Vollkeramische Fräswerkzeuge prozesssicher einsetzen

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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Eine Analyse der Einsatzeigenschaften der beiden Keramiken als Wendeschneidplatten ging dem Entwicklungsprozess von vollkeramischen Werkzeugen voraus. Dabei wurden charakteristische Verschleißerscheinungen untersucht und bewertet.

Belastungssituationen für Keramik-Schneidwerkzeuge erforscht

Durch eine werkstückseitige Kraftmessung in Verbindung mit FEM-Simulationen ist eine detaillierte Analyse des Werkzeugdesigns möglich. Praktische Erkenntnisse aus Versuchen und numerisch ermittelte Belastungsgrenzen ergänzen sich gegenseitig. Es konnten Belastungssituationen identifiziert werden, die ungünstig für die spezifischen Festigkeitseigenschaften von Keramik sind.

Das Eigenschwingungsverhalten der verschiedenen Werkzeuggeometrien wird ebenfalls berücksichtigt. Durch eine zugeschnittene Werkzeug- und Prozessgestaltung können somit nicht nur der Verschleiß minimiert und die Standzeiten erhöht, sondern auch die geometrische Qualität der Oberflächen verbessert werden.

Entscheidend ist dabei die für ein Forschungsinstitut nahezu einzigartige Möglichkeit, die Werkzeuge auf einer eigenen Werkzeugschleifmaschine mit hoher Präzision herzustellen, diese anschließend auf einer Werkzeugmessmaschine zu vermessen und auf hochdynamischen HSC-Bearbeitungszentren zu testen. Dadurch sind kurze Entwicklungszyklen und ein umfassendes Prozessverständnis erreichbar.

Schnittgeschwindigkeiten bis 600 m/min prozesssicher gefahren

Die bisherigen Fräswerkzeuge besitzen Durchmesser zwischen 4 und 8 mm. Es wurden Geometrien für die Stirn- und Umfangsbearbeitung entwickelt. Dabei wurden, ausgehend von einer Zweischneider-Geometrie, filigrane Werkzeuge mit bis zu zehn Schneiden hergestellt und getestet. Schnittgeschwindigkeiten bis 600 m/min und Vorschubgeschwindigkeiten bis 10000 mm/min konnten prozesssicher gefahren werden.

Um die Leistungsfähigkeit der keramischen Werkzeuge auf Wirtschaftlichkeit hin zu bewerten, wurden Vergleichsuntersuchungen mit Hartmetallwerkzeugen durchgeführt. Als Bearbeitungsaufgabe wurde das Nutfräsen mit einem Werkzeugdurchmesser von 4 mm gewählt. Es wurden handelsübliche beschichtete und unbeschichtete Hartmetallwerkzeuge mit den entwickelten Keramikwerkzeugen hinsichtlich Standweg und Zeitspanungsvolumen verglichen.

Prozessgestaltung für höhere Produktivität von Keramik-Fräsern entscheidend

Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass eine Produktivitätssteigerung um den Faktor acht erreichbar ist (Bild 2 – siehe Bildergalerie). Dabei ist die Anpassung der Prozessgestaltung entscheidend. Eine bloße Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit führt nicht zum Erfolg. Die Untersuchungen zeigen auch, dass das Potenzial der keramischen Werkzeuge nicht ausgeschöpft ist.

Die hohe Prozesstemperatur erzeugt Aufschmierungen von abgetrenntem Material auf Werkzeug und Werkstück (Bild 3). Neben dem Werkstückwerkstoff und den Schnittparametern spielt auch der Schneidstoff dabei eine entscheidende Rolle. Prozessfenster zur Vermeidung von Aufschmierungen werden derzeit untersucht.

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt ist der Einfluss der Schleifbearbeitung auf die Kantenqualität und Oberflächengüte der Werkzeuge. Zusätzlich dazu wurden die Werkzeuge durch Strömungsschleifen verrundet und geglättet. Eine gezielte Einstellung der Schneidkanten und Oberflächentopographie ist damit möglich. Im weiteren Projektverlauf wird neben der Weiterentwicklung der Geometrien und Optimierung der Werkzeugherstellung vor allem der Werkzeugeinsatz in den Vordergrund rücken.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Eckart Uhlmann ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin; Dipl.-Ing. (FH) Manuel Wacinski ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut.

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