| JP2000094202 | MATERIAL CUTTING METHOD AND CARBIDE TOOL USED THEREFOR |
| JP2010076088 | CUTTING TOOL |
| WO/2010/102605 | END MILL CUTTER |
KLING, Manfred (Frühlingstr. 17, Lindenberg, 88161, DE)
LEMMER, Oliver (Oppenhoffallee 56, Aachen, 52066, DE)
LEYENDECKER, Antonius (Römerstr. 69, Herzogenrath, 52134, DE)
KLING, Manfred (Frühlingstr. 17, Lindenberg, 88161, DE)
LEMMER, Oliver (Oppenhoffallee 56, Aachen, 52066, DE)
| Ansprüche 1. Schaftfräser oder Bohrer aus Vollhartmetall zum Zerspanen oder Bohren von faserverstärkten Materialien oder Leiterplatten versehen mit einer CVD- Diamantschicht, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest in einer Ebene senkrecht zu seiner Rotationsachse eine ungerade Anzahl von Hauptschneiden aufweist. 2. Schaftfräser oder Bohrer gemäß Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Hauptschneiden 5 und mehr beträgt, bevorzugt 7 und mehr, besonders bevorzugt 7. 3. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Diamantschicht 1 bis 15 μm, bevorzugt 6 bis 12 μm, besonders bevorzugt 8 bis 10 μm beträgt. 4. Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsdurchmesser ohne die Beschichtung 0,5 bis 6 mm beträgt, bevorzugt 1 bis 2,5 mm. 5. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt aus Anzahl der Schneidkanten multipliziert mit der Schichtdicke an der Schneidkante mindestens 28 μm, bevorzugt mindestens 42 μm, besonders bevorzugt mindestens 56 μm bis höchstens 98 μm, bevor- zugt höchstens 84 μm, besonders bevorzugt höchstes 70 μm beträgt. 6. Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Schaftfräsers als Bohrer, bevorzugt als Fischschwanz- Bohrer ausgebildet ist. 7. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus Kantenradius durch Schichtdicke beim beschichteten Werkzeug geringer ist als 1,5, bevorzugt geringer als 1,2, besonders bevorzugt i bis 1,1 beträgt. 8. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkten Materialien aus Epoxidlaminaten be- stehen. 9. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialien Glasfasern und /oder Kohlefasern beinhalten. 10. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall aus WC und Co mit maximal 2 Gew.% weiterer Beimengungen besteht, bevorzugt mit maximal 1 Gew.%. 11. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall eine mittlere WC-Korngröße von kleiner gleich 1 μm, bevorzugt von kleiner gleich 0,5 μm besitzt. 12. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht mindestens eine Lage aus feinkristallinem Diamant mit einer mittleren Korngröße kleiner gleich 3 μm aufweist, bevorzugt kleiner gleich 1,5 μm. 13. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht mindestens eine Lage aus nanokristal- linen Diamant mit einer mittleren Korngrößen kleiner gleich 100 nm aufweist, besonders bevorzugt kleiner gleich 50 nm. 14. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantschicht mehrlagig ist. 15. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Cobaltgehalt des Hartmetalls vor der Diamantbeschich- - IO - tung im Oberflächenbereich vermindert wird, bevorzugt bis in eine Tiefe von bis zu 5μm, besonders bevorzugt bis in eine Tiefe von 1,8 bis 3,2 μm. 16. Schaftfräser oder Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Hartmetallsubstrat und Diamantschicht eine metallhaltige Zwischenschicht zur Haftungsverbesserung für die Diamantschicht befindet. 17. Schaftfräser oder Bohrer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Hauptschneiden mehr als 9, bevorzugt mehr als 11, besonders bevorzugt mehr als 13 beträgt. 18. Schaftfräser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftfräser spiralverzahnt ist. 19. Bohrer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsdurchmesser ohne die Beschichtung kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 0,5 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 0,2 mm. 20. Einsatz eines Fräser oder Bohrers nach einem der vorangehenden Ansprüche beim Zerspanen oder Bohren von PCBs oder Leiterplatten. |
Die Erfindung betrifft beschichtete Werkzeuge, insbesondere Schaftfräser zum Zerspanen oder Bohrer zum Bohren von faserverstärkten Werkstoffen wie Platinen für die Elektronik, die auch mehrlagig aufgebaut sein können oder bereits mit Leiterbahnen kaschiert sind. Für solche Platinen hat sich auch der aus dem Englischen kommende Begriff PCB ("Printed Circuit Board") eingebürgert. Die entsprechenden Schaftfräser werden teilweise auch als Router bezeichnet. Es gibt sie beispielsweise in spiralverzahnter oder diamantverzahnter Form.
Insbesondere behandelt die Erfindung Schaftfräser oder Bohrer aus Vollhartmetall mit einer CVD-Diamantbeschichtung.
Die PCBs bestehen häufig aus Expoxidlaminaten. Das erfindungsgemäße Werkzeug ist aber auch für andere Werkstoffe geeignet, besonders für Werkstoffe, die beispielsweise Lagen aus Glas- oder Kohlefasern in einer spezifischen Matrix umfassen.
Die genannten Werkstoffe sind extrem abrasiv und führen bei unbeschichteten Werkzeugen schnell zum Ausfall des Werkzeuges und/oder schlechten Werkstückoberflächen. Auch konventionelle PVD- und CVD-Schichten versagen frühzeitig.
Es ist deshalb bekannt, solche Werkzeuge an den Funktionsflächen, im Besonderen den Schneidkanten, mit einer Diamantschicht zu versehen. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das Aufbringen einer Diamantschicht mittels eines CVD (chemical vapor deposition) Prozesses. Ein solches Beschichtungsverfahren ist z. B. in der WO 98/35071 beschrieben.
Die Schicht wächst bei dem genannten Verfahren direkt auf dem Substrat auf. Es handelt sich um Diamant, also kristallinen Kohlenstoff in sp3-Bindung. Neben unvermeidlichen Verunreinigungen können sich vor allem entlang der Kristallitgrenzen auch andere Kohlenstoffmodifikationen befinden. Im Sinne der Erfindung werden aber auch solche Schichten als CVD-Diamantschicht verstanden, die überwiegend aus Diamant bestehen, besonders zu über 70 Vol.%. Da jedoch selbst der Diamant bei den betrachteten Einsatzfällen schnellem Verschleiß unterliegt, müssen relative hohe Schichtstärken aufgebracht werden, um die Lebensdauer des Werkzeuges zu erhöhen. Eine hohe Schichtdicke bewirkt im Gegenzug aber eine höhere Verrundung der Schneidkante. Denn die Beschichtungsverfahren versehen das Substrat mit einer relativ gleichmäßigen Schichtdicke, was dazu führt, dass sich der Schneidkantenradius etwa um die Dicke der Diamantbeschichtung vergrößert. Höhere Schneidkantenradien sind aber bei der Zerspanung von faserverstärkten Werkstoffen besonders nachteilig, da hier die Fasern möglichst glatt durchschnitten werden sollten, um Ausfransungen an den bearbeiteten Werkstückoberflächen zu vermeiden und die Belastungen des Werkstoffverbundes durch erhöhte Schnittkräfte zu vermeiden. Andernfalls führt dies zu einer geringen Qualität der bearbeiteten Flächen und einer erhöhten Rauheit. Ferner können Fasern u.U. auch aus dem Verbund herausgerissen werden und auch im größeren Abstand zur bearbeiteten Oberfläche zur Schwächung des Materials führen.
Zum Lösen dieses Dilemmas wurde vorgeschlagen, die Diamantschicht an den Scheiden nachzubearbeiten. Als Verfahren sind hier Laserabtrag und Plasmaätzen bekannt. Neben dem hohen Aufwand ist es hier vor allem nachteilig, dass die Diamantschicht hier zunächst wesentlich dicker abgeschieden werden muss, um eine entsprechende Bearbeitungsreserve zu schaffen. Dies erfordert wieder eine intensivere Vorbehandlung und lange Beschichtungszeiten. Die Beschichtungszeiten sind wegen der Besonderheiten der CVD-Diamantbeschichten auf Hartmetallen so schon vergleichsweise lang und ein bedeutender Kostenfaktor. Die Nacharbeit ist vor allem bei kleinen Werkzeugen und/oder Werkzeugen mit komplexer Geometrie besonders aufwändig. Eine Nachbearbeitung mittels Schleifverfahren weist vergleichbare Nachtteile auf und war, u.a. wegen der hohen Härte von Diamant, auf CVD-diamantbeschichteten Werkzeugen bisher nicht er- folgreich. Höhere Schichtdicken benötigen zudem eine intensivere Vorbehandlung, also ein tieferes Wegätzen der Hartmetallbestandteile an der Oberfläche, was den Schneidkantenradius weiter erhöht. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine vorteilhafte und kostengünstige Ausgestaltung des Werkzeuges und der Diamantbeschichtung vorzuschlagen, wobei das Werkzeug eine erhöhte Belastbarkeit und lange Standzeit beim Zerspanen der genannten Werkstoffe aufweist, ohne dass es zu einer reduzierten Oberflächenqualität der bearbeiteten Ober- flächen kommt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein beschichtetes Werkzeug nach Anspruch i. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Bei diamantbeschichteten Fräsern oder Bohrern zeigte sich in den betrachteten Einsatzfällen überraschenderweise, dass eine ungerade Anzahl von Schneiden die Standzeit erhöht.
Der Grund des Vorteils ungeradzahliger Schneiden ist nicht vollständig klar. Eventuell liegt es daran, dass bei geradzahligen Schneiden ein längsgestreckter Faserstrang in der Regel gleichzeitig von zwei gegenüberliegenden Schneiden zerschnitten werden muss und so größere Maxima bei den Schnittkräften auftreten.
Es wurde weiter gefunden, dass sich auch bei geringen Schichtdicken beachtliche Stand- Zeiten erzielen lassen, wenn man die Anzahl der Schneiden dafür erhöht. Im Vergleich zu den angrenzenden geradzahligen Schneidenanzahlen zeigt sich dies vor allem, wenn die Schneidenanzahl fünf oder mehr betrug, besonders sieben oder mehr. Die Schneidenanzahl 7 zeigte besonders gute Ergebnisse. Die obere Grenze für die Anzahl der Schneiden ist im Prinzip nicht begrenzt. Allerdings werden die Spanräume mit zunehmender Schneidenanzahl immer flacher. Es ist u.U. angebracht, dass der Spanraum ausreichend Platz für ein Faserbündel oder zumindest eine Faser aufweist. D.h. die Tiefe des Spanraums sollte bevorzugt größer oder gleich dem Durchmesser eines Faserbündels oder der Faser ist.
Da der Spanraum zwischen zwei Schneiden frei bleiben muss, weist der Querschnitt eines mehrschneidigen Werkzeuges bei gleichem Funktionsdurchmesser mehr Werkzeugmaterial auf. Dies stellt einen weiteren Vorteil der Erfindung dar, da dadurch die - A -
Bruchempfindlichkeit, gerade bei dünnen, diamantbeschichteten Vollhartmetallwerkzeugen, herabgesetzt wird.
Bei einem 2-schneidigen Werkzeug mit einer Schichtdicke von 30 μm verfügt man über ein Verschleißvolumen von ca. 60 μm. Dafür ist aber eine Schneidkantenverrundung von über 30 μm in Kauf zu nehmen. Bei einem 7-schneidigen Werkzeug von 9 μm erhält man gut das gleiche Verschleißvolumen, muss aber nur eine Kantenverrundung von ca. 9μm in Kauf nehmen. Eine allgemeinere Regel für die Anzahl von Schneiden und zugehörigen Schichtdicken findet sich in den Ansprüchen.
Es wurden vor allem Schaftfräser im Bereich von 1 bis 2 mm positiv getestet. Aber eine Verbesserung war auch in anderen Durchmesserbereichen feststellbar.
Besonders bevorzugt werden spiralverzahnte Fräser. Diese weisen spiralförmige Spanflä- chen auf, in die zusätzliche Kerben zum Spanbrechen eingeschliffen sind.
Als Substratmaterial werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Hartmetalle und Cermets betrachtet, d.h. Sintermaterialien aus Hartstoffpartikeln und Bindermaterial, insbesondere mit WC-Körnern in einer Co-haltigen Matrix. Bevorzugt werden WC-Co- Hartmetalle verwendet, die weniger als 2 Gew.%, weiter bevorzugt weniger als 1 Gew.% andere Bestandteile enthalten. Bevorzugt beträgt der Cobaltgehalt des Hartmetalls 6 bis 12 Gew.%, besonders bevorzugt bis 9 Gew.%. Die mittlere WC-Korngröße ist bevorzugt kleiner gleich 1 μm, besonders bevorzugt kleiner gleich 0,5 μm. Um eine gute Haftung der Diamant-Beschichtung auf dem Substrat zu erzielen, sind verschiedene Vorbehandlungsmethoden bekannt. Verbreitet ist, dass der Binder des Substrates, im besonderen Cobalt, aus der Oberfläche entfernt wird. Während der langen Prozesszeiten und hohen Temperaturen bei der CVD-Diamantbeschichtung kommt es zu schädlichen Wechselwirkungen zwischen dem Kohlenstoff, der die Diamantschicht bilden soll, und dem Cobalt. Dieser verhindert Diamantbildung, und führt stattdessen zu graphitischen Phasen. Die Entfernung des Cobalts kann bspw. mit Hilfe von Säuren erfolgen. Dünne Zwischenschichten, die den direkten Kontakt von Cobalt und Diamant verhindern, können ebenfalls angewendet werden. Es zeigte sich, dass die Entfernung des Cobalts erfindungsgemäß geringer ausfallen kann als beim üblichen Stand der Technik. Im Besondern brauchte das Cobalt nur bis in eine Tiefe von 1,8 bis 3,2 μm entfernt zu werden. Dies trägt weiter zu einer Reduzierung der Schneidkantenverrundung bei und bewahrt die Duktilität des Substrates. Der Grund ist wahrscheinlich, dass die Schnittkräfte und Schichtendicken bei oben genannten erfindungsgemäßen Maßnahmen geringer ausfallen.
Die erfindungsgemäße Diamantschicht enthält bevorzugt feinkristallinen oder na- nokristallinen Diamant. Solche Schichten sind glatter und zerteilen die Fasern effektiver und mit geringeren Schnittkräften. Schichten aus mehreren Einzellagen, die unterschiedliche Kristallitgrößen und/ oder unterschiedliche Anteile an Kohlenstoff in NichtDiamant-Konfiguration enthalten, haben besondere Vorteile, da bei Belastung entstehende Risse an den Grenzen der Einzellagen abgelenkt werden und nicht das kritische Substrat-Schicht-Interface erreichen. Die Dicke der gesamten Diamantschicht kann an den Schneidkanten 1 bis 15 μm betragen. Besonders gute Ergebnisse konnten mit Schichtdicken von 8 bis 10 μm erzielt werden.
Die Beschichtung ist vor allem an den Schneiden notwendig. Sie kann aber auch die ge- samte Funktion des Werkzeugs umfassen.
Geschliffene Werkzeuge weisen nach der Beschichtung einen Schneidkantenradius auf, der mindestens der Diamantschichtdicke entspricht. Jedoch sollte das Verhältnis von Kantenradius zu Schichtdicke gering bleiben. Zahlenmäßige Angaben finden sich in den Ansprüchen.
Ein Fräser kann an seiner Spitze als Bohrer bevorzugt mit Fischschwanzgeometrie ausgebildet sein, so dass ein Vorbohren für innen liegende Fräswege entfallen kann oder um ein leichteres Eintauchen zu ermöglichen.
Die genannten Vorteile der Erfindung gelten analog auch für Bohrer. Besonders bei Bohrungen für PCBs bzw. Leiterplatten sind jedoch auch sehr kleine Durchmesser technisch wünschenswert bspw. von unter einen 1 mm oder 0,5 mm, oder sogar mit Durchmessen kleiner oder gleich 0,2 mm. Die im Vergleich zu Fräsern kleineren Durchmesser sind möglich, da beim Bohren kaum Kräfte quer zur Längsrichtung des Werkzeugs auftreten, die einen Bruch bewirken könnten. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Fig.i zeigt den Querschnitt durch einen Fräser mit 5 Schneiden;
Fig. 2 zeigt die Längsansicht eines 5-schneidigen Fräsers mit Fischschwanz-Anschliff; Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch einen Fräser mit 7 Schneiden und
Fig. 4 zeigt die Längsansicht eines 5-schneidigen spiralverzahnten Fräsers Fischschwanz-Anschliff.
Ein in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellter 5-schneidiger Fräser 10 weist fünf Schneidkanten 12 auf.
In einer zweiten Ausführungsform eines 5-schneidigen Fräsers 20 (Fig. 4) sind die Schneiden spiralverzahnt ausgebildet, nämlich mit Kerben 22 zum Spanbrechen versehen.
Es sind nur Kerben in der Nähe der Fräserspitze gezeichnet. Bevorzugt weist die gesamte Funktion Kerben auf.
Schließlich zeigt Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines Fräsers mit 7 Schneiden 12.
Wie aus dem Vergleich von Fig. 1 und Fig. 3 erkennbar, weist der Querschnitt eines mehrschneidigen Werkzeuges bei gleichem Funktionsdurchmesser mehr Werkzeugmaterial auf. Alle Werkzeuge werden zunächst chemisch vorbehandelt und anschießend einer CVD- Diamantbeschichtung mit nanokristallinem Diamant unterzogen. An den Schneiden beträgt die Schichtdicke 12 bzw. 9μm. Bei der Bearbeitung von Leiterplatten zeigt ein 5-schneidiger Fräser mit einer 12 μm dicken CVD Diamantschicht bessere Standzeiten, als ein 6-schneidiger mit gleicher Dicke. Die besten Standzeiten konnten mit einem 7-schneidigen Werkzeug mit 9 μm Schichtdicke erreicht werden.