Simulationsgestützte Entwicklung von Mikrofräswerkzeugen erhöht Prozessstabilität

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wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH)

Für diese Vergleichsrechnungen wurden Fräser mit einem Durchmesser von 300 µm herangezogen. Drei ausgewählte Geometrien sind in Bild 1 dargestellt.

Für jede variierte Fräserform wurden mehrere Simulationsläufe durchgeführt, um die Simulation realitätsnah zu gestalten. Zunächst wurden die Effekte der Zentrifugalkraft aufgrund der exzentrischen Masse und der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges untersucht.

Zerspankräfte und Zentrifugalkräfte an Mikrofräsern in Simulationen untersucht

Weiterhin erfolgte die Betrachtung des Fräsers im Eingriff, indem die Zerspankräfte — unterteilt in die Kraftkomponenten, die auf der Haupt- und Nebenfreifläche sowie auf der Spanfläche einschließlich der Superposition der Kraftkomponenten — aufgebracht wurden. In weiteren Simulationsläufen wurden die Zentrifugalkraft sowie die Zerspankraft gleichzeitig aufgeprägt.

Um die sich durch die Zerspankräfte ergebende Spannungsverteilung im Zerspanbereich ausreichend genau abzubilden, war im Bereich der Haupt- und Nebenschneide der Freifläche sowie im Bereich der Spanfläche ein verfeinertes Netz vorgesehen (Bild 2).

Halbkreisgeometrie bewirkt eine höhere Steifigkeit des Mikrofräsers

Im Vergleich zu den trapezförmigen Geometrien (Bilder 1a und 1b) zeigen die Ergebnisse für die Halbkreisgeometrie (Bild 1c) eine um 30% höhere Steifigkeit. Dadurch kommt es während der Zerspanung zu einer geringeren Auslenkung der Geometrie in Bild 1c, was zu einer genaueren Bearbeitung des Werkstückes führt.

In einem nächsten Schritt wurden die Größeneffekte mittels der FE-Simulation abgebildet und untersucht. Dazu wurde die optimierte Geometrie vom Ausgangsdurchmesser 300 µm auf verschiedene Größen (150, 125, 100, 75, 50 und 30 µm) herunterskaliert.

Zentrifugalbelastung nimmt bei kleinerem Mikrofräser-Durchmesser ab

Dabei wurde der Einfluss der Zerspankräfte und der Zentrifugalkräfte auf die unterschiedlichen Durchmesser untersucht. Die Simulation ermöglichte somit einen Vergleich des Verhaltens der unterschiedlichen Werkzeuggrößen. Die Betrachtung der Auslenkung der Fräserspitze zeigt, dass der Einfluss der Zentrifugalbelastung mit kleiner werdendem Werkzeugdurchmesser abnimmt.

Weiterhin wurden die Auswirkungen einer exzentrischen Einspannung des Mikrowerkzeuges in der Werkzeugmaschine untersucht. Dadurch werden Aussagen zu Toleranzen der Konzentrizität möglich. Dazu wurde die Rotationsachse des Werkzeuges in 1-µm-Schritten bis 3 µm in unterschiedliche Richtungen verschoben (entlang der positiven und negativen X- und Y-Achse sowie entlang der gedachten 45°- und 135°-Achsen). Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der exzentrischen Einspannung nicht vernachlässigt werden kann.

FEM ist nützliches Gestaltungswerkzeug zur Mikrofräser-Entwicklung

Die durchgeführten Simulationen zeigen auf, dass die FEM ein nützliches Arbeitsmittel zur Entwicklung und Gestaltung von Mikrowerkzeugen ist. Sofern sämtliche notwendigen Randbedingungen im Simulationsmodell berücksichtigt sind, ist es möglich, eine Aussage bezüglich einer spannungsoptimierten Geometrie zu machen. Zusätzlich ermöglicht die FEM die Ausgabe von Größen, die im Experiment nicht oder nur mit einem sehr hohen Aufwand zu ermitteln sind, wie der Auslenkung des Mikrofräsers aufgrund exzentrischer Einspannung.

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