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Kombination von spargebendem Werkzeug und Werkzeugträger mit verbesserten
Schwingungsdämpfungseigenschaften Die Erfindung betrifft eine Kombination von spargebendem
Werkzeug mit einem das Werkzeug tragandem Metallelement oder Sohaft, im besonderen
ein metallentfernendes oder spargebendes Werkzeug, welches fest mit einem tragenden
Element aus Verbundmetall verbunden ist, das durch hohe Schwingungsdämpfung in Verbindung
mit einem verhältnismäßig hohen Steifigkeitsgrad gekennzeichnet ist.
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Die zunehmende Notwendigkeit für die Zuverlässigkeit von hergestellten
Teilen, wie Metallteilen mit genau bearbeiteten oder geschliffenen äußeren oder
inneren Flächen, hat zu einem wachsenden Bedürfnis für zuverlässige spargebende
Werkzeugmaschinen geführt. Beispiele dieser Werkzeuge sind einschneidige
Werkzeuge, die fest an einem tragenden Element, wie einem Schaftangebracht sind,
Bohrstangen
Bohrer, die an einer umlaufenden Welle montiert sind, Fräs-oder
Abgrat- oder Schleifscheiben, die an einer umlaufenden
Spindel oder
Hohlwelle montiert sind. Das tragende Element, das in Kombination mit irgendeinem
in der vorliegenden Beschreibung erwähnten spangebenden Werkzeug verwendet wird,
wird dabei als Schaft bezeichnet, ganz gleich, ob dieses Element ein ein- oder mehrschneidiges
Werkzeug, ein Aufbohrwerkzeug,
einen Abgrater oder Präser, eine Schleifscheibe oder ähnliches trägt. Ein anderes
Beispiel eines tragenden Metallelementes oder Schaftes ist ein Fräswerkzeugträger,
der ein umlaufendes Metallteil hat, an welchem mehrere Schneidwerkzeuge montiert
sind.
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Es ist im allgemeinen nicht ungewöhnlich, daß die Genauigkeit einer
Oberflächenbehandlung eines hergestellten Teils in Millionstel eines Zolls gemessen
wird.
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Da nur wenig spangebende Werkzeuge oder gar keine in diesen Dimensionen
als starr anzusehen sind, ist ein gewisses Maß von Verformung, verbunden mit Oberflächenfehlern,
unvermeidlich. Diese Fehler äußern sich im allgemeinen in Rattermarken, schlechter
Oberflächenbeschaffenheit, kegelförmigen Löchern, Abmessungsfehlern u.dgl. D@Sinterkarbide
und keramische Schneidwerkzeuge eine viel höhere Zerspannungsgeschwindigkeit ermöglichen,
erhöhen sich auch die durch Schwingungen verursachten Probleme. Die gesamten Probleme
des Ratterns
und der Dämpfung führen gewöhnlich zu einer verringerten
oder begrenzten Produktion, minderwertigen Erzeugnissen und zu übermäßigem Abfall.
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In den letzten Jahren hat man versucht, das Rattern durch schwerere
Maschinenfundamente, schwerere und besser gelagerte Supporte, breitere Führungen,
genauere Spindellager und viele andere Maßnahmen zu vermeiden oder auf ein Minimum
herabzusetzen. Trotz dieser Neuerungen müssen die metallentfernenden Werkzeuge jedoch
bei den meisten spangebenden oder Schleifarbeiten fliegend oder in der Art einseitig
eingespannter Träger angeordnet werden, um die verhältnismäßig hohen Betriebsbelastungen
aufzunehmen. Daher ist die Steifigkeit solcher Träger, die eine Funktion des Elastizitätsmoduls
ist, ein wichtiges Kriterium beim Entwurf von spangebenden ;Verkzeugen.
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Schäfte von einschneidigen Werkzeugen, Bohrstangen oder Wellen oder
Hohlwellen für Präswerkzeuge oder Schleifscheiben werden in den meisten Fällen aus
Stahl hergestellt, der ein Elastizitätsmodul von ungefähr 21.100 kg/mm 2 (30 x l06psi)
hat. Die Verwendung von gesintertem Wolframkarbid als Werkzeugschaftmaterial wurde
in der letzten Zeit wegen des sehr hohen Elastizitätsmoduls, welcher im
Bereich
von 52700 bis 63300 kg/mm2 (75 bis 90 x 106 psi) sein kann, in Betracht gezogen.
Obwohl das gesinterte Karbid. einen dreimal so großen Steifigkeitsfaktor als Stahl
zu haben scheint, hat es dennoch nicht die erforderliche Schwingungsdämpfung, welche
ebenfalls ein wichtiges Kriterium beim Werkzeugentwurf ist.
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Es ist deshalb ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Träger
für ein spangebendes Werkzeug zu schaffen, der eine verbesserte Kombination von
Eigenschaften hat und durch eine relativ hohe Steifigkeit in Kombination mit hoher
Schwingungsdämpfung gekennzeichnet ist.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung
der
Kombination eines spangebenden Werkzeugteiles und eines Tragschaftes dafür,
wobei der Tragschaft durch ein Verbundmetall gekennzeichnet ist, das einen relativ
hohen Elastizitätsmodul in Verbindung mit guter Schwingungsdämpfung hat.
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Ein w euerer Gegenstand der Erfindung ist die Herstellung eines Werkzeugschaftes,
der aus einem Verbundmetall gebildet ist, das im wesentlichen isolierte primäre
Körner von feuerbeständigem Metallkarbid hat, die in einer Stahlgrundmasse dispergiert
sind.
Diese und andere Gegenstände der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
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In den Zeichnungen sind: Fig.l bis 4 Abbildungen eines spangebenden
Werkzeuges, das ein mit einem umlaufenden Schaft zu einem Stück verbundener Bohrer
oder ein Abgratwerkzeug ist; Fig.5 - 6 zeigen zwei Arten von Schleifwerkzeugen,
in welchen der Schleifteil an einem Schaft in Form einer Welle oder Spindel montiert
ist, die geeignet ist, Steifigkeit in Verbindung mit guter Sohwingungedämpfung zu
schaffen; Fig.7 bis 8 sind Beispiele von Schneidwerkzeugen mit einer einzigen Spitze,
die auf einen Schaft montiert sind, wobei Fig:7 ein Schneidwerkzeug für die Verwendung
auf einer Drehbank zeigt, während Fig.8 ein Aufbohrwerkzeug zeigt.
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Allgemein betrifft die Erfindung ein Werkzeug tragendes Metallteil
oder einen Schaft und im besonderen die Kombination eines spangebenden Werkzeuges
mit einem das Werkzeug tragenden Metallteil, wobei der Schaft aus einer gesinterten
Metallzusammensetzung gebildet ist, die isolierte primäre Körner und Kornaggregate
eines feuerbeständigen Metallkarbüa, z:B.
Titankarbid, enthält,
die in einer duktilen Grundmasse, wie
einer geglühten Stahlgrundmasse, dispergiert
sind. In der bevorzugten Durchführungsform betrifft die Erfindung ein
ein
Werkzeug tragendes Teil, und .besonders bevorzugt ist die Kombination
eines spangebenden Werkzeuges und eines das Werkzeug tragenden Teiles, wobei der
zweite Teil aus einer gesinterten Metallzusammensetzung hergestellt ist, die isolierte-primäre
Körner und Kornaggregate eines feuerbeständigen Metallkarbids, z.B. Titankarbid,
in einer duktilen Metallgrundmasse, wie einer geglühten Stahlmasse, dispergiert
enthält. Bei den bevorzugten Ausführungsformen enthält die Zusammensetzung des Werkzeugschaftes
15 bis 65 Vol.% der isolierten primären feuerbeständigen Karbidkörner, wobei die
duktile Metallgrundmasse im wesentlichen den Rest bildet. Ein engerer Bereich, der
sich als techn3& besonders brauchbar erwiesen hat, ist 30 bis 60 Vol.% des feuerbeständigen
Karbids und der Rest eine duktile Metallgrundmasse. Eine Zusammensetzung, die besonders
gute Ergebnisse zeigt, besteht aus 45 Vol.% primären Körnern eines feuerbeständigen
Karbids, z.B. Titankarbid, und 55 Vol.% Stahl im geglühten Zustand. Es wurde gefunden,
dafl von den feuerbeständigen Karbiden für ein Werkzeugträgermaterial Titankarbid
und eine gesättigte lö= sang von Wolframkarbid in Titankarbid besonders geeignet
sind. Beispiele von anderen feuerbeständigen Karbides sind Niobkarbid,
Vanadiumkarbid,
Tantalkarbid und ähnliche. Als Beispiele für Titankarbidzusammensetzungen, die bei
der Durchführung der Erfindung verwendet werden können, P i hingewiesen auf die
USA-Patentschrift 2 828 202. Als Beispiel für Zusammensetzungen, die primäre Körner
einer gesättigten Lösung von Wolframkarbid in Titankarbid verwenden, sei auf die
USA-Patentschrift 3 0 53 706 hingewiesen.
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Beispiele von duktilen Metallen, die zusammen mit dem feuer-
beständigen
Karbid, besonders Titankarbid, verwendet werden können, sind duktile Metalle
mit einem Schmelzpunkt über 125000, wie die Metalle der Eisengruppen Eisen,
Nickel, Kobalt und Legierungen auf der Basis dieser Metalle. Erfindungsgemäß werden
jedoch Eis enlegierar.:zen bevorzugt, d.h. Legierungen auf Eisenbasis. Im besonderen
werden erf indungsgemäß wärmebehandlungsfähige Stähle im geglühten Zustand bevorzugt,
wie Stähle mit niedrigem, mittlerem oder hohem Kohlenstoffgehalt, die als
SAE 1010-Stahl (0108-0.13 C, 0,30-0160 Mn, 01040 P,max, 0,050 S,max), SAE 1020-Stahl
(0118-0123 C, 0130-0,60 Mn, 01040 P,max, 01050 S,max), SAE 1030-Stahl (0?28-0134
C, 0160-0,90 Mn, 0,040 P,max, 0,050 S,max), SAE 1040-Stahl (0137-0144 C, 0160-0,90
Mn, 01040 P,max, 01050 S,max), SAE 1080-Stahl (0p75-0188 C, 0t60-0,90 Mn, 0p040
P,max, 01050 S,max) usw. erhältlich sind. Es kann reines Eisen oder Eisen mit Kohlenstoff
zusammen verwendet werden, um während des Verfahrens der Herstellung der e endungsgemäßen
Eisenlegierung einen Stahl zu bilden. Es k:)«nnen auch niedrig-,
mittel-
oder hochlegierte Stähle verwendet werden, einschließlich der folgenden:
098 % Chrom, 092 9L Molybdän, 0930 % Kohlenstoff, Rest im wesentlichen
Eisen; 5 % Chrom, 1,4 % Molybdän, 1,4 9d Wolfram, 0,45 % Vanadium, 0,35*
% Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen; 8 gd Molybdän, 4 % Chrom, 2 y6
Vanadium g 0,85 96 Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen; 18 94 Wolfram, 4 % Chrom,
1 96 Vanadium, 0,75 % Kohlenstoff, Rest im wesentlichen Eisen; 20 % Wolfram, 12
% Kobalt, 4 g& Chrom, 2 9b Vanadium, 0,80 % Kohlenstoff, Rest im wesentlichen
Eisen, und ganz allgemein können andere Stahlarten verwendet werden,*die kristallographisch
durch eine kubisch raumzentrierte Struktur bei ge-, wöhnlichen Temperaturen gekennzeichnet
sind und die bei höheren Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Stahles in eine
kubisch flächenzentrierte Struktur umwandelbar sind.
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Wie oben festgestellt, soll für den Zweck der vorliegenden Erfindung
die Stahlgrundmasse geglüht sein, so daß die Rohhärte der Karbidstahllegierung vorzugsweise
50 RC nicht überschreitet. Um dies zu erreichen, ist es erforderlich, daß die Stahlgrundmasse,
die die primären Körner umgibt, eine Mikrostruktur hat, die Perlit oder Sphäroidit
ist. Die Anwesenheit dieser Mikrostruktur sichert recht hohe Sehwingungsdämpfungseigensohaftene
Bei der Herstellung der feuerfesten Karbidkörper der obigen Arten wird im allgemeinen
die Pulvermetallurgie angewendet,
Bei diesen Verfahren werden gewöhnlich
feuerbeständige Karbidteilchen mit dem feinzerkleinerten, die Grundmasse bildenden
Metall gemischt, die Mischung wirdcänn in einer Form.zu der gewünschten Gestalt
verpreßt,und dann werden die erhaltenen Preßkörper einem Sintern in flüssigeehase
unterworfen, indem die Temperatur auf einen Wert oberhalb des Schmelzpunktes der
am niedrigsten schmelzenden Phase des Grundmas.senmetalls@aber unterhalb des Schmelzpunktes
des feuerbeständigen Karbids erhöht wird. Das Sintern in flüssiger Phase wird vorgezogen,
da dadurch sicher dichte Produkte hergestellt werden, die im wesentlichen frei von
Porosität sind.
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Im folgenden wird ein Beispiel zur Herstellung eines Körpers gegeben,
der 40 Gew.-% TiC (ungefähr' 50 Vol.%) enthält= 1000 g TiC mit einer Größe von 5
bis 7 Mikron werden in einer Stahlmühle mit 1 500 g Stahl bildenden Bestandteilen
gemischt, die aus Eisenpulver mit einer Durchschnittsgröße von 20 Mikron und 0,80
y6 Kohlenstoff bestehen, die gepulverten Bestandteile enthalten 1 g Paraffinwachs
pro 100 g Mischung. Das Mahlen wird ungefähr 40 Stunden durchgeführt, wobei die
Mühle oberhalb mit Kugeln aus rostfreiem Stahl gefüllt ist und-Hexan als Träger
verwendet wird.
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Nach Beendigung des Mahlens wird die Mischung entfernt und im Vakuum
getrocknet. Ein Teil des gemischten Produktes wird in
einem Gesenk
mit ca. 2,3 Tonnen/cm2 (15 Tonnen pro sq.in) zu dem gewünschten Gegenstand gepreßt.
Der Gegenstand wird in flüssiger Phase bei einer Temperatur von 1435o0 1/2 Stunde
bei dnem Vakuum, das 20 Mikron Quecksilber entspricht oder höher ist, gesintert.
Nach Beendigung des Sinterns wird der Gegenstand abgekühlt und geglüht, indem er
2 Stunden auf 900°C erhitzt wird, darauf folgt ein Abkühlen mit einer Geschwindigkeit
von ungefähr 150C pro Stunde auf ungefähr 100°C, und es wird eine geglühte Mikroostruktur
erhalten, die Sphäroidit enthält und deren Härte ungefähr 43 RC ist. Aus dem gesinterten
Gegenstand wird dann durch maschinelle Bearbeitung ein Werkzeugträger oder Schaft
hergestellt. Der Schaft hat im geglühten Zustand einen ziemlich hohen Steifigkeitsgrad,
wie der Blastizitätsmodul von 31 600 kg/mm 2 (45 x 106 psi) zeigt. Die primären
Karbidkörner sind isoliert und im wesentlichen vollständig von der Metallmasse umgeben.
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Als Beispiele für die verschiedenen spargebenden Werkzeuge, die den
erfindungsgemäßen Werkzeugschaft verwenden, wird auf die Zeichnung verr4esen. In
dieser zeigt Fig.l einen zusammengesetzten Bohrer, der aus einem Bohrerabschnitt
10, aus dem üblichen Schnelldrehstahl oder einem gesinterten Wolframkar.-bid mit
der für Schneidwerkzeuge üblichen Güte, wie Qualität Nr.0-2 besteht, der in einem
Werkzeugschaft 11 mittels
den Werkzeugträger 20 hat, welcher in einem Bohrkopf 21 endet.
Der Bohrkopf hat die gleiche Zusammensetzung wie der Schaft und er wird gehärtet,
während der Träger oder Schaft über ihm geglüht wird. Das Bearbeitungswerkzeug ist
aus einem Stück hergestellt und hat beispielsweise eine Zusammensetzung von 50 Vol.%
Körnern einer gesättigten-festen Lösung von Wolframkarbid und Titankarbid, die in
einer Schnelldrehstahlgrundmasse der Zusammensetzung 18-4-1 (Schnelldrehstahl mit
0185-1150 % C, 4 % Cr, 1-2 96 V, 18 9& W, Rest Fe) dispergiert sind. Eine Stange
dieser Zusammensetzung wird zuerst gesintert, geglüht und dann zu dem gewünschten
Durchmesser spargebend bearbeitet. In ein Ende der Stange wird ein Bohrer roh eingearbeitet,
und der Bohrerabschnitt am Ende der Stange wird auf 1250°C erhitzt und dann in Ö1
auf eine Härte von 72 RC abgeschreckt, darauf folgt ein doppeltes Tempern auf 550°C
(1025°F). Der Bohrer wird dann auf Größe geläppt. Der nicht gehärtete Teil des Werkzeuges,
der ein4Härte nicht über 50 RC hat, dient als gegen Dämpfung widerstandsfähiger
Werkzeugschaft.
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In Fig.5 wird ein Werkzeugschaft als drehbare Welle oder Hohlwelle
22 gezeigt, die einen Endabschnitt 23 von vermindertem Durchmesser hat, auf welchem
die Schleifscheibe 24 befestigt ist. Die Scheibe hat eine zentral angebrachte Buehee
25, welche über den reduzierten Endabschnitt des Schaftes pass t, und
die
Scheibe wird mittels einer Mutter 26, welche gegen eine Beileg#scheibe 27 an der
freien Seite der Scheibe angezogen wird, befestigt. Die Welle hat eine Zusammensetzung
von ungefähr 35 Vol.% Körnern von Titankarbid, die in einer geglühten Stahlgrundmaese
diapergiert sind, die ungefähr 65 Vol.% der Zusammensetzung bildete Ein Beispiel
für einen Stahl, der als Grundmasse angewendet wird, ist ein Stahl, derjbezogen
auf das Gewioht, 1,25 9G Cr, 0,4 % V, 0,3 bis 094 % a, Rest Eisen, . enthält.
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Fig.6 ist ähnlich Fig.5 mit der Ausnahme, daß der Schaft oder die
Welle 28 des Werkzeuges konisch verjüngt ist und daß an einem Ende ein becherförmiges
Schleifrad 29 befestigt ist, das in seinem Inneren bei 30 mit dem konisch verjüngten
Schaftende verschmolzen ist.
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Fig.7 zeigt ein einschneidiges Werkzeug mit einem Trägerschaft mit
einer Zusammensetzung, die 55 Volo% primäre Körner von ritankarbid.dispergiert in
einer geglühten Stahlgrundmasse mit wenig Chrom und wenig Molybdän,hat. Der Schaft
dient als schwingungsdämpfender Träger für ein einschneidiges Werkzeug, das z.B.
eine gesinterte Wolframkarbidspitze ist, die in einer abgestuften Aussparung 33
mittels eines mechanischen Befestigungsmittels 34 mit einer übergreifenden Nase
35,
die das Vierkzeugplättehen 32 niederdrückt und an seinem Platz
hält, gehalten wird. Der Schaft hält den unter Belastung bei einseitiger Einepannüng
auftretenden Biegeverformungen stand und verhindert das Rattern.
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In Fig.8 ist ein Aufbohrwerkzeug mit einem Schaft 36 gezeigt, der
abgesetzt vom Ende des Schaftes ein einschneidiges Werkzeug 37 hat, welches mittels
einer axialen Schraubbefestigung 38 in Stellung gehalten wird.
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Wie schon festgestellt, ist die Fähigkeit eines Materials, die Schwingung
zu dämpfen, ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines gewünschten Werkzeugträgers.
Die Amplitude der künstlichen Schwingung, wie sie bei einem spargebenden Werkzeug
auftritt, das in einem einseitig eingespannten Träger angeordnet ist, kann in manchen
Fällen verringert werden, indem Materialien verwendet werden, die keinen hohen Grad
an eigener Dämpfung haben. Das günstigste Werkzeugträgermaterial würde eines sein,
bei welchem hohe Steifigkeit (d.h. ein hoher Elastizitätsmodul)= mit der Fähigkeit
vereinigt ist, die Schwingungsenergie zu vernichten. Wie oben erwähnt, hat gesintertes
Wolframkarbid einen sehr hohen Steifigkeitsgrad (Elastizitätsmodul von ungefähr
63 300 kg%m2 (90 a 106 psi)), aber es scheint aus bestimmten Gründen nicht die gewünschten
Aus diesen Zahlen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Werkzeugträger die 90-fache
Schwingungsdämpfungsfähigkeit des D-2 Chromstahls hat, während er gleichzeitig ungefähr
das 1 1/2-fache der Steifigkeit hat, wie durch seinen Blastizitätsmodul bestimmt
wurde. Ebenso kann festgestellt werden, daß der erfindungsgemäße Werkzeugträger
ungefähr das 27-fache der Schwingungsdämpfungsfähigkeit des gesinterten Wolframkarbids
hat.
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Es scheint so zu sein, daß die relativ hohe Schwingungsdämpfung erhalten
wird, so lange die primären feuerbeständigen Karbidktirner oder Kornaggregate im
I"aterial des Werkzeugträgers imwesentlichen für sich isoliert und von der geglühten
Stahlgrundmasse umgeben sind. Vlenn z.8. die Stahlgrundmasse in gehärtetem Zustand
ist, fällt das logarithmische Dekrement auf den viel niedrigeren Wert von ungefähr
50 bis 100 x 105. Die Mikrostruktur
der geglühten Stahlgrundmasse
muß entweder Perlit oder Sphäroidit sein, um. die gewünschten Dämpfungseigensch
aften zu sichern. Beispiele anderer wärmebehandlungsfähiger, feuerbestärxiiger Karbidzusammensetzungen,
die als Werkzeugträger angewendet werden können, sind: