SE525325C2 - Skärande verktyg för metallbearbetning samt metod vid tillverkning av skärande verktyg - Google Patents

Description

11928 SEKK 2004-11-12 2 överförs till ytan i en gasatmosfär, normalt vid en temperatur av ca 570 °C. Ytterligare ett annat känt sätt är att underkasta materialet s.k. jonnitrering, då enbart kväve överförs till ytan i en joniserande gas, under nästan vakuum, vid en temperatur av ca 450-650 °C.

Ytterligare ett känt sätt att öka materialets utmattningshållfasthet är att tillföra tryckspänningar samt förbättra materialets ytbeskaffenhet genom s.k. mikroblästring, vilket innebär att man bombarderar materialets yta med små partiklar på ett sådant sätt att man awerkar en del av materialet samtidigt som tryckspänningar byggs in i materialet. Ett annat känt sätt att öka materialets utmattningshållfasthet genom att tillföra tryckspänningar samt förbättra materialets ytbeskaffenhet är s.k. kulpening, som är en etablerad metod som används för att öka livslängden hos metallkomponenter utsatta för dynamiska belastningar. Kulpening förhindrar också sprickbildning orsakad av spänningskorrosion. Metoden går ut på att under noggrant kontrollerade former bombardera ytan med sfäriska partiklar av exempelvis stål, glas eller keramer.

Mot bakgrund av vad som ovan sagts är det ett första ändamål med uppfinningen att åstadkomma en ökad utmattningshållfasthet hos material lämpade för tillverkning av hållarkroppar hos skärande verktyg för spånavskiljande bearbetning. Ett annat syfte är att utforma en verktygskropp som bättre än andra motstår kraftig spånnötning. Ytterligare ett annat syfte är att förbättra lägesprecisionen hos skärlâgena i verktyget. Utgångsmaterial för sådana verktygskroppar är normalt härdade verktygsstàl.

Dessa och andra syften har uppnåtts genom att tillverka ett skärverktyg enligt den i efterföljande krav angivna metoden.

Det för uppfinningen nya och kännetecknande är att materialet i hållarkroppen underkastas en ythärdning som uppvisar ett fasomvandlingsskikt och därunder en diffusionszon som resulterar i bildandet av tryckspänningar i ytan, och att hållaren bibringas ytterligare tryckspänningar genom att utsättas för en efterföljande ytbehandling. Härigenom har det visat sig möjligt att å ena sidan modifiera/bearbeta eller avlägsna delar eller hela det vid ythärdningen erhållna fasomvandlingsskiktet samtidigt som man genom den efterföljande ytbehandlingen bygger in ytterligare tryckspänningar i ytan.

Andra för uppfinningen utmärkande särdrag och varianter av uppfinningen kommer att närmare framgå av den efterföljande detaljbeskrivningen i anslutning till bifogade ritningsfigurer. 20 11928 sEKK 2004-11-12 3 Uppfinningen ska nu närmare beskrivas under hänvisning till bifogade ritningar, vilken visar exempel på en verktygskropp att underkastas behandling enligt uppfinningen samt detaljer av material som underkastats en ythärdning samt ytbehandling i enlighet med uppfinningen.

Fig. 1-2 visar två sidovyer av ett borrskaft hos en typisk verktygskropp enligt uppfinningen, närmare bestämt i form av en hållarkropp till s.k. korthålsborrar.

Fig. 3 visar ytstrukturen itvärsektion hos en verktygskropp i förstoring 700ggr efter ythärdningen i form av nitrokarburering.

Fig. 4 visar ett skärsäte sett i toppvy som endast ythärdats enligt Fig. 3.

Fig. 5 visar ett skärsäte itoppvy som ythärdats och ytbehandlats enligt uppfinningen.

F ig. 6 visar skillnaden i antalet belastningscykler till brott, hos verktyg tillverkade efter känd teknik och verktyg tillverkade enligt uppfinningen, som funktion av pålagd kraft.

Fig. 1 - 2 visar ett cylindriskt borrskaft 11 som vid sin främre del är försett med två skärsäten 12 och 13 placerade på ömse sidor om borrens centrumlinje CL. För spånavgången utbildade axiella urtagningar eller kanaler är betecknade med 14 och 15. Båda skärsätena 12, 13 är centralt hålförsedda för upptagning av låsskruvar (ej visade) för fastlåsning av skär i sätena.

Varje skärsäte innefattar en tangentiell stödyta 16, en axiell stödyta 17 samt en radiell stödyta 18. Stödytorna är anordnade med extra utrymmen 19 för att rymma flera av skärets höm. De tangentiella stödytorna 16 är i huvudsak parallella med radialplan genom centrumlinjen CL.

Varje axiell stödyta 17 är bruten så att den bildar en i huvudsak v-formad profil vars spets är riktad axiellt bakåt mot skaftets infåstningsdel. Den radiella stödytan 18 motståeride yta 20 i centrumsätet 12 har ingen stödjande funktion hos skäret utan syftar endast till att förhindra fastkilning av spånor mellan skaftet och centrumskäret. Med 21 är betecknat sektionsövergången mellan den radiella stödytan 18 och den tangentiella stödytan 16. Vid denna sektionsövergång 21 uppstår vid fullt ingrepp med ett arbetsstycke den maximala spänningskoncentrationen i plattläget. Här är det därför önskvärt att kunna förbättra utmattningshållfasthet samt så långt möjligt reducera risken för sprickinitiering och propagering.

Enligt uppfinningen erhålles en överraskande förbättrad utmattningshållfasthet hos material i verktygskroppen genom att underkasta materialet en ythärdning och en därpå följande ytbehandling som förmår bygga in tryckspänningar i ytan samtidigt som risken för 20 25 30 11928 SEKK 2004-11-12 4 sprickinitiering och sprickpropagering väsentligt kan reduceras, dels i och i anslutning till skärsätena och dels vid partier axiellt bakom skärsätena hos verktygshållarkroppen.

Ythärdningen innebär att materialet underkastas en metod som ger tryckspänningar i ytan, t.ex. genom nitrokarburering. Andra metoder för att ge motsvarande tryckspänningar kan exempelvis användas, såsom nitrering eller jonnitrering på det sätt som inledningsvis beskrivits. Den efterföljande ytbehandlingen har till uppgift att modifiera/bearbeta eller avlägsna delar eller hela fasomvandlingsskiktet. Detta gör man för att avlägsna initierade sprickor och porer i fasomvandlingsskiktet som bildas vid ythärdningen och samtidigt bygga in ytterligare tryckspänningar.

Enligt en möjlig metod görs denna ytbehandling i form av kulpening, som innebär att ett antal små kulor bombarderas mot ytan hos material som ska behandlas. Enligt en altemativ metod kan ytbehandlingen utföras i form av en mikroblästring, som innebär att man bombarderar materialets yta med små partiklar på ett sådant sätt att man awerkar en del av materialet.

Genom mikroblästringen åstadkommes en viss plastisk deformation av hàllarkroppen varigenom tryckegenspänningama ökas. Samtidigt modifieras/bearbetas eller avlägsnas delar av eller hela det tidigare genom den första behandlingen uppkomna fasomvandlingsskiktet.

Vid mikroblästringen användes exempelvis små kulor av lämpligt stâlmaterial.

Den i Fig. 3 visade strukturbilden visar effekten av ythärdningen. Den genom ythärdningen erhållna ytzonen innefattar dels ett yttre fasomvandlingsskikt, som sträcker sig ca 3-10 pm under ytan. Innanför detta skikt har det utbildats en zon med minskande mängd utskiljningar, som sträcker sig till ca 100-200 um under ytan. Härvid har ythärdningen erhållits till ett djup där hårdheten sjunkit till samma hårdhetsvärde som hos grundmaterialet i verktygskroppen.

Ythärdningen i detta första steg utföres under så lång tid att tryckspänningar uppgår till ett betydligt högre värde än ursprungsgrundmaterialet i ytzonen. l Fig. 3 har också hårdhetsprofilen enligt ovan närmare illustrerats.

I Fig. 4-5 visas skillnaden hos en skärlägesyta före och efter behandlingen enligt uppfinningen. Fig. 4 visar skärlägesytan före och Fig. 5 visar skärlägesytan efter 20 25 30 11928 SEKK 2004-11-12 5 behandlingen enligt uppfinningen. Som framgår därav är väsentligen alla repor och sprickinitieringar borta i F ig. 5 vilket givetvis förbättrar utmattningshållfastheten.

Exempel 1 En provstav av ett stålmaterial typ SS2242 har framtagits och sedan ytbehandlats enligt uppfinningen. Provstaven har därefter utsatts för en utmattningsprovning. Resultatet av provningen framgår av Fig.6 som visar antalet belastningscykler som funktion av den pålagda kraften. Där har med A betecknats en provstav som behandlats enligt uppfinningen, B betecknar en provstav som endast utsatts för kulpening.

C betecknar en provstav som enbart har ythärdats medelst nitrokarburerats till ett djup av 0,14 mm, och D är en helt obehandlad provstav, dvs ett vanligt härdad verktygsmaterial.

Som klart framgår därav har genom en behandling innefattande först nitrokarburering följt av mikroblästring/kulpening erhållits en förbättrad hâllfasthet som bekräftar att man härigenom uppnått en överraskande synergiförbättring utöver vad som funnits anledning förvänta sig i form av summan av var och en av dessa behandlingar.

Efter en ythärdning erhålles nomialt, för relevanta verktygsskärdata vilket är ca 2700N i Fig. 6, en ökning av utmattningslivslängden med ca 20% pga tillförda tryckspänningar. Efter enbart kulpening ökar utmattningslivslängen med ca 100%, pga tillförda tryckspänningar samt en yta som visar färre sprickinitieringar. Om man underkastar materialet först en ythärdning enligt ovan följt av en ytbehandling genom t.ex. kulpening erhålls däremot överraskande en ökning av utmattningslivslängden med ca 500% pga stor tillförsel av tryckspänningar samt att man har modifierat/bearbetat delar eller hela fasomvandlingsskiktet för så att man avlägsnat mikrosprickor och porer i skiktet. Ytan får sàdeles ett mer jämnt utseende utan sprickor och repor. Skillnaden mellan ytbehandlat och icke ytbehandlat verktyg går att se i F ig. 4 och 5.

Ytbehandlingen, företrädesvis mikroblästring/kulpening, ger ett tillskott av ytspänningarna till en nivå högre än enbart efter ythärdningen.

Genom den enligt uppfinningen ythärdningen följt av separat ytbehandling ges möjligheten att tillverka produkten lett mjukare tillstånd, som ej längre behöver vara speciellt bra ur 20 25 30 11928 SEKK 2004-11-12 6 nötningsynpunkt, då dess enda uppgift är att hålla nitrokarbureringsskiktet. Detta ger som resultat att man nu kan erhålla samma önskade höga precisionsnivå, som tidigare endast kan uppnås med bearbetning i härdat tillstånd, vid bearbetning i detta mjukare material. Ingen efterföljande härdning som ger stora forrnförändringar behövs. Det räcker nu med att grundmaterialet har tillräcklig bärighet. Detta innebär l sin tur att man kan nu fräsa en färdig produkt i tex 33HRc istället för 45HRc vilket gör en stor skillnad ur bearbetbarhet.

Nitrokarburering och kulpening ger en mycket liten formförändring på produkten.

En annan risk för verktygshaveri brukar vara att materialet i ett verktygsskaft, vid de partier som är belägna ett stycke axiellt bakom skärsätena, kan utsättas för alltför ogynnsamma böj- och torsionsspänningar, vilket kan leda till brott.

Det har visat sig att även gentemot denna typ av sprickinitieringar och risk för brott har en klart förbättrad materialhållfasthet uppnåtts genom den enligt uppfinningen angivna ytbehandlingen.

Claims (12)

20 25 \. z... '~..' s, A-_ 11928 SEKK 2004-11-12 7 Patentkrav

1. Metod vid tillverkning av skärande verktyg för metallbearbetning, innefattande en hållarkropp med ett eller flera skärlägen, vilka är avsedda att upptaga varsin skärplatta av ett hårt material, såsom hårdmetall, cermets eller keramik, varvid hållaren hos verktyget är tillverkad av härdat stål, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att hållaren underkastas en ythärdning som resulterar i ett yttre fasomvandlingsskikt och därunder en diffusionszon vilket ger tryckspänningar i ytan och att hållaren därefter bibringas ytterligare en ytbehandling ägnad att dels tillföra tryckspänningar i ytan och samtidigt modifiera/bearbeta eller avlägsna delar av eller hela det tidigare erhållna fasomvandlingsskiktet.

2. Metod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att det första ytbehandlingssteget utföres i form av nitrering, jonnitering eller nitrokarburering.

3. Metod enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den av ythärdningen omfattade ytzonen innefattar dels ett yttre fasomvandlingsskikt som sträcker sig 3 - 10 um under ytan, och att innanför detta skikt utbildas en zon med minskande mängd utskiljningar kallat diffusionszon, som sträcker sig ca 100 - 200 pm under ytan.

4. Metod enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ytbehandlingen utföres genom kulpening.

5. Metod enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d d ä ra v att ytbehandlingen utföres genom mikroblästring.

6. Metod enligt krav 5, 20 30 11928 SEKK 2004-11-12 8 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att mikroblästringen utföres medelst små stålkulor av lämpligt stålmaterial.

7. Skärverktyg för bearbetning av metalliska material, innefattande en hållarkropp (11) med ett eller flera skärlägen (12,13) vilka är avsedda att uppta varsin skärplatta av hårdmetall, cerrnets eller keramik, varvid hållarkroppen är gjord av härdat stål, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att hållarkroppen är utbildad med ett ythärdat skikt innefattande ett yttre fasomvandlingsskikt och därunder en diffusionszon med inbyggda tryckspänningar som resultat av ythärdningen, där fasomvandlingsskiktet är modifierat/bearbetat eller avlägsnat genom en ytterligare ytbehandling ägnad att tillföra tryckspänningar i ytan, varvid mikrosprickor och porer i fasomvandlingsskiktet avlägsnats.

8. Skärverktyg enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att fasomvandlingsskiktet och diffusionszonen åstadkommits genom nitrering, jonnitrering eller nitrokarburering.

9. Skärverktyg enligt något av kraven 7-8, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att den ytterligare ytbehandlingen åstadkommits genom kulpening eller mikroblästring.

10. Skärverktyg enligt något av kraven 7-9, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att verktyget är ett borrverktyg med på ömse sidor om verktygets centrumlinje (CL) utbildade skärlägen (12,13).

11. Skärverktyg enligt något av kraven 7 -10, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ythärdning är gjord så att hållarkroppen uppvisar ett ytbehandlat skikt till ett djup av ca 0,14 mm.

12. Skärverktyg enligt något av kraven 7-11, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v att ytbehandlingen är gjord under sådan intensitet att verktygskroppen uppvisar yttryckspänningar vid en nivå överstigande den efter enbart ythärdning.