Werkzeug- und Formenbau Glattdrücken mit Diamanten optimiert gehärtete Stahloberflächen

Von E. Uhlmann, M. Polte, T. Hocke und C. Polte

Forschende an der TU Berlin haben sich überlegt, wie man Komponenten von Spritzgießwerkzeugen oberflächentechnisch günstiger optimieren könnte. Hier einige Ergebnisse.

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Forschende an der TU Berlin haben untersucht, ob man mit Werkzeugen aus polykristallinem Diamant (links) die Oberflächen von gehärteten Stahlkomponenten optimieren kann. Hier schon mal ein Ergebnis im Vergleich zum Fräsen.
Forschende an der TU Berlin haben untersucht, ob man mit Werkzeugen aus polykristallinem Diamant (links) die Oberflächen von gehärteten Stahlkomponenten optimieren kann. Hier schon mal ein Ergebnis im Vergleich zum Fräsen.
(Bild: Baublies / TU Berlin)

Der Werkzeug- und Formenbau stellt eine Schlüsseltechnologie für die replikative Herstellung von wirtschaftlich relevanten Kunststoffbauteilen im Bereich der Medizintechnik und des Automobilbaus dar. Für den notwendigen Spritzgussprozess werden hierbei gehärtete Stahlwerkstoffe angewandt, welche stetig steigenden Anforderungen hinsichtlich der Formgenauigkeiten GF und der Oberflächenrauheitskennwerte unterliegen [BEL13, REI13]. Von übergeordneter Bedeutung ist hierbei unter anderem der Mikrospritzguss, welcher Anwendungen in Klein-, Mittel- und Großserien ermöglicht [KLC05].

Zur Herstellung von speziellen Formeinsätzen wird zum aktuellen Stand der Technik die Hochpräzisionszerspanung mit Schneidstoffen aus polykristallinem Diamanten (PKD) oder beschichteten Hartmetallwerkzeugen eingesetzt. Diese Technologie unterliegt jedoch großen Herausforderungen hinsichtlich der Endbearbeitung zur Realisierung geringer Oberflächenrauheits-Kennwerte und hoher Formgenauigkeiten GF. Die bei der Zerspanung erreichbaren Oberflächenrauheits-Kennwerte sind grundlegend vom Vorschub f abhängig, welcher sich auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche abbildet.

Insbesondere zur Entwicklung von dedizierten Schlichttechnologien wird eine gezielte Anpassung der Prozessparameter mit reduzierten Vorschüben f notwendig, wodurch jedoch die Bearbeitungszeiten tB erheblich erhöht und die Wirtschaftlichkeit deutlich reduziert werden. Darüber hinaus werden durch den Zerspanungsvorgang Eigenspannungen σ frei, welche in einem Bauteilverzug resultieren können und die erreichbaren Formgenauigkeiten GF dadurch limitiert werden. Eine Möglichkeit diesen Herausforderungen zu begegnen, besteht in der Entwicklung einer spezifischen Glattdrücktechnologie auf Fräsmaschinen zur wirtschaftlichen Bearbeitung von gehärteten Stahlwerkstoffen

Versuchsaufbau und -durchführung

Basierend auf den zum Stand der Technik bestehenden Herausforderungen wurden Untersuchungen zur Nachbearbeitung des gehärteten Stahlwerkstoffs Elmax Superclean vom Typ PMX170CrVMo18-3-1 zur Erzeugung technischer Oberflächen mit arithmetischen Mittenrauwerten von Ra ≤ 80 nm mit Vorschubgeschwindigkeiten von vf ≥ 6.000 mm/min durchgeführt. Außer der Auswahl des Schneidstoffs und des zu bearbeitenden Werkstoffs wird das Arbeitsergebnis maßgeblich vom Einsatz der Prozessparameter bestimmt. Das für das Fertigungsverfahren eingesetzte Glattdrückwerkzeug besteht aus einem Hartmetallschaft, einem Stahlgehäuse mit integriertem Federkern sowie einem Glattdrückkopf aus PKD. Das Funktionsprinzip des Glattdrückwerkzeugs basiert auf einer vorgespannten Feder mit einer Federkonstanten von cF = 34,4 N/mm, wodurch ein definiertes Einstellen der Prozesskraft FPr ermöglicht wird. Die Prozesskraft FPr wird hierbei über eine Kraftmessplattform und eine axiale Zustellung aP des in Z-Richtung beweglichen PKD-Glattdrückkopfs eingestellt. Dies ist für den Umformprozess von entscheidender Bedeutung, da hiermit die notwendige werkstoffspezifische Flächenpressung pB erreicht wird und an die jeweiligen Werkstoffe angepasst werden kann.

Für die experimentellen Untersuchungen wurde das in Kooperation mit der Baublies AG aus Renningen entwickelte Werkzeug mit einem Glattdrückkopf aus PKD des Typs PKD 001 und einem Sphärenradius von rSp = 3,0 mm eingesetzt.

Bearbeitet wurde während der gesamten Versuchsdurchführung auf der 5-Achs-Hochpräzisions-Werkzeugmaschine PFM 4024-5D der Primacon GmbH aus Peißenberg. Im Ausgangszustand wies der eingesetzte Werkstoff eine Härte nach Vickers Hv,w = 693,8 HV auf. Die messtechnische Analyse der gefertigten Oberflächen sowie der Härte H in der oberflächennahen Randschicht erfolgte mittels des taktilen Rauheits- und Konturmessgeräts Hommel-Etamic nanoscan 855 von der Jenoptik AG. Im Vorfeld der Untersuchungen wurde mithilfe der Fräsbearbeitung eine definierte Ausgangsfläche AA mit einem arithmetischen Mittenrauwert von Ra = 1,2 µm erzeugt. Eingesetzt wurde dabei ein Kugelfräswerkzeug mit einem Durchmesser D = 1 mm und einer Schneidenanzahl von z = 2. Zur detaillierten Analyse der Oberflächenqualität wurde der Einfluss der Prozesskraft FPr, der Vorschubgeschwindigkeit vf sowie der seitlichen Zustellung ae auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra untersucht. Die Ergebnisse sind zusammenfassend in Bild 1-1 dargestellt.

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