DE102024103319A1 - Method and device for producing a planar or cylindrical surface on a coated workpiece and cutting insert of a turning tool - Google Patents
Method and device for producing a planar or cylindrical surface on a coated workpiece and cutting insert of a turning toolInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer planaren oder zylindrischen Oberfläche (206) an einem beschichteten Werkstück (200) unter Nutzung einer Schneidplatte (102) eines Drehwerkzeugs (100), umfassend die Schritte des Bereitstellens des Werkstücks (200), das mit einer Beschichtung (202) versehen ist, die ein Carbid mit einem das Carbid bindenden Binder, oder eine abrassionsbeständige Metalllegierung umfasst, und des Ansetzens der Schneidplatte (102) an einer Oberfläche (204) des Werkstücks (200), während das Werkstück (200) rotiert und während die Schneidplatte (102) rotiert, wobei die planare oder zylindrische Oberfläche (206) am Werkstück (200) ausgeformt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Schneidplatte (102). The invention relates to a device and a method for producing a planar or cylindrical surface (206) on a coated workpiece (200) using a cutting insert (102) of a turning tool (100), comprising the steps of providing the workpiece (200) which is provided with a coating (202) comprising a carbide with a binder that binds the carbide, or an abrasion-resistant metal alloy, and applying the cutting insert (102) to a surface (204) of the workpiece (200) while the workpiece (200) rotates and while the cutting insert (102) rotates, whereby the planar or cylindrical surface (206) is formed on the workpiece (200). The invention also relates to a cutting insert (102).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer planaren Oberfläche an einem beschichteten Werkstück. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Schneidplatte zur Verwendung an einer Drehmaschine.The invention relates to a method for producing a planar surface on a coated workpiece. The invention also relates to a device for carrying out the method and a cutting insert for use on a lathe.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Herstellung von bereits beschichteten Werkstücken, insbesondere mit der Bearbeitung von bereits beschichteten Bremsscheiben oder Bremstrommeln, deren Planflächen (Reibflächen) beschichtet sind. Typischerweise umfassen diese beschichteten Bremsscheiben oder Werkstücke eine Beschichtung, die einen Hartstoff, einen abrasionsbeständigen Stoff, z.B. ein Carbid umfasst, welches von einem Binder gebunden ist, oder eine abriebbeständige Legierung mit Chrom und Nickel (z.B. säurebeständigen Edelstahl, V4A). Diese Beschichtung bildet eine Stoffschicht, die durch Laser-, Flamm-, Plasma- oder einem Aufspritzverfahren hergestellt wird. Der Binder der Hartstoffschicht umfasst typischerweise eine Edelstahlverbundmasse. Bereits beschichtete Bremsscheiben werden aktuell nochmals planbearbeitet durch Schleifen, Hohnen oder Läppen. Beim Schleifen solcher bereits beschichteter Werkstücke oder Bremsscheiben ergibt sich das Problem, dass am Markt keine geeignete Schleifscheibe verfügbar ist, die sowohl zum Schleifen des Carbids als auch zum Schleifen des Binders zuverlässig geeignet ist, um die Oberfläche des Werkstücks wirtschaftlich plan zu bearbeiten. Darüber hinaus bringt das Schleifen das Problem mit sich, dass ein erhöhter Anfall von Feinstaub vorliegt. Das Schleifen wird zudem auch nicht trocken, sondern unter Beigabe einer Kühlflüssigkeit durchgeführt, was zusätzliche Trocknungs- und Reinigungsschritte am Werkstück nach sich zieht.The present invention relates to the production of pre-coated workpieces, in particular to the machining of pre-coated brake discs or brake drums whose flat surfaces (friction surfaces) are coated. Typically, these coated brake discs or workpieces comprise a coating comprising a hard material, an abrasion-resistant material, e.g., a carbide bonded by a binder, or an abrasion-resistant alloy with chromium and nickel (e.g., acid-resistant stainless steel, V4A). This coating forms a material layer produced by laser, flame, plasma, or spraying processes. The binder of the hard material layer typically comprises a stainless steel composite mass. Pre-coated brake discs are currently re-faced by grinding, honing, or lapping. When grinding such pre-coated workpieces or brake discs, the problem arises that no suitable grinding wheel is available on the market that is reliably suitable for both grinding the carbide and the binder in order to economically and flatten the surface of the workpiece. Furthermore, grinding brings with it the problem of increased generation of fine dust. Furthermore, grinding is not carried out dry, but with the addition of a cooling fluid, which requires additional drying and cleaning steps on the workpiece.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer planaren Oberfläche oder zylindrischen Oberfläche an einem beschichteten Werkstück, eine entsprechende Vorrichtung sowie eine Schneidplatte anzugeben, die den vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to provide an improved method for producing a planar surface or cylindrical surface on a coated workpiece, a corresponding device and a cutting plate which take into account the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch eine Schneidplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1, by a device having the features of claim 8 and by a cutting plate having the features of claim 9. Advantageous embodiments with expedient further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine Drehbearbeitung, insbesondere eine Planbearbeitung, der Oberfläche des Werkstücks mit einer Drehmaschine vor. Somit wird also ein Verfahren zum Herstellen einer planaren Oberfläche an einem beschichteten Werkstück unter Nutzung einer Schneidplatte eines Drehwerkzeugs angegeben, das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen des Werkstücks, das mit einer Beschichtung versehen ist, die insbesondere eine verschleißfeste Oberfläche, insbesondere einen Hartstoff, beispielsweise ein Carbid mit einem das Carbid bindenden Binder, oder eine abrassionsbeständige Metalllegierung umfasst,
- b) Ansetzen der Schneidplatte an einer Oberfläche des Werkstücks, während das Werkstück rotiert und während die Schneidplatte rotiert, wobei die planare oder zylindrische Oberfläche am Werkstück ausgeformt wird.
- a) providing the workpiece which is provided with a coating which comprises in particular a wear-resistant surface, in particular a hard material, for example a carbide with a binder binding the carbide, or an abrasion-resistant metal alloy,
- b) Applying the cutting insert to a surface of the workpiece while the workpiece is rotating and while the cutting insert is rotating, whereby the planar or cylindrical surface is formed on the workpiece.
Damit wird also die Schneidplatte dazu genutzt, um die Beschichtung des Werkstücks mittels Drehen plan oder zylindrisch zu bearbeiten, was mit deutlich weniger Staubentwicklung einhergeht gegenüber der Planbearbeitung mittels Schleifen, Hohnen oder Läppen. Um die Abnutzung der Schneidplatte zu reduzieren und damit die Standzeit des Drehwerkzeugs zu verlängern wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur das Werkstück rotierend angetrieben, sondern auch die Schneidplatte. Diese Schneidplatte weist eine Schneidkante auf und ist rotationssymmetrisch gebildet.The cutting insert is thus used to machine the workpiece's coating flat or cylindrically by turning, which generates significantly less dust than surface machining by grinding, honing, or lapping. To reduce wear on the cutting insert and thus extend the service life of the turning tool, the method according to the invention not only rotates the workpiece but also the cutting insert. This cutting insert has a cutting edge and is rotationally symmetrical.
Eine besonders abriebfeste Beschichtung am Werkstück lässt sich dadurch erzielen, wenn das Carbid ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Titancarbid, Tantalcarbid, Wolframcarbid, Chromcarbid, Oxidverbindungen und Zementit. Dies hat sich insbesondere bei der Herstellung von beschichteten Bremsscheiben oder auch von beschichteten Bremstrommeln als vorteilhaft erwiesen.A particularly abrasion-resistant coating on the workpiece can be achieved if the carbide is selected from the group comprising titanium carbide, tantalum carbide, tungsten carbide, chromium carbide, oxide compounds, and cementite. This has proven particularly advantageous in the production of coated brake discs or coated brake drums.
Der Binder ist vorzugsweise aus Edelstahl oder aus einer Edelstahllegierung gebildet, was zu einem sicheren Verbund zwischen dem Grundstoff des Werkstücks, z. B. Grauguss, und der Beschichtung, dem Carbid führt.The binder is preferably made of stainless steel or a stainless steel alloy, which results in a secure bond between the base material of the workpiece, e.g. gray cast iron, and the coating, the carbide.
Für eine zuverlässige Planbearbeitung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die rotierende Schneidplatte einen Schneidstoff umfasst, der aus einem synthetischen Diamanten gebildet ist. Aufgrund der Härte des synthetischen Diamants eignet sich eine so gebildete Schneidplatte besonders gut dafür, um die mit einem Verbund aus Carbid und einem Binder beschichteten Werkstücke zu bearbeiten.For reliable surface machining, it has proven advantageous for the rotating cutting insert to comprise a cutting material made of synthetic diamond. Due to the hardness of synthetic diamond, a cutting insert formed in this way is particularly well suited for machining workpieces coated with a composite of carbide and a binder.
In einer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der synthetische Diamant als ein polykristalliner Diamant (PKD) gebildet ist, der vorzugsweise Diamantpartikel mit einem mittleren Partikelabmessung von 30 Mikrometern (µm) bis 50 µm, alternativ aber bevorzugt von 80 µm bis 120 µm umfasst, wobei die Diamantpartikel von einem Bindermaterial gebunden sind. Typischerweise ist das Bindermaterial der PKD Partikel gebildet in Form einer Metall- oder Keramikmatrix.In one embodiment, it has proven advantageous if the synthetic diamond is formed as a polycrystalline diamond (PCD) which Preferably, the diamond particles have an average particle size of 30 micrometers (µm) to 50 µm, but alternatively preferably 80 µm to 120 µm, wherein the diamond particles are bound by a binder material. Typically, the binder material of the PCD particles is formed in the form of a metal or ceramic matrix.
Alternativ kann auch ein selbstgewachsener, synthetischer Diamant nämlich ein gewachsener Labordiamant herangezogen werden, der beispielsweise als ein CVD-Diamant (CVD für „chemical vapor deposition“) oder ein HPHT-Diamant (HPHT für „high pressure high temperature“) gebildet ist.Alternatively, a self-grown, synthetic diamond can be used, namely a grown laboratory diamond, which is formed, for example, as a CVD diamond (CVD for “chemical vapor deposition”) or an HPHT diamond (HPHT for “high pressure high temperature”).
Es hat sich herausgestellt, dass bei der Bearbeitung von Carbid enthaltenen Beschichtungen die Schneidkante stark abnutzt und so zu einem Abstumpfen der Schneidkante der Schneidplatte führt. Um dieses Abnutzen der Schneidkante zu reduzieren, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der synthetische Diamant zur Verschleißminimierung der Schneidplatte mit einer Schutzschicht versehen ist.It has been found that machining coatings containing carbide causes significant wear on the cutting edge, leading to blunting of the cutting edge of the insert. To reduce this wear, it has proven advantageous to coat the synthetic diamond with a protective layer to minimize wear on the insert.
Die Schutzschicht ist vorzugsweise aus der physikalischen Gasphase, also mithilfe eines PVD-Verfahrens (PVD für „physical vapor deposition“) abgeschieden, wobei die Schutzschicht insbesondere einen Auftrag aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Titan-Silizium-Stickstoff (TiSiN), Aluminium-Titan-Stickstoff (AlTiN), Aluminium-Titan-Silizium-Stickstoff (AlTiSiN), Aluminium-Titan-Chrom-Stickstoff (AlTiCrN), Aluminium-Chrom-Silizium-Stickstoff (AlCrSiN), Aluminium-Titan-Chrom-Silizium-Stickstoff (AlTiCrSiN). Bei der Herstellung von beschichteten Bremsscheiben hat sich insbesondere eine Beschichtung des synthetischen Diamants der Schneidplatte als bevorzugt erwiesen, die gebildet ist aus Aluminium-Titan-Silizium-Stickstoff (AlTiSiN).The protective layer is preferably deposited from the physical vapor phase, i.e., using a PVD process (PVD for "physical vapor deposition"), wherein the protective layer in particular has a coating selected from the group comprising titanium-silicon-nitrogen (TiSiN), aluminum-titanium-nitrogen (AlTiN), aluminum-titanium-silicon-nitrogen (AlTiSiN), aluminum-titanium-chromium-nitrogen (AlTiCrN), aluminum-titanium-chromium-nitrogen (AlCrSiN), and aluminum-titanium-chromium-silicon-nitrogen (AlTiCrSiN). In the production of coated brake discs, a coating of the synthetic diamond of the cutting insert formed from aluminum-titanium-silicon-nitrogen (AlTiSiN) has proven particularly preferred.
Die Schutzschicht führt dazu, dass die Temperaturbeständigkeit des synthetischen Diamants (PKD oder CVD) und dessen Binders erhöht wird, da sich der Diamant selbst bei ca. 600 Grad Celsius nicht zersetzt oder auflöst, was zu einer Abstumpfung der Schneidplatte führt. Außerdem werden die einzelnen Diamantpartikel durch die Schutzschicht vor Luft bzw. Sauerstoff (mithin vor chemischem Verschleiß) geschützt.The protective layer increases the temperature resistance of the synthetic diamond (PCD or CVD) and its binder, as the diamond does not decompose or dissolve even at temperatures of approximately 600 degrees Celsius, which would otherwise dull the cutting edge. Furthermore, the protective layer protects the individual diamond particles from air and oxygen (and thus from chemical wear).
Um einen zusätzlichen Wärmeschutz für die Schneidplatte bereitzustellen, ist es von Vorteil, wenn die Schutzschicht um Bor oder um Bornitrid ergänzt ist.In order to provide additional thermal protection for the cutting insert, it is advantageous if the protective layer is supplemented with boron or boron nitride.
Die Schutzschicht weist vorzugsweise eine Schichtdicke von zwischen 0,1 µm bis 8,0 µm auf, insbesondere von zwischen 0,2 µm bis 1,5 µm.The protective layer preferably has a layer thickness of between 0.1 µm and 8.0 µm, in particular between 0.2 µm and 1.5 µm.
Wird alternativ für die Schneidplatte ein Labordiamant (CVD-Diamant oder HPHT-Diamant) genutzt, so hat sich herausgestellt, dass die Schutzschicht wie sie vorstehend erläutert wurde, nicht sehr gut anhaftet. Aus diesem Grund ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass zuerst eine Haftvermittlungsschicht aufgetragen wird, bevor die Schutzschicht selbst mittels PVD-Verfahren abgeschieden wird.If a laboratory diamond (CVD diamond or HPHT diamond) is used as an alternative for the cutting insert, it has been found that the protective coating described above does not adhere very well. For this reason, it is advantageous to first apply an adhesion-promoting layer before depositing the protective layer itself using the PVD process.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn während des Drehens in Schritt b) eine Minimalmengen-Kühlschmierung der Schneidplatte und/oder des Werkstücks erfolgt. Auf diese Weise ist nach der Planbearbeitung des beschichteten Werkstücks, insbesondere nach der Planbearbeitung der beschichteten Bremsscheibe, nur eine sehr geringe Menge Flüssigkeit an der Oberfläche, sodass ein nachfolgender Trocknungsschritt obsolet wird oder einen geringeren Aufwand mit sich bringt.It has proven advantageous to apply minimal cooling lubrication to the cutting insert and/or the workpiece during turning in step b). This ensures that after facing the coated workpiece, especially after facing the coated brake disc, only a very small amount of fluid remains on the surface, making a subsequent drying step obsolete or requiring less effort.
In diesem Zusammenhang ist es aber auch von Vorteil, wenn bei der Minimalmengen-Kühlschmierung Isopropanol, Aceton oder Ethanol Einsatz findet. Diese Stoffe kühlen beim Drehen zuverlässig, wobei während der Bearbeitung sogar eine Verdampfungskühlung einsetzt, die einen zusätzlichen Kühlungseffekt bewirkt. Außerdem verdunsten diese Stoffe sehr schnell, sodass ein nachfolgender Trocknungsschritt des planbearbeiteten, oder zylindrischen Werkstücks vollständig entfällt. Zusätzlich haben diese Stoffe die Eigenschaft, dass sie das Werkstück reinigen, insbesondere da sie fettlösend wirken. Das planbearbeitete Werkstück steht also für eine nachfolgende Lackierung direkt zur Verfügung, ohne dabei unnötige weitere Zwischenschritte durchführen zu müssen.In this context, it is also advantageous to use isopropanol, acetone, or ethanol for minimum-quantity cooling. These substances provide reliable cooling during turning, and evaporative cooling even occurs during machining, providing an additional cooling effect. Furthermore, these substances evaporate very quickly, completely eliminating the need for a subsequent drying step for the surface-machined or cylindrical workpiece. These substances also have the property of cleaning the workpiece, particularly due to their degreasing properties. The surface-machined workpiece is therefore directly available for subsequent painting, without the need for unnecessary additional intermediate steps.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in Schritt b) am Werkstück von zwischen 0,05 mm bis 0,3 mm abgedreht werden, da auf diese Weise eine planare Oberfläche zuverlässig erzeugt wird.It has proven advantageous to remove between 0.05 mm and 0.3 mm from the workpiece in step b), as this reliably produces a planar surface.
Der gleichmäßigen Temperaturentwicklung während des Bearbeitens und auch der Maßhaltigkeit ist zuträglich, wenn die Drehgeschwindigkeit der Schneidplatte und/oder die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Werkstücks in Abhängigkeit des Abstandes der Schneidplatte von einer Rotationsachse für die Rotation des Werkstücks eingestellt wird, insbesondere derart, dass eine niedrigere Drehgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn sich die Schneidplatte in einem größeren Abstand befindet, und dass eine gegenüber der niedrigeren Drehgeschwindigkeit höhere Drehgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn sich die Schneidplatte in einem gegenüber dem größeren Abstand geringeren Abstand von der Rotationsachse befindet. Auf diese Weise lässt sich also eine konstante Umfangsgeschwindigkeit bzw. konstante Schnittgeschwindigkeit realisieren.The uniform temperature development during machining and also the dimensional accuracy are beneficial if the rotational speed of the cutting insert and/or the rotational speed of the rotating workpiece is adjusted depending on the distance of the cutting insert from a rotational axis for the rotation of the workpiece, in particular in such a way that a lower rotational speed is set when the cutting insert is at a greater distance, and that a higher rotational speed is set compared to the lower rotational speed when the cutting insert is at a shorter distance from the rotational axis than the greater distance. In this way, a constant circumferential speed or constant cutting speed.
Eine zuverlässige Oberflächenbearbeitung lässt sich dadurch bewirken, dass die Schneidplatte mit ihrer Schneidkante unter einem Winkel von zwischen 3 Grad und 13 Grad, insbesondere unter einem Winkel von zwischen 5 Grad und 11 Grad, vorzugsweise unter einem Winkel von 7 Grad, gegenüber der Oberfläche des Werkstücks angesetzt wird. Somit ist also auch eine Rotationsachse für die Drehbewegung der Schneidplatte um die entsprechenden Winkel bezüglich der Horizontalen bzw. bezüglich der Oberfläche des Werkstücks gegeben.Reliable surface finishing can be achieved by positioning the cutting insert with its cutting edge at an angle of between 3 degrees and 13 degrees, particularly at an angle of between 5 degrees and 11 degrees, and preferably at an angle of 7 degrees, relative to the workpiece surface. This also provides an axis of rotation for the cutting insert's rotational movement through the corresponding angles relative to the horizontal or relative to the workpiece surface.
Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Vorrichtung.The advantages, advantageous embodiments and effects explained in connection with the method according to the invention apply equally to the device according to the invention.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Grundplatte, an welcher eine Antriebseinheit befestigt ist, deren Abtrieb in Drehmoment übertragender Weise mit einer Schneidplatte verbunden ist. Der Antrieb der Schneidplatte kann auch direkt über den Antrieb an einem Revolver der Drehmaschine, insbesondere unter Verwendung von einem oder von mehreren Zwischengetrieben erfolgen. Die Grundplatte ist vorzugsweise mit einem Grundhalter zum Schnellwechseln an oder in einer Drehmaschine befestigt.The device according to the invention for carrying out the method comprises a base plate to which a drive unit is attached, the output of which is connected to a cutting insert in a torque-transmitting manner. The cutting insert can also be driven directly via the drive on a turret of the lathe, in particular using one or more intermediate gears. The base plate is preferably attached to or in a lathe with a base holder for quick changeover.
Um den Freiwinkel der Schneidplatte einstellen zu können hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Grundplatte bezüglich des Grundhalters in einem vorgegebenen Winkelbereich festlegbar ist, der vorzugsweise zwischen 2 Grad und 11 Grad, insbesondere 7 Grad beträgt.In order to be able to adjust the clearance angle of the cutting plate, it has proven advantageous if the base plate can be fixed with respect to the base holder in a predetermined angular range, which is preferably between 2 degrees and 11 degrees, in particular 7 degrees.
Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile, Ausgestaltungen und technischen Wirkungen gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Schneidplatte.The advantages, configurations and technical effects explained in connection with the method according to the invention and the device according to the invention apply equally to the cutting plate according to the invention.
Die erfindungsgemäße Schneidplatte umfasst einen Schneidstoff, der aus einem synthetischen Diamanten gebildet ist.The cutting insert according to the invention comprises a cutting material formed from a synthetic diamond.
Der synthetische Diamant ist vorzugsweise als ein polykristalliner Diamant (PKD) gebildet, der insbesondere Diamantpartikel mit einem mittleren Partikeldurchmesser von zwischen 30 Mikrometer (µm) bis 50 µm, vorzugsweise von im Wesentlichen 80-120 µm umfasst, die von einem Bindermaterial gebunden sind.The synthetic diamond is preferably formed as a polycrystalline diamond (PCD), which in particular comprises diamond particles having an average particle diameter of between 30 micrometers (µm) and 50 µm, preferably of substantially 80-120 µm, which are bound by a binder material.
Alternativ kann der synthetische Diamant aber auch als ein gewachsener Labordiamant (CVD-Diamant oder HPHT-Diamant) gebildet sein.Alternatively, the synthetic diamond can also be formed as a grown laboratory diamond (CVD diamond or HPHT diamond).
Der Diamant weist eine geringe Temperaturbeständigkeit auf und zersetzt sich bei ca. 600 Grad Celsius - insbesondere wenn Sauerstoff (Luftsauerstoff) vorhanden ist. Mit anderen Worten zersetzt sich der Diamant dann in CO2, womit sich auch die Diamantkörner selbst zersetzen. Daher ist es von Vorteil, wenn der synthetische Diamant zur Verschleißminimierung mit einer Schutzschicht versehen ist. Die Schutzschicht bildet dabei eine Diffusionssperre für den Luftsauerstoff und schützt den Binder und die PKD-Matrix vor einem chemischen Verschleiß. Zusätzlich wirkt die Schutzschicht als Isolator und blockiert den Wärmeeintrag in die Schneidplatte.Diamond has a low temperature resistance and decomposes at approximately 600 degrees Celsius, especially in the presence of oxygen (atmospheric oxygen). In other words, the diamond then decomposes into CO2, which also causes the diamond grains themselves to decompose. Therefore, it is advantageous for the synthetic diamond to be coated with a protective layer to minimize wear. The protective layer forms a diffusion barrier for atmospheric oxygen and protects the binder and the PCD matrix from chemical wear. The protective layer also acts as an insulator, blocking heat from entering the cutting insert.
Vorzugsweise wurde die Schutzschicht aus der physikalischen Gasphase (PVD-Verfahren) oder auch aus der chemischen Gasphase (CVD-Verfahren) abgeschieden, wobei die Schutzschicht insbesondere einen Auftrag aufweist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Titan-Silizium-Stickstoff (TiSiN), Aluminium-Titan-Stickstoff (AlTiN), Aluminium-Titan-Silizium-Stickstoff (AlTiSiN), Aluminium-Titan-Chrom-Stickstoff (AlTiCrN), Aluminium-Chrom-Silizium-Stickstoff (AlCrSiN), Aluminium-Titan-Chrom-Silizium-Stickstoff (AlTiCrSiN).Preferably, the protective layer was deposited from the physical gas phase (PVD process) or from the chemical gas phase (CVD process), wherein the protective layer in particular has an application selected from the group comprising titanium-silicon-nitrogen (TiSiN), aluminum-titanium-nitrogen (AlTiN), aluminum-titanium-silicon-nitrogen (AlTiSiN), aluminum-titanium-chromium-nitrogen (AlTiCrN), aluminum-chromium-silicon-nitrogen (AlCrSiN), aluminum-titanium-chromium-silicon-nitrogen (AlTiCrSiN).
Um die Temperaturbeständigkeit der Schutzschicht zu erhöhen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schutzschicht um Bor ergänzt wird. Die Schutzschicht umfasst vorzugsweise eine Schichtdicke von zwischen 0,1 µm bis 8,0 µm auf, insbesondere von zwischen 0,2 µm bis 1,5 µm.To increase the temperature resistance of the protective layer, it has proven advantageous to supplement the protective layer with boron. The protective layer preferably has a layer thickness of between 0.1 µm and 8.0 µm, in particular between 0.2 µm and 1.5 µm.
Die Schutzschicht ist im Falle eines als Labordiamant gebildeten synthetischen Diamanten auf eine Haftvermittlungsschicht (vorzugsweise eine Titan- oder Chromschicht) aufgebracht. Ein solcher Haftvermittler sichert, dass die Schutzschicht zuverlässig im PVD- oder CVD-Verfahren abgeschieden werden kann und am Labordiamant anhaftet.In the case of a synthetic diamond formed as a lab-grown diamond, the protective layer is applied to an adhesion promoter layer (preferably a titanium or chromium layer). Such an adhesion promoter ensures that the protective layer can be reliably deposited using the PVD or CVD process and adheres to the lab-grown diamond.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description, as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures, can be used not only in the respective combinations specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also to be considered encompassed and disclosed by the invention that are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be produced from the explained embodiments through separate feature combinations.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine schematisch illustrierte Seitenansicht des Verfahrens, welches mit einem Drehwerkzeug ausgeführt wird, dessen Schneidplatte an ein beschichtetes Werkstück angesetzt ist; -
2 eine perspektivische Ansicht auf das Drehwerkzeug aus1 ; -
3 eine Frontalansicht auf das Drehwerkzeug aus1 ; -
4 eine schematische Schnittansicht durch eine Schneidplatte die mit einem polykristallinen Diamant (PKD) gebildet ist; und -
5 eine schematische Schnittansicht durch eine Schneidplatte die mit einem gewachsenen Labordiamanten (CVD-Diamant) gebildet ist.
-
1 a schematically illustrated side view of the process carried out with a turning tool whose cutting insert is applied to a coated workpiece; -
2 a perspective view of the turning tool1 ; -
3 a front view of the turning tool1 ; -
4 a schematic sectional view through a cutting insert formed with a polycrystalline diamond (PCD); and -
5 a schematic sectional view through a cutting plate formed with a grown laboratory diamond (CVD diamond).
In den
An die Getriebeeinheit 124 schließt sich ein Schneidplattenhalter 126 an, an welchem die Schneidplatte 102 drehbar gelagert ist. Der Schneidplattenhalter 126 ist, insbesondere einstückig, mit einer Grundplatte 112 verbunden, die ihrerseits mit einem Grundhalter 110 verschraubt ist. Der Grundhalter 110 bildet dabei beispielsweise ein Glied einer Schnellwechselschnittstelle der Drehmaschine. Neben der Schneidplatte 102 am Drehwerkzeug 100 ist auch ein zu bearbeitendes Werkstück 200, insbesondere eine Bremsscheibe, mittels der Drehmaschine um eine Rotationsachse 208 rotierend antreibbar.Adjacent to the gear unit 124 is a cutting insert holder 126, on which the cutting insert 102 is rotatably mounted. The cutting insert holder 126 is connected, in particular in one piece, to a base plate 112, which in turn is screwed to a base holder 110. The base holder 110 forms, for example, a link in a quick-change interface of the lathe. In addition to the cutting insert 102 on the turning tool 100, a workpiece 200 to be machined, in particular a brake disc, can also be driven by the lathe in rotation about a rotation axis 208.
Aus den
Dem Schneidplattenhalter 126 ist vorliegend zusätzlich eine nicht näher dargestellte Minimalmengen-Kühlschmierungs-Einheit zugeordnet, um beim Bearbeiten des Werkstücks 200 eine Minimalmengen-Kühlschmierung bereitzustellen. Diese wird insbesondere mit Ethanol betrieben, da Ethanol besonders schnell trocknet und zudem verbesserte Reinigungseigenschaften besitzt; beispielsweise Fette löst und Schmutz entfernt.In this case, the cutting insert holder 126 is additionally assigned a minimum-quantity cooling lubrication unit (not shown in detail) to provide minimum-quantity cooling lubrication during machining of the workpiece 200. This unit is operated, in particular, with ethanol, since ethanol dries particularly quickly and also has improved cleaning properties; for example, it dissolves grease and removes dirt.
In
Die Schutzschicht 104 wurde aus der physikalischen Gasphase (PVD-Verfahren) abgeschieden, ein CVD-Verfahren wäre auch möglich, wobei die Schutzschicht 104 vorliegend einen Auftrag aus Aluminium-Titan-Silizium-Stickstoff (AlTiSiN) aufweist. Zudem ist die Schutzschicht 104 um Bor ergänzt, was die Temperaturbeständigkeit weiter erhöht. Die Schutzschicht weist vorliegend eine Schichtdicke von 0,1 µm bis 8,0 µm auf, insbesondere von zwischen 0,2 µm bis 1,5 µm auf.The protective layer 104 was deposited from the physical vapor phase (PVD process), although a CVD process is also possible. In this case, the protective layer 104 comprises a coating of aluminum-titanium-silicon-nitrogen (AlTiSiN). In addition, the protective layer 104 is supplemented with boron, which further increases its temperature resistance. The protective layer has a layer thickness of 0.1 µm to 8.0 µm, in particular between 0.2 µm and 1.5 µm.
In
Mit einer der beiden vorstehend erläuterten Schneidplatten 102 wird das Werkstück 200 planbearbeitet durch Drehen.The workpiece 200 is surface machined by turning using one of the two cutting inserts 102 explained above.
Anhand von
- a) Bereitstellen des Werkstücks 200, das mit einer Beschichtung 202 versehen ist, die insbesondere eine verschleißfeste Oberfläche, insbesondere einen Hartstoff, beispielsweise ein Carbid mit einem das Carbid bindenden Binder, oder eine abrassionsbeständige Metalllegierung umfasst,
- b) Ansetzen der Schneidplatte 102 an einer Oberfläche 204 des Werkstücks 200, während das Werkstück 200 rotiert und während die Schneidplatte 102 rotiert, wobei die planare oder zylindrische Oberfläche 206 am Werkstück 200 ausgeformt wird.
- a) Providing the workpiece 200, which is provided with a coating 202, which in particular comprises a wear-resistant surface, in particular a hard material, for example a carbide with a binder that binds the carbide, or an abrasion-resistant metal alloy,
- b) Applying the cutting insert 102 to a surface 204 of the workpiece 200 while the workpiece 200 is rotating and while the cutting insert 102 is rotating, whereby the planar or cylindrical surface 206 is formed on the workpiece 200.
Das Carbid der Beschichtung 202 am Werkstück 200 ist ausgewählt aus der Gruppe umfassend Titancarbid, Tantalcarbid, Wolframcarbid, Chromcarbid, Oxidverbindungen und Zementit. Der Binder besteht aus Edelstahl oder aus einer Edelstahllegierung.The carbide of the coating 202 on the workpiece 200 is selected from the group comprising titanium carbide, tantalum carbide, tungsten carbide, chromium carbide, oxide compounds, and cementite. The binder consists of stainless steel or a stainless steel alloy.
Beim Planbearbeiten der Oberfläche 204 des Werkstücks 200, also um die planare oder zylindrische Oberfläche 206 zu erhalten, wird die Antriebseinheit 120 und gegebenenfalls auch die Einheit zur Rotation des Werkstücks 200 entsprechend angesteuert.When machining the surface 204 of the workpiece 200, i.e., in order to obtain the planar or cylindrical surface 206, the drive unit 120 and, if applicable, also the unit for rotating the workpiece 200 are controlled accordingly.
Für ein besonders gutes, planes oder zylindrisches Ergebnis wird die Drehgeschwindigkeit der Schneidplatte 102 und/oder die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Werkstücks 200 in Abhängigkeit des Abstandes der Schneidplatte 102 von der Rotationsachse 208 für die Rotation des Werkstücks 200 eingestellt. Vorliegend wird die jeweilige Drehgeschwindigkeit derart eingestellt, dass eine niedrigere Drehgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn sich die Schneidplatte 102 in einem größeren Abstand befindet, und dass eine gegenüber der niedrigeren Drehgeschwindigkeit höhere Drehgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn sich die Schneidplatte 102 in einem über den größeren Abstand geringeren Abstand von der Rotationsachse 208 befindet.For a particularly good, flat or cylindrical result, the rotational speed of the cutting plate 102 and/or the rotational speed of the rotating workpiece 200 is adjusted depending on the distance of the cutting plate 102 from the rotational axis 208 for the rotation of the workpiece 200. In the present case, the respective rotational speed is adjusted such that a lower rotational speed is adjusted when the cutting plate 102 is at a greater distance, and such that a higher rotational speed is adjusted compared to the lower rotational speed when the cutting plate 102 is at a shorter distance from the rotational axis 208 than the greater distance.
Auf diese Weise wird dann in Schritt b) am Werkstück 200 von 0,05 mm bis 0,3 mm abgedreht.In this way, in step b) the workpiece 200 is turned from 0.05 mm to 0.3 mm.
Die vorliegende Erfindung bietet im Ergebnis den Vorteil, dass das mit einer Hartstoffschicht bereits beschichtete Werkstück 200 nun nicht mehr geschliffen werden muss, sondern mittels Drehen planbearbeitet oder zylindrisch gestaltet werden kann. Dies reduziert anfallenden Feinstaub und lässt zusätzliche Schritte zur Nachbearbeitung des Werkstücks 200 obsolet werden. Beispielweise muss das Werkstück nicht mehr gereinigt und getrocknet werden aufgrund der verringerten Menge an Schmiermitteln, die beim Drehen Einsatz finden. Durch die Beschichtung der Schneidplatte 102 mit der Schutzschicht 104 lässt sich zudem die Standzeit der Schneidplatte 102 drastisch erhöhen. Die Laufzeit der Bearbeitungsmaschine bis zum Schneidplattenwechsel kann somit wesentlich gesteigert werden, gegenüber Drehprozessen, bei denen die Schneidplatten 102 nicht angetrieben sind.The present invention ultimately offers the advantage that the workpiece 200 already coated with a hard material layer no longer needs to be ground, but can be surface-machined or cylindrically shaped by turning. This reduces the amount of fine dust generated and eliminates additional steps for post-processing the workpiece 200. For example, the workpiece no longer needs to be cleaned and dried due to the reduced amount of lubricant used during turning. By coating the cutting insert 102 with the protective layer 104, the service life of the cutting insert 102 can also be drastically increased. The running time of the processing machine until the cutting insert needs to be changed can thus be significantly increased compared to turning processes in which the cutting inserts 102 are not driven.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS
- 100100
- Vorrichtung / DrehwerkzeugFixture / turning tool
- 102102
- SchneidplatteCutting plate
- 104104
- Schutzschichtprotective layer
- 106106
- Haftvermittlungsschicht / KlebstoffAdhesion layer / adhesive
- 108108
- DurchgangsbohrungThrough hole
- 110110
- GrundhalterBase holder
- 112112
- GrundplatteBase plate
- 114114
- Diamantpartikeldiamond particles
- 116116
- BindermaterialBinder material
- 118118
- Schneidkantecutting edge
- 120120
- Antriebseinheit / Elektromotor / PneumatikantriebDrive unit / electric motor / pneumatic drive
- 122122
- Flansch (Antriebseinheit)Flange (drive unit)
- 124124
- GetriebeeinheitGear unit
- 126126
- SchneidplattenhalterCutting insert holder
- 128128
- Langlochslot
- 130130
- WerkzeugaufnahmeTool holder
- 200200
- Werkstückworkpiece
- 202202
- BeschichtungCoating
- 204204
- Oberfläche (unbearbeitet)Surface (untreated)
- 206206
- Oberfläche (bearbeitet) / planare OberflächeSurface (machined) / planar surface
- 208208
- Rotationsachserotation axis
Claims (14)
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Family
ID=96432049
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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Citations (4)
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-
2024
- 2024-02-06 DE DE102024103319.3A patent/DE102024103319A1/en active Pending
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