DE602004005828T2

DE602004005828T2 - Schneidkörper

Info

Publication number: DE602004005828T2
Application number: DE602004005828T
Authority: DE
Inventors: Klaus Tank
Original assignee: Element Six Pty Ltd
Current assignee: Element Six Pty Ltd
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: US8172011B2; CA2516211C; ATE359428T1; US20060249308A1; EP1592861B1; US20080282619A1; CA2516211A1; EP1592861A1; CN1759226A; AU2004211523B2; ZA200506606B; DE602004005828D1; AU2004211523A1; WO2004072435A1; CN100402796C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkzeugteilen.
Werkzeugteile, insbesondere Schneidelemente, in der Form von Verbundschleifmaterialpresslingen sind in der Technik allgemein bekannt und werden bei verschiedenen Schneid-, Bohr-, Fräs- und anderen Schleifvorgängen häufig verwendet. Die Werkzeugteile umfassen im Allgemeinen eine Schicht oder Platte eines ultraharten Schleifmaterials, das mit einem Hartmetallsubstrat gebunden ist. Das Werkzeugteil weist eine im Allgemeinen zylindrische Form auf, wobei die Schicht oder Platte des ultraharten Schleifmaterials mit einem von zwei flachen Enden eines zylindrischen Substrats gebunden ist. Das ultraharte Schleifmaterial ist im Allgemeinen polykristalliner Diamant (PCD) oder polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN).
Während des Einsatzes ist die obere freiliegende Umfangskante der Schicht oder Platte des ultraharten Schleifmaterials die Kante, welche die Schneidkante für das Werkzeugteil bereitstellt. Beim Bohren zum Beispiel wird das Schneidelement im Allgemeinen in einem negativen Neigungswinkel in Bezug auf die Vorschubrichtung des Werkzeugteils durch das Gestein montiert, wie durch 1 der beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst das Schneidelement des Standes der Technik eine Schicht 10 eines ultraharten Schleifmaterials, das mit einem Hartmetallsubstrat 12 gebunden ist. Das Schneidelement hat eine zylindrische Form. Die Umfangskante 14 der Schicht 10 stellt die Schneidkante für das Element bereit. 1 veranschaulicht das Schneidelement, wie es in der Richtung von Pfeil 16 in eine Gesteinsfläche oder ein anderes Werkstück 18 vordringt. Bei diesem Vordringen wird eine beträchtliche Last auf die flache Vorderfläche 20 der Schicht 10 angelegt. Dies wiederum verursacht ein erhebliches Biegemoment auf das Schneidelement und infolgedessen eine Spannung an diesem Element. Diese Spannung führt zu Bruch und Absplitterung.
US 4,109,737 offenbart einen Drehbohreinsatz für Gesteinsbohrungen, welcher mehrere Schneidelemente umfasst, die in einer Krone des Bohreinsatzes montiert sind. Jedes Schneidelement umfasst einen länglichen Stift mit einer dünnen Schicht eines kristallinen Diamanten, die mit einem freien Ende des Stifts gebunden ist. Die Schicht des polykristallinen Diamanten bildet eine gekrümmte Schneidfläche für den Bohreinsatz.
US 6,059,054 und WO 00/36264 offenbaren Werkzeugteile des Standes der Technik.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugteils bereit, umfassend eine Schicht eines mit einem Substrat (12) gebundenen ultraharten Schleifmaterials (10), wobei die Schicht des ultraharten Schleifmaterials ein Paar gegenüberliegende Endflächen (46, 48), eine obere Fläche (44), die sich zwischen den Endflächen befindet, und mindestens eine gekrümmte und sich verjüngende Schneidkante am Schnittpunkt der entsprechenden Endflächen und der oberen Fläche aufweist, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

1) Bereitstellung eines Körpers (100), umfassend eine Schicht eines ultraharten Schleifmaterials (108), das mit einem Substrat (102) gebunden ist;
2) Schneiden eines Rohlings (110) aus dem Körper quer zur Längsachse des Körpers und durch die Schnittstelle zwischen der ultraharten Schleifmaterialschicht und dem Substrat; und
3) Formung des Rohlings (110) in die für das Werkzeugteil gewünschte Form.

Bei bevorzugten Verfahren können die folgenden Schritte zur Bereitstellung von Merkmalen unternommen werden:
Die Endflächen werden vorzugsweise in Ergänzung zu den Schneidkanten verjüngt hergestellt.
Die entsprechenden Schneidkanten des Werkzeugteils und die entsprechenden Endflächen, die zu den Schneidkanten führen, sind im Allgemeinen keilförmig. Dies bedeutet, dass die Schneidkanten und die Endflächen im Allgemeinen zusammenlaufende Bereiche aufweisen. Vorzugsweise treffen die zusammenlaufenden Bereiche gedanklich jenseits der Schneidkanten zusammen, wodurch die Schneidkanten bereitgestellt werden.
Die obere Flächenschicht folgt mindestens im Bereich der Schneidkanten im Allgemeinen genau oder ähnlich dem Profil der entsprechenden Schneidkanten.
Das Werkzeugteil weist eine im Wesentlichen zylindrische Form mit gegenüberliegenden Enden und einer gekrümmten Seitenfläche auf, wobei die ultraharte Schleifmittelschicht sich in der gekrümmten Seitenfläche befindet und eine gekrümmte obere Fläche bildet.
Das Werkzeugteil weist ein im Wesentlichen rechteckiges oder zylindrisches Substrat auf, auf das eine ultraharte Schleifmittelschicht aufgebracht ist, die eine gekrümmte obere Fläche bildet.
Die Schnittstelle zwischen der ultraharten Schleifmittelschicht und dem Substrat kann eben, gekrümmt oder anderweitig profiliert sein.
Die ultraharte Schleifmittelschicht kann PCD-, PCBN- oder CVD-Diamant sein.
Das Substrat ist normalerweise ein Hartmetallsubstrat und vorzugsweise ein Wolframhartmetallsubstrat.
Das Werkzeugteil, das durch das erfindungsgemäße Verfahren bereitgestellt wird, kann für eine Vielfalt von Schleifvorgängen verwendet werden. Vorzugsweise wird das Werkzeugteil als ein Schneidelement oder als ein Maßstein in einem Drehbohreinsatz für unterirdische Gesteinsbohrungen verwendet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben, wobei:
1 eine Seitenansicht im Schnitt eines Schneidelements des Standes der Technik während des Einsatzes ist;
2 bis 5 perspektivische Ansichten von verschiedenen Ausführungsformen von Werkzeugteilen sind, die erfindungsgemäß hergestellt werden;
6 eine perspektivische Ansicht solch eines Werkzeugteils während des Einsatzes ist, wobei es ein Werkstück schneidet;
7 eine Seitenansicht von 6 ist; und
8 eine perspektivische Ansicht eines Körpers ist, aus welchem ein erfindungsgemäßes Werkzeugteil durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden kann.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen eines Werkzeugteils, das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird, werden nun unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. 2 bis 5 der anhängenden Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen.
Um zunächst Bezug auf 2 zu nehmen, umfasst ein Werkzeugteil 30, welches im Allgemeinen zylindrisch ist, eine Schicht 32 eines ultraharten Schleifmaterials, das mit einem Substrat 34 gebunden ist. Die Schnittstelle 36 zwischen der Schicht 32 und dem Substrat 34 ist eben.
Das Werkzeugteil 30 weist zusammenlaufende Endflächen 38, 40 und eine gekrümmte Seitenfläche 42 auf. Die Schicht 32 des ultraharten Schleifmaterials befindet sich der Länge nach im Werkzeugteil. Die Schicht 32 bildet eine gekrümmte obere Fläche 44 und gekrümmte und im Wesentlichen keilförmige Schneidkanten 46, 48, die sich am Schnittpunkt der oberen Fläche 44 und der entsprechenden Endflächen 38, 40 befinden.
Eine zweite Ausführungsform wird durch 3 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf diese Figur umfasst ein Werkzeugteil ein Hartmetallsubstrat 50, welches im Allgemeinen zylindrisch ist. Das Substrat 50 weist eine flache Basisfläche 52, eine gekrümmte Seitenfläche 54 und zusammenlaufende Flächen 56, 58 auf. Eine Schicht 60 eines ultraharten Schleifmaterials befindet sich im Substrat in den zusammenlaufenden Flächen 56, 58 und ist damit gebunden. Die Schicht 60 ist entlang einer profilierten Schnittstelle 62 mit dem Substrat 50 gebunden. Die Schicht 60 weist eine keilförmige obere Fläche 64 und keilförmige Schneidkanten 64, 66 auf.
Eine dritte Ausführungsform wird durch 4 veranschaulicht. Diese Ausführungsform ist der Ausführungsform von 3 ähnlich, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied bei dieser Ausführungsform ist, dass die profilierte Schnittstelle 62 im Wesentlichen halbmondförmig ist.
Eine vierte Ausführungsform wird durch 5 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf diese Figur umfasst ein Werkzeugteil ein im Allgemeinen rechteckiges Hartmetallsubstrat 70 mit einer flachen unteren Fläche 72 und einer flachen oberen Fläche 74. Eine Schicht 76 eines ultraharten Schleifmaterials ist mit der flachen oberen Fläche 74 gebunden. Die Schicht 76 weist eine obere gekrümmte Fläche 78 auf. Außerdem weist die Schicht 76 an gegenüberliegenden Enden davon zusammenlaufende Flächen 80, 82 und im Wesentlichen keilförmige Schneidkanten 84, 86 auf.
Die Werkzeugteile, die in 2 bis 5 veranschaulicht sind, sind lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. Die Krümmungen der verschiedenen Flächen können ebenso variieren, wie die Formen der Schnittstellen zwischen der ultraharten Schleifmaterialschicht und dem Substrat. Die Schneidkanten können scharf oder gerundet sein. In allen Varianten bewahrt das Werkzeugteil seine im Wesentlichen gekrümmte und keilförmige Schneidkante oder Schneidkanten und Flächen, die zu der Schneidkante oder den Schneidkanten führen.
Die Werkzeugteile finden speziell als Schneidelemente für Drehbohreinsätze und als Maßsteine für solche Einsätze Anwendung. 6 und 7 veranschaulichen schematisch ein Werkzeugteil von 2 als ein Schneidelement in einem Drehbohreinsatz. Unter Bezugnahme auf diese Figuren ist das Schneidelement 90 in der Krone eines Bohreinsatzes montiert. Während des Einsatzes führt die vordere Schneidkante 92 den Schneidvorgang auf einer Gesteinsformation oder einem Substrat 94 aus. Das Werkzeugteil dringt in der Richtung von Pfeil 96 in das Werkstück vor. Der Schneidvorgang der Schneidkante ähnelt dem der Schneidelemente des Standes der Technik, die durch 1 veranschaulicht sind. Die im Wesentlichen keilförmige Form der Schneidkante 92, die gekrümmten Flächen, die zu dieser Schneidkante führen, und die gekrümmte obere Fläche 98 verringern jedoch sehr wesentlich die Last, welche an die ultraharte Schleifmaterialschicht angelegt wird, wenn sie durch das Substrat auf eine ähnliche Weise wie der Bug eines Bootes durch ein Gewässer vordringt. Demgemäß verringern sie das Biegemoment wesentlich, dem das Schneidelement ausgesetzt ist.
Die Werkzeugteile werden durch das erfindungsgemäße Verfahren aus einem bekannten Körper aus einem ultraharten Schleifmaterial/Substrat hergestellt, wie in 8 schematisch veranschaulicht. Der Körper 100 umfasst ein Substrat, im Allgemeinen ein Hartmetallsubstrat 102 mit einer flachen unteren Fläche 104 und einer flachen oberen Fläche 106. Eine Schicht 108 eines ultraharten Schleifmaterials ist mit der flachen oberen Fläche 106 gebunden. Der Körper weist eine zylindrische Form auf. Ein Rohling 110 wird aus dem Körper 100 geschnitten, wie durch die gestrichelten Linien 112 dargestellt. Das Schneiden, wie dargestellt, erfolgt quer zur Längsachse des Körpers 100 und durch die Schnittstelle zwischen der Schicht 108 und dem Substrat 102. Der Rohling 110 wird so geformt, dass ein Werkzeugteil erzeugt wird, wie zum Beispiel durch 2 dargestellt. Dies ist lediglich beispielhaft für eine Möglichkeit einer Herstellung der erfindungsgemäßen Werkzeugteile. Änderungen, wie beispielsweise Änderungen des Profils der Schnittstelle zwischen der Schicht 108 und dem Substrat 102, würden ebenfalls in den Rahmen der Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugteils, umfassend eine Schicht eines mit einem Substrat (12) gebundenen ultraharten Schleifmaterials (10), wobei die Schicht des ultraharten Schleifmaterials ein Paar gegenüberliegende Endflächen (46, 48), eine obere Fläche (44), die sich zwischen den Endflächen befindet, und mindestens eine gekrümmte und sich verjüngende Schneidkante am Schnittpunkt der entsprechenden Endflächen und der oberen Fläche aufweist, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: 1) Bereitstellung eines Körpers (100), umfassend eine Schicht eines ultraharten Schleifmaterials (108), das mit einem Substrat (102) gebunden ist; 2) Schneiden eines Rohlings (110) aus dem Körper quer zur Längsachse des Körpers und durch die Schnittstelle zwischen der ultraharten Schleifmaterialschicht und dem Substrat; und 3) Formung des Rohlings (110) in die für das Werkzeugteil gewünschte Form.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Endflächen in Ergänzung zu den Schneidkanten verjüngt hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die entsprechenden Schneidkanten und die Endflächen im Allgemeinen keilförmig hergestellt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die obere Fläche so hergestellt ist, dass sie mindestens im Bereich der Schneidkanten im Allgemeinen genau oder ähnlich dem Profil der entsprechenden Schneidkanten folgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkzeugteil so hergestellt ist, dass es eine im Wesentlichen zylindrische Form mit gegenüberliegende Enden und einer gekrümmten Seitenfläche aufweist, wobei die ultraharte Schleifmittelschicht sich in der gekrümmten Seitenfläche befindet und eine gekrümmte Oberfläche bildet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Werkzeugteil so hergestellt ist, dass es ein im Wesentlichen rechteckiges oder zylindrisches Substrat umfasst, auf das die ultraharte Schleifmittelschicht aufgebracht ist, wobei die Schicht des ultraharten Schleifmittels eine gekrümmte obere Fläche bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkzeugteil so hergestellt ist, dass die Schnittstelle zwischen der ultraharten Schleifmittelschicht und dem Substrat eben, gekrümmt oder anderweitig profiliert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ultraharte Schleifmittel aus PKD, PKB oder CVD-Diamant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat ein Hartmetallsubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Substrat ein Wolframhartmetallsubstrat ist.