WO2015131210A1 - Materialabtragendes bearbeitungswerkzeug - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a material-removing machining tool with cutting segments and a cutting segments receiving, on the one hand driven in the cutting direction of the cutting segments and on the other hand movable in a feed direction carrier, the cutting segments projecting transversely to their cutting direction and transverse to the feed direction on the carrier and the opposite Cutting segments recessed surfaces of the carrier at least partially have a coating.
  • the known circular saw blades are only partially suitable for many uses in which both a high wear resistance and a high heat load can be expected. Since similar requirements are placed on the wear resistance and heat loadability in other material-removing machining tools with cutting segments and a cutting segments receiving, driven on the one hand in the cutting direction of the cutting segments and on the other hand movable in a feed direction carrier, the invention is based on the object, the life of such material-removing processing tools , as they are formed for example by drills, cutters and saws, significantly increase without having to give up good quality machining.
  • the invention solves the stated object in that the coating is a doped with silicon, boron or nitrogen hydrogen-containing amorphous carbon layer of a mixture of sp 2 - and sp 3 -hybridized carbon atoms.
  • the coating of the carrier which is partly abrasive in nature, causes additional comminution of the material collecting in the processing joint between the workpiece and the carrier, so that the friction between this material and the carrier and thus its heat load is additionally reduced.
  • the achievable effect therefore depends inter alia on the size of the friction surface formed by the carrier. The larger this friction surface between the carrier and the material in the finestsfuge, the more greater is the influence of the coating. For this reason, there are preferred applications in the field of saw blades and drill bits.
  • the physical properties of the coating can be adapted to the respective requirements.
  • the preferred modification with silicon allows a wide adaptation to customary requirements, because it stabilizes the sp 3 hybridization and improves the temperature behavior.
  • sp 2 -hybridized and the sp 3 -hybridized carbon atoms it is possible to influence the properties of the coating with regard to the abusive behavior and the lubricating behavior.
  • proportions of sp 2 -hybridized carbon atoms from 30 to 65 wt.%, Preferably from 40 to 60 wt.%, And to sp 3 -hybridized carbon atoms of 20 to 70 wt.%, In particular 25 to 40 wt.%, Favorable Results for most use cases can be ensured.
  • the carbon content in the form of a sp hybridization of the carbon atoms should not exceed 20% by weight.
  • FIG. 1 shows a processing tool according to the invention in the form of a circular saw blade in a schematic plan view
  • Fig. 3 shows an inventive machining tool in the form of a drill bit in a schematic longitudinal section. Way to carry out the invention
  • the circular saw blade shown in FIGS. 1 and 2 has a carrier 1 in the form of a blade body 1 with tooth-like cutting segments 2, which are equipped with cutting plates 3, but this is of course not mandatory.
  • the surfaces 4 of the carrier 1 are provided with a coating 5 of a hydrogen-containing amorphous plastic, which contains as an essential feature portions of both sp 2 and sp 3 -hybridized carbon atoms in order to interact with the diamond-like, tetragonal structures of the sp 3 Hybrid orbitals of carbon atoms to achieve a wear-counteracting, abrasive effect, while the three sp 2 hybrid orbitals lie in a plane and a graphitic structure of the carbon and thus cause corresponding lubricating properties.
  • the hydrogen content can influence the formation of these structures.
  • the hydrogen content is generally 30 to 40 atomic percent.
  • the coating 5 used is preferably silicon-modified plastic of the type aC: H: Si.
  • the proportion of sp 2 -hybridized carbon atoms is preferably between 40 and 60 wt.%, The proportion of sp 3 - hybridized carbon atoms 35 to 40 wt.%, The proportion of sp-hybridized carbon atoms should remain less than 15 wt.% , The hydrogen content for these cases is 25 to 35 atomic percent.
  • the silicon content will generally be 15 to 20% by weight of the carbon content.
  • Such a composition of the amorphous carbon layer results in a Vickers hardness of 1000 to 1700 HV 10.
  • the coefficient of friction with respect to steel can be given as 0.010 to 0.012.
  • the support 1 for applying the coating is first annealed at about 500 ° C by sputtering with a mixture of nitrogen and argon and then in a Atmosphere of acetylene, hydrogen and hexamethylsiloxane under a partial pressure of 0.5 mbar coated until the layer thickness is about 30 ⁇ .
  • the cutting performance is significantly improved, for example, in concrete, with an energy saving of about 45% is possible.
  • the stability of the circular saw blade can be increased by 2.5 times. This results in particular advantages in the cutting of concrete parts in the contaminated area of nuclear power plants, especially since the coating is resistant to ionizing radiation.
  • FIG. 3 shows a drill bit in a schematic section.
  • This drill bit forms a pot-like carrier 6, whose tubular jacket 7 has the cutting segments 2 at the front.
  • the cutting segments 2 may be formed differently and formed by the carrier 6 cutting or connected to the carrier 6 cutting plates.
  • Cutting segments 2 against recessed surfaces 4 can be provided with the coating 5 according to the invention. From the embodiment of the drill bit is immediately apparent that the inner and the outer surface 4 of the shell 7 are exposed to significant Reibangriffen by the removed material of the machined workpiece, so that the coating 5 according to the invention of these surfaces 4 a significant improvement in terms of wear and heat load of the Carrier 6 brings with it.

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Abstract

Es wird ein materialabtragendes Bearbeitungswerkzeug mit Schneidsegmenten (2) und einem die Schneidsegmente (2) aufnehmenden, einerseits in Schneidrichtung der Schneidsegmente (2) antreibbaren und anderseits in einer Vorschubrichtung verlagerbaren Träger (1, 6) beschrieben, wobei die Schneidsegmente (2) quer zu ihrer Schneidrichtung und quer zur Vorschubrichtung über den Träger (1, 6) vorstehen und die gegenüber den vorstehenden Schneidsegmenten (1, 6) rückspringenden Flächen (4) des Trägers (1, 6) zumindest abschnittsweise eine Beschichtung (5) aufweisen. Um vorteilhafte Schnittbedingungen zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass die Beschichtung (5) eine mit Silicium, Bor oder Stickstoff dotierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aus einer Mischung von sp²- und sp³-hybridisierten Kohlenstoffatomen ist.

Description

Materialabtraqendes Bearbeitunqswerkzeuq
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein materialabtragendes Bearbeitungswerkzeug mit Schneidsegmenten und einem die Schneidsegmente aufnehmenden, einerseits in Schneidrichtung der Schneidsegmente antreibbaren und anderseits in einer Vorschubrichtung verlagerbaren Träger, wobei die Schneidsegmente quer zu ihrer Schneidrichtung und quer zur Vorschubrichtung über den Träger vorstehen und die gegenüber den vorstehenden Schneidsegmenten rückspringenden Flächen des Trägers zumindest abschnittsweise eine Beschichtung aufweisen.
Stand der Technik
Um bei Kreissägeblättern für den Trockenschnitt von steinartigen Materialien mit am Umfang befestigten Schneidsegmenten der Gefahr zu begegnen, dass aufgrund thermischer Überlastungen im Umfangsbereich Risse auftreten, die die Standzeit solcher Kreissägeblätter begrenzen, wurde bereits vorgeschlagen (DE 29 47 053 A1 ), den im Randzonenbereich auftretenden Wärmestau mit den damit verbundenen hohe Wärmespannungen, die in Verbindung mit den mechanischen Belastungen zur Rissbildung führen, durch auf den Seitenflächen des Sägeblatts vorgesehene Wärmeleitschichten zu vermeiden. Die Wärmeabfuhr über diese Wärmeleitschichten führt zu einer thermischen Entlastung des Randzonenbereichs und somit zu einem thermischer Ausgleich in- nerhalb des Sägeblatts. Nachteilig ist allerdings, dass die beispielsweise aus Kupfer gebildeten Wärmeleitschichten verschleißanfällig sind.
Darüber hinaus ist es bei Kreissägeblättern, deren Schneidsegmente mit Wolf- ramcarbid beschichtet sind, bekannt (US 3 496 973 A), die Poren dieser harten Beschichtung mit einem Polytetrafluorethylencopolymer auszufüllen und zusätzlich die Seitenflächen mit einem Polytetrafluorethylencopolymer zu beschichten. Es wird ein Sägeblatt für den Trockenschnitt erhalten, das schmälere Schnittfugen erlaubt, was wiederum die Schnittleistung erhöht.
Zur Vermeidung einer Wasserkühlung beim Durchtrennen von Mauerwerk ist es darüber hinaus bei Kreissägeblättern, die einen mit einem Diamantbesatz versehenen Schneidkranz aufweisen, bekannt (US 5 1 1 5 796 A), wenigstens eine Seitenfläche des Sägeblatts mit einer abrasiven Beschichtung, beispielsweise kunstharzgebundenen Siliciumcarbiden, zu versehen. Diese abrasive Beschichtung dient einerseits als Verschleißschutz und soll anderseits zufolge ihrer wärmedämmenden Eigenschaften eine Überlastung des Sägeblatts vermeiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die bekannten Kreissägeblätter sind allerdings für viele Einsätze, bei denen sowohl mit einer hohen Verschleißfestigkeit als auch mit einer hohen Wärmebelastung zu rechnen ist, nur bedingt geeignet. Da ähnliche Anforderungen an die Verschleißfestigkeit und die Wärmebelastbarkeit auch bei anderen materialabtragende Bearbeitungswerkzeuge mit Schneidsegmenten und einem die Schneidsegmente aufnehmenden, einerseits in Schneidrichtung der Schneidsegmente antreibbaren und anderseits in einer Vorschubrichtung verlagerbaren Träger gestellt werden, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Standzeit solcher materialabtragender Bearbeitungswerkzeuge, wie sie beispielsweise durch Bohrer, Fräser und Sägen gebildet werden, deutlich zu steigern, ohne auf eine gute Bearbeitungsqualität verzichten zu müssen. Ausgehend von einem Bearbeitungswerkzeug der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Beschichtung eine mit Silicium, Bor oder Stickstoff dotierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aus einer Mischung von sp2- und sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen ist.
Durch eine solche amorphe Kohlenstoffschicht mit einer durch den sp2- hybridisierten Kohlenstoffanteil bestimmten graphitartigen Struktur und einer durch den sp3-hybridisierten Kohlenstoffanteil bestimmten diamantartigen Struktur wird einerseits die Gleitfähigkeit und anderseits die Verschleißfestigkeit der Beschichtung verbessert, was vorteilhafte Voraussetzungen für eine erhebliche Steigerung der Standfestigkeit hochbelasteter Bearbeitungswerkzeuge mit sich bringt, zumal die Beschichtung auf einer Kohlenstoffbasis für eine gute Wärmeleitfähigkeit sorgt, die ebenfalls zur Verbesserung der Standzeit beiträgt. Durch die verringerte Reibung zwischen dem Träger der Schneidsegmente und dem zu bearbeitenden Werkstück innerhalb der Bearbeitungsfuge, die sich aufgrund des Überstands der Schneidsegmente gegenüber dem Träger mit von den Schneidsegmenten abgetragenem Material füllt, ergibt sich ein verminderter Leistungsbedarf, sodass bei gleichbleibender Antriebsleistung die Abtragsleistung entsprechend gesteigert werden kann. Die durch die sp3- Hybridisierung der Kohlenstoffatome bedingte abrasive Wirkung der Beschichtung eröffnet in Verbindung mit der günstigeren Wärmebelastung des Trägers die Möglichkeit, den Träger ohne Gefahr einer Überlastung geringer zu dimensionieren.
In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass die eine zum Teil abrasive Wirkung mit sich bringende Beschichtung des Trägers für eine zusätzliche Zerkleinerung des sich in der Bearbeitungsfuge zwischen dem Werkstück und dem Träger sammelnden Materials sorgt, sodass die Reibung zwischen diesem Material und dem Träger und damit dessen Wärmebelastung zusätzlich herabgesetzt wird. Die erreichbare Wirkung hängt daher unter anderem auch von der Größe der durch den Träger gebildeten Reibfläche ab. Je größer diese Reibfläche zwischen dem Träger und dem Material in der Bearbeitungsfuge ist, umso größer ist der Einfluss der Beschichtung. Aus diesem Grund ergeben sich bevorzugte Anwendungen auf dem Gebiet der Sägeblätter und der Bohrkronen.
Durch die Dotierung der amorphen Kohlenstoffschicht mit Silicium, Bor und Stickstoff, vorzugsweise in einer Größenordnung von 10 bis 20 Gew.% des Kohlenstoffgehalts, können die physikalischen Eigenschaften der Beschichtung den jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Die bevorzugte Modifizierung mit Silicium erlaubt eine weitgehende Anpassung an übliche Anforderungen, weil dadurch die sp3-Hybridisierung stabilisiert und das Temperaturverhalten verbessert wird. Außerdem ergeben sich Vorteile hinsichtlich des tribologischen Verhaltens der Beschichtung.
Je nach den Anteilen der sp2-hybridisierten und der sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome kann auf die Eigenschaften der Beschichtung hinsichtlich des abra- siven Verhaltens und des Schmierverhaltens Einfluss genommen werden. Mit Anteilen an sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen von 30 bis 65 Gew.%, vorzugsweise von 40 bis 60 Gew.%, und an sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen von 20 bis 70 Gew.%, insbesondere 25 bis 40 Gew.%, können günstige Ergebnisse für die meisten Anwendungsfälle sichergestellt werden. Der Kohlenstoffanteil in Form einer sp-Hybridisierung der Kohlenstoffatome soll allerdings 20 Gew.% nicht übersteigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Bearbeitungswerkzeug in Form eines Kreissägeblatts ausschnittsweise in einer schematischen Draufsicht,
Fig. 2 dieses Kreissägeblatt in einem Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 in einem größeren Maßstab und
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Bearbeitungswerkzeug in Form einer Bohrkrone in einem schematischen Längsschnitt. Weg zur Ausführung der Erfindung
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kreissägeblatt weist einen Träger 1 in Form eines Blattkörpers 1 mit zahnartigen Schneidsegmenten 2 auf, die mit Schneidplatten 3 bestückt sind, was aber selbstverständlich nicht zwingend ist. Die Flächen 4 des Trägers 1 sind mit einer Beschichtung 5 aus einem wasser- stoffhaltigen amorphen Kunststoff versehen, die als wesentliches Merkmal Anteile sowohl von sp2- als auch von sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen enthält, um mit den diamantartigen, tetragonalen Strukturen der sp3-Hybridorbitalen der Kohlenstoffatome eine dem Verschleiß entgegenwirkende, abrasive Wirkung zu erzielen, während die drei sp2-Hybridorbitale in einer Ebene liegen und eine graphitartige Struktur des Kohlenstoffs und damit entsprechende Schmiereigenschaften bedingen. Über den Wasserstoffgehalt kann auf die Ausbildung dieser Strukturen Einfluss genommen werden. Der Wasserstoffgehalt beträgt im Allgemeinen 30 bis 40 Atomprozent.
Bevorzugt werden als Beschichtung 5 mit Silicium modifizierter Kunststoff des Typs a-C:H:Si eingesetzt. Der Anteil der sp2-hybridisierten Kohlenstoffatome beträgt dabei vorzugsweise zwischen 40 und 60 Gew.%, der Anteil der sp3- hybridisierten Kohlenstoffatome 35 bis 40 Gew.%, wobei der Anteil der sp- hybridisierten Kohlenstoffatome kleiner als 15 Gew.% bleiben soll. Der Wasserstoffgehalt beträgt für diese Fälle 25 bis 35 Atomprozent. Der Siliciumgehalt wird im Allgemeinen 15 bis 20 Gew.% des Kohlenstoffgehalts betragen. Bei einer solchen Zusammensetzung der amorphen Kohlenstoffschicht ergibt sich eine Vickershärte von 1000 bis 1700 HV 10. Der Reibwert gegenüber Stahl kann mit 0,010 bis 0,012 angegeben werden.
Zum Beschichten des als Blattkörper ausgebildeten Trägers 1 , beispielsweise ein 3 mm dickes Blatt aus HSS-Stahl, wird der Träger 1 zum Auftragen der Beschichtung zunächst bei ca. 500 °C durch ein Sputtern mit einem Gemisch von Stickstoff und Argon annitriert und anschließend in einer Atmosphäre von Ace- tylen, Wasserstoff und Hexamethylsiloxan unter einem Partialdruck von 0,5 mbar solange beschichtet, bis die Schichtdicke etwa 30 μιη beträgt. Mit einem derart beschichteten Träger 1 wird die Schnittleistung beispielsweise im Beton deutlich verbessert, wobei eine Energieeinsparung von etwa 45 % möglich ist. Bei gleichbleibender Schnittleistung kann die Standfestigkeit des Kreissägeblatts um das 2,5-Fache erhöht werden. Damit ergeben sich besondere Vorteile beim Durchtrennen von Betonteilen im kontaminierten Bereich von Kernkraftwerken, zumal die Beschichtung gegen eine ionisierende Strahlung beständig ist.
Dass eine erfindungsgemäße Beschichtung 5 auch bei Bohrkronen vorteilhaft eingesetzt werden kann, geht aus der Fig. 3 hervor, die eine Bohrkrone in einem schematischen Schnitt wiedergibt. Diese Bohrkrone bildet einen topfartigen Träger 6, dessen rohrförmiger Mantel 7 stirnseitig die Schneidsegmente 2 aufweist. Die Schneidsegmente 2 können unterschiedlich ausgebildet werden und vom Träger 6 gebildeten Schneiden oder mit dem Träger 6 verbundene Schneidplatten sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schneidsegmente 2 der mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 5 zu versehenden Bearbeitungswerkzeuge mit Diamanten zu besetzen. Es kommt in jedem Fall darauf an, dass die Schneidsegmente 2 quer zu ihrer Schneidrichtung und quer zur Vorschubrichtung über den Träger 6 vorstehen, sodass die diesen
Schneidsegmenten 2 gegenüber rückspringenden Flächen 4 mit der erfindungsgemäßen Beschichtung 5 versehen werden können. Aus dem Ausführungsbeispiel der Bohrkrone wird unmittelbar ersichtlich, dass die innere und die äußere Fläche 4 des Mantels 7 erheblichen Reibangriffen durch das abgetragene Material des bearbeiteten Werkstücks ausgesetzt sind, sodass die erfindungsgemäße Beschichtung 5 dieser Flächen 4 eine merkliche Verbesserung hinsichtlich des Verschleißes und der Wärmebelastung des Trägers 6 mit sich bringt.

Claims

Patentansprüche
1 . Materialabtragendes Bearbeitungswerkzeug mit Schneidsegmenten (2) und einem die Schneidsegmente (2) aufnehmenden, einerseits in Schneidrichtung der Schneidsegmente (2) antreibbaren und anderseits in einer Vorschubrichtung verlagerbaren Träger (1 , 6), wobei die Schneidsegmente (2) quer zu ihrer Schneidrichtung und quer zur Vorschubrichtung über den Träger (1 , 6) vorstehen und die gegenüber den vorstehenden Schneidsegmenten (1 , 6) rückspringenden Flächen (4) des Trägers (1 , 6) zumindest abschnittsweise eine Beschichtung (5) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschich- tung (5) eine mit Silicium, Bor oder Stickstoff dotierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht aus einer Mischung von sp2- und sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen ist.
2. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen 30 bis 65 Gew.% und der Anteil an sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen 20 bis 70 Gew.% betragen.
3. Bearbeitungswerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen 40 bis 60 Gew.% und der Anteil an sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen 25 bis 40 Gew.% betragen.
4. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Siliciums, Bors oder Stickstoffs am Kohlenstoffgehalt 10 bis 20 Gew.% beträgt.
5. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1 ) als Sägeblatt ausgebildet ist.
6. Bearbeitungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (6) als Bohrkrone ausgebildet ist.
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