Werkzeug- und Formenbau Glattdrücken mit Diamanten optimiert gehärtete Stahloberflächen

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

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 G_F 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 G_F. 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 t_B 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 G_F 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 v_f ≥ 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 c_F = 34,4 N/mm, wodurch ein definiertes Einstellen der Prozesskraft F_Pr ermöglicht wird. Die Prozesskraft F_Pr wird hierbei über eine Kraftmessplattform und eine axiale Zustellung a_P des in Z-Richtung beweglichen PKD-Glattdrückkopfs eingestellt. Dies ist für den Umformprozess von entscheidender Bedeutung, da hiermit die notwendige werkstoffspezifische Flächenpressung p_B 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 r_Sp = 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 H_v,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 F_Pr, der Vorschubgeschwindigkeit v_f sowie der seitlichen Zustellung a_e auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra untersucht. Die Ergebnisse sind zusammenfassend in Bild 1-1 dargestellt.

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