstahl (6,5% Chrom sowie W, Mo und V). Die Spitzenwerte der Diffraktionsmuster des Substrats (SKH 51) allein und der Proben mit VN- und ZrN-Beschichtungen sind ebenfalls in der Tabelle 2 dargestellt. Da Chrom ein Element ist, welches Röntgenstrahlen verhältnismäßig leicht überträgt, zeigen gewisse der Röntgenstrahldiffraktionsmuster der Chromnitridbeschichtungen einer Dicke von 1,5 bis 2,5 µm Diffraktionsspitzen des Substrats, nämlich getemperten Martensit (α -Fe) und ein Primärcarbid wie beispielsweise VC. Die Röntgenstrahldiffraktometrie wurde ausgeführt unter Verwendung von Cu-α 1-Strahlen und die wiederholte kumulative Diffraktion bei 1 bis 5 Wiederholungen wurde ermittelt, und es erfolgte eine graphische Verarbeitung, wie Beseitigung des Hintergrundes und Glätten. Die Anzahl der Wiederholungen der kumulativen Diffraktion ist in jeder der Darstellungen der Fig. 2 angegeben.

Aus Fig. 2 und der Tabelle 2 ist ersichtlich, daß sowohl eine Beschichtung aus CrN oder Cr₂N allein und eine Beschichtung aus einem Gemisch von CrN und Cr₂N zu einem Abnutzungssteuereffekt führt. Da die stärkste Diffraktionsspitze an der Ebene (200) oder (220) im Fall von CrN, bzw. an der Ebene (111) im Fall von Cr₂N auftritt, können das Verhältnis der Bestandteilselemente und der Kristallzustand der Substanz, die als die wirksame Beschichtungssubstanz betrachtet werden kann, in dem CrN- System durch solche Diffraktionsspitzen bestätigt werden.

Als Klingensubstrate können auch ein legierter Werkzeugstahl und ein Kohlenstoffwerkzeugstahl verwendet werden zusätzlich zu dem oben genannten Schnellstahl und dem hochchromlegierten Werkzeugstahl. Da diese Werkzeugstähle hinsichtlich des Abnutzungswiderstandes und des Korrosionswiderstandes gegenüber einem Schnellstahl und einem hochchromlegierten Werkzeugstahl schlechter sind, ist es offensichtlich, daß für diese Werkzeugstähle der Effekt des Steuerns der Abnutzung durch Chromnitrid bei der Bearbeitung von Holz relativ hoch ist. Die Tempertemperatur von 200 bis 300°C ist für diese billigen Werkzeugstähle zweckentsprechend. In Übereinstimmung mit dem PVD- Verfahren kann das Beschichten ausgeführt werden und bei einer Temperatur, welche eine solche zweckentsprechende Tempertemperatur nicht beträchtlich überschreitet, so daß Chromnitrid aufgebracht werden kann ohne wesentliche Verringerung der Härte.

(2) Auswahl der Beschichtungsfläche

(a) Wenn Chromnitrid nur auf die Flanke einer Klinge aufgebracht wird, schreitet bei der Bearbeitung von Holz die Abnutzung derart fort, wie es in Fig. 1A dargestellt ist, und eine scharfe Kante wird wiederhergestellt, so daß eine Selbstschärfungscharakteristik vorhanden ist. Im Gegensatz dazu wird im Fall der unbeschichteten Klinge, wie sie in Fig. 1B dargestellt ist, keine Selbstschärfungscharakteristik erhalten. In dem Fall einer Klinge, deren Flanke mit ZrN beschichtet ist, wie es in Fig. 1C dargestellt ist, kann ein Abnutzungssteuereffekt nicht erhalten werden.

Die Fig. 1A, 1B und 1C zeigen die Zustände von Schneidkanten oder Klingenkanten nach dem Schneiden in einer Drehebene, welches unter den nachstehend angegebenen Bedingungen durchgeführt wurde:

Schneidwerkzeug:
SKH 51 als Klingensubstrat, Flächenwinkel 30°, Schneidkantenwinkel 50°, Freiwinkel 10°
Anzahl der am Schneidwerkzeugkopf befestigten Klingen:	1
zu bearbeitendes Material:	Fichte bzw. Tanne
Schneidgeschwindigkeit:	1963 m/min (Kantenkreisdurchmesser von 125 mm, Drehgeschwindigkeit 5000 U/min
Materialvorschubgeschwindigkeit:	5,0 m/min
Schnittiefe:	0,8 mm

Fig. 1B zeigt eine Klinge ohne Beschichtung. Fig. 1A zeigt eine Klinge mit einer CrN-Beschichtung einer Dicke von 2,0 µm an der Flanke und Fig. 1C zeigt eine Klinge mit einer ZrN- Beschichtung einer Dicke von 2,5 µm an der Flanke. In den betreffenden Figuren ist jeweils die Länge des geschnittenen Materials angegeben.

Wenn Fig. 1B und 1C mit Fig. 1A verglichen werden, ist es ersichtlich, daß als Folge der Chromnitridbeschichtung das Ausmaß des Rückwanderns der Schneidkante verringert ist, daß Abrunden der Schneidkante auf einen Geringstwert gesteuert ist und die Schneidfläche im wesentlichen parallel zur ursprünglichen Schneidfläche gehalten wird, und zwar, ausgehend von der Schneidkante, über einen beträchtlichen Bereich bzw. eine beträchtliche Strecke.

Als profilbearbeitende Schneidwerkzeuge können genannt werden ein Anschlußwerkzeug (junction cutter) zum Ausführen von Verbindung und Anschluß (wie beispielsweise ein Fingerwerkzeug (Fig. 4), ein Seitenverbindungswerkzeug (lateral linking cutter) oder ein Weitergabewerkzeug (tenoning cutter)), ein Anfasungswerkzeug zum Bearbeiten von Haushaltsmöbeln und ein Werkzeug zum Bearbeiten runder Stangen u.s.w. Diese Schneidwerkzeuge haben Umfangsprofile in Übereinstimmung zu den Profilen der zu bearbeitenden Materialien, und sie werden allgemein wiederverwendet durch Schleifen bzw. Nachschleifen ihrer Schneidflächen. Bei diesen Schneidwerkzeugen besteht ein gemeinsames Problem darin, daß, wenn der Seitenfreiwinkel δ, wie er in Fig. 4C dargestellt ist, groß ist, die Änderung des Profils durch Nachschleifen der Schneidfläche groß ist, so daß für δ ein großer Winkel nicht angewendet werden kann. Demgemäß wird bei den üblichen Techniken Flankenabnutzung an dem Bearbeitungs-Steigabschnitt hervorgerufen, was zu einem Abnutzungsprofil führt, wie es in Fig. 6A dargestellt ist. Insbesondere wird, da der Seitenfreiwinkel oder Seitenanstellwinkel negativ ist, die Reibung mit der Schnittfläche des Holzes groß und ein Brennen oder Schmoren oder Schwelen wird an dem zu bearbeitenden Material hervorgerufen. Wenn eine Beschichtung aus Chromnitrid an der Flanke gebildet ist, ist der Abnutzungszustand derart, wie es in Fig. 6B dargestellt ist. Dies bedeutet, daß der Freiwinkel aufrechterhalten wird ohne ein Auswölben des Seitenflächenteils, mit dem Ergebnis, daß ein Brennen oder Schwelen des zu bearbeitenden Materials kaum hervorgerufen wird.

(b) Der Zustand der Schneidkanten gemäß den Fig. 3A, 3B und 3D wurde erhalten, wenn die Schneidflächen der Klingen mit Chromnitrid beschichtet wurden.

Die Bearbeitungsbedingungen waren die gleichen, wie sie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden sind.

Fig. 3A Substrat aus SKH 51, CrN-Beschichtung einer Dicke von 2,0 µm.

Fig. 3B Substrat aus einem legierten Werkzeugstahl mit 8,5% Cr, CrN-Beschichtung einer Dicke von 2,0 µm.

Fig. 3D Substrat aus Carbidhartmetall (JIS K30), CrN- Beschichtung einer Dicke von 2,0 µm.

Bei jeder Probe wurde eine CrN-Beschichtung auf die Schneidfläche aufgebracht, während das Carbidhartmetall (nachstehend einfach als Hartmetall bezeichnet) (JIS K30) gemäß Fig. 3C nicht beschichtet wurde. In jeder Figur ist die Länge des bearbeiteten Materials angegeben.

Wenn Fig. 3A mit Fig. 1B und Fig. 3D mit Fig. 3C verglichen wird, ist ersichtlich, daß, wenn die Schneidfläche mit Chromnitrid beschicht wird, die Rückwanderung bzw. Rezession der Schneidkante verringert wird, und die Flanke wird durch die Reibung mit der Schnittfläche des Holzes ausreichend abgenutzt, und die an der Flankenseite gebildete Abnutzungsfläche wird im wesentlichen parallel zur Tangente des Kreisbogens der Schneidkante gehalten.

Bei ebenem Schneiden wird allgemein eine Mehrzahl (zwei bis vier) von Klingen an einem planaren Kopf angeordnet und, um die Kantenhöhen richtig einzustellen, wird ein Läppschleifstein geringfügig an die Werkzeugkanten gedrückt, während der planare Kopf an einer Planmaschine gedreht wird. Diese Arbeitsweise zum Anordnen der Werkzeugkanten wird als "Honen" bezeichnet. Durch dieses Honen wird die Flanke der Schneidkante in der gleichen Ebene gebildet wie diejenige des Kreisbogens der Schneidkante, und zwar über einen beträchtlichen Bereich vom Kantenpunkt. Es ist bekannt, daß sich in der Praxis keine Schwierigkeit ergibt, wenn dieser Bereich 50 bis 100 µm beträgt. Im Hinblick auf diese Tatsache ist es bequem zu verstehen, daß, wenn die Flanke im wesentlichen parallel zur Tangente des Kreisbogens der Schneidkante abgenutzt wird ohne ein Auswärtswölben des Kreisbogens der Schneidkante, ein guter Bearbeitungszustand aufrechterhalten werden kann. Während die Flanke auf die beschriebene Weise abgenutzt wird, wird die Schneidfläche im wesentlichen im ursprünglichen Zustand gehalten als Folge des Vorhandenseins der Beschichtung.

Es ist wichtig, daß nur die Schneidfläche oder die Flanke mit Chromnitrid beschichtet wird, und, wenn diese beiden Flächen beschichtet werden, eine bevorzugte Abnutzung einer Fläche nicht hervorgerufen wird, so daß eine scharfe Schneidkante nicht aufrechterhalten werden kann. Daher ist es erforderlich, daß eine Beschichtungslage einer vorbestimmten Dicke an einer Fläche und keine Beschichtungslage an der anderen Fläche von der Kantenspitze bzw. vom Kantenpunkt zum inneren Teil oder Abschnitt gebildet wird. Für diesen Zweck kann ein Verfahren angewendet werden, bei welchem nach dem Beschichten eine Fläche geschliffen und geschärft wird, und in dem Fall, in welchem das Beschichten nach dem Schärfen ausgeführt werden muß als Folge von Beschränkungen des Verfahrens zum Herstellen des Schneidwerkzeuges, kann eine gute Beschichtung einer Fläche erhalten werden, indem die nicht zu beschichtende Fläche (unbeschichtete Fläche) an einer Stelle angeordnet wird, die gegenüber der Chromverdampfungsquelle nicht freiliegt, wenn das Schneidwerkzeug an einer Beschichtungseinspanneinrichtung angebracht wird, und indem das Spiel zwischen der Fläche der Einspanneinrichtung und der nicht zu beschichtenden Fläche verringert wird. Selbst wenn ein geringes Wandern von Chromnitrid zu der nicht zu beschichtenden Fläche hervorgerufen wird, ergibt sich praktisch keine Schwierigkeit, wenn die Dicke wesentlich kleiner als die Dicke der Beschichtung auf der Seite der beschichteten Fläche ist. Bei dem PVD-Beschichtungsverfahren (physikalisches Dampfniederschlagen) ist ein Laufen oder Wandern, wie es bei nasser Chromniederschlagung oder beim chemischen Dampfniederschlagungsverfahren beobachtet wird, zu dem nicht freiliegenden Schatten bzw. dem geringen Spiel im wesentlichen nicht hervorgerufen, so daß demgemäß die Maskierung nicht auf die unbeschichteten Flächen erstreckt zu werden braucht. Daher können Wegwerf-Austauschklingen in Massenproduktionsverfahren bequem beschichtet werden.

(3) Dicke der Beschichtung

Es wurde bestätigt, daß, wenn die Beschichtungsdicke des Chromnitrids kleiner als 0,5 µm ist, kein guter Abnutzungssteuereffekt erhalten werden kann. Wenn andererseits die Beschichtungsdicke des Chromnitrids 6 µm zeigt, wird die Zeit lang, die für die Beschichtung erforderlich ist, und ein Brechen oder Reißen wird leicht hervorgerufen durch innere Spannungen in der Beschichtung, so daß die Beschichtung beschädigt werden kann mit dem Ergebnis, daß die Schärfe verschlechtert wird und der Abnutzungssteuereffekt verringert wird. Daher ist es erforderlich, daß die Dicke der Beschichtung des Chromnitrids an einem Schneidwerkzeug für Holzbearbeitung 0,6 bis 6 µm beträgt. Wenn die Dicke der Beschichtung im Bereich von 1,0 bis 3,5 µm liegt, kann bester Ausgleich erhalten werden zwischen dem Abnutzungssteuereffekt und der Schärfe.
"Flächenbearbeitung mittels einer Klinge, umfassend ein Substrat aus Hartmetall (JIS K30) mit einer CrN-Beschichtung an der Schneidfläche".

Die Fig. 7A und 7B zeigen die Rauheit der bearbeiteten Flächen, die festgestellt wurde, wenn die Flächen von Fichtenholztafeln oder Tannenholztafeln aus dem gleichen Baum gegen die Maserung bearbeitet wurden durch Klingen, wie sie in den Fig. 3D und 3C dargestellt sind. Die Rauheit wurde gemessen durch Abtastung über die Jahresringe oder Wachstumsringe. In 7B ist dargestellt, daß die Rauheit als ganzes hoch ist und daß das Bilden von Vertiefungen durch die Bearbeitung gegen die Maserung im Frühholzteil groß ist. Im Gegensatz dazu ist im Fall der Fig. 7B die Rauheit der bearbeiteten Fläche gering und demgemäß gut. Im Hinblick auf das Vorstehende wird bestätigt, daß selbst in einem Fall, in welchem praktisches Hartmetall als Substrat verwendet wird, durch eine Beschichtung mit CrN ein guter Abnutzungssteuereffekt erhalten werden kann. Wird angenommen, daß die Rauheit der bearbeiteten Fläche gemäß Fig. 7B die Grenze für die Lebensdauer des Schneidwerkzeuges darstellt, so beträgt das Lebensdauerverhältnis des beschichteten Werkzeuges gegenüber dem nicht beschichteten Werkzeug 2,5.
"Praktischer Test von Klingen aus einem Substrat SKH 51, bei denen die Schneidfläche oder die Flanke mit CrN beschichtet ist"

Wegwerfklingen aus dem Substrat SKH 51, deren Schneidfläche oder Flanke mit CrN einer Dicke von 2 bis 2,5 µm mittels des Ionenplattierungsverfahrens beschichtet worden war, wurden an einer Hobeltrommel angebracht, wie sie in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 61-1 22 804 offenbart ist, und sie wurden praktischen Bearbeitungstests unterworfen. Die Bearbeitungsbedingungen und die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle 3 dargestellt. Die Tests A, B und C in der Tabelle 3 sind Tests, bei denen Wegwerf-Austauschklingen verwendet wurden, bei denen die Beschichtung auf der Flanke vorhanden war, wobei das Beschichten nach dem Schärfen der Klinge ausgeführt wurde. Die Tests D und E sind Tests, bei denen die Schneidfläche beschichtet und die Flanke dann geschärft wurde. In der Tabelle 3 bedeutet das Lebensdauerverhältnis das Verhältnis der Lebensdauer der Probe zu der Lebensdauer einer üblichen Wegwerfklinge aus SKH 51 ohne Beschichtung. In der Tabelle 3 zeigt die Abnutzungsgestalt der Klingenkante ein typisches Beispiel des Zustandes der Klingenkante am Ende der Lebensdauer bei jedem Test. Die Lebensdauer wurde beurteilt auf der Basis der Rauheit der bearbeiteten Fläche, und, wenn die Abnutzung fortgeschritten war, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, eine Schartenbildung oder Beschädigung der Kante fortgeschritten war und sich ausdehnte und das Eingraben oder Eintreten bei der Bearbeitung gegen die Maserung auffällig wurde, wurde dies als Ende der Lebensdauer beurteilt. In jedem Fall betrug das Lebensdauerverhältnis 3 bis 4. Da das Lebensdauerverhältnis von Schnellstahl zu Hartmetall bei der Bearbeitung von Holz allgemein im Bereich von 1 : 2,5 bis 1 : 5 liegt, wurde bestätigt, daß, wenn ein Schnellstahl als Substrat verwendet und mit Chromnitrid beschichtet wird, eine Lebensdauer erhalten werden kann, die mit derjenigen von Hartmetall vergleichbar ist.

"Verfahren, um den Abnutzungssteuereffekt von Chromnitrid vollständiger zu machen, und Praxis bei der Bearbeitung von Holz"

(1) Um die Haftbeanspruchung zwischen einem Substrat und einer Chromnitridlage zu verringern, wurde eine Unterbeschichtung gebildet aus einer Substanz mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zwischen denjenigen des Substrats und der Chromnitridschicht liegt. Beispielsweise ist in dem Fall, in welchem das Substrat aus SKH 51 besteht und mit CrN beschichtet ist, TiN oder Cr als Unterbeschichtungssubstanz geeignet.

Substanz
Wärmeausdehnungskoeffizient
Stahl
11,5-12 × 10^-6
CrN	2,3 × 10^-6
Cr	8,4 × 10^-6
TiN	9,4 × 10^-6

(2) Um die Festigkeit der Beschichtungslage durch Steuern des Wachsens des Korns von CrN bzw. Cr₂N zu steuern, werden CrN und Cr₂N abwechselnd als jeweils dünne Beschichtung aufgebracht, um die gewünschte Dicke zu erhalten. Alternativ können CrN und CrCN (Chromkohlenstoffnitrid) geschichtet werden. Diese geschichtete Beschichtung kann bequem erhalten werden durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit von gasförmigem N₂ oder durch abwechselndes Einführen von gasförmigem N₂ und gasförmigem CH₄ während des Ionenplattierungsverfahrens. CrCN hat eine Härte ähnlich derjenigen von CrN und hat dem Cr-Element eigenen Korrosionswiderstand und Oxydationswiderstand. Wenn demgemäß CrCN mit CrN oder Cr₂N laminiert wird, wird der Abnutzungssteuereffekt bei dem Schneidwerkzeug zur Holzbearbeitung nicht verschlechtert. Aus dieser Tatsache ist auch zu erkennen, daß, selbst wenn N oder CrN oder Cr₂N teilweise durch C in dem Bereich ersetzt wird, in welchem N größer als C ist, der Abnutzungssteuereffekt sich nicht ändert. In diesem Fall kann die Substanz in üblicher Weise ausgedrückt werden als Cr(C, N) bzw. Cr₂(C, N), wobei jedoch die Kristallform davon von CrN oder Cr₂N ist und ihr Röntgenstrahldiffraktionsmuster nicht wesentlich verschieden ist von den Mustern, die in den Fig. 2C bis 2I dargestellt sind. Demgemäß umfassen CrN und Cr₂N, wie sie oben genannt sind, diejenigen, in denen N teilweise durch C ersetzt ist.

(3) Um es offensichtlich zu machen, daß das Schneidwerkzeug beschichtet ist, kann die nachstehend erläuterte Arbeitsweise abgewendet werden. In dem Fall, in welchem die Schneidfläche eines nachschärfbaren Hobelwerkzeugs mit Chromnitrid (graue Farbe) beschichtet wird und der Benutzer die Flanke schärft, wird beispielsweise, um ein sorgloses Honen der Schneidfläche zu verhindern, wie es üblicherweise oftmals durchgeführt wird, eine Farbbeschichtung, wie TiN mit Gelbgoldfarbe oder CrN mit gelber Farbe, an der obersten Fläche der Beschichtungslage gebildet. Im Fall eines Schneidwerkzeuges, welches nur aus Hartmetall gebildet ist, kann Chromnitrid in Übereinstimmung mit dem chemischen Dampfniederschlagungsverfahren (CVD) aufgebracht werden. Beim CVD-Verfahren können Metalle wie Titan und Chrom im gasförmigen Zustand eingeführt werden. Daher ist das CVD-Verfahren vorteilhaft, weil ein Nitrid eines anderen Metalls bequem laminiert werden kann durch Änderung der Art des eingeführtem Gases.

(4) Die nachstehende Arbeitsweise kann zum Maskieren einer Fläche angewendet werden. In dem Fall, in welchem Chromnitrid als Beschichtung auf die Schneidfläche einer Wegwerf-Auswechselklinge aufgebracht wird, die an der oben genannten Hobelmaschinentrommel angebracht werden soll, welche in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung 61-1 22 804 offenbart ist, kann, wenn die Austauschklinge direkt an einer zylindrischen Einspanneinrichtung oder an einer ebenen Einspanneinrichtung angebracht wird, ein Spiel entsprechend der Dicke (1 bis 2 mm) der Austauschklinge zwischen der Flanke und der Werkzeugfläche gebildet werden. Daher ist in diesem Fall die Beschichtungslage ebenfalls an der Flanke gebildet. Wenn die Einspanneinrichtung einer zweckentsprechenden Profilverarbeitung unterworfen wird, kann dieses Spiel verringert werden und das Beschichten der Flanke kann verhindert werden. Gemäß einer anderen Arbeitsweise wird eine Maskierungssubstanz hauptsächlich auf die Flanke aufgebracht, und zwar vor dem Beschichten, wonach dann die Schneidfläche geschärft und eine vorbestimmte Beschichtung vorgenommen wird. Wenn das Substrat ein Werkzeugstahl ist, wie beispielsweise ein Schnellstahl oder ein hochchromlegierter Werkzeugstahl, wird eine Eisenoxydschicht dann als Maskierung gebildet in Übereinstimmung mit dem Alkalioxydationsverfahren (Schwarzfärbung). Wenn ein Substrat aus Hartmetall verwendet wird, wird Al₂O₃ als Maskierungssubstanz verwendet, und deren Aufbringen kann mittels des CVD-Verfahrens ausgeführt werden.

Das Schneidwerkzeug für Drehbearbeitung von Holz gemäß der Erfindung hat die nachstehend angegebenen Vorteile.

Da das Schneidwerkzeug eine Chromnitridlage aufweist, kann die Verschlechterung der Oberflächenlage der Schneidkante durch chemische Reaktionen wie beispielsweise Korrosion, hervorgerufen durch im Holz enthaltene Komponenten, und durch Oxydation verringert werden.

Chromnitrid hat eine zweckentsprechende Härte zusätzlich zu dem zweckentsprechenden Korrosionswiderstand und Oxydationswiderstand, so daß ein guter Abnutzungssteuereffekt beim Drehschneiden bzw. bei Drehbearbeitung von Holz erreicht werden kann. Da weiterhin die Beschichtung lediglich an einer Fläche in einer Dicke von 0,5 bis 6 µm erfolgt, schreitet die Abnutzung in bevorzugter Weise an der unbeschichteten Fläche dort, während die Abnutzung auf der Seite der beschichteten Fläche gesteuert und ein Abrunden der Schneidkante auf einem Minimum gehalten werden kann. Wenn demgemäß ein Schnellstahl o. dgl. als Substrat verwendet wird und die Flanke oder die Schneidfläche mit Chromnitrid beschichtet wird, kann eine schöne bearbeitete Fläche erhalten werden ohne Flusenbildung, ohne Graviereffekt und ohne Unebenheit bei Bearbeitung gegen die Maserung, und das Schneidwerkzeug hat gute Schärfe und lange Lebensdauer im Vergleich zu Schneidwerkzeugen aus Hartmetall. Weiterhin betragen im Fall eines Schneidwerkzeugs mit einem Substrat aus Schnellstahl die Herstellungskosten einschließlich der Kosten für die Beschichtung etwa die Häfte der Herstellungskosten, die für die Herstellung eines Schneidwerkzeugs aus Hartmetall erforderlich sind, so daß teures Grundmaterial eingespart werden kann. Weiterhin können die Bearbeitungsenergie und das Bearbeitungsgeräusch verringert werden. Weiterhin kann, wenn Hartmetall als Substrat verwendet wird, ein hoher Abnutzungssteuereffekt erhalten werden durch Chromnitrid, so daß in diesem Fall die Lebensdauer weiter verlängert werden kann.

Claims

1. Schneidwerkzeug für Drehbearbeitung von Holz, gekennzeichnet durch ein Substrat aus einem Werkzeugstahl, wie beispielsweise Schnellstahl oder hochchromlegierter Stahl oder Hartmetall, und durch eine Chromnitridlage aus CrN, Cr₂N oder einem Gemisch aus CrN und Cr₂N, wobei die Lage eine Dicke von 0,5 bis 6,0 µm hat und auf die Flanke oder die Schneidfläche des Substrats aufgebracht ist.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Chromnitridlage 1,0 bis 3,5 µm beträgt.

3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbeschichtung an dem Substrat eine Substanz aufgebracht ist, die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der zwischen demjenigen des Substrats und demjenigen der Chromnitridlage liegt.

4. Schneidwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz TiN oder Cr ist.

5. Schneidwerkzeug nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Chromnitridlage durch das Ionenplattierungsverfahren gebildet ist.