SE500134C2 - Ändfräs med en kärna av snabb- eller verktygsstål och ett hölje av hårdmaterial - Google Patents

Description

~~C=0 10 15 20 25 30 ”lšll 2 eggarna, en positiv skärgeometri som ger mjuk bearbetning, samt säkerhet vid bearbetning så att skärbrott förhindras.

De pinnfräsar som existerar idag är ofta snabbstål- eller hårdmetallverktyg. Ehuru dessa fungerar tillfredsställande vid flera applikationer är de dock behäftade med flera nackdelar. Således orsakar snabbstâl ofta s.k. löseggsbildning (spånor fastnar på eggen) och de har relativt kort livslängd. Hårdmetall är som bekant ett sprödare material och har därför sämre säkerhet.

Genom svenskt patent SE 392 482 är ett material känt innehållande 30-70 volym-% submikrona hårdämnen i en metallisk bindefas. Detta material har överlägsen slitstyrka jämfört med kvalificerade snabbstål och kan därför placeras i den egenskapsmässiga klyftan mellan hárdmetall och snabbstål. Vidare har i svenskt patent SE 440 753 påvisats hur överlägsna kompoundverktyg kunnat tillverkas med bland annat ovanstående material placerat i de områden som utsatts för hög skärhastighet och med snabbstål i centrum för borrande applikationer.

Syftet med denna senare uppfinning var dels att med hjälp av en segare kärna få ett verktyg med bättre makroseghet, dels att åstadkomma bättre slipekonomi eftersom härdämnesrikt material upplevs som betydligt mer svårslipat än t ex snabbstål. Vidare upplevdes nollhastighetsproblemet och löseggsbildningsområden som problematiska för det submikrona hårdmaterialet med 30- 70 volym-% hårdämnen.

Genom US-A-5,026,227 är en pinnfrâs förut känd vilken i sin helhet består av ett, solitt s.k. cermet-material, 10 15 20 25 30 U1 CD CD ...Ä 04 4> 3 huvudsakligen bestående av en NbC-Tic-TiN-baserad komposition. Detta verktyg är relativt sprött och används i princip endast vid finbearbetning. Det är olämpligt att använda för grövre pinnfräsning där stora krav ställs på verktygets seghet.

Det har nu visat sig möjligt att åstadkomma pinnfräsar med hög produktivitet, mycket fina ytor, hög livslängd och god bearbetningsekonomi i moderna bearbetningsmaskiner. Detta har lyckats genom att tillverka en pinnfräs av ett kompoundmaterial och med en geometri enligt patentkrav 1. Dessutom har löseggsbildning lyckats undvikas över ett mycket brett skârhastighetsomràde. Detta leder till låg förslitning och en bibehållen skarp skäregg som genererar god formriktighet och mycket goda ytor hos arbetsstycket.

Detta gäller även för arbetsstycksmaterial som av håvd anses mycket svåra att bearbeta.

Verktygen användes i belagt utförande och det âr då s.k. PVD-förfarande som är mest aktuellt.

Skiktbeläggningen sker huvudsakligen med titanbaserade hàrdmaterial som TiN, Ti(C,N), (Ti,Al)N etc. Särskilt förnämliga egenskaper har erhållits med 2-4 pm Ti(C,N).

Enligt uppfinningen föreligger nu alltså långa, slanka, solida pinnfräsverktyg med ett hölje av ett hàrdmaterial med 30-70 volym-% submikrona hàrdâmnen i form av karbider, nitrider och/eller karbonitrider av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo och/eller W i en metallisk grundmassa baserad på Fe, Co och/eller Ni.

Företrädesvis består hårdmaterialet av 30-70 volym-% hårdämnen av huvudsakligen TiN i en grundmassa av snabbstàlstyp där de anrikade hârdämnena har en (N 10 15 20 25 30 4 kornstorlek av <1 um, företrädesvis <0.5 pm. Genom en väl avvägd kombination mellan verktygsmaterial och verktygsgeometri har unika verktyg med överlägsna prestanda kunnat erhållas. Materialet uppvisar också genom sin finkornighet och goda dispersion mellan hârdämnen och bindefas en unikt god vidhäftningsförmåga för pálagda, rena hårdämnesskikt som lagts på medelst PVD-förfarande. Denna metod ger annars ofta mindre god vidhäftning jämförts med den mer metallurgiska bindning som uppkommer vid s.k. CVD-förfarande. Anledningen âr främst att CVD äger rum vid högre temperatur. De skikt som lagts på är huvudsakligen titanbaserade och speciellt goda egenskaper har erhållits med Ti(C,N) men även (Ti,Al)N uppvisar stora fördelar.

Verktyg enligt uppfinningen fungerar mycket bra förutom i normala stål även i hårda metallstycksmaterial, 250- 500 HB, såsom verktygsstål, smetande material såsom rostfritt, alumímiumlegeringar eller titanlegeringar.

Genom att hårdmaterialet metallurgiskt bundits till ett segare kârnmaterial har man erhållit en mycket förmånlig kombination av slitstyrka och seghetsbeteende hos pinnfräsar.

Uppfinningen beskrivs i bifogade ritningar vari: Pig 1 visar ett treskärigt pinnfrâsverktyg i en sidovy, Fig 2 visar ett snitt genom verktyget enligt linjen A-A i Fig 1, Fig 3 visar en ändvy av ett treskârigt verktyg, 10 15 20 25 30 0500 154 5 Fig 4 visar ett snitt genom verktyget enligt linjen B-B i Fig 1, radiellt från centrumaxeln, Fig 5 visar ett snitt enligt linjen C-C i Fig 4.

Verktyget består generellt av en avlång cylindrisk kropp 1 som består av ett kompoundmaterial enligt SE 440 753 och som tillverkats på i denna patentskrift angivet sätt. Således består verktygets kärna av snabbstâl eller verktygsstâl och ett utanpåliggande hölje, vars tjocklek utgör vanligen 15 % av verktygets diameter (doc minst 0,5 mm), bestående av ett ovan närmare specificerat hårdmateríal. Skruvformigt längs verktygets centrumlinje löper ett antal bommar 2, vanligtvis två eller tre stycken. Bommarna 2 avgränsas av spår 3. Enligt uppfinningen har det visat sig överraskande fördelaktigt att anordna de skruvformade bommarna och spåren med ungefär 40 graders stigningsvinkel, närmare bestämt 40 i 3', och företrädesvis 40 i 2°.

Varje bom är utefter hela sin framkant, sett i rotationsriktningen, försedd med en huvudskäregg 4 med positiv skärgeometri. Enligt uppfinningen har det visat sig överraskande fördelaktigt att anordna denna huvudskäregg med ungefär 12 graders positiv spånvinkel, närmare bestämt 12 1 3', och företrädesvis 12 i 2'.

Huvudskäreggens 4 släppningsvinkel a varierar beroende på verktygets diameter. Följande värden åskådliggör denna variation: ( TI (I) CD 10 15 20 25 30 511 6 Verktygets skärdiameter gläppgigggyinkel 25 mm ll' 20 mm 12' 10 mm 14' 4 mm 17' Verktygets skäreggar har en eggavrundning på 10-30 pm, företrädesvis 10-20 pm.

Eftersom verktyget även ska kunna borra i axiell riktning förefinns i verktygets spets ett antal ändskäreggar 5, 5' motsvarande antalet bommar 2. Dessa ändskäreggar är utformade snett inåt-nedåt i en vinkel av ungefär 1 i' emot ett mot centrumlinjen vinkelrätt fig l och 4. Den med 5 betecknade ändskäreggen går över centrum medan övriga ändskäreggar 5' har en kortare längd som begränsas av ett uppslipat spånutrymme 7. radialplan, jfr.

Enligt föreliggande uppfinning anordnas en förstärkningsfas 6 på hörnet mellan varje huvudskäregg 4 och tillhörande ändskäregg 5, 5'. Denna förstärkningsfas avser att minska de påkânningar dessa hörn utsätts för när de är i kontakt med arbetsstycket.

De är lämpligen vinklade ungefär 20° huvudlinje och ungefär 0' längs pinnfräsens längs ändskäret. Tack vare dessa förstärkningsfaser har på ett överraskande enkelt sätt ett flertal olägenheter övervunnits, såsom urflisning och urgryning i dessa hörnpartier samt vibrationer. _ För att pinnfrâsverktygen skall hålla máttolerans även vid krav på lång livslängd och höga skärdata har de 10 15 20 25 30 7 dessutom belagts med ett tunt skikt av TiN, Ti(C,N) och/eller Ti(Al)N. Företrådesvis används TiCN i en tjocklek av mellan 2 och 4 pm; speciellt med hänsyn till den mycket goda vidhäftningsförmága som uppnåtts med just detta material. Beläggningen av hårdmaterialet med ett tunt skikt sker genom det för fackmannen välkända s.k. PVD-förfarandet.

För att underlätta verktygets samtliga funktioner (i synnerhet sidfrâsning, spårfräsning, borrning) har det försetts med rejält spánutrymme, framförallt i syfte att undvika eventuell spåntrângning. Detta framgår av spàrens 3 storlek i Fig 1 och 2.

I àskådliggörande men icke begränsande syfte presenteras nedan några exempel vilka ytterligare belyser pinnfräsverktygets enligt uppfinningens förnämliga egenskaper.

Exempel 1 Nedanstående exempel visar hur material och den nya geometrin kunnat förenas till produkter med överlägsna egenskaper.

En stång i kompoundmaterial framställd i enlighet med SE 440 753 exempel 3, extruderades till mått 9,6 mm.

Denna stång slipades efter värmebehandling till 8 mm's 2- och 3-skäriga pinnfräsar med olika geometrier.

Ett jämförande sidfräsningsprov i rostfritt austenitiskt stål SS 2343 genomfördes därefter med verktyg enligt uppfinningen, andra egentillverkade verktyg och konventionella snabbstâlsverktyg. Alla 10 15 20 25 30 8 provverktyg belades med tunnt Ti(C,N)-skikt av PVD-typ.

Verktyg A: Verktyg B: Verktyg C: Verktyg D: Verktyg E: 3-skärig pinnfräs enligt uppfinningen med stigningsvinkel 40 grader, spànvinkel + 12 grader samt med förstârkningsfas mellan huvud- och ändskârsegg.

Verktyg enligt A men utan förstârkningsfas.

Verktyg enligt A men med stigningsvinkel 45”. 3-skärig pinnfräs med skärmaterial enligt uppfinningen men med stigningsvinkel 30 grader. Spànvinkel +12 grader och förstârkningsfas mellan huvud- och ändskåregg. 3-skärig snabbstålspinnfräs med stigningsvinkel 35 grader, spånvinkel + 10 grader, utan förstärkningsfas.

Verktygen provades i medelgrov fräsning med axiellt skärdjup 8 mm och radiellt skârdjup 2 mm.

Livslängdskriterium var uppnâdd medelfasförslitning 0,08 mm eller urflisningar.

Skärdata valdes efter tillverkarens rekommendation.

Skärdata och resultat framgår av nedanstående tabell. 10 15 20 25 30 9 Provverktyg Skârhastighet Bordmatning Livslângd m¿min _1mm¿min (m) A 45 270 23 i 2 B 45 270 15 i 5 C 45 270 19 i 5 D 45 270 i 2 E 30 180 8 i 4 På verktyg B, C och E erhölls stora livslângdssprid- ningar pga plötsliga urflisningar på verktygens hörn.

Provet visade att provverktyg enligt uppfinningen gav klart bästa resultat vad gäller lång livslängd och god tillförlitlighet. ' Exempel 2 2-skäriga pinnfrâsar i diameter 8 mm enligt uppfinningen framställdes liknande exempel 1 och provades vid spârfräsning i rostfritt austenitiskt stål SS 2343 i jämförelse med andra belagda konventionella pinnfräsar i snabbstål eller hårdmetall.

Verktyg A: 2-skärig pinnfrâs enligt uppfinningen med stigningsvinkel 40 grader, spånvinkel +12 grader samt förstärkningsfas mellan huvud- och ândskâregg.

Verktyg B: 2-skärig pinnfräs i solid finkornig hårdmetall med stigningsvinkel 40 grader, spånvinkel +12 grader, utan förstärkningsfas.

CH CD CD 10 15 20 25 30 10 Verktyg C: 2-skârig pinnfräs i solitt höglegerat snabbstål med stigningsvinkel 40 grader spånvinkel +13 grader och utan förstärkningsfas.

Verktygen prövades i spârfräsning med axiellt skärdjup 6 mm.

Livslängdskriterium var uppnàdd medel-fasförslitning 0,06 mm eller avbrutet prov pga urflisningar, verktygsbrott eller oacceptabla spår.

Skärdata enligt tillverkares rekommendationer och resultat framgår av nedanstående tabell.

Provverktyg Skärhastíghet Bordmatning Livslängd m/min (mm¿min lgl A 40 140 9,5 B 35 120 6,0 C 3O 90 0,5 Verktyg B och C uppvisade avsevärt större spridning i livslängd pga stora andelar urflisningar på verktygets hörn.

Verktyg A enligt uppfinningen gav klart bästa resultat vad gäller hög produktivitet, lång livslängd och säkerhet.

Claims (9)

10 15 20 25 30 ll Patentkrav

1. Pinnfräsverktyg med huvudskäregg och ändskäregg bestående av kompoundmaterial som bildar kärna resp. hölje hos verktyget, varvid kärnan utgörs av snabbstàl eller verktygsstàl och höljet utgörs av ett hárdmaterial med 30-70 volym-% submikrona hàrdämnen i form av karbider, nitrider och/eller karbonitrider av Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo och/eller W i en metallisk grundmassa baserad pà Fe, Co och/eller Ni, samt varvid höljets ytteryta åtminstone delvis belagts med ett tunt skikt TiN, Ti(C,N) och/eller (Ti,Al)N, k ä n n e t e c k n a t därav, att verktygets stigningsvinkel är 12 i 3°, samt av att det försetts med en förstärkningsfas mellan huvudskäregg och ändskäregg.

2. Verktyg enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att det är tvâ eller flera huvudskår, företrädesvis två eller tre.

3. Verktyg enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t därav, att förstârkningsfasen vinklats ungefär 20° längs pinnfräsverktygets centrumlinje och ungefär 0° längs ândskäret.

4. Verktyg enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t därav, att skâreggen har en eggavrundning på 10-30 pm, företrädesvis 10-20 pm.

5. Verktyg enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a t därav, att verktygets skârdiameter är 3-50 mm, företrädesvis 4-25 mm, varvid släppningsvinkeln vid periferin är 17 i 2° för U1 CD CD 10 15 20 25 ...Du $> 12 diametern 4 mm och minskar till 11 i 2° för diametern 25 mm.

6. Verktyg enligt något av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a t därav, att ändskâret släpper ungefär 1,5° in emot verktygets centrumlinje och ungefär 6° tangentiellt bakåt mot rotationsriktningen.

7. Verktyg enligt något av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a t därav, att höljets tjocklek är minst 0,5 mm.

8. Verktyg enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n a t därav, att hárdmaterialet består av 30-70 volym- hárdämnen av huvudsakligen TiN i en grundmassa av snabbstälstyp där de anrikade hårdämnena har en korntjocklek av < 1 pm, företrädesvis < 0,5 pm.

9. Verktyg enligt något av kraven 1-8, k ä n n e t e c k n a t därav, att det är belagt med ett 2-4 pm tunt skikt av TiN, Ti(C,N) eller (Ti,Al)N, företrädesvis Ti(C,N).