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Die Erfindung betrifft ein Werkzeugteil
und insbesondere ein Werkzeugteil für ein Schneidwerkzeug.
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Das Hochgeschwindigkeitsdrehen von schwierig
zu bearbeitenden Materialien, wie Kugelgraphitguss, Stähle und
Eisen-, Kobalt- oder
Nickel-basierten Superlegierungen ist ein wichtiger Industriezweig.
Diese Materialien enthalten Eisen, Nickel oder Kobalt und haben
gemeinsam, dass sie sogar bei mäßigen Schneidgeschwindigkeiten
hohe Bearbeitungstemperaturen entwickeln. Somit haben thermisch
aktivierte Prozesse, wie Adhäsion,
Diffusion oder chemische Reaktionen, einen wesentlichen Anteil am
Gesamtverschleiß eines
zum Drehen dieser Materialien verwendeten Schneidrands. Ferner haben
diese Materialien eine große
intrinsische Härte
oder werden während
der Bearbeitung kaltverfestigt, oder enthalten harte Partikel, die
Werkzeugmaterialien erfordern, die eine ausgeprägte Heißhärteeigenschaft aufweisen.
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PCD (polykristalliner Diamant) kann
aufgrund der hohen Affinität
von Kohlenstoff mit Eisen-, Kobalt- und Nickel-basierten Materialien
nicht verwendet werden, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß führt, wenn
Schneidtemperaturen von 600– 700°C überschritten
werden.
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Wolframcarbid ist nur bei geringen
Schneidgeschwindigkeiten geeignet, da es eine hohe Reaktivität mit Eisen,
Kobalt und Nickel aufweist, und beginnt bei Bearbeitungstemperaturen
von ca. 700–800°C zu erweichen.
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Andere keramische Schneidwerkzeuge
haben eine bessere Heißhärte als
Wolframcarbid und können
chemisch stabil sein. Aluminiumoxid-basierte Werkzeuge sind die
chemisch stabilsten Materialien, jedoch zeigen sie eine geringe
thermische Leitfähigkeit
und eine relativ schlechte thermische Schlagfestigkeit. Si3N4 und Sialon-basierte
Werkzeuge haben eine bessere thermische Leitfähigkeit und thermische Schlagfestigkeit,
sind jedoch chemisch weniger stabil. Ein weiterer begrenzender Faktor
von keramischen Schneidwerkzeugen ist ihre intrinsische Brüchigkeit.
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PCBN (polykristallines CBN) ist vermutlich das
am meisten geeignete existierende Werkzeugmaterial, um die obigen,
schwierig zu bearbeitenden Materialien, zu bearbeiten. Es ist chemisch
stabiler als Diamant in Kombination mit den betreffenden Werkstücken und
weist auch eine hohe Abriebbeständigkeit
bis zu hohen Bearbeitungstemperaturen auf. Jedoch versagen sogar
PCBN-Werkzeuge bei hohen Geschwindigkeiten durch thermisch aktivierten
chemischen Verschleiß.
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Eine gewisse Verbesserung in der
Verschleißbeständigkeit
von Carbid und PCBN beim Bearbeiten von schwer zu bearbeitenden
Ferro-Materialien ist durch Aufbringen von dünnen, chemisch inerten Beschichtungen
aus Materialien, wie TiN, Al2O3,
HfN, TiAlN und dergleichen, erzielt worden. Solche Beschichtungen
wirken als eine Diffusionsschranke und vermindern die Werkzeuglösung im Werkstück. Jedoch
sind diese Beschichtungen grundsätzlich
mit Kolkverschleiß an
der Werkzeug-Chip-Grenzfläche
verbunden und helfen wenig beim Vermindern von Flankenverschleiß.
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US-A-4 239 502 offenbart eine Silber-Mangan-Zirkon-Lötlegierung mit einem Prozentsatz
von Silber, welcher wenig stens 80% übersteigt, zur Verwendung in
einem Verfahren zur Herstellung von starken Verbindungen mit hoher
Wärmeleitfähigkeit zwischen
Diamant oder kubischem Bornitrid (CBN) und einem Molybdän- oder
Wolfram-Stützglied.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst ein Werkzeugteil ein Verschleißteil, welches einen Schneidrand
oder -punkt und ein thermisch leitfähiges Element mit einer thermischen
Leitfähigkeit,
die größer ist
als jene des Verschleißelements,
in einem thermischen Kontakt mit dem Verschleißelement aufweist, um die an
dem Schneidrand oder -punkt erzeugte Wärme von einem solchen Rand
oder Punkt wegzuleiten, wobei das Verschleißelement PCBN oder PCD umfasst,
welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das thermisch leitfähige Element
CVD-Diamant oder PCD ist.
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Das thermisch leitfähige Element
hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit,
die vorzugsweise 120 W/m °K übersteigt.
Die Verwendung eines thermisch leitfähigen Elements gewährleistet,
dass die an dem Schneidrand oder -punkt erzeugte Wärme so schnell wie
möglich
von diesem Rand oder Punkt weggeleitet wird. Das thermisch leitfähige Element
kann in einem thermischen Kontakt mit einem größeren Körper eines weiteren Materials
mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit sein.
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Das Verschleißelement ist PCBN oder PCD.
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Die thermische Leitfähigkeit
des thermisch leitfähigen
Elements ist größer als
jene des Verschleißelements.
Somit kann im dem Fall, dass das Verschleißelement PCBN ist, das thermisch
leitfähige
Element CVD-Diamant oder PCD sein. Ferner, wenn das Verschleißelement
PCD ist, kann das thermisch leitfähige Element einzelkristalliner
oder polykristalliner CVD-Diamant
sein.
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In dem Werkzeugteil der Erfindung
kann das thermisch leitfähige
Element eine Schicht sein, die in einem thermischen Kontakt mit
einer Oberfläche
des Verschleißelements
ist. In einer Form der Erfindung weist das Verschleißelement
eine Oberfläche
auf, die zu einem Schneidrand oder -punkt führt, und das thermisch leitfähige Element
ist an diese Oberfläche gebunden.
In einer anderen Form der Erfindung weist das Verschleißelement
eine Oberfläche,
die zu dem Schneidrand oder -punkt führt, und eine gegenüberliegende
Oberfläche
auf, und das thermisch leitfähige Element
ist mit der gegenüberliegenden
Oberfläche verbunden.
In diesen Formen der Erfindung haben das Verschleißelement
und das thermisch leitfähige Element
im allgemeinen beide eine Schichtenform.
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Das Verschleißelement kann auch einen Einsatz
formen, der sich in einer Aussparung in dem thermisch leitfähigen Element
befindet.
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Das thermisch leitfähige Element
kann in der Zusammensetzung einheitlich sein, oder Bereiche haben,
die sich in der thermischen Leitfähigkeit unterscheiden. Wenn
sich die Bereiche in der thermischen Leitfähigkeit unterscheiden, können die
Bereiche in der thermischen Leitfähigkeit von dem Verschleißelement
aus zunehmen. Die in der thermischen Leitfähigkeit sich unterscheidenden
Bereiche können
auch alternierende Bereiche sein. Solche Bereiche können Bereiche
aus einem Material sein, die eine thermische Leitfähigkeit
haben, die größer ist
jene des Verschleißelements,
welche sich mit Bereichen eines Materials, das die gleiche oder
eine niedrigere thermische Leitfähigkeit aufweist
als das Verschleißelement,
abwechseln. Die alternierenden Bereiche können in Streifenform oder in
spiraliger oder konzentrischer Ringform vorliegen.
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Das Werkzeugteil der Erfindung kann
an ein Substrat, wie ein Sintercarbidsubstrat, gebunden sein. Das
Sintercarbidsubstrat ist typisch ein Wolframcarbidsubstrat. Das
thermisch leitfähige
Element ist im allgemeinen zwischen dem Verschleißelement und
dem Substrat in Sandwichanordnung eingefügt.
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Die Erfindung zeigt ferner ein Verfahren
zum Schneiden oder Drehen eines Materials, welches die Schritte
Bereitstellen eines Schneidrands oder -punkts eines Werkzeugteils,
wie oben beschrieben, Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Schneidpunkt
oder -rand und dem Material und Vorbringen des Schneidrands oder
-punkts in das Material umfasst. Das Vorbringen des Schneidrands
oder -punkts in das Werkstück
kann erreicht werden, indem entweder das Werkstück, der Schneidrand oder -punkt,
oder beide bewegt werden. Dieses Verfahren ist insbesondere auf
das Schneiden von Materialien, welche Eisen, Nickel, oder Kobalt
mit PCBN enthalten, anwendbar.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Seitenschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines Werkzeugteils
der Erfindung,
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2 ist
eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
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3 ist
eine Ansicht entlang der Linie 3-3 von 2,
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4 ist
eine Explosionsdarstellung von 2,
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5 ist
eine schematische Ansicht eines Werkzeugteils, das ein Werkstück schneidet,
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6 ist
eine Seitenschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
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7 ist
eine Seitenschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
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8 ist
eine Ansicht von 7 in
der Richtung von Pfeil A.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wenn die Verschleißschicht
eine PCBN-Schicht ist, besteht sie im allgemeinen aus einer polykristallinen
Masse aus CBN-Partikeln
und einer hochschmelzenden Bindemittelphase. Die hochschmelzende
Bindemittelphase kann Carbide, Nitride, Boroxide oder Silicide von
Metallen der Gruppe IVb, Vb, VIb, Silikoncarbid, Silikonnitrid oder
Aluminiumoxid, -borid oder -nitrid umfassen. Die bevorzugten Materialien
der Bindemittelphase sind Carbide, Nitride und Kohlenstoffnitride
von Titan, Zirkon und Hafnium.
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Beispiele geeigneter PCBN-Materialien
sind jene, die unter den Marken Amborit® und
DBC50® verkauft
werden.
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Wenn das thermisch leitfähige Element
die Form einer Schicht annimmt, insbesondere, wenn diese Schicht
Diamant oder ein Diamant-enthaltendes Material ist, kann sie einige
wenige Nanometer, z. B. 100 Nanometer, dünn sein. Je dicker die Schicht ist,
desto schneller wird die Wärme
von dem Schnei drand oder -punkt entfernt, und desto niedriger ist
die Bearbeitungstemperatur dieses Rands oder Punkts.
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Wenn das Verschleißelement
in der Form einer Schicht vorliegt, wird deren Dicke von der beabsichtigten
Tätigkeitsart,
d. h. ob ein Aufrauen oder Polieren gewünscht ist, und der zugehörigen maximal
zulässigen
Verschleißkratzerbreite
bestimmt. Dünnere
Schichten als bei derzeit erhältlichen
Werkzeugteilen sind möglich.
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Die in dem Verschleißelement
eingesetzte Partikelgröße hängt von
den Eigenheiten der beabsichtigten Tätigkeit und dem Werkstückmaterial
ab. Zum Beispiel in dem Fall einer PCBN-Schicht werden für ein Polieren
feinkörnige
CBN-Partikel verwendet, welche typischerweise kleiner als 2 μm sind, wohingegen
für ein
Aufrauen mit hoher Materialentfernungsrate gröbere CBN-Partikel verwendet werden.
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Nun werden Ausführungsformen der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Zunächst
sei Bezug auf 1 genommen,
wo ein Werkzeugteil zur Verwendung beim Schneiden oder Drehen eines
Materials gezeigt ist. Das Teil umfasst eine Verschleißschicht 10,
die an eine Schicht 12 mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit
gebunden ist, welche ihrerseits an ein Substrat 14 gebunden
ist. Das Teil kann jede geeignete Form haben, flach, wie kreisförmig, quadratisch, rechteckig
und dergleichen. Der Rand 16 der Verschleißschicht 10 stellt
den Schneidrand für
das Teil bereit. Beim Einsatz wird die an dem Schneidrand erzeugte
Wärme mithilfe
der Schicht 12 schnell von dort weg geleitet.
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In einer spezifischen Form der Erfindung kann
die Verschleißschicht 10 PCBN,
die Schicht 12 PCD oder CVD-Diamant und das Substrat 14 Sintercarbid
sein.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist
durch die 2 bis 4 veranschaulicht. Bezugnehmend
auf diese Figuren wird eine Einheit oder Körper 20 hergestellt,
in welchem eine Schicht 22 aus einem Material mit hoher
thermischer Leitfähigkeit
an ein Substrat 24 gebunden ist. Die Schicht weist vier
darin befindliche Verschleißeinsätze 26 auf.
In dieser Form der Erfindung sind die Einsätze 26 typisch PCBN,
die Schicht 22 ist PCD und das Substrat 24 ist
Sintercarbid.
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Ein Werkzeugteil wird aus der Einheit 20 durch
Schneiden, z. B. unter Verwenden von EDM-Schneiden, hergestellt,
die Einheit ist durch die gepunkteten Linien in 2 gezeigt. Ein quadratisch-geformtes
Werkzeugteil 54 wird hergestellt, welches einen Schneidrand 28 an
jedem seiner Ecken aufweist (siehe 4).
Der übrig
bleibende Hohlausschnitt 30 kann seinerseits weiter abgetrennt werden,
um eine Anzahl von Werkzeugteilen 32 in der in 4 gezeigten Weise herzustellen.
Jedes dieser Teile weist Schneidpunkte 34 auf.
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Die Schicht 12 kann mehr
als einen Bereich aufweisen. Zum Beispiel kann der Bereich an der Grenzfläche 18 eine
Mischung von dem Material der Verschleißschicht 10 und dem
Material der thermisch leitfähigen
Schicht 12 umfassen. Ein solcher Bereich dient der Verminderung
des thermischen Versatzes an der Grenzfläche 18.
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Das Werkzeugteil von 1 kann in einem Werkzeug montiert und
verwendet werden, um ein Werkstück
in einer schematisch durch 5 gezeigten
Weise zu drehen oder zu schneiden. Be zugnehmend auf diese Figur
ist das Werkzeugteil 40 von 1 in
einer in einem Werkzeug 44 vorgesehenen Aussparung 42 gebunden.
Ein Werkstück 46 ist
angeordnet und wird in der Richtung von Pfeil 48 gedreht.
Das Werkzeug wird dann in das Werkstück in Richtung des Pfeils 50 vorgebracht,
derart, dass der Schneidrand 52 in das Werkstück 46 vorgebracht wird
um den Schnitt durchzuführen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
durch 6 veranschaulicht.
Bezugnehmend auf diese Figur umfasst ein Werkzeugteil zur Verwendung
beim Schneiden oder Drehen des Materials eine Verschleißschicht 60,
die an ein thermisch leitfähiges
Element 62 gebunden ist. Das thermisch leitfähige Element 62 umfasst
alternierende Streifen 64 aus einem Material mit einer
thermischen Leitfähigkeit,
die größer ist
als jene der Verschleißschicht,
und Streifen 66 aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit,
die gleich oder kleiner ist als jene der Verschleißschicht.
Die Verschleißschicht 60 weist den
Schneidrand 68 auf.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist
durch die 7 und 8 veranschaulicht. Bezugnehmend
auf diese Figuren umfasst ein Werkzeugteil eine Verschleißschicht 70,
die an ein thermisch leitfähiges
Element 72 gebunden ist. Die Verschleißschicht 70 weist
den Schneidrand 78 auf. Das thermisch leitfähige Element 72 umfasst
alternierende Bereiche 74 aus einem Material mit einer
thermischen Leitfähigkeit,
die größer ist
als jene des Verschleißelements,
und Bereiche 76 aus einem Material mit einer thermischen
Leitfähigkeit,
die gleich oder kleiner ist als jene der Verschleißschicht 70.
Wie aus 8 ersichtlich
ist, haben die Bereiche 74, 76 eine konzentrische
Ringform. Die Bereiche 74, 76 können auch
eine Spiralform annehmen.
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In den Ausführungsformen der 6 bis 8, haben die Elemente 62, 72 eine
thermische Leitfähigkeit,
die größer ist
als jene der Verschleißschichten 60, 70.