WO2017186207A2 - Verfahren zur herstellung eines werkzeugmoduls und werkzeugmodul - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a clamping module having a tool module from a blank, wherein the clamping portion as a hollow shaft taper (HSK), in particular according to the standard DIN 69893 ( May 2003) is formed. Furthermore, the invention relates to a related tool module.
  • HSK hollow shaft taper
  • a tool module is understood in particular to mean a tool in which a machining section or tool head, the clamping section and possibly a shaft section form an integral or at least firmly connected unit.
  • a workpiece module can also be designed as a tool carrier or tool holder to which an actual tool can be detachably or permanently attached.
  • the so-called hollow shaft taper interface has become increasingly popular in recent years.
  • This interface is standardized in DIN 69893 ( May 2003) and is characterized in that the tool module connected via the interface to a tool holder is radially positioned particularly precisely and that particularly high torques can be transmitted between the holder and the connected tool module.
  • design E according to DIN 69893-5 engage two nuts on the shaft end of a tool holder in grooves of the hollow shaft cone and thus ensure a positive and defined radial positioning.
  • the HSK interface has particular advantages in terms of accuracy, rigidity and suitability for very high speeds, with the added advantage that even rapid tool changes are possible. Due to the special design features of the HSK interface, however, care must be taken during manufacture to ensure that the limit load capacity is not exceeded in the entire range of applications of the interface. This is compounded by the fact that, for example, when the hollow shaft taper is formed directly on a tool (for example on a tool with eroded or ground insert seat or on a tool with soldered blades (PCD, CBN, carbide (HM)), only special Materials such as tempered or case hardened steels can be used, so that the manufacturing effort can be considerable.
  • the stress of the hollow shaft cone especially in a transition region to a tool shaft, already varies due to the different shaft length from tool to tool.
  • the bending moment caused by the cutting force varies, so that the transverse force load capacity of the hollow shaft cone varies relatively strongly as a function of the projecting length of the tool cutting edges.
  • the torsional fatigue strength of the interface design is also an essential criterion for the success of the interface.
  • the interface In the real machining process, the interface is subjected to dynamic excitation, which reduces the transmittable and recoverable torsional moment over a long period of time. Therefore, in the manufacture of the components for the HSK interface, it is important to produce the functionally functioning functional surface very precisely, and in such a way that no inadmissible deviations in shape result over the life of the components. For this reason, DIN 69893 stipulates, among other things, at which points hardening of the surface must be carried out. In the conventional manufacturing process, the procedure is such that initially a cylindrical blank of tool steel is machined to form the hollow shaft cone with a predetermined excess. This semi-finished product is then taken out of the cutting process and - often externally - given for hardening. The workpieces hardened in the area of the HSK are then reintegrated into the machining process and machined to final dimensions.
  • a plurality of rotary tools which have a base body with a clamping section and a processing section or tool head.
  • the clamping section is designed to be accommodated in a special clamping device, such as an HSK clamping device, and is usually arranged on the tool shaft on an end region of the rotary tool which is opposite the tool head.
  • a special clamping device such as an HSK clamping device
  • the metallic material of the tool head is hardened to meet the high mechanical demands of chip processing.
  • Such turning tools may be drilling, reaming, milling or polishing tools.
  • such turning tools in the tool head have at least one chip or cutting edge, by means of which material is removed from a workpiece in a machining operation.
  • one or more coolant channels are provided in the rotary tool to introduce a cooling or lubricating fluid in the region of the tool head to cool the tool head and the included chip edge and remove material spoil from the chip area.
  • a minimum quantity lubrication (MQL) has recently been used.
  • the tool head is usually cured to increase the mechanical resistance. This is done by a change or transformation of the metal structure of the tool head, this being effected by a heat treatment with a subsequent rapid cooling. Usually, in this case, the entire tool head is hardened to achieve the desired resistance.
  • the invention has for its object to provide a method for producing a tool module with improved quality and durability and such a tool module.
  • the invention relates to a method for producing a clamping module having a tool module from a blank, wherein the clamping portion as a hollow shaft taper (HSK), in particular according to the standard DIN 69893, is formed.
  • HSK hollow shaft taper
  • at least at the clamping section at least one partial surface section of the blank is hardened by means of a melting laser beam hardening method.
  • At least one partial section of the surface of at least one processing section of the tool module is hardened by means of a melting laser beam hardening method.
  • a laser which is already present in the production line for hardening the clamping section can also be used for surface hardening of a machining section of the tool module.
  • other sections or areas of the tool module, z. B. a shaft portion or exit regions of provided in the interior of the tool module coolant channels can be hardened accordingly by means of a melting laser beam hardening process.
  • the different surface sections may, but need not, be processed by the same melting laser beam hardening process.
  • cooling channels can be performed due to reduced wall thickness with increased cross-section in order to increase the cooling capacity and to extend the service life.
  • the melting laser beam hardening process comprises a laser deposition welding process in which the hardening of the surface section takes place by a surface application by means of local melting of the surface section and simultaneous application of an additional material or an additive mixture, in particular a hard material.
  • additional material In particular, a ceramic filler material can be applied, which serves as wear protection.
  • the fusing laser beam hardening method may include a laser alloying method in which the hardening of the surface portion by locally melting the surface portion and simultaneously introducing a hardening filler material or filler mixture into the resulting melt to form an alloy consisting of the material of the blank and the filler material or the filler material mixture he follows.
  • a laser alloying method in which the hardening of the surface portion by locally melting the surface portion and simultaneously introducing a hardening filler material or filler mixture into the resulting melt to form an alloy consisting of the material of the blank and the filler material or the filler material mixture he follows.
  • the melting laser beam hardening method may comprise a laser remelting process, in which the hardening of the surface section takes place by local heating of the surface section beyond its melting temperature. This also allows the structure of the surface portion to be cured in an advantageous manner.
  • the method step of hardening is combined by means of a melting laser beam hardening method with a further heat treatment step in order to adapt selected regions of the tool module to a load to be expected there.
  • the blank is made of a steel alloy, and the at least one hardened surface portion is formed by a selective edge layer austenitization of the surface material.
  • the tool module it is advisable that for partial surface hardening of the tool module this is moved relative to a selectively curing curing device to harden the partial surface area, in particular to austenitize. It is proposed that for surface hardening of the partial surface sections, either the tool module is moved against a laser beam source, or that the curing device is moved relative to the tool module. In general, it will be advantageous to the tool module, the has a low mass and a free mobility to move relative to a fixed hardening device to selectively harden the partial surface portions, in particular to austenitize.
  • the invention further relates to a tool module having a clamping section formed as a hollow shaft cone (HSK), in particular according to DIN 69893, wherein at least at the clamping section at least one partial surface section of the tool module is hardened by means of a melting laser beam hardening method, in particular according to one of the aforementioned methods ,
  • the tool module can for example be a turning tool for a machining of workpieces.
  • the at least one hardened surface section may be provided, for example, on a driving groove of the clamping section.
  • Fig. 1 is a side view, partly in section, of a hollow shaft cone according to DIN 69893-1;
  • Fig. 2 is a sectional view of another hollow shaft cone according to DIN
  • Fig. 3 shows the detail "III" in Fig. 2; 4 shows a schematic partial sectional view of a hollow shaft cone the hardening process;
  • FIG. 5 shows a perspective view of a hollow shaft cone after the hardening process
  • Fig. 6 shows schematically a tool head of an exemplary embodiment of a tool module according to the invention formed as a turning tool with hardening regions;
  • FIG. 7 perspectively shows an exemplary embodiment of a tool module formed as a drilling tool with partially hardened surface areas.
  • Fig. 1 is a full-scale view of a hollow shaft cone 10 with the name HSK-A100 according to DIN 69893-1 ( May 2003) is shown.
  • the hollow shaft taper 10 is here for example formed on a rotary-driven cutting tool with an eroded or ground insert seat with a clamping thread, on a tool with a milled insert seat or on a tool with soldered cutting edges, which can be formed by PCD, CBN or hard metal (HM) cutting edges.
  • hollow shaft taper can also be formed on tool holders without cutting or also on so-called “basic receptacles” such as flanges or reductions or extensions.Finally, it is also possible to use such hollow shaft cones on plate tools with other shafts train.
  • the tensile strength of the steel used is at least 800 N / mm 2 .
  • the hardnesses of the cured surface sections are given as 56 + 4 HRC and 590 + 80 HV 30, respectively.
  • the peculiarity of the hollow shaft cone 10 of this type is that different functional surfaces, which are designated in FIGS. 1 to 5 as A, B, C, D, E and F, are subjected to different stresses:
  • the limit speed of the HSK interface is thus determined inter alia by the length of the supporting receiving cone, the radial excess between the shaft and receptacle and the dimensions of the recording and the particular chip system used. Accordingly, it is crucial on a case-by-case basis that the production process of the hollow shaft cone 10 is optimally adapted to the relevant later field of use.
  • This is achieved according to the invention in that at least selected surface sections of the functional surfaces A to F are surface-hardened by a melting laser hardening process.
  • the heat source used is a high-power laser, primarily diode lasers or fiber lasers, but also CO2 and NdYAG lasers.
  • a first example of a melting laser hardening process is the laser deposition welding process.
  • the hardening of the surface portion is effected by a surface application by means of local melting of the surface portion and simultaneous application of an additional material, in particular a hard material.
  • the filler material may be in powder form z. B. are supplied as metal powder or with a welding wire or -band.
  • the laser usually heats the workpiece defocused and melts it locally.
  • an inert gas mixed with fine metal powder is supplied.
  • the supply of the effective range with the metal / gas mixture can take place via drag or coaxial nozzles. At the heated point, the metal powder melts and combines with the metal of the hollow shaft cone.
  • the laser cladding with wire or tape works analogously to the method with powder, but with wire or tape as additional material. This results in the correct setting of the parameters laser power, feed, mass flow of the powder or alternatively the wire or tape feed, and the focus position a material on the workpiece, which are formed in repeated crossings - side by side or one above the other - to a surface with the desired surface hardness can.
  • the connection to the base material of the tool module blank can, for. B. be influenced by the formation of an intermediate layer on the parameters. Subsequent post-processing steps such as milling, turning or grinding are necessary for producing the final shape of the tool module blank.
  • the tool module blank is made at least in the area of the surface sections to be hardened with undersize, then the hard coating is applied with oversize and finally the tool module is made to measure.
  • a second example of a melting laser hardening process is the laser plating process wherein the hardening of the surface portion is accomplished by locally melting the surface portion and simultaneously introducing a hardening filler into the resulting melt to form an alloy of the blank and filler material. While in laser deposition welding the property profile of the machined surface is determined exclusively by the additional material used, in laser alloying the base material in which the additional material is alloyed in plays an essential role. The laser beam is continuously moved laser alloying process over the tool module blank, thereby locally melting the base material.
  • a stable molten bath forms, into which the filler material is blown in with the help of a powder nozzle.
  • the powder particles dissolve completely in the superheated melt and lead to a change in the chemical composition of the molten bath.
  • the homogenization of the molten bath is carried out by the strong Schmelzbadkonvetationen, which can be influenced by means of surface-active substances in their flow behavior targeted.
  • a typical feature of the laser alloying process is the very fine microstructure created by the rapid solidification. Again, a final editing can be made to measure.
  • a third example of a fusing laser hardening process is the laser remelting process in which hardening of the surface portion occurs by locally heating the surface portion above its melting temperature.
  • the material of the tool module blank is locally melted under the action of the laser beam on the surface. Similar to laser hardening, rapid heat removal into the interior of the workpiece takes place by means of "self-quenching" or the surface layer is quenched by means of a shower flushed with cooling medium As a result, grain refining results in an altered surface texture with altered properties
  • the essential difference between the two methods is that, in contrast to laser hardening, the base material is heated above the melting temperature during laser remelting. During heating, a homogeneous mixed crystal, the austenite, is formed from the originally present cementite-ferrite crystal mixture. The carbon that was bound in the cementite (Fe 3 C) is atomically dissolved in austenite. The subsequent cooling must be so fast that the carbon remains dissolved even after the crystal transformation and the conversion of austenite to pearlite and ferrite is suppressed, whereby the hardening structure martensite is formed.
  • the hardening methods according to the invention can be integrated into the entire production process of the tool module.
  • the material parameters as well as the geometry parameters are input to a process control system.
  • a corresponding hardening device for carrying out the hardening process for example in the form of a robot, thus has these system-immanent data either from the beginning or by data transfer. Accordingly, exact values for the structure to be achieved are fixed at selected positions of the tool module for each workpiece undergoing machining. Accordingly, the laser can be controlled in terms of movement and power so that the target structure is achieved at any desired location.
  • this hardening depth TH can change over the surface of the hollow shaft cone within wide limits. While it may be relatively large in the area of the gripper groove E, it lies in the area of the outer cone B only in the 1/10 th mm range. In the area of the driving grooves 16 for the engagement of the driving nut, not shown, it can be larger as well as in the area of the conical surface D, while it can completely disappear in the region of the transition radius 12.
  • the region of the material texture uninfluenced by the hardening process which is indicated by the double arrow Q in FIG. 4, can be controlled in accordance with the individual voltage profiles and load conditions to be expected in the later use of the tool module This way, where it is necessary to fully exploit the ductility of the material, so that the life of the tool or tool module can be reproducibly raised.
  • a tool head 1 12 of a turning tool 1 10 formed tool module is shown.
  • the tool head 112 comprises two main cutting edges 114 a and 1 14 b, which are interconnected by a transverse cutting edge 1 16. Between the two main cutting edges 114a, 114b, a flute 120 extends, which separates the flanks of the cutting edges 114a, 114b from each other.
  • the flute 120 is bounded by secondary cutting edges of the cutting phase 122a, 122b.
  • outlet areas of a coolant channel 124 a (dashed lines) and 124 b are inserted, which branch off from a main coolant channel extending along the axis of the rotary tool 1 10.
  • the free-cutting surface is formed as a locally hardened surface hardening region 126a and 126b to prevent breakage of the relatively thin material wall opposite the coolant channel 124a, 124b under high thermal and mechanical stress.
  • the hardening regions 126a, 126b may in particular be produced by one of the above-described melting laser beam hardening methods according to the invention, but may also be selectively heated by another laser hardening method and then quenched to form an increased hardness with respect to the remaining portion of the tool head 12.
  • the drilling tool 80 comprises a schematically represented shaft as the clamping section 82 and a tool head 84 which carries a plurality of cutting edges 96 and a coiled chamfer 92 as the boundary of a flute 98.
  • the clamping section 82 of the boring tool can be detachably or firmly connected to a hollow shaft taper 10 (FIGS. 1 to 5), in particular with a tool carrier or holder having a hollow shaft taper, or can have a hollow shaft taper as an integral component.
  • the cutting edges 96 are arranged on an end face 94 of the tool head 84.
  • Two coolant channels 88a, 88b have contoured outlets on the forehead surface 94.
  • the outlets are delimited by webs 86 relative to the circumferential surface of the tool head 84.
  • Concentrically around the outlets of the coolant channels 88a, 88b, elliptical hardening regions 90 are arranged.
  • further hardening areas, which are shown in dashed lines, are provided in strips, which delimit the relatively thin material wall between the cooling channel 88a, 88b and the flute surface 98.
  • the curing areas 90 and / or the further curing areas may in particular be produced by one of the above-described melting laser beam hardening methods according to the invention, but may also be selectively heated by another laser hardening process and then quenched to form an increased hardness over the remaining area of the drilling tool 80.
  • the rotary tool 110 and / or the drilling tool 80 can be detachably or firmly connected to a hollow shaft cone 10 (FIGS. 1 to 5), in particular with a tool carrier or holder having a hollow shaft cone, or have a hollow shaft cone as an integral component ,
  • the hardening process can be incorporated into the production process line, the parameters with regard to geometry and material structure are already present in the system at the beginning of the hardening process. Transmission errors of such data are thus excluded.
  • the process reliability during curing is noticeably increased in this way, with the additional advantage that suitable measuring systems can even be used to fine-tune the hardening process to the particular actual size of the tool module to be hardened.
  • the hardening process can be combined with a further heat treatment step in that the structure is then controlled and additionally influenced at selected areas.
  • the invention thus provides a method for producing a tool module, such. B.
  • a tool with soldered cutting edges PCD, CBN or carbide
  • a cylindrical blank is provided at one axial end with a hollow shaft taper (HSK), in particular according to DIN 69893.
  • Selected functional areas are subjected to a hardening process.
  • a selective surface hardening method in particular one of the melting laser beam hardening methods according to the invention, to harden the regions of the tool head which cover the coolant channel.
  • the advantage of a selective hardening process is that one can harden selected areas and thus flexibly protect partial surface areas of the tool head from mechanical wear.
  • the laser beam method but also electron beam method, ion beam hardening method or an inductive hardening method can be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einen Spannabschnitt aufweisenden Werkzeugmoduls aus einem Rohling, wobei der Spannabschnitt als Hohlschaftkegel (HSK), insbesondere gemäß der Norm DIN 69893, ausgebildet ist. Es ist vorgesehen, dass zumindest an dem Spannabschnitt zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt des Rohlings mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahrens gehärtet wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Werkzeugmodul mit einem als Hohlschaftkegel (HSK), insbesondere gemäß der Norm DIN 69893, ausgebildeten Spannabschnitt, wobei zumindest an dem Spannabschnitt zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt des Werkzeugmoduls mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren, insbesondere gemäß dem vorstehend genannten Verfahren, gehärtet ist.

Description

Verfahren zur Herstell ung ei nes Werkzeuqmoduls
und Werkzeuqmodul
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines einen Spannabschnitt aufweisenden Werkzeugmoduls aus einem Rohling, wobei der Spannabschnitt als Hohlschaftkegel (HSK), insbesondere gemäß der Norm DIN 69893 (Mai 2003), ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein diesbezügliches Werkzeugmodul.
STAN D DER TEC H N I K Unter einem Werkzeugmodul wird im Rahmen dieses Textes insbesondere ein Werkzeug verstanden, bei dem ein Bearbeitungsabschnitt oder Werkzeugkopf, der Spannabschnitt und ggf. ein Schaftabschnitt eine integrale oder zumindest fest verbundene Einheit bilden. Des Weiteren kann ein Werkstückmodul auch als ein Werkzeugträger oder Werkzeughalter ausgebildet sein, an dem ein eigentliches Werkzeug lösbar oder unlösbar befestigt werden kann.
Bei der Werkzeugspannung hat sich in jüngerer Zeit die sogenannte Hohlschaftkegel-Schnittstelle (HSK-Schnittstelle) immer mehr durchgesetzt. Diese Schnittstelle ist in der DIN 69893 (Mai 2003) genormt und zeichnet sich dadurch aus, dass das über die Schnittstelle an eine Werkzeugaufnahme angeschlossene Werkzeugmodul radial besonders exakt positioniert wird und dass zwischen Aufnahme und angeschlossenem Werkzeugmodul besonders hohe Drehmomente übertragen werden können. Dabei entsteht durch die Konstruktion des genormten Hohlschaftkegels in Verbindung mit den innerhalb des Hohlschaftkegels (HSK) angreifenden Spannelementen über die gesamte Kegelmantelfläche einerseits und die zusätzlich an einem Bund des Hohlschaftkegels vorgesehene Plananlagefläche ein extrem hoher Reibschluss. In den meisten Fällen - mit Ausnahme der Bauform E nach DIN 69893-5 - greifen zwei Nutensteine am Schaftende einer Werkzeugaufnahme in Mitnehmernuten des Hohlschaftkegels ein und sorgen auf diese Weise für eine formschlüssige und definierte radiale Positionierung.
|Bestätigungskopie| Im Vergleich zum herkömmlichen sogenannten "Steilkegel" hat die HSK- Schnittstelle, besondere Vorteile hinsichtlich Genauigkeit, Steifigkeit sowie der Eignung für sehr hohe Drehzahlen, wobei als weiterer Vorteil hinzukommt, dass auch schnelle Werkzeugwechsel möglich sind. Aufgrund der besonderen Kon- struktionsmerkmale der HSK-Schnittstelle ist jedoch bei der Herstellung genauestens darauf zu achten, dass die Grenzbelastbarkeit im gesamten Einsatzspektrum der Schnittstelle nicht überschritten wird. Dabei kommt erschwerend hinzu, dass beispielsweise dann, wenn der Hohlschaftkegel direkt an einem Werkzeug (beispielsweise an einem Werkzeug mit erodiertem oder geschliffenem Plattensitz o- der an einem Werkzeug mit gelöteten Schneiden (PKD, CBN, Hartmetall (HM)) ausgebildet ist, nur spezielle Werkstoffe, wie z. B. vergütete oder einsatzgehärtete Stähle verwendet werden können, so dass der herstellungstechnische Aufwand beachtlich werden kann.
Von besonderer Bedeutung ist dabei zusätzlich, dass die Beanspruchung des Hohlschaftkegels, insbesondere in einem Übergangsbereich zu einem Werkzeugschaft, schon bedingt durch die unterschiedliche Schaftlänge von Werkzeug zu Werkzeug variiert. Je nachdem, welches Werkzeug zur Anwendung kommt, variiert das durch die Schnittkraft hervorgerufene Biegemoment, so dass die Querkraftbelastbarkeit des Hohlschaftkegels in Abhängigkeit von der Auskraglänge der Werkzeugschneiden relativ stark variiert. Auch die Torsionsdauerfestigkeit der Schnittstellenkonstruktion ist ein wesentliches Kriterium für den Erfolg der Schnittstelle.
Im realen Zerspanprozess wird die Schnittstelle einer dynamischen Anregung unterworfen, welche über einen langen Zeitraum hinweg das übertragbare und er- tragbare Torsionsmoment verringert. Es kommt deshalb bei der Herstellung der Komponenten für die HSK-Schnittstelle darauf an, die in Funktionseingriff stehenden Funktionsoberfläche sehr formgenau herzustellen, und zwar auch derart, dass sich über die Lebensdauer der Komponenten keine unzulässigen Formabweichungen ergeben. Aus diesem Grund schreibt die DIN 69893 unter anderem vor, an welchen Stellen eine Härtung der Oberfläche vorgenommen werden muss. Beim herkömmlichen Herstellungsprozess geht man so vor, dass zunächst ein zylindrischer Rohling aus Werkzeug stahl zur Ausbildung des Hohlschaftkegels mit vorbestimmtem Übermaß bearbeitet wird. Dieses Halbzeug wird dann aus dem Zerspanungs-Prozess genommen und - häufig extern - zum Härten gegeben. Die im Bereich des HSK gehärteten Werkstücke werden dann wieder in den zerspanenden Fertigungsprozess eingegliedert und auf Endmaß bearbeitet.
Abgesehen davon, dass dieser Prozess zeit- und kostenintensiv ist, hat sich Folgendes gezeigt:
Es kommt hin und wieder vor, dass Hohlschaftkegel beim Einsatz des Werkzeugs zu Bruch gehen, wobei die Ursache des Materialversagens in vielen Fällen nicht geklärt werden kann. Ein Problem besteht dabei darin, dass für die Werkzeuge und damit auch für den Hohlschaftkegel eine Vielzahl von Werkstoffen verwendet werden müssen und dass dem Bauteil, das nach dem Härten wieder in den Zer- span-Fertigungsprozess eingegliedert wird, die Verteilung des Gefüges über den Querschnitt nicht "angesehen" werden kann. Dementsprechend kann bei der nachfolgenden Endbearbeitung, wie z. B. beim Schleifen der Funktionsoberflächen des Hohlschaftkegels, eine thermische Beanspruchung des Werkstoffs erfolgen, die in Bezug auf Dauerfestigkeit und Rissempfindlichkeit schädlich sein kann.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Drehwerkzeugen be- kannt, die einen Grundkörper mit einem Spannabschnitt und einem Bearbeitungsabschnitt oder Werkzeugkopf aufweisen. Der Spannabschnitt ist für die Aufnahme in eine spezielle Spannvorrichtung, wie etwa eine HSK-Spannvorrichtung, ausgebildet und in der Regel am Werkzeugschaft an einem axial dem Werkzeugkopf gegenüberliegenden Endbereich des Drehwerkzeugs angeordnet. Bei einer Viel- zahl von Drehwerkzeugen ist das metallische Material des Werkzeugkopfs gehärtet, um den hohen mechanischen Ansprüchen einer Spanbearbeitung zu genügen. Derartige Drehwerkzeuge können Bohr-, Reib-, Fräs- oder Polierwerkzeuge sein. In der Regel weisen derartige Drehwerkzeuge im Werkzeugkopf zumindest eine Span- oder Schneidkante auf, durch die in einem spanabhebenden Arbeitsgang Material von einem Werkstück entfernt wird. Insbesondere bei Hochleistungsdrehwerkzeugen, beispielsweise HPC- (High Performance Cutting) oder HSC- (High Speed Cutting) Drehwerkzeugen, sind im Drehwerkzeug ein oder mehrere Kühlmittelkanäle vorgesehen, um ein Kühl- oder Schmierfluid in den Bereich des Werkzeugkopfs einzubringen, um den Werkzeugkopf und die umfasste Spankante zu kühlen und Materialabraum aus dem Spanbereich abzuführen. Hierzu wird in jüngster Zeit eine Minimalmengenschmierung (MMS) eingesetzt.
Zur Erhöhung der Lebensdauer und der Funktionseigenschaft eines Drehwerkzeugs wird in der Regel der Werkzeugkopf gehärtet, um die mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhöhen. Dies erfolgt durch eine Änderung oder Umwandlung des Metallgefüges des Werkzeugkopfs, wobei dies durch eine Wärmebehandlung mit einer anschließenden schnellen Abkühlung bewirkt wird. Üblicherweise wird hierbei der gesamte Werkzeugkopf gehärtet, um die gewünschte Widerstandsfähigkeit zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugmoduls mit verbesserter Qualität und Standzeit und ein derartiges Werkzeugmodul bereitzustellen.
O FF E N BAR UNG DER ER F I N D U N G
Diese Aufgabe wird durch ein Hers teil verfahren und ein Werkzeugmodul nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines einen Spannabschnitt aufweisenden Werkzeugmoduls aus einem Rohling, wobei der Spannabschnitt als Hohlschaftkegel (HSK), insbesondere gemäß der Norm DIN 69893, ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest an dem Spann- abschnitt zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt des Rohlings mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahrens gehärtet wird.
Durch ein schmelzendes Laserstrahlhärteverfahren können selektiv verschleißbedrohte Oberflächenbereiche des Werkzeugmoduls konturgenau und mit präziser Kontrolle der Ausdehnung der Härtungsbereiche gegenüber dem umgebenden Werkzeugmaterial gehärtet oder nachgehärtet werden, um insbesondere die Standfestigkeit des Werkzeugmoduls zu erhöhen. Durch den schnellen Wärmeeintrag mittels Laser bei praktisch gleichzeitiger Selbstabschreckung können kurze Härtezeiten und damit eine hohe Produktionsgeschwindigkeit beim Herstellen von Werkzeugmodulen zumindest im Bereich des Spannabschnitts erreicht werden. Durch die Anwendung von schmelzenden Laserhärteverfahren können den zu härtenden Oberflächenabschnitten Eigenschaften verliehen werden, die mit anderen, nur erwärmenden Härteverfahren wie Laser- oder Induktionshärteverfahren, bei denen kein Aufschmelzen erfolgt, nicht oder zumindest nicht mit der gleichen Qualität und/oder Präzision erzielbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ferner an zumindest einem Bearbeitungsabschnitt des Werkzeugmoduls, insbesondere einem Schneidenabschnitt und/oder einem Kühlkanalbegrenzungsabschnitt und/oder einem Kühlkanalaustrittsabschnitt, zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahrens gehärtet. Hier ergibt sich der Vorteil, dass ein ohnehin zur Härtung des Spannabschnitts in der Fertigungslinie vorhandener Laser auch zum Oberflächenhärten eines Bearbeitungsabschnitts des Werkzeugmoduls eingesetzt werden kann. Auch weitere Abschnitte oder Bereiche des Werkzeugmoduls, z. B. ein Schaftabschnitt oder auch Austrittsbereiche von im Inneren des Werkzeugsmoduls vorgesehenen Kühlmittelkanälen, können entsprechend mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahrens gehärtet werden. Die verschiedenen Oberflächenabschnitte können, müssen aber nicht, mit dem gleichen schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren bearbeitet werden. Somit können Kühlkanäle aufgrund verminderter Wandstärke mit vergrößertem Querschnitt ausgeführt werden, um die Kühlleistung zu erhöhen und die Standzeit zu verlängern.
Vorteilhafterweise umfasst das schmelzende Laserstrahlhärteverfahren ein Laser- auftragsschweißverfahren, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch einen Oberflächenauftrag mittels lokalen Aufschmelzens des Oberflächenab- Schnitts und gleichzeitigem Aufbringen eines Zusatzwerkstoffs oder eines Zusatz- werkstoffgemisches, insbesondere eines Hartstoffs, erfolgt. Als Zusatzwerkstoff kann insbesondere ein keramischer Zusatzwerkstoff aufgetragen werden, der als Verschleißschutz dient.
Weiterhin kann das schmelzende Laserstrahlhärteverfahren ein Laserlegierverfahren umfassen, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch lokales Auf- schmelzen des Oberflächenabschnitts und gleichzeitiges Einbringen eines härtenden Zusatzwerkstoffs oder Zusatzwerkstoffgemisches in die entstehende Schmelze zum Ausbilden einer aus dem Material des Rohlings und dem Zusatzwerkstoff oder dem Zusatzwerkstoffgemisch bestehenden Legierung erfolgt. Hierdurch lassen sich ebenfalls besonders harte und verschleißfeste Oberflächenabschnitte er- zeugen.
Das schmelzende Laserstrahlhärteverfahren kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ein Laserumschmelzverfahren umfassen, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch lokales Erhitzen des Oberflächenabschnitts über dessen Schmelztemperatur hinaus erfolgt. Auch hierdurch kann das Gefüge des Oberflächenabschnitts in vorteilhafter Weise gehärtet werden.
Gemäß einer weiteren einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Verfahrensschritt des Härtens mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahrens mit einem weiteren Wärmebehandlungsschritt kombiniert, um ausgewählte Bereiche des Werkzeugmoduls gefügemäßig an eine dort zu erwartende Bean- spruchung anzupassen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Rohling aus einer Stahllegierung hergestellt ist, und der zumindest eine gehärtete Oberflächenabschnitt durch eine selektive Randschichtaustenitisierung des Oberflächenmaterials ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise bietet es sich an, dass zur partiellen Oberflächenhärtung des Werkzeugmoduls dieses relativ zu einer selektiv härtenden Härtungsvorrichtung bewegt wird, um den partiellen Oberflächenbereich zu härten, insbesondere zu austenitisieren. Es wird vorgeschlagen, dass zum Randschichthärten der partiellen Oberflächenabschnitte entweder das Werkzeugmodul gegen eine Laserstrahlquelle bewegt wird, oder dass die Härtungsvorrichtung gegenüber dem Werkzeugmo- dul bewegt wird. In der Regel wird es vorteilhaft sein, das Werkzeugmodul, das eine geringe Masse und eine freie Beweglichkeit aufweist, gegenüber einer feststehenden Härtungsvorrichtung zu bewegen, um selektiv die partiellen Oberflächenabschnitte zu härten, insbesondere zu austenitisieren.
Die Erfindung betrifft ferner ein Werkzeugmodul mit einem als Hohlschaftkegel (HSK), insbesondere gemäß der Norm DIN 69893, ausgebildeten Spannabschnitt, wobei zumindest an dem Spannabschnitt zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt des Werkzeugmoduls mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren, insbesondere gemäß einem der vorstehend genannten Verfahren, gehärtet ist. Das Werkzeugmodul kann beispielsweise ein Drehwerkzeug für eine spanende Bearbeitung von Werkstücken sein.
Der zumindest eine gehärtete Oberflächenabschnitt kann zum Beispiel an einer Mitnehmernut des Spannabschnitts vorgesehen sein.
ZE I C H N U N GEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen
Fig . 1 eine teilweise im Schnitt gezeigte Seitenansicht eines Hohlschaftkegels nach DIN 69893-1 ;
Fig . 2 eine Schnittansicht eines weiteren Hohlschaftkegels nach DIN
69893;
Fig. 3 die Einzelheit„III" in Fig. 2; Fig. 4 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Hohlschaftkegels dem Härtungsprozess;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Hohlschaftkegels nach dem Härtungsprozess; Fig . 6 schematisch einen Werkzeugkopf eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen als Drehwerkzeug aus gebildeten Werkzeugmoduls mit Härtungsbereichen; und
Fig . 7 perspektivisch ein Ausführungsbeispiel eines als Bohrwerkzeug aus gebildeten Werkzeugmoduls mit partiell gehärteten Oberflächenbe- reichen.
In Fig. 1 ist eine maßstabsgetreue Ansicht eines Hohlschaftkegels 10 mit der Bezeichnung HSK-A100 nach DIN 69893-1 (Mai 2003) dargestellt. Der Hohlschaftkegel 10 ist hier beispielsweise an einem drehangetriebenen Zerspanungswerkzeug mit erodiertem oder geschliffenem Plattensitz mit Spanngewinde, an einem Werkzeug mit gefrästen Plattensitz oder an einem Werkzeug mit gelöteten Schneiden ausgebildet, die von PKD-, CBN oder Hartmetall (HM)- Schneiden gebildet sein können. Es soll jedoch an dieser Stelle bereits hervorgehoben werden, dass der Hohlschaftkegel an auch Werkzeughaltern ohne Schneiden oder auch an sogenannten„Grundaufnahmen" wie Flanschen oder Reduzierungen oder Verlän- gerungen ausgebildet sein kann. Schließlich ist es auch möglich, derartige Hohlschaftkegel an Plattenwerkzeugen mit anderen Schäften auszubilden.
In der DIN 69882-1 sind die allgemeinen Anforderungen zum Einwechseln von Werkzeughalter mit Hohlschaftkegel nach DIN 69893-1 , Form A und Form C in die Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen, wie zum Beispiel Bearbeitungszentren, Dreh-, Bohr-, Fräs- und Schleifmaschinen, festgelegt. Soweit in der betreffenden Produktnorm nicht anders angegeben ist, liegt die Zugfestigkeit des verwendeten Stahls bei mindestens 800 N/mm2. Femer sind die Härten der gehärteten Oberflächenabschnitte mit 56 + 4 HRC bzw. 590 + 80 HV 30 angegeben. Die Besonderheit des Hohlschaftkegels 10 dieser Bauart besteht darin, dass verschiedene Funktionsoberflächen, die in den Figuren 1 bis 5 mit A, B, C, D, E und F bezeichnet sind, unterschiedlichen Beanspruchungen unterworfen sind:
An den Radialstirnflächen A erfolgt eine feste axiale Plananlage zum Gegenstück der HSK-Schnittstelle. Im Bereich des Außenkonus B liegt der Radial- Flächenkontakt vor, wobei durch das Übermaß zwischen Kegel und Aufnahme eine radiale elastische Vorspannung des Kegelabschnitts auftritt. Im Bereich des in einer jeweiligen Mitnehmernut 16 (Fig. 1 , 2 und 5) vorgesehenen Abschnitts C greifen nicht gezeigte Nutensteine mit Passung ein, um das maximale übertragba- re Drehmoment weiter anzuheben.
Nach DIN 69893-1 müssen mindestens 75% der Spannkraft, die über ebenfalls nicht gezeigte innenliegende Spannzangen auf die innenliegende Keilfläche D einwirken, auf die Plananlagefläche A wirken. Schließlich ist im Bereich E, das heißt im Bereich einer Greiferrille, ebenfalls eine bestimmte Oberflächenqualität erforderlich, um Abnutzung durch Werkzeugwechselsysteme klein zu halten.
Sämtliche Funktionsflächen A bis F sind gehärtet auszuführen, um über die Standzeit des Werkzeugs keinen übermäßigen Verschleiß auftreten zu lassen.
Allerdings liegt im Bereich der Funktionsflächen A bis F ein grundsätzlich unterschiedliches Beanspruchungsprofil vor, so dass es wünschenswert ist, die gehär- teten Oberflächen in der Weise auszubilden, dass der dort jeweils vorliegende Querschnitt den Beanspruchungen optimal gewachsen ist.
Spannungsmaxima unter Drehzahleinfluss bilden sich in der Regel im Bereich eines Übergangsradius 12 zwischen Spannschräge und Schaftinnendurchmesser sowie im Nutgrundradius 14 der tiefen Mitnehmernut 16 aus. Die Grenzdrehzahl der HSK-Schnittstelle wird somit unter anderem von der Länge des tragenden Aufnahmekegels, vom radialen Übermaß zwischen Schaft und Aufnahme sowie von dem Abmaßen der Aufnahme und vom jeweils eingesetzten Spansystem bestimmt. Dementsprechend ist es von Fall zu Fall entscheidend, dass der Ferti- gungsprozess des Hohlschaftkegels 10 optimal an das betreffende spätere Ein- satzgebiet angepasst ist. Dies gelingt erfindungsgemäß dadurch, dass zumindest ausgewählte Oberflächenabschnitte der Funktionsoberflächen A bis F durch ein schmelzendes Laserhärteverfahren oberflächengehärtet werden. Bei schmelzenden Laserhärteverfahren dient als Wärmequelle ein Laser hoher Leistung, vornehmlich Diodenlaser o- der Faserlaser, aber auch CO2- und NdYAG-Laser.
Ein erstes Beispiel für ein schmelzendes Laserhärteverfahren ist das Laserauf- tragsschweißverfahren. Das Härten des Oberflächenabschnitts erfolgt durch einen Oberflächenauftrag mittels lokalen Aufschmelzens des Oberflächenabschnitts und gleichzeitigem Aufbringen eines Zusatzwerkstoffs, insbesondere eines Hartstoffs. Der Zusatzwerkstoff kann in Pulverform z. B. als Metallpulver oder auch mit einem Schweißdraht bzw. -band zugeführt werden. Beim Laserauftragschweißen mit Pulver erhitzt der Laser das Werkstück meist defokussiert und schmilzt es lokal auf. Gleichzeitig wird ein inertes Gas gemischt mit feinem Metallpulver zugeführt. Die Versorgung des Wirkbereichs mit dem Metall-/Gasgemisch kann über Schlepp- oder Koaxialdüsen erfolgen. An der erhitzten Stelle schmilzt das Metallpulver auf und verbindet sich mit dem Metall des Hohlschaftkegels. Neben Metallpulver können auch keramische Pulverwerkstoffe, speziell Hartstoffe, verwendet werden. Das Laserauftragschweißen mit Draht bzw. Band funktioniert analog zum Verfahren mit Pulver, jedoch mit Draht bzw. Band als Zusatzwerkstoff. Hierdurch entsteht beim richtigen Einstellen der Parameter Laserleistung, Vorschub, Massenstrom des Pulvers oder alternativ des Draht- bzw. Bandvorschubes, und der Fokuslage ein Materialauftrag auf dem Werkstück, der bei mehrmaligen Überfahrten - nebeneinander oder übereinander - zu einer Fläche mit den gewünschten Oberflächenhärte geformt werden kann. Die Anbindung an das Grundmaterial des Werkzeugmodul-Rohlings kann z. B. durch die Ausbildung einer Zwischenschicht über die Parameter beeinflusst werden. Zum Herstellen der endgültigen Form des Werkzeugmodul-Rohlings sind anschließende Nachbearbeitungsschritte wie Fräsen, Drehen, oder Schleifen notwendig. In der Regel wird der Werkzeugmodul-Rohling zumindest im Bereich der zu härtenden Oberflächenab- schnitte mit Untermaß gefertigt, anschließend wird die Hartbeschichtung mit Übermaß aufgetragen und schließlich wird das Werkzeugmodul auf Maß gebracht. Ein zweites Beispiel für ein schmelzendes Laserhärteverfahren ist das Laserlgie- verfahren, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch lokales Aufschmelzen des Oberflächenabschnitts und gleichzeitiges Einbringen eines härtenden Zusatzwerkstoffs in die entstehende Schmelze zum Ausbilden einer aus dem Material des Rohlings und dem Zusatzwerkstoff bestehenden Legierung erfolgt. Während beim Laserauftragschweißen das Eigenschaftsprofil der bearbeiteten Oberfläche ausschließlich vom eingesetzten Zusatzmaterial bestimmt wird, spielt beim Laserlegieren der Grundwerkstoff, in dem das Zusatzmaterial einlegiert wird, eine wesentliche Rolle. Der Laserstrahl wird Laserlegierverfahren kontinuierlich über den Werkzeugmodul-Rohling bewegt und schmilzt dabei das Grundmaterial örtlich auf. Es bildet sich ein stabiles Schmelzbad, in das mit Hilfe einer Pulverdüse der Zusatzwerkstoff gezielt eingeblasen wird. Die Pulverpartikel lösen sich im überhitzten Schmelzbad vollkommen auf und führen zu einer Änderung der chemischen Zusammensetzung des Schmelzbades. Die Homogenisierung des Schmelzbades erfolgt durch die starken Schmelzbadkonvektionen, die mit Hilfe oberflächenaktiver Substanzen in ihrem Strömungsverhalten gezielt beeinflusst werden können. Ein typisches Kennzeichen des Laserlegierverfahrens ist das aufgrund der raschen Erstarrung erzeugte sehr feine Gefüge. Auch hier kann eine abschließende Bearbeitung auf Maß erfolgen. Ein drittes Beispiel für ein schmelzendes Laserhärteverfahren ist das Laserum- schmelzverfahren, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch lokales Erhitzen des Oberflächenabschnitts über dessen Schmelztemperatur hinaus erfolgt. Der Werkstoff des Werkzeugmodul-Rohlings wird unter Einwirkung des Laserstrahls an der Oberfläche lokal aufgeschmolzen. Analog zum Laserhärten er- folgt durch„Selbstabschreckung" eine rasche Wärmeabfuhr in das Werkstückinnere oder die Randschicht wird mittels einer mit Kühlmedium gespülten Brause abgeschreckt Infolge dessen kommt es durch Kornfeinung zu einem veränderten Oberflächengefüge mit veränderten Eigenschaften. Laserumschmelzen ist, wie das Laserhärten, ein Verfahren zur Randschichthärtung. Der wesentliche Unter- schied der beiden Verfahren liegt darin, dass der Grundwerkstoff beim Laserumschmelzen, im Gegensatz zum Laserhärten, über die Schmelztemperatur hinaus erhitzt wird. Beim Aufheizen bildet sich aus dem ursprünglich vorliegenden Zementit-Ferrit- Kristallgemisch ein homogener Mischkristall, das Austenit, aus. Der Kohlenstoff, der im Zementit (Fe3C) gebunden war, ist im Austenit atomar gelöst. Die nachfolgende Abkühlung muss also so schnell erfolgen, dass der Kohlenstoff auch nach der Kristallumwandlung gelöst bleibt und die Umwandlung des Austenits zu Perlit und Ferrit unterdrückt wird, wodurch das Härtungsgefüge Martensit entsteht.
Die erfindungsgemäßen Härteverfahren können in den gesamten Fertigungspro- zess des Werkzeugmoduls integriert werden. Mit anderen Worten, die Materialparameter ebenso wie die Geometrieparameter werden in ein Prozesssteuerungs- System eingegeben. Eine entsprechende Härtevorrichtung zum Durchführen des Härteprozesses, beispielsweise in Form eines Roboters, verfügt also über diese systemimmanenten Daten entweder von Anfang an oder durch Datentransfer. Dementsprechend liegen für jedes gerade der Bearbeitung unterliegende Werkstück exakte Werte für das zu erreichende Gefüge an ausgewählten Positionen des Werkzeugmoduls fest. Dementsprechend kann der Laser hinsichtlich Bewegung und Leistung so gesteuert werden, dass das Zielgefüge an jeder gewünschten Stelle erreicht wird.
Es gelingt auf diese Weise beispielsweise, die Härtetiefe TH im Bereich der Funktionsoberflächen des Hohlschaftkegels wie in Fig. 4 schematisch angedeutet zu steuern. Mit strichpunktierter Linie ist dabei die Grenze zwischen dem gehärteten Gefüge und der wärmeunbeeinflussten Zone gekennzeichnet. Man erkennt, dass sich diese Härtetiefe TH über die Oberfläche des Hohlschaftkegels in weiten Grenzen ändern kann. Während sie im Bereich der Greiferrille E verhältnismäßig groß sein kann, liegt sie im Bereich des Außenkegels B lediglich im 1/10-tel mm- Bereich. Im Bereich der Mitnehmernuten 16 für den Eingriff der nicht gezeigten Mitnehmer-Nutensteine kann sie ebenso wie im Bereich der Konusfläche D größer sein, während sie im Bereich des Übergangsradius 12 ganz verschwinden kann.
Mit anderen Worten, der mit dem Doppelpfeil Q in Fig. 4 bezeichnete Bereich des durch den Härteprozess unbeeinflussten Werkstoffgefüges kann entsprechend den individuellen im späteren Einsatz des Werkzeugmoduls zu erwartenden Spannungsverläufen und Belastungsgegebenheiten gesteuert werden, um auf diese Weise dort, wo es erforderlich ist, die Duktilität des Werkstoffs voll auszuschöpfen, damit die Standzeit des Werkzeugs bzw. Werkzeugmoduls reproduzierbar angehoben werden kann.
In Fig. 6 ist ein Werkzeugkopf 1 12 eines als Drehwerkzeug 1 10 ausgebildeten Werkzeugmoduls dargestellt. Der Werkzeugkopf 112 umfasst zwei Hauptschneidekanten 114a und 1 14b, die durch eine Querschneide 1 16 miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Hauptschneidekanten 114a, 1 14b erstreckt sich eine Spannut 120, die die Flanken der Schneidkanten 114a, 114b voneinander trennt. Die Spannut 120 ist von Sekundärschneidkanten der Schneidphase 122a, 122b begrenzt. In den Nutenflächen sind Auslassbereiche eines Kühlmittelkanals 124a (gestrichelt gezeichnet) und 124b eingelassen, die von einem Hauptkühlmittelkanal, der sich entlang der Achse des Drehwerkzeugs 1 10 erstreckt, abzweigen. Im konzentrischen Oberflächenbereich um die Auslässe 124a, 124b ist die Freifasenfläche als Härtungsbereich 126a und 126b mit lokal gehärteter Oberflä- che ausgebildet, um bei hoher thermischer und mechanischer Belastung ein Durchbrechen der relativ dünnen Werkstoffwand gegenüber dem Kühlmittelkanal 124a, 124b zu verhindern. Die Härtungsbereiche 126a, 126b können insbesondere durch eines der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren erzeugt werden, aber auch durch ein anderes Laserhär- tungsverfahren selektiv erhitzt und anschließend abgeschreckt werden, um eine erhöhte Härte gegenüber dem restlichen Bereich des Werkzeugkopfes 1 12 auszubilden.
In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Bohrwerkzeug 80 ausgestalten Werkzeugmoduls perspektivisch dargestellt. Das Bohrwerkzeug 80 um- fasst einen schematisch dargestellten Schaft als Spannabschnitt 82 und einen Werkzeugkopf 84, der mehrere Schneidkanten 96 und eine gewendelte Fase 92 als Begrenzung einer Spannut 98 trägt. Der Spannabschnitt 82 des Bohrwerks- zeugs kann mit einem Hohlschaftkegel 10 (Fig. 1 bis 5), insbesondere mit einem einen Hohlschaftkegel aufweisenden Werkzeugträger oder -halter, lösbar oder fest verbunden sein oder einen Hohlschaftkegel als integralen Bestandteil aufweisen. Die Schneidkanten 96 sind auf einer Stirnfläche 94 des Werkzeugkopfs 84 angeordnet. Zwei Kühlmittelkanäle 88a, 88b weisen konturierte Auslässe auf der Stirn- fläche 94 auf. Die Auslässe sind durch Stege 86 gegenüber der Umfangsoberflä- che des Werkzeugkopfs 84 begrenzt. Konzentrisch um die Auslässe der Kühlmittelkanäle 88a, 88b sind elliptische Härtungsbereiche 90 angeordnet. Entlang der Spannut 98 sind streifenförmig weitere Härtungsbereiche, die gestrichelt darge- stellt sind, vorgesehen, die die relativ dünne Materialwand zwischen Kühlkanal 88a, 88b und der Spannutoberfläche 98 begrenzen. Die Härtungsbereiche 90 und/oder die weiteren Härtungsbereiche können insbesondere durch eines der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren erzeugt werden, aber auch durch ein anderes Laserhärtungsverfahren selektiv erhitzt und anschließend abgeschreckt werden, um eine erhöhte Härte gegenüber dem restlichen Bereich des Bohrwerkzeugs 80 auszubilden.
Das Drehwerkzeug 1 10 und/oder das Bohrwerkzeug 80 können mit einem Hohl- schaftkegel 10 (Fig. 1 bis 5), insbesondere mit einem einen Hohlschaftkegel aufweisenden Werkzeugträger oder -halter, lösbar oder fest verbunden sein oder ei- nen Hohlschaftkegel als integralen Bestandteil aufweisen.
Es liegt auf der Hand, dass sich mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens Prozessfehler minimieren lassen. Weil der Härtevorgang in die Fertigungsprozesslinie eingegliedert werden kann, sind die Parameter hinsichtlich Geometrie und Werkstoffgefüge zu Beginn des Härtevorgangs bereits im System vorhanden. Übertragungsfehler derartiger Daten sind somit ausgeschlossen. Die Prozesssicherheit beim Härten ist auf diese Weise spürbar angehoben, wobei sich der zusätzliche Vorteil ergibt, dass durch geeignete Messsysteme sogar eine Feinabstimmung des Härtevorgangs auf das jeweils vorliegende Ist-Maß des zu härtenden Werkzeugmoduls vorgenommen werden kann. Selbstverständlich sind Abweichungen von der Ausführungsform möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise der Härtevorgang mit einem weiteren Wärmebehandlungsschritt kombiniert werden, indem das Gefüge dann gesteuert und an ausgewählten Bereichen zusätzlich be- einflusst wird. Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugmoduls, wie z. B. eines Werkzeugs mit gelöteten Schneiden (PKD, CBN oder Hartmetall), bei dem ein zylindrischer Rohling an einem axialen Ende mit einem Hohlschaftkegel (HSK), insbesondere nach DIN 69893, ausgestattet wird. Ausgewählte Funktionsbereiche werden einem Härteverfahren unterzogen.
Insbesondere bei der Bearbeitung von Aluminiumwerkstoffen mit höherem Silizi- umgehalt kann es zu einem hohen Verschleiß eines Dreh- oder Bohrwerkzeugs kommen, wodurch ein unerwünschter Durchbruch einer Kühlmittelkanalwandung erfolgen kann. Zur Verhinderung eines Durchbruchs besteht die Möglichkeit, durch ein selektives Oberflächenhärtungsverfahren, insbesondere eines der erfindungsgemäßen schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren, die den Kühlmittelkanal abde- ckenden Bereiche des Werkzeugkopfs zu härten. Vorteil eines selektiven Härtungsverfahrens ist, dass man ausgesuchte Bereiche härten kann, und somit flexibel partielle Oberflächenbereiche des Werkzeugkopfs gegenüber mechanischem Verschleiß schützen kann. Als Härtungsverfahren kann auch das Laserstrahlverfahren, aber auch Elektronenstrahlverfahren, lonenstrahlhärteverfahren oder auch ein induktives Härteverfahren eingesetzt werden.
Bezuqszeichenliste
10 Hohlschaftkegel
12 Übergangsradius
14 Nutgrundradius
16 Mitnehmernut
A bis F Funktionsoberfläche, Oberflächenabschnitt
Q Doppelpfeil
TH Härtetiefe
110 Drehwerkzeug
1 12 Werkzeugkopf
1 14a, 1 14b Hauptschneidkante
1 16 Querschneide
1 18 Stirnfläche
120 Spannut
122a, 122b Sekundärschneidkante
124a, 124b Kühlmittelkanal
126a, 126b Härtungsbereich
80 Bohrwerkzeug
82 Schaft, Spannabschnitt
84 Werkzeugkopf
86 Steg
88a, 88b Kühlmittelkanal mit Konturauslass
90a, 90b Härtungsbereich
92 Fase
94 Stirnfläche
96 Schneidkante
98 Spannut

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines einen Spannabschnitt aufweisenden Werkzeugmoduls aus einem Rohling, wobei der Spannabschnitt als Hohlschaftkegel (HSK), insbesondere gemäß der Norm DIN 69893, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an dem Spannabschnitt zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt des Rohlings mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahrens gehärtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ferner an zumindest einem Bearbeitungsabschnitt des Werkzeugmoduls, insbesondere einem Schneideabschnitt und/oder einem Kühlkanalbegrenzungsabschnitt und/oder einem Kühlkanalaustrittsabschnitt, zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren gehärtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzende Laserstrahlhärteverfahren ein Laserauftragsschweißverfahren umfasst, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch einen Oberflächenauftrag mittels lokalen Aufschmelzens des Oberflächenabschnitts und gleichzeitigem Aufbringen eines Zusatzwerkstoffs, insbesondere eines Hartstoffs, erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzende Laserstrahlhärteverfahren ein Laserlegierverfahren umfasst, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch lokales Aufschmelzen des Oberflächenabschnitts und gleichzeitiges Einbringen eines härtenden Zusatzwerkstoffs in die entstehende Schmelze zum Ausbilden einer aus dem Material des Rohlings und dem Zusatzwerkstoff bestehenden Legierung erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzende Laserstrahlhärteverfahren ein Laserum- schmelzverfahren umfasst, bei dem das Härten des Oberflächenabschnitts durch lokales Erhitzen des Oberflächenabschnitts über dessen Schmelztemperatur hinaus erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Härtens mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahrens mit einem weiteren, insbesondere nicht schmelzenden Wärmebehandlungsschritt kombiniert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling aus einer Stahllegierung hergestellt ist, und dass der zumindest eine gehärtete Oberflächenabschnitt durch eine selektive Randschichtaustenitisierung des Oberflächenmaterials ausgebildet ist.
8. Werkzeugmodul mit einem als Hohlschaftkegel (HSK) (10), insbesondere gemäß der Norm DIN 69893, ausgebildeten Spannabschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an dem Spannabschnitt zumindest ein partieller Oberflächenabschnitt (A bis F) des Werkzeugmoduls (10) mittels eines schmelzenden Laserstrahlhärteverfahren, insbesondere gemäß einem Verfahren nach zumindest einem der vorgehenden Ansprüche, gehärtet ist.
9. Werkzeugmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugmodul ein Drehwerkzeug für eine spanende Bearbeitung von Werkstücken ist.
10. Werkzeugmodul nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine gehärtete Oberflächenabschnitt an einer Mitnehmemut (16) des Spannabschnitts vorgesehen ist.
PCT/DE2017/000117 2016-04-28 2017-04-28 Verfahren zur herstellung eines werkzeugmoduls und werkzeugmodul WO2017186207A2 (de)

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