Spritzgießen ade

Fräsen von Elastomerbauteilen in kleinen Stückzahlen ist schnell und flexibel. Elastomere werden aufgrund ihres visko-elastischen Formänderungsvermögens in vielen technischen Bereichen verwendet....

Anbieter zum Thema

JESSBERGER GmbH

asecos GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Fräsen von Elastomerbauteilen in kleinen Stückzahlen ist schnell und flexibelElastomere werden aufgrund ihres visko-elastischen Formänderungsvermögens in vielen technischen Bereichen verwendet. Wegen dieser als Gummielastizität bezeichneten Eigenschaft sind die Elastomere prädestiniert für Dichtungen, Riemen, Reifen, Schläuche, Dämpfer und Reibbeläge. Die gängige Herstellungsmethode dieser Bauteile ist bislang das Spritzgießen. Wegen hoher Werkzeugkosten ist das Spritzgießen allerdings nur bei hohen Stückzahlen eine wirtschaftliche Fertigung. Veränderte Marktanforderungen wie immer kürzer werdende Produktlebenszyklen, größere Variantenvielfalt und individuelle Kundenwünsche erfordern flexible und reaktionsschnelle Fertigungsverfahren für Elastomerbauteile. Zudem ist eine reaktionsschnelle Fertigung von Einzelteilen, Kleinserien oder Prototypen nur sehr bedingt möglich, weil die bekannten generativen Rapid-Prototyping-Verfahren bei Elastomerbauteilen nicht einsetzbar sind.Die Zerspanungwerkzeuge müssen scharfkantig seinVor diesem Hintergrund beschäftigt sich der Arbeitsbereich Fertigungstechnik I der Technischen Universität Hamburg-Harburg mit der spanenden Bearbeitung von Elastomeren [1 und 2]. Dabei verdienen Werkstoffe mit einer Härte von weniger als 90 Shore A besondere Beachtung. Zu dieser Gruppe zählen viele Dichtungs- und Dämpfungselastomere. Sie lassen sich aufgrund der niedrigen Härte nur bei elastomerspezifischer Prozessgestaltung erfolgreich zerspanen [1].Das Drehen von Elastomerdichtungen hat sich inzwischen industriell etabliert und wird unter anderen bei Anwendungen in der Luft- und Offshoretechnik eingesetzt [4]. Entscheidend dabei sind eine harte Teilummantelung der Halbzeuge für Spannzwecke, die Verwendung scharfkantiger Werkzeuge sowie ein Spänehäcksler nahe der Wirkzone zur störungsfreien Entsorgung der entstehenden Bandspäne.Die Grenzen der Drehtechnologie liegen begründet in der bei der Innenbearbeitung schwierigen Spanabfuhr und in den Fliehkräften, die zu Verformungen und Maßabweichungen beim Drehen dünnwandiger Elastomerwerkstücke führen [1]. Um diese Einschränkungen zu überwinden und um Elastomerwerkstücke mit komplexen, nicht rotationssymmetrischen Konturen fertigen zu können, wurden Untersuchungen zum Fräsen von Elastomeren durchgeführt. Erste Ergebnisse werden nachfolgend vorgestellt.Bei den Versuchen wurden zylindrische Werkstücke mit Schaftfräsern auf einer dreiachsigen Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine durch Zirkularfräsen besäumt. Es kamen Vollhartmetalfräser Titex Plus mit folgenden Kenndaten zum Einsatz:- ein Fräser mit 12 mm Durchmesser, drei Schneiden, Drallrichtung rechts, Seitenspanwinkel 8°, Rückspanwinkel 30°, Seitenfreiwinkel 13°, Hartmetallsorte K10 sowie- ein Fräser mit 12 mm Durchmesser, sieben Schneiden, Drallrichtung rechts, Seitenspanwinkel 8°, Rückspanwinkel 30°, Seitenfreiwinkel 14°, Hartmetallsorte K10.Bei den verwendeten Werkzeugen lag die Schneidkantenverrundung im Neuzustand unter 5 µm. Bearbeitet wurde ein Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR, Bezeichnung: Ecorubber 1) bestehend aus 48% Kautschuk, 40% Füllstoffen, 4% Weichmachern und 8% Vulkanisierungsmitteln mit einer Härte von 82 Shore A, einer Zugfestigkeit smax von 24,6 MPa, einer Reißdehnung e von 183% und einer Glasübergangstemperatur von -20°C.Für das Funktionsverhalten von spanend gefertigten Elastomerbauteilen ist die Oberflächengüte ein wichtiges Qualitätskriterium. Sie ist bei Dichtungen maßgeblich für das Verschleiß- und das Leckageverhalten. Die beim Fräsen von Elastomeren auftretenden Oberflächenprofile werden wesentlich durch Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Werkzeuggeometrie bestimmt. Für die untersuchten Zahnvorschübe fz = 0,030 - 0,380 mm und Schnittgeschwindigkeiten vc = 800 - 1500 m/min entstehen unterschiedliche Oberflächenstrukturen. Rillenprofile und Oberflächenprofile mit Ausbrüchen zeigt Bild 1.Rillenprofile sind unter Funktionsaspekten im Allgemeinen vorteilhaft, weil ihre Oberflächengüte derjenigen von urgeformten Oberflächen am ähnlichsten ist [1]. Rillenprofile ergeben sich bei genügend hohen Zahnvorschüben und kennzeichnen einen kontinuierlichen und stabilen Zerspanprozess. Mit abnehmendem Zahnvorschub wird die Spanbildung gestört. Schnitt-, Reib- und Quetschvorgänge wechseln sich ab. Anstelle von kommaförmigen Spanstreifen entsteht ein pulverförmiger Materialabtrag. Die Rauheitswerte der Schnittfläche nehmen zu. Dieses Verhalten ist mit zunehmendem Werkzeugverschleiß stärker ausgeprägt. Die Grundrautiefe R3z, die sich zur Charakterisierung von Elastomeroberflächen bewährt hat [1], zeigt Bild 2 in Abhängigkeit des Zahnvorschubs fz. Die Erfassung der Oberfläche erfolgte mit einem optischen Abtastsystem, so dass Verformungen der Oberfläche aufgrund von Tastkräften ausgeschlossen werden können. Gemessen wurde in Vorschubrichtung.Gleichlauffräsen erzeugt kleine GrundrautiefenDie Messwerte liegen wesentlich höher als die theoretische Rauheit, die entsprechend den Zahnvorschüben und dem Werkzeugdurchmesser (12 mm) auf einen Maximalwert von Rtheo = 1,2 µm steigt. Die Vorschubrillen sind auf der Werkstückoberfläche deutlich erkennbar (Bild 1a). Jedoch sind sie gegenüber Rtheo überhöht. Verantwortlich dafür sind die elastische Nachgiebigkeit des Werkstoffs sowie der elastomer-spezifische Trennvorgang: Aufgrund elastischer Rückverformung zeigt die Werkstückoberfläche ein verzerrtes Abbild des Werkzeugschneidenweges. Die günstigsten Rautiefen von R3z = 7 bis 8 µm ergeben sich bei Zahnvorschüben von 0,06 mm < fz < 0,12mm. Beim Fräsen kann eine hohe Anregungsfrequenz fan über eine hohe Drehzahl oder eine hohe Zähnezahl z des Werkzeugs erreicht werden. Für fan gilt mit dem Fräserdurchmesser d und der Schnittgeschwindigkeit vc: fan = (vc z)/(pi d). Die Temperatur in der Spanbildungszone resultiert daraus, dass ein bedeutender Anteil der Zerspanleistung durch Reibung zwischen Werkzeug, Werkstück und Span in Wärme umgesetzt wird. Für die Temperatur ist die Schnittgeschwindigkeit ebenfalls eine wichtige Einflussgröße. Die Abhängigkeit der Werkstückrautiefe von der Schnittgeschwindigkeit vc und der Zähnezahl z des Werkzeugs wurde anhand von 3- und 7-schneidigen Fräsern mit annähernd gleicher Schneidengeometrie experimentell untersucht. Die Fräsversuche zeigen, dass über dem gesamten Frequenzbereich von etwa 1000 bis 4600 Hz eine nahezu konstante Grundrautiefe von R3z = 7 bis 8 µm erreicht wird (Bild 3). Folglich ist unter den betrachteten Schnittbedingungen weder über vc noch über z keine Steigerung der Oberflächengüte erreichbar. Zur Bestimmung der Maßhaltigkeit wurde der Durchmesser der zirkular gefrästen Werkstücke in Höhe der halben Schnitttiefe gemessen und die Differenz zum programmierten Durchmesser als Kennwert für die Maßabweichung bestimmt.Die Fräsrichtung beeinflusst MaßhaltigkeitVon vorrangiger Bedeutung für die durch Fräsen erreichbare Maßhaltigkeit ist die Fräsrichtung: Im Gegenlauf ergeben sich grundsätzlich wesentlich niedrigere Maßabweichungen Dd als im Gleichlauf (Bild 4). Die Ursache liegt darin, dass beim Gegenlauf die Erzeugung der Werkstückkontur im Augenblick des Schneideneintritts bei minimaler Spanungsdicke erfolgt, wobei die Deformation des Werkstücks aufgrund der Schnittnormalkraft gering ist. Demgegenüber baut sich beim Gleichlauf durch die beim Schneideneintritt große Spanungsdicke eine Werkstückdeformation auf, die sich bis zum Austritt der Schneide nicht vollständig zurückbildet. Die heute gebräuchlichen und mit etablierten Urformverfahren erreichbaren Maßtoleranzen von Elastomerteilen liegen für Nennmaße von 1 bis 160 mm bei 0,08 bis 0,5 mm. Diese Toleranzanforderungen sind bei angepasster Prozessführung und Werkzeugwahl durch Fräsen erreichbar.Während sich bei der Urformung von Elastomeren bauteil- und chargenbedingte Schwindungseffekte auf die erreichbare Formgenauigkeit auswirken, muss bei der Elastomerzerspanung der Einfluss von Zerspankräften auf die Formgenauigkeit im Zusammenhang mit dem Werkstoff und der Bauteilgeometrie berücksichtigt werden. Exemplarisch wurde die Rundheitsabweichung der zirkular gefrästen Werkstücke nach DIN ISO 1101 und 6318 bestimmt (Bild 5). Wie für das Gleichlauffräsen mit einem 3-schneidigen Schaftfräser gezeigt, treten die maximalen Rundheitsabweichungen an der Oberkante der Werkstückschulter, das heißt bei x = ap auf. Mit zunehmender Höhe x ergeben sich steigende Rundheitsabweichungen. Verantwortlich dafür ist die frei auskragende Länge des Werkstücks und dessen daraus resultierende elastische Nachgiebigkeit. Auch für die Formgenauigkeit ist die Fräsrichtung von vorrangiger Bedeutung: Der Gegenlauf ist dem Gleichlauf vorzuziehen. Im Gegenlauf ergeben sich bei allen Zahnvorschüben deutlich geringere Rundheitsabweichungen als im Gleichlauf. Sie betragen maximal 25 µm gegenüber maximal 101 µm, gemessen bei x = ap. Literatur:[1]Bargel, F.: Untersuchung der Zerspanbarkeit eines Acrylnitril-Butadien-Elastomers mit dem Ziel der Herstellung von rotationssymmetrischen Dichtungen durch Drehen. Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 2, Nr. 565. Düsseldorf: VDI-Verlag 2000.[2]Hintze, W., Chr. Nedeß,, F. Bargel, und D. Joswig: Technologie der spanenden Bearbeitung von Elastomerdichtungen. In: Tagungsband des 3. Hamburger Dichtungstechnisches Kolloquium ,,Radialwellendichtringe", Arbeitsbereich Konstruktionstechnik 2. Hamburg-Harburg: Technische Universität 2000.