Werkzeugschleifmaschine, insbesondere für Mikrowerkzeuge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Schleifen immer komplexer werdender Schaftwerkzeuge obliegt stetigen Anstrengungen der Herstellungsoptimierung. Insbesondere im Bereich des Schleifens der Makrogeometrie dieser Werkzeuge sowie der Einstellung der Mikrogestalt und -topographie an den geschliffenen Werkzeugkanten und -oberflächen konnte die Werkzeugschleifmaschine am ISF für umfassende Forschungsaktivitäten erfolgreich eingesetzt werden. Die maschinellen und technologischen Vorzüge der Maschine, wie die moderne Softwarehandhabung, der eigensteife Aufbau sowie die Möglichkeit der Präzisionsbearbeitung trugen Rechnung bei der Durchführung unterschiedlicher Untersuchungstätigkeiten im Bereich der Schneidwerkzeugentwicklung. Letztere umfassten genauer die Prozessoptimierung und -entwicklung zur Herstellung von Schaftwerkzeugen beim Einsatz hochharter Schleifkörper mit einem Metall- und Kunstharzbindungssystems. Ein Schwerpunkt dieser Grundlagenuntersuchungen lag dabei auf dem Nutenschleifen im Tiefschliff an Hartmetallrohlingen. Diese Untersuchungen fanden im Rahmen des geförderten AiF-Projektes „Tiefschleifen von Hartmetall am Beispiel von Bohrernuten“ statt. Innerhalb dieses Projektes konnten grundlegende Erkenntnisse zum Einsatzverhalten unterschiedlicher Schleifscheiben beim Bohrernutenschleifen gewonnen werden. Neben der Analyse der Eingriffskinematik sowie der Gestalt der jeweiligen Kontaktflächen konnten durch Untersuchungen der wirkenden Kräfte am Werkzeug eine Optimierung der Prozessparameter realisiert werden. In diesem Zusammenhang dienten Messungen der Wirkleistung an der Schleifspindel der Erfassung der mechanischen Belastungen im Schleifprozess. Weitere Forschungsaktivitäten innerhalb dieses Projektes dienten der Analyse der thermischen Belastung und somit des Einflusses des Kühlschmiermittels und dessen Zuführung zur Wirkstelle. Weitere Betrachtung fand auch der Verschleiß der Schleifscheibe, da dieser maßgeblich die Qualität der erzeugten Bohrernut beeinflusst. Im Fokus des Projektes stand die Anpassung der Bearbeitungsstrategie beim Nutenschleifen zur Erhöhung der Standzeit des geschliffenen Bohrwerkzeuges im Zerspanprozess. Die Analysen zielten daher auf das Schleifen unterschiedlicher Bohrergestalten mit Bezug auf das resultierende Schleifergebnis ab. Neben der hohen Steifigkeit der Maschine konnte hierbei insbesondere der Vorteil der Maschinenbedienung mit modellgenerierten Werkzeugen genutzt werden. Weitere Grundlagenuntersuchungen lagen im Bereich des Schleifens von Verbundwerkzeugen. Diesbezüglich wurde die Maschine erfolgreich für die „Schleifbearbeitung von Hart- Weich-Verbunden“ im Rahmen des Graduiertenkollegs 1378 - TP 8 eingesetzt. Hierbei wurde die herausfordernde Schleifbearbeitung eines keramischen Schneidwerkstoffes eingelötet in einem Hartmetallgrundkörper unter der Berücksichtigung der gegenläufigen Materialeigenschaften untersucht. Als wesentliche Problemstellungen innerhalb des Projektes wurden der sehr hohe Werkzeugverschleiß, relevante Maß- und Formabweichungen sowie Oberflächendefekte der Werkstoffe betrachtet. Die Zielstellung ein umfassendes Prozessverständnis zur Steigerung der technologischen und wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit beim Schleifen von Werkstoffverbunden, im Speziellen Keramik-Hartmetall-Verbundbohrwerkzeugen, aufzubauen wurde mit zusätzlichem Einsatz von Finite-Elemente-Simulationen erreicht. Der Fokus dieser Untersuchungen lag auf der Analyse der jeweils werkstoffspezifischen Bearbeitungseigenschaften des Werkstückes, dem Verschleiß der Zerpanwerkzeuge und der mechanischen Belastung bei der Schleifbearbeitung. Neben dem Haupteinsatzzweck des Schleifens von Schaftwerkzeugen konnten durch die Arbeit mit der Maschine ebenfalls bedeutende Ergebnisse im Bereich der Werkzeugpräparation erzielt werden. In diesem Anwendungsfeld wurde sie sowohl für das Entgraten von Werkzeugen als auch für die Oberflächenfeinstbearbeitung, in Form einer Nachbehandlung von beschichteten Werkzeugoberflächen eingesetzt. Für Untersuchungen in diesem Bereich wurde eine Vorrichtung an der Schleifspindel der Maschine zur magnetabrasiven Bearbeitung adaptiert. Das angewandte Verfahren Magnetfinishen wurde ebenfalls für Untersuchungen zur Präparation von Schneidkanten an Zerspanungswerkzeugen experimentell umgesetzt. Neben dem Magnetfinishen zur Schneidkantenpräparation, konnte in einigen ersten Vorversuchen ein weiteres innovatives und vielversprechendes Verfahren zur Schneidkantenpräparation auf der Maschine implementiert und einleitend analysiert werden. Das Drillpolishen, bei dem der geschliffene Bohrer zur Präparaton seiner Hauptschneiden in eine speziell dafür ausgelegte Schleifscheibe bohrt, wurde erstmalig angewandt. Aufgrund der derzeit laufenden Untersuchungen soll im Rahmen dieses Berichtes jedoch nicht näher auf das Verfahren eingegangen werden. Gleiches gilt für erfolgte Voruntersuchungen im Bereich Oberflächenfeinstbearbeitung von Schaftwerkzeugen. Neben grundlagen- und anwendungsbezogenen Untersuchungen wurde die Maschine ferner seit ihrer Anschaffung für forschungsgerichtete Auftragsarbeiten eingesetzt. Hierzu zählen im Konkreten, das Entgraten von Bauteilen durch das Magnetfinishen, welches weiterhin auch Forschungsaktivtäten unterliegt, die Probenvorbereitung von Bauteilen sowie die Schleifbearbeitung vorhandener Schaftwerkzeuge für anschließende Zerspanungsuntersuchungen. So wurden mit der Werkzeugschleifmaschine zum Beispiel Biegeproben für anschließende Analysen in Finishbearbeitung vorgeschliffen. Ein weiterer Anwendungszweck war das Hinterschleifen von Fräswerkzeugen zur Reduzierung des Schaftdurchmessers. Auf Basis des Spektrums der dargestellten wissenschaftlichen Tätigkeiten für die die Maschine eingesetzt wurde, lässt sich ableiten, welche Untersuchungsmöglichkeiten sich durch die Anschaffung der Werkzeugschleifmaschine ergeben haben und auch weiterhin ergeben werden. Dabei ist das Einsatzfeld nicht ausschließlich auf Schleifuntersuchungen bei der Herstellung von Schaftwerkzeugen beschränkt, sondern kann neben dem Feld der Werkzeugpräparation und -optimierung auch für innovative Erstanwendungen unter der Restriktion hoher Genauigkeiten eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Schleifbearbeitung von Keramik-Hartmetall-Verbunden, Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2011, ISBN 978-3-8027-8767-6
Würz, E.
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Gezielte Nut- und Schneidkantenpräparation von Vollhartmetall-Zerspanwerkzeugen durch Polierschleifen. In: Spanende Fertigung, 6. Ausgabe, Biermann, D. (Hrsg.), Vulkan Verlag, Essen, 2012, ISBN 978-3-8027-2965-2, S. 104-110
Heymann, T.
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Magnetfinishen zur Präparation von VHM-Werkzeugen – Untersuchungen zur Oberflächenfeinbearbeitung von Spannuten. dihw – Diamant Hochleistungswerkzeuge, 5 (2013) 3, S. 32-37
Biermann, D.; Wolf, M.; Heymann, T.
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Magnetfinishen zur Präparation von VHM-Werkzeugen – Verfahrenstechnische Grundlagen. dihw – Diamant Hochleistungswerkzeuge, 5 (2013) 2, S. 24-29
Biermann, D.; Wolf, M.; Heymann, T.
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Drillpolishen als neuartiges Kantenpräparationsverfahren - Mit elastisch gebundenen Scheiben die Kanten verrunden, WB - Werkstatt und Betrieb, 147 (2014) 1/2, S. 84-87
Brodbeck, J.; Rothenaicher, S.; Biermann, D.; Heymann, T.; Wolf, M.
