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.

Die ersten Versuchsergebnisse

Das Bild 1-1a) zeigt dabei den Verlauf des arithmetischen Mittenrauwertes Ra in Abhängigkeit von

der Vorschubgeschwindigkeit v_f. Bei einer seitlichen Zustellung von a_e = 10 µm sowie einer Prozesskraft von F_Pr = 40 N wurde im Mittel ein arithmetischer Mittenrauwert in einem Bereich von 0,08 µm ≤ Ra ≤ 0,10 µm messtechnisch erfasst. Sowohl bei einer Vorschubgeschwindigkeit von v_f = 2.000 mm/min als auch bei v_f = 6.000 mm/min wurde durchschnittlich ein arithmetischer Mittenrauwert von Ra = 0,08 µm ermittelt, womit nachgewiesen werden konnte, dass die Vorschubgeschwindigkeit v_f in diesem Bereich keinen signifikanten Einfluss auf den Verlauf des arithmetischen Mittenrauwertes Ra ausübt.

Dies stellt einen entscheidenden Vorteil im Vergleich zur spanenden Bearbeitung dar. Mit Einsatz des Glattdrückens können somit deutlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten vf bei der Schlichtbearbeitung eingesetzt und dadurch die Wirtschaftlichkeit signifikant gesteigert werden.

Zur Untersuchung des Einflusses der seitlichen Zustellung ae auf die Ausprägung des arithmetischen Mittenrauwerts Ra in Bild 1-1b) wurde eine Prozesskraft von F_Pr = 40 N sowie eine Vorschubgeschwindigkeit von v_f = 6.000 mm/min verwendet. Hierbei zeigt sich im Mittel ein arithmetischer Mittenrauwert in einem Bereich von 0,08 µm ≤ a_e ≤ 0,34 µm, wobei der geringste arithmetische Mittenrauwert von Ra = 0,08 µm bei einer seitlichen Zustellung von a_e = 10 µm erzielt wurde. Der arithmetische Mittenrauwert Ra steigt mit größer werdender seitlicher Zustellung a_e linear an, was auf die geänderten Eingriffsbedingungen und damit einhergehende Erhöhung der theoretischen Rautiefe Rth zurückzuführen ist.

Abschließend sind die Prozesskräfte F_Pr in Abhängigkeit zum arithmetischen Mittenrauwert Ra in Bild 1-2 c) illustriert. Verwendet wurden dabei eine seitliche Zustellung von a_e = 10 µm sowie eine Vorschubgeschwindigkeit von v_f = 6.000 mm/min. Der geringste arithmetische Mittenrauwert von Ra = 0,08 µm wurde im Mittel bei einer Prozesskraft von F_Pr = 40 N gemessen, wobei mit steigender Prozesskraft F_Pr ein linear ansteigender Verlauf des arithmetischen Mittenrauwerts Ra nachgewiesen werden konnte. Begründen lässt sich dieser Verlauf damit, dass bei steigenden Prozesskräften F_Pr mehr Werkstoff als für den Umformvorgang notwendig ist plastisch verdrängt wird. Das überschüssige plastisch verdrängte Werkstoffvolumen V_w wird dabei neben dem Glattdrückwerkzeug aufgeworfen. Es ist davon auszugehen, dass das Umformverhalten des eingesetzten Stahlwerkstoffs vom Typ Elmax Superclean bei der Verwendung von Werkzeugen mit einem Glattdrückkopf aus PKD durch geringere Prozesskräfte F_Pr gesteigert wird.

Effekte auf die oberflächennahen Randschichten

Neben dem Nachweis zur deutlichen Reduzierung der Oberflächenrauheits-Kennwerte um bis zu 94,3 % bei der Nachbearbeitung des Stahlwerkstoffs Elmax Superclean konnten zudem Veränderungen der oberflächennahen Randschicht in Form von Härtesteigerungen durch den Glattdrückprozess nachgewiesen werden. Somit können durch das Glattdrücken sowohl die Oberflächenrauheits-Kennwerte deutlich reduziert als auch die Werkstückhärte nach Vickers H_v,w um bis zu 21,2 % gesteigert werden. Die mittels Glattdrücken erzeugten Flächen A wurden dabei mit dem Kleinhärte-Prüfgerät Miniload 2 der Ernst Leitz Wetzlar GmbH aus Wetzlar, nach dem Verfahren von Vickers messtechnisch analysiert. In Bild 1-2 ist die Werkstückhärte nach Vickers H_v,w in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit v_f, der Prozesskraft F_Pr sowie der seitlichen Zustellung a_e dargestellt.

Für die Untersuchungen der Werkstückhärte nach Vickers H_v,w in Abhängigkeit der seitlichen Zustellung a_e in Bild 1-2a) wurde eine Prozesskraft von F_Pr = 90 N sowie eine Vorschubgeschwindigkeit von v_f = 6.000 mm/min verwendet. Hierbei zeigte sich im Mittel eine Werkstückhärte nach Vickers H zwischen 693,8 HV10 ≤ H_v,w ≤ 841,3 HV10. Die höchste Werkstückhärte H_v,w = 841,3 HV10 wurde bei einer seitlichen Zustellung von a_e = 10 µm messtechnisch erfasst. Hierbei ist erkennbar, dass mit Zunahme der seitlichen Zustellung ae eine Reduzierung der Werkstückhärte nach Vickers H_v,w einhergeht. Zurückzuführen ist das auf die Anzahl überlagerter Glattdrückbahnen a_GDB, wodurch bei einer reduzierten seitlichen Zustellung a_e die Gesamtfläche AG mehrmals umgeformt wird

Bei der Anwendung einer seitlichen Zustellung von a_e = 90 µm sowie einer Vorschubgeschwindigkeit von v_f = 6.000 mm/min wurde weiterführend der Verlauf der Werkstückhärte nach Vickers H_v,w in Abhängigkeit der Prozesskraft F_Pr in Bild 1-2b) dokumentiert. Im Mittel ist eine Werkstückhärte nach Vickers in einem Bereich von 693,8 HV10 ≤ H_v,w ≤ 805,2 HV10 messtechnisch erfasst worden, wobei ein linearer Verlauf mit steigender Prozesskraft F_Pr zu beobachten ist. Die höchste Werkstückhärte H_v,w = 805,2 HV10 konnte hierbei bei einer Prozesskraft F_Pr = 90 N identifiziert werden.

Grundsätzlich lässt sich erkennen, dass die Vergrößerung der Prozesskraft F_Pr die höchste Steigerung der Werkstückhärte nach Vickers H_v,w bewirkt. Zurückzuführen ist dies auf die mit steigenden Prozesskräften F_Pr vergrößerte Flächenpressung p_B, welche den Umformprozess signifikant beeinflusst und eine gezielte Härtesteigerung ermöglicht.

Abschließende Untersuchungen

Schließlich wurden Untersuchungen bezüglich der Werkstückhärte nach Vickers H_v,w in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit v_f durchgeführt. Verwendet wurden dabei eine

seitliche Zustellung von a_{e = 90 µm sowie eine Prozesskraft von FPr = 90 N. Im betrachteten}

Parameterbereich konnten Werkstückhärten nach VICKERS in einem Bereich zwischen 693,8 HV10 ≤ H_v,w ≤ 799,3 HV10 dokumentiert werden, welche in Bild 1-3c) dargestellt sind. Die höchste Werkstückhärte von H_v,w = 799,3 HV10 konnte im Mittel bei einer Vorschubgeschwindigkeit von v_f = 6.000 mm/min beobachtet werden, wobei die Variation der Vorschubgeschwindigkeit v_f keinen signifikanten Einfluss auf die Änderung der Werkstückhärte nach Vickers H_v,w aufweist.

Zusammenfassung und Ausblick

Das übergeordnete Ziel der Untersuchungen war die Entwicklung einer dedizierten Technologie zur gezielten Nachbearbeitung des Stahlwerkstoffs Elmax Superclean vom Typ PMX170CrVMo18-3-1 unter Einhaltung von arithmetischen Mittenrauwerten Ra ≤ 80 nm bei deutlich gesteigerten Vorschubgeschwindigkeiten von v_f ≥ 6.000 mm/min. Für die Untersuchungen wurde der arithmetische Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit der Prozesskraft F_Pr, der Vorschubgeschwindigkeit v_f und der seitlichen Zustellung ae analysiert, wobei geeignete Prozessparameter zur Schlichtbearbeitung identifiziert und eine erhebliche Reduzierung des arithmetischen Mittenrauwerts von Ra = 94,3 % erzielt werden konnten. Neben dem Einfluss auf die Oberflächenqualität hat sich gezeigt, dass das Verfahren des Glattdrückens ebenfalls die Werkstückhärte nach Vickers H_v,w in der oberflächennahen Randschicht maßgeblich beeinflusst und deutliche Härtesteigerungen um bis zu 21 % erzielbar sind.

Durch die im Umformprozess resultierenden Eingriffsbedingungen infolge der Anwendung der Glattdrücktechnologie werden zudem Druckeigenspannungen σ_D in den Werkstoff eingeleitet, wodurch eine Freisetzung von Eigenspannungen σ und damit ein Bauteilverzug bei der Nachbearbeitung verhindert wird. Auf Basis der Ergebnisse konnte eine dedizierte Prozesskette, bestehend aus Fräsen und nachgelagertem Glattdrücken mit PKD, zur wirtschaftlichen Nachbearbeitung des Stahlwerkstoffs Elmax Superclean mit arithmetischen Mittenrauwerten von Ra ≤ 80 nm und Vorschubgeschwindigkeiten von v_f ≥ 6.000 mm/min entwickelt werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollen in zukünftigen wissenschaftlichen Untersuchungen weitere werkstoffspezifische Analysen sowie eine detaillierte Verschleißbetrachtung des eingesetzten Werkzeugs mit einem Glattdrückkopf aus PKD erforscht werden.

Anmerkung: Dieser Beitrag lautet im Originaltitel: „Oberflächennachbearbeitung gehärteter Stahlwerkstoffe durch Glattdrücken mit polykristallinem Diamanten“. Mehr vom Glattdrücken

Literatur

[BEL13] Bellantone, V.; Surface, R.; Trotta, G.; Fassi, I.: Replication capability of micro injection moulding process for polymetric parts manufacturing. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2013), S. 1.407 – 1.421.

[KLC05] Klocke, F.; Von Bodenhausen, J.; Arntz, K.: Prozesssicherheit bei der Mikrofräsbearbeitung - Herausforderung für den Mikroformenbau. wt Werkstattstechnik Nr. 11/12, 2005, online 95, S. 882 – 886.

[REI13] Reinhardt, P.: Wachstumsmarkt Medizintechnik: Zugang, Anwendung und Prozesse. Vogel Business Media GmbH & Co.KG., 2013.

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