DE2521377C2

DE2521377C2 -

Info

Publication number: DE2521377C2
Application number: DE2521377A
Authority: DE
Inventors: Robert Alfred La Canada Calif. Us Holzl
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1974-05-16
Filing date: 1975-05-14
Publication date: 1988-01-14
Also published as: ATA373175A; SE7505518L; AU8099575A; ES437679A1; DK219975A; IN144015B; GB1509076A; BR7503002A; FR2270986A1; CH599819A5; JPS5918472B2; DK142107C; CA1037298A; JPS50156080A; ES444989A1; NL185656B; FR2270986B1; AT344473B; DE2521377A1; NL7505817A

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug insbesondere zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstoffen, mit einem Werkzeugkörper und einer thermochemisch aufgedampften, wenigstens einen Teil der Körperoberfläche bedeckenden Hartmetallauflage aus Wolframkarbid.

Die DE-PS 21 27 162 beschreibt ein derartiges Werkzeug, bei dem der Werkzeugkörper aus gesintertem Hartmetall besteht und zur Vergrößerung der Verschleißfestigkeit eine dünne, mehrlagige Beschichtung aus Metallkarbiden mit einer Beschichtungsdicke von nur wenigen Mikrometern aufweist. Die Beschichtung besteht aus einer inneren Schicht aus Titankarbid, einer äußeren Schicht aus Wolf ramkarbid und einer Zwischenlage aus Kobalt. Alle Schichten sind aus der Gasphase auf den Werkzeugkörper aufgedampft. Die fertig vorhandenen Schneiden werden bezüglich ihrer Form durch das Bedampfen nicht verändert und können wegen der geringen Beschichtungsdicke auch nicht nachgearbeitet werden. Bei einem solchen Werkzeug hängt die Haltbarkeit von der Festigkeit des Werkzeug körpers ab, da sich beispielsweise ein Werkzeugkörper aus Stahl unter dem Einfluß der Schnittkraft etwas ver formen kann. Deshalb werden nur dünne Beschichtungen benutzt, damit sich die Hartmetallauflage nicht löst.

Die DE-OS 19 64 602 beschreibt ein ähnliches Werkzeug, bei dem der Werkzeugkörper aus einer gesinterten Hart metall-Legierung besteht und mit einer 2 bis 6 Mikro meter dicken Schicht aus Titankarbid oder einer Kombi nation anderer Hartmetallkarbide bedampft ist.

Bei allen diesen Werkzeugen führt die Hartmetall-Auflage nur zu einer Verfestigung des Schneidbereichs selbst, ohne einen maßgeblichen Beitrag zur Stabilität des ge samten Werkzeugs zu leisten. Deshalb muß für den Werk zeugkörper ein spezielles Material gewählt werden, das ausreichend stabil ist und somit die Material- sowie Fertigungskosten erhöht. Außerdem kann der Schneidbe reich nicht oder nur unwesentlich nachgearbeitet werden, so daß sich eine relativ kurze Lebensdauer des Werkzeugs ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu grunde, ein Werkzeug der im Oberbegriff genannten Art so auszubilden, daß bei relativ freier Wählbarkeit des Werkstoffs sowie günstigen Herstellungskosten eine lange Lebensdauer und eine große Stabilität erzielbar sind.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Werkzeug der im Oberbegriff genannten Art erfindungs gemäß durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 aufgeführ ten Merkmale aus. Bei einem solchen Werkzeug erlaubt die verhältnismäßig dick aufgedampfte Hartmetallauflage eine mechanische Fertigbearbeitung sowie Formung der Werk zeugschneide, die nach Abnutzung mehrfach nachgeschlif fen werden kann. Außerdem leistet die stabile Hartme tallauflage bei dem vorgeschriebenen Mindestwert der Biegefestigkeit einen wesentlichen Betrag zur Aufnahme der durch die Schneidbelastung ausgeübten Kräfte und somit zur Stabilität des gesamten Werkzeugs. Daher kann der Werkzeugkörper aus Gründen der Formgebung oder Ko sten aus einfachem Werkzeugstahl hergestellt werden, ohne daß hierdurch die Funktion des Werkzeugs beein trächtigt wird. Die angegebenen Mindestwerte für die Schichtdicke, die Härte und den Biegebruchmodul der Hartmetallauflage müssen eingehalten werden, und zwar auch nach einer Wärmebehandlung, damit eine zufrieden stellende Aufnahme der Schneidbelastung durch die Hart metallauflage erfolgt.

Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einem Schnitt ein Einspann-Zerspanwerkzeug mit einer Hartmetallauflage gemäß der Erfindung;

Fig. 2 in einem Schnitt ein Form- oder Fasson-Zerspan werkzeug mit einer Hartmetallauflage gemäß der Erfindung;

Fig. 3 in einer Schnittansicht einen Bohrerrohling mit einer stirnseitigen Hartmetallauflage nach einem Zylinderschleifen zum Bilden eines geradschäfti gen Bohrers;

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung das Zylinder schleifen bei einem Bohrer, dessen Werkzeugkörper schlanker ist als sein Schaft;

Fig. 5 in einer Seitenansicht den Bohrer aus Fig. 4 nach einem Auskehlen des Bohrerkörpers und der Bohrerspitze;

Fig. 6 in einer Schnittansicht das vordere Ende eines Bohrers mit übereinstimmenden stirnseitigen Winkeln seines Bohrerkörpers und seiner Hartme tallauflage;

Fig. 7 in einer ähnlichen Ansicht das vordere Ende eines Bohrers mit unterschiedlichen stirnseitigen Win keln seines Bohrerkörpers und seiner Hartmetall auflage;

Fig. 8 und 9 die Bohrer aus den Fig. 6 und 7 nach einem verschleißbedingten Nachschleifen;

Fig. 10 in einer Seitenansicht einen Stanzstempel mit einer Hartmetallauflage gemäß der Erfindung; und

Fig. 11 in einer Teilschnittansicht einen Mantelbohrer mit einer Hartmetallauflage gemäß der Erfindung.

Das erfindungsgemäße Zerspanwerkzeug besteht aus einem Werkzeugkörper 12 und einer thermochemisch aufgedampften Schicht in Form einer Hartmetallauflage, die eine oder mehrere Flächen des Körpers bedecken kann und zumindest eine am Körper ausgebildete Schneide 14 bedeckt. Die Hartmetallegierung hat eine Vickers-Härte von mindestens 1500 km/mm² und ist in einer Dicke von mindestens 25 µm, vorzugsweise von 50 bis 600 µm, auf den Körper aufgetra gen. Sie besteht hauptsächlich aus Wolfram und Kohlen stoff mit einem Biegebruchmodul von mehr als 200 kg/mm², wobei der Verbundkörper insgesamt einen Biegebruchmodul von mindestens 200 kg/mm² besitzt.

Fig. 1 zeigt ein sogenanntes Einspann-Zerspanwerkzeug (z. B. Drehstahl). Ein solches Schneidwerkzeug hat typi scherweise einen rechtecken oder dreieckigen Quer schnitt und wird so in einem Werkzeughalter eingespannt, daß eine seiner Längskanten oder Spitzen als Schneide mit einem Werkstück in Kontakt tritt. Nach dem Stumpf werden einer Schneide wird die Ausrichtung des Werkzeugs zu einer anderen Schneide geändert.

Bei der Herstellung wird der Werkzeugkörper 12 in einer solchen Dicke mit der Hartmetallauflage 13 bedampft, die ausreicht, um in dieser anschließend durch maschinelle und beispielsweise spanabhebende Bearbeitung eine Schneide 14 auszubilden.

Bei einem hochfesten Substrat des Werkzeugkörpers kann die Festigkeit der Hartmetallauflage dem angegebenen Mindestwert entsprechen. Besitzt das Substrat dagegen eine verhältnismäßig geringe Festigkeit, so muß die Festigkeit der Hartmetallauflage entsprechend größer sein.

Bei der Ausführungsform aus Fig. 1 erstreckt sich die Hartmetallauflage um den gesamten Werkzeugkörper 12. Hierdurch ergibt sich eine besonders große Festigkeit, weil die Werkzeugaußenseite den größten Teil der Zer spanungskräfte aufnimmt. Da dieser Bereich im Vergleich zum Werkzeugkörper eine höhere Zugfestigkeit besitzen kann, läßt sich ein außerordentlich hochfestes Zerspan werkzeug unter Verwendung einer kleinen Menge an hoch festem Werkstoff für die Auflage und eines weniger kost spieligen Werkstoffs mit einem Mindestmaß an Festigkeit für den Werkzeugkörper herstellen.

Die Hartmetallauflage kann in einer Reaktionskammer entsprechend der bekannten chemischen Aufdampftechnik aufgedampft werden, wie es aus der US-Patentanmeldung Serial No. 3 85 110 vom 7. Mai 1973 bzw. der deutschen Offenlegungsschrift 24 21 131 ersichtlich ist.

Dabei reagiert zunächst ein flüchtiges Wolfram-Halogenid in Gasform mit gasförmigem Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff. Bei weiterer Reaktion mit Wasserstoff bil det sich auf der zu beschichtenden Oberfläche eine in flüssiger Phase vorliegende Anlagerung. Diese wird dann in eine in fester Phase vorliegende Anlagerung umgewan delt, die extrem hart und verschleißfest ist. Die Auf dampfungstemperatur wird vorzugsweise auf höchstens 1100°C eingestellt. Die Wasserstoffmenge relativ zur Menge des Wolframkarbids wird vorzugsweise unter stöchiometrisch gehalten.

Die aufgedampfte Hartmetallegierung ist frei von durch setzenden Kornsäulen bzw. Kristallfehlern. Bei einer Wolfram-Kohlenstoff-Legierung übersteigt die Vickers- Härte einen Wert von 1500 kg/mm². Für die meisten Anwen dungszwecke sollte die Härte nicht über 2500 kg/mm² liegen, da sonst das Material spröde wird; Härten von bis zu 3000 kg/mm² wurden hergestellt und sind unter gewissen Umständen auch brauchbar. Noch größere Härten führen zu Bearbeitungsproblemen und großen Fertigungs kosten. Die große Festigkeit und den genannten Biege bruchmodul besitzt die Auflage nach dem Aufdampfen oder nach dem Aufdampfen und einer Wärmebehandlung. Charakte ristisch ist, daß die Oberfläche der Hartmetallauflage ziemlich glatt ist, daß die Korngröße im allgemeinen maximal 5 µm oder sogar 1 µm beträgt und daß die Auflage wesentlich abrieb- und verschleißfester als Wolfram karbid-Sintermetall ist.

Der Werkzeugträger kann aus einem beliebigen Werkstoff bestehen. Obgleich Werkzeugstähle im allgemeinen zufrie denstellend sind, kann dabei das Eisen zu Reaktionen neigen. Deshalb können weniger aktive Werkstoffe, wie Wolfram, Wolframlegierung, Wolframkarbid, Molybdän oder Molybdänlegierung, vorteilhafter sein. Die Wärmeausdeh nungseigenschaften dieser Werkstoffe liegen außerdem näher bei denen der Auflage, wodurch eine bessere Ver bindung gewährleistet wird. Außerdem sind diese Werk stoffe verhältnismäßig steif, was den Werkzeugbetrieb begünstigt. Alternativ kann zwischen der Auflage und dem Werkzeugkörper eine vergleichsweise inerte Zwischen schicht mit entsprechenden Wärmeausdehnungseigenschaften vorgesehen werden, die die Verbindung thermisch unter schiedlicher Stoffe verbessert.

Die bekannten Zerspanwerkzeuge unter Verwendung von aufgedampften Materialien stützen sich hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber den Zerspanungsbelastungen typi scherweise auf die Kohäsionskräfte zwischen der Anlage rung und dem Substrat des Werkzeugkörpers in Verbindung mit der Festigkeit des Substrats selbst. Es wurde bisher angenommen, daß lediglich dünne Überzüge auf bereits vorhandenen Schneidkanten für die Verbesserung der Werk zeuglebensdauer brauchbar sind und daß Substrate mit hoher Festigkeit erforderlich sind. Im Gegensatz hierzu beinhaltet die Erfindung nicht nur ein beschichtetes Zerspa nungswerkzeug, sondern ein Verbundwerkzeug, bei dem eine relativ dicke Hartmetallauflage zur Bildung einer ver gleichsweise massiven Schneidkante herangezogen wird. Diese wird nach dem Aufdampfen maschinell bearbeitet und ist bezüglich ihrer Form hauptsächlich nicht durch die Form des Substrates bestimmt.

Bei einem Formwerkzeug gemäß Fig. 2 wird die grobe Form des Werkzeugs durch maschinelle Bearbeitung in der Ober fläche des Werkzeugkörpers 12 ausgebildet, auf die dann die Hartmetallauflage 13 der genannten Art aufgedampft wird. Die anderen Flächen sind dabei mit Masken abge deckt. Anschließend erfolgt eine maschinelle Bearbei tung, um der Schneide 14 die gewünschte Form zu geben.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Bohrerrohlinge mit einem Schaftabschnitt 11, einem Werkzeugkörper 12 und einer Bohrerspitze. Das vordere Ende des Werkzeugkörpers 12 hat eine konische Form mit einem Winkel von beispiels weise 130°. Eine Hartmetallauflage 13 wird auf den Werkzeugkörper 12 stirnseitig aufgedampft, indem sämt liche andere Flächen durch Masken abgedeckt werden. Danach werden der Werkzeugkörper 12 und die Hartmetall auflage 13 zylindrisch geschliffen, wobei gemäß Fig. 4 eine deutliche Durchmesserreduzierung im Bereich des Werkzeugkörpers 12 und der Hartmetallauflage 13 erfolgen kann.

Bei einem Spiralbohrer gemäß Fig. 5 mit dickerem Schaft abschnitt werden zwei spiralige bzw. wendelförmige Kehl nuten 21 in den Werkzeugkörper 12 und in die Bohrer spitze eingeschliffen. Bei einem Blatt- oder sog. Ka nonenbohrer werden anstelle der wendelförmigen Kehlnuten flache parallele Flächen an den Werkzeugkörper ange schliffen. Die Dicke der aufgedampften Hartmetallauflage 13 wird dabei stets so groß gewählt, daß sie zu einer Schneidkante 14 geschliffen werden kann und beträgt daher vorzugsweise mindestens 200 µm.

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen Hartmetallauflagen 13 auf einem Bohrerrohling, der im einen Fall übereinstim mende und im anderen Fall unterschiedliche stirnseitige Winkel seines Werkzeugkörpers 12 und seiner Hartmetall auflage 13 aufweist; bei Fig. 7 ist der Winkel des Werkzeugkörpers 12 spitzer. Der wesentliche Unterschied besteht in der Nachschleifbarkeit und in der Größe der Verbindungsfläche. Im allgemeinen wird bei einem spitze ren Winkel gemäß Fig. 7 eine vergleichsweise festere Verbindung erreicht. Nachgeschärfte Bohrer dieser Art zeigen die Fig. 8 und 9.

Aus Fig. 9 ist ersichtlich, daß bei einem Bohrer gemäß Fig. 7 mehr Nachschärf- oder Nachschleifvorgänge möglich sind. Beim häufigen Nachschleifen wird gemäß Fig. 9 ein Teil des Werkzeugkörpers 12 im Mittelteil der Bohrer spitze freigelegt. Dadurch wird das Werkzeug keineswegs unbrauchbar, da der größte Teil der Schneid- oder Zer spanungsarbeit am Außenumfang der Schneidkanten 14 statt findet.

Bei einem Stanzstempel gemäß Fig. 10 mit dickerem Schaftabschnitt 11 fehlen eine Spitze sowie Kehlnuten. Die Schneidkante 14 an der Hartmetallauflage 13 ist zu einer flachen Stirnfläche geschliffen. Ein Nachschleifen des Stanzstempels ist ebenfalls möglich, sofern genügend Material aufgedampft worden ist.

Fig. 11 zeigt einen Mantelbohrer mit einer Hartmetall auflage 13 am Werkzeugkörper 12 sowie an dessen Spitze. Beim maschinellen Bearbeiten erhält man einen den Werk zeugkörper umschließenden Hartmetall-Mantel mit Kehl nuten 21 in der Hartmetallauflage 13 und im Werkzeug körper 12. Ein solcher Bohrer ist mehrfach nachschleif bar und hat einen stabilen Aufbau.

Claims

1. Werkzeug, insbesondere zur spanabhebenden Bearbei tung von Werkstoffen, mit einem Werkzeugkörper und einer thermochemisch aufgedampften, wenigstens einen Teil der Körperoberfläche bedeckenden Hartmetallauf lage aus Wolframkarbid, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Wolframkarbid bestehende Hartmetallauflage (13) mindestens 25 µm dick ist, eine Vickers-Härte von mindestens 1500 kg/mm² und im aufgedampften oder im aufgedampften und wärmebehandelten Zustand einen Biegebruchmodul von mehr als 200 kg/mm² aufweist, und daß der Biegebruchmodul der Anordnung aus Werk zeugkörper (12) und Auflage (13) mindestens 200 kg/mm² beträgt.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Werkzeugkörper (12) und der Hartmetall auflage (13) eine Zwischenschicht vorhanden ist, die aus einem Werkstoff mit einer mit dem Werkstoff des Werkzeugkörpers und der Hartmetallauflage verträgli chen Wärmeausdehnung besteht.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, das als Bohrer ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hartmetall auflage (13) in Längsrichtung des Bohrers mindestens 200 µm über den Werkzeugkörper (12) erstreckt.

4. Werkzeug nach Anspruch 1, das als Bohrer ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallaufla ge (13) zumindestens einen Teil des Werkzeugkörpers (12) mantelförmig umgibt und eine Dicke von minde stens 200 µm oder entsprechend 25% des fertigen Werk zeugaußendurchmessers aufweist.

5. Werkzeug nach Anspruch 1 und 3, das als Bohrer mit einer Bohrerspitze ausgebildet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Hartmetallauflage (13) an der Boh rerspitze des Werkzeugkörpers (12) ausgebildet ist.

6. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei eingestochene, wendelförmige Kehlnuten (21) in Längsrichtung des Bohrers sowohl über den Werkzeug körper (12) und die Hartmetallauflage (13) verlaufen.

7. Werkzeug nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zwei im Werkzeugkörper (12) und in der Hartmetallauflage (13) in Längsrichtung des Bohrers parallel verlaufen den Ebenen.

8. Werkzeug nach Anspruch 1, das als Stanz-Stempel mit einer flachen Stirnseite ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallauflage (13) auf dieser Stirnseite ausgebildet ist.