Defined cutting edge preparation for process optimization in micro milling
Production Automation and Assembly Technology
Final Report Abstract
Mittels Mikrofräsen können Präzisionsbauteile mit hoher geometrischer Flexibilität in einem großen Werkstoffspektrum gefertigt werden. Ursache für das Versagen von Mikrofräsern ist häufig der Werkzeugverschleiß, welcher in der Regel von der Schneidkante ausgeht. Der Grund dafür sind die hohen Belastungen durch das Trennen des Werkstoffs. Ein Ansatz das Verschleißverhalten zu verbessern ist die definierte Schneidkantenpräparation. Die Schneidkantenmikrogeometrie von Mikrofräswerkzeugen besitzt entscheidenden Einfluss auf den Zerspanprozess und den Werkzeugverschleiß. Ein Ansatz zur Fertigung definierter Schneidkantenmikrogeometrien ist die Schneidkantenpräparation mit dem Verfahren Tauchgleitläppen. Innerhalb des Vorhabens wurden die Grundlagen zum Einsatz des Verfahrens zur Kantenpräparation von Mikrofräswerkzeugen erarbeitet und der Stand der Technik erweitert. Dazu wurde das Tauchgleitläppen von Mikrofräswerkzeugen experimentell und simulativ erforscht und der Einfluss der Werkzeugmikrogeometrie auf die Zerspanung von Graphit, Messing und Stahl untersucht. Weiterhin wurde die Übertragbarkeit der durch Kantenpräparation erzeugten Werkzeugmikrogeometrie bei anschließender Werkzeugbeschichtung untersucht und die Eignung des Verfahrens zur Beschichtungsvorbereitung und Beschichtungsnachbearbeitung analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass das Tauchgleitläppen zur reproduzierbaren Schneidkantenpräparation von Mikrofräswerkzeugen mit Durchmesser 0,2 mm ≤ D ≤ 1 mm eingesetzt werden kann und Kantenrundungen 2 µm ≤ rβ ≤ 15 µm gezielt hergestellt werden können. Dabei wurde die Schneidkantenschartigkeit Rs reduziert und die Schneidkante stabilisiert, was zu einem verbesserten Verschleißverhalten bei der Zerspanung geführt hat. Die Verschleißschwankungen konnten bei präparierten Mikrofräswerkzeugen um bis 95 % reduziert werden. Folglich konnte eine konstantere Oberflächenrauheit über den Schnittweg lc bei präparierten Fräswerkzeugen festgestellt werden. Anhand präparierter und anschließend beschichteter Mikrofräswerkzeuge konnte eine Übertragbarkeit der Werkzeugmikrogeometrie festgestellt werden, wobei präparierte Schneidkanten nach der Beschichtung eine homogene Schneidkantenrundung rβ und eine geringere Kantenschartigkeit Rs entlang der Schneidkante im Vergleich zu unpräparierten Werkzeugen aufwiesen. Somit lassen sich Erkenntnisse aus der Präparation und Beschichtung von Wendeschneidplatten auch auf Mikrofräswerkzeuge übertragen. Gleichzeitig führte eine verbesserte Schichthaftung bei HIPIMS-Beschichtungen zu einer Verschleißreduzierung um bis zu 30 %. Darüber hinaus wurden grundlegende Erkenntnisse zu den Läppmitteleigenschaften erarbeitet sowie Werkstoffkennwerte bestimmt und in einer Ansys CFX-Simulation zur Betrachtung der Strömungseigenschaften bei der Kantenpräparation von Mikrofräswerkzeugen verwendet. Die berechneten Ergebnisse wurden durch beim Tauchgleitläppen experimentell bestimmte Bearbeitungsdrücke p sowie die Analyse des Strömungsverhaltens beim Verfahren von Werkstücken im Läppmittel validiert. Durch die Simulation konnten die höchsten Druckspannungen σ der Werkzeugschneidkanten an den Schneidecken festgestellt werden. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Versuchen, in welchen höhere Kantenrundungen rβ an den Schneidecken im Vergleich zu den Haupt- und Nebenschneiden festgestellt wurden. Abschließend wurde anhand eines Fallbeispiels die Wirtschaftlichkeit präparierter und beschichteter Mikrofräswerkzeuge aufgezeigt.
Publications
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