EP1362934B1

EP1362934B1 - Halterung für mindestens ein Werkstück

Info

Publication number: EP1362934B1
Application number: EP03008385A
Authority: EP
Inventors: Michael Hans
Original assignee: Oerlikon Trading AG Truebbach
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: EP1362934A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halterung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zur Verbesserung der Oberflächen-Eigenschaften von Hartmetall-Werkstücken, wie beispielsweise der Standzeiten und/oder der Wirksamkeit von Werkzeugen, insbesondere Wendeschneidplatten, Bohrer, Fräser, Umformwerkzeuge, Stanzwerkzeuge, ist es heute üblich, solche Werkstücke mit einer Hartstoffschicht, wie beispielsweise Titannitrid oder Titancarbonitrid, zu beschichten. Als Beschichtungsverfahren werden weitverbreitete Vakuumbeschichtungsverfahren bevorzugt eingesetzt. Da Hartmetall-Werkstücke, insbesondere bei komplexer Formung z.B. entsprechend den obgenannten Werkzeugen, teuer sind, wird versucht, das Werkstück, wenn dieses fehlbeschichtet wird, zu retten oder insbesondere, wenn das Werkstück durch Gebrauch verschlissen worden ist, formgebend wieder aufzubereiten und wieder zu beschichten. Hierzu müssen die betroffenen Werkstücke erst entschichtet werden. Das Entschichten von Werkstücken der genannten Art ist ein schwieriges und herausforderndes technisches Problem. Ob dieses Problem einer Lösung zugeführt wird, welche sich wirtschaftlich einsetzen lässt, ist letztendlich dafür von entscheidender Bedeutung, ob die erwähnten Werkstücke unter wirtschaftlichen Aspekten überarbeitet oder entsorgt werden. Auch bei sorgfältigem Vorgehen bei der Beschichtung kommt es nämlich immer wieder zu Prozessfehlern oder zu Prozessunterbrüchen, die zu mangelhafter Beschichtung der Hartmetall-Werkstücke mit der Hartstoffschicht führen können. Auch kann es in Lohnbeschichtungsbetrieben zu Verwechslungen bei Kundenanforderungen bezüglich Schichtart und Schichtstärke kommen. Die dadurch entstehenden Ausschusskosten sind bei Hartmetall-Werkstücken besonders hoch. Die Kosten für das unbeschichtete Werkstück - den Grundkörper - können ohne weiteres das Dreibis Zehnfache des Schichtwertes betragen.
Für die Entschichtung von Stahlwerkstücken ist aus der DE-41 01 843 seit einiger Zeit ein Verfahren bekannt, welches das Ablösen der Hartstoffschicht erlaubt. Dieses Verfahren verwendet eine Lösung von Wasserstoffperoxid, welche Titanverbindungen und andere Hartstoffverbindungen auflöst. Hierbei geht es darum, dass das Werkstück selbst nicht auf unzulässige Weise angegriffen und damit beschädigt wird. Die Verwendung von Säuren und Laugen beispielsweise würde die Stahlwerkstücke in unzulässiger Weise beschädigen. Für Hartmetall, welches überwiegend aus dem Hartstoff Wolframcarbid und dem chemisch wenig stabilen Kobalt besteht, ist dieses Verfahren völlig ungeeignet, weil der Hartmetall-Grundkörper der Werkstücke rascher zerstört würde, als sich die Hartstoffschicht auflöst.
Deshalb werden heute weitestgehend, für fehlerhaft beschichtete Hartmetall-Werkstücke bzw. für derartige Werkstücke, die wieder beschichtet werden sollen, für die Entschichtung von der Hartstoffschicht mechanische Verfahren eingesetzt. Die Hartstoffschicht wird abgeschliffen oder abpoliert. Die Kosten hierfür sind hoch. Aus diesem Grund werden solche Verfahren äusserst selten eingesetzt, und an deren statt werden fehlerhafte Werkstücke entsorgt.
Nun ist aus "Research Disclosure", April 1996, unter der Rubrik Nr. 38447 ein Verfahren zur Entschichtung einer auf einem Hartmetall-Werkstück aufgebrachten Hartstoffschicht bekannt geworden, bei dem die Entschichtung durch elektrolytische Passivierung erfolgt. Dabei wird zwischen der Hartstoffschicht und dem Hartmetall-Grundkörper elektrolytisch eine Wolframoxidschicht gebildet. Diese Passivierung des Wolframcarbides erfolgt durch anodische Polarisation des Werkstückes in einem geeigneten Elektrolyten. Aufgrund der Transformation des Wolframcarbides in Wolframoxid verliert die Hartstoffschicht ihre Haftung zum Grundkörper und blättert ab.
Die zu wählenden Entschichtungsbedingungen sind äusserst kritisch. Bei falsch gewählten Parametern wird die Schicht entweder nicht abgelöst oder das Werkstück wird irreparabel beschädigt.
Stand der Technik ist auch das Wiederbeschichten von Werkzeugen ohne vorheriges Entschichten. Dazu werden die Werkzeuge, bevorzugt Schaftwerkzeuge aus Hartmetall, wie Fräser, Bohrer und Wälzfräser, an den Schneidflächen nachgeschliffen und anschliessend wieder beschichtet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass nur die Schneidflächen durch das Nachschleifen schichtfrei werden, die restlichen Bereiche des Werkzeuges jedoch beschichtet bleiben. Beim nachfolgenden Überbeschichten nimmt daher die Dicke der Hartstoffschicht in den nicht nachgeschliffenen Bereichen stetig zu. Mit zunehmender Schichtdicke nehmen die Eigenspannungen in der Harstoffschicht zu, was zu einer Reduktion der Standzeit des Werkzeuges im Vergleich zu einem nur einmal beschichteten Werkzeug führt. Die Eigenspannungen führen beim Nachschleifen eines beschichteten Werkzeuges häufig zu Ausbrüchen im Bereich des Übergangs vom beschichteten zum unbeschichteten Teil und vermindern die Leistungsfähigkeit des Werkzeuges.
Aus der DE 11 03 103 ist es bekannt, den Schaft eines Tellerventils in einem Tauchbad durch elektrolytische Chromabscheidung mit einem gleichmässigen, massgenauen Chromüberzug zu versehen. Dabei wird das Ventilschaftende durch ein Steckloch in einem Boden eines Isoliernapfes durchgeführt. Der Lochdurchmesser ist gerade so gross, dass das erwähnte Steckloch den Gewindeteil des Ventilschaftes möglichst flüssigkeitsdicht abschliesst. Der aus dem Isoliernapf ausragende Teil des Ventilschaftes wird unter Strombeaufschlagung der elektrolytischen Chromabscheidung ausgesetzt.
Aus der US 5 405 518 ist es bekannt, scheibenförmige, elektrisch leitende Werkstücke elektrochemisch einseitig zu ätzen. Hierzu wird die nicht zu ätzende Scheibenfläche vom elektrochemischen Ätzen abgekapselt. Es wird entlang der Peripherie der zu behandelnden Scheibenfläche eine erste Dichtung vorgesehen. Ein umlaufender Spannrahmen verspannt diese Dichtung und eine weitere umlaufende Dichtung, letztere zwischen Spannrahmen und dem Gehäuse einer Kapselungskammer. Dadurch entsteht mit der nicht zu behandelnden Scheibenfläche ein vor elektrochemischer Einwirkung gekapselter Raum, worin die erwähnte Scheibenfläche vor elektrochemischer Ätzeinwirkung geschützt ist.
Ähnlich wie aus der US 5 405 518 ist es aus der DE 40 24 576 ebenfalls bekannt, die eine Seite eines nass zu ätzenden Wafers vor Ätzeinwirkung dadurch zu schützen, dass der Wafer entlang seiner Peripherie dichtend zwischen zwei plattenförmigen Organen festgespannt wird, wovon das eine ringförmig ausgebildet ist, um den Zutritt der Ätzlösung an die eine Fläche des Wafers zu ermöglichen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halterung eingangs genannter Art für eine andere Werkstückgattung zu schaffen.
Dies wird mittels einer Halterung erreicht, die sich nach dem Kennzeichen von Anspruch 1 auszeichnet.
Die Halterung eignet sich, soweit heute bekannt, zur Entschichtung aller gängig eingesetzten leitfähigen Hartstoffschichten, so beispielsweise von Hartstoffschichten aus Nitraten, Karbiden, Karbonitriden von Metallen oder Metallverbindungen, wie beispielsweise von TiAlN, TiAlNC, WC, WCN etc., aber auch von chromhaltigen Hartstoffschichten, wie von Cr, CrN, CrC, CrNC sowie Kombinationen dieser Hartstoffschichten bzw. auch Multilayer-Anordnungen.
Bei gewissen Werkstücken, wie beispielsweise bei Wälzfräsern - einem wesentlichen Anwendungsfeld vorliegender Erfindung - ist es unmöglich, Oberflächenbereiche, woran die Hartstoffschicht vorgesehen ist und die zu entschichten sind, nicht auch gleichzeitig mit Oberflächenbereichen, woran keine Hartstoffschicht vorgesehen ist, in den Elektrolyten einzutauchen. Bei Wälzfräsern, im wesentlichen als Hohlzylinder aufgebaut, ist die Innenfläche nämlich hartstoffschichtfrei, während die Aussenfläche, die Arbeitsfläche, hartstoffbeschichtet ist. Um im letztgenannten Fall die Forderung erfüllen zu können, hartstoffschichtfreie Bereiche des Werkstückes nicht mit dem Elektrolyten in Kontakt zu bringen, wird die erfindungsgemässe Halterung eingesetzt.
Die Dichtungelemente können relativ zueinander axial verschoben werden, um gegen die Werkstück-Stirnseiten verspannt zu werden.
Im weiteren ist an dem zwischen den Dichtungselementen vorgesehenen Stangenabschnitt eine elektrische Kontaktanordnung vorgesehen, wobei weiter bevorzugt die elektrische Zuführung zur Kontaktanordnung durch die Stange hindurch geführt ist.
In einer Ausführungsform der letzterwähnten Halterung wird an dem zwischen den Dichtungsorganen gelegenen Stangenabschnitt ein durch axiales Spannen radial bezüglich der Stangenachse expandierbarer bzw. kontraktierbarer Spannkörper vorgesehen, an dessen Peripherie die Kontaktelemente vorgesehen sind. Dabei sind an der Halterung in Richtung der Trägerstangenachse wirkende Spannorgane für den Spannkörper vorgesehen, um die Kontaktelemente, durch Spannen des Spannkörpers, gegen das Werkstück zu verspannen. Dadurch ist es möglich, in weiten Bereichen unabhängig vom Durchmesser der Durchtrittsöffnung, jeweils das Werkstück optimal elektrisch zu kontaktieren.
Bevorzugt wird aber eine vereinfachte Ausführungsform, bei der ein radial federnder Kontaktkörper in die Durchtrittsöffnung eingeführt wird und ohne Zusatzverspannen den elektrischen Kontakt sicherstellt.
Es ist unumgänglich, dass Teile der Halterung mit dem Elektrolyten in Kontakt treten. Deshalb wird weiter an der Halterung vorgeschlagen, dass die beidseits der Dichtungselemente nach aussen gelegenen Halterungsabschnitte eine Aussenfläche aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus Teflon, aufweisen.
Wie erwähnt, eignet sich die erfindungsgemässe Halterung insbesondere vorzüglich für die Werkstückhalterung bei der Durchführung des eingangs erwähnten, erfindungsgemässen Verfahrens.
Die erfindungsgemässe Halterung eignet sich für Werkstücke mit Durchtrittsöffnung, dabei insbesondere für Wälzfräser.
Vorerst soll die Vorgehensweise für die Entschichtung von Werkstücken anhand von Beispielen weiter beschrieben werden.
Es wurden in einer Elektrolytlösung aus 2 mol/l Essigsäure und 2 mol/l Ammoniumnitrat, bei pH = 2, Wälzfräser mit Hilfe des erfindungsgemässen Halters entschichtet. Durch Einsatz des erwähnten, noch im Detail zu beschreibenden Halters wurde Sorge getragen, dass nur die hartstoffbeschichteten Arbeitsflächen der Fräser mit dem Elektrolyten kontaktiert wurden. Bei einer ungefähren Wirkflächengrösse von 1'000 cm² ergab sich bereits bei einer anfänglich erstellten Maximalstromdichte von 0,02 A/cm² eine Entschichtung der Wälzfräser innerhalb von 3 Min. Durch Anlegen einer konstanten Spannung erzeugt, ergab sich ein anfänglicher Maximalstrom, entsprechend der geforderten Maximalstromdichte, von 25 A pro gleichzeitig behandeltem Fräser, der im erwähnten Zeitraum von 3 Min. auf unter 4 A pro Wälzfräser abfiel.
Im weiteren wurde ein Wälzfräser im Ammoniumnitrat-Essigsäure-Elektrolyten innerhalb von 3 Minuten bei Anlegen einer Spannung von 15 V, einem Anfangsstrom von etwa 300 A und einem Passivstrom von etwa 50 A entschichtet.
Neben den in den Beispielen eingesetzten Essigsäure-Ammoniumnitrat-Elektrolyten können auch andere Elektrolyt-Zusammensetzungen verwendet werden, die zur Passivierung des Hartmetalles führen. Beispielsweise kann ein Natriumnitratessigsäure-, Cerammoniumnitratessigsäure-, Cerammoniumnitratsalpetersäure- oder Cerammoniumnitratperchlorsäure-Elektrolyt verwendet werden.
Anschliessend wird der erfindungsgemässe Halter für Werkstücke anhand einer Figur erläutert.
In der einzigen Figur ist im Längsschnitt, schematisch und vereinfacht eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Halterung dargestellt.
Auf einem metallischen Rohr 1 ist, endständig, ein Einspannkörper 3 mit Gewindesackbohrung 5 eingeschraubt. Entlang des Rohres 1 feststellbar montiert ist ein Gegenspannblock 7 vorgesehen. An den sich zugewandten Stirnseiten 7_u bzw. 3_o der beiden Teile 3 und 7 sind Dichtungselemente 9₇ bzw. 9₃ vorgesehen. Gestrichelt ist in der Figur ein zu halterndes Werkstück 11, in Form eines Wälzfräsers, dargestellt. Wie ersichtlich, wird das Werkstück 11 zwischen die Stirnflächen 7_u und 3_o der Teile 7 und 3 festgespannt. Die Dichtungselemente, beispielsweise O-Ringe 9₇ und 9₃, legen sich dichtend an Stirnseiten des Werkstückes 11 im Bereich der Durchtrittsöffnung 11_o an. Dadurch erfolgt eine Kapselung der unbeschichteten Werkstückinnenfläche 11_i gegenüber dessen beschichteter Aussenfläche 11_a, welche letztere nun einer Bearbeitung mittels eines Elektrolyten B ausgesetzt werden kann, ohne dass hierdurch die gekapselte Innenfläche 11_i beeinträchtigt würde.
Es ist unmittelbar ersichtlich, dass sich die Halterung, wie bis anhin beschrieben, ausgezeichnet eignet für die erfindungsgemässe Entschichtung von Werkstücken 11, woran lediglich die Aussenfläche 11_a entschichtet werden soll - durch Kontaktierung mit dem oben erwähnten Elektrolyten - während die Innenfläche 11_i vom Elektrolyten unbeeinträchtigt bleiben soll.
Die elektrische Kontaktierung des Werkstückes 11 erfolgt an dessen Innenfläche 11_i über eine elektrische Kontaktanordnung 13, wobei der elektrische Anschluss für ein (nicht dargestelltes) Speisegerät, wie mit E_e dargestellt, über das metallische Rohr 1 ausserhalb des Elektrolyten erfolgt.
Um gegebenenfalls Abweichungen oder Streuungen der Innendurchmesser φ_i der zylindrischen Innenwand 11i des Werkstückes 11 zu berücksichtigen, kann nun - wie in der Ausführungsform gemäss der Figur dargestellt - die elektrische Kontaktanordnung 13 an der Peripherie eines federnden, beispielsweise gummielastischen, aktiv gespannten Spannkörpers 5 aufgebracht sein, welcher auf einer Schulter 17 am Rohr 1 aufliegt. Der Spannkörper 15 ist fest mit dem Körper 7 verbunden, beide reiten axial gleitverschieblich auf dem Rohr 1. Mittels eines Stellorgans 19, wie beispielsweise einer Stellmutter auf einer Gewindeendpartie des Rohres 1, kann der Spannkörper 15 aktiv axial mehr oder weniger zusammengepresst werden, was, wie mit den Pfeilen r dargestellt, zu einem mehr oder weniger ausgeprägten radialen, Nach-aussen-Ausweichen und damit Verschieben der Kontaktanordnung 13 führt. Die elektrische Signalführung erfolgt, wie erwähnt, über Rohr 1, Kragen 17, Unterseite 15_u des Spannkörpers 15, an dessen Peripherie. Beim Einschieben des federelastischen Kontaktes 13, 15 wird zwischen Werkzeug und der Speisung die elektrische Verbindung erstellt.
Das Werkstück 11 wird hier wie folgt montiert:
Der Einspannkörper 3 wird vom Rohr 1 entfernt. Daraufhin wird das Werkstück über den Spannkörper 15 in Anschlag mit den Dichtungen 9₇ gestülpt und darnach durch Spannen der Stellschraube 19 und Expandieren des Spannkörpers 15 im Rahmen seiner Eigenelastizität ein optimaler elektrischer Kontakt zur Innenfläche 11_i des Werkstückes 11 erstellt.
Darnach wird der Körper 3 aufgesetzt und durch dessen Einschrauben das Werkstück 11 zwischen den Dichtungen 9₇ und 9₃ verspannt, womit sowohl die Innenfläche 11_i des Werkstückes gegen die Umgebung U, insbesondere mit dem Elektrolyten B, gekapselt ist und weiter ein optimaler elektrischer Kontakt weitestgehend toleranzunabhängig erstellt ist.
Bei einer bevorzugten, wesentlich einfacheren Ausführungsform reitet der federnd ausgebildete Spannkörper 15 fix auf dem Rohr 1, und die elektrische Kontaktierung mit der Werkstückinnenfläche 11i erfolgt durch federndes Anlegen bei Einstülpen des Spannkörpers 15 in die Öffnung des Werkstückes.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird das Werkstück 11 über Rohr 1 mit dessen fix daran vorgesehenem federndem Spannkörper 15 aufgestülpt, darnach der Körper 7 von oben über das Rohr 1 aufgelegt, und es erfolgt das dichtende Verspannen des Werkstückes 11 zwischen den Dichtungselementen 9₇ bzw. 9₃ mittels des Stellorgans 19, beispielsweise einer Stellmutter, die auf das Aussengewinde des Rohres 1 aufgeschraubt wird.
Diejenigen Partien, welche mit dem Elektrolyten U für die Werkstückaussenfläche 11_a in Berührung kommen, also insbesondere mit dem Elektrolytbad B in bevorzugtem Einsatz im Zusammenhang mit dem erfindungsgemässen elektrolytischen Entschichtungsverfahren, werden aus Materialien geschaffen, welche die beabsichtige Behandlung weder beeinträchtigen noch durch die beabsichtigte Behandlung selber beeinträchtigt werden. Der Einspannkörper 3 und mindestens die diesem zugewandten Partien des Gegenspannkörpers 7, vorzugsweise dessen ganze Oberfläche, werden aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus Teflon, gefertigt. Bei der bevorzugten vereinfachten Ausführungsform der Halterung wird - wie erläutert wurde - auf die radiale Stellbarkeit der Kontaktanordnungen 15 verzichtet.

Claims

Halterung für mindestens ein Werkstück, woran mindestens ein erster Oberflächenbereich unter Elektrolyteinwirkung zu behandeln ist, mindestens ein weiterer Oberflächenbereich nicht, wobei an der Halterung eine Kapselung für den weiteren Oberflächenbereich des Werkstückes und in der Kapselung mindestens ein elektrischer Kontakt für den weiteren Oberflächenbereich des Werkstückes vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Werkstück, das mit einer Einbuchtung in Form einer Durchtrittsöffnung versehen ist, woran selektiv die Einbuchtungsinnenfläche oder die Aussenfläche zu behandeln ist, die Halterung ein Paar sich stirnseitig um die Öffnung an das Werkstück anlegender Dichtungselemente umfasst, welche, axial versetzt, entlang einer Trägerstange angeordnet sind, deren zwischen den Dichtungselementen liegender Abschnitt zur Durchführung durch die Durchtrittsöffnung dimensioniert ist.
Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem zwischen den Dichtungselementen vorgesehenen Stangenabschnitt eine elektrische Kontaktanordnung vorgesehen ist, wobei vorzugsweise eine elektrische Zuführung zur Kontaktanordnung durch die Stange geführt ist.
Halterung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beidseits der Dichtungselemente nach aussen anschliessenden Halterungsabschnitte eine Aussenfläche aus Wolfram und/oder Tantal und/oder einem Kunststoff, vorzugsweise aus Teflon, aufweisen.
Verwendung der Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für Werkstücke, woran eine Hartstoffschicht mindestens eines der folgenden Materialien enthält:
- ein Nitrid, Karbid, Karbonitrid eines Metalls oder einer Metallverbindung, wie beispielsweise TiAlN, TiAlNC, WC, WCN, WN;

- CrN, CrC, CrNC oder Cr.