NO164460B - Skjaerende verktoey. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår skjærende verktøy og nærmere bestemt forbedrede keramiske skjæreverktøy.

Metallskjæring eller "maskinbearbeiding" regnes for å være en av de viktigste og mest anvendte prosesser ved industriell fremstilling. Til vanlig maskinbearbeiding hører forming, høvling, fresing, avretting, brotsj ing, sliping, saging, dreiing, boring, drilling og rømming. Noen av disse prosesser, slik som saging, arbeider både på ytre og indre flater av arbeidsstykket, mens andre bare arbeider på indre flater, (f.eks. rømming) eller ytre flater (f.eks. fresing) av arbeidsstykket. Disse forskjellige prosesser er beskrevet i detalj i boken "Materials and Processes in Manufacturing" av DeGarmo, tredje utgave 1969, særlig i kapittel 16 med titt-elen "Metal Cutting".

Et mål på produktiviteten av en gitt maskinbearbeiding er den totale metallmengde som fjernes fra arbeidsstykket i løpet av en gitt tidsperiode. For dette formål er mange forskjellige materialer blitt anvendt eller foreslått i skjæreverktøy. Disse er vanligvis typeklassifisert som verktøystål, hurtigstål, støpte ikke-ferriske legering, sintrede karbider og keramikker. (Det er også noen begrensede anvendelser for diamanter). De vanligvis målte parametere ved drift av skjæreverktøy er skjærehastighet, skjæredybde, matetakt og verktøyliv. Hver av de nevnte tidligere kjente skjæreverk-tøymaterialer har utilfredsstillende egenskaper med hensyn til et eller flere av disse parametere. Verktøystål, hurtigstål og støpte ikke-ferriske legeringer har alle kritiske temperaturbegrensninger, hvilket begrenser deres skjærehastighet til relativt lave verdier, målt i meter pr. minutt (m/min). Typiske hurtigstål er begrenset til 30-70 m/min for skjærestål samt 7 5-90 m/min for skjærende ikke-ferriske materialer. De støpte ikke-ferriske legeringer vil kunne arbeide opp til det dobbelte av disse verdier. Karbidmate-rialer, slik som wolframkarbid, forbedrer skjærehastighets-verdiene for stål med en faktor på 2-5, særlig når karbidene er overtrukket. Karbidene er imidlertid ikke så seige som stål og er gjenstand for slagbrudd. Dette begrenser i høy grad deres bruk i anvendelser hvor slagpåkjenning er en faktor, f.eks. ved utførelse av avbrutte skjæringer eller ved maskinbearbeiding av hårde arbeidsstykker.

Keramiske materialer, slik som aluminiumoksyd, er funnet å gi skjæreverktøy som kan arbeide ved meget høyere hastigheter enn de vanlige skjæreverktøy av stål og karbid. Skjærehastigheter på 150-430 m/min ved stålskjæring er f.eks. blitt rapportert. Levetiden har imidlertid vist seg å være et alvorlig problem ved verktøy av keramikk, da keramikk er enda sprøere og har mindre seighetsgrad enn karbidene. Særlig har det vakt bekymring at keramiske materialer har en tendens til å briste katastrofalt og uventet når de utsettes for slag. Skjønt høye skjærehastigheter har vært oppnådd ved keramiske materialer, har det imidlertid bare vært mulig å anvende sådanne materialer ved ganske lav matetakt, som ligger meget lavere enn de som anvendes for skjæreverktøy av stål og karbid.

Det er således funnet at produktiviteten, som er en funksjon av både skjærehastighet og matetakt, er relativt lav for alle tidligere kjente typer av skjæreverktøy. Stål- og karbid-verktøy, som har høy matetakt, har relativ lav skjærehastighet. Omvendt har keramikkverktøy høy skjærehastighet, men kan bare arbeide med lav matetakt. Produktivitet fastlagt som total fjernet metallmengde i løpet av en gitt tidsperiode, forblir derfor forholdsvis lav uavhengig av den anvendte type skjæreverktøy.

Henvisninger til bruk av forskjellige keramikker som skjære-verktøy omfatter US-patentskrift nr. 4.543.343 som beskriver bruk av keramikk som inneholder aluminiumoksyd, zirkoniumoksyd og titankarbid sammen med titanborid.

Det skal videre henvises til US-patentskrift nr. 4.366.254 som beskriver en keramikk for skjæreverktøy og som omfatter aluminiumoksyd og zirkoniumoksyd sammen med karbider, nitrider eller karbo-nitrider fra metaller i elementgruppene IVB og VB.

Det er blitt fremholdt at keramikkmaterialer forsterket med silisiumkarbidfibre med fordel kan anvendes i forskjellige maskindeler. Angitte eksempler har omfattet varmevekslere, støpeformer, munnstykker, turbiner, ventiler og tannhjul, se f.eks. japanske patentskrifter nr. 59-54680 og 59-102681. Sådanne anvisninger har imidlertid ikke i vesentlig grad an-gått skjæreverktøyet i henhold til oppfinnelsen og slik det vil bli beskrevet, da de omtalte mekaniske deler ikke er utsatt for slagpåkjenninger under normal drift. Ingen omtale av forbedret seighet eller impaktbestandighet er blitt gitt, og heller ikke har sådanne egenskaper vært av vesentlig interesse for de gjenstander som er beskrevet.

Det er også fremholdt at bruddseighet for keramikkmaterialer kan forbedres ved å føre inn silisiumkarbidtråder i keramikken. Gode artikler av Becher og Wei har beskrevet mekanismer for økning av seigheten i samsvar med trådinnholdet og trådenes orientering, se "Toughening Behaviour is SiC Whisker Reinforced Alumina", Comm. Am. Cer. Soc.

(September 1984) og "Transformation Toughened and Whisker Reinforced Ceramics", Soc. Auto. Engrs., Proe. 21st Auto. Tech. Dev. Mtg., side 201-205 (mars 1984). Se også US-patentskrif t nr. 4.543.345 i navnet Wei. Denne litteratur behandler imidlertid bare anvendelser ved termisk påkjenning og bøyepåkjenninger og gir ingen utsagn med hensyn til maskinbearbeidingsprosesser.

Det vil således i høy grad være fordelaktig å ha et verktøy som arbeider med de høye skjærehastigheter som er mulig med keramiske materialer, samtidig som det også tillater de høye matetakter som er mulig med verktøymaterialer av stål og karbid. Sådanne skjæreverktøy ville da gi vesentlig høyere produktivitet enn det som er mulig å oppnå med tidligere kjente verktøy av enhver art. Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et verktøy med disse egenskaper.

Oppfinnelsen gjelder således skjæreverktøy av sammensatt keramisk material av en sintret keramikkmatrise med fordelte innleirede forsterkningselementer i form av keramiske trådstykker.

På denne bakgrunn av prinsippielt kjent teknikk fra f. eks japansk patentansøkning nr 60 05 079, som er gjengitt i utdrag i Chemical Abstracts, Vol. 102/20, utdrag nr 171.498x, har så skjæreverktøyet i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at matrisen hovedsaklig består av aluminiumoksyd hvori det er fordelt innleirede trådstykker av silisiumkarbid i en mengdeandel på 2 - 40 volum%.

I foretrukne utførelser av oppfinnelsesgjenstanden omfatter det sammensatte material 65 - 80 volum% aluminiumoksyd og 20 - 35 volum% trådstykker, eller alternativt 88 - 98 volum% aluminiumoksyd og 2 - 12 volum% trådstykker.

I den sammensetning som er beskrevet i den angitte japanske patentansøkning nr 60 05 079 har trådforsterkningen samme kjemiske beskaffenhet som keramikkmatrisen, idet begge er fremstilt av silisiumnitrid. Det fremgår videre at de forbedringer som oppnås ved å la trådstykkene inngå i keramikken bare er 50 % når det gjelder bøyefasthet og mindre enn 1 % med hensyn til hardhet, mens levetiden med hensyn til maskinbearbeidingsprosesser for skjæreverktøyet i henhold til oppfinnelsen, hvor forsterkningen kjemisk sett er av forskjellig art, er mer enn 1.000 % lenger enn for verktøy fremstilt i silisiumnitrid.

Skjæreverktøyet i henhold til foreliggende oppfinnelse slites ved at biter flaker av materialet på verktøyets egg på en slik måte at det dannes en ny skjæreegg, noe som gjør at verktøyet kan fortsette å skjære, selv etter slik avflakning. Ved konvensjonelle skjæreverktøy antyder derimot materialav-flakning at verktøyet er utslitt. Videre oppnås det i henhold til oppfinnelsen et skjæreverktøy med hovedsakelig ensartet levetid, slik at verktøysdeler for første gang kan skiftes ut etter en forhåndsbestemt timeplan. Derved unngås uventede av-brudd i løpet av en skjæreprosess. Ved konvensjonelle keramiske skjæreverktøy oppstår det imidlertid vanligvis fatale og uberegnelige svikt, hvilket hittil har gjort det umulig for en operatør å avgjøre om et tidligere brukt skjæreverktøy med sikkerhet kunne utføre en viss arbeidsoppgave.

Skjæreverktøyet i henhold til oppfinnelsen kan dessuten benyttes ved usedvanlige høye temperaturer (som oppstår som en følge av høy skjærehastighet) og uten merkbar kjemisk reaksjon med metall som smelter i skjæreflaten. Selv om smelting skulle skje på skjæreflaten, beholder verktøyet i henhold til oppfinnelsen sine gunstige egenskaper. Dertil kommer at skjæreverktøyet kan kjøles samt utsettes for raske temperaturvariasjoner, uten at dette medfører svikt, hvilket vanligvis ikke anbefales for keramiske skjæreverktøy, da de har en tendens til å være ømfintlige overfor termiske sjokk.

Nedenfor gis en nærmere beskrivelse av foreliggende oppfinnelse ved hjelp av foretrukne utførelseseksempler og vedføyde tegningers fig. 1 og 2 som sammenligner grafisk resultater oppnådd ved planfresing med henholdsvis skjæreverktøy i henhold til oppfinnelsen og verktøy av vanlig kjent art.

Skjæreverktøy representerer en særegen og sterkt spesialisert klasse industriprodukter. Skjæreverktøyets geometri er slik at kraftige skjærepåkjenninger opptrer og konsentreres ved verktøyets skjæreegg. Det arbeide som kreves for å deformere vedkommende arbeidsstykke og fraskille skjæresponene, såvel som friksjonen mellom sponene og overflaten av skjæreverk-tøyet, frembringer betraktelig varmeutvikling i skjæreverk-tøyet. Egenskaper ved arbeidsstykket, slik som duktilitet eller hårdhet, kan videre øke påkjenningene og de arbeids-temperaturer som skjæreverktøyet utsettes for. Et skjæreverk-tøy er også utsatt for varierende grad av slagpåkjenning, særlig ved utførelse av intermittent skjæring, men også avhengig av om vedkommende arbeidsstykke danner kontinuerlige eller usammenhengende spon. En mer detaljert omtale av disse typer driftsforhold, såvel som beskrivelse av de forskjellige verktøygeometrier, kan finnes i ovenfor nevnte publikasjon av DeGarmo. Den kritiske og særegne kombinasjon av driftspå-kjenning, temperatur og slagpåkjenning gjør bestemmelse av egnede materialer for anvendelse som skjæreverktøy i vesentlig grad forskjellig fra bestemmelse av materialer for andre industriprodukter, slik som f.eks. varmevekslere eller tannhjul.

Foreliggende oppfinnelse har som grunnlag den erkjennelse at innlegg av en fastlagt andel av en spesiell type forsterkende trådstykker, nemlig tråder av silisiumkarbid, i en keramikkmatrise, nemlig aluminiumoksyd, gir en skjæreverktøystruktur som ikke bare kan holde de høye skjærehastigheter som tidligere kjente uforsterkede keramikker er i stand til, men også uventet tillater keramikkmatrialer å arbeide med så høy matetakt som tidligere bare har vært oppnådd ved hjelp av stål og karbider, og selv for disse sistnevnte materialer bare på bekostning av sterkt nedsatt skjærehastighet.

Det aluminiumoksyd som benyttes som matrise kan enten anvendes alene (nemlig uten andre materialer bortsett fra vanlige forurensninger) eller det kan kombineres eller "dopes" med mindre mengder (nemlig mindre enn ca. 30%) seighetsfremmende komponenter, slik som zirkoniumoksyd, yttriumoksyd, hafnium-oksyd, magnesiumoksyd, silisiumnitrid og titankarbid eller blandinger av disse materialer. Den ovenfor angitte artikkel av Becher og andre angir typiske materialsammensetninger som inneholder opp til 30 volum% zirkoniumoksyd, hvor dette oksyd inneholder opp til 3 mol% yttriumoksyd.

De forsterkningstråder som kan anvendes med størst fordel er trådstykker av silisiumkarbid. Sådanne trådstykker av silisiumkarbid er kommersielt tilgjengelig både i alfa- og betaform og begge kan anvendes. De trådstykker som anvendes i henhold til foreliggende oppfinnelse har en enkeltkrystall-eller monokrystall-struktur. En særlig foretrukket kommer-siell kilde for dette formål er de silisiumkarbidtråder som fremstilles og markedsføres av gruppen for videreutviklede materialer i ARCO Chemical Company. Sådanne trådstykker er fremstilt ut av risskall og har typisk en midlere diameter av størrelsesorden 0,6 um og sideforhold av størrelsesorden 15-150. Bruddstyrken er typisk av størrelsesorden 70,000 kg/cm<2>, mens elastisitetsmodulen er av størrelsesorden 4-7 millioner kg/cm<2>. Trådstykker av silisiumkarbid er termisk stabile opp til 17 60°C. For ytterligere opplysning om enkeltkrystall-trådstykker se Katz, H.S. og Milewski, J.V. "Handbookof Fillers and Reinforcements for Plastics", sidene 446-464 (C. 25) (Von Nostrand Reinhold Co., N.Y. 1978).

Kort fibermaterial av polykrystall-type må sees å være forskjellige fra de enkeltkrystall-trådstykker som anvendes i henhold til foreliggende oppfinnelse. Polykrystall-filamen-ter eller opphakkede fibre har meget større diameter, f.eks. 10 um eller større. I ovenfor nevnte US-patentskrift nr 4.543.345 er det angitt at: "Polykrystallfibre svekkes i betraktelig grad på grunn av kornvekst ved temperaturer over ca. 1250°C, hvilket i høy grad begrenser deres bruk i fremstillingsprosesser ved høy temperatur, slik som f.eks. varmpressing for å fremstille keramiske sammensetninger av nær teoretisk densitet. Under høytrykksbelastning, slik som under varmpressing, vil polykrystall-fibrene være gjenstand for fragmentering som vil nedsette deres forsterkningsegenskaper som fibre i sammensatt keramisk material. Disse polykrystall-fibre har også utilstrekkelig bestandighet overfor sprekkdannelser i det sammensatte keramiske material, da de fibre som strekker seg over sprekklinjen eller bruddplanet har utilstrekkelig strekk-fasthet til å hindre sprekkvekst gjennom materialet, særlig etter at vedkommende sammensatte materail under sin fremstilling er blitt utsatt for høye trykk og temperaturer under varmepressing".

Det henvises også til Milewski, J.V. "Short-Fiber Reinforcements: Where the Action is" i "Plastics Compounding", november/desember 1979, sidene 17-37. En klar skillelinje trekkes her mellom enkeltkrystall-trådstykker og polykrystall-mikrofibre på sidene 17-19.

Det vil forstås at trådstykkene må være bundet til grunn-matrisen på sådan måte at de utgjør en forsterkning av denne. Arten av sådan bindingsforsterkning er imidlertid ikke fullstendig kjent. De alminnelige forhold som må tas i betraktning for å oppnå god matrialforsterkning er imidlertid blitt beskrevet av et antall forskere. En nøyaktig beskrivelse finnes i Katz et al, "Handbook of Fillers and Reinforcements for Plastics", sidene 454-457 (1978). Det er i henhold til oppfinnelsen funnet at bindingen er tilfreds-stillende og god forsterkning oppnådd for skjæreverktøy når innholdet av keramiske trådstykker ligger i området fra omkring 2-40 volum% av tråd/matrise-sammensetningen. (Dette innebærer naturligvis at prosentandelen av matrisematerialet er 60-98%). Med et trådinnhold på mer enn 40% vil ytterligere tillegg av forsterkningstråder nedsette materialets seighet. Det antas at dette kan ha sin årsak i enten det forhold at trådinnholdet blir så stort at soner av trådkon-sentrasjon i seg selv får en begrenset seighet, eller at selve keramikkmatrisen utvikler punkter hvor matrisens enhet-lighet er nedsatt. Under omkring 2% vil det være utilstrekkelig trådinnhold til å gi tilsiktet forsterkning.

Det foretrukkede området av trådinnhold vil være avhengig av den type skjærearbeide som vedkommende verktøy er konstruert for. Lavere trådinnhold (omkring 2-12%) er i alminnelighet bedre når verktøyet skal anvendes for sådant skjærearbeide (f.eks. dreiing) hvor skjærekreftene påtrykkes forholdsvis uavbrudt og varme bygges opp i verktøymatrisen. I det til-fellet hvor keramikkverktøyets kraft påtrykkes mer støtvis eller intermitterende, foretrekkes imidlertid høyere trådinnhold (f.eks. 20-35%). Et skjæreverktøy som inneholder om-trent 25 volum% silisiumkarbidtråder i en aluminiumoksydmatrise gir særlig fremtredende driftsegenskaper. Det vil erkjennes at det vil være påkrevet med en viss rutinemessig utprøving for å fastlegge det optimale trådinnhold for en gitt tilsiktet anvendelse. Sådan utprøvning bør imidlertid lett kunne gjennomføres av fagfolk på området.

Typiske eksempler på verktøy i henhold til foreliggende oppfinnelse er anskueliggjort i tabell I. De angitte data i tabell I er utledet fra en utprøvning hvor bruddseighet (Kc) ble målt for prøvestykker sammensatt av aluminiumoksydmatrise med innhold av trådstykker av silisiumkarbid fra ARCO Chemical Company.

Keramikkmatriser sammensatt av aluminiumoksyd dopet med titankarbid har bruddseighet av størrelsesorden 1.5 x større enn bruddseigheten for rene aluminiumoksydmatriser. Det antas at samme grad av bruddseighetsforbedring med tråd-forsterkning som angitt for aluminiumoksyd i tabell I, også vil gjelde aluminiumoksyd/titankarbid-matriser.

De keramiske skjæreverktøy i henhold til foreliggende oppfinnelse dannes ved først å blande i korrekt mengdeproporsjon vedkommende keramiske matrisematerial i pulverform med keramiske trådstykker. Utstyr av høyst forskjellig art er kjent for blanding av faste materialer i partikkelform. Typisk er utstyr av den art som er beskrevet i Perry et al: "Chemical Engineers' Handbook", 21-30 til 21-36 (5. utgave, 1973). Blandingen må finne sted på sådan måte at trådstykkene blir grundig fordelt over hele den foreliggende mengde keramisk matrisematerial i partikkelform, men må ikke være så omfatt-ende at trådstykkene degraderes i vesentlig grad. En for nær-værende foretrukket fremgangsmåte er beskrevet i US patentskrift nr. 4,463,058.

Når det keramiske matrisematerial og de keramiske trådstykker er grundig sammenblandet, finner utformingen av de sammensatte skjæreverktøy sted på samme måte som ved fremstilling av vanlige uforsterkede keramikkverktøy. Verktøyene formes ved støping under trykk på 200-4200 kg/cm<2> og sintres enten samtidig eller påfølgende ved temperaturer av størrelses-orden 800^1750°C. Den spesielle verktøyform som støpes vil naturligvis være avhengig av den tilsiktede arbeidsfunksjon for vedkommende skjæreverktøy.

De forbedrede keramiske verktøy i henhold til foreliggende oppfinnelse har en høy grad av seighet og slitebestandighet. Ved særlig foretrukket praksis er skjæreverktøyene utført som utskiftbare innsatser i den standard utformning som anvendes i industrien for sådanne forskjellige anvendelser av skjære-verktøy og verktøyinnsatser som dreiing, høvling, fresing, boring o.l. Maskinbearbeidingsprosesser som kan utnytte skjæreverktøy i henhold til foreliggende oppfinnelse er alminnelig beskrevet i en artikkel "Practical Machining Principles for Shop Application" av Metcut Research Associa-tes, Inc. (1981) 3980 Rosslyn Drive, Cincinnati, Ohio 45209.

De sterkt forbedrede produkter i henhold til foreliggende oppfinnelse er nærmere anskueliggjort i tabell 2 nedenfor. I de angitte utførelseseksempler ble det anvendt forskjellige typer skjæreverktøy for fresekapping av støpte jernplater i en takt på 600 overflatemeter/minutt ved anvendelse av 1 millimeter skjærdybde. "Verktøylivet" angir det antall lengdeenhter av metall som kan skjæres før verktøyet svikter på grunn av sammenbrudd.

Det vil være umiddelbart innlysende at det forsterkede verk-tøy ga mer enn en størrelsesordens forbedring av verktøyliv, hvilket fører til sterkt forbedret produktivitet, selv om ut-prøvningen av det forsterkede verktøy ble avbrudt før verk-tøysvikt. Skjønt visse skjæreverktøy av stål og karbid kan gi langt verktøyliv, kan ingen av disse arbeide med de høye skjærehastigheter som keramikkverktøy kan. På den annen side viser de angitte data i tabell 2 klart at ikke-forsterkede keramikkmaterialer vil ha uakseptabel kort levetid når de arbeider med høy skjærehastighet. De forsterkede skjæreverk-tøy i henhold til foreliggende oppfinnelse vil imidlertid klart kunne kombininere de beste egenskaper ved begge typer av tidligere kjent verktøy uten at dette medfører ulempene ved noen av dem.

For ytterligere å anskueliggjøre oppfinnelsen ble skjæreverk-tøyinnsatsen bestående av aluminiummatrise med forskjellig innhold av silisiumkarbidtråd fremstilt og utprøvet ved plan-fresingsprøver. For sammenligning ble vanlige verktøyinn-satser også fremstilt og utprøvet.

Innsatsen i henhold til oppfinnelsen ble dannet ved grundig sammenblanding av fint aluminiumoksydpulver med den tilsvar-ende mengde silisiumkarbidtråd som ble anvendt i det foregående eksempel, hvorpå blandingen ble varmpresset ved 280 kg/cm<2> og 1850°C i 1 time for å danne et innsåtsemne med en teoretisk densitet på over 99%. Emnene ble ferdigslipt til å danne keramiske skjæreinnsatser av type SNG-432. Planfresingsprøvene ble utført i en vertikal fresemaskin av type Cincinnati Nr. 5. Denne maskin var utstyrt med en like-strømmotor på 40 hestekrefter og variabel drivhastighet for fresespindelen, samt en vekselstrømsmotor på 10 hestekrefter og variabel drivhastighet for freseborets mating.

Arbeidsmaterialet var grått støpejern av klasse 30. Formen av det roterende arbeidsstykke var ytterdiameter 30,5 cm og innerdiameter 20,3 cm samt en lengde på 33 cm. Disse rør hadde en hårdhet på 179 BHN. De staver som ble anvendt for enkelttann freseprøve hadde dimensjonene

5,1 x 10,2 x 30,5 cm. Overflatebelegget ble fjernet fra alle prøvestykker før prøvene ble utført. Alle verktøy, bortsett fra verktøyinnsats A hadde eggbearbeiding på 0,015 cm ved 30°. Eggbearbeidelsen var for nevnte verktøyinnsats A

0,015 cm ved 20°. Prøvene på samtlige verktøy ble avbrudt når slitasjen på sideskjæreeggen var 0,0255 cm jevn slitasje, 0,051 cm lokal slitasje eller eventuell verktøysvikt.

Arbeidsbetingelsene for fresing var som følger: Skjærehastighet: 600 og 1800 m/minutt.

Mating: 1,0 og 2,0 samt 2,5 millimeter pr tann. Skjærdybde: 1,25 mm.

Skjærbredde: 10 cm.

Innstilling: i senter.

Skjærefluid: tørr.

Arbeidsmaterial: Klasse 30 grått støpejern, 179 BHN. Verktøymaterial: Innsatser av SNG-432.

Verktøygeometri:

Aksialflanke: -5° Skjæreeggvinkel ved enden: 15°. Radialflanke: -5° Radial relieff: 5°.

Hjørnevinkel: 15° Neseradius: 0,75 mm.

Radial skjærdybde: 10 cm.

Aksial skjærdybde: 1,25 cm.

Innstilling: i senter.

Skjærefluid: tørr.

Endepunkt for

verktøyliv: 0,25 mm jevn slitasje.

0,50 mm lokal slitasje eller verktøysvikt.

Resultatene av disse enkeltanns planfresingsprøver er angitt i tabell 3 og i fig. 1 og 2. Disse prøver er utført for å bestemme seigheten av skjæreverktøyene. Skjærehastigheten ble innstilt til en konstant verdi på 600 meter pr. minutt. Den innledende sponbelastning var 1,0 mm pr. tann. Skjær-dybden og skjærvidden var henholdsvis 1,25 mm og 10 cm. Under disse arbeidsbetingelser brøt verktøyinnsatsene av Si3N4/30% TiC, Si3N4/aluminiumoksyd og aluminiumoksyd/30% TiC sammen etter henholdsvis 110, 105 og 64 cm arbeidslengde. Alle de øvrige verktøy ble utprøvd inntil 270 cm arbeidslengde var oppnådd uten brudd. Sponbelastningen ble så øket til 2 mm pr. tann og de gjenværende fem verktøy ble utprøvet. Resultatene av dette er angitt i fig. 1.

Verktøyinnsatsen med 25% SiC-trådstykker i henhold til oppfinnelsen oppnådde 840 cm arbeidslengde uten brudd. En ytterligere prøve ble utført for å verifisere dette resultat. Denne annen prøve ble stoppet ved 298 cm arbeidslengde uten brudd. Vedkommende verktøy ble så utprøvet med en sponbelastning på 2,5 mm pr. tann. Ved denne sponbelastning ble verktøyet utprøvet over 510 cm arbeidslengde før prøven ble avbrudt uten verktøybrudd. Alle de øvrige verktøy brøt sammen ved sponbelastningen på 2 mm. Disse verktøy ble også utprøvet med matninger på henholdsvis 1800 meter pr. minutt samt 0,125 og 0,25 cm pr. tann.

Resultatene av disse prøver er angitt i tabell 3, mens verk-tøyliv som funksjon av matningen er opptegnet i fig. 2. De overlegne egenskaper av skjæreverktøy i henhold til foreliggende oppfinnelse fremfor sammenligningsbare kommersielle verktøy er da klart synlig.

For ytterligere å vise de fordeler som oppnås ved skjæreverk-tøy i henhold til foreliggende oppfinnelse sammenlignet med vanlige verktøy, ble det utført ytterligere prøver hvis resultater er angitt nedenfor. I det følgende var verktøyinn-satsen med 25% SiC utført med 25 volum% silisiumkarbidtråder i en matrise av aluminiumoksyd og fremstilt ved den fremgangsmåte som er angitt i foregående utførelseseksempler. Verktøyinnsatsen E var en vanlig aluminiumoksydinnsats (4% zirkoniumoksyd), mens verktøyinnsatsen G var en vanlig Si3N4~innsats med tilskudd av A1N, AI2O3 og Y2O3 som sintringstilsatser. Verktøyinnsatsene ble sammenlignet i et antall forskjellige skjæreanvendelser.

Planbearb<=frin g av støpejern

Arbeidsmaterial: Støpejern med mehanitt GC, hårdhet 185 HV. Innsatstype: SNGN 120416T.

Verktøyliv-kriterium: 1 mm maksimal flankeslitasje eller tid

ligere brudd.

Skjæredata

Mating: 0,2 mm/omdreining.

Skjærdybde: 2 mm.

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

Resultater:

Verktøyinnsatsen av aluminiumoksyd forsterket med 25% SiC-trådstykker i henhold til oppfinnelsen oppviste øket levetid og nedsatt levetidsspredning sammenlignet med aluminiumoksyd-keramikk E og silisiumnitrid-keramikk G i foreliggende intermitterende skjæreprosess.

Bruddfasthet ved intermitterende skjæring av nodulært støpe-jern

Arbeidsmaterial: Nodulært støpejern SS 0737-00, hårdhet

270 HB

Innsatstype: SNGN 120416T.

Verktøyliv-kriterium: Materialbrudd.

Skjæredata:

Mating: 0,38 mm/omdreining

Skjærdybde: 3 mm

Hastighet: 500 m/min.

Resultat:

Verktøyinnsatsen i henhold til oppfinnelsen var av seigere material enn innsatsen G ved intermitterende skjæring av støpejern. Ved denne utprøvning var arbeidsmaterialet valgt slik at det skulle utøve meget sterke intermitterende kref-ter samt syklisk varmepåkjenning av verktøyspissen. Aluminiumoksyd-keramikker er mindre seige enn silisiumnitrid-keramikker. Kermikk forsterket med SiC-trådstykker har således fått seighetsegenskaper som er bedre enn silisiumnitrid, samtidig som slitasjebestandigheten for aluminiumoksyd opprettholdes.

Dreining av herdet stål

Arbeidsmaterial: Herdet stål SS 2310, hårdhet 64 HRC. Innsatstype: SNGN 120461T.

Verktøyliv-kriterium: Brudd.

Skjæredata:

Mating: 0,23 mm/omdreining.

Skjærdybde: 0,5 mm.

Hastighet: 60 m/min.

Resultat:

Verktøyinnsatsen forsterket med SiC-trådstykker i henhold til oppfinnelsen oppviste bedre driftsegenskaper enn innsatsen G ved kontinuerlig dreiing av herdet stål.

Dreiing av varmebestandia leaerina Inconel 718 Arbeidsmaterial: Inconel 718, løsningsbehandlet og eldet. Innsatstype: SNGN 120412E.

Verktøyliv-kriterium: Flankeslitasje og/eller avflakning av

eggside.

Resultat:

Verktøyinnsatsen som var forsterket med SiC-trådstykker oppviste bedre driftsegenskaper enn innsatsen G og hadde en høy grad av sikkerhet og slitasjebestandighet.

Dreiing av varmebestandig legering Incolov 901 Arbeidsmaterial: Incoloy 901 løsningsbehandlet og eldet. Innsatstype: SNGN 120412E.

Verktøyliv-kriterium: Flankeslitasje og/eller sideavflagning.

Resultater:

Verktøyinnsatsen av material forsterket med SiC-trådstykker var vel egnet for dreiing av Incoloy 901 og hadde litt bedre eggliv enn innsatsen G. En stor fordel var det at ingen slagslitasje kunne påvises ved bakkanten, hvilket innebærer glatt bearbeidingsflate.

Den industrielle anvendelse av foreliggende oppfinnelse ligger i området metallskjæring. Skjærverktøy i henhold til foreliggende oppfinnelse kan anvendes innenfor praktisk talt alle industrielle områder hvor metallskjæring er en drifts-faktor. Typisk for industrier hvor disse skjæreverktøy med fordel bør kunne anvendes er industrier for fremstilling av biler, luftfartøyer, konstruksjonsmetaller samt alle sammen-heng hvor metallbearbeiding i sin alminnerlighet forekommer.

Claims (6)

1. Skjæreverktøy av sammensatt keramisk material av en sintret keramikkmatrise med fordelte innleirede forsterkningselementer i form av keramiske trådstykker, karakterisert ved at matrisen hovedsaklig består av aluminiumoksyd hvori det er fordelt innleirede trådstykker av silisiumkarbid i en mengdeandel på 2-40 volum%.

2. Skjæreverktøy som angitt i krav 1, karakterisert ved at det nevnte sammensatte material omfatter 65-80 volum% aluminiumoksyd og 20-35 volum% trådstykker.

3. Skjæreverktøy som angitt i krav 1, karakterisert ved at det nevnte sammensatte material omfatter 88-98 volum% aluminiumoksyd og 2-12 volum% trådstykker.

4. Anvendelse av skjæreverktøy av sammensatt keramisk material som angitt i et av kravene 1-3 til å skjære metall.

5. Anvendelse som angitt i krav 4 og hvor metallet skjæres under utøvelse av hovedsaklig konstant skjærekraft.

6. Anvendelse som angitt i krav 4 eller 5, hvor metallet skjæres ved høvling, fresing, avretting, brotsj ing, sliping, saging, dreiing, drilling og rømming.