SE527684C2 - Skärande verktyg för metallbearbetning samt metod vid tillverkning av skärande verktyg - Google Patents

Description

25 30 527 684 12068 SEK 2005-10-03 2 Ett känt sätt att öka ett materials utmattningshållfasthet är att tillföra tryckspänningar i ytzonen. Exempelvis kan tryckspänningar tillföras ett material i ytzonen genom att ythärda materialet, t.ex. genom nitrering, varvid kväve tillförs hållarkroppens yta, vanligtvis stål, i en gasatrnosfär, huvudsakligen vid en temperatur av 510-550°C. Ett annat sätt är att utsätta materialet för nitrokarburering, varvid kol och kväve tillförs ytan i en gasatmosfär, normalt vid en temperatur av ca 570°C. Ytterligare ett annat känt sätt är att underkasta materialet en jonnitrering, varvid kväve tillförs ytan i en joniserande gas, under huvudsakligen vakuum, vid en temperatur av ca 450-650°C.

Ett annat känt sätt att öka materialets utmattningshållfasthet genom att tillföra tryckspänningar i ytzonen är kulpening, vilken är en etablerad metod som används för att öka livslängden hos metallkomponenter utsatta för dynamiska belastningar. Metoden går ut på att under noggrant kontrollerade former bombardera ytan med smâ partiklar av exempelvis stål, glas eller keramer.

Kulpeningen bidrar även till en förhöjd utmattningshâllfasthet på grund av att materialet får en bättre ytbeskaffenhet.

Svensk patentansökan 0301450-3 beskriver en metod och verktyg som utrnärks av att verktygets hàllarkropp först underkastas en ythärdning som resulterar i ett yttre fascmvandlingsskikt och därunder en diffussionszon vilket ger tryckspänningar i ytan och att hàllarkroppen därefter bibringas ytterligare en ytbehandling, exempelvis kulpening, ägnad att dels tillföra tryckspänningar i ytan och samtidigt modifiera/bearbeta eller avlägsna delar av eller hela det tidigare erhållna fasomvandlingsskiktet. Det har emellertid visat sig att denna metod ej resulterar i en tillfredsställande utmattningshållfasthet hos hållarkroppen vid utomordentligt höga belastningar, såsom högre än 60 % av materialets sträckgräns.

Syften med upgfinningen Det primära syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en hållarkropp med en förbättrad utmattningshållfasthet vid höga belastningar. 10 15 20 25 30 527 684 12068 SE 2004-11-10 3 Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en hållarkropp med låg risk för sprickbildning. Ännu ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en hållarkropp som är enkel och billig att tillverka.

Ytterligare ett syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en hållarkropp med lång livslängd vid höga belastningar. Åtminstone det primära syftet med föreliggande uppfinning realiseras medelst en metod och ett skärande verktyg som erhållit de ide efterföljande självständiga patentkraven angivna särdragen. Föredragna utföringsfonner av uppfinningen är definierade i de osjälvständiga patentkraven.

Kort beskrivning av ritningarna Nedan följer en detaljerad beskrivning av såsom exempel anförda utföringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade ritningar, där: Fig. 1-2 visar två sidovyer av ett borrskaft hos en typisk verktygskropp enligt uppfinningen, närmare bestämt i form av en hållarkropp till s.k. korthålsborrar.

Fig. 3 visar en vy snett framifrån av ett skärförsett borrskaft.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning Fig. 1 - 3 visar ett cylindriskt borrskaft 11 som vid sin främre del är försett med två skärsäten 12 och 13 placerade på ömse sidor om borrens centrumlinje CL.

För spànavgàngen utbildade axiella urtagningar eller kanaler är betecknade med 14 och 15. Båda skärsätena 12, 13 är centralt hålförsedda för upptagning av låsskruvar (ej visade) för fastlåsning av skär i sätena. Varje skärsäte innefattar en tangentiell stödyta 16, en axiell stödyta 17 samt en radiell stödyta 18. 10 15 20 25 30 527 684 12068 SE 2004-11-10 4 Stödytoma är anordnade med extra utrymmen 19 för att rymma flera av skärets hörn. De tangentiella stödytorna 16 äri huvudsak parallella med radialplan genom centrumlinjen CL. Varje axiell stödyta 17 är bruten så att den bildar en i huvudsak V-formad profil vars spets är riktad axiellt bakåt mot skaftets infästningsdel. En till den radiella stödytan 18 motstående yta 20 i centrumsätet 12 har ingen stödjande funktion hos skäret utan syftar endast till att förhindra fastkilning av spånor mellan skaftet och centrumskäret. Med 21 är betecknat sektionsövergången mellan den radiella stödytan 18 och den tangentiella stödytan 16. Vid denna sektionsövergång 21 uppstår vid fullt ingrepp med ett arbetsstycke den maximala spänningskoncentrationen i skärsätet. Här är det därför önskvärt att kunna förbättra utmattningshållfasthet samt så långt möjligt reducera risken för sprickinitiering och propagering.

Enligt uppfinningen genomhärdas en verktygshållare av exempelvis verktygsstål SS2442, dvs. så att stålets grundstruktur domineras av martensitisk struktur, med en hårdhet uppgående till åtminstone 40 HRC väsentligen genom hela tvärsnittet av hållaren. Detta kan exempelvis åstadkommas genom upphettning av verktyget till ca 890°C följt av släckning med luft. Beroende på hållarmaterial kan släckning ske med andra medium såsom olja eller vatten. Den höga hårdheten gör att effekten av kallarbearbetning jämfört med kallbearbetning av mjukare material ökar på grund av den ökade dislokationstätheten och grupperingen, vilket ger högre restspänningar. Detta kan observeras med hjälp av bland annat röntgendiffraktion.

Därefter sker en ytbehandling, resulterande i deforrnationshärdning av ytan, genom en kallbearbetning i syfte att tillföra tryckspänningari hâllarkroppens ytzon. Detta kan göras med exempelvis kulpening. Företrädesvis görs denna kulpening åtminstone i och i anslutning till skärsätena. För att erhålla ett högt restspänningsvärde krävs att hållarkroppen kulpenas med rätt intensitet. intensiteten avgörs av val av hårdhet, densitet och storlek hos kulpeningsmedia, samt val avtryck, hastighet, infallsvinkel, rotation och tid för kulpeningsprocessen. Vid rätt intensitet, vilket lämpligen är åtminstone 7A, 10 15 20 25 30 527 684 12068 SE 2004-ll-10 5 företrädesvis åtminstone 15A i Ahlménvärde, byggs tryckspänningar in i stålet och utrnattningshållfastheten ökar. Med en väl awägd kulpening påverkas ytan pà ytterligare två sätt. För det första blir ytstrukturen gynnsam ur ett utmattningshållfasthetsperspektiv, då bearbetningsrepor avlägsnas och en slumpmässig fingropig struktur erhålls. Detta gör att sprickor får svårare att propagera i en bestämd riktning. För det andra ökar hårdheten i ytan, vilket förbättrar nötningsmotstândet mot bearbetningsspånor.

Enligt en alternativ metod kan ytbehandlingen resulterande i deforrnationshärdning utföras genom prägling altemativt rullpolering, varigenom åstadkommes en viss plastisk deformation av ytan av hâllarkroppen “ resulterande i att tryckspänningar tillförs i hållarkroppens ytzon. Företrädesvis men inte nödvändigtvis åstadkommas även av präglingen altemativt rullpoleringen en ytstruktur som är gynnsam ur ett utmattningshållfasthetsperspektiv.

Oberoende av vilken typ av ytbehandling som valts, är det föredraget att ytbehandlingen utförs vid de mest utsatta områdena, dvs. exempelvis i och i anslutning till skärsätena. Generellt gäller dock att åtminstone en del av hâllarkroppen underkastas en härdnlngsprocess som resulterar i genomhärdning och att åtminstone ett parti av denna del av hållaren därefter underkastas en ytbehandling ägnad att tillföra tryckspänningar i hållarkroppens ytzon. Det är således även möjligt att både härdningsprocessen och ytbehandlingen utföres över hela hâllarkroppen.

Enligt uppfinningen erhålles en överraskande förbättrad utmattningshållfasthet i jämförelse med traditionella hållarkroppar framförallt vid belastningar över 60 % av sträckgränsen där t.ex. nitrokarburerade hållarkroppar får problem med initialsprickor. Risken för sprickinitiering och sprickpropagering vid höga belastningar kan väsentligt reduceras, dels i och i anslutning till skärsätena och dels vid partier axiellt bakom skärsätena hos hâllarkroppen. 10 15 527 684 1206: sE 2004-11-10 6 Praktiska bearbetningsprover med krafter på över 60 % av sträckgränsen visar på livslängdsökningar på uppemot 10ggr gentemot traditionella hållarkroppar och nitrokarburerade hållarkroppar.

Tänkbara modiflkationer av upgflnningen Vid den ovan beskrivna utföringsformen är hållarkroppen iform av en borr.

Emellertid är uppfinningskonceptet generellt och kan användas vid andra typer av verktyg för spånavskiljande bearbetning, såsom svarvverktyg och fräsverktyg.

I beskrivningen ovan har kulpening, prägling och rullpolering nämnts som möjliga ytbehandlingsmetoder för att åstadkomma en deforrnationshärdning. Det är givetvis inom ramen för uppfinningen tänkbart att använda andra metoder resulterande i en deformationshärdning av ytan för att uppnå avsett resultat. l exemplifierande och ej begränsande syfte kan nämnas isostatisk pressning. 10 527 684 12068 SE 2004-! l-lO 7 Lista över hänvisningsbeteckningar 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 borrskaft skärsäte skärsäte kanal kanal tangentiell stödyta axiell stödyta radiell stödyta extra utrymme motstående yta sektionsövergång

Claims (18)

10 15 20 25 30 527 684 12068 SEK 2005-10-03 8 Patentkrav

1. Metod vid tillverkning av skärande verktyg för metallbearbetning, innefattande en hållarkropp med ett eller flera skärsäten, vilka är avsedda att upptaga varsin skärplatta av ett hårt material, såsom hàrdmetall, cerrnets eller keramik, varvid hållarkroppen hos verktyget är tillverkad av stål, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att åtminstone en del av hållarkroppen underkastas en härdningsprocess som resulterar i genomhärdning och att åtminstone ett parti av denna del av hållarkroppen därefter underkastas en ytbehandling ifonn av kallbearbetning resulterande i en deformationshärdning av ytan ägnad att tillföra tryckspänningar i hållarkroppens ytzon.

2. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad däravatt ytbehandlingen utföres genom kulpening.

3. Metod enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ytbehandlingen utföres genom prägling.

4. Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ytbehandlingen utförs i och i anslutning till skärsätena.

5. Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä ra v att härdningsprooessen resulterar i en hårdhet uppgående till åtminstone 40 HRC, väsentligen genom hela tvärsnittet av hàllarkroppen.

6. Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att härdningsprooessen utföres över hela hållarkroppen. 10 15 20 25 30 527 684 izoes sax zoos-io-os 9

7. Metod enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ytbehandlingen utföres över hela hållarkroppen.

8. Skärande verktyg för metallbearbetning, innefattande en hållarkropp (11) med ett eller flera skårsåten (12,13) vilka är avsedda att upptaga varsin skärplatta av ett hårt material, såsom hårdmetall cerrnets eller keramik, varvid hållarkroppen är tillverkad av stål, k ä n n e t e c k n at d å r a v att åtminstone en del av hållarkroppen är genomhärdad som resultat av en härdningsprocess, och att åtminstone ett parti av denna del av hållarkroppen dessutom uppvisar en defonnationshårdad yta som resultat av en ytbehandling i forrn av kallbearbetning ägnad att tillföra tryckspänningari hållarkroppens ytzon.

9. Skärande verktyg enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n at d ä r a v att ytbehandlingen är utförd genom kulpening.

10. Skärande verktyg enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v att ytbehandlingen är utförd genom prågling.

11. Skärande verktyg enligt något av kraven 8-10, k ä n n e t e c k n at d ä r a v att ytbehandlingen är utförd i och i anslutning till skärsätena.

12. Skärande verktyg enligt något av kraven 8-11, k ä n n e t e c k n at d ä r a v att hållarkroppen uppvisar en hårdhet uppgående till åtminstone 40 HRC, väsentligen genom hela sitt tvärsnitt.

13. Skärande verktyg enligt något av kraven 8-12, k ä n n e t e c k n at d ä r a v att hela hållarkroppen är genomhärdad som ett resultat av att händningsprocessen är utförd över hela hållarkroppen. 10 15 20 527 684 rzoes sax zoos-no-oa 10

14. Skärande verktyg enligt något av kraven 8-13, kän neteckn at d ä ravattytbehandlingen ârutförd överhela hållarkroppen.

15. Skärande verktyg enligt något av kraven 8-14, kä n n ete ckn at dä ravattverktygetârettborrverktyg med på ömse sidor om verktygets oentrumlinje (CL) utbildade skärsäten (12,13).

16. Användning av ett skärande verktyg enligt något av kraven 8-15, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att verktyget används vid belastningar på hållarkroppen uppgående till åtminstone 60 % av materialets sträckgräns under åtminstone 1 timme utan utmattningsorsakat verktygshaveri.

17. Användning enligt krav 16, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att verktyget används vid belastningar på hållarkroppen uppgående till åtminstone 80 % av materialets sträckgräns.

18. Användning enligt något av kraven 16-17, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att verktyget används under åtminstone 5 timmar.