Höhere Prozesssicherheit beim Mikrofräsen von gehärtetem Stahl

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

In verschiedenen Studien und in eigenen Arbeiten wird die industrielle Nachfrage von verschleiß- und warmfesten Formen und deren prozesssichere Strukturierung unterstrichen. Der Handlungsbedarf zur Entwicklung der spanenden Mikrobearbeitung in hochfesten Werkstoffen wird dabei hervorgehoben. Werkzeugverschleiß, Oberflächenqualitäten, Prozessführung und Fertigungsgenauigkeiten sind die zu lösenden Problemfelder [1].

Forschungsbedarf bei Mikrofräsen von gehärteten Werkstoffen

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Trennmechanismen stark materialabhängig und für eine Vielzahl von Hochleistungswerkstoffen unerforscht sind. Insbesondere über die Mikrofräsbearbeitung von gehärteten Werkstoffen sowie die konturnahe Bearbeitung von Freiformoberflächen liegen derzeit keine ausreichenden Erkenntnisse vor [2].

Gemeinsam mit Formen- und Werkzeugbauern wurde deshalb ein Anforderungsprofil für die Mikrostrukturierung gehärteter Formeinsätze zur Anwendung speziell im Kunststoff- und Keramik-Mikrospritzguss erarbeitet. Danach besteht insbesondere die Aufgabe der Erzeugung von 2½D- und 3D-Kavitäten im Toleranzbereich von ±0,01 mm bei Oberflächenrauheiten von Rz = 1 µm.

Gratfreiheit und minimale Verrundungen beim Mikrofräsen wichtig

Typische Strukturelemente sind in der Regel vertiefte Strukturen wie Taschen, Kanäle und Bohrungen mit Strukturgrößen > 50 µm bei maximalen Aspektverhältnissen bis fünf. Besonderes Augenmerk ist dabei auf Gratfreiheit und minimale Verrundungen der Strukturkanten zu legen. Als Werkstoffe für diese Formeinsätze kommen Werkzeugstähle wie X45NiCrMo4, X153CrMoV12 und X37CrMoV5-1 mit Härten bis 62 HRC zum Einsatz.

Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurden Lösungsstrategien zur spanenden Mikrostrukturierung gehärteter Werkstoffe erarbeitet. Dabei sind Untersuchungen zu alternativen Schneidwerkstoffen, Kühlschmierstrategien sowie zur Schnittwertoptimierung bei der Bearbeitung ausgewählter Werkstoffe durchgeführt worden.

Als Werkzeuge kamen beschichtete Vollhartmetall-(VHM-) und CBN-Werkzeuge mit einem Durchmesser von 0,5 mm zum Einsatz (Bild 1 und 2). Mit verschiedenen Werkstoffen wurden Zerspanbarkeitsuntersuchungen durchgeführt, die unter Beweis stellten, dass die Mikrozerspanung ein großes Potenzial für die prozesssichere und reproduzierbare Mikrohartbearbeitung besitzt.

Schneidstoffe zum Mikrofräsen trocken und mit Aerosol verglichen

Im Zusammenhang mit der Schneidstoffwahl wurden Untersuchungen für eine sinnvolle Kühlschmierstrategie beim Mikrohartfräsen an einer einfachen Testgeometrie durchgeführt. Die Bearbeitung mit beiden Schneidstoffen erfolgte jeweils trocken und mit Aerosol unter Nutzung eines Minimalmengen-Schmiersystems.

Die Werkzeugstandzeit konnte durch den Einsatz des Aerosols bei beiden Schneidstoffen verbessert werden. Insgesamt war jedoch der Verschleiß der CBN-Fräser deutlich geringer. Mit Hartmetallwerkzeugen konnten in Vorschubrichtung bessere Rauheiten erzielt werden als mit CBN.

Die Gründe dafür liegen insbesondere in der unterschiedlichen Schneidengestaltung. Quer zur Vorschubrichtung sind die erzielten Oberflächenqualitäten für CBN und VHM mit Ölnebel nahezu identisch und signifikant besser als VHM trocken (Bild 5 und 6).

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