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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schneideinsätze. Genauer betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Entfernen bzw. Abtragen von Material von dem Schneideinsatz unter Verwendung elektromagnetischer Energie.
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Stand der Technik
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In der Regel besteht ein Schneideinsatz aus einem Substrat, das irgendeines aus einer Anzahl harter Materialien oder eine Kombination davon aufweisen kann. Zum Beispiel kann der Schneideinsatz aus kubischem Bornitrid (CBN), Keramik, Carbid, polykristallinem Diamant (PCD), monokristallinem Diamant, polykristallinem kubischem Bor (PBCN) mit Schichten aus Nitrid, dotierter Nitridschicht, Diamantschicht, diamantähnlicher Kohlenstoffschicht, Titanaluminiumnitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titannitrid und/oder Aluminiumoxid bestehen. Die Schneidkanten werden durch Kraftschleifen, Elektroerosionsschleifen, Edge-Prep (Honen), Funkenerosion (EDM) oder ähnliche Verfahren ausgebildet.
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In der Regel wird Material unter Verwendung einer Schleifscheibe von einem Substrat des Schneideinsatzes entfernt bzw. abgetragen. Leider lassen Materialabtragungsraten mit herkömmlichen Schleiftechniken zu wünschen übrig, da die Schleifscheibe, die aus einem Verbundmaterial besteht, beispielsweise einem Metall und/oder einem keramischen Binder mit kubischem Bornitrid (CBN) oder Diamantpartikeln, die in einer Matrix eingebettet sind, nicht in der Lage ist, Material mit ausreichend hohen Raten abzutragen.
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Nicht nur ist die Materialabtragungsrate bei Verwendung einer Schleifscheibe zu niedrig, sondern die Qualität des abgetragenen Materials ist bei Verwendung einer Schleifscheibe ebenfalls ungenügend. Wenn beispielsweise mit einer Scheibe mit einer Mesh-Größe von 400–1800 Grit geschliffen wird, werden die PCD- oder CBN-Partikel aus der Matrix in dem Werkstück entfernt, wodurch ein Hohlraum entsteht. Infolgedessen werden die Oberflächenintegrität und die Werkzeugleistung herabgesetzt. Somit besteht ein Bedarf an der Verbesserung von Materialabtragungsraten und der Qualität des Materials, das von Schneideinsätzen entfernt wird, insbesondere von Schneideinsätzen, die mit harten Materialien beschichtet sind.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Das Problem des Entfernens von Material von einem Schneideinsatz wird dadurch gelöst, dass eine Quelle für elektromagnetische Strahlung auf eine Oberfläche des Schneideinsatzes gerichtet wird.
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In einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Entfernen von Material von einem Schneideinsatz das Richten eines Laserstrahls auf eine Oberfläche des Schneideinsatzes, wodurch ein Oberflächenmerkmal auf der Oberfläche des Schneideinsatzes erzeugt wird.
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In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Entfernen von Material von einem Schneideinsatz Folgendes:
das Erzeugen eines Laserstrahls unter Verwendung einer Quelle für elektromagnetische Strahlung;
das Leiten des Laserstrahls durch einen Homogenisator, so dass ein Querschnitt des Laserstrahls eine gleichmäßige Energiedichte aufweist;
das Leiten des Laserstrahls durch eine Maske mit einer vorgegebenen Form, wobei die Maske eine Abmessung des Laserstrahls verkleinert; und
das Richten des Laserstrahls auf eine Oberfläche des Schneideinsatzes,
wodurch eine Menge an Material, das von dem Schneideinsatz entfernt wird, durch Ändern der vorgegebenen Form der Maske gezielt eingestellt werden kann.
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In einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Entfernen von Material von einem Schneideinsatz eine Quelle für elektromagnetische Strahlung zur Erzeugung eines Laserstrahls; einen Homogenisator, um einem Querschnitt eines Laserstrahls eine gleichmäßige Energiedichte zu verleihen; eine Maske mit einer vorgegebenen Form zur Verkleinerung der Abmessung des Laserstrahls; und eine Bildgebungslinse zum Projizieren des Laserstrahls auf eine Oberfläche des Schneideinsatzes, wobei die vorgegebene Form der Maske eine gezielte Einstellung einer Menge an Material, das von der Oberfläche des Schneideinsatzes entfernt wird, ermöglicht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es werden zwar verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, aber die konkret dargestellten Ausführungsformen sollten nicht als eine Beschränkung der Patentansprüche ausgelegt werden. Es wird vorweggenommen, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich dieser Erfindung abzuweichen.
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1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Entfernen von Material von einem Schneideinsatz gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 ist eine skizzenhafte Darstellung verschiedener Formen der Maske zur Verkleinerung der Abmessung des Laserstrahls, der auf die Oberfläche des Schneideinsatzes projiziert wird; und
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3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Schneideinsatzes und einer T-Stegfläche, die anhand des Verfahrens der Erfindung erzeugt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Entfernen von Material von einem Schneideinsatz 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 10 weist eine Quelle 12 für elektromagnetische Strahlung auf, beispielsweise einen Ultraviolett(UV)-Excimerlaser, die bzw. der einen Laserstrahl 14 mit einer vorgegebenen Frequenz und Abmessung emittiert. Zum Beispiel kann der Laserstrahl 14 eine Frequenz von etwa 248 nm und eine Abmessung von etwa 10 × 24 mm aufweisen. Es sei klargestellt, dass die Erfindung nicht durch die Frequenz und die Abmessung des Laserstrahls 14 beschränkt wird, und dass die Erfindung mit jeder gewünschten Frequenz und Abmessung, die sich zum Entfernen von Material vom Schneideinsatz 100 eignen, in die Praxis umgesetzt werden kann. Zum Beispiel kann der Laserstrahl 14 von einem diodengepumpten Festkörper-(DPSS)Laser und dergleichen erzeugt werden.
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Außerdem weist die Vorrichtung ferner einen Drehspiegel 16 auf, der den Laserstrahl 14 durch eine Feldlinse 18 lenkt. Der Laserstrahl 14 verläuft dann durch eine Apertur 20 und einen Homogenisator, der allgemein bei 22 dargestellt ist. Die Apertur 20 verkürzt die Abmessung des Laserstrahls 14. Zum Beispiel kann der Laserstrahl 14 eine Abmessung von etwa 7 × 10 mm aufweisen, wenn der Laserstrahl 14 aus dem Homogenisator 22 tritt. Der Homogenisator 22 sorgt für eine gleichmäßige Energiedichte im Querschnitt des Laserstrahls 14. Dann wird der Laserstrahl 14 von einem Drehspiegel 24 durch eine Maske 26 gelenkt, die dann von einem Drehspiegel 28 auf eine Projektions- oder Abbildungslinse 30 gelenkt wird, die den Laserstrahl 14 auf die Oberfläche des Schneideinsatzes 100 projiziert. Der Schneideinsatz 100 kann auf einem X-Y-Tisch 200 einer Art, die in der Technik bekannt ist, für eine vorprogrammierte Bewegung des Schneideinsatzes 100 in Bezug auf den Laserstrahl 14 montiert sein.
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Es sei klargestellt, dass die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung 10 nur der Erläuterung dienen soll und dass die Prinzipien der Erfindung auch mit anderen Vorrichtungen, die einen Laserstrahl mit den gewünschten Eigenschaften zum Entfernen von Material von dem Schneideinsatz 100 erzeugen, in die Praxis umgesetzt werden können.
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Ein Aspekt der Erfindung ist, dass die Maske 26 eine vorgegebene Form aufweist, so dass die Abmessung des Laserstrahls 14 verkleinert und konzentriert wird, um eine Menge an Material, das von der Oberfläche des Schneideinsatzes 100 entfernt wird, gezielt einzustellen. In einer Ausführungsform weist die Maske 26 die Form eines gleichschenkligen Trapezes auf, um den Laserstrahl 14 zu verkleinern und zu konzentrieren, wie in 2(a)–(c) dargestellt. In dieser Ausführungsform kann die Maske 26 verwendet werden, um eine T-Stegfläche auf dem Schneideinsatz 100 zu bilden, wie nachstehend beschrieben. Jedoch sei klargestellt, dass die Form der Maske 26 jede gewünschte Form sein kann, um ein Oberflächenmerkmal mit einer gewünschten Form auf dem Schneideinsatz 100 zu bilden. Zum Beispiel kann die Maske 26 eine Form aufweisen, um eine Nut, einen Kanal, einen Absatz, eine tropfenförmiges Merkmal oder irgendein anderes gewünschtes Oberflächenmerkmal auf dem Schneideinsatz 100 zu bilden.
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Per definitionem ist ein gleichschenkliges Trapez ein konvexes Viereck mit einer Symmetrielinie, die ein Paar einander gegenüberliegender Seiten zweiteilt, wodurch es automatisch ein Trapez ist. Zwei einander gegenüberliegende Seiten (die Grundseiten) a, b sind parallel, und die beiden anderen Seiten (die Schenkel) c, d sind gleich lang (eine Eigenschaft, die das gleichschenklige Trapez und das Parallelogramm gemeinsam haben). Die Diagonalen sind ebenfalls gleich lang. Die Grundwinkel e eines gleichschenkligen Trapezes haben die gleichen Maße (es gibt eigentlich zwei Paare von Grundwinkeln, wobei ein Grundwinkel e der Ergänzungswinkel eines Grundwinkels f an der anderen Grundseite ist).
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Die jeweilige Abmessung der Maske 26 bewirkt, dass der Laserstrahl 14, der in die Maske 26 eintritt, nach dem Austreten aus der Maske 26 eine bestimmte Abmessung hat. Zum Beispiel kann die Maske 26 eine solche Abmessung haben, dass der Laserstrahl 14, der in die Maske eintritt, 1/10tel der Abmessung aufweist, wenn er aus der Maske 26 austritt. Andere Abmessungsverhältnisse liegen ebenfalls im Bereich der Erfindung. Diese Änderung der Abmessung des Laserstrahls 14 durch die Maske 26 ermöglicht eine gezielte Einstellung der Menge an Material, das vom Schneideinsatz 10 entfernt wird, durch die Maske 26. Genauer wird im Vergleich zur Abmessung b umso weniger Material vom Schneideinsatz 100 entfernt, je kleiner die Abmessung a ist, wenn der Laserstrahl 14 auf die Oberfläche des Schneideinsatzes 100 projiziert wird, und umgekehrt. Für den Fall, dass die Abmessung a der Maske 26 gleich null (0) ist und die Abmessung b ungleich null ist (d.h. die Maske 26 die Form eines Dreiecks aufweist), wird im Vergleich zu einer Abmessung b, die ungleich null ist, kein Material (oder nur sehr wenig Material) vom Laserstrahl 14 entfernt, wenn die Maske 26 mit der Abmessung a gleich null auf die Oberfläche des Schneideinsatzes projiziert wird. Für den Fall, dass die Abmessung a der Maske 25 der Abmessung b gleich ist (d.h. ein Rechteck), wird dagegen die gleiche Menge an Material vom Laserstrahl 14 entfernt, wenn die Maske 26 auf die Oberfläche des Schneideinsatzes 100 projiziert wird.
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Es sei klargestellt, dass die Erfindung nicht auf die jeweiligen Abmessungen a, b der Maske 26 beschränkt ist. 2(a)–(c) zeigen nur einige mögliche Abmessungen a, b der Maske 26. Ein Fachmann wird verstehen, dass viele andere Abmessungen a, b von den Erfindern in Erwägung gezogen wurden und im Bereich der Erfindung liegen.
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Wie oben angegeben, ist die Maske 26 mit der Form eines gleichschenkligen Trapezes in der Lage, eine T-Stegfläche auf dem Schneideinsatz 100 zu erzeugen. Wie in 3 dargestellt ist, weist der Schneideinsatz 100 eine obere Spanfläche 102, eine untere Spanfläche 104 und eine Flankenfläche 106 auf. Die obere Spanfläche 102, die untere Spanfläche 104 und die Flankenfläche 106 können im Wesentlichen plan sein. Der Laserstrahl 14 wird im Wesentlichen senkrecht zur oberen Spanfläche 102 des Schneideinsatzes 100 projiziert. Da die Abmessung a kleiner ist als die Abmessung b, bewirkt die Maske 26 jedoch, dass im Vergleich zur oberen Spanfläche 102 des Schneideinsatzes 100 zur Flankenfläche 106 hin mehr Material entfernt wird. Durch Bewegen des Laserstrahls 14 auf vorprogrammierte Weise in Bezug auf den Schneideinsatz 100 wird von dem Laserstrahl 14, der einen Winkel 110 in Bezug auf die obere Spanfläche 102 aufweist, eine T-Stegfläche 108 erzeugt. Die Größe des Winkels 110 kann durch Ändern der relativen Abmessungen a, b der Maske 26 gezielt eingestellt werden. Zum Beispiel kann ein Winkel 110 mit einem größeren Ausmaß durch Verkleinern der Abmessung a im Vergleich zur Abmessung b erzeugt werden, wodurch bewirkt wird, dass zur Flankenfläche 106 hin mehr Material entfernt wird. Dagegen kann ein Winkel 110 mit einem kleineren Ausmaß durch Vergrößern der Abmessung a im Vergleich zur Abmessung b erzeugt werden, wodurch bewirkt wird, dass zur oberen Spanfläche 102 hin mehr Material entfernt wird. In dem Fall, dass die Abmessungen a, b gleich sind, kann eine Nut in der oberen Spanfläche 102 ausgebildet werden. Eine Schneidkante 112 wird an der Überschneidung zwischen der T-Stegfläche 108 und der Flankenfläche 106 des Schneideinsatzes 100 ausgebildet.
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In der dargestellten Ausführungsform weist der Schneideinsatz 100 eine generell mehreckige Form auf. Es sei jedoch klargestellt, dass die Erfindung mit einem Schneideinsatz in die Praxis umgesetzt werden kann, der eine allgemein zylindrische Form, eine runde Form oder irgendeine andere mehreckige Form aufweist.
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Die Prinzipien der Erfindung eignen sich besonders für Schneideinsätze mit einer harten Beschichtung aus kubischem Bornitrid, polykristallinem Diamant, polykristalliner kubischer Bornitridschicht, Diamantschicht, diamantähnlichem Kohlenstoff, Titanaluminiumnitrid, Titancarbid, Titancarbonitrid, Titannitrid und/oder Aluminiumoxid. Es sei jedoch auch klargestellt, dass die Erfindung auch auf unbeschichtete Schneideinsätze angewendet werden kann. Bestimmte Substrate und unbeschichtete Schneideinsätze, die für die Erfindung in Frage kommen, sind unter anderem Hartmetalle auf Wolframcarbid-Basis, Zemente auf Ti(C,N)-Basis, polykristalline kubische Bornitride (keramisch oder zementartig) und keramische Materialien wie Aluminiumsiliciumnitrid und Materialien auf SiAlON-Basis (d.h. mit mehr als 50 Volumenprozent), entweder mit oder ohne darin dispergierter Verstärkungsphase aus keramischen Teilchen oder Whiskers (z.B. Zirkoniumoxid, Wolframcarbid, Titancarbid, Titancarbonitrid und/oder Titannitrid).
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Wie oben beschrieben, richtet das Verfahren der Erfindung elektromagnetische Strahlung, beispielsweise ultraviolette (UV), infrarote (IR), grünwellige und dergleichen, auf einen Fleck mit begrenzter Streuung und mit extrem hoher Fluenz (d.h. Energiedichte) in der Brennebene der Projektionsoptik. Dieser Fleck wiederum bricht entweder die chemischen Bindungen, sublimiert (verdampft) oder schmilzt das Substratmaterial, auf dem diese Strahlung exponiert wird. Sobald ein programmierter Werkzeugweg auf ein Bewegungssystem übertragen worden ist, kann ein Brennfleck mit hoher Fluenz Material entfernen, wodurch die gewünschte Form am Schneideinsatz erzeugt wird. Eine automatische Video-Katenerkennungstechnik einer in der Technik bekannten Art kann verwendet werden, um etwaige Abweichungen im Außenprofil des Schneideinsatzes während des Materialentfernungsprozesses zu überwinden und auszugleichen. Anders als bei herkömmlichen Schleiftechniken besteht mit dem Verfahren der Erfindung kein physischer Kontakt zwischen dem Materialentfernungswerkzeug und dem Schneideinsatz, wodurch etwaige Spannungen, die im Schneideinsatzmaterial während des Abtragungsprozesses induziert werden, verringert werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung verwendet ein Excimerlaser eine Nahfeld-(Bildprojektions-)Technik, um Material vom Schneideinsatz zu entfernen. Zum Beispiel kann der Excimerlaser verwendet werden, um Material an der Überschneidung zwischen der Oberseite (d.h. der Spanfläche) und der Seitenfläche (d.h. der Flankenfläche) auf solche Weise zu entfernen, dass eine T-Stegfläche auf dem Schneideinsatz erzeugt wird. Der Winkel der T-Stegfläche kann durch Ändern der Form einer Maske und Projizieren des Bildes in eine Brennebene mit hoher Fluenz angepasst werden, um bevorzugt mehr Material zur Flanke hin zu entfernen als zur Spanfläche hin, wodurch der gewünschte Winkel an der Überschneidung zwischen der Spanfläche und der Flankenfläche erzeugt wird.
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In einer anderen Ausführungsform verwendet ein DPSS-Laser ein Fernfeld-Bildgebungsverfahren, um Material zu entfernen. Im Allgemeinen wird der Laserstrahl eines DPSS-Lasers so manipuliert, dass er einem vorprogrammierten Werkzeugweg folgt, um Material in der Brennebene der Optik zu entfernen. Es sei klargestellt, dass auch andere Arten von elektromagnetischer Strahlung verwendet werden können, um Material gemäß den Prinzipen der Erfindung zu entfernen.
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Die Patente und Veröffentlichungen, auf die in diesem Dokument Bezug genommen wird, werden hiermit durch Verweis aufgenommen.
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Es wurden derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, aber die Erfindung kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche auch anderweitig ausgeführt werden.
