DE69309596T2

DE69309596T2 - Kugelstirnfräser

Info

Publication number: DE69309596T2
Application number: DE69309596T
Authority: DE
Inventors: Bjoern Hakansson; Rolf Oskarsson; Holst Peder Von
Original assignee: Sandvik AB
Current assignee: Sandvik AB
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: US5558475A; DE69309596D1; JPH06218613A; SE9202838D0; IL107106A0; EP0591122A1; ATE151323T1; EP0591122B1; IL107106A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kugelstirnwerkzeuge, vorzugsweise Kugelstirnfräser, mit verbesserten Eigenschaften.
Kugelstirnfräser sind fortschrittliche Werkzeuge, die gleichzeitig die meisten sich verändernden Arbeitsbedingungen ertragen müssen. Das am stärksten unterscheidende Merkmal von Kugelstirnfräsern besteht aus guten Schneideigenschaften, die in der Form von Verschleißbeständigkeit und der Fähigkeit, hohen Temperaturen am Umfang, d. h. bei voller nominaler Maßhaltigkeit, zu widerstehen und gleichzeitig, wie für das Werkzeug erforderlich ist, Späne zu erzeugen und als ein Schneidwerkzeug in der Mitte zu arbeiten, wo sich die Schneidgeschwindigkeit null nähert. Zwischen dem Umfang und der Mitte gibt es eine kontinuierliche Veränderung der Schneidgeschwindigkeit durch alle möglichen sich bildenden Kantenflächen usw.
Kugelstirnfräser werden oftmals bei schwierigen Arbeiten verwendet, wo die Anforderungen bei Oberflächenfeinbearbeitung sehr hoch sind, wie beispielsweise in der Luftfahrtindustrie, beim Fräsen von Tragflächenholmen usw. Bei dieser Anwendung können überhaupt keine Ungleichmäßigkeiten und Kerben toleriert werden, die später Fehler verursachen könnten. Ein anderes großes Anwendungsgebiet ist die Feinbearbeitung von Formwerkzeugen, wo die Anforderungen an gute Oberflächenfeinbearbeitung, Formgenauigkeit mit gleichzeitiger hoher Produktivität und vorhersagbarer langer Werkzeugstandzeit besonders groß sind. Weiterhin kann das Werkzeug während der maschinellen Bearbeitung nicht ausgetauscht werden, da dies zu einer schlechteren Präzision des bearbeiteten Teils führen könnte.
Die Geometrien, die normalerweise bei heutigen herkömmlichen Werkzeugen vorliegen, seien sie nun aus zähen Materialien, wie Hochgeschwindigkeitsstahl, oder spröden, stärker verschleißbeständigen Gleitmaterialien, wie Sintercarbid, hergestellt, haben oftmals einen negativen Spanwinkel und einen kleinen Spanraum in und nahe der Mitte des Kugelstirnfräsers. Die Nachteile mit diesem Werkzeug sind hauptsächlich hohe Schneidkräfte und ungenügender Raum für den Span in der Mitte, was zu ungleichmäßigem Verschleiß und der Gefahr von Kantenzerstörungen führt.
Durch die schwedische Patentschrift SE-392 482 ist ein Werkstoff bekannt, der 30 bis 70 Vol.% Hartbestandteile im Untermikronbereich in einer metallischen Bindephase enthält. Dieser Werkstoff hat überlegene Verschleißbeständigkeit im Vergleich mit fortschrittlichem Hochgeschwindigkeitsstahl und kann daher als Eigenschaften zwischen Sintercarbid und Hochgeschwindigkeitsstahl besitzend angesehen werden. Weiterhin beschreibt die schwedische Patentschrift SE-440 753 überlegene Verbundwerkzeuge unter anderem mit dem obigen Werkstoff in den Bereichen, die hoher Schneidgeschwindigkeit ausgesetzt werden, und mit Hochgeschwindigkeitsstahl in der Mitte für Bohranwendungen, wo es das Problem mit der Geschwindigkeit null gibt. Der Zweck dieser letzteren Erfindung war es, mit Hilfe eines zäheren Kernes teils ein Werkzeug mit besserer Makrozähigkeit zu erhalten und teils bessere Schleifwirtschaftlichkeit zu erzielen, da an Hartbestandteil reiches Material sich als schwieriger zu schleifen erweist als beispielsweise Hochgeschwindigkeitsstahl. Außerdem erwiesen sich das Problem der Geschwindigkeit null und die Entstehung von Kantenbildungsbereichen als problematisch für den harten Werkstoff im Untermikronbereich mit 30 bis 70 Vol.% Hartbestandteilen.
Patent Abstracts of Japan und die JP-A-62-292 313 beschreiben ein massives Werkzeug, das aus einem harten Werkstoff mit Hartbestandteilen im Untermikronbereich (0,5 µ) in der Form von Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden von Ti in einer Metallmatrix auf der Basis von Co und/oder Ni besteht.
Es erwies sich nun als möglich, teils das Zähigkeitsverhalten des oben diskutierten Untermikron-Hartmaterials so zu verbessern, daß lange, schlanke, massive Werkzeuge mit guter Makrozähigkeit und hoher Biegesteifheit gemacht wurden, und teils auch die Schleiftechnik bis zu einem wirtschaftlich vernünftigen Zustand zu entwickeln, um in der Lage zu sein, vorgerückte Kanten selbst in der Mitte eines Werkzeuges, in diesem Fall eines Kugelstirnfräsers, zu schleifen. In Verbindung mit fortschrittlichen Geometrien war es möglich, bemerkenswert fortschrittliche Werkzeuge mit ungewöhnlicher Fähigkeit zur Spanbildung oder Entstehung von Kantenbildung über einen sehr breiten Bereich der Schneidgeschwindigkeit auf diese Weise zu produzieren. Dies führt zu geringem Verschleiß und einer beibehaltenen scharfen Schneidkante, was gute Genauigkeit der Form und sehr gute Oberflächen des Werkstückes erzeugt. Dies gilt auch für Werkstückmaterialien, die üblicherweise als maschinell sehr schwierig zu bearbeiten angesehen werden. Die Werkzeuge werden vorzugsweise in beschichtetem Zustand verwendet, und dies ist dann die sogenannte PVD-Methode, die am aktuellsten ist. Der Überzug wird hauptsächlich mit hartem Material auf Titanbasis, wie TiN, Ti(C, N), (Ti, Al)N usw., hergestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es nun lange, schlanke, massive Kugelstirnwerkzeuge, vorzugsweise Kugelstirnfräser, eines harten Materials mit 30 bis 70 Vol % Untermikron-Hartbestandteilen in der Form von Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W in einer metallischen Matrix auf der Basis von Fe, Co und/oder Ni. Vorzugsweise besteht das harte Material aus 30 bis 70 Vol.% Hartbestandteilen, hauptsächlich TiN, in einer Matrix vom Hochgeschwindigkeitsstahltyp, worin die angereicherten Hartbestandteile eine Korngröße von < 1 µm, vorzugsweise < 0,5 µm haben. Mit Hilfe einer gut abgeglichenen Kombination zwischen Werkzeugmaterial und Werkzeuggeometrie können einzigartige Werkzeuge mit überlegener Leistung erhalten werden. Das Material zeigt durch seine feine Korngröße und gute Dispergierung der Hartbestandteile mit der Bindephase eine einzigartig gute Haftfähigkeit für eine durch PVD aufgebrachte reine Hartbestandteilsschicht. Diese Methode ergibt sonst oftmals weniger gute Haftung im Vergleich zu der stärker metallurgischen Bindung, die bei der sogenannten CVD-Methode entsteht. Der Grund ist in erster Linie, daß CVD bei höherer Temperatur stattfindet. Die Schichten, die aufgebracht wurden, sind primär auf Titanbasis, und speziell gute Eigenschaften wurden mit Ti(C, N) erhalten, doch selbst (Ti, Al)N zeigt große Vorteile. Besonders ausgezeichnete Eigenschaften wurden mit 2 bis 4 µm Ti(C, N) erhalten.
Werkzeuge nach der Erfindung funktionieren sehr gut beim Schneiden von normalem Stahl und bei hartem Werkstückmaterial mit einer Härte von 250 bis 450 HB, wie Werkzeugstahl, anhaftendem Werkstoff, wie rostfreiem Stahl, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen.
Die Erfindung wird in der beigefügten Zeichnung beschrieben, worin
Fig. 1 das Werkzeug in einer Seitenansicht zeigt,
Fig. 2 einen Schnitt durch das Werkzeug entlang Linie B-B in Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 eine Ansicht des Werkzeugs vom Ende zeigt,
Fig. 4 einen Schnitt durch das Werkzeug entlang der Linie A-A in Fig. 1 zeigt und
Fig. 5 eine Seitenansicht des Vorderendes des Werkzeuges zeigt.
Die einzigartigen zähen und verschleißbeständigen Eigenschaften des Werkstoffes machten es möglich, einen Kugelstirnfräser mit leicht schneidender und dauerhafter Geometrie entlang dem gesamten Radius zu entwickeln. Dies wurde erhalten, indem das Werkzeug mit konstantem positivem Spanwinkel (3) mit der Größe + 8º ± 2º entlang dem gesamten Radius (4) und einem kontinuierlichen dimensionsabhängigen, zur Mitte hin, wo der Freiwinkel 10º ± 2º ist, abnehmendem Freiwinkel (1) und (5) geformt wurde. In dem Durchmesserbereich von 4 bis 20 mm variiert der Freiwinkel am Umfang zwischen 17 ± 2º für 4 mm Durchmesser bzw. 12 ± 2º für 20 mm Durchmesser. Diese Winkel werden in der Ebene senkrecht zur Schneidkante gemessen. Das Werkzeug enthält weiterhin wesentlichen Spanraum in der Mitte des Werkzeuges und einen kleinen Abstand (3) zwischen den einander gegenüberliegenden geschliffenen Kugelstirnkanten, nämlich 0,10 ± 0,5 mm, bis 0,25 ± 0,05 mm jeweils für den Abmessungsbereich 4 bis 20 mm. Der obenerwähnte Spanraum enthält eine Extravertiefung von 0,35 bis 0,75 mm, die auf beiden Seiten der Mitte (6) eingeschliffen ist.
Außerdem bekommt die Schneidkante des Werkzeugs eine Kantenabrundungsbehandlung, die kontinuierlich zu der Mitte des Werkzeuges von 10 bis 30 µm auf dem Umfang bis auf weniger als 10 µm in der Mitte, vorzugsweise 10 bis 20 µm auf dem Umfang und weniger als 5 µm in der Mitte, abnimmt. Dies führt dazu, daß die Werkzeuge ganz in der Mitte schneiden trotz der Tatsache, daß der Span dort infolge der Form des Kantenradius extrem dünn wird.
Was oben für die massiven Werkzeuge gesagt wurde, gilt auch für massive Werkzeuge mit angeschweißtem Schaft aus anderem Material. Das wesentliche ist, daß alle Schneidkanten aus massivem Hartwerkstoff bestehen.
Der Abmessungsbereich wurde oben als ∅ 4 bis 20 mm beschrieben, kann natürlich aber auch vergrößert werden, wie beispielsweise auf ∅ 3 bis 25 mm.

Beispiel

Das nachfolgende Beispiel zeigt im einzelnen, wie Material und Geometrie zu Produkten mit überlegenen Eigenschaften vereinigt wurden. Ein massiver Stab mit einer Abmessung von 9,6 mm einschließlich Kapsel wurde mit dem Verfahren nach dem obenerwähnten Patent SE-440 753, Beispiel 3 stranggepreßt. Aus diesem Stab wurden 8 mm Kugelstirnfräser mit unterschiedlichen Geometrien nach Hitzebehandlung geschliffen. Die Werkzeuge wurden mit einem 2 bis 4 µm dicken TiCN-Überzug nach der an sich bekannten PVD-Technik beschichtet. Ein Feinbearbeitungstest in SS 2541 wurde anschließend mit herkömmlichem Hochgeschwindigkeitsstahl und Sintercarbidwerkzeug sowie mit im Hause hergestellten Werkzeugen durchgeführt.

Werkzeug A:

Kugelstirnfräser nach der vorliegenden Erfindung mit einem vom Umfang zur Mitte hin abnehmendem Freiwinkel von 15 bis 10º und abnehmender Kantenrundung von 20 bis 5 µm.

Werkzeug B:

Kugelstirnfräser großenteils nach der Erfindung und wie Werkzeug A, aber mit konstantem Freiwinkel von 15º und abnehmender Kantenrundung von 20 bis 5 µm.

Werkzeug C:

Kugelstirnfräser, hergestellt aus massivem feinkörnigem Sintercarbid, beschichtet mit 2 bis 4 µm PVD-Überzug mit konstantem Freiwinkel von 10º und scharfer Kante.

Werkzeug D:

Kugelstirnfräser, hergestellt aus massivem hochlegiertem Hochgeschwindigkeitsstahl, beschichtet mit 2 bis 4 µm TiCN-PVD-Überzug mit konstantem Freiwinkel von 11º und scharfer Kante.
Die Werkzeuge wurden bei der Feinbearbeitung eines Formwerkzeugs mit einer axialen Schneidtiefe von 1 mm und einer radialen Schneidtiefe von 1 mm getestet.
Die Schneidwerte und das Ergebnis sind in der nachfolgenden Tabelle gezeigt:
Die Schneiddaten folgten der Empfehlung des Herstellers.
Der Test zeigte, daß das Testwerkzeug A nach der Erfindung klar die besten Ergebnisse im Sinne langer Werkzeugstandzeit, abgeglichenen Verschleißes und guter Oberflächenfeinbearbeitung des Werkstückes ergab.
Das Testwerkzeug B ergab schlechtere Ergebnisse als das Werkzeug A nach der Erfindung mit weniger abgeglichenem Verschleiß infolge kleiner Spanbildung.

Claims

1. Massives Kugelstirnwerkzeug aus einem harten Material mit 30 bis 70 Vol.% Untermikron-Hartbestandteilen in der Form von Carbiden, Nitriden und/oder Cabonitriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W in einer metallischen Matrix auf der Basis von Fe, Co und/oder Ni, wobei dieses Werkzeug einen konstanten positiven Spanwinkel (3) entlang dem gesamten Kugelstirnradius (4) von +8 ± 2º und einen Freiwinkel (1, 5), der kontinuierlich entlang dem gesamten Kugelstirnradius zu der Mitte hin abnimmt, wo er 10 ± 2º beträgt, hat, wobei die beiden Winkel in einer Ebene senkrecht zu der Schneidkante gemessen werden.

2. Kugelstirnwerkzeug nach dem vorausgehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenabrundung kontinuierlich von 10 bis 30 µm am Umfang zu < 10 µm in der Mitte abnimmt.

3. Kugelstirnwerkeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser 4 bis 20 mm ist, wobei der Freiwinkel (1) am Umfang 17 ± 2º für den Durchmesser von 4 mm ist und auf 12 ± 2º für den Durchmesser von 20 mm abnimmt.

4. Kugelstirnwerkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das harte Material aus 30 bis 70 Vol.% Hartbestandteilen von hauptsächlich TiN in einer Matrix vom Hochgeschwindigkeitsstahltyp besteht, wo die angereicherten Hartbestandteile eine Korngröße von < 1 µm haben.

5. Kugelstirnwerkzeug nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer 2 bis 4 µm dicken Schicht von TiCN beschichtet ist.