Fraunhofer-IWU Höhere Prozesssicherheit beim Mikrofräsen von gehärtetem Stahl

Für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl wurden Werkzeuge aus VHM und CBN untersucht. Für beide Schneidstoffe stellte sich heraus, dass sich sowohl die Standzeit als auch die erzeugten Oberflächengüten durch den Einsatz von Minimalmengenschmierung im Vergleich zur Trockenbearbeitung beträchtlich steigern lassen.

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Werkzeuge und Formeinsätze für die Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen werden aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt. Dabei nehmen Stahlwerkstoffe, oftmals auch wärmebehandelt, eine dominierende Rolle ein. Bei der Fertigung von komplexen Werkzeugkonturen mit Maßen und Toleranzen bis in den Mikrometerbereich kommen bevorzugt spanende Fertigungstechniken zum Einsatz.

Mikrozerspanung hat noch Defizite bei Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit

Die Verfahren der Mikrozerspanung weisen jedoch hinsichtlich ihrer industriellen Nutzbarkeit noch Entwicklungspotenzial auf. Gerade bei der Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit gibt es Defizite, die vor allem auf das Fehlen geeigneter Parameter (zum Beispiel Schnittwerte), aber auch die noch unzureichende Definition optimaler Bearbeitungsstrategien zurückzuführen sind [1]. Bei der Prozessgestaltung sind dabei insbesondere die geforderte Komplexität und Qualität der Strukturen und Oberflächen, die zu bearbeitenden Werkstoffe und deren Wärmebehandlungszustand zu berücksichtigen.

Ungehärtete und gehärtete Stahlwerkstoffe werden gegenwärtig vor allem mit Hartmetallwerkzeugen bearbeitet. Dabei spricht man ab einer Werkstoffhärte von etwa 48 HRC von Hartbearbeitung.

Beim Mikrofräsen mit Hochgeschwindigkeitsspindeln bei Drehzahlen bis 160.000 min^-1 werden Fräswerkzeuge mit einem minimalen Durchmesser von 50 µm eingesetzt. Die Aspektverhältnisse dieser Werkzeuge liegen dabei zwischen 1 und 5. Die große Empfindlichkeit der filigranen Werkzeuge kann jedoch bei geringsten Prozessstörungen zum Werkzeugbruch führen. Außerdem unterliegen diese Werkzeuge hohem Verschleiß, insbesondere bei der Bearbeitung gehärteter Werkstoffe [2].

Mikrofräsen mit Durchmessern kleiner 300 µm unter Laborbedingungen

Daher wird das Mikrofräsen mit Werkzeugdurchmessern kleiner als 300 µm überwiegend in Forschungseinrichtungen angewendet. Unter Laborbedingungen können mit diesen Werkzeugen ebene Formeinsätze aus Stahl mit Rauheiten bis Ra = 0,05 µm und Strukturgrößen größer als 20 µm (Stege) mit einer Fertigungstoleranz bis 2 µm hergestellt werden [3]. Das Aufmacherbild zeigt ein Beispiel für ein spanend mikrostrukturiertes Formwerkzeug, dessen kleinstes Strukturdetail ein halbkreisförmiger Kanal mit Radius 25 mm ist.

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