DE4329553C2 - Einmesser-Reibahle - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einmesser-Reibahle gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Einmesser-Reibahlen sind von an sich bekannter Art und dienen zur
Feinbearbeitung von Bohrungen in Werkstücken. Eine besondere Bedeutung kommt
dabei der Führung der Reibahle im Werkstück zu, die mit mindestens einer
Führungsleiste bewirkt wird. Ein Problem besteht dabei darin, daß zufolge der
Reibung der Führungsfläche der Führungsleiste an der Bohrungswand verschiedene
Störeffekte auftreten können, die dann eine Ungenauigkeit der Führung bis hin zu
frühem Verschleiß der Führungsleiste verursachen. Zwar wird der Störeinfluß der
Reibung reduziert, wenn eine Kühlflüssigkeit die Bohrung durchspült, die
üblicherweise Schmierzusätze enthält. Jedoch besteht wegen der aufwendigen
Entsorgung dieser Kühlflüssigkeit das Bestreben, den Zusatzanteil möglichst
weitgehend zu reduzieren. Gegenüber den zunächst üblichen blanken
Hartmetall-Führungsleisten hat man daher Abhilfe gesucht, indem man
Beschichtungen aus Mischkeramik (DE 39 24 998 A1) oder Kunststoff
(DE 40 07 175 A1) und schließlich aus Diamant (DE 42 02 751 A1) vorschlug.
Grundprinzip dieser zum Teil völlig konträren Beschichtungen ist die
Reibungsverminderung einerseits wegen der selbstschmierenden Eigenschaft von
Kunststoff, andererseits wegen der extremen Härte von Diamanten. Außerdem
sollte die Affinität der Beschichtung zum Werkstoff der Werkstücke so reduziert
sein, daß Aufschweißungen des Werkstoffs vermieden werden.
Es hat sich nun gezeigt, daß der erhoffte Effekt insbesondere der
Diamantbeschichtung zwar beispielsweise bei Aluminium-Werkstoffen eintritt, aber
beim Bearbeiten von gehärteten Stahllegierungen nicht. Es besteht nun aber
zunehmend die Tendenz in der Verarbeitenden Industrie Stahlteile nicht erst nach
dem Reiben zu härten, weil dies Formänderungen verursacht, sondern die präzise
Reibbearbeitung der Bohrungen nach dem Härten vorzunehmen. Diese Forderung
kann mit den derzeitigen Führungsleisten-Konzepten nur unzureichend erfüllt
werden, entweder indem die Reibleistung gering ist oder ein hoher
Schmierstoffzusatz erforderlich ist oder ein schneller Verschleiß der
Führungsleisten in Kauf genommen werden muß.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einschneiden-Reibahle der gattungsgemäßen Art
zu schaffen, die eine wirtschaftliche Bearbeitung insbesondere von gehärteten
Stahllegierungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung verwendet entgegen herrschender Auffassung nicht das zur Zeit
härteste Material zur Beschichtung, sondern stellt andere Materialkriterien in den
Vordergrund für die Materialwahl. So hat sich gezeigt, daß CBN trotz der geringeren
Härte als Diamant diesen Aspekt durch eine Reihe anderer Vorteile aufwiegt.
Die Erklärung hierzu stellt sich wie folgt dar: Die Diamantbeschichtung besteht
genau genommen aus Poly-Kristallinem Diamant (PKD) mit kubischem
Kohlenstoff-Gitter (C-Gitter), wobei der Kornverwuchs während der Synthese durch
Lösungsausscheidungen von Kohlenstoff unter diamantstabilen Bedingungen bei
Zuhilfenahme des Lösungsmittelkatalysators Kobalt erreicht wird. Dieses Kobalt
bleibt zwischen den Diamantkörnern eingelagert und verursacht dann bei den bei
der Bearbeitung von Stahl entstehenden hohen Temperaturen in Umkehrung seiner
Funktion als Lösungskatalysator eine Umwandlung des kubischen C-Gitters
(Diamant) in ein hexagonales C-Gitter (Graphit). Es wird also die harte
Diamantschicht abgebaut. Kobalt hat außerdem eine vierfach größere volumetrische
Wärmeausdehnung als Diamant und sprengt daher bei Temperaturen über etwa
800°C die Diamantschicht, in der dadurch Risse entstehen. CBN hingegen ist bis
1200°C chemisch stabil und die Bindematrix wird ohne Katalysator hergestellt. Ein
weiterer Aspekt liegt darin, daß PKD eine etwa dreifache Wärmeausdehnung
gegenüber dem Hartmetall des Grundkörpers aufweist. Sobald punktuell
Temperaturen über 900°C entstehen, führt die stark unterschiedliche Dehnung von
Grundkörper und Beschichtung zu Delaminierungen, was die Gesamtfestigkeit
beeinträchtigt. CBN hingegen hat eine Wärmedehnzahl, die sich nur geringfügig von
der des Hartmetall-Grundkörpers unterscheidet, so daß bis zu einer weitaus
höheren Arbeitstemperatur keine störenden Spannungen zwischen Grundkörper und
Beschichtung auftreten. Ein weiterer Vorteil von CBN liegt in dessen erheblich
geringerer Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu PKD. Somit wird die an der
Führungsfläche durch Reibung entstehende Wärme weniger schnell in den
Grundkörper und dann weiter in den Messerkopf geleitet, sondern bleibt auf die
Berührungszone zwischen der GBN-Schicht und der Bohrungswand konzentriert.
Damit wird der erwünschte Glättungseffekt auf die Bohrungswand verbessert.
Wegen der insgesamt höheren Stabilität und Temperaturbeständigkeit der
CBN-Beschichtung können gehärtete Stahllegierungen in wirtschaftlich
interessanter Weise mit der erfindungsgemäßen Reibahle bearbeitet werden, womit
sich ein wichtiges Anwendungsgebiet erschließt.
Die allgemeine Gestalt (Länge, Breite, Krümmung) von Führungsflächen ist an sich
bekannt und richtet sich unter anderem nach der axialen Länge der Messerschneide
und auch nach den Verhältnissen des Werkstücks. Wenn beispielsweise durch die
zu bearbeitende Bohrung größere Hohlräume angeschnitten werden, existiert in
diesen Sektoren keine Bohrungswand, an der sich die Führungsleisten abstützen
können. Somit müssen die Führungsleisten lang und/oder breit genug sein, um
zumindest an die Randbereiche solcher Sektoren zu reichen.
Bei insgesamt kleineren Führungsflächen ist es zweckmäßig, die gesamte
Führungsfläche gemäß Anspruch 2 zu beschichten. Bei größeren Führungsflächen
kann eine Vollbeschichtung dann erforderlich sein, wenn mit extrem fettarmer
Kühlflüssigkeit gearbeitet werden soll. Bei weniger anspruchsvollen
Betriebsbedingungen hingegen ist eine Teilbeschichtung gemäß Anspruch 3 und 4
ökonomischer. Die Beschichtung wird dann nur dort aufgebracht, wo die
Hauptbelastung stattfindet.
Man kann die Teil-Beschichtung gewissermaßen über die unbeschichtete Fläche
hochstehen lassen, was die Fertigung vereinfacht. Allerdings trägt dann der
unbeschichtete Teil nichts zur Abstützung der Reibahle bei. In der Ausgestaltung
nach Anspruch 5 hat hingegen vorteilhafterweise der unbeschichtete Teil weiterhin
eine Stützfunktion. Hier ist die spezifische Belastung geringer, so daß sich über dem
unbeschichteten Teil ein schützender Flüssigkeitsfilm der Kühlflüssigkeit hält.
Bei der am häufigsten anzutreffenden Bauart von Einmesser-Reibahlen werden zwei
Führungsleisten vorgesehen. Für weniger harte Einsatzbedingungen empfiehlt es
sich aus Kostengründen nur eine Führungsleiste gemäß Anspruch 6 zu beschichten.
Diese unmittelbar auf die Schnittzone folgende Führungsleiste glättet nämlich die
Bohrungswand, so daß die daraufhin an der Bohrungswand gleitende zweite
Führungsleiste schon bessere Anlagebedingungen vorfindet, die auch mit
unbeschichteter Führungsfläche beherrscht werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematisch vereinfachte Stirnansicht einer Einmesser-Reibahle in der
Bohrung eines Werkstücks,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Führungsleiste gemäß einer Ausgestaltung der
Erfindung.
Der allgemeine Aufbau von Einmesser-Reibahlen ist an sich bekannt und braucht
daher nicht im Detail dargestellt zu werden. Generell umfaßt eine
Einmesser-Reibahle einen Messerkopf 11, in dem eine über die Peripherie
vorstehende Messerplatte 12 auswechselbar und vorzugsweise radial justierbar
gelagert ist. Der Messerkopf 11 dreht sich relativ zu einem Werkstück 13 in
Richtung des Pfeiles 14, wobei die Schneide der Messerplatte 12 eine Bohrung 15
bearbeitet. In der Bauart mit zwei Führungsleisten liegt die erste Führungsleiste 16
im ersten Quadranten hinter der Messerplatte 12, zumeist in einer 45° nacheilenden
Position, während die zweite Führungsleiste 17 etwa diametral der Messerplatte 12
gegenüber liegt.
Jede Führungsleiste oder zumindest die Führungsleiste 16, die stellvertretend
näher beschrieben wird, ist wie folgt aufgebaut. Sie besteht aus einem an sich
üblichen Grundkörper 18 aus Hartmetall von allgemein flach prismatischer Gestalt.
Der Grundkörper 18 ist auf dem Messerkopf 11 befestigt vorzugsweise in einer
Haltenut eingelassen. Er wird angelötet oder angeklebt. Die radial auswärts
weisende Flachseite ist dem Durchmesser der Bohrung 15 entsprechend gekrümmt
und bildet eine Führungsfläche 19. Ein Teilbereich 21, der sich etwa über die Hälfte
der Führungsfläche 19 in Bewegungsrichtung 14 gesehen erstreckt, ist in diesem
Beispiel die blankgeschliffene Oberfläche des Grundkörpers 18 oder eine dünne
Hartstoffschicht. Ein in Bewegungsrichtung 14 vorne liegender Teilbereich 22 ist mit
einer Beschichtung aus kubischem Bornitrid (CBN) versehen. Das heißt, die
CBN-Kristalle sind in eine Matrix mit beispielsweise Titancarbid eingebunden, die
an der Oberfläche der Führungsleiste aufgebracht ist. Die zur Außenseite
vorstehenden Kristalle bilden dann die eigentliche Führungsfläche. Falls erwünscht,
kann diese Kristall-Außenfläche mittels einer Diamantschleifscheibe präzise auf die
erforderliche Form und Ebenheit nachgeschliffen und poliert werden. Dies ist ein
weiterer Vorteil der Verwendung eines in der Härteskala nicht an der Spitze
stehenden Materials.
Nicht besonders dargestellt ist eine Variante, wonach der vordere Teilbereich 22
der Führungsfläche 19 als im Radialabstand bezüglich der Bohrerachse
zurückgestufte Teilfläche ausgebildet ist, auf die dann die CBN-Beschichtung
aufgebracht wird. Dadurch wird erreicht, daß die Kristall-Außenfläche stufenlos an
den Teilbereich 21 anschließt. Es können dann beide Teilbereiche 21 und 22
wirksam werden.
Abhängig von der Krümmung der Führungsfläche 19 (die nach an sich bekannten
Kriterien festgelegt wird) relativ zur Bohrung 15 kann die Hauptbelastungszone der
Führungsfläche 19 an verschiedenen Positionen liegen. Es versteht sich, daß die
CBN-Beschichtung sich auf jeden Fall über diese Hauptbelastungszone erstrecken
soll. Die in Fig. 2 dargestellte Lage ist nur beispielhaft. Man kann natürlich auch die
gesamte Führungsfläche 19 einheitlich beschichten.
Wenn vorstehend der Grundkörper 18 als aus Hartmetall bestehend bezeichnet
wird, so steht dieser Ausdruck stellvertretend für Materialien ähnlicher
Eigenschaften. So kann der Grundkörper beispielsweise auch aus CERMET
bestehen. Weiterhin kann der Grundkörper der Führungsleiste einstückig mit dem
Messerkopf ausgebildet werden. Die Unterscheidung Messerkopf - Führungsleiste
ist dann nicht durch eine räumliche Trennung, sondern durch eine funktionelle
Gliederung gegeben.
Der Ausdruck Beschichtung ist ebenfalls nur stellvertretend und der Einfachheit der
Beschreibung wegen gebraucht und umfaßt ebenfalls das Anbringen einer
CBN-Auflage oder Bestückung. Der Unterschied ist, daß eine Beschichtung erst mit
ihrer Fixierung an der Oberfläche des Grundkörpers eine definierte Gestalt erhält,
etwa wie eine aufgesprühte Farbe, während eine Auflage bereits vor der
Anbringung an dem Grundkörper eine für sich stabile Raumform einnimmt,
beispielsweise als Plättchen vorliegt.
Claims (6)
1. Einmesser-Reibahle, mit einem eine Messerplatte und wenigstens eine
Führungsleiste aufweisenden Messerkopf, welche Führungsleiste aus einem
Grundkörper aus Hartmetall mit einer wenigstens einen Teil einer
Führungsfläche der Führungsleiste bildenden Beschichtung besteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung aus Cubischem Bor Nitrid (CBN) besteht.
2. Einmesser-Reibahle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
gesamte Führungsfläche (19) beschichtet ist.
3. Einmesser-Reibahle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur der in
Bewegungsrichtung (14) relativ zu einem Werkstück (13) vorne liegende
Teilbereich (22) der Führungsfläche (19) beschichtet ist.
4. Einmesser-Reibahle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der
beschichtete Teilbereich (22) etwa über die Hälfte der Führungsfläche (19)
erstreckt.
5. Einmesser-Reibahle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung auf eine radial bezüglich der Bohrerachse zurückgestufte
Teilfläche der Führungsleiste (16) aufgebracht ist, so daß die Außenfläche der
Beschichtung stufenlos an den unbeschichteten Teilbereich (21) der
Führungsfläche (19) anschließt.
6. Einmesser-Reibahle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei
Führungsleisten (16, 17) zumindest die in Bewegungsrichtung (14) relativ zum
Werkstück (13) der Schneidplatte (12) unmittelbar nachfolgend angeordnete
Führungsleiste (16) wenigstens über den in Bewegungsrichtung (14) vorne
liegenden Teilbereich (22) ihrer Führungsfläche (19) mit CBN beschichtet ist.
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