System und Verfahren zum spanenden Bearbeiten eines Werkstücks

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System gemäß Anspruch 1 sowie ein korrespondierendes Verfahren nach Anspruch 7,

Halbzeuge können heutzutage mit unterschiedlichen Fertigungstechniken in kurzer Zeit mit sehr engen Toleranzen bearbeitet werden. Der Fortschritt in der spanabhebenden und spanlosen Bearbeitung von Werkstücken lässt sich vor allem auf den rasanten Fortschritt in der Werkzeug- und

Werkzeugmaschinentechnologie zurückführen. Unter einer

Werkzeugmaschine versteht man eine, das Werkzeug aufnehmende und gegenüber einem Werkstück führende Maschine. Das Werkzeug ist das Bauteil, welches direkt am zu bearbeitenden Werkstück ansetzt, um es zu bearbeiten. Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge für verschiedene Werkzeugmaschinen, beispielsweise Bohrer, Fräser,

Schleifscheiben, Drähte, Meißel, Gewindeschneider etc.

Die Verwendung dieser Werkzeuge ergibt sich vorwiegend aus deren Einsatzgebiet. Dies soll anhand zweier einfacher Beispiele dargestellt werden. Bohrer sind beispielsweise Werkzeuge, die eine drehende Bewegung um ihre Zylinderachse (Werkzeugachse) durchführten, während sie mit einer

Vorschubgeschwindigkeit parallel zur Drehachse in das Material getrieben werden (Vorschubrichtung). Durch die Kombination von Drehung und

Vorschub ergibt sich ein werkzeugspezifischer Materialtransport.

Spiralbohrer erzeugen mit ihrer Schneide einen Span, der durch die spiralförmige Schneide an die Oberfläche transportiert wird. Die

Vorschubbewegung treibt den Bohrer dabei immer tiefer in das Werkstück, während die Schneide einen Span im Bohrloch erzeugt. Die Vorschubrichtung ist hier mit der Werkzeugachse identisch.

Fräswerkzeuge sind ebenfalls, sich drehende, meist hochfrequent arbeitende, Werkzeuge, zur spanabhebenden Bearbeitung. Abhängig vom Fräsertyp kann ein Werkstück durch einen Fräser allerdings mehrachsig zerspant werden. Fräser besitzen wie Bohrer werkzeugspezifische Parameter, deren Kenntnis unabdingbar für die schnelle, effiziente, billige und vor allem korrekte Bearbeitung eines Werkstückes ist.

Schleifwerkzeuge besitzen meistens eine ebene, bei drehender Bewegung insbesondere eine kreisrunde, Fläche. Sie werden mit Druck auf die zu bearbeitende Werkstückoberfiäche bewegt, und tragen das Material des Werkstücks entsprechend vollflächig ab. Schleifstifte hingegen besitzen eine abrasive Manteloberfläche und weisen damit eine gebogene Werkzeugfläche auf.

Neben diesen drei genannten Werkzeugtypen existieren noch sehr viele weitere, die alle für sehr spezielle Bearbeitungsbedingungen hergestellt wurden. Obwohl die Werkzeuge bezüglich ihres Verwendungszwecks kategorisiert werden können, besitzt jeder Werkzeugtyp wiederum

verschiedene Ausführungsformen. So existieren beispielsweise Schruppfräser zum Schruppen, also zum grobspanenden Fräsen von Werkstücken und Schlichtfräser zur entsprechenden Feinbearbeitung des Werkstücks. Des Weiteren können gleiche Werkzeuge aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt werden. Es ist offensichtlich, dass Werkstücke aus entsprechend weichem Material mit einem Werkzeug bearbeitet werden sollten, dass eine gewisse Festigkeit und Härte besitzt. Vor allem bei hochfesten Werkstoffen wie den Karbid- und Nitridkeramiken wird es immer schwieriger,

entsprechende Werkstoffe für die zu bearbeitenden Werkzeuge zu entwickeln, da diese über eine sehr hohe Härte, Festigkeit und vor allem auch Zähigkeit verfügen müssen. Die Wahl des richtigen Werkzeuges ist also entscheidend für eine effiziente und korrekte Bearbeitung eines Werkstücks.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gattungsgemäße

Systeme und Verfahren derart zu verbessern, dass ein geringerer

eugverschleiß und entsprechend höhere Standzeiten sowie eine

Steigerung der Verarbeitungsgeschwindigkeit, also des Spanvolumens beziehungsweise Aushubvolumens pro Zeiteinheit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche

Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen

Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.

Die Erfindung betrifft einerseits einen Mehrphasenwerkstoff und ein entsprechendes Werkzeug, das aus dem Mehrphasenwerkstoff besteht oder zumindest damit beschichtet wurde. Insbesondere handelt es sich bei dem Mehrphasenwerkstoff um einen Zweiphasenwerkstoff, also einen Werkstoff mit exakt zwei Phasen. In einer ganz besonderen Ausführungsform ist dieser Zweiphasenwerkstoff eine mechanische Legierung. Im weiteren Verlauf des Patents wird explizit auf einen solchen Zweiphasenwerkstoff Bezug genommen, obwohl die erfindungsgemäßen Ausführungsformen auch mit Mehrphasenwerkstoffen durchführbar sind.

Insbesondere besteht der Zweiphasenwerkstoff mindestens aus einem

Matrixmaterial und darin eingebetteten Diamanten. Er eignet sich besonders zur Bearbeitung von hochfesten, harten und ultraharten Werkstoffen. Das Werkzeug zeichnet sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit, hohe

Standzeiten, hohe Vorschubgeschwindigkeiten etc. aus. Das

erfindungsgemäße Werkzeug arbeitet besonders effektiv, wenn eine schwingende Relativbewegung zwischen dem erfindungsgemäßen Werkzeug und dem zu bearbeitendem Werkstück besteht. Erfindungsgemäß hat das Werkzeug andererseits eine besonders hohe Effizienz, wenn es mit einer Werkzeugmaschine verwendet wird, die in der Lage ist, das zu bearbeitende Bauteil (Werkstück) relativ zum Werkzeug in einer geneigten Ebene schwingen zu lassen, deren Normalenvektor nicht parallel zur Werkzeugachse und/oder zu einer Vorschubrichtung des Werkzeugs ist.

Der Stand der Technik offenbart vor allem die Wichtigkeit der korrekten Werkzeugwahl für das jeweils zu bearbeitende Werkstück sowie die korrekte Wahl der Bearbeitungsparameter. Die Erfindung betrifft im Gegensatz dazu den Aufbau und vor allem die korrekte Verwendung einer Mikro- und/oder Nanostruktur der Werkzeugoberfläche, welche einen entscheidenden Einfluss auf die Bearbeitung der Werkstücke hat. Das liegt vor allem daran, dass die Oberfläche des Werkzeuges die Übertragungsfläche zwischen Werkzeug und Werkstück darstellt und damit einen entscheidenden Einfluss auf die Kraft- und Momentübertragung der Werkzeuggeometrie auf die

Werkstückoberfläche hat. Der Vorteil der Erfindung besteht in der

effizienteren Bearbeitung von Werkstücken, vor allem bei der

erfindungsgemäßen Verwendung für Werkstücke aus hochfesten, harten und ultraharten Werkstoffen. In der Technik existieren mehrere unterschiedliche Prüfverfahren zur Bestimmung des Härtegrades von Werkstoffen. Für keramische und/oder Sinterwerkstoffe wird sehr oft die Härtemessung nach Knoop verwendet. Die erfindungsgemäß bevorzugt bearbeitbaren Werkstoffe besitzen hierbei vorzugsweise Knoophärten größer als 1 , mit Vorzug größer als 10, mit größerem Vorzug größer als 100, mit größtem Vorzug größer als 1000, mit allergrößtem Vorzug größer als 5000. Als Vergleichswert können die Knoophärte von ungefähr 4800 für kubisches Bornitirid (cBN) und die Knoophärte von ungefähr 7000 für Diamant dienen.

Ein weiteres Härteprüfverfahren ist das Verfahren nach Vickers, das dem Knoop-Verfahren sehr ähnlich ist. Die Härtewerte zwischen dem Knoop- und dem Vickersverfahren sind nicht 1 : 1 übertragbar aber bewegen sich in der gleichen Größenordnung. Diamant besitzt eine Härte von ca. 8000, kubisches Bornitrid von ca. 5000, Borcarbid von ca. 3700, Siliziumcarbid von ca. 3500, Titanborid von ca. 3450, Aluminiumoxid von ca. 2100, Chromcarbid von ca. 2100, Zirkonoxid von ca. 1200, Chromnitrid von ca. 1 100, Titancarbid von ca. 2200 nach Vickers. Baustahl besitzt im Vergleich dazu nur eine

Vickershärte von ungefähr 100.

Dem Fachmann sind alle Härteprüfverfahren, deren Vor- und Nachteile sowie die Umrechnungstabellen und Formeln bekannt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit Vorzug dazu geeignet, alle oben genannten Materialien in extrem kurzer Zeit zu bearbeiten (Verwendung).

Die Erfindung beschreibt insbesondere eine Oberfläche eines Werkzeuges und eine Methode, das Werkzeug mit der erfindungsgemäßen Oberfläche optimal zur Bearbeitung von Werkstoffen einzusetzen. Die

Werkzeugoberfläche wird mit Vorzug dazu verwendet, um Gefüge von harten und ultraharten Werkstoffen, beispielsweise Karbid- und/oder

Nitridmaterialien zu zertrümmern. Erfindungsgeraäße Ausführungsformen und Verfahren können auch einen positiven Effekt auf zähe Materialien, vor allem Metalle haben. Die erfindungsgemäßen Werkzeuge können mit, insbesondere überwiegend in Längsrichtung und/oder spiralförmig verlaufenden, ühlnuten ausgestattet sein um die Oberfläche effizient kühlen.

Es wird im Rahmen der Erfindungsbeschreibung grundsätzlich nicht zwischen einer Spanbildung und dem Brechen eines hochfesten, niedrigzähen Gefüges unterschieden. Dementsprechend wird im weiteren Verlauf unter dem Begriff Span sowohl der dem Wort innewohnende Sinn, also der Span eines vorwiegend plastisch verformbaren Materials, verstanden als auch die aus einer hochfesten, niedrigzähen Mikro struktur, herausgebrochenen Körner. Erfindungsgemäß umfasst Spanen sowohl das Bearbeiten mit geometrisch bestimmter und geometrisch unbestimmter Schneide, wobei die Verwendung für geometrisch unbestimmte Schneiden erfindungsgemäß bevorzugt ist. Für spröde Materialien wird sehr oft auch das Wort Reißspan verwendet. Im Allgemeinen können folgende Spanarten unterschieden werden:

• Reißspan

• Scherspan

Fließspan

Lamellenspan

Erfindungsgemäß bevorzugt wird die Bearbeitung von Werkstücken aus körnigem Material mit einer Korngrößenverteilung.

Die erfindungsgemäße Werkzeugoberfläche ist insbesondere eine

Mehrphasenwerkzeugoberfläche, die aus mindestens zwei Bestandteilen besteht, vorzugsweise einem Matrixmaterial und im Matrixmaterial eingebetteten Mikro- und/oder Nanosplittern, die weiterhin als Mikro- bzw. Nanomeißel oder einfach nur als Meißel bezeichnet werden. Das

Werkzeugoberflächenmaterial ist vorzugsweise ein Verbundwerkstoff. Die erfindungsgemäße Werkzeugoberfläche hat grundsätzlich auf jedem

beliebigen Werkzeug einen positiven Effekt auf die Bearbeitung des Gefüges eines Werkstücks. Besonders effizient ist die erfindungsgemäße Werkzeugoberfläche allerdings auf einem Schneidewerkzeug als erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsform.

Bei dem Werkzeug kann es sich insbesondere um eine der folgenden Ausführungsformen handeln:

• Schneidewerkzeug, insbesondere

o Fräser, insbesondere

^■ Walzenfräser,

^■ Waizenstirnfräser,

^■ Prismenfräser,

^■ Halbrundprofilfräser,

^■ Scheibenfräser,

^■ Winkelfräser,

» Schaftfräser,

^■ Langlochfräser,

^■ Schlitzfräser,

^■ Nutfräser oder

^■ Langlochfräser,

o Bohrer, insbesondere

■ Gewindebohrer,

■ Spiralbohrer oder

^■ Stufenbohrer,

o Drehwerkzeuge, insbesondere

^■ Drehmeißel

o Ausspindler,

o Meißel oder

o Säge,

• Schleifwerkzeug,

• Allgemein Werkzeugteile, insbesondere

o Wändeschneidplatte Bei dem Matrixmaterial wird erfindungsgemäß bevorzugt eine der folgenden Werkstoffgruppen gewählt:

• Legierungen, insbesondere

o Stahl, insbesondere

^■ Werkzeugstahl, insbesondere

• Schnellarbeitsstahl (HSS),

• Warmarbeitsstahl und/oder

• Kaltarbeitsstahl

o Hartmetalle und/oder

o Refraktärmetalle und/oder

o Metallmatrixverbundwerkstoffe (MMC) und/oder o Lote

• Metalle, insbesondere

o Kristalline Metalle und/oder

o Quasikristalline Metalle und/oder

o Amorphe Metalle (metallische Gläser),

• Keramik und/oder

• Kohlefaserverbundwerkstoff.

Mit besonderem Vorzug werden die Mikromeißel von Loten fixiert.

Die Meißel bestehen insbesondere aus einem Material mit einer Härte

(Härteskala nach Mohs) größer 7, vorzugsweise größer 8 und/oder einer Härte (Rockwell-Härte) größer 60, vorzugsweise größer 63. Genauer ist Angabe der bevorzugten Härte nach Vickers. Die Vickershärte des Meißels ist größer als 10, mit Vorzug größer als 100, mit größerem Vorzug größer als 1000, mit größtem Vorzug größer als 5000, am bevorzugtesten gleich groß oder größer als die Vickershärte von Diamant. Bevorzugt bestehen die Meißel aus einem der folgenden Werkstoffe oder einer der folgenden Werkstoffklassen:

• Mineral, insbesondere

o Elementar, bevorzugt

^■ Diamant,

• Legierungen, insbesondere o Stahl, insbesondere

^■ Werkzeugstahl, insbesondere

• Schnellarbeitsstahl (HSS) und/oder

• Warmarbeitsstahl und/oder

• Kaltarbeitsstahl,

o Hartmetalle und/oder

o Refraktärmetalle und/oder

o Metallmatrixverbundwerkstoffe (MMC),

• Metalle, insbesondere

o Kristalline Metalle und/oder

o Quasikristalline Metalle und/oder

o Amorphe Metalle (metallische Gläser)

• Keramik, insbesondere SiC, S13N4 und/oder

• Glas, insbesondere Quarz und/oder

• Kohlefaserverbundwerkstoff.

Mit Vorzug handelt es sich bei den Meißeln erfindungsgemäß um Diamanten.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform können grundsätzlich alle Arten von Gefügen bearbeitet werden. Insbesondere eignet sich die

erfindungsgemäße Ausführungsform allerdings für hochfeste Werkstoffe mit einem mikro- und/oder nanokristallinen, spröden Gefüge. Unter einem mikro- bzw. nanokristallinem Gefüge versteht man eine Mikrostruktur, bei der die einzelnen Kristallite, die sogenannten Körner, Dimensionen im Mikro- bzw. Nanometerbereich besitzen. Vor allem bei einigen keramischen Werkstoffen wie Siliziumkarbid können die Körner eine längliche, nadeiförmige oder plattenförmige Morphologie besitzen. In diesem Fall sind die Hauptachsen der Körner unterschiedlich lang.

Unter Festigkeit versteht man den Widerstand den ein Werkstoff einer plastischen Verformung entgegensetzt. Die erfindungsgemäße

Ausführungsform wird nicht ausschließlich, aber vor allem zur Bearbeitung von spröden Werkstoffen verwendet. Spröde Werkstoffe besitzen eine geringe bis gar keine Tendenz, sich plastisch zu verformen und charakterisieren sich vor allem durch ein sogenanntes Sprödbruchversagen. Daher sind Angaben für Streckgrenzen, Fließgrenzen und Zugfestigkeiten für spröde Materialien wenig sinnvoll. Die Spannung, bei der ein ideal spröder Werkstoff bricht wird als Bruchspannung bezeichnet. Ohne näher den genauen Unterschied zwischen Streckgrenzen, Zugfestigkeiten und Bruchspannungen

hervorzuheben, wird die erfindungsgemäße Bearbeitung von Werkstoffen mit Streckgrenzen bzw. Bruchspannungen über 10 N/mm ² , mit Vorzug über 100 N/mm ² , mit größerem Vorzug über 1000 N/mm ² , mit größtem Vorzug über 5000 N/mm ² bevorzugt (Verwendung). Die erfindungsgemäß bevorzugt bearbeitbaren Werkstoffe sind:

• Metalle, insbesondere

o Refraktärmetalle und/oder

o Leichtmetalle und/oder

o Hartmetalle und/oder

o Buntmetalle,

• Metalliegierungen,

• Keramiken, insbesondere

o Si ₃ N ₄ , h-BN, c-BN, w-BN, WC und/oder W ₂ C und/oder o Minerale

• Gläser, insbesondere

o Metallische Gläser und/oder

o Keramische Gläser, insbesondere Quarz

• Polymere.

Die mittlere Größe der erfindungsgemäß im Matrixwerkstoff eingebetteten Meißel ist im Mittel im Querschnitt insbesondere kleiner als Ι ΟΟΟμηι, mit Vorzug kleiner als Ι ΟΟμηι, mit größerem Vorzug kleiner als Ϊ Ομιη, mit größtem Vorzug kleiner als l pm.

Die Meißel sind insbesondere mit einem Großteil ihres Volumens im

Matrixmaterial eingebettet. Vorzugsweise sind mehr als 20%, mit Vorzug mehr als 40%, mit größerem Vorzug mehr als 60%, mit größtem Vorzug mehr als 80% des Volumens im Matrixmaterial eingebettet beziehungsweise von dem Matrixmaterial umgeben.

Der mittlere Raum zwischen den Meißeln wird als Spanraum bezeichnet, der vor allem der Aufnahme des Spans oder von Spanbruchstücken oder von Bruchstücken harter und spröder Materialien dient. Die mittlere Größe des Spanraums, also insbesondere der mittlere Abstand zwischen benachbarten Meißeln, wird erfindungsgemäß insbesondere in der Größenordnung der abzutransportierenden Späne eingestellt, vorzugsweise +/- 20% von der mittleren Größe der Späne. Vor allem bei nano- und/oder mikrokristallinen Materialien können teilweise ganze Körner in der Größenordnung des

Spanraums aus dem Werkstoff gebrochen werden. Das gilt umso mehr, je spröder der zu bearbeitende Werkstoff ist.

Erfindungsgemäß ist vor allem auch die schnelle Abfuhr des erzeugten Spans aus dem Spanraum wünschenswert, um die Belastung auf das Werkzeug, die Werkzeugoberfläche und die Werkzeugmaschine minimal zu halten. Daher wird in einer ganz bevorzugten Ausführungsform der Span mindestens gleich schnell oder mit Vorzug schneller aus dem Zwischenraum von Werkzeug und Werkstück abgeführt, als er nachgebildet werden kann. Die Menge an aufgenommenen Span pro Zeiteinheit, sowie die Größe des Spans hängt von mehreren Parametern ab. So wird ein Werkzeug mit einer hohen

Vorschubgeschwindigkeit sich schneller in das Material vorarbeiten, als der Span aus dem Spanraum abtransportiert werden kann. Der Span wird umso schneller aus dem Spanraum abtransportiert, je höher die

Schnittgeschwindigkeit des Werkzeuges ist. Daher wird die

Schnittgeschwindigkeit erfindungsgemäß insbesondere so eingestellt, dass bei vorgegebener Vorschubgeschwindigkeit der Span schnell genug

abtransportiert werden kann. Die Parameter werden insbesondere empirisch bestimmt. In der bevorzugtesten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße

Werkzeug so verwendet, dass der erzeugte Span bzw. die erzeugten Späne im Mittel weniger als 10 mal kleiner (insbesondere jeweils gemessen als mittlerer Durchmesser oder jeweils als längster Durchmesser), mit Vorzug weniger als 5 mal kleiner, mit größerem Vorzug weniger als 3 mal kleiner ist/sind als die mittlere Korngröße der Körner des Materials des Werkstücks, mit besonderem Vorzug so groß ist wie die mittlere Korngröße.

Bevorzugt wird die Vorrichtung so eingestellt, dass ganze Körner aus der Oberfläche des Werkstücks herausgebrochen werden. Dabei kann der jeweilige Span bzw. die erzeugten Späne im Mittel kleiner als die mittlere Korngröße werden. Insbesondere ist der Span bzw. die erzeugten Späne im Mittel größer als 0.01 , mit Vorzug größer als 0.1 , mit größerem Vorzug größer als 0.5, mit besonderem Vorzug größer als 0.8 mal die mittlere Korngröße der Körner des Materials des Werkstücks. Auf Grund der

Tatsache, dass viele Körner piattenförmig bzw. nadeiförmig ausgebildet sind und/oder sich in Ihren Größen grundsätzlich unterscheiden können, wird erfindungsgemäß insbesondere von einem mittleren Korndurchmesser für die Korngröße ausgegangen. Die mittlere Korngröße liegt dabei zwischen 100 μιη und 1 nm, mit Vorzug zischen 50 μιη und 10 nm, mit größerem Vorzug zwischen 10 μιη und 0.1 μπι, mit größtem Vorzug zwischen 10 und 1 μ«ι. Der Teil der Meißel, welcher aus dem Matrixmaterial herausragt, wird erfindungsgemäß als Nutzteil bezeichnet. Der Teil der Meißel, der im

Matrixmaterial eingebettet und/oder verankert ist, wird als Ankerteil bezeichnet. Der Nutzteil ist beim erfindungsgemäßen Einsatz ein

mechanischer Hebel, der in das Gefüge des Werkstückes eindringen und die Körner herausbrechen kann.

Die Länge des Nutzteils, also der mittlere Abstand zwischen dem äußersten Punkt der Meißel und der Werkzeugoberfläche wird als mittlere

Meißelaustrittslänge oder mittlere Nutzteillänge bezeichnet. Die mittlere Nutzteillänge ist insbesondere kleiner als 1mm, mit Vorzug kleiner als Ι ΟΟμηι, mit Vorzug kleiner als Ι Ομπι, mit größerem Vorzug kleiner als Ι μπι.

Der mittlere Abstand zwischen den Mikromeißeln ist insbesondere kleiner als 1mm, mit Vorzug kleiner als Ι ΟΟμηι, mit Vorzug kleiner als Ι Ομιη, mit größerem Vorzug kleiner als Ι ιη. Im Idealfall ist die Oberfläche sogar zu 100% mit den Mikromeißeln belegt.

Die Werkzeugradien sind in der Regel viel größer als der mittlere Abstand zwischen den Mikromeißeln an der Werkzeugoberfläche. Damit kann man ein Werkzeugoberflächengebiet in der Größe des mittleren Abstandes zwischen zwei Mikromeißeln als eben ansehen und die Berechnung des Spanraumes auf die beiden Parameter der Meißelaustrittslänge und des mittleren Abstandes zwischen zwei Mikromeißeln zurückführen. Der Spanraum ist

erfindungsgemäß insbesondere größer als l OOnm ³ , mit Vorzug größer als Ι μηι ³ , mit größerem Vorzug größer als Ι Ομπι ³ , mit größtem Vorzug größer als Ι ΟΟμιη ³ , am bevorzugtesten größer als 1 mm ³ .

Unter der Schnittgeschwindigkeit versteht man die Geschwindigkeit der spanabhebenden Schneide in Schnittrichtung. Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit mit der das Werkzeug weiter in den zu bearbeitenden Bereich des Werkstücks getrieben wird. Grundsätzlich gilt, dass die

Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden kann, wenn man die

Schnittgeschwindigkeit erhöht, ohne zusätzliche Kräfte an den Meißeln zu generieren.

Die von einer etwaigen, zusätzlichen Schwingung (prozessgesteuerte

Achserregung, siehe weiter unten) unabhängige Frequenz einer

Bewegungsperiode (bspw. die Rotation eines sich drehenden Fräsers oder Bohrers oder die schwingende Bewegung des Werkzeuges einer

Stoßmaschine) des Werkzeuges ist erfindungsgemäß insbesondere größer als 10Hz, mit Vorzug größer als 50Hz, mit größerem Vorzug größer als 100Hz, mit größtem Vorzug größer als l OOOHz, mit allergrößtem Vorzug größer als 10000Hz.

Aus dieser Frequenz des Werkzeuges ergibt sich die Schnittgeschwindigkeit v _c . Die Schnittgeschwindigkeit v _c ist insbesondere größer als 10 m/min, mit Vorzug größer als 1 000 m/min, mit größerem Vorzug größer als 2000 m/min, mit größtem Vorzug größer als 3000 m/min, mit allergrößtem Vorzug größer als 5000 m/min.

In Kombination mit den vorgenannten erfindungsgemäßen Aspekten besteht ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung darin, durch prozessgesteuerte Achserregung eine verbesserte Spanwirkung zu erzielen. Erfindungsgemäß erfolgt beim Eingriff des Werkzeugs in das Werkstück, also beim Spanen, eine schwingende schräge Relativbewegung zwischen dem Werkstückhalter und damit dem Werkstück und dem Werkzeug. Dabei wird die Mikrostruktur des Werkstückes derart belastet, dass eine bessere

Spanwirkung erreicht wird. Insbesondere besteht der Werkzeughalter aus mindestens zwei Teilen, die entlang einer schrägen Ebene durch

Schwingungsmittel gegeneinander in Schwingung versetzt werden. Hieraus ergeben sich zwei Schwingungskomponenten, nämlich eine erste

Schwingungskomponente in Vorschubrichtung des Werkzeugs und eine zweite Schwingungskomponente quer zur Vorschubrichtung. Zusammen mit der, insbesondere zu der ersten und/oder der zweiten

Schwingungskomponente quer verlaufenden Schneidrichtung wird der erfindungsgemäße„Meißeleffekt" erzielt, der für eine deutliche

Beschleunigung des Spanens bei gleichem Kraftaufwand sorgt. Die Anlage zur Erzeugung dieses Effektes ist in der Druckschrift WO2012/084779A 1 offenbart, auf die insofern Bezug genommen wird. Die Kombination einer prozessgesteuerte Achserregung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug ist einer der Hauptaspekte des Patents und eine eindeutige

Unterscheidung vo Stand der Technik, indem die hier genannten Werkzeuge zwar eingesetzt werden können, aber einen extrem hohen Verschleiß der Oberfläche, insbesondere der Diamanten nach sehr kurzer Standzeit des Werkzeuges aufweisen, da die für das Brechen des Gefüges notwendige Krafteinwirkung durch die prozessgesteuerte Achserregung fehlt. Diamanten sind des weiteren sehr hitzeerapfindlich und verdampfen bei erhöhten Temperaturen, vor allem unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre sehr leicht. Daher ist insbesondere eine Kühlung des Werkzeuges, insbesondere

Diamantwerkzeuges, vorgesehen. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann besonders effizient arbeiten, wenn eine Kühlung verwendet wird, die das erfindungsgemäße Werkzeug auf einer Arbeitstemperatur von weniger als 500°C, mit Vorzug weniger als 300°C, mit größerem Vorzug von weniger als 100°C, mit größtem Vorzug bei weniger als 50°C hält.

Soweit die Schwingungsfrequenz der Schwingungsmittel kleiner als 1 GHz, insbesondere < 100 MHz, vorzugsweise < 1 MHz, noch bevorzugter < 100 kHz, noch bevorzugter < 1 kHz, idealerweise zwischen 100 Hz und 600 Hz einstellbar sind, wird eine bessere Spanwirkung erzielt. Indem gleichzeitig oder unabhängig davon die Schwingungsamplituden der Schwingungsmittel < 100 μηι, insbesondere < 50 μιη, vorzugsweise < 10 μιη und idealerweise zwischen 1 μιη und 10 μηι einstellbar sind, wird die Spanwirkung der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weiter erhöht. Die Schwingungsamplitude sollte im idealsten Fall immer so gewählt werden, dass sie stets kleiner ist als die mittlere Nutzlänge LN des Diamanten.

Mit Vorzug ist die Schwingungsamplitude der ersten und/oder der zweiten Schwingungskomponente maximal so groß wie die mittlere Nutzteillänge. Das Verhältnis zwischen der Schwingungsamplitude der ersten und/oder der zweiten Schwingungskomponente und der mittleren Nutzteillänge ist kleiner gleich 1 , mit Vorzug kleiner 10 ^"2 , mit größerem Vorzug kleiner als 10 ^"4 , mit größtem Vorzug kleiner als 10 ^"6 , mit allergrößtem Vorzug kleiner als 10 ^"8 , am bevorzugtesten kleiner als 10 ^"10 . Im Allgemeinen gibt es zwei zueinander sehr unterschiedliche und allgemeine Bearbeitungszustände des erfindungsgemäßen Werkzeuges. Beim ersten, gewollten und erwünschten, Bearbeitungszustand handelt es sich um eine schwingende Bearbeitung des Gefüges mit Hilfe des erfindungsgemäßen Werkzeuges, welche den erfindungsgemäßen Meißel-Effekt hervorruft, bei dem zumindest überwiegend Spanabhebung in Form von ganzen Körnern des Materials erfolgt. Der einzelne Span entspricht daher insbesondere der Größe der Körner des Materials des Werkstücks.

Beim zweiten, ungewollten Bearbeitungszustand, handelt es sich um ein Abschleifen des Gefüges, daher einen Bearbeitungszustand, in dem die Schwingung des erfindungsgemäßen Werkzeuges nicht mehr aufrecht erhalten werden kann, zu stark gedämpft wird oder zusammenbricht. In diesem

Zustand ist eine effiziente Abtragung des Gefüges nicht gewährleistet. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Vorschubgeschwindigkeit nicht groß genug ist, um den erfindungsgemäßen Meißel-Effekt zu bewirken, bei dem, insbesondere in Verbindung mit der schrägen Schwingungsbewegung, Späne als zumindest überwiegend ganze Körner aus dem Material des Werkstücks herausgebrochen werden.

Nach oben, also bei Überschreiten erfindungsgemäßer Parameter der

Vorschubgeschwindigkeit, kann das Problem einer Überhitzung bestehen, so dass erfindungsgemäß insbesondere ein Parameter-Korridor vorgesehen ist, bei dem der genannte Meißel-Effekt bewirkt wird.

Erfindungsgemäß ist das Werkzeug bevorzugt so einstellbar, dass das

Werkzeug im schwingenden Zustand bleibt.

Bei der Frequenz einer Bewegungsperiode handelt es sich insbesondere um die Drehfrequenz eines Fräsers um die eigene Achse. Vor allem in

Verbindung mit der bekannten Apparatur aus WO2012/084779A 1 müssen Drehfrequenz und Vorschubgeschwindigkeit so miteinander im Verhältnis stehen, dass die Gefüge zerstörende Wirkung nicht in eine Gefüge

schleifende Wirkung übergeht. Dazu kommt die aus der Druckschrift

WO2012/084779A 1 bekannte prozessgesteuerte Achserregung, welche eine zusätzliche Schwingungskomponente in das System einbringt. Auch dieser Parameter kann erfindungsgemäß im Zusammenhang mit allen anderen auf das System einwirkenden Parametern so gewählt werden, dass das Werkzeug zu keinem Zeitpunkt in einen Schleifprozess übergeht, sondern immer in Bezug auf das Gefüge mit dem beschriebenen Meißeleffekt schwingt.

Insbesondere werden alle notwendigen Parameter und die optimalen

Parametersätze empirisch bestimmt, wobei vorzugsweise eine Zeitmessung des Spanflusses und/oder eine Korngrößenverteilung des Spans ausgewertet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer Ausführungsform der

Erfindung die Schwingungsmittel Piezoelemente zur Erzeugung der

Schwingung aufweisen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:

Figur 1 Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Systems,

Figur 2a eine schematische Aufsicht einer ersten erfindungsgemäßen

Oberfläche eines Werkzeuges mit einer hohen Dichte an

Mikromeißeln,

Figur 2b eine schematische Seitenansicht der Oberfläche entlang der

Schnittlinie A-A aus Figur 2a _} Figur 3a eine schematische Aufsicht einer zweiten erfindungsgemäßen Oberfläche eines Werkzeuges mit einer niedrigen Dichte an Mikromeißeln,

Figur 3b eine schematische Seitenansicht der Oberfläche entlang der

Schnittlinie B-B aus Figur 3a,

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Si ₃ N ₄ -Gefüges und

Figur 5 eine schematische, vergrößerte Darstellung der Bewegung eines erfindungsgemäßen Meißels gegenüber dem Werkstück.

Figur 1 zeigt ein schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestelltes

Werkzeug 1 (hier einen Schruppfräser) mit einer Werkzeugoberfläche l o. Das Werkzeug erfährt einen Vorschub in einer Vorschubrichtung v und rotiert in der speziellen Ausführungsform um eine Rotationsachse

R/Werkzeuglängsachse W. Aus der Rotationsrichtung R ergibt sich eine Schneidrichtung s entlang einer Werkstückoberfläche 4o eines zu

bearbeitenden Werkstücks 4.

Die Werkzeugoberfläche l o des Werkzeuges 1 kontaktiert das Werkstück 4 an der Werkstückoberfläche 4o. Das Werkstück 4 ist auf einen

Werkstückhalter 5 montiert/fixiert. Hinsichtlich des Werkstückhalters 5 wird auf die WO2012/084779A1 Bezug genommen. Der Werkstückhalter 5 ist so konstruiert, dass er das Werkstück 4 entlang einer Ebene E schwingen lassen kann, deren Normalenvektor E _n einen Neigungswinkel zur

Werkzeuglängsachse W besitzt und/oder die gegenüber der Vorschubrichtung v und/oder der Schneidrichtung s geneigt ist.

Hierzu besteht der Werkstückhalter 5 aus einem ersten Schwingungselement 8 und einem gegenüber dem ersten Schwingungselement 8 entlang der schrägen Ebene E geführten zweiten Schwingungselement 9. Schwingungsmittel, vorzugsweise in Form von Piezoelementen 10, sind vorgesehen, um eine Reiativbewegung der Schwingungselemente 8, 9 zueinander auszuführen.

Die Piezoelemente 10 verbinden die beiden Schwingungselemente 8 und 9 so miteinander, dass durch eine wechselseitige, elektrische Belastung eines Piezoelements 10, eine Relativbewegung zwischen den

Schwingungselementen 8 und 9 erfolgt. Durch die elektrische Belastung der Piezoelemente 10 ist eine hochfrequente Schwingungsbewegung zwischen den beiden Schwingungselementen 8 und 9 möglich. Natürlich wäre auch eine Verwendung von mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen

Elementen denkbar, welche die Piezoelemente 10 ersetzen.

Die Figur 2a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Werkzeugoberfläche l o des Werkzeuges 1 , bestehend aus mehreren Mikromeißeln 3, hier Diamanten. Der Abstand Lp charakterisiert die Distanz zwischen zwei Mikromeißeln. Da die Mikromeißel 3 im Allgemeinen nicht homogen im Matrixwerkstoff 2 verteilt sind, wird ein mittlerer Abstand Lm angegeben, der die

(Arithmetisch) gemittelte Distanz zwischen den Mikromeißeln 3

repräsentiert.

Die Figur 2b zeigt einen Querschnitt durch die Werkzeugoberfläche l o, entlang der Schnittlinie A-A.

Die Werkzeugoberfläche l o besteht aus einem Matrixmaterial 2 und einer Vielzahl von in das Matrixmaterial 2 eingebetteten Meißeln 3.

Die Meißel 3 besitzen einen aus der Werkzeugoberfläche l o herausragenden Nutzteil 3n und einen in den Matrixwerkstoff 2 eingebetteten Ankerteil 3a. Die mittlere Länge des Nutzteils 3n ist die Nutzlänge LN, die mittlere Länge des verankerten Teils ist LA- Die Figuren 3a und 3b zeigen analoge schematische Darstellungen einer entsprechenden Werkzeugoberfläche l o, jedoch mit einer geringeren

Dichte/Anzahl an Mikromeißeln 3. Die Anzahl an Mikromeißeln 3 pro Quadratmillimeter ist größer als 1 , mit Vorzug größer als 10 ¹ , mit größerem Vorzug größer als 10 ² , mit größtem Vorzug größer als 10 ³ , mit allergrößtem Vorzug größer als 10 ⁴ , am bevorzugtesten größer als 10 ⁶ .

Figur 4 zeigt ein schematisches Gefüge 6 eines hochfesten, hier keramischen Materials. Bei dem schematischen Gefüge 6 handelt es sich bevorzugt um ein Siliziumnitrid(Si3N4)-Gefüge. Das Gefüge 6 zeichnet sich insbesondere durch Körner 7 mit einem gestreckten, insbesondere nadeiförmigen, Habitus aus. Die beinahe als kreisrund wahrgenommenen Körner 7 erscheinen nur globular. In Wahrheit handelt es sich um dieselben gestreckten Körner 7. Die Körner 7 Hegen in der Ansicht (Schliff) so, dass deren längste Achse etwa normal auf die Schliffebene steht.

Die Figur 5 zeigt die erfindungsgemäße, effiziente Bearbeitung von hochfesten, harten und ultraharten Gefügen 6. Die erfindungsgemäße

Kombination einer Werkzeugoberfläche l o mit aus dem Matrixwerkstoff 2 herausragenden Mikromeißeln 3 und die schräge Schwingungsbeanspruchung führen dazu, dass sich die die Werkstückoberfläche 4o unter konstantem und vor allem reproduzierbarem Winkel α auf die Mikromeißel 3 zu bewegt. Bei Kontakt des Mikromeißels 3 mit einem Korn 7 in der Werkstückoberfläche 4o erfolgt eine horizontale Beanspruchung mit einer Kraftkomponente F _H und eine vertikale Beanspruchung mit einer Kraftkomponente Fy des Korns 7. Von erfindungsgemäßer und entscheidender Bedeutung sind hierbei folgende erfindungsgemäße Aspekte:

• Die Bewegung des Werkstückhalters 5 und damit des Werkstücks 4 entlang der Ebene E ist unabhängig von und/oder quer zu der

Vorschubbewegung v und/oder Schneidrichtung s beziehungsweise Rotationsrichtung des Werkzeuges 1 und kann beliebig eingestellt werden,

Die Schwingung entlang der Ebene E führt bei Kontakt des

Mikromeißels 3 mit einem Korn 7 des Gefüges 6 an der

Werkstückoberfläche 4o immer zur Ausbildung einer, insbesondere durch eine Gegeneinanderbewegung zweier Schwingungselemente entlang einer schrägen Ebene E, horizontalen und einer vertikalen Kraftkomponente und

• die daraus resultierenden Kräfte addieren sich zu den Werkzeugkräften des sich bewegenden Werkzeugs 1 , insbesondere den Schnittkräften und/oder den Vorschubkräften.

Die drei genannten Punkte führen dazu, dass das Gefüge 6 eine

Beanspruchung erfährt, welche die Körner 7 mit extrem hoher Effizienz aus dem Gefüge 6 löst.

Im Stand der Technik war die Bearbeitung eines dargestellten Gefüges 6, insbesondere eines keramischen Gefüges, bis zum heutigen Tag im

Allgemeinen zwar möglich, allerdings nur mit einer sehr schnellen

Abnutzung des Werkzeuges, sehr langen Bearbeitungszeiten und sehr geringen Toleranzen. Dadurch entstanden relativ hohe Fertigungskosten. Das erfindungsgemäße Werkzeug verwendet eine Oberfläche mit Mikromeißeln, um optimale Spanbildung hervorzurufen. Das erfindungsgemäße Werkzeug arbeitet besonders effizient in Verbindung mit der Apparatur aus der

Druckschrift WO2012/084779A 1 . Die optimalste Bearbeitung eines

Werkstücks mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug findet statt, wenn das Werkstück mit Hilfe der Apparatur aus der Druckschrift WO2012/084779A 1 entlang einer schrägen Ebene schwingend bewegt wird.

Ein erfindungsgemäß wesentlicher Aspekt besteht vor allem darin, di e Werkzeugoberfläche l o mit Mikromeißeln 3 zu verwenden, um eine

Werkstückoberfläche 4o eines Werkstücks 4, das auf einem Werkstückhalter 5 fixiert wurde, effizient zu bearbeiten. Dabei wird vor allem die Schwingung des Werkstücks 4 entlang der schrägen Ebene E ausgenützt, um die

Werkstückoberfläche 4 durch die Mikromeißel mit einer horizontalen und einer vertikalen Kraft zu beanspruchen.

System und Verfahren zum spanenden Bearbeiten eines Werkstücks B ezu gs z ei chen l i ste

1 Werkzeug

lo Werkzeugoberfläche

2 Matrix Werkstoff

3 Mikromeißel

3n Äußerer Teil des eingebetteten Werkstoffs

3a Innerer Teil des eingebetteten Werkstoffs

4 Werkstück

4o Werkstückoberfläche

5 Werkstückhalter

6 Gefüge

7 Korn

8 erstes Schwingungselement

9 zweites Schwingungselement

10 Piezoelement

V Vorschubrichtung

s Schneidrichtung

R Rotationsachse

W Werkzeuglängsachse

E Schwingebene

En Normale auf Schwingebene

α Neigungswinkel

L Nutzlänge

LA Ankerlänge

L _D Abstand

Lm Mittlerer Abstand

FH Horizontale Krafteinwirkung

F _V Vertikale Krafteinwirkung