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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Werkzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und ein Verfahren zur Herstellung desselben gerichtet. Genauer
ist die vorliegende Erfindung auf Werkzeuge gerichtet, welche bearbeitet
werden, indem mindestens ein Bereich auf mindestens einer Oberfläche des
Werkzeugs verändert
wird, indem der Bereich strukturiert wird, um zum Beispiel die Rückhalteeigenschaft
des Werkzeugs in einer Werkzeughalterung zu verbessern. Das Werkzeug
kann zum Beispiel ein Schneidwerkzeugeinsatz oder ein Spänezerkleinerer
sein. Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung
oder Bearbeitung eines Werkzeugs. Somit können die erfindungsgemäßen Verfahren
bei der Herstellung oder Bearbeitung von Schneidwerkzeugen angewendet
werden, und eine spezielle Anwendung der vorliegenden Verfahren
liegt in der Herstellung von Schneidwerkzeugeinsätzen und/oder Spänezerkleinerern,
welche bei der Bearbeitung von Metallen und anderen Materialien
verwendet werden.
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BESCHREIBUNG
DES HINTERGRUNDS DER ERFINDUNG
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Gegossene,
geschmiedete oder andere Metall enthaltende Vorformen werden oft
einer Bearbeitung unterzogen, um die Vorform in ein Endprodukt der
gewünschten
Form und Größe umzusetzen.
Eine Bearbeitung ist im Allgemeinen als das Verfahren eines Entfernens
von unerwünschtem
Material von einem Werkstück definiert.
Bei einer allgemeinen Ausgestaltung eines Bearbeitungsverfahrens,
welches als eine spanabnehmende Bearbeitung bekannt ist, wird eine
Oberfläche
eines Schneidwerkzeugs in einen festen Kontakt mit einem Werkstück gebracht
und Material von dem Werkstück
in der Form von kleinen Spänen
abgetrennt. Das Schneidwerkzeug kann eine Werkzeughalterung mit
einem Schaft aufweisen, welcher auf einem Maschinenwerkzeug angebracht
sein kann. Ein Schneidwerkzeugeinsatz, wel cher aus einem Material
mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Härte ausgebildet ist, ist entfernbar
auf der Werkzeughalterung befestigt, und der Schneidwerkzeugeinsatz
kann ersetzt werden, wenn er einmal abgenutzt ist. Während des
Bearbeitungsverfahrens ist es wichtig, dass der Schneidwerkzeugeinsatz
sicher sitzt und in einer festen Position in der Werkzeughalterung
gehalten wird. Sogar eine geringe Bewegung des Schneidwerkzeugeinsatzes
während
des Bearbeitungsverfahrens kann zu einer Beschädigung des Einsatzes oder zur
Herstellung eines Materials führen, welches
außerhalb
der gewünschten
Toleranzspezifikationen liegt. Die meisten gefertigten Produkte
enthalten eine oder mehrere Komponenten, welche durch eine Bearbeitung
gefertigt werden, und oft produzieren der Bearbeitungsschritt oder
die Bearbeitungsschritte die Komponenten mit sehr genauen Toleranzen.
Während
ein Bearbeitungsverfahren eins der grundlegendsten und wichtigsten
Verfahren ist, welche bei der Herstellung von Produkten eingesetzt
werden, ist es auch eins der teureren. Daher können sogar moderate Verbesserungen bei
dem Bearbeitungsverfahren wesentliche Kosteneinsparungen ergeben.
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Es
gibt eine Anzahl von grundlegenden spanabnehmenden Verfahren, einschließlich Drehen,
Ausbohren, Formen, Fräsen,
Durchbohren, Sägen,
und Räumen.
Bei einem solchen Verfahren, wie Drehen, können äußere Umfangsoberflächen durch
den Betrieb eines Schneidwerkzeugeinsatzes auf einem sich drehenden Werkstück erzeugt
werden. Typischerweise ist das Werkstück auf einer Drehbank montiert
und dreht sich auf dieser. Beim Drehen ist, wie bei jedem anderen
spanabnehmenden Bearbeitungsverfahren, der Entwurf des Schneidwerkzeuges
bezüglich
der Effizienz, mit welcher Material von dem Werkstück entfernt
werden kann, kritisch. Daher werden jedes Jahr für Forschung und Entwicklung
von verbesserten Schneidwerkzeugen zur Bearbeitung wesentliche Summen
ausgegeben.
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Schneidwerkzeugmaterialien,
welche zur Produktion bei Bearbeitungsverfahren vorherrschend im Einsatz
sind, umfassen Schnellarbeitsstahl, Hartmetalle, Sinterhartmetalle
(wie zum Beispiel oberflächengehärtetes Wolframcarbid),
Cermets (Carbid/Keramik), CBN (kubisches Bornitrid), PCD (polykristalliner
Diamant) und Keramik. Keramik ist ein bevorzugtes Material, welches
im Allgemeinen bei Schneidwerkzeugeinsätzen, welche bei Drehbetrieben
eingesetzt werden, verwendet wird. Es ist eine der in letzter Zeit
am meisten entwickelten Materialklassen. Keramik ist insbesondere
ein vorteilhaftes Material, da es im Allgemeinen eine hohe Härte aufweist,
die gegenüber
einer Oxidation relativ widerstandsfähig ist und daher einen geringen
Werkzeugverschleiß bei
hohen Schneidtemperaturen aufweist. Umso schneller die Schneidgeschwindigkeiten
sind, umso höher
ist die Schneidtemperatur. Daher ermöglichen die Härte-, Oxidations-
und die Verschleißbeständigkeitseigenschaften
von Keramik, dass alle Keramikschneidwerkzeuge bei schnellen Schneidgeschwindigkeiten
verwendet werden während
sie eine lange Haltbarkeit beibehalten, wodurch die Effizienz des
Bearbeitungsverfahrens verbessert wird.
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Heutige
Keramikmaterialien, welche verwendet werden, um Schneidwerkzeugeinsätze herzustellen, basieren
im Allgemeinen entweder auf Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliciumnitrid (Si3N4). Die Herstellung von Keramikabschnitten
im Allgemeinen und Keramikschneidwerkzeugeinsätzen im Besonderen umfasst
das Verschmelzen und Sintern von pulvrigem Material. Es gibt zwei
grundlegende Verfahren zur Herstellung von Keramikabschnitten, Kaltpressen
und Heißpressen.
Beim Kaltpressen wird das pulvrige Material zuerst in einen Grünling (ungesinterter
Körper)
geschmolzen oder gepresst. Der Grünling wird dann durch Heizen
des Körpers auf
eine hohe Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des pulvrigen
Materials gesintert. Der Körper
wird für
eine Zeit bei der hohen Temperatur gehalten, welche ausreicht, um
die pulvrigen Partikel zu schmelzen und den Grünling ausreichend zu verdichten.
Beim Heißpressen
wird das pulvrige Material in einer Form geheizt während ein
hoher einachsiger Druck auf den Körper aufgebracht wird. Eine
heiß gepresste
Keramik weist gewöhnlicher
Weise eine feinere Kör nungsgröße und eine
höhere
Dichte als eine kalt gepresste Keramik auf, was zu einer höheren Härte und
einer längeren
Haltbarkeit führt.
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Obwohl
Keramikschneidwerkzeugeinsätze,
welche aus heiß gepresster
Keramik ausgebildet sind, überlegene
Eigenschaften gegenüber
solchen, welche aus einer kalt gepressten Keramik ausgebildet sind, aufweisen,
werden im Allgemeinen kalt gepresste Keramikeinsätze eingesetzt. Ein Grund für den andauernden
Einsatz von kalt gepressten Keramikschneidwerkzeugeinsätzen ist,
dass eine Formgebung der Keramik beim Kaltpressen wohl einen größeren Grad
einer Flexibilität
beim Entwerfen der äußeren Kontur
der Einsätze bietet.
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Es
sind einige Mittel notwendig, um den Schneidwerkzeugeinsatz auf
der Werkzeughalterung zu halten. In der Vergangenheit sind Schneidwerkzeugeinsätze, welche
durch Heiß-
oder Kaltpressen ausgebildet sind, mit einer durchgehenden Bohrung
entworfen worden, wie es in 4(a) dargestellt
ist. Bei diesem Entwurf ist der Schneidwerkzeugeinsatz 130 in
der Tasche 126 der Werkzeughalterung 120 befestigt,
indem ein Verriegelungsstift 150 durch die Bohrung 132 und
in eine Bohrung 124 in der Werkzeughalterung 120 eingeführt und
mittels eines Gewindes befestigt wird. Da ein großes Materialvolumen
aus einem zentralen Bereich des Schneidwerkzeugeinsatzes 130 entfernt
wird, um für
eine Bohrung 132 zu sorgen, kann die Festigkeit des Einsatzes
verringert sein.
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Bei
einem alternativen Entwurf wird der Schneidwerkzeugeinsatz durch
eine Klemme auf der Werkzeughalterung gehalten. Ein Beispiel dieses
Entwurfs ist in 4(b) dargestellt.
Eine im Allgemeinen L-förmige Klemme 240 befestigt
den Schneidwerkzeugeinsatz 230 an der Werkzeughalterung 120.
Ein Bein 246 der L-förmigen
Klemme 240 ist in einer Bohrung 122 der Werkzeughalterung 120 befestigt,
während
das andere Bein 248 gegen eine freiliegende flache Fläche 232 des
Schneidwerkzeugeinsatzes 230 angeordnet ist. Schneidwerkzeugeinsät ze, welche
entweder aus einer heiß gepressten
oder einer kalt gepressten Keramik bestehen, können bei diesem Schneidwerkzeugentwurf
eingesetzt werden. Da bei dem Schneidwerkzeugeinsatz 230 der 4(b) eine zentrale Bohrung fehlt, ist
die Festigkeit des Einsatzes nicht beeinträchtigt. Auf der anderen Seite
ist der Einsatz 230 des Entwurfs der 4(b) im
Allgemeinen nicht so fest an der Werkzeughalterung befestigt, wie
der Einsatz 130 der 4(a).
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Ein
anderer Schneidwerkzeugentwurf nach dem Stand der Technik ist in 4(c) dargestellt. Hier weist der Schneidwerkzeugeinsatz 330 eine
Vertiefung 332 in mindestens einer Oberfläche 334 auf.
Ein Bein 346 einer im Allgemeinen L-förmigen Klemme 340 ist
in einer Bohrung 122 der Werkzeughalterung 120 befestigt
während
das andere Klemmenbein 348 in der Vertiefung 332 sitzt.
Wie es für
den Fachmann verständlich ist,
gibt es viele verschiedene herkömmliche
Entwürfe
einer L-förmigen Klemme 340.
Diese Anordnung befestigt den Einsatz 330 im Vergleich
mit der Anordnung der 4(b) besser
in der Tasche 126 der Werkzeughalterung 120. Ein
Heißpressen
kann ökonomisch
nicht leicht angewendet werden, um Schneidwerkzeugeinsätze mit
einer Vertiefung, wie es in 4(c) dargestellt
ist, herzustellen.
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Dementsprechend
existiert ein Bedürfnis
nach einer verbesserten Anordnung, um Schneidwerkzeugeinsätze auf
Werkzeughalterungen sicher zu halten. Vorzugsweise kann die verbesserte
Halteanordnung sowohl bei heiß gepressten
als auch kalt gepressten Einsätzen
eingesetzt werden und beeinflusst die Festigkeitseigenschaften der
Einsätze
nicht ungünstig.
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Das
Dokument
GB 929691A offenbart
ein Werkzeug zur Materialentfernung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Werkzeug und ein Verfahren zum
Ausbilden eines Werkzeugs zur Materialentfernung gemäß dem Anspruch
1 bzw. 15 bereit. Die abhängigen
Ansprüche
definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Das Werkzeug wird durch ein Verfahren hergestellt, welches ein Strukturieren
mindestens eines Bereiches einer Oberfläche des Werkzeugs umfasst,
so dass die Oberflächenrauigkeit
des Bereichs größer als
die Oberflächenrauigkeit
von unstrukturierten Oberflächen
des Werkzeugs ist, und wobei der strukturierte Bereich an allen
Punkten von einer kontinuierlichen Kante beabstandet ist, welche
an der Verbindung einer Spanfläche
und mindestens einer Flankenfläche
des Werkzeugs ausgebildet ist. Die kontinuierliche Kante kann Bereiche
umfassen, welche zum Schneiden vorgesehen sind, oder kann vollständig eine
Schnittkante sein. Der strukturierte Bereich kann zum Beispiel verwendet
werden, um die Halteeigenschaft des Werkzeugs in einer Werkzeughalterung
zu verbessern. Vorzugsweise weist der strukturierte Bereich einen
arithmetischen Oberflächenrauigkeitsmittelwert
Ra auf, welcher größer als 30μin ist. Das Werkzeug kann zum
Beispiel ein Schneidwerkzeugeinsatz oder ein Spänezerkleinerer sein.
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Die
erfindungsgemäße Strukturbehandlung
führt vorzugsweise
zu einer Erhöhung
des Reibungswiderstands des Werkzeugs in einem Ausmaß von größer als
5in-lb, wenn er durch einen "Schiebe-Block"-Test gemessen wird,
wie es im Folgenden beschrieben ist. Dies stellt den maximalen Reibungswiderstand
dar, welcher durch die vorliegenden Erfinder für einen herkömmlichen
geschliffenen Keramikschneidwerkzeugeinsatz mit im Allgemeinen planaren
Oberflächen,
welche nicht durch das erfindungsgemäße Verfahren behandelt sind,
gemessen wurde.
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Der
strukturierte Bereich kann durch irgendein aus einer Vielzahl von
Verfahren erzeugt werden. Ein bevorzugtes Verfahren umfasst ein
Laserschmieden des Bereiches. Der struktu rierte Bereich kann jedoch auch
durch andere Techniken einschließlich chemischer und/oder mechanischer
Techniken, wie z.B. Schleifen und Sandstrahlen, Formen, chemisches Ätzen, Photolithographie
und reaktivem Ionenätzen,
ausgebildet werden. Andere Techniken sind dem Fachmann unter Berücksichtigung
der vorliegenden Beschreibung der Erfindung bekannt. Eine oder mehrere
dieser Techniken kann bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, um den/die behandelten Bereich(e) des Abschnitts zu strukturieren,
was zu einer Oberflächenrauigkeit
des/der strukturierten Bereichs/Bereiche führt, welche größer als
die Oberflächenrauigkeit
der unstrukturierten Oberflächen
des Werkzeugs ist. Der strukturierte Bereich kann eingesetzt werden,
um die Halteeigenschaft des Werkzeugs in einer Werkzeughalterung
zu verbessern. Vorzugsweise ist die Oberflächenrauigkeit des strukturierten
Bereichs größer als
30μin. Dasselbe
Strukturierungsverfahren kann vorzugsweise den Reibungswiderstand
auf größer als
5in-lbs vergrößern. Das
erfindungsgemäße Werkzeug
kann die Form von irgendeinem Werkzeug mit einer Schnittkante und
zumindest einer Oberfläche
mit dem mindestens einen strukturierten Bereich annehmen, welcher
angeordnet und ausgestaltet ist, um für einen verbesserten Halt zu
sorgen, wenn das Werkzeug an einer Werkzeughalterung befestigt ist.
Bei solchen Werkzeugen ist der strukturierte Bereich an allen Punkten
von der Schnittkante beabstandet. Solche Werkzeuge können zum
Beispiel Materialentfernungswerkzeuge, wie z.B. ein Keramikschneidwerkzeugeinsatz,
welcher in ein Schneidwerkzeugsystem aufgenommen sein kann, umfassen.
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Solch
ein Schneidwerkzeugsystem umfasst eine Werkzeughalterung und den
Schneidwerkzeugeinsatz, welcher mindestens eine Oberfläche mit
einem strukturierten Bereich mit Ra aufweist,
die größer als
30μin (und
vorzugsweise mindestens 63μin)
ist und wobei der Reibungswiderstand größer als 5in-lbs ist, wobei
der Schneidwerkzeugeinsatz selektiv an der Werkzeughalterung befestigt
werden kann. Der Schneidwerkzeugeinsatz, welcher erfindungsgemäß konstruiert
ist, kann mit Schneid einsatzklemmen und Werkzeughalterungen nach
dem Stand der Technik eingesetzt werden, ohne das Schneidwerkzeug
zu verändern,
wobei der Umfang einer Kraft, welche erforderlich ist, um den Schneidwerkzeugeinsatz
zu entfernen, dennoch nicht größer ist, als
bei einem Schneidwerkzeugeinsatz, welcher nicht dem Strukturierungsverfahren
der vorliegenden Erfindung unterzogen worden ist. Es wird angenommen,
dass die vergrößerte Oberflächenrauigkeit,
welche durch die erfindungsgemäße Strukturierungsbehandlung
bedingt ist, zu einem größeren Reibungswiderstand
zwischen dem Schneidwerkzeugeinsatz und der Schneideinsatzklemme
führt.
Die Schneideinsatzklemme besteht aus einem Material, welches weicher
als das Material ist, welches die Fläche des Einsatzes, die sich
in Kontakt mit der Klemme befindet, umfasst. Nachdem die Schneideinsatzklemme
auf dem strukturierten Bereich des Schneidwerkzeugeinsatzes, welcher
erfindungsgemäß konstruiert
ist, festgezogen ist, verformt sich die Klemmoberfläche, welche
sich in Kontakt mit dem strukturierten Bereich befindet, so dass
eine Verschiebung des Schneidwerkzeugeinsatzes aus der Werkzeughalterungstasche
und relativ zu der Klemme nur auftreten kann, nachdem die Klemmoberfläche geschert
ist und sich plastisch verformt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit Bezug zu den Zeichnungen
besser verstanden werden, wobei gilt:
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1 ist
eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Keramikschneidwerkzeugsystems,
welches erfindungsgemäß konstruiert
ist;
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2 ist
eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Keramikschneidwerkzeugeinsatzes, welcher
erfindungsgemäß konstruiert
ist;
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3 ist
eine Draufsicht des Keramikschneidwerkzeugeinsatzes der 2;
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4(a)–(c)
sind Darstellungen, welche herkömmliche
Keramikschneidwerkzeugsysteme darstellen;
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5 stellt
die Bestimmung der Oberflächenrauigkeit
hinsichtlich Ra dar;
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6 stellt
den Aufbau des Schiebe-Block-Tests, welcher bei der vorliegenden
Beschreibung der Erfindung referenziert wird, dar;
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7 ist
ein vergrößertes (40x)
Bild der Oberfläche
einer Schneidwerkzeugeinsatzklemme bevor sie auf den strukturierten
Bereich eines Keramikschneidwerkzeugeinsatzes, welcher erfindungsgemäß konstruiert ist,
nach unten gezogen wird;
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8 ist
ein vergrößertes (40x)
Bild der Oberfläche
einer Schneidwerkzeugeinsatzklemme, nachdem sie auf den strukturierten
Bereich eines Keramikschneidwerkzeugeinsatzes, welcher erfindungsgemäß konstruiert
ist, nach unten gezogen wurde; und
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9 ist
ein vergrößertes (40x)
Bild der Oberfläche
einer Schneidwerkzeugeinsatzklemme, nachdem ein Keramikschneidwerkzeugeinsatz,
welcher erfindungsgemäß konstruiert
ist, durch die Schneidwerkzeugeinsatzklemme an einer Werkzeughalterung
befestigt worden ist, und dann mit Kraft von der Werkzeughalterung gemäß dem Schiebe-Block-Test,
welcher in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung referenziert
ist, entfernt wurde.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Werkzeug mit mindestens einer Schnittkante
und ein Verfahren zum Halten eines Werkzeugs mit mindestens einer
Schnittkante bereit. Das Werkzeug wird durch ein Verfahren hergestellt,
welches ein Strukturie ren mindestens eines Bereichs einer Oberfläche des
Werkzeugs umfasst, wobei der Bereich entfernt von der Schnittkante
des Werkzeugs beabstandet ist, so dass die Oberflächenrauigkeit
des Bereichs größer als
die Oberflächenrauigkeit
des/der anderen, relativ unstrukturierten Oberfläche(n) des Werkzeugs ist. Der
strukturierte Bereich wird verwendet, um die Halteeigenschaft des
Werkzeugs in einer Werkzeughalterung zu verbessern. Vorzugsweise
weist der strukturierte Bereich eine Ra von mehr
als 30μin
auf. Ra ist ein gemessener Wert einer Oberflächenrauigkeit,
was dem Fachmann bekannt ist. Siehe z.B. das ASM-Handbuch, (9. Auflage),
Band 16 Machining, Seite 21. Der strukturierte Bereich ist mit einem
ausreichenden Abstand von der Schnittkante des Werkzeugs beabstandet,
so dass der Bereich den Schneidvorgang des Werkzeugs nicht negativ
beeinflusst. Mit anderen Worten befindet sich zum Beispiel der strukturierte
Bereich nicht in einer Position, wo gewöhnlich ein Span berührt wird,
wie er während
eines spanabnehmenden Vorgangs ausgebildet wird.
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Die
erfindungsgemäße Strukturierungsbehandlung
führt zu
einer Erhöhung
des "Reibungswiderstands" des Werkzeugs. Der
Reibungswiderstand ist ein Wert, welcher durch den "Schiebe-Block"-Test bestimmt wird,
welcher hier beschrieben wird. Der Reibungswiderstandswert für ein erfindungsgemäßes Werkzeug
kann z.B. mit dem maximalen Reibungswiderstandswert von 5in-lb verglichen werden,
welcher von den vorliegenden Erfinder für einen herkömmlichen
Keramikschneidwerkzeugeinsatz gemessen wurde, welcher im Allgemeinen
planare Oberflächen
aufweist, welche nicht durch das erfindungsgemäße Verfahren behandelt sind.
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Das
erfindungsgemäße Materialentfernungswerkzeug
kann viele Formen annehmen, zum Beispiel die eines Schneidwerkzeugeinsatzes
oder eines Spänezerkleinerers,
welcher in ein Schneidwerkzeugsystem aufgenommen ist. Bei einer
bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
besteht das Werkzeug aus einem Keramikschneidwerkzeugeinsatz zur
Verwendung bei der Bearbei tung von Metallen durch eine Spanausbildung.
Das hier beschriebene Schneidwerkzeug ist insbesondere beim Einsatz
bei einem Drehverfahren besonders vorteilhaft. Die vorliegende Erfindung
ist auch auf Schneidwerkzeugsysteme und ein Verfahren zur Herstellung
derselben gerichtet.
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Das
Schneidwerkzeugsystem der vorliegenden Erfindung kann am besten
mit Bezug auf
1 verstanden werden, welche
ein erfindungsgemäßes Schneidwerkzeugsystem
10 darstellt,
welches eine Werkzeughalterung
20 und einen Keramikschneidwerkzeugeinsatz
30 umfasst.
Der Schneidwerkzeugeinsatz
30 kann zum Beispiel durch Heiß- oder
Kaltpressen ausgebildet sein und kann selektiv an der Werkzeughalterung
20 befestigt
werden. Der Schneidwerkzeugeinsatz
30 kann aus einer Vielzahl
von Materialien, wie zum Beispiel neben anderen aus Carbid (geschliffen/ungeschliffen),
Cermet (Carbid/Keramik), kubischem Bornitrid, Keramik und polykristallinem
Diamant, hergestellt werden. Der Schneidwerkzeugeinsatz
30 kann
auch eine Beschichtung aufweisen. Die Beschichtung kann, wenn sie
verwendet wird, eine oder mehrere Schichten des Materials umfassen,
welches auf den Schneidwerkzeugeinsatz
30 durch irgendein
einer Vielzahl von bekannten Verfahren aufgetragen sein kann. Typische
Beschichtungsmaterialien umfassen neben anderen TiC, TiCN, TiN,
Al
2O
3, HfN und TiAIN.
Die maximalen typischen Oberflächenrauigkeitswerte,
welche durch die Erfinder für Schneidwerkzeugeinsätze, die
aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sind, gemessen wurden,
sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle
1
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist eine L-förmige Klemme 40 dargestellt,
welche ein erstes und ein zweites Bein umfasst und welche aus einem
harten Material, wie z.B. einem 4140 Stahl, welcher auf 35–39 Rockwell
C gehärtet
ist, konstruiert ist, welches aber weicher als das Material ist,
welches den Schneidwerkzeugeinsatz 30 ausbildet. Die L-förmige Klemme 40 befestigt
selektiv den Keramikschneideinsatz 30 an der Werkzeughalterung 20.
Gemäß dieser
Ausführungsform
weist die L-förmige
Klemme eine Öffnung 42 auf,
durch welche eine Schraube 44 eingeführt ist. Die Schraube 44 ist
durch die Öffnung 42 und
in eine Bohrung 22, welche in der Werkzeughalterung 20 ausgebildet
ist, eingeführt.
Der Gewindeeingriff der Bohrung 22 und der Schraube 44 ermöglicht,
dass die L-förmige
Klemme 40 einfach an der Werkzeughalterung 20 befestigt
und dann von dieser entfernt wird.
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Das
in 1 dargestellte Schneidwerkzeugsystem weist auch
eine zweite Schraube 50 und eine Beilagescheibe 60 auf.
Gemäß dieser
Ausführungsform
ruht die Beilagescheibe 60 auf einer zweiten Bohrung 24, welche
in der Werkzeughalterung 20 ausgebildet ist. Die zweite
Schraube 50 erstreckt sich durch eine Öffnung, welche in der Beilagescheibe 60 ausgebildet
ist, und in die zweite Bohrung 24. Die Beilagescheibe 60 stellt eine
Plattform bereit, auf welcher der Schneidwerkzeugeinsatz 30 angeordnet
ist.
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Anders
als die Schneidwerkzeugsysteme (a), (b) und (c), welche in 4 dargestellt
sind, weist der erfindungsgemäße Schneidwerkzeugeinsatz 30 eine
Spanfläche 36 und
eine Flankenfläche 38 auf,
wobei die Spanfläche 36 einen
strukturierten Bereich 32 aufweist, welcher am besten mit
Bezug zu 2 und 3 dargestellt
ist. Der strukturierte Bereich 32 nimmt einen Abschnitt
der Spanfläche 36 ein
und ist von der Schnittkante 34 des Schneidwerkzeugeinsatzes 30 beabstandet.
Vorzugsweise befindet sich der strukturierte Bereich 32 mittig
auf der Spanfläche 36.
Der strukturierte Bereich 32 kann durch irgendein einer
Vielzahl von Verfahren hergestellt werden. Ein bevorzugtes Verfahren
ist das Laserschmieden, jedoch kann der strukturierte Bereich auch
durch andere Techniken, wie zum Beispiel durch Schleifen und Sandstrahlen,
Formen, chemisches Ätzen,
Photolithographie und reaktives Ionenätzen hergestellt werden. Wenn
der Schneidwerkzeugeinsatz 30 beschichtet ist, wie es vorab
beschrieben ist, sollte die Beschichtung derart aufgetragen werden,
so dass die Oberflächenrauigkeit
des strukturierten Bereichs 32 nicht wesentlich beeinflusst
wird. Wie auch erkennbar ist, ist der strukturierte Bereich 32 in
einem Bereich vorhanden, wo die L-förmige
Klemme 40 den Schneidwerkzeugeinsatz 30 berührt.
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Das
erfindungsgemäße Schneidwerkzeugsystem
kann auch einen Spänezerkleinerer
(nicht dargestellt) umfassen, wie er nach dem Stand der Technik
gut bekannt ist. Dieser Spänezerkleinerer
ist, wenn er vorhanden ist, im Allgemeinen an der L-förmigen Klemme 40 zwischen
einem Bein der L-förmigen
Klemme 40 und der Spanfläche 36 des Schneidwerkzeugeinsatzes 30 befestigt.
Bei einer Ausführungsform
kann der Spänezerkleinerer
aus einem Material ausgebildet sein, welches weicher als das Material
ist, das den strukturierten Bereich 32 des Schneidwerkzeugeinsatzes 30 umfasst,
wobei der Spänezerkleinerer
den strukturierten Bereich 32 berührt, wenn die L-förmige Klemme 40 an
der Werkzeughalterung 20 befestigt wird. Bei einer anderen
Ausführungsform
kann der Spänezerkleinerer
aus irgend einem Material ausgebildet sein, und ein anderer Abschnitt,
welcher aus einem Material ausgebildet ist, welches weicher als
das Material ist, das den strukturierten Bereich 32 umfasst,
wie zum Beispiel eine Stahlplatte, ist zwischen dem Spänezerkleinerer
und dem Schneidwerkzeugeinsatz 30 angeordnet. Bei dieser
Ausführungsform
berührt
der Boden der Platte den strukturierten Bereich 32, wenn
die L-förmige
Klemme 40 an der Werkzeughalterung 20 befestigt
ist. Der Spänezerkleinerer
kann auch einen strukturierten Bereich auf der Bodenoberfläche davon
umfassen, so dass die Oberseite der Platte den strukturierten Bereich
der Platte berührt,
wodurch das Halten der Platte und des Schneidwerkzeugeinsatzes 30 verbessert
wird.
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Der
strukturierte Bereich 32 kann in einer Vielzahl von verschiedenen
Mustern, wie zum Beispiel neben anderen in parallelen Linien, Spiralen,
konzentrischen oder überlappenden
Kreisen und/oder Kreuzschraffierungen, ausgebildet sein. Wenn darüber hinaus
der Schneidwerkzeugeinsatz 30 ein negativ geneigter Einsatz
ist, wobei mehrere Schnittkanten 34 auf der Oberseite und
der Unterseite verwendet werden, kann ein strukturierter Bereich 32 auf
jeder Spanfläche 36 des
Schneidwerkzeug 30 ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform
kann die Oberseite der Schraube 50 einen strukturierten
Bereich 32 berühren,
wodurch der Halt des Schneidwerkzeugeinsatzes 30 in der
Werkzeughalterung 20 weiter verbessert wird. Im Allgemeinen
sollte die Höhe
des/der strukturierten Bereichs/e 32 gleich zu oder etwas
abgesenkt von den benachbarten, nicht strukturierten Bereichen der
Oberfläche
sein. Wenn auf der anderen Seite der Schneidwerkzeugeinsatz 30 ein positiv
geneigter Einsatz ist, wobei nur eine Schnittkante 34 auf
der oberen Oberfläche
(Spanfläche 36)
verwendet wird, ist die Höhe
des strukturierten Bereichs 32 nicht derart beschränkt und
kann sich tatsächlich
von den benachbarten, nicht strukturierten Bereichen der Oberfläche erheben.
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Der
strukturierte Bereich 32 weist relativ zu den anderen nicht
strukturierten Bereichen des Schneidwerkzeugeinsatzes 30 eine
erhöhte
Oberflächenrauigkeit
auf. Um den Effekt einer Oberflächenstrukturierung bezüglich der
Fähigkeit
der L-förmigen Klemme 40 darzustellen,
den Schneidwerkzeugeinsatz 30 in der Werkzeughalterung 20 zu
halten, wurden mehrere Keramikschneideinsatzmuster (Klasse GSN,
Siliciumnitrid basierte Einsätze,
welche durch die Greenleaf Corporation, Saegertown, Pennsylvania,
hergestellt sind) strukturiert, um einen Grad der Oberflächenrauigkeit
zu variieren, wie er durch den arithmetischen Oberflächenrauigkeitsmittelwert
Ra gemessen wird. Der Fachmann erkennt,
dass 5 das Verfahren darstellt, durch welches Ra bestimmt wird, und er versteht, dass Ra typischerweise gemessen wird, indem eine
einfach kommerziell verfügbare
Testvorrichtung verwendet wird. Die Oberflächenrauigkeit Ra wurde
mit einer Oberflächentestmaschine
von Mitutoyo, Modell Surftest 211, gemessen.
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Bei
den getesteten Ausführungsformen
wurde der strukturierte Bereich 32 durch Laserschmieden
mit einem Nd-YAG-Laser mit 400 Watt pulsierender Energie, welcher
auf einem durch CNC geführten
Werktisch angebracht ist, hergestellt. Der Laser wurde modifiziert,
indem ein gebogener Spiegel verwendet wurde, welcher angeordnet
war, um den Energiestrahl derart zu konzentrieren, dass das Keramikmaterial
auf der Oberfläche
nur bis zu der erwünschten
Tiefe verdampft. Lasermodifikationen diese Art können leicht durch einen Fachmann
in der Lasertechnik bewerkstelligt werden und die Zeit, um den strukturierten
Bereich auszubilden, variiert abhängig von der Größe und dem
Muster des herzustellenden strukturierten Bereiches, obwohl die meisten
Muster in ungefähr
30 Sekunden hergestellt werden können.
Der Fachmann versteht, dass Laserschmieden nur eins von vielen Verfahren
ist, durch welches eine Oberfläche
erfindungsgemäß strukturiert
werden kann.
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Um
den Anstieg bei dem Reibungswiderstand zu messen, wurden Muster
einem „Schiebe-Block"-Test unterzogen,
welcher durch die Erfinder entwickelt ist und welcher durchgeführt wurde,
wobei die Vorrichtung der 6 verwendet
wurde. Bei diesem Test wurde ein Schneidwerkzeugeinsatz 30,
welcher aus einem geschliffenen Keramikmaterial konstruiert ist,
in eine Werkzeughalterung 20, welche aus 4140 Stahl, einem
Industriestandard, konstruiert ist, in der normalen Weise platziert.
Der Schneidwerkzeugeinsatz 30 lag auf der Oberfläche einer
Beilagescheibe 60 auf, welche ein Standardentwurf ist und
aus einem oberflächengehärtetem Wolframcarbid
besteht. Die L-förmige Klemme 40 wurde
an der Werkzeughalterung 20 angebracht, indem eine Schraube 44 in
eine Bohrung 22 eingeführt
wurde und mit einem Drehmomentschlüssel mit 80 in-lbs festgezogen
wurde. Eine Klemme CL-12, welche aus 4340 Stahl, einem Industriestandard,
besteht, wurde für
die im Folgenden aufgeführten
Testergebnisse verwendet. Jedoch wurden ähnliche Ergebnisse bei Tests
erzielt, welche mit anderen Klemmen und Werkzeughalterungen nach
dem Stand der Technik durchgeführt
wurden. Für
den Schiebe-Block-Test wurde die Werkzeughalterung 20 derart
modifiziert, dass sie eine Bohrung und eine Stellschraube 70 aufweist,
welche sich dort hindurch in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht
zu der Achse der Schraube 44 erstreckt. Das Ende der Stellschraube 70 konnte
in der Einsatztasche der Werkzeughalterung und in Kontakt mit dem
Schneidwerkzeugeinsatz 30 vor bewegt werden. Um den Reibungswiderstand
zu messen, wurde die Stellschraube 70 mit einem Drehmomentschlüssel gegen
den Schneidwerkzeugeinsatz 30 festgezogen, bis sich der
Schneidwerkzeugeinsatz 30 um Abstände von 0,0005'' und 0,02'' in
der Richtung der Längsachse
der Schraube 70 aus der Tasche bewegt (nachdem zuerst sichergestellt
wurde, dass jede Gegenbewegung der Klemme eliminiert worden ist).
Die Abstände
wurden mit einer standardisierten kommerziell verfügbaren Messvorrichtung
(Interrapid Model 312-B1) gemessen.
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Das
Moment, welches erforderlich ist, um verschiedene Keramikschneideinsätze um die
zwei Abstände
zu bewegen, welche in dem modifizierten Werkzeughalterung
20 angebracht
sind, sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass
eine Erhöhung
der Rauigkeit der Oberfläche
des Schneidwerkzeugeinsatzes
30, welcher in Kontakt mit
der L-förmigen
Klemme
20 kommt, den gemessenen Reibungswiderstand des
Schneidwerkzeugeinsatzes
30 dramatisch erhöht.
Tabelle
2
- * Mittelwert von zwei Messungen
- ** Mittelwert von fünf
Messungen
- + Typischer Wert
-
Diese
Ergebnisse zeigen, dass jede wesentliche Oberflächenrauigkeit, Unregelmäßigkeit
oder Unterbrechung, welche auf dem Einsatz ausgestaltet sind und über der
erwarteten Rauigkeit eines standardisierten geschliffenen Produkts
für Kera mikschneidwerkzeugeinsätze (welche
eine typische Ra von 16μin aufweisen) liegen, den Reibungswiderstand
des Schneidwerkzeugeinsatzes 30 erhöhen. Der Reibungswiderstand
steigt im Allgemeinen mit sich erhöhender Oberflächenrauigkeit
an. Der Anstieg bezüglich
des Reibungswiderstands ist insbesondere bei einer Ra von
30μin dramatisch,
bei welchem Punkt der gemessene Reibungswiderstand ungefähr das Doppelte
einer unbehandelten Oberfläche
beträgt.
Der Anstieg bezüglich
des Reibungswiderstandes ist bei einem Ra von
67μin sogar
noch ausgeprägter.
Dieses Niveau an Oberflächenrauigkeit,
welches in der Nähe
von einer typischen Oberfläche
liegt, die einem allgemeinen Sägeverfahren,
wie demjenigen, welches in dem ASM-Handbuch (9-te Auflage), Band 16, Seite
21 beschrieben ist, unterzogen ist, ist ungefähr 200% größer als dasjenige einer unbehandelten
Oberfläche.
Daher ist eine Strukturierung eines Bereichs bis zu einem Ra von zumindest ungefähr 63μin besonders erstrebenswert.
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Ohne
sich auf eine besondere Betriebstheorie festzulegen, stellen 7–9 dar,
was die Erfinder für
eine Erklärung
für den
erhöhten
Reibungswiderstand der erfindungsgemäß behandelten Schneideinsätze halten.
Diese vergrößerten (40x)
Bilder zeigen die Oberfläche
des Bereichs der L-förmigen
Klemme 40, welche den strukturierten Bereich 32 berührt. Wie
in 7 dargestellt ist, ist die Oberfläche der
Klemme vor einem Eingriff mit dem strukturierten Bereich 32 relativ
gleichmäßig. Wie
jedoch in 8 dargestellt ist, verformt
sich die Oberfläche
der Klemme in Oberflächenunregelmäßigkeiten
des strukturierten Bereichs, nachdem die L-förmige Klemme 40 nach
unten auf den strukturierten Bereich 32 fest gezogen worden
ist. Diese Verformung scheint sich aus der Tatsache zu ergeben,
dass das Material, welches den strukturierten Bereich 32 (in
diesem Fall Keramik) ausbildet, härter als das Material der L-förmigen Klemme 40 ist.
Schließlich
scheint aus 9 ersichtlich zu sein, dass
sich der erhöhte
Reibungswiderstand aus der Tatsache ergeben kann, dass die Klem menoberfläche, geschert
und plastisch verformt werden muss, um den Schneidwerkzeugeinsatz 30 zu
versetzen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt damit einen wirtschaftlichen Weg dar,
Keramikabschnitte mit einem größeren Widerstand
gegenüber
einem Gleiten herzustellen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere
nützlich,
um vorteilhafte Schneidwerkzeugeinsätze herzustellen, welche mit
einer Vielzahl von standardisierten Werkzeughalterungen eingesetzt
werden können,
ohne das Schneidwerkzeug zu verändern.
Solche Einsätze können durch
ein Verfahren ausgebildet werden, welches zumindest Heißpressen
und Kaltpressen umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch eingesetzt
werden, um andere nützliche
Werkzeuge auszubilden, welche einen strukturierten Bereich aufweisen,
welcher beabstandet von einer Schnittfläche ist. Das erfindungsgemäße Werkzeug
kann durch irgendein im Allgemeinen eingesetztes Verfahren, wie
zum Beispiel Heißpressen,
Kaltpressen, heißisostatisches
Pressen und/oder Sintern ausgebildet werden.
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Obwohl
besondere erfindungsgemäße Ausführungsformen
beschrieben worden sind, ist es dem Fachmann klar, dass viele Änderungen
und Variationen der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden
können,
ohne den Umfang der Erfindung, wie er in den angefügten Ansprüchen formuliert
ist, zu verlassen.
