Simulationsgestützte Entwicklung von Mikrofräswerkzeugen erhöht Prozessstabilität

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wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH)

Dabei wurden unter einem Winkel von 36° zueinander gezielte Schnitte per Drahterodieren vorgenommen. Für jeden Schnitt musste das Werkstück über dem Draht positioniert und abgesenkt werden. Mit dieser Strategie wurden zunächst Werkzeuge mit einem Durchmesser von 300 µm hergestellt. Der Nebenfreiwinkel an der Vorderseite betrug 10°. Durch die Optimierung des Prozesses wurde es ermöglicht, Fräserdurchmesser von bis zu 50 µm herzustellen und erfolgreich einzusetzen.

Schleifen erzeugt schärfere Mikrofräser-Kanten als Erodieren

Die spiralisierte Werkzeugkontur wurde abschließend schleifend hergestellt, da durch das Verfahren Schleifen eine wesentlich bessere Oberflächengüte und schärfere Kanten an den Schneiden erzeugt werden können. Dazu wurde in Zusammenarbeit mit der Zecha Hartmetall-Werkzeugfabrikation GmbH die Fräsergeometrie an das Verfahren leicht angepasst, um die Fertigung zu ermöglichen.

Im Anschluss daran wurden die Werkzeuge bis zu einem Durchmesser von 20 µm auf einer hochpräzisen Rollomatic Smart Grind Nano 6 geschliffen. Bild 4 zeigt einen erodierten und einen geschliffenen Mikrofräser.

Zum Beleg der Leistungsfähigkeit der hergestellten Fräser wurden mehrere Fräsexperimente in X38CrMoV5-1 durchgeführt. Die Werkzeuge wurden analog zu einem Großserienprozess schleifend produziert, wodurch eine hohe Oberflächengüte sowie Konturtreue und eine geringe Streuung der Fertigungstoleranzen erzielt wurden.

Geschliffene Mikrofräser mit verringerter Schneidkantenverrundung

Besonders positiv war die verringerte Schneidkantenverrundung gegenüber den erodierten Werkzeugen zu vermerken. Die verwendeten Parameter für die Werkzeugvalidierung waren bei einem Durchmesser von 300 µm eine Zustellung ap von 20 µm, eine Drehzahl n von 1000 min—1 und ein Vorschub pro Zahn fz von 13 µm. Gegenüber den erodierten Prototypen-Werkzeugen hat sich das Fräsergebnis hinsichtlich der Gratbildung am bearbeiteten Werkstück deutlich verbessert.

Ebenso wurde bei den vorliegenden Werkzeugen der Freiwinkel zwischen 3, 5 und 7° variiert und der Spanwinkel von 10 über 20 bis 30°. Der Vergleich der Kraftmessung zwischen einem einschneidigen Fräser und einem handelsüblichen zweischneidigen Fräser zeigt durch die gleichmäßigeren Kraftspitzen deutlich den Vorteil des einschneidigen Fräswerkzeugs (Bild 5).

Der durch die Rundlaufungenauigkeit von zweischneidigen Fräsern verursachte Fehler bewirkt unterschiedliche Spanungsdicken und aus diesem Grund unterschiedliche Zerspankräfte an den Schneiden, die zum Werkzeugbruch führen können.

Hartmetallsorte EZ61 verursacht die niedrigsten Zerspankräfte

Bei der Überprüfung unterschiedlicher Werkzeugwerkstoffe stellte sich im Vergleich zwischen den Hartmetallsorten EMT100, EZ44 und EZ61 letzteres als Material heraus, das die niedrigsten Zerspankräfte verursacht. Weiterhin wurde die Werkzeuggeometrie beschichtet und in Versuchsreihen validiert. Hier ergab sich annähernd keine Zerspankraftanhebung gegenüber unbeschichteten Werkzeugen, weil es sich dabei um eine sehr dünne Schicht im Bereich unter 1 µm Schichtdicke handelt und somit die sich durch die Beschichtung einstellende höhere Schneidkantenverrundung aufgrund eines verringerten Reibkoeffizienten in den Zerspankräften kompensiert wird (Bild 6).

Literatur:

[1] Uhlmann, E., M. Füting, K. Schauer: Optimierung von Mikrofräswerkzeugen in der Werkzeugplanungsphase. wt Werkstattstechnik 11/2004.

[2] Oberschmidt, D.: 16IN 0121 – MiCuTool: Innovative Herstellungsverfahren für Mikrozerspanwerkzeuge. InnoNet-Kongress Berlin, 6. November 2006.

[3] Hesselbach, J. und andere: mikro PRO — Untersuchung zum internationalen Stand der Mikroproduktionstechnik. wt Werkstattstechnik 3/2003.

[4] Uhlmann, E., S. Piltz und K. Schauer: Dynamische Werkzeuganalysen in der Mikrozerspanung. wt Werkstattstechnik 3/2003.

[5] Rees, A. und andere: Micro EDM: Accuracy of on-the-machine dressed electrodes, 4M 2006. Second International Conference on Multi-Material Micro Manufacture. Grenoble 20. bis 22. September 2006.

[6] Fleischer, J. und andere: New Applications for Micro-EDM. Euspen 2004

[7] Schmidt, J. und andere: µ-Fräsen und µ-Erodieren für den Formenbau. wt Werkstattstechnik 12/2001.

[8] Schmidt, J., J. Fleischer und M. Knoll: Electrodes for Micro-EDM. Euspen International Topical Conference on Precision Engineering, Micro Technology, Measurement Techniques and Equipment. Proceedings-Volume 1, S. 177–179. Aachen, 19. und 20. Mai 2003.

Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze ist Leiter des Instituts für Produktionstechnik wbk der Universität Karlsruhe; Dipl.-Ing. Christoph Ruhs, Dipl.-Ing. Christoph Kühlewein und Dipl.-Ing. Marco Deuchert sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut. Die Ergebnisse basieren auf dem Projekt „Gestaltungsrichtlinien und Herstellungsverfahren für Mikrofräswerkzeuge“, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

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