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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Bearbeitungswerkzeug und ein Verfahren wie im Oberbegriff des
Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 2 beschrieben. Solch ein Werkzeug bzw.
Verfahren ist aus der EP-A-1 002 604 bekannt.
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Da die Härte von schwer zu bearbeitendem Werkstoff
wie voll gesinterten keramischen Werkstoffen und abschreckgehärteten gusseisernen
Werkstoffen mit hohem Chromanteil extrem hoch ist, kann eine Bearbeitung,
beispielsweise Schneiden, Drehen und Bohren, eines Werkstücks aus
diesen Werkstoffen nicht ohne ein Diamantwerkzeug oder ein CBN-(kubisch-kristallines
Bornitrid-)Werkzeug zu verwenden, durchgeführt werden. Weil diese Bearbeitungswerkzeuge
teuer sind und eine relativ kurze Lebensdauer haben, was zu hohen
Kosten der maschinenbearbeiteten Erzeugnisse führt, war bisher Schleifen die
einzige praktische Bearbeitungsmethode für diese schwer zu bearbeitenden
Werkstoffe.
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Das oben genannte Schleifverfahren
hat jedoch Probleme, dass die Bearbeitungseffizienz niedrig ist
und dass das Verfahren bei einer komplizierten Form wie dem Auskehlen
und Gewindeschneiden kaum anwendbar ist, sodass die Entwicklung
eines vielseitigen Bearbeitungsverfahrens, das nicht auf Schleifen
beruht, in der Bearbeitungstechnologie begierig gewünscht wird.
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Angesichts der oben beschriebenen
Probleme und Nachteile bei dem herkömmlichen Bearbeitungsverfahren
für schwer
zu bearbeitende Werkstoffe hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe,
ein neues hocheffizientes Verfahren zur Bearbeitung von Werkstoffen
mit hoher Härte,
die im Stand der Technik als schwierig zu bearbeiten angesehen wurden, zur
Verfügung
zu stellen, unter Verwendung eines Bearbeitungswerkzeugs aus relativ
billigem Werkstoff, und auch solch ein Bearbeitungswerkzeug, das bei
dem Verfahren verwendet wird, zur Verfügung zu stellen.
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Somit weist das Bearbeitungsverfahren
für ein
Werkstück
aus einem schwer zu bearbeitenden Werkstoff, das von der Erfindung
zur Verfügung
gestellt wird, die Merkmale von Anspruch 2 auf.
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Das Bearbeitungswerkzeug der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung in dem oben bestimmten erfinderischen Bearbeitungsverfahren weist
die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Eine vorteilhafte Verwirklichung
des Verfahrens ist in dem abhängigen
Anspruch 3 offenbart.
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In den Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Illustration einer Seitenansicht einer Maschine
zum Durchführen
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2A, 2B und 2C sind jeweils eine Illustration, die
das Schneidstück
des erfindungsgemäßen Bearbeitungswerkzeugs
zeigt.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht des Schneidstücks wie in den 2A bis 2C gezeigt.
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4 ist
eine Grafik, die die Haupt-Flankenabrasion des Werkzeugs als eine
Funktion der Bearbeitungszeit in Beispiel 1 zeigt.
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5 ist
eine Grafik, die die unverformte Schneidstückdicke als eine Funktion der
Bearbeitungszeit in Beispiel 1 zeigt.
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6 ist
eine Grafik, die die Schneidkraft als eine Funktion der Bearbeitungszeit
im Beispiel 2 zeigt.
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7 ist
eine Grafik, die die Haupt-Flankenabrasion als eine Funktion der
Bearbeitungszeit im Beispiel 2 zeigt.
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8 ist
eine Grafik, die die unverformte Schneidstückdicke als eine Funktion der
Bearbeitungszeit im Beispiel 2 zeigt.
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Nachfolgend wird die vorliegende
Erfindung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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1 ist
eine schematische Seitenansicht eines Bearbeitungssystems zum Durchführen des
erfinderischen Bearbeitungsverfahrens, bei dem ein Schneidwerkzeug 3 der
Erfindung an dem unteren Ende des Ultraschallvibrators 2 montiert
ist, der von dem Ständer 1 gestützt auf
einem Bett steht, und das Schneidwerkzeug 3 ist an das
Werkstück 4 gesetzt, das
in der Richtung rotiert, die durch den Pfeil angezeigt ist, während das
Schneidwerkzeug 3 in Ultraschallvibrationen in der Auf-
und Abrichtung versetzt ist, angezeigt durch den doppelseitigen
gekröpften Pfeil
durch Betreiben des Ultraschallvibrators 2.
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Die Frequenz der Ultraschallvibrationen
liegt vorzugsweise im Bereich von 20 kHz bis 75 kHz. Das Schneidwerkzeug 3 hat
ein Schneidstück
aus einem aufgeklebten Metallcarbid (Sinterhartmetall), wie jene
aus Wolframcarbid verklebt mit metallischem Kobalt und wahlweise
beschichtet mit dem PVD-(physical vapor deposition)Verfahren. Mehrere Qualitäten von
beschichteten Schneidstücken
sind als Handelsware erhältlich,
einschließlich
KC730 (ein Erzeugnis der Kennametal, Inc.) und UP20M (ein Erzeugnis
der Mitsubishi Material Co.), die bei dem erfinderischen Verfahren
vorteilhaft verwendet werden können.
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Das erfinderische Verfahren unter
Ultraschallvibrationen des Werkzeugs ist für ein kaum zu bearbeitendes
Werkstück
anwendbar, bei dem herkömmliche
Diamantschneidwerkzeuge niemals unter Ultraschallvibrationen verwendet
werden können, wegen
sofortigem Abmeißelns
des Diamantschneidstücks.
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Die 2A, 2B und 2C sind jeweils schematische Illustrationen
des Schneidstückabschnitts
des erfinderischen Bearbeitungswerkzeugs, von denen 2A ein seitlicher Aufriss des Schneidstücks ist, 2B eine Draufsicht des Schneidstücks, die
die Schneidfläche
zeigt, und 2C ist eine
Schnittansicht des Schneidstücks,
geschnitten und betrachtet entlang den Pfeilen IIC-IIC in 2B. 3 ist eine perspektivische Ansicht desselben
Schneidstücks. Wie
in diesen Figuren gezeigt, ist das Schneidstück mit einer Rille mit abgerundetem
Grund ausgestattet, mit einem Krümmungsradius
r, der vorzugsweise 0,2 bis 0,5 mm beträgt, und mit einem Steigungswinkel θ verläuft, der
15 bis 60° oder
vorzugsweise 25 bis 45° beträgt.
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Obwohl, wie eigentlich nicht gesagt
werden muss, Schneidstücke
aus Sinterhartmetall sehr günstig
im Vergleich zu Diamantschneidstücken
sind, können
herkömmliche
Sinterhartmetallschneidstücke
nicht zum Bearbeiten von schwierig zu bearbeitenden Werkstoffen,
wie voll gesinterte keramische Werkstoffe und abschreckgehärtete gusseiserne Werkstoffe
mit hohem Chromanteil in einem herkömmlichen Bearbeitungsprozess
verwendet werden, wegen substantiellem abrasiven Verschleißes des
Schneidstücks,
der zu schnellem Verlust von Schneidleistung innerhalb einer kurzen
Zeit führt. Gemäß dem allgemeinen
Verständnis
im Stand der Technik können
diese herkömmlichen
Schneidstücke also
nicht in ultraschallunterstützter
Bearbeitung verwendet werden, wegen sofortigem Abmeißelns des Schneidstücks.
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Im Gegensatz dazu ist es eine ziemlich
unerwartete Entdeckung, die zu der vorliegenden Erfindung führt, dass
dem Sinterhartmetallschneidstück mit
dem oben festgelegten Rillenaufbau wenig Schaden durch Abmeißeln entsteht,
auch wenn es sogar zum Bearbeiten von kaum bearbeitbaren Werkstücken unter
Ultraschallunterstützung
verwendet wird. Die Bearbeitungsbedingungen in diesem Fall sind nicht
besonders begrenzend und können
herkömmliche
sein. Dementsprechend ist das erfinderische Verfahren industriell
sehr vorteilhaft, weil kaum bearbeitbare Werkstücke mit hoher Effizienz unter
Verwendung eines sehr günstigen
Werkzeugs bearbeitet werden können,
was zu einer großen
Reduzierung der Bearbeitungskosten führt.
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Nachfolgend wird die vorliegende
Erfindung mithilfe von Beispielen genauer beschrieben.
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Beispiel 1
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Das zu drehende Werkstück gemäß der Erfindung
war ein gesinterter Zirkonkeramikkörper mit: einer Dichte von
5,98 g/cm3; einer Härte von 91 HRA; einer Biegefestigkeit
von 1200 MPa; und einem Young-Modul von 91 GPa. Mehrere Schneidstücke aus
Sinterhartmetall wurden von aus dem Handel erhältlichen Schneidstücken aus
KC730 und UP20M (supra) durch Ausbilden einer Rille mit einem abgerundeten
Grund gemäß der Erfindung
vorbereitet. Diese Rillen wiesen einen Steigungswinkel θ von 0°, 15°, 30°, 45° oder 60° auf und
einen Krümmungsradius
r des runden Grundes von 0,4 mm in jedem der Schneidstücke. Der
Drehtest des Werkstücks
wurde mit oder ohne Anwendung von Ultraschallvibrationen bei einer
Frequenz von 40 kHz und mit einer Amplitude von 11 μm durchgeführt, wie
von dem Ultraschallvibrator erzeugt, mit dem das Bearbeitungssystem ausgerüstet war.
Die Zustellrate war 0,033 mm/Umdrehung und die Schneidgeschwindigkeit
war 11 m/Minute.
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Die Ergebnisse des Drehtests sind
in den 4 und 5 gezeigt, wobei 4 eine Grafik ist, die die
Haupt-Flankenabrasion VB in μm
und 5 die unverformte
Schneidstückdicke
zeigt, jedes als eine Funktion der Bearbeitungszeit in Minuten.
in diesen Figuren sind die Kurven 1a bis 1e und
die Kurven 2a bis 2e die Ergebnisse, die mit bzw.
ohne Anwendung von Ultraschallvibrationen erreicht wurden und die Kurven 1a und 2a,
die Kurven 1b und 2b, die Kurven 1c und 2c,
die Kurven 1d und 2d und die Kurven 1e und 2e sind
die Ergebnisse, die mit den Schneidstücken deren Rillen mit abgerunde tem
Grund einen Steigungswinkel θ von
0°, 15°, 30°, 45 bzw.
60° aufwiesen.
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Während
die Flankenabrasion VB für
gewöhnlich
mit der Bearbeitungszeit anstieg, ist aus 4 zu ersehen, dass der Anstieg von VB
relativ klein ist unter Anwendung der Ultraschallvibrationen mit
einer relativ kleinen Abhängigkeit
von dem Steigungswinkel θ.
In Bezug auf die undeformierte Schneidstückdicke h ist aus 5 zu ersehen, dass die Werte
für h unter
Anwendung der Ultraschallvibrationen im Allgemeinen groß sind und
ergeben so eine höhere
Bearbeitungseffizienz als bei einer Bearbeitung ohne Anwendung von
Ultraschallvibrationen.
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Beispiel 2
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Ein Bearbeitungstest ähnlich dem
in Beispiel 1 wurde unter Verwendung eines aus abschreckgehärtetem Gusseisen
mit hohem Chromanteil anstelle des Werkstücks aus gesintertem Zirkonkeramik
in Beispiel 1 unternommen. Die Drehbedingungen enthielten: eine
Ultraschallfrequenz von 20 kHz; eine Zustellrate von 0,05 mm/Umdrehung;
eine Schneidgeschwindigkeit von 10 m/Minute; einen Neigungswinkel θ der Rille
mit abgerundetem Grund in dem Schneidstück von 30°; und eine Schneidtiefe von 0,25
mm, die anderen Parameter liegen gleich wie in Beispiel 1.
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Die Ergebnisse des Drehtests sind
in den 6, 7 und 8 gezeigt, wobei 6 eine Grafik ist, die die Schneidkraft
P in kgf zeigt, 7 ist
eine Grafik, die die Flankenabrasion VB in μm zeigt, und 8 ist eine Grafik, die die unverformte
Schneidstückdicke
2 h/d zeigt, jedes eine Funktion der Bearbeitungszeit t in Minuten.
In diesen Grafiken stehen die Kurven mit den durchgezogenen Linien
für die Tests
mit Anwendung von Ultraschallvibrationen und die Kurven mit gestrichelten
Linien stehen für
die Tests ohne Anwendung von Ultraschallvibrationen. In 6 ist die Schneidkraft in
drei Teilkräften
aufgezeichnet, einschließlich
der Haupt-Schneidkraft, die von den Kurven 3a und 4a gezeigt
ist, die Zustellkraft ist von den Kurven 3b und 4b gezeigt,
und die Stoßkraft
ist von den 3c und 4c gezeigt.
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Wie aus 6 entnommen werden kann, ist jede der
Teilkräfte
der Schneidkraft, d. h. die Haupt-Schneidkraft, die Zustellkraft
und die Stoßkraft,
durch die Anwendung der Ultraschallvibrationen bemerkenswert verkleinert
im Vergleich zu den Tests ohne die Anwendung der Ultraschallvibrationen. 7 zeigt, dass die Flankenabrasion
VB in großem
Umfang durch die Anwendung der Ultraschallvibrationen verringert
werden kann, was zu einer entsprechenden Ausdehnung der Lebensdauer des
Schneidwerkzeugs führt.
Zusätzlich
zeigt 8, dass die nicht
verformte Schneidstückdicke
h durch die Anwendung der Ultraschallvibrationen erhöht werden
kann, was zu den Verbesserungen in der Bearbeitungseffizienz und
Bearbeitungsgenauigkeit beiträgt.