Herstellung und Einsatz CVD-diamantbeschichteter Bohrgewindefräser

Mit der CVD-Synthese von Diamantdünnschichten können komplexe Werkzeuggeometrien mit dem härtesten Schneidstoff kostengünstig verknüpft werden. Bohrgewindefräser weisen aufgrund ihrer Geometrie Kerben auf, durch welche die Gefahr eines Überlastungsbruchs steigt. Dabei bewirken hauptsächlich die Korngröße des Wolframcarbids und der Cobaltanteil des Hartmetall-Verbunds eine Steigerung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens. Durch die beschichtungsvorbereitende Behandlung des Substrats und die Diamantbeschichtung werden die mechanischen Eigenschaften des Werkzeugs beeinflusst. Am Beispiel des Bohrgewindefräsers erfolgt die Analyse der Bedingungen einer schädigungsarmen Diamantbeschichtung von Schaftwerkzeugen. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Herstellung und Anwendung hochkomplexer Werkzeuge, die zur Zerspanung von Leichtmetalllegierungen eine Verschleißschutzschicht aus Diamant besitzen, soll deren Einsatzbereich erweitert werden. Da auch in Zukunft eine Zunahme der Anwendung von Kombinationswerkzeugen zu erwarten ist, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Beitrag zur Produktivitätssteigerung mittels einer optimierten Fertigungskette von CVD-diamantbeschichteten Schaftwerkzeugen geleistet.

The manufacturing of chemical vapour deposition (CVD) diamond coated shaft type cutting tools is demanding due to the complex design of the cutting edges and the cobalt content of the cemented carbide. The influencing parameters of substrate, pre-treatment and diamond film on the tool cutting performance are discussed. The optimised manufacturing route of CVD diamond coated thread milling drills is identified with the use of material and tribological tests. Following the optimised production of the tools, the thread milling drills are then applied in the machining of AlSi17Cu4Mg, whereby the tool performance is characterised with respect to their wear behaviour, the process forces and temperatures as well as the workpiece quality. CVD diamond thin films offer an approach to combine diamond hardness and wear resistance with arbitrary tool geometry. State of the art in diamond tooling is the generation of diamond thin film systems on cemented carbide distinguished by crystallite size for indexable inserts and shaft tools. Cemented carbide grades feasible for CVD diamond deposition are limited to a cobalt content of 10 wt.-%. The manufacturing chain of CVD diamond coated cemented carbide tools commences with the identification of a suitable substrate as well as the substrate pre-treatment to remove cobalt from the surface layer and to structure the tungsten carbide with undercuts. This is necessary to prevent a catalytic reaction of cobalt with diamond and to provide a mechanical bond between substrate and diamond film. These manufacturing steps are followed by cleaning and diamond seeding measures before CVD diamond deposition is carried out. The current state of research of diamond thin film technology on cutting tool substrates comprises diamond film deposition adapted substrate development and treatment, CVD diamond film post-treatment and increased diamond film adhesion by analysing strength and residual stress behaviour. Fine grain cemented carbides and partly silicon based ceramics are mainly employed as tool substrates. The residual stress profile of the diamond film and substrate interface depends on substrate type and pre-treatment as well as CVD conditions and CVD diamond film properties.