Fräsen Simulationsgestützte Entwicklung von Mikrofräswerkzeugen erhöht Prozessstabilität

Mikrofräswerkzeuge weisen oft eine radiale Fehlausrichtung auf, die größer ist als der Zahnvorschub je Schneide. Das führt zu deutlich erhöhten Kräften, einem größeren Verschleiß und einer geringeren Prozessstabilität. Deshalb wurde mittels FEM-Simulation schrittweise eine optimierte Mikrofräsergeometrie entwickelt und diese im Anschluss prototypisch hergestellt sowie in Versuchsreihen validiert.

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wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH)

Die Praxis hat gezeigt, dass derzeit erhältliche Mikrofräswerkzeuge bei voranschreitender Miniaturisierung an ihre Grenzen stoßen. Dabei wurde deutlich, dass sich Spanbildung und Krafteinwirkung in unterschiedlichen Größenordnungen nur bedingt gleichartig verhalten [1]. Auch andere prozessbedingte Einflüsse gewinnen bei kleiner werdenden Dimensionen mehr und mehr an Bedeutung.

Mikrofräser reagieren sehr sensibel auf exzentrische Einspannung

Beispielsweise reagieren Mikrofräser erheblich sensibler auf eine exzentrische Einspannung als ihre Pendants aus der Makrowelt [2]. Bei weiterer Herabskalierung kommen Größeneffekte zum Tragen, die sich negativ auf den Mikrofräsprozess auswirken [3].

Ein Manko bei der Benutzung derzeitiger Werkzeuge ist die ungenügende Rundlaufgenauigkeit [4]. Diese resultiert zum einen aus den hohen Drehzahlen, die bei der Mikrofräsbearbeitung realisiert werden müssen, um die nötigen Schnittgeschwindigkeiten der Schneiden zu erzielen. Zum anderen überlagern sich die Fehler im Rundlauf der Werkzeugspindel, der Spannvorrichtung und des Fräsers selbst.

Dies kommt besonders zum Tragen, wenn die gesamte Rundlaufabweichung, auch Schneidkantenversatz genannt, den Vorschub pro Zahn übersteigt. Dort kann es dazu kommen, dass bei einem zweischneidigen Werkzeug die gesamte Zerspanarbeit von nur einer Schneide geleistet werden muss.

Überbeanspruchung reduziert Mikrofräser-Standzeit deutlich

Diese Überbeanspruchung führt zu einer eklatanten Standzeitverkürzung des Mikrofräsers. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde simulationsunterstützt eine einschneidige Fräsergeometrie entwickelt, bei der es möglich ist, einen definierten Zahnvorschub zu gewährleisten.

Als Hilfsmittel zur Gestaltoptimierung der Mikrofräswerkzeuge wurde die FE-Software Abaqus der Abaqus Inc. eingesetzt. Es wurden strukturmechanische Beanspruchungsanalysen von verschiedenen Geometrien durchgeführt und diese anhand der Spannungsverteilung sowie der maximalen Auslenkung der Mikrowerkzeuge verglichen (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

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