Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikroschaftfräser für anspruchsvolle Bearbeitungsaufgaben

22.08.2008
Die Verwendung von Schaftfräsern aus Hartmetall mit kleinsten Durchmessern, der so genannten Mikroschaftfräser, hat die Bewährungsprobe in der industriellen Praxis bestanden. Allerdings bergen die unterschiedlichen Bearbeitungsaufgaben Besonderheiten in sich. Die Auswahl eines Werkzeugs muss darauf abgestimmt sein.

Mikroschaftfräser, die durch die lineare Skalierung makroskopischer Werkzeuggeometrien in den Mikrobereich konstruiert wurden, sind nicht prozesssicher. Oft sind große Werkzeugbereiche nicht an der Spanbildung beteiligt. Es herrscht meist ein deutliches Missverhältnis zwischen der mit Schneiden präparierten effektiven Werkzeuglänge und der axialen Schnitttiefe. Gerade dieses Missverhältnis lässt die Belastungen für das Werkzeug bis zum Bruch ansteigen.

Vor diesem Hintergrund wurden qualitativ neuartige und Kosten sparende Mikroschaftfräser entwickelt. Der konstruktive Lösungsansatz beruht auf der Annahme, dass beim Mikroschaftfräser der Übergang vom Konus zum Schneidenteil eine runde Verjüngung ausbildet.

Diese Verjüngung verhindert einerseits den Kontakt des Werkzeugschaftes zum Werkstück und damit eine zusätzliche Belastung durch Reibkräfte. Andererseits ermöglicht der kreisförmige Querschnitt im hoch beanspruchten Bereich eine elastische Verformung des Mikroschaftfräsers ohne Kerbwirkungen.

Auf diese Weise wirken die Prozesskräfte an allen im Eingriff befindlichen Schneiden mit gleicher Größe. Plötzliche Veränderungen der Eingriffsbedingungen im Bearbeitungsprozess lassen sich so elastisch kompensieren. Die Länge des Schneidenteils ist werkstoffabhängig an eine optimale axiale Schnitttiefe zuzüglich eines Aufmaßes als Spielraum für Verschleiß anpassbar.

Alle Geometriemerkmale sind parametrisch verknüpft

Das Konzept für die Werkzeuggeometrie von Mikroschaftfräsern sieht eine parametrische Verknüpfung aller Geometriemerkmale vor. Auf diese Weise passen sich bei Veränderung eines Merkmals, wie beispielsweise des Werkzeugdurchmessers, alle anderen Merkmale automatisch mit an. Die Abhängigkeiten sind durch eine einfache mathematische Formel beschrieben, die patentrechtlich geschützt ist (Patent Nr. 10 2005 009 030).

Diese Funktionalität sichert die Generierung einer Werkzeuggeometrie, die die Anforderungen individueller Anwendungen erfüllt und eine optimale Stabilität aus mechanischer Sicht gewährleistet. Weiterhin wird es auf diesem Wege möglich, Bearbeitungsparameter und Strategieempfehlungen für eine prozesssichere Mikrofräsbearbeitung zu prognostizieren und dem Anwender für seine individuelle Bearbeitungsaufgabe zur Verfügung zu stellen. Diese Option lässt sich wiederum nutzen, um kalkulierbare Standzeiten und niedrigere Kosten durch einen geringeren Werkzeugbedarf zu erzielen.

Mikrofräser mit neuer Werkzeuggeometrie kommt auf 0,05 bis 2 mm Durchmesser

Der Werkzeugdurchmesser für Mikroschaftfräser mit der neuartigen Werkzeuggeometrie liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,05 und 2 mm. Die effektive Werkzeuglänge liegt zwischen 0,1 und 20 mm, was Aspektverhältnissen l/D von 2 bis 10 entspricht. Der Ansatz ist bei Mikrostirnumfangsfräsern, Mikrotorusfräsern und Mikrostirnradiusfräsern umsetzbar.

Die Vorgehensweise bei der Optimierung von Mikroschaftfräsern lässt sich mühelos auf die heute etablierte Herstellung von Mikroschaftwerkzeugen durch Schleifen übertragen. Namhafte Werkzeughersteller haben das vorgestellte Konzept bereits unter industriellen Bedingungen geprüft und wirtschaftlich erfolgreich eingesetzt, Mikroschaftfräser mit optimierter Geometrie in das Produktionssortiment aufgenommen und auf den Markt gebracht.

Spannung im neuen Mikrofräser geringer als 50%

Für den technologischen Einsatz der Mikroschaftfräser nach diesem Konzept ergeben sich gleichsam zwei bemerkenswert positive Effekte. Zum einen ist bei gleicher Schnittkraft die maximal wirkende Spannung im Werkzeug im Vergleich zu herkömmlichen Mikroschaftfräsern geringer als 50%. Gleiches trifft auch für die Verformungen zu. Zum anderen sind die Prozessparameter wie Schnittgeschwindigkeiten, Vorschübe und Zustellungen beträchtlich höher wählbar.

Natürlich sind auch diesen Werkzeugen mechanische, allerdings berechenbare Grenzen gesetzt. Besteht beispielsweise die Aufgabe, einen gehärteten Werkzeugstahl mit Aspektverhältnis l/D > 10 komplex dreidimensional zu bearbeiten, wird dies nicht auf direktem Wege durch Mikrofräsen möglich sein.

Es ist aber kein Problem, die invertierte Struktur mit Aspektverhältnissen > 10 als Formelektrode aus zum Beispiel Graphit herzustellen. Dafür können wieder die parametrisch generierten Mikroschaftfräser zur Anwendung kommen. Der Übergangsbereich für diese Entscheidung ist ebenfalls berechenbar und kann dem Kunden in einer Beratung vermittelt werden. Über die Funkenerosion mit Formelektrode lässt sich dann die Bearbeitungsaufgabe wirtschaftlich attraktiv lösen.

Mikrofräser fräst auch gehärteten Werkzeugstahl mit 62 HRC

Für den Nachweis der Vorteile wurden Bearbeitungen eines gehärteten Werkzeugstahls mit 62 HRC durchgeführt. Die Bearbeitung eines solchen Stahles durch Fräsen mit diesen Aspektverhältnissen war bislang ausgeschlossen. Dabei konnten sogar im Vergleich zu Werkzeugstählen mit geringerer Härte die Schnittgeschwindigkeiten und Zahnvorschübe nahezu verdoppelt werden. Auf diese Weise ließ sich bei der Erzeugung einer Teststruktur die Bearbeitungszeit um 85% reduzieren.

Die optimierten Mikroschaftfräser erzielten fast um 30% höhere Standwege. Alle Versuchswerkzeuge beendeten die Bearbeitung ohne Bruch. Es wurden auch anspruchsvolle Testwerkstücke in hochlegierten Werkzeugstählen und in Elektrodenwerkstoffen prozesssicher hergestellt. Die kleinsten geometrischen Dimensionen betrugen wenige Hundertstel Millimeter.

Praxistest brachte den Beweis

Den erfolgreich verlaufenen technischen Untersuchungen schloss sich ein Praxistest an, der den Beweis erbracht hat, dass mit den optimierten Mikroschaftfräsern dreidimensionale Werkstücke aus hochlegierten Werkzeugstählen prozesssicher hergestellt werden können. Diese Technik ist gleichfalls hervorragend zur Fertigung von Mikroformelektroden aus klassischen Elektrodenwerkstoffen geeignet.

Das Turbinenrad hat einen Außendurchmesser von 4 mm, eine Breite von 1,2 mm und eine Schaufellänge von 1 mm. Die verwendeten Stirnradiusfräser hatten einen Durchmesser von 0,5 mm. Als Bearbeitungsparameter wurden eine Schnittgeschwindigkeit von 40 m/min und ein Zahnvorschub von 2 µm gewählt.

Eine Formelektrode eines Mikromischers wurde in Graphit gefertigt. Das mittlere Feld zählt 256 Dome mit einer Kantenlänge von 0,2 mm und einer Tiefe von 0,8 mm. Der kleinste eingesetzte Mikrostirnumfangsfräser hatte 0,2 mm Durchmesser. Die Spindeldrehzahl betrug 25 000 min-1. Bei Vollschnitt und einer axialen Schnitttiefe von 20 µm wurde eine Vorschubgeschwindigkeit von 1000 mm/min angewandt. Die Fertigung der Elektrode dauerte 45 min.

Dr.-Ing. Kai Schauer ist in der Entwicklungsabteilung der Berliner Glas KGaA Herbert Kubatz GmbH & Co KG tätig. Die Verwertungsrechte für die patentierte Werkzeuggeometrie liegen bei der Ipal Gesellschaft für Patentverwertung Berlin mbH, 10715 Berlin.

Kai Schauer | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/articles/141408/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Stresstest über den Wolken
21.06.2017 | Hochschule Osnabrück

nachricht 3D-Druck im Mittelstand etablieren
20.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften