• Firma: LMT Tool Systems GmbH
  • Land: Deutschland
  • Artikel vom: 07 Februar 2014
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Mikrowerkzeuge, Weitere Anwendungen
  • Bei der Mikrozerspanung wird die Physik manchmal „auf den Kopf gestellt“

    Im Hinblick auf fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile, auch in Verbindung mit Leichtbau, gewinnt die Mikrozerspanung zunehmend an Bedeutung. Die Firmengruppe LMT Tools hat sich dieser Herausforderung mit der Entwicklung von speziellen Werkzeugen zum Fräsen, Bohren und Gewindebohren in den Hauptanwenderbranchen Automotive, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Consumerproducts, zum Beispiel zur IT-Kommunikation oder Uhrenindustrie (Abb. 1) gestellt. Beispiele typischer Bauteile aus dem Bereich Mikrozerspanung sind Gehäuse für Airbagsensoren oder Endoskope, Formen für die Spritzgusstechnologie, Graphit- und Kupferelektroden, Uhrengehäuse, Münzpräge- und Pressstempel, Mikroventile, Aktoren für Mikrooptiken oder gar Zahnimplantate.

    Selbst für die Hartbearbeitung sind die kleinen Fräser geeignet. Abb. 2 zeigt als Beispiel die Form eines gehärteten Pressstempels für Tablettiermaschinen aus der Produktion von Fette Compacting. Zum Einsatz gelangt ein beschichteter Micro HSCline Schaftfräser aus Vollhartmetall mit einem Durchmesser von 1 mm. Das Werkzeug besitzt eine Kugelstirn (Radius 0,5 mm) und zwei Schneiden. Es ist beschichtet mit TiSiN. Das Werkzeug wird auf einer Standard-Fräsmaschine mit HSC-Spindel eingesetzt. Der Werkstoff PM HSS mit einer Härte von 50 HRC wird bei folgenden Schnittwerten geschlichtet:

    Schnittgeschwindigkeit vc = 94 m/min; Drehzahl n= 30.000 min-1; Zahnvorschub fz = 0,02 mm; Vorschubgeschwindigkeit vf = 1.200 mm/min; radiale Zustellung ae = 0,05 mm; axiale Zustellung ap = 0,02 mm.


    Klassische Zerspanungstheorie oft nicht übertragbar

    Die Anforderungen an die Mikrozerspanung unterscheiden sich deutlich von denen der Makrozerspanung, weil sich die klassische Zerspanungstheorie nicht 1:1 übertragen lässt. So können zum Beispiel übliche Schnittgeschwindigkeiten von 150 m/min heute im Normalfall gar nicht realisiert werden, weil dazu eine Spindeldrehzahl von 239.000 U/min erforderlich wäre, bei einem Durchmesser von 0,2 mm. Aufgrund der Mikro- Dimensionen bestehen auch spezielle Anforderungen an die Steifigkeit der Werkzeuge, um den Zerspankraftkomponenten stand zu halten. Dazu müssen besondere ferigungstechnische Maßnahmen bereits bei der Werkzeugherstellung getroffen werden, auch mit dem Ziel minimaler Schneidkantenschartigkeit und perfekten Rundlaufs.


    Ursache für das Standzeitende eines Mikrowerkzeugs ist in vielen Fällen Werkzeugbruch. Dafür sind dann nicht nur fehlerhafte Schneidentopografien verantwortlich, sondern auch ungeeignete Schnittparameter in Bezug auf die mit der Verkleinerung des Werkzeugdurchmessers kubisch abnehmende Steifigkeit des Fräsers. Im Forschungsprojekt MiCuTool, das vom BMWi im Rahmenprogramm InnoNet gefördert wurde, konnte mit Hilfe einer Finite-Elemente-Berechnung (FEM) eine neue, hochstabile Werkzeuggeometrie entwickelt werden. Als Resultat stehen nun Mikrofräser zur Verfügung, die einerseits ein deutlich geringeres Bruchrisiko aufweisen und andererseits wesentlich präzisere Bearbeitungsergebnisse bei höherer Prozesssicherheit ermöglichen und somit auch die geforderten, sehr kurzen Bearbeitungszeiten, realisieren. Die Spannungsverteilung in Abbildung 3 zeigt die bruchempfindliche Stelle bei herkömmlichen Werkzeugen im Übergang vom langen und schlanken Schneidenteil zum Schaft. Zur Steigerung der statischen und dynamischen Stabilität wurde diese „Schwachstelle“ nun in den Bereich geringerer Belastung verschoben. Natürlich hat auch die Schneiden-Mikrotopografie einen entscheidenden Einfluss auf die Werkzeugleistung. Die durch Schleifriefen hervorgerufene Schartigkeit lässt sich mit einer Ionenstrahlbehandlung glätten. Das führt zu wesentlich verbesserten Standzeiten. So scheinen die im Mikrobereich auftretenden Zerspanungseffekte die Physik der Makrowelt manchmal geradezu auf den Kopf zu stellen. In solchen Fällen kann nur die große Erfahrung der Entwicklungs- und Anwendungsexperten diese neuen Anforderungen wieder auf den festen Boden der gesicherten Erkenntnisse bringen. Denn die Hauptanforderungen in der Anwendung von Mikrowerkzeugen bleiben gegenüber der Makrobearbeitung unverändert: Prozesssicherheit bei hoher Werkstückqualität und geringen Fertigungskosten.

    Die Mikrowerkzeuge müssen in Relation zu den Makrowerkzeugen großen spezifischen Belastungen standhalten. Umso größer ist auch die Bedeutung der Standzeit für deren wirtschaftlichen Einsatz. In vielen Praxiseinsätzen konnten die Micro HSCline Schaftfräser ihre ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit unter Beweis stellen. Nach einer Fräszeit von 240 min war das Standzeitende des Wettbewerbswerkzeugs erreicht. Nach dieser Einsatzzeit zeigte der Fräser von LMT Fette nur eine um fast 70% geringere Verschleißmarkenbreite. In dem angesprochenen Beispiel wurden Werkzeuge mit einem Durchmesser von 2 mm bei der Bearbeitung des Werkstoffs 1.2379 verglichen. Die Schnittgeschwindigkeit betrug 157 m/min bei einer Schnitttiefe und Schnittbreite von jeweils 0,06 mm. Der Zahnvorschub betrug 0,04 mm.

    LMT Tools bietet mit dem Programm Micro HSCline Fräswerkzeuge aus Vollhartmetall ab 0,2 mm Durchmesser an, in speziell abgestuften Längen von extra kurz bis extra lang sowie mit Kugelstirn, Eckenradien und gerader Stirnschneide. Diese Werkzeuge sind mit verschiedenen PVD- Beschichtungen und Diamantschicht erhältlich, wobei die Diamantbeschichtung ihre besonderen Standzeit-Vorteile bei der Bearbeitung von Grafitelektroden zeigt. Die wachsende Bedeutung der Leichtbauwerkstoffe Composites & Plastics, zum Beispiel CFK, wird auch durch spezielle PKD-bestückte Bohrwerkzeuge berücksichtigt (Abb.4). Diese sind im Durchmesserbereich ab 0,8 mm verfügbar und ermöglichen reproduzierbare Toleranzen bis IT8. Die Werkzeugkosten würden durch Nachschleifbarkeit nach Herstellerangaben nochmals gesenkt.

    Für abrasive Werkstoffe sind auch cBN-bestückte Werkzeuge ab 0,4 mm vorhanden. Und das Produktportfolio wird auch durch kleine Gewindebohrer ab M1,6 vervollständigt.(Fotos: LMT Tool Systems GmbH)

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