DE4419393A1

DE4419393A1 - Werkzeug für Umform- und Zerspanungsvorrichtungen und Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Werkzeugs

Info

Publication number: DE4419393A1
Application number: DE4419393A
Authority: DE
Inventors: Stefan Zamel; Holger Luethje; Georg Ketteler; Heinz Prof Dr Dimigen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1995-12-07
Also published as: EP0685297B1; EP0685297A1; FI110357B; FI952616A0; DE59508025D1; ATE190888T1; FI952616A

Description

Die Erfindung betrifft Werkzeuge für umformende und zerspanende Techniken, sowie ein Verfahren zur Her stellung eines solchen Werkzeugs. Bei Umform- und Zerspanungsvorrichtungen kommt dem Werkzeug eine zen trale Bedeutung zu. Es ist die kurzlebigste Komponen te einer Produktionsanlage und sein routinemäßiges Auswechseln verursacht Stillstandzeiten und Kosten. Diese erhöhen sich zusätzlich bei vorzeitigem Ausfall eines Werkzeugs. Eine Analyse der Entwicklung in der zerspanenden Fertigung läßt erkennen, daß zunehmend härtere Werkstoffe mit geometrisch bestimmter Schnei de zu bearbeiten sind und aus ökonomischer Sicht müs sen extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden. Für die Werkzeuge bedeutet dies, daß der Be trieb an der oberen Leistungsgrenze notwendig ist, wodurch das Risiko des Werkzeugbruchs, der auch heute schon ein großes Problem darstellt, noch erhöht wird. Zur exakten Einhaltung der qualitätsbestimmenden Maß- und Formgenauigkeit ist eine genaue Kenntnis des ak tuellen Verschleißzustandes des Werkzeugs erforder lich.

Die Leistungsgrenze der Werkzeuge wird durch zwei Faktoren bestimmt, nämlich einerseits durch die Warm härte des Schneidstoffs bzw. der Beschichtung, ande rerseits durch den Widerstand gegen abrasiven Ver schleiß. Eine direkte Messung von den wesentlichen Kennwerten an den exponierten Kontaktflächen der Zer spanwerkzeuge ist bisher nicht möglich, da die in diesen Bereichen wirkenden Kräfte eine Anwendung dis kreter Sensorelemente verbieten. Der Stand der Tech nik in der Prozeßüberwachung und -regelung bei spa nenden Verfahren läßt sich dadurch beschreiben, daß derzeit mit großem Aufwand versucht wird, durch Mes sung der Zerspankraftkomponenten und des Körper schallsignals Rückschlüsse auf den Verschleiß zu zie hen. Diese Vorgehensweise stößt in der Praxis jedoch häufig auf Probleme, da eine eindeutige Korrelation zwischen den gemessenen Größen und dem Verschleiß oft nur mit hohem Aufwand herzustellen ist. Darüber hin aus muß mit jedem neuen Werkzeug ein Lernschnitt durchgeführt werden, bei dem der Signalpegel festge halten wird. Ein verschleißbedingter Anstieg der Si gnalamplitude wird dann auf den Startwert bezogen. Erreicht die Signalhöhe einen vorher festgelegten Wert, so wird das Standzeitende erkannt. Dieses Ver fahren hat unter anderem den Nachteil, daß die Signalpegel nur bei identischer Bearbeitung vergli chen werden können. Darüber hinaus muß neben dem ak tuellen Wert stets der gelernte Kennwert zum Ver gleich zur Verfügung stehen, was einen erheblichen Aufwand für die Datenverwaltung erfordert.

Auch das Problem der automatischen Brucherkennung ist bislang nicht hinreichend gelöst worden. Da auch Brü che nur auf indirektem Weg erfaßt werden können, tre ten in der Praxis häufig Fehlmeldungen auf, die zu einer mangelhaften Akzeptanz der installierten Über wachungssysteme führen.

Es ist bekannt, Werkzeuge zu beschichten, beispiels weise werden Hartstoffschichten aus Titannitrid schon seit längerem mit relativ gutem Erfolg als Ver schleißschutzschicht für Zerspanwerkzeuge eingesetzt. Zur Anwendung kommen überwiegend Schichten im Dicken bereich von ca. 3 µm bis 7 µm und sie werden hauptsäch lich auf Wendeschneidplatten, Bohrern, Fräsern und in geringem Umfang auf Gewindebohrern eingesetzt. Weite re Hartstoffsysteme sind in der Entwicklung, bei spielsweise Hard-Coatings aus TiAlN und Chromnitrid sowie verschiedene Nitride, Boride, Oxide und Karbide für spezielle Anwendungen. Von besonderem Interesse sind direkt auf die Werkzeuge aufgebrachte Diamant schichten, allerdings nur für die Bearbeitung von Nicht-Eisen-Metallen und Schichten aus kubischem Bor nitrid (c-BN). Da c-BN eine mit Diamant vergleichbare Härte aufweist und die Bearbeitung von Stahl erlaubt, ist dieses Material gerade für den Werkzeugbau von großer Wichtigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug für Umform- und Zerspanungsvorrichtungen zu schaffen, das die Möglichkeit der Messung von wichti gen Prozeßkenngrößen in unmittelbarer Nähe der Werk zeugoberfläche bzw. der Schneide ohne die Notwendig keit von Lernschnitten zur Verfügung stellt, dessen Haltbarkeit und Standzeit jedoch nicht nachteilig beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß Sensoren zur Messung von Temperatur und/oder des Verschleißes in Dünnschichttechnik mit der Funktionsschicht/Verschleißschutzschicht des Werkzeugs zu einer beschichtungstechnologisch inte grierten Schichtfolge vereinigt werden, können bei umformenden und zerspanenden Werkzeugen die wesentli chen Prozeßgrößen (Temperatur, Verschleiß und Kraft) direkt an der Werkzeugschneide gewonnen und zur Rege lung der Umform- oder Zerspanungsprozesse verwandt werden. Dadurch lassen sich intelligente Systeme schaffen, indem eine Regelung von Prozeßparametern, wie Schnittgeschwindigkeit oder Vorschub mittels wis sensbasierter Rechnersysteme unter Zuhilfenahme bei spielsweise von Fuzzy-Logik-Modulen durchgeführt wird.

Ein weiterer Vorteil bietet sich bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Werkzeuge in der Trockenbear beitung, da mit Hilfe der integrierten Sensoren ein optimaler Einsatz an der thermischen Belastungsgrenze ermöglicht wird. Dadurch würde die Verwendung von Kühlschmierstoffen entfallen, wie infolge der zum Teil toxilogisch sehr bedenklichen Additive mit gro ßem Aufwand entsorgt werden müssen.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines als Drehmeißel ausgebildeten Werkzeugs entsprechend der vorliegenden Erfin dung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf ein als Wende schneidplatte ausgebildetes Werkzeug mit Temperatur- und Verschleißsensoren nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3a bis 3c Schnittdarstellungen des Schichtauf baus der Wendeplatte nach Fig. 2, und

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Wendeplatte mit Multifunktionssensor.

In Fig. 1 ist ein Drehmeißel 1 dargestellt, der einen mit der Schneidkante versehene Schneidplatte 2 auf weist. Schematisch ist an der Schneidplatte 2 ein Sensor 3 dargestellt, der in Dünnschichttechnik als Zwischenschicht aufgebracht ist und unter einer Ver schleißschutzschicht, wie später näher beschrieben wird, liegt. Während der Zerspanvorgangs mit einem solchen Werkzeug treten an der Schneidplatte 2 bzw. an ihrer Schneidkante Verschleißerscheinungen auf, die sich je nach Belastungsart und -dauer unter schiedlich stark ausbilden. Die Schneidplatte ver schleißt auf der Freifläche 4 (Freiflächenverschleiß) und auf der Spanfläche 5 (Kolkverschleiß). Daher wer den vorzugsweise in diesem Bereich, wie angedeutet, Sensoren entsprechend Sensor 3 vorgesehen. Der Sensor 3 ist mit Leiterbahnen 6 verbunden, die an den jewei ligen Übergängen Kontaktierungen 7 aufweisen und mit einer Schaltung 8 verbunden sind. Diese Schaltung dient der Vorverarbeitung bzw. der Auswertung der Sensorsignale und ist in der Nähe des Sensors 3 an dem Werkzeug 1 bzw. dessen Halterung angebracht. Vor zugsweise ist die Schaltung 8 als Mikroschaltung aus gebildet. Die Schaltung 8 ist über Verbindungsleitun gen mit einer Steuer- und Regelschaltung verbunden, die abhängig von den Sensorsignalen die jeweiligen Parameter der das Werkzeug 1 aufweisenden Maschine steuert bzw. regelt, wobei diese Parameter beispiels weise die Schneidgeschwindigkeit oder der Vorschub oder dergleichen sein können.

In Fig. 2 ist eine Teilansicht an der Wendeschneid platte 9, die bei einem Drehmeißel verwendet wird, gezeigt. Auf dieser Wendeplatte sind Temperatursenso ren 10 und eine Verschleißsensoranordnung 11 in Form von Leiterbahnen bzw. Widerstandsschichten aufge bracht. Die Temperatursensoren 10 weisen beispiels weise einen mäanderförmigen Abschnitt 12 auf, die mit ihren einen Anschlüssen über Verbindungsleitungen 13 jeweils mit Kontaktflächen 14 verbunden sind und mit ihren anderen Anschlüssen an eine gemeinsame gleich falls mit einer Kontaktfläche 14 verbundenen An schlußleitung 15 angeschlossen sind. Die Verschleiß sensoranordnung 11 besteht aus einer Anzahl von ne beneinanderliegenden Leiterbahnen 16, die einerseits jeweils an Kontaktflächen 14 liegen und andererseits gleichfalls an die gemeinsame Anschlußleitung 15 an geschlossen sind. Die Kontaktflächen 14 stehen mit einer Verarbeitungsschaltung entsprechend Schaltung 8 in Fig. 1 in Verbindung. Die Temperatur an dem Ort der Temperatursensoren 10 wird über die Änderung des Widerstands an den mäanderförmigen Abschnitten 12 aufgrund der bei der Bearbeitung auftretenden Erwär mung erfaßt. Der Verschleiß der Wendeschneidplatte 9 an den Schneidkanten wird über die Leiterbahnen 16 festgestellt, die unterbrochen werden, wenn der Ver schleiß mit längerer Bearbeitungsdauer fortschreitend zunimmt. In gleicher Weise kann ein Bruch der Platte festgestellt werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel könnte bei spielsweise die Kontaktierung der Kontaktflächen 14 über eine entsprechende Kontaktflächen aufweisende Befestigungsschraube erfolgen, die mit Leiterbahnen versehen ist, um die Signale weiterzuleiten. Es ist auch denkbar, daß die Verarbeitungsschaltung in der Mitte der Wendeschneidplatte als Mikrochip angeordnet ist und direkt mit den Kontaktflächen verbunden ist.

In Fig. 3a bis 3c wird die Herstellung einer Wende schneidplatte mit integrierten Sensoren beschrieben. Als Substrat dient eine handelsübliche Wendeschneid platte 17 aus einem Hartmetall oder einem Cermet, die eine Dicke im Bereich von 3 bis 5 mm aufweist. Die Wendeschneidplatte 17 weist eine glatte Oberfläche auf. Vor dem Beschichten wird die Wendeschneidplatte mit einem alkalischen Reinigungsbad entfettet und in deionisiertem Wasser gespült und getrocknet und in eine mechanische Maske 18 eingespannt. Die Beschich tung erfolgt in einer bekannten Sputteranlage. Nach dem Einbau der Substrate wird auf 10^-5 mbar evakuiert, ein Ionenätzschritt zur Vorreinigung der Substrate durchgeführt, wobei gleichzeitig ein Freisputtern der Targets erfolgt. Es wird zunächst eine Ti-TiO_x Gradientenschicht zur Verbesserung der Haftung mit einer Dicke von 10 nm als Zwischenschicht 19 aufgebracht, worauf die Abscheidung einer TiO₂-Isola tionsschicht 20 folgt. Auf die Isolationsschicht wird eine weitere Zwischenschicht 21 aus Titan abgeschie den. Zwischenschichten 19 und 21 und Isolations schicht 20 weisen eine Gesamtdicke von 1,5 µm auf.

In einem nächsten Teilprozeß wird zur Herstellung einer Leiterbahnschicht 22 eine Molybdänschicht mit einer Dicke von 1 µm aufgestäubt. Die Ätzung der Lei terbahnen wird unter Anwendung üblicher lithographi scher Methoden durchgeführt, wobei die Wendeschneid platte mit einem Photoresist mit Hilfe eines Spin Coaters belackt, im UV-Kontaktverfahren mit Hilfe einer Cr-Maske belichtet und in einem alkalischen Entwickler entwickelt wird. Anschließend wird in ei ner Ätzanlage die Mo-Schicht strukturiert.

Entsprechend Fig. 3b wird anschließend eine thermo resistive Schicht durch Sputtern aufgebracht, die aus einer Gradientenhaftschicht als Zwischenschicht 23 und einer Widerstandsschicht 24 aus Mo besteht, die in einer Dicke von 100 nm aufgesputtert wird. Die thermoresistive Schicht 24 wird wiederum mit den üb lichen lithographischen Methoden wie oben struktu riert, so daß die Thermosensoren die gewünschte Form erhalten. Mit Hilfe der Mäandergeometrie und der Bahnbreite wird ein Widerstand von ca. 100 Ω reali siert.

Entsprechend Fig. 3 wird eine weitere Isolations schicht aus TiO₂ 25 aufgebracht, wobei gleichfalls eine Gradientenhaftschicht vorgesehen wird, die je doch in Fig. 3c ebenso wie die zweite und dritte Zwi schenschicht nicht dargestellt ist. Als letztes wird die Verschleißschutzschicht 26 aus TiN in einer Dicke von 5 µm aufgesputtert.

Diese beschriebene Schichtfolge wird nur als Beispiel angegeben, selbstverständlich können zusätzliche Schichten und eine andere Schichtfolge vorgesehen werden und in gleicher Weise kann ein anderes Materi al verwendet werden. Beispielsweise kann als Isola tionsschicht ein Bornitrid Bn verwendet werden und die Verschleißschutzschicht kann gleichfalls als cBN- Schicht ausgebildet sein.

Ein Herstellungsprozeß für ein derartiges Ausfüh rungsbeispiel ist wie folgt. Die Wendeschneidplatte (wie oben) als Substrat wird gereinigt, entfettet und in eine 4-Target-Sputteranlage eingebaut, die auf <2×10^-5 mbar evakuiert wird. Die Targets und die Sub strate werden durch Ionenätzung bei geschlossenem Shutter gereinigt. Anschließend wird eine Gradienten schicht aus TiBN und eine Isolationsschicht aus BN(C) aufgestäubt. Dies wird in einer DC-Magnetron Sputter anlage bei 4×10^-3 mbar Totaldruck durchgeführt, wobei ein TiB2 Target (Gradientenschicht) und ein B4C-Tar get (Isolationsschicht) reaktiv mit unterschiedlichen N2/Ar Gasmischungen gesputtert werden. Anschließend wird eine Leiterbahnschicht aus Mo mit einer Schicht dicke von 1 µm hergestellt, die lithografiert und strukturiert wird. Die thermoresistiven Sensorelemen te werden durch Sputtern von Mo in einer Schichtdicke von 100 nm, Fotolithografie und Strukturierung durch reaktive Ionenätzung hergestellt. Daraufhin wird eine Gradientenhaftschicht und eine Verschleißschutz schicht durch Sputtern aufgebracht. Hierzu wird das Werkzeug in eine HF-Diodensputteranlage eingebaut, die mit einer Frequenz von 13,56 MHz betrieben wird.

Das Target besteht aus B4C. Der Substrathalter wird ebenfalls mit einem HF-Bias betrieben. Nach einem Freisputterprozeß für das Target und einem kurzen Ionenätzschritt zur Substratreinigung wird eine Ar/N2 Gasmischung von 50% N2 in den Rezipienten eingeleitet und bei einem Gasdruck von 20 × 10^-3 mbar eine nano kristalline c-BN Schicht auf das Werkzeug aufge stäubt. Die Leistung am Target beträgt 1 KW, am Sub strat wird eine HF-Leistung von 250 W bei einer Bias- Spannung von 500 V angelegt. Die Beschichtungstempe ratur beträgt ca. 300 °C. Unter diesen Bedingungen bildet sich eine harte Verschleißschutzschicht aus, die neben der kubischen BN-Phase nur noch geringe Anteile von hexagonalem BN und ca. 5% Kohlenstoff vermutlich in karbidischer oder sp3-Bindung enthält. Der Vorteil einer Verschleißschutzschicht aus c-BN oder Diamant besteht mit Blick auf die Integration von Dünnschichtsensoren darin, daß gegenüber den leitfähigen Ti-basierenden Hartschichtsystemen eine Isolationsschicht entfallen kann.

In Fig. 4 ist eine weitere Aufsicht auf eine Wende schneidplatte 27 dargestellt, bei der eine Kombina tion von Temperatur- und Verschleißsensoren ("Multifunktionssensor") vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform sind die mäanderförmigen Abschnitte 12 der Temperatursensoren in die Leiterbahnen 16 der Verschleißsensoranordnung integriert, so daß keine zusätzlichen Leiterbahnen für die Temperatursensoren vorgesehen werden müssen.

Selbstverständlich können weitere Sensoren in den Werkzeugen integriert sein, die direkt als Schicht ausgebildet sind oder an dem Werkzeug z. B. an der Unterseite oder der Halterung vorgesehen werden. So kann beispielsweise ein Kraft- und/oder Biegesensor als piezoelektrische Schicht aufgebracht werden oder als Dehnungsmeßbrücke ausgebildet werden. Auch sind Vibrationssensoren denkbar, so daß eine Vielzahl von Einflußgrößen erfaßt werden können.

Claims

1. Werkzeug für Umform- und Zerspanungsvorrichtun gen, das in eine Halterung eingespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf seine Oberfläche oder als Zwischen schicht mindestens ein Sensor in Dünnschicht technik aufgebracht ist, der als die Temperatur des Werkzeugs erfassender Temperatursensor (3, 10) und/oder als Verschleißsensoranordnung (11) ausgebildet ist und mit einer Verarbei tungsschaltung (8) verbindbar ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Sensor in Form von einer Wider standsschicht aufgebracht ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die Verschleißsensor anordnung (11) eine Mehrzahl von im Verschleiß bereich des Werkzeugs mit Abstand zueinander angeordnete Widerstandsbahnen (16) aufweist, die über mindestens eine Rückführleitung (15) je weils mit der Verarbeitungsschaltung verbindbar sind.

4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Verschleißsensor anordnung (11) und der mindestens eine Tempera tursensor (10) als Widerstandsbahnen kombiniert sind.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4 beste hend aus einem Grundkörper (17) aus Hartmetall oder Cermet, einer auf den Grundkörper aufge brachten Isolationsschicht, mindestens einer strukturierten Widerstandsschicht, die die Tem peratur- und/oder Verschleißsensoren bilden, einer weiteren Isolationsschicht und einer dar auf aufgebrachten Verschleißschutzschicht.

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Isolationsschicht aus TiO₂, Al₂O₃, h-BN oder dgl. und die Verschleißschutzschicht aus TiN, TiAlN, TiCN, c-BN oder Diamant oder dgl. bestehen.

7. Werkzeug nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, daß zwischen Isolations schicht und Grundkörper eine Gradientenschicht z. B. aus TiO_x angeordnet ist.

8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungs schaltung als Mikrochip ausgebildet ist, die an dem Werkzeug oder der Halterung angeordnet ist und mit den Sensoren verbunden ist.

9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß zusätzlich Kraft- und/oder Biegesensoren als ferroelektrische oder piezoresistive Schichten vorgesehen sind.

10. Vorrichtung zur Regelung von Umform- und Zerspa nungsprozessen mit einer Umform- und Zerspa nungsvorrichtung, die ein in einer Halterung eingespanntes Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, und mit einer Steuer-Regel schaltung, die über eine mit den Sensoren des Werkzeugs verbundene Verarbeitungsschaltung Tem peratur- und/oder Verschleiß- und/oder Kraftsi gnale empfängt und abhängig von diesen Signalen die Parameter der Umform- und Zerspanungsvor richtung wie Geschwindigkeit, Vorschub oder der gleichen steuert bzw. regelt.

11. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkzeugs, gekennzeichnet durch folgende Schrit te:

a) Vorreinigen eines Substrats durch Ionenät zung,
b) Aufbringen einer Gradientenschicht aus TiO_x und einer ersten TiO₂-Isolationsschicht auf das Substrat durch ein Sputterverfahren,
c) Aufbringen einer Ti, Mo oder W enthaltenden Leiterbahnschicht mit dem Sputterverfahren,
d) Aufbringen einer Maske entsprechend den gewünschten Leiterbahnen und Kontaktflächen und Ätzen der nicht durch die Maske abge deckten Leiterbahnschicht,
e) Aufbringen einer thermoresistiven Schicht aus Mo oder dergleichen durch Sputtern,
f) Strukturieren der thermoresistiven Schicht entsprechend Schritt d),
g) Aufbringen einer zweiten TiO₂-Isolations schicht entsprechend Schritt b), und
h) Aufbringen einer Verschleißschutzschicht aus TiN durch Sputtern.

12. Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkzeugs, gekennzeichnet durch folgende Schrit te:

a) Vorreinigen eines Substrats durch Ionenät zung,
b) Aufbringen einer Gradientenschicht aus TiBN und einer Isolationsschicht aus BN(C),
c) Aufbringen einer Ti, Mo oder W enthaltenden Leiterbahnschicht,
d) Strukturieren der Leiterbahnschicht,
e) Sputtern einer thermoresistiven Schicht aus Mo oder dgl. Materialien,
f) Strukturieren der thermoresistiven Schicht,
g) Aufbringen einer Gradientenhaftschicht und einer Verschleißschutzschicht aus c-BN durch Sputtern.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrattempera tur während der Schichtherstellung im Bereich von 100°C bis 700°C liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen und thermoresistive Schicht zur Stabilisierung ge tempert werden.