Gestaltungsrichtlinien und Herstellungsverfahren für Mikro-Fräswerkzeuge
Final Report Abstract
Das vorliegende Forschungsvorhaben zeigt eine optimierte Fräsergeometrie zur Zerspanung von Stahlwerkstoffen im Mikrobereich. Aufgrund einer mangelnden Parameterstabilität bei kleinsten Werkzeugdurchmessern, die durch den Skalierungseffekt des steigenden Verhältnisses von Schneidkantenversatz zu Fräserdurchmesser in Richtung kleinerer Werkzeuge entsteht, ergibt sich eine verringerte Prozessstabilität. Hierzu wurden verschiedene Basisgeometrien festgelegt und simulativ verglichen. Dies erfolgte durch das Aufbringen von typischen statischen und dynamischen Belastungsfällen inklusive der exzentrischen Einspannung des Werkzeuges, wie sie für die Mikrozerspanung charakteristisch sind. Die als geeignet identifizierten Geometrien wurden über Mikrofunkenerosion prototypisch hergestellt und in Zerspanexperimenten untersucht. Auf Grundlage dieser Ergebnisse erfolgten iterativ Optimierungsschritte, die wiederum in die Simulation einflossen. Ein Tool zur Berechnung des spannungsoptimierten Übergangs vom Fräserschaft in den Bereich der Schneidengeometrie wurde entwickelt. Abschließend erfolgte die Umsetzung der Ergebnisse in einer großserienfähigen Geometrie und deren Herstellung mittels eines wirtschaftlichen Schleifprozesses. Es erfolgte eine Untersuchung des Werkzeugwerkstoffes durch Standwegversuche und Kraftmessungen von den Hartmetallsorten EZ10, EZ 21, EZ44 und EZ61. Aufgrund der Ergebnisse wurde der Werkstoff EZ10 als geeignetstes Material identifiziert und für die folgenden Untersuchungen verwendet. Bei der Spanwinkelvariation mit den Werten von 0°, 3° und 6° zeigte sich die höchste Standzeit bei einem Spanwinkel von 0°. Weiterhin wurde der Spiralwinkel an geschliffenen Mikrofräsern mit den Werten von 10°, 20° und 30° variiert, um dessen Einfluss auf den Standweg und die Zerspankräfte zu ermitteln. Es zeigte sich eine Verbesserung der erzielbaren Oberflächenrauheit und ein Absinken der Zerspankräfte mit größeren Spiralwinkeln jedoch bei geringerem maximal erzielbarem Standweg. Dies qualifiziert diesen Winkel für Schlichtfräser. Ein deutlich höherer Standweg wird mit einem Spiralwinkel von 10° erreicht, bei schlechterer Oberflächenrauheit. Diese Eigenschaft qualifiziert diesen Spiralwinkel für Schruppfräser. Der Vergleich des unbeschichteten Hartmetallwerkzeuges mit einer Tib2- und einer TiAlN-Beschichtung zeigt auf, dass eine TiAlN- Beschichtung mit einer Schichtdicke von kleiner 1 µm aufgrund von verbesserten Reibeigenschaften die Zerspankräfte gegenüber einem unbeschichteten Werkzeug nicht merklich ansteigen lässt. Abschließend flossen die erarbeiteten Erkenntnisse in die Umsetzung eines Kleinstwerkzeuges des Durchmessers von 20 µm ein. Dieser Mikrofräser wurde aus dem Hartmetall EZ10 schleifend hergestellt und wies einen Spanwinkel von 0° sowie einen Spiralwinkel von 10° auf. Mit diesem Werkzeug war es möglich einen Formeinsatz mit der Kontur eines Zahnrades von 326 µm Durchmesser zu fräsen.
Publications
- Design and manufacturing of micro milling tools. Microsystem Technologies; Verlag Springer Berlin/Heidelberg, 0946-7076 (Print) 1432-1858 (online), Volume 14, Numbers 9-11 / Oktober 2008
Fleischer, J.; Deuchert, M.; Ruhs, C.; Kühlewein, C.; Halvadjiysky, G.; Schmidt, C.
- Geometry Optimization of Micro Milling Tools. 4M - Proceedings of the 4th International Conference on Multi-Material Micro Manufacture, 9th-11th September 2008, Cardiff (UK), S. 275-278, ISBN 978-1-904445-76-0
Fleischer, J.; Deuchert, M.; Kühlewein, C.; Ruhs, C.
- Geometrieoptimierung von Mikrofräswerkzeugen. Mikroproduktion, Carl Hanser Verlag, Ausgabe 02/2009
Schulze, V.; Ruhs, C.; Kühlewein, C.; Deuchert, M.
