DK166198B - Skaerende vaerktoej af keramisk kompositmateriale, samt anvendelse af det skaerende vaerktoej - Google Patents

Description

i

DK 166198B

Den foreliggende opfindelse vedrører et skærende værktøj af keramisk kompositmateriale omfattende en sintret, keramisk matrix med deri fordelte keramiske whiskers. Opfindelsen angår også en anvendelse af det 5 skærende værktøj.

Metalskæring eller maskinbearbejdning er anset for at være en af de vigtigste og mest brugte fremstillingsprocesser. De almindelige maskinbearbejdningsope-rationer er blandt andet shaping, høvling, afretning, 10 fræsning, rømning, slibning, savning, drejning, boring med faststående værktøj, boring med roterende værktøj og oprivning. Nogle af disse processer, eksempelvis savning, virker både på ydre og indre overflader af emnet, mens andre kun virker på den indre (f.eks. oprivning) 15 eller ydre (f.eks. fræsning) overflade. Disse forskellige processer er i detaljer beskrevet i DeGarmo: "Materials and Processes in Manufacturing", 3.udgave (1969), især i kapitel 16: "Metal cutting".

Produktiviteten af en given maskinbearbejdnings-20 operation måles ved at bestemme den totale mængde af metal fjernet fra emnet i en given tidsperiode. En mangfoldighed af materialer er brugt eller foreslået anvendt til fremstilling af skærende værktøjer- Disse er normalt klassificeret som værktøjsstål, hurtigstål, støbte 25 ikke-jernholdige legeringer, hårdmetal og keramik (der findes også en begrænset anvendelse for diamanter) . Almindeligt brugte parametre for skærende værktøjs ydeevne er snithastighed, spåndybde, tilspænding og værktøjslevetid. Hvert af de kendte værktøjsmateria-30 ler er utilstrækkeligt i henseende til én eller flere af disse parametre. Værktøjsstål, hurtigstål og støbte ikke-jernholdige legeringer har alle en kritisk temperaturgrænse, der begrænser deres snithastighed, som måles i meter pr. minut (m/min), til et forholdsvist lavt 35 niveau. Typiske hurtigstål er begrænset til 30-70 m/min ved skæring i stål og 75-90 m/min ved skæring i ikke-jernmaterialer. De støbte ikke-jernholdige legeringer kan anvendes til op mod den dobbelte hastighed. Hård- 2

DK 166198 B

metalmaterialerne, eksempelvis wolframkarbid, forbedrer snithastigheden i stål med en faktor 2-5, i særdeleshed når karbiderne er belagte. Karbiderne er dog ikke ligeså seje som stålene og de er udsatte for slagbrud. Det-5 te giver en alvorlig begrænsning i deres anvendelse, hvor slagpåvirkning forekommer, således ved spåntagning med afbrudt spån eller ved maskinbearbejdning af hårde emner.

Keramiske materialer, eksempelvis aluminiumoxid, 10 vides at give skærende værktøj, der kan anvendes ved meget højere hastigheder end normale stål- eller hård-metal-værktøjer. F.eks. er der rapporteret om snithas-tigheder på 150-430 m/min for skæring i stål. Derimod er værktøjslevetiden for keramikkerne et alvorligt pro-15 biem, idet keramikkerne er endnu mere skøre og mindre seje end hårdmetallerne. Speciel opmærksomhed er tildelt de keramiske materialers tendens til katastrofe-agtigt og uventet at splintPes, når de udsættes for slagpåvirkning. Derfor er det, når snithastighederne er 20 høje for de keramiske materialer, kun muligt at anvende dem ved ret lav tilspænding, meget lavere end den der bruges for skærende værktøjer af stål og hårdmetal.

Der gælder således, at produktiviteten, der både er en funktion af snithastighed og tilspænding, er re-25 lativt lav for alle kendte typer af skærende værktøjer.

Mens stål og hårdmetalsværktøjer kan have høj tilspænding, kan de kun have relativt lave snithastigheder.

Omvendt kan keramikkerne med høj snithastighed kun anvendes ved lav tilspænding. Produktiviteten, bestemt 30 som total mængde fjernet metal i en given tidsperiode, forbliver derfor forholdsvis lav, uafhængigt af hvilken type skærende værktøj der bruges.

Referencer omhandlende brugen af forskellige keramikker som skærende værktøj omfatter US patentskrift 35 nr. 4 543 343, Iyori et al., der beskriver brugen af keramik, som indeholder aluminiumoxid, zirkoniumoxid og

DK 166198B

3 titaniumkarbid sammen med titaniumborid. En anden reference er US patentskrift nr. 4 366 254, der beskriver et keramisk skærende værktøj, som indeholder aluminiumoxid og zirkoniumoxid sammen med karbider, nitrider el-5 ler karbo-nitrider af gruppe IVB og VB metaller.

Der kendes angivelser af, at keramikker fiberforstærket med siliciumkarbid kan bringes i forskellige maskindele. Viste eksempler har omfattet varmevekslere, støbeforme^ dyser, turbiner, ventiler og tandhjul, se 10 de japanske patentskrifter nr. 59-54680 og 59-102681.

Dog er sådanne offentliggørelser ikke specielt vedkommende for skærende værktøj ifølge opfindelsen, idet sådanne maskindele ikke er udsat for slagpåvirkninger under deres normale anvendelser. Der er ikke nævnt noget 15 om forbedret sejhed ej heller om slagsejhed eller vist interesse for sådanne egenskaber i de nævnte artikler.

Det er også blevet offentliggjort at brudstyrken af keramikker kan forbedres ved indeslutning af siliciumkarbid whiskers i keramikken. Mekanismerne for 20 øgelse af sejheden i afhængighed af whiskerindhold og -orientation er beskrevet i to artikler af Becher og Wei, se "Toughening Behavior in SiC Whisker Reinforced Alumunia", Comm.Am.Cer.Soc.(sept. 1984) og "Transformation Toughened and Whisker Reinforced 25 Ceramics", Soc.Auto.Engrs.Proc. 21st Auto.Tech.Dev.

Mtg.201-205, (mar. 1984). SE også Wei US patentskrift nr. 4 543 345. Imidlertid omhandler disse artikler kun termiske og bøjelige anvendelser og angiver intet med hensyn til maskinbearbejdningsprocesser.

30 Keramiske kompositmaterialer af den ovenfor om talte art kendes fra JP patentansøgning nr. 6005079, der er gengivet i uddrag i Chemical Abstracts, vol. 102, nr. 20, maj 1985, p. 302, abstract nr. 171.498x.

Det vil derfor være meget fordelagtigt at have 35 et værktøj, der kan anvendes ved keramikkens høje snit-hastighed og samtidig tillade den høje tilspænding, der

DK 166198B

4 gælder for stålene og hårdmetallerne. Sådanne skærende værktøjer vil give produktiviteter, der er væsentlig højere end ved værktøjerne fra den kendte teknik, og det er derfor et formål med opfindelsen at angive et 5 skærende værktøj med disse egenskaber.

Ifølge opfindelsen tilvejebringes et skærende værktøj af den indledningsvis angivne art, der er ejendommelig ved, at den keramiske matrix hovedsagelig består af aluminiumoxid, hvori der er fordelt whiskers af si-10 liciumkarbid i en mængde "af 2-40 volumenprocent.

I én udførelsesform kan kompositmaterialet indeholde 65-80 volumenprocent aluminiumoxid og 20-35 volumenprocent whiskers, og i en anden udførelsesform kan det indeholde 88-98 volumenprocent aluminiumoxid og 15 2-12 volumenprocent whiskers.

I den sammensætning, som er beskrevet i førnævnte JP patentansøgning nr. 6005079 har whiskerne samme kemiske beskaffenhed som keramik-matrixen, idet begge er fremstillet af siliciumnitrid. Det fremgår yderli-20 gere, at de forbedringer, der opnås ved at lade whiskerne indgå i keramikmaterialet blot er af størrelsesordenen 50%, når det gælder bøjningsstyrke, og mindre end 1% når det gælder hårdheden, medens levetiden, når det drejer sig om maskinbearbejdningsprocesser, for skære-25 værktøjet ifølge opfindelsen hvor forstærkningen kemisk set er forskellig, er mere end 1000% længere end for værktøj fremstillet af siliciumnitrid.

Det skærende værktøj ifølge opfindelsen slides ved at stumper springer som flager af materialet på 30 værktøjets æg på en sådan måde, at der dannes en ny skærende æg, noget som gør at værktøjet kan fortsætte med at skære, selv efter en sådan afflagning. Ved konventionelle skærende værktøjer betyder derimod materialeaf-flagning at værktøjet er udslidt. Yderligere opnås der 35 ifølge opfindelsen et skærende værktøj med hovedsagelig ensartet levetid, således at værktøjsdele for første

DK 166198B

5 gang kan udskiftes efter en forudbestemt timeplan. Derved undgås uventede afbrud under forløbet af en skærende proces. Ved konventionelle keramiske skærende værktøjer opstår der derimod sædvanligvis fatale og ubereg-5 nelige svigt, hvilket hidtil har gjort det umuligt for en operatør at afgøre om et tidligere benyttet skærende værktøj med sikkerhed vil kunne udføre en bestemt arbejdsopgave.

Det-skærende værktøj ifølge opfindelsen kan des-10 uden benyttes ved usædvanlige høje temperaturer (der opstår som en følge af høj skærehastighed) og uden følelig kemisk reaktion med metal, der smelter i skærefladen. Selvom der skulle forekomme smeltning på skærefladen, beholder værktøjet ifølge opfindelsen sine gunstige 15 egenskaber. Dertil kommer, at det skærende værktøj kan køles, samt udsættes for hurtige temperaturvariationer, uden at dette medfører svigt, hvilket sædvanligvis ikke kan anbefales for keramiske skærende værktøjer, da de har tendens til at være ømfindlige overfor termiske 20 chok.

Opfindelsen vedrører også en anvendelse af skærende værktøj af keramisk kompositmateriale til bearbejdning af metal, der er ejendommelig ved, at metallet skæres. Yderligere anvendelser fremgår af krav 5 og 6.

25 Opfindelsen vil nu blive forklaret mere detalje ret ved hjælp af nogle udførelseseksempler og med henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 og 2 viser en grafisk sammenligning af resultater fra overfladefræs-ning opnået med skærende værktøjer ifølge opfindelsen 30 og opnået med værktøjer i handelen.

Skærende værktøjer repræsenterer en enestående og højt specialiseret klasse af industrielle artikler. Geometrien af skærende værktøj er således, at voldsomme skærespændinger lokaliseres og koncentreres ved værk-35 tøjets skærende kant. Arbejdet krævet til at deformere emnet og danne en spån, såvel som friktionen mellem 6

DK 166198 B

spånen og det skærende værktøjs spånflade, bevirker at en anselig varmemængde afsættes i det skærende værktøj.

Emnets egenskaber, såsom dets sejhed eller hårdhed, kan yderligere forstærke spændingerne og øge de arbejdstem-5 peraturer, som skæreværktøjet er udsat for. Et skærende værktøj er også udsat for forskellige grader af slagpåvirkning, specielt ved spåntagning med afbrudt spån, men også afhængende af, om emnet danner en kontinuert eller en diskontinuert spån. En detaljeret gennemgang 10 af disse typer af brugsbetingelser, såvel som en beskrivelse af de forskellige værktøjsgeometrier, findes i ovennævnte DeGarmo reference. Således gør den kritiske og særegne kombination af arbejdsspændinger, temperatur og slagpåvirkninger valget af materialer brugbare til 15 skærende værktøjer signifikant forskelligt fra valget af materialer til andre industrielle artikler, såsom varmevekslere eller tandhjul.

Den foreliggende opfindelse er baseret på den opdagelse, at indeslutning af en fastlagt mængde af ke-20 ramisk forstærkende whiskers, nemlig siliciumkarbid whiskers, i en bestemt keramisk matrix, nemlig aluminiumoxid, giver en skærende værktøjsstruktur, der ikke alene bibeholder den høje snithastighed fra tidligere kendte uforstærkede keramikker, men også uventet tillader 25 keramikker at arbejde ved den store tilspænding, der tidligere kun var opnåelig med stål og hårdmetal, og ved sidstnævnte kun på bekostning af en kraftig reduktion i snithastigheden.

Den som matrix anvendte aluminiumoxid kan enten 30 anvendes alene (dvs. uden at indeholde andre materialer end erkendte urenheder), eller det kan indeholde eller være "doped" med mindre mængder (dvs. mindre end ca.

30%) af sejgørende komponenter som zirkoniumoxid, yttriumoxid, hafniumoxid, magnesiumoxid, siliciumnitrid 35 og titaniumkarbid eller blandinger heraf. Den ovennævnte Becher et al. SEA artikel giver typiske sammensætnin- .

7

DK 166198 B

ger, der indeholder op til 30 volumenprocent zirkonium-oxid, med op til 3 molprocent yttriumoxid indføjet i zirkoniumoxid.

De forstærkede whiskers er siliciumkarbid whis-5 kers. Både alfa og beta formerne af siliciumkarbid whiskers er tilgængelige i handelen og kan anvendes.

De ifølge opfindelsen anvendte whiskers har en enkrystal eller monokrystallinsk struktur. Specielt foretrækkee de siliciumkarbid whiskers, der er frem-10 stillet og markedsført af-gruppen Materials under ARCO Chemical Company. Sådanne whiskers er fremstillet af risbælge og har typisk en gennemsnitlig diameter på omkring 0,6 μιη og et sideforhold af størrelsen 15-150.

9

Styrken er typisk af størrelsen 7x10 Pa og trækmodulet 11 11 15 af størrelsen 4x10 - 7x10 Pa. De omhandlede sili- ciumkarbid whiskers er termisk stabile op til 1760°C.

For en yderligere beskrivelse af enkrystal-whiskers, se Katz, H.S. og Milewski, J.V., "Handbook of Fillers and Reinforcements for Plastics, s. 446-464 (C.25) (Von No-20 strand Reinhold Co., N.Y. 1978).

Der skal sondres mellem materialer med korte fibre af den polykrystallinske type og enkrystalwhiskers i-følge opfindelsen. De polykrystallinske filamenter eller afhuggede fibre har en meget større diameter, f.eks.

25 10 ym eller større. Som angivet i ovennævnte US-patent-skrift nr. 4.543.345 er de polykrystallinske fibre "udsat for betydelig nedbrydning som følge af kornvækst ved temperatur over ca. 1250°C, hvilket alvorligt begrænser deres anvendelse i højtemperatur-fremstiΙ-ΙΟ lingsprocesser som f.eks. fremstilling af keramiske kompositionsmaterialer med næsten teoretisk massefylde ved varmpresning. Ved højtryksbelastninger, som de kommer ud for ved varmpresning, udsættes fibrene yderligere for en sønderdeling, hvilket nedsætter fibrenes for-35 stærkende egenskaber i det keramiske kompositionsmateriale. Disse polykrystallinske fibre yder heller ikke

DK 166198B

8 tilstrækkelig modstand mod revneudbredelse i det keramiske kompositionsmateriale, idet de fibre, der går tværs over revnelinien eller brudplanet, har utilstrækkelig trækstyrke til at forhindre revnevækst i kom-5 positionsmaterialet, specielt når kompositionsmaterialet under fremstillingen er udsat for forhøjede tryk og temperaturer i varmpresning".

Se også Milevski, J.V. "Short-Fiber Reinforcement:

Where The Sction Is", Plastics Compounding, November/ 10 December 1979, side 17-371 Der skelnes klart mellem enkrystalwhiskers og polykrystallinske mikrofibre på siderne 17-19.

De omhandlede whiskers skal være bundet i matrixen på en sådan måde, at de frembringer en forstærkning af 15 matrixen. Den specielle natur ved bindingsforstærkning er kun delvis kendt. Dog er de generelle overvejelser vedrørende en god forstærkning beskrevet i en række undersøgelser. En koncis beskrivelse findes i Katz et al., "Handbook af Fillers and Reinforcement for 20 Plastics", s.454-457, (1978). For skærende værktøj i-følge opfindelsen er fundet, at bindingen er tilfredsstillende, og at en god forstærkning er opnået, når indholdet af keramiske whiskers er på 2-40 volumenprocent af whiskers/matrix kompositionsmaterialet. (Dette 25 giver selvfølgelig en matrixandel på 60-98 volumenprocent) . Ved et whiskersindhold på over omkring 40% bliver en tilsætning af whiskers skadelig for sejheden.

Dette kan enten skyldes, at whiskersindholdet bliver tilstrækkeligt stort til, at områder med whiskerskon-30 centration har en begrænset sejhed, eller at den keramiske matrix udvikler punkter, i hvilke matrixens evne til at hænge sammen er formindsket. Under ca. 2% er whiskersindholdet utilstrækkeligt til at give en passende forstærkning.

35 De foretrukne områder med hensyn til whiskersind hold afhænger af, til hvilken type skærende bearbejd-

DK 166198B

9 ning værktøjet er fremstillet. Lavere indhold (omkring 2-12%) er normalt bedst, når værktøjet skal anvendes til skærende operationer (f.eks. drejning), hvor skærekraften i hovedsagen er påtrykt uafbrudt og varmen 5 afsættes i værktøjsmatrixen. Dog foretrækkes der i de tilfælde, hvor kraften er påtrykt keramikken på en mere afbrudt eller uregelmæssig måde et højere indhold (f.eks. 20-35%). Et skærende værktøj, der er sammensat af omkring 25 volumenprocent siliciumkarbid whis-10 kers i en aluminiumoxid matrix, udviser en specielt fremragende ydeevne. Det bemærkes, at det kan være nødvendigt at udføre en vis mængde rutineundersøgelser for at bestemme det optimale indhold svarende til en given anvendelse, dog kan undersøgelserne nemt udføres, 15 når der haves kendskab til teknikken.

Typiske udførelsesformer ifølge opfindelsen er vist i tabel 1. Værdierne i tabel 1 er udledt fra et eksperiment, i hvilket sejheden (Kc) er målt for emner sammensat af en aluminiumoxid matrix, som indeholder 20 siliciumkarbid whiskers fra ARCO Chemical Company.

TABEL 1

Whiskersindhold Sejhed

Vol.procent MPa Vm 25 0 4,15 18 6,9 24 8,9 30 8,7 35 7,6 30

En tilsvarende øgning i sejheden kan forventes for andre keramiske matrixer. Eksempelvis har keramiske materialer sammensat at siliciumnitrid eller aluminiumoxid tilsat titaniumkarbid begge en sejhed, der er omkring 1,5 gan- 35 ge større end sejheden af aluminiumoxid matrixer. Det forventes, at den samme grad af forbedring af sejheden ved whiskerforstærkning, som vist for aluminiumoxid i ta- 10

DK 166198 B

bel 1, også gælder for siliciumnitrid og aluminiumoxid/ titaniumkarbid matrixer.

I en udføreIsesform ifølge opfindelsen er de keramiske skærende værktøjer fremstillet ved først at sam-5 menblande en passende sammensætning af det keramiske materiale i pulverform med de keramiske whiskers. Der kendes en mængde forskellige metoder til at blande granulerede faste stoffer. De typiske er beskrevet i Perry et al., "Chemical Engineers’ Handbook, afsnit 10 21-30 til 21-36, (5. udgave, 1973). Sammenblandingen skal foregå, således at de indgående whiskers overalt finfordeles i det granulerede keramiske materiale, men må ikke foregå så voldsomt, at de bliver væsentligt nedbrudt. En for tiden foretrukket metode er beskrevet 15 i DS patentskrift nr. 4 463 058.

Når det keramiske matrixmateriale og de keramiske whiskers er gennemblandet, fortsætter fremstillingen af de kompositte skærende værktøjer på samme måde som ved de almindelige uforstærkede keramiske værktøjer.

20 Værktøjerne er typisk fremstillet ved formpresning ved 7 8 et tryk på 2x10 - 4,2x10 Pa og enten simultant dermed eller efterfølgende sintret ved en temperatur på omkring 800-1750°C. Den specielle pressede facon afhænger selvfølgelig af det skærende værktøjs tiltænkte anven-25 delse.

De forbedrede keramiske værktøjer ifølge opfindelsen har en høj sejhed og en stor slidstyrke. I en specielt foretrukket udførelsesform udgør de skærende værktøjer udskiftelige platter med en standardgeometri 30 som anvendt ved spåntagende bearbejdning såsom drejning, fræsning, rømning, udboring osv. Maskinbearbejd-ningsprocesser, som anvender skærende værktøjer ifølge opfindelsen er generelt beskrevet i "Practical Machining Principles for Shop Application" af Metcut Research 35 Associates, Inc.(1981), 3980 Rosslyn Drive, Cincinnati,

Ohio 45209.

DK 166198B

11

De væsentligt forbedrede produkter ifølge opfindelsen er anskueliggjort i tabel 2. I disse eksempler er forskellige typer af keramiske skærende værktøjer anvendt til planfræsning af støbejern med en snithas-5 tighed af 600 overflademeter pr. minut ved en spåndybde på 1 mm. Værktøjslevetiden angiver antal skårne meter i metal indtil værktøjsbrud.

TABEL 2 TO Sammensætning af * Værktøjslevetid skærende værktøj Skårne meter

Aluminiumoxid/TiC 0,559

Siliciumnitrid/TiC 1 ,067

Siliciumnitrid (SiAlON) 1,118 15 Aluminiumoxid/2 5 %

SiC whiskers 12,802 (a) (a) Test afbrudt uden værktøjsbrud

Selv om testen med det forstærkede værktøj er standset inden værktøjsbrud, ses det klart, at levetiden af det 20 forstærkede værktøj er forbedret med mere end én størrelsesorden, hvilket fører til en kraftigt forøget produktivitet. Mens nogle stål og skærende værktøjsplatter kan give lang værktøjslevetid kan ingen af dem fungere ved så høj en snithastighed som de keramiske skærende 25 værktøjer. På den anden side viser tallene i tabel 2 klart, at de uforstærkede keramikker, selv om de fungerer ved den høje snithastighed, har uakceptabelt korte levetider. Derimod kombinerer de forstærkede skærende værktøjer ifølge opfindelsen klart de bedste egenskaber 30 fra begge typer af kendte værktøjer uden manglerne fra nogen af dem.

For yderligere at belyse opfindelsen er skærende værktøjsplatter, der består af en aluminiumoxidmatrix med varierende indhold af siliciumkarbid whiskers, 35 fremstillet og afprøvet ved overfladefræsningsprøver.

For sammenligning er også konventionelle platter fremstillet og afprøvet.

12

DK 166198 B

Platterne ifølge opfindelsen er dannet ved omhyggelig blanding af finkornet aluminiumoxid med den passende blanding af siliciumkarbid whiskers, der blev anvendt i foregående eksempel, og efterfølgende varmpres-5 ning af blandingen ved 2,8x10^ Pa og 1850°C i én time, og derved er der dannet et plattepladestykke med en teoretisk tæthed på mere end 99%. Pladestykkerne er færdigslebet så de danner SNG-432 formede keramiske skæreplatter.

10 Fræsningsprøven blev foretaget på en Cincinnati nr. 5 vertikal fræsemaskine. Denne maskine var udstyret med en 29,4 kW DC variabel hastigheds spindeldriv-motor og en 7,4 kW AC variabel hastigheds drivmotor for bordfremføring.

15 Emnematerialet var "Class 30" gråt støbejern. For men af det drejende arbejdsemne var 0,305 m i yderdiameter, 0,203 m i inderdiameter og 0,330 m i længde.

Disse rør havde en hårdhed på 179 HB. Stængerne, der blev brugt til enkelttandsfræseprøvning, havde dimen-20 sionerne 0,051x0,102x0,305 m. Glødeskallen blev fjernet fra alle prøveemner inden nogen prøve foretoges. Alle værktøjer undtagen værktøjsplatte A havde en kantfor-arbejdning på 0,000152 m (0,006 inch) ved 30°. Kantforarbejdningen ved værktøjsplatte A var 0,000152 m 25 (0,006 inch) ved 20°. Prøverne var for alle værktøjer standset, når nedslidningen på hovedfrigangsfladen var 0,000254 m (0,010 inch) i jævntfordelt nedslidning, 0,00508 m (0,020 inch) i lokal nedslidning eller ved værktøjsbrud.

30 Fræseparametrene er som følger:

Snithastigheder : 609,6 og 1828,8 m/min.

Tilspændinger : 0,00102, 0,00203 og 0,00254 m/tand Spåndybde : 0,00127 m

Spånbredde : 0,1016 m 35 Opsætning : Centreret

Skærevæske : Tørt

DK 166198B

13

Emnemateriale : Class 30 gråt støbejern, 179 HB Værktøjsmateriale : SNG-432 platter Geometri:

Aksial hældningsvinkel: - 5^ Endeskærskantvinkel: 15^ 5 Radial hældningsvinkel: - 5^ Radial relief : 5°

Hjørnevinkel : 15^ Naaseradius: 0,000762 m

Radial spåndybde : 0,1016 m

Aksial spåndybde : 0,00127 m

Opsætning ~ : Centreret 10 Skærevæske : Tørf Værktøjslevetidskrav : :0,000254 m jævnt fordelt nedslidning 0,000508 m lokal nedslidning værktøjsbrud

Resultater fra enkelt-værktøjs fræsningsprøven er vist 15 i tabel 3 og i figurerne 1 og 2. Disse prøver var bestemt til at bedømme sejheden af de skærende værktøjer. Snithastigheden var sat til den faste værdi 609,6 ra/min. Den initielle spånbelastning var 0,001016 m/tand. Spånbredden og -dybden var henholds-20 vis 0,1016 m og 0,00127 m. Under disse forhold brød Si3N^/30% TiC -, S i 3N^/aluminiumoxid-, og aluminium-oxid/30% TiC platterne sammen efter 1,118, 1,067 og 0,686 meters snitlængde. Alle de andre værktøjer blev prøvet, indtil der var opnået en snitlængde på 2,743 m 25 uden brud. Spånbelastningen blev derefter øget til 0,002032 m/tand og de fem resterende værktøjer blev prøvet. Resultaterne er præsenteret i fig. 1.

25% SiC whiskerplatten ifølge opfindelsen havde foretaget en snitlængde på 8,534 m uden brud. En til- s 30 lægsprøve blev udført for at bekræfte dette resultat.

Denne anden prøve blev uden brud afbrudt ved 3,023 meters snitlængde, og værktøjet blev derefter prøvet med en spånbelastning på 0,00254 m/tand. Med denne spånbelastning blev det prøvet for 5,182 meters snit-35 længde før prøven blev standset uden brud. Alle de andre værktøjer udviste brud ved spånbelastningen på 14

DK 166198 B

0,002032 m. Disse værktøjer blev også prøvet ved 1828 m/min. og tilspændinger på henholdsvis 0,000127 og 0,000254 m/tand.

Resultaterne af disse prøver er vist i tabel 3 5 og i fig. 2 som kurver for værktøjslevetid i forhold til tilspænding. Det er tydeligt, at værktøjerne i-følge opfindelsen er overlegne i forhold til sammenlignelige værktøjer i handelen.

1 o TABEL· 3 Værktøjslevetid - meters snitlængde

Snithas- Til-tighed spænding m/min. m/tand 15% 20% 3Q% 25%

15 χ16~ύ A B C D SiC SiC SiC SiC

609.6 1,02 1,067 1,118 - 0,686 2,743^,743^,743^,743X

609.6 2,03 - - 0,864 - 1.,753 2,057 0,635 8,534

3,023X

609.6 2,54 - - - 5,182x 20 xx 1828,8** 0,127 3,658 3,658 6,401 3,658 5,791 5,486 4,877 4,572 1828,8^ 0,254 8,534 6,401 11,582 9,144 14,02 14,02 12,80 12,19 xFørte ikke til brud i denne del af værktøjslevetiden yy

Alle afbrydelser med 1828,8 m/min. skyldtes slid, 25 mens alle afbrydelser med 609,6 m/min. skyldtes platte-fraktur.

A - Si^N^/Aluminiumoxid platter i handelen B - Si3N^/30% TiC platter i handelen 30 C - Si3N4 platter i handelen D - Aluminiumoxid/30% TiC platter i handelen.

For yderligere at vise de fordele, der opnås med skærende værktøjer ifølge opfindelsen sammenlignet med skærende værktøjer i handelen, blev der foretaget yder-ligere prøver, og resultaterne fra disse fremgår nedenfor. 25% SiC platterne er i det følgende af et mate- 15

DK 166198 B

riale med 25 volumenprocent siliciumkarbid whiskers i en aluminiumoxid matrix tildannet ved fremgangsmåden givet i ovenstående eksempel. Platte E er en aluminiumoxid (4% zirconium) platte i handelen, og platte G 5 er en platte i handelen af Si.^ med tilsat AlN, A^O.^ og ^2^3 sintringsdannere. Platterne er sammenlignet ved en række forskellige skærende anvendelser.

Plandrejning af støbejern.

Emnemateriale : Meehanite GC støbejern, hårdhed 185 HV

10 Platteform : SNGN 126416 T

Værktøjslevetidskrav : Max. 1 mm frigangsfladeslid eller for tidligt brud

Skæreparametre: - Tilspænding : °'2 15 Spåndybde : 2 mm

Snithastighed : 700 m/min. og 450 m/min.

Resultat: 700 m/min. 450 m/min.

Klasse R S R S

20 25% SiC 1,69 42 1,52 54 E 1,07 104 0,080 113 G 1 ,00 97 1 ,00 57 R - Skærlevetidsforhold S - Skærlevetidsspredning = Maximum - minimum levetid i 25 % af gennemsnitlig levetid.

Den 25% SiC whiskerforstærkede aliminiumoxidplatte ifølge opfindelsen viste i denne med mellemrum afbrudte skærende operation forøget levetid og formindsket levetidsspredning sammenlignet med en aluminiumoxid keramik 30 E og en siliciumnitrid keramik G.

Holdbarhed mod brud i med mellemrum afbrudt skæring i S.G. støbejern.

Emnemateriale : S.G. støbejern SS 0737-00,hårdhed 270 HB

Platteform : SNGN 120416 T

35 . , Værktøjslevetidskrav : Større brud

DK 166198B

16

Skæreparametre:

Tilspænding : 0,38 mm/omdr.

Spåndybde : 3 iran

Snithastighed : 500 m/min.

5 Resultat:

Forholdsmæssig værktøjslevetid

Klasse 25% SiC 1,24 G ~ 1,00 10 E Ikke prøvet-for voldsomme betingelser.

Platten ifølge opfindelsen er et sejere materiale end platte G ved med mellemrum afbrudt skæring af støbejern. I denne prøve er emnematerialet valgt for at udsætte værktøjsæggen for meget kraftige med mellem-1 5 rum afbrudte kræfter og for termisk varierende belastning. Aluminiumoxid keramikker er mindre seje end siliciumnitrid keramikker. Således er det SiC whisker for stær kede keramik styrket til en sejhed, der er siliciumnitrid overlegen, samtidig med, at det behol- 20 der aluminiumoxids slidstyrke.

Drejning af hærdet stål.

Emnemateriale : Hærdet stål SS 2310, hårdhed

64 HRC

Platteform : SNGN 120461 T

25 Værktøj slevetidskrav : Brud

Skæreparametre:

Tilspænding : 0,23 mm/omdr.

Spåndybde : 0,5 mm

Snithastighed : 60 m/min.

30 „ t

Resultat:

Klasse Relativ værktøj slevetid 25% SiC 1 ,60 G 1,00 grundværdi 35 Den SiC whiskerforstærkede platte ifølge opfindelsen udviser bedre egenskaber end platte G ved uafbrudt drejning i hærdet stål.

DK 166198B

17

Drejning af den varmebeståndige legering Inconel 718»

Emnemateriale : Inconel 718, opløsningsgigidet og ældet

Platteform : SNGN 120412 E

5 Værktøjslevetidskrav : Fladeslid og/eller hovedægsflækning

Skæreparametre:

Tilspænding, mm/omdr: 0,25 0,15 0,15

Spåndybde, mm : 2 2 2 ^ q Snithastighed, m/min.: 180 180 130

Strømmende køling i alle prøver

Resultat:

Gennemsnit- Gennemsnit- Gennemsnit- Gennem- ligt kant- ligt slid- lig dybde snitligt levetids- forhold 1) af kærv- slidfor- . _ forhold slidforhold 1) hold 1) for kærv-slid i følgende

Klasse kant 25% 1,68 1,24 1,09 2,00 G 1,00 1,00 1,00 1,00 20 grundværdi 1) Slidforhold = 1/slidhastighed.

Den SiC whiskerforstærkede platte udviser bedre egenskaber end platte G og har en større grad af sikkerhed og modstand mod slid.

25

Drejning af den varmebestandige legering Incoloy 901.

Emnemateriale : Incoloy 901, opløsningsgiødet og ældet

Platteform : SNGN 120412 E

Værktøj levetidskrav : Fladeslid og/eller hovedægsflækning 30 Skæreparametre:

Tilspænding, mm/omdr. 0,15 0,25 0,15

Spåndybde, mm 2 2 2

Snithastighed, m/min. 310 180 180

Strømmende køling i alle prøver.

Claims (6)

1. Skærende værktøj af keramisk kompositmateriale omfattende en sintret, keramisk matrix med deri fordelte keramiske whiskers, kendetegnet ved, at den keramiske matrix hovedsagelig består af aluminium- 30 oxid, hvori der er fordelt whiskers af siliciumkarbid i en mængde af 2-40 volumenprocent.

1. Slidforhold = 1/slidhastighed. Den SiC whiskerforstærkede platte var brugbar til drejning af Incoloy 901 og havde en lidt bedre kant- 10 - levetid end G. Det er en stor fordel, at der ikke er kærvslid på den følgende kant, idet der derved vedblivende opretholdes en god overfladefærdigbearbejdning. Den industrielle anvendelse for opfindelsen er inden for området metalskæring. De skærende værktøjer 15 ifølge opfindelsen kan bruges praktisk talt inden for ethvert område, som indebærer metalskæring. Typiske industrier, der kan drage fordel af disse skærende værktøjer, er bil-, fly-, konstruktionsmetal- og almindelige metalforarbejdningsindustrier. 20 Det er indlysende, at der er en række udførelsesformer ifølge opfindelsen, der ikke er specielt beskrevet ovenfor, men som klart ligger indenfor opfindelsens formål.

25 PATENTKRAV

2. Skærende værktøj ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kompositmaterialet indeholder 65-80 volumenprocent aluminiumoxid og 20-35 volumenprocent 35 whiskers. DK 166198 B

3. Skærende værktøj ifølge krav 1, kendetegnet ved, at kompositmaterialet indeholder 88-98 volumenprocent aluminiumoxid og 2-12 volumenprocent whiskers.

4. Anvendelse af skærende værktøj af keramisk kompositmateriale ifølge krav 1-3 til bearbejdning af metal, kendetegnet ved, at metallet skæres.

5. Anvendelse af skærende værktøj af keramisk kompositmateriale ifølge krav 4, kendetegnet 10 ved, at der under skæringen udøves en hovedsagelig kontinuert skærekraft.

6. Anvendelse af skærende værktøj af keramisk kompositmateriale ifølge krav 4 eller 5, kendetegnet ved, at bearbejdningen vælges blandt 15 shaping, høvling, fræsning, afretning, rømning, slibning, savning, drejning, boring med faststående værktøj, boring med roterende værktøj og oprivning.