DE69104263T2 - Umlaufendes Schneidwerkzeug mit diamantartigen Schneidkanten. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Rotationsschneidwerkzeuge und spezieller aus Schaftfräser mit schraubenförmigen Rillen.
• Schaftfräser mit schraubenförmigen Rillen sind die am meisten verwendeten fräswerkzeuge, und werden im allgemeinen benötigt, um schwere Bearbeitungsvorgänge unter extrem widrigen Bedingungen auszuführen. Das Schneidende eines Schaftfräsers mit schraubenförmigen Rillen schließt mindestens ein Paar Schneidlippen auf gegenüberliegenden Außenflächen des Schaftfräserrohteils ein.
• Gegenläufige Schneidoberflächen, die am Schneidende des fräserrohteils angeordnet sind, sind Axial- und Torsionsbelastungen ausgesetzt, die Materialanforderungen bei der Herstellung des Fräswerkzeuges schaffen. Offensichtlich sollte das Material der Schneidlippen so hart wie möglich sein, um ein Arbeitsstück zu schneiden, und es sollte auch hitzeresistent sein, um die Schneidkante des fräsers bei erhöhten Temperaturen zu erhalten. Darüber hinaus sollte das Material des Körpers des fräserrohteils sowohl steif als auch zäh sein, um Verbiegungen widerstehen zu können und um, während der Frässchneider verwendet wird, die Unversehrtheit des fräsers unter Belastungen zu erhalten. Die vorstehenden Anforderungen haben zu Kompromissen bei der Materialauswahl geführt, da harte Materialien dazu neigen, spröde zu sein, während zähe Materialien dazu neigen, sich relativ leicht abzunutzen.
• Diese Erfindung kann bei anderen Arten von Rotationsschneidwerkzeugen, wie etwa Plattenfräsbohrer, Erweiterungsbohrer und Gewindebohrer verwendet werden.
• Der Stand der Technik lehrt eine Kombination von Materialien, die als Eigenschaften Härte und Verschleißfestigkeit an den Schneidoberflächen und Zähigkeit und Steifigkeit des Grundkörpers und des Schaftes aufweisen. Es wurde zuvor vorgeschlagen. die Schneidoberflächen aus einem Material und den Grundkörper und den Schaft aus einem anderen Material zu bilden. Dies hat zu einer Vielzahl von Kombinationen geführt, wie etwa gesinterte Wolframcarbid- oder Diamanteinsätze oder Spitzen auf Carbonstahl- oder gesinterten Wolframcarbidschäften. Diese Kombinationen haben, obwohl individuell nützlich, einen gemeinsamen Nachteil, nämlich die Hartlötverbindung zwischen dem Aufsatz oder der Spitze und dem Schaft. Wolframcarbid kann direkt an den Stahl- oder Wolframschaft gelötet oder hartgelötet werden. Eine Diamantspitze oder ein Aufsatz muß jedoch zuerst auf ein Wolframsubstrat aufgeklebt werden, welches wiederum an den Schaft gelötet oder hartgelötet wird. Diamantpartikel werden typischerweise zu einer kompakten Scheibe oder einer PCD-Scheibe (PCD = polykristalliner Diamant) geformt und dann auf ein Carbidsubstrat mittels eines metallischen Katalysators in einer Hochdruckhochtemperaturpresse mit einem Carbidsubstrat verbunden. Bei atmosphärischen Drücken wird jedoch das Metall, welches das Verbinden der Diamantpartikel aneinander und mit dem Substrat in der Presse katalysiert, auch die Konversion von Diamant zu Graphit bei Temperaturen oberhalb von 700ºC katalysieren, welches den Zerfall des kompakten PCD verursachen wird. Dementsprechend wird eine Niedrigtemperaturlöt- oder Hartlötverbindung verwendet, um das Substrat am Schaft anzubringen. Die zuvor erwähnten Diamantscheiben wie auch die Diamanteinsatzrohteile werden z.B. aus einem Wolframcarbidsubstrat mit einer auf eine Oberfläche des Substrats aufgesinterten Diamantschicht hergestellt, wobei die Diamantschicht aus polykristallinem Material aufgebaut ist.
• Der synthetische polykristalline Diamanteinsatz wird von Sii Megadiamond, Provo, Utah, einer hundertprozentigen Tochter von Smith International, Inc. hergestellt.
• Zwei Beispiele von Patentschriften für Megadianiond, die Schneidelemente zum Bohren van Löchern beschreiben, sind die US-PSen 4,527,643 und 4,627,503. Beide Patente verwenden ein Verbindungselement des Hartlöttyps, um die Diamantschneider in einem Bohrrohteil sicher anzubringen. Typischerweise wird eine Niedrigtemperaturlöt- oder Hartlötverbindung verwendet, um das Substrat an einem Schaft wie etwa dem Schaft eines schraubenförmig gedrehten Bohrers anzubringen. Diese Hartlötverbindung begrenzt die tatsächliche Lebensdauer eines solchen Bohrwerkzeuges, da es weicher ist als das Substrat oder der Schaft. Die Hartlötverbindung wird daher zum schwächsten Punkt der Werkzeugkonstruktion und zum limitierenden faktor beim Werkzeuggebrauch.
• Die US-PS 4,762,445 zeigt einen mit schraubenförmigen Rillen versehenen, gedrehten Bohrer, in dem gegeneinander versetzte gegenläufige Schichten aus gesinterten Schleifpartikeln wie etwa Diamant in einem aus einem weniger schleifenden Material wie etwa Carbid gebildetem Bohrer eingebettet sind. Ein Nachteil dieses Bohrers ist, daß die Diamantschichten nur auf dem gedrehten Bohrer aufgelötet sind und dazu neigen, sich ziemlich schnell abzunutzen.
• Ein Rotationsschneidwerkzeug mit sich schraubenförmig entlang seiner Länge erstreckenden Schneidkanten aus hartem Material wird in der EP- A-0 365 218 beschrieben, die den nächststehenden Stand der Technik darstellt, in der eine nur 100 Mikrometer dicke papierdünne Schicht aus polykristallinem Diamant auf die Schneidkante eines mit Rillen versehenen Schneidwerkzeuges aufgebracht ist. Nach dieser Technik wird die dünne Schicht aus polykristallinem Diamant durch Aufdampfen auf einen Bolzen aus Molybdän oder ähnlichem hergestellt. Das Molybdänsubstrat wird in heißes Königswasser eingebracht und gelöst, um nur das schraubenförmige Band aus Diamant stehenzulassen. Dieser Diamantfilm wird dann auf die Schneidbrust der Rille eines Schneidwerkzeuges mit Silber hartgelötet. Die flankenoberfläche wird geschliffen, um eine scharfe Schneidkante zu bilden.
• Die vorliegende Erfindung löst die Probleme des vorstehenden Standes der Technik, indem eine in situ in jeder Nut eines Paares von Nuten in einem Frässchneidwerkzeugrohteil gebildete Konzentration aus polykristallinem Material vorgesehen ist.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Rotationsschneidwerkzeug, mit sich schraubenförmig entlang seiner Länge erstreckenden Schneidkanten aus hartem Material ein Rotationsschneidwerkzeugrohteil mit mindestens einem Paar schraubenförmiger Nuten in den Seitenwänden des Rohteils und einem harten Material innerhalb der Nuten auf, ausgewählt aus der Gruppe, die aus polykristallinem Diamant und polykristallinem kubischen Bornitrit besteht, wobei das harte Material eine Schneidkante aufweist, welche entlang seiner Vorderkante ausgebildet ist, wobei das polykristalline harte Material in situ in den Nuten geformt wird.
• Vorzugsweise ist der Körper des Rotationsschneidwerkzeuges aus gesintertem Wolframcarbid geformt und weist mindestens ein Paar sich länglich entlang des Körpers erstreckender Rillen auf, wobei das polykristalline Material in jeder der Nuten eine Vorderkante bildet, die benachbart zu einer Rille liegt.
• Gemäß einem zweitem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotationsschneidwerkzeuges, mit den Schritten, ein Rotationsschneidwerkzeugrohteil aus gesintertem Wolframcarbid zu formen, wobei polykristallines hartes Material in einem schraubenförmigen Weg entlang der Länge des Rohteils versehen wird, und eine Schneidkante entlang einer Vorderkante des harten Materials zu formen, geschaffen und ist gekennzeichnet durch die Schritte, mindestens ein Paar sich länglich auf einer Außenoberfläche des Rohteils erstreckender Nuten auszubilden, die Nuten mit hartem Material, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Diamant und kubischen Bornitrit besteht, auszufüllen, und das Rotationsschneidwerkzeugrohteil unter genügendem Druck zu pressen, um in situ polykristallines Diamant und polykristallines kubisches Bornitrit innerhalb der Nuten auszubilden.
• Die oben erwähnten Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung können nach Studium der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den detaillierten Zeichnungen besser verstanden werden.
• Figur 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaftfräsers mit Rillen;
• Figur 2 ist eine Aufsicht auf das Ende entlang der Linie II-II der Figur 1;
• Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Schaftfräserrohteils mit vier darin eingearbeiteten schraubenförmigen Rillen;
• Figur 4 ist eine Seitenansicht eines Schaftfräserrohteils mit einem Paar schraubenförmiger um 180º voneinander beabstandeter Rillen;
• Figur 5 ist eine Aufsicht auf das Ende entlang der Linie V-V der figur 4; und
• Figur 6 ist ein schematisches Diagramm der mit der Fabrikation des Schaftfrässchneidwerkzeuges verbundenen Arbeitsschritte.
• Der Diamantschaftfräser von Figur 1, durchgehend mit 10 bezeichnet, weist einen Schaftfräserrohteilkörper 12, mit z.B. sich länglich erstreckender Rillen 14 auf, die umfangsmäßig äquidistant um den Körper 12 herum angeordnet sind. Der Körper des Schaftfräsers kann z.B. aus hartem oder steifem Material wie etwa gesintertem Wolframcarbid hergestellt sein. Eine Nut 18 ist in der Vorderkante 15 jedes der Körperabschnitte zwischen den Rillen 14 ausgebildet. Gesintertes polykristallines Material 30 ist in der schraubenförmig ausgeformten Nut 18 gebildet. Schneidkanten 32 sind in das gesinterte diamantartige Material 30 geschliffen, welches in die den Rillen des Bohrerrohteils 12 benachbarten Nuten eingepreßt ist. Das Wolframcarbidbohrerrohteil kann dann metallurgisch mit einem Stahl- oder Carbidbohrerschaft 16 entlang der Verbindung 17 verbunden werden. Die metallurgische Verbindung kann z.B. eine Hartlötung sein.
• Das polykristalline Material in den Nuten kann entweder Diamant oder kubisches Bornitrit (CBN) sein. Um den polykristallinen Diamant in den Nuten zu bilden, werden diese mit Diamantpulver gefüllt. Um das polykristalline kubische Bornitrit zu bilden, werden die Nuten mit kubischem Bornitritpulver gefüllt. PCD wird hierbei als eine gebräuchliche Abkürzung für polykristallines Material, ob nun Diamant oder kubisches Bornitrit, verwendet.
• Gemäß Figur 2 zeigt das Ende 13 des Fräsers weiterhin die die Vorderkante 15 des Metalls zwischen den Rillen bildenden Nuten, wobei das polykristalline Material (PCD) innerhalb der Nuten verdichtet und gesintert ist. Eine Schneidkante oder -lippe 32 wird in das PCD-Material geschliffen, nachdem der Sinterschritt (der schematisch dargestellte Prozeß aus Figur 6) abgeschlossen ist.
• Gemäß Figur 3 wird der gesinterte Wolframcarbidschneidwerkzeugsrohteilkörper mit z.B. vier darin schraubenförmig ausgeführten Nuten 18 gebildet. Vorzugsweise werden die Rillen 14 im Körper gebildet, nachdem das diamantartige Material in den Rillen gesintert wurde. Die schraubenförmig ausgebildeten Nuten sind entlang den äußeren Umfangswänden des Rohteils äquidistant beabstandet und stellen eine Aufnahme für das dort hinein gepackte PCD-Pulver dar. Die Seiten 20 der schraubenförmigen Nuten gehen vorzugsweise in einen abgerundeten Boden 22 der Nut über. Identische Seiten 20 werden in den anderen Nuten gebildet. Der Grund für den gerundeten Boden der Nut ist der sicherzustellen, daß das diamantartige Pulvermaterial in die Nut gepackt wird, ohne daß Hohlräume wahrscheinlich sind. Wenn die Seiten der Nut 90º auf dem Boden der Nut stehen würden, könnten die scharfen 90º-Kanten Spannungszentren und Hohlräume im diamantartigen Material verursachen.
• In Figur 4 ist nun ein alternatives Rotationsschneidwerkzeugsrohteil 110 dargestellt. mit einem Paar Nuten 118, die in dem Rohteilkörper 112 ausgebildet sind.
• Man kann Diamantschaftfräser ebenso mit einer oder mehreren Rillen ausbilden, die im wesentlichen parallel zu einer Achse des Fräserrohteilkörpers verlaufen (nicht gezeigt).
• Weiterhin könnte man auch Schneider entlang der Enden 13 und 113 der Rohteilkörper 12 und 112 vorsehen, um Einsteck- und fräsvorgänge zu verbessern, ohne sich vom Gegenstand dieser Erfindung zu entfernen.
• Nun Bezug nehmend auf die Figuren 1, 2 und 5, werden die Nuten 18 und 118 mit Pulver 30 und 130 gefüllt und in einer Presse gesintert. Das polykristalline Material wird in den schraubenförmigen Nuten des Wolframcarbidrohteilkörpers gebildet. Eine feste Masse des polykristallinen Materials in den Nuten 18 und 118 wird dann in den Rohteilseitenwänden der Schaftfräskörper 12 und 112 gebildet. Das Schaftfräserrohteil wird dann normalerweise durch Schleifen oder durch elektrische Entladungsbearbeitung bearbeitet, um die Rillen 14 zu bilden. Ein nachfolgender Schleif- oder EDM-Schritt bildet dann die Schneidfläche oder die Schneidkanten 32 auf den Seiten der Rohteilkörper 12 und 112 aus.
• Nachfolgend ein Beispiel eines Prozesses, um ein 3/8 inch (9,5 mm)- Schaftfräserschneidwerkzeug zu formen. Nun Bezug nehmend auf Figur 6, wird ein Carbidrohteil mit z.B. vier in dem Rohteil ausgebildeten Rillen leicht gegenüber dem Durchmesser des Schaftfräserrohteils überdimensioniert (bis zu 1 mm). Der Schaftfräser wird auf den passenden Durchmesser gebracht, nachdem der Sinterschritt abgeschlossen ist. Wie zuvor erwähnt, wird der Schaftfräserrohteilkörper vorzugsweise aus einem gesinterten Wolframcarbidmaterial gebildet. Die schraubenförmig ausgeformte Nut wird in dem Körper benachbart zu jeder der Rillen mit einer Tiefe von etwa 1,2 mm und mit einer Breite der Rille von etwa 1,5 mm gebildet. wobei die Seitenwände 20 in den abgerundeten Boden 22 der schraubenförmigen Nut in eine größere Öffnung auf der Oberfläche der Rillen 14 übergehen. Wie zuvor erwähnt ist die Nut so ausgelegt, daß sie sicherstellt, daß das Pulvermaterial ohne Blasen in die Nut gepackt werden kann.
• Das Pulvermaterial ist vorzugsweise Diamantpulver von 3 bis 60 Mikrometer Korngröße. Der bevorzugte Größenbereich des Pulvers liegt zwischen 4 und 3O Mikrometer. Der Binder für das Diamantpulver ist Kobalt, welches mit dem Diamantpulver gemischt und in die Nuten gepackt werden kann oder welches das Diamantpulver von dem benachbarten gesinterten Wolframcarbid aus infiltrieren kann. Ein passendes Verhältnis von Kobalt zu Diamant ist 6 bis 15 % Kobalt Gewichtsanteil. Der bevorzugte prozentuale Anteil ist 13 % Kobalt. Ein lückenfüllendes Material aus kleiner dimensioniertem Diamantpulver kann mit den größeren Diamantpartikeln vermischt werden. Das lückenfüllende Diamantpulver weist eine Größe von vorzugsweise 1 bis 3 Mikrometer auf.
• Die Nuten im Wolframcarbidkörper oder -rohteil werden vorzugsweise durch leichtes Runden der Ecken der der Rillen benachbarten Vorderkanten gebildet. Die Gründe für das "Abstumpfen" der Kanten an den Rillen werden durch die weitere Diskussion des Prozesses sichtbar. Das Rohteil 12 wird dann in eine "Getter"-Hülse oder Kapsel 31 gebracht. Das Gemisch aus Diamantpulver und Kobalt wird dann in die Nuten 18 gebracht. "Getter" ist ein reaktives Metall, welches mit Kontaminierungen und Oxiden reagiert, um eine bessere Diamantbindung zu erzielen. Die Getter verbinden sich mit Unreinheiten in dem Gemisch, um eine bessere Verwendung zu erreichen. Ein typisches Gettermaterial wird aus der Gruppe, die aus Zirkonium, Niob, Tantal und Hafnium besteht, ausgewählt. Die Kapsel 31 ist z.B. aus Niob-Getter-Material gebildet und über das in den Nuten gepreßte und in beiden Rillen gebildete Diamantpulver gelegt. Der Schaftfräserkörper wird dann durch einen Preßring 51 gedrückt, um das Rohteil kompakter zu machen. Die zweite Hülse 53 aus Niob wird dann durch den Preßring 54 gedrückt, um die zweite Hülse 53 vollständig dicht über die erste Hülse 31 zu drücken. Die das Rohteil beinhaltende abgedichtete Hülse, von jetzt an durchgehend mit SS bezeichnet. wird dann durch eine Vorpreßstufe 56 geschleust. Die Hülse 55 wird zuerst durch ein Salz 57 umgeben und dann in eine Vorpreßpresse 56 gebracht, um die Hülse 55 weitergehend zu pressen. Die Hülse ist während der Vorpreßpresse etwa 100 ksi (7000 kg/cm²) ausgesetzt. Der Bereich des Drucks auf die Hülse kann beispielsweise zwischen 3500 und 7000 kg/cm² liegen. Dies stellt sicher, daß das in den Niobhülsen 50 und 53 eingeschlossene Rohteil vor dem Sinterschritt so dichtgepackt wie möglich ist. Die komprimierte Hülse 55 ist nun bereit für den Sinterschritt. Der Grund die Ecken abzustumpfen ist, die Niobhülsen davor zu bewahren, während der Vorpreßstufe zerschnitten zu werden.
• Die Hülse 55 wird in einen Pyrophyllit-Würfel eingebracht. Der Würfel, durchgehend bezeichnet mit 60, ist mit Salzringen 57 bepackt und durch ein Graphitmaterial 66 begrenzt. Der Würfel 60 wird dann mit einer Titanschreibe 65, gefolgt durch eine Glimmerringprallfläche 64 und eine weitere Titanscheibe 63, oben abgeschlossen. Ein relativ dicker Stahlring 62 umgibt ein Pyrophyllitabschlußmaterial 61. Beide Enden des Pyrophillit-Würfels weisen denselben Aufbau auf und schließen daher die Hülse 55 innerhalb der Salzringe 57 in der Mitte des pyrophyllitischen Würfels 60.
• Der zusammengesetzte Würfel 60 kommt dann in die Presse 70. Der Würfel 6() wird bei einer Temperatur von ungefähr 1300 bis 1600ºC bei genügendem Druck gepreßt, oder bei etwa 1 Million Pfund pro Quadratzoll (70000 kg/cm²), um in situ in den Nuten polykristallinen Diamant zu bilden. Die Verweilzeit in der Presse beträgt etwa 10 Minuten. In einem speziellen Beispiel wird die Temperatur schrittweise über eine Periode von etwa 4 Minuten auf 1400ºC erhöht. Dann wird der Würfel 60 auf einer Temperatur von 1400 bis 1500ºC für etwa 1 Minute gehalten und anschließend während etwa 5 Minuten abgekühlt. Ein wichtiger Aspekt dieses Prozesses ist, daß das Aufheizen relativ langsam mit einer langsamen Abkühlperiode vor sich geht. Dies geschieht vorzugsweise, um verbleibende Verspannung in dem fertiggestellten Rotationsschneider zu reduzieren.
• Die gesinterte Hülse 55 wird darauffolgend aus dem pyrophyllitischem Würfel 60 herausgebrochen. Der gesinterte Schaftfräserrohteilkörper befindet sich immer noch in den Hülsen 31 und 53 des Niobmaterials. Der eingeschlossene Schaftfräskörper wird dann in ein Bad aus geschmolzenem Kaliumhydroxid geworfen. Das Kaliumhydroxid dient dazu, das Hülsenmaterial aus Niob von dem Rohteil zu lösen.
• Der Rohteilkörper 12 wird dann nach dem Sinterschritt auf einen Frässchaft 16 hartgelötet. Das Rohteil mit daran angebrachtem Schaft wird dann auf den endgültigen Durchmesser geschliffen, bevor der polykristalline Diamant und die Hinterschleifwinkel wie benötigt geschliffen werden.
• Der vorgesinterte polykristalline Diamant kann durch einen in der US- PS 4,797,241 beschriebenen Schritt hergestellt werden.
• Wie oben erwähnt kann kubisches Bornitrit bei der Herstellung dieser Frässchneidwerkzeuge oder ähnlichem anstelle von Diamant verwendet werden, ohne vom Gegenstand dieser Erfindung abzweichen.

Claims (8)

1. Rotationsschneidwerkzeug (10) mit sich schraubenförmig entlang seiner Länge erstreckenden Schneidkanten (32) aus hartem Material, gekennzeichnet durch ein Rotationsschneidwerkzeugrohteil (12) mit mindestens einem Paar schraubenförmiger Nuten (18) in den Seitenwänden des Rohteils und einem harten Material (30) innerhalb der Nuten, ausgewählt aus der Gruppe, die aus polykristallinem Diamant und polykristallinem kubischen Bornitrit besteht, wobei das harte Material eine Schneidkante (32) aufweist, welche entlang seiner Vorderkante ausgebildet ist, wobei das polykristalline harte Material in situ in den Nuten (18) geformt wird.

2. Rotationsschneidwerkzeug nach Anspruch 1 mit mindestens einem Paar sich länglich entlang des Schneidwerkzeugrohteils erstreckender Rillen (14), wobei das polykristalline harte Material in jeder der Nuten in einer Vorderkante des Schneidwerkszeugrohteils geformt wird, die benachbart zu einer Rille liegt.

3. Rotationsschneidwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Schneidwerkzeugrohteil aus gesintertem Woframcarbid besteht.

4. Rotationsschneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin mit einem verbindenden Schaft (16) aus Stahl oder gesintertem Wolframcarbid, welches an ein Ende der Schneidwerkzeugsschneide hartgelötet ist.

5. Rotationsschneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich die Nuten (18) schraubenförmig entlang des Schneidwerkzeugs erstrecken.

6. Verfahren zum Herstellen eines Rotationsschneidwerkzeuges mit den Schritten:

ein Rotationsschneidwerkzeugrohteil (12) aus gesintertem Wolframcarbid zu formen, wobei polykristallines hartes Material in einem schraubenförmigen Weg entlang der Länge des Rohteils versehen wird, und eine Schneidkante (32) entlang einer Vorderkante des harten Materials zu formen; und

gekennzeichnet durch die Schritte,

mindestens ein Paar sich länglich auf einer Außenoberfläche des Rohteils erstreckender Nuten (18) auszubilden,

die Nuten mit hartem Material (30), ausgewählt aus der Gruppe, die aus Diamant und kubischen Bornitrit besteht, auszufüllen, und

das Rotationsschneidwerkzeugrohteil unter genügendem Druck zu pressen, um in situ polykristallines Diamant und polykristallines kubisches Bornitrit innerhalb der Nuten (18) auszubilden.

7. Verfahren nach Anspruch 6 weiterhin mit dem Schritt, sich längs erstreckende Rillen (14) in dem Schneidwerkzeugrohteil entlang einer Vorderkante des polykristallinen harten Materials nach Bildung des polykristallinen harten Materials in situ auszubilden.

8. Rotationsschneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, in dem das harte Material kubisches Bornitrit enthält.