Swissmem-Zerspanungsseminar

Perfektionierte Fertigungsprozesse

| Redakteur: Böhm

Dr. Johann Rechberger (Leiter Material- und Oberflächentechnologie, Fraisa SA) zeigte am Swissmem-Zerspanungsseminar auf, was es beim Mikrofräsen zu beachten gilt.
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Dr. Johann Rechberger (Leiter Material- und Oberflächentechnologie, Fraisa SA) zeigte am Swissmem-Zerspanungsseminar auf, was es beim Mikrofräsen zu beachten gilt. (Bild: Matthias Böhm)

Mikrofräsen (Fraisa SA), Schleifen mit geometrisch bestimmten Schneiden (3M) und perfektionierte Prozesskühlung von Wendeplattenfräsern (Alesa AG) werden in diesem dritten Teil zum Swissmem-Zerspanungsseminar behandelt. Dabei zeigt sich auch an diesen Beispielen, dass mit einfachen Mitteln einiges aus den Fertigungsprozessen herausgeholt werden kann.

Nicht nur in der Schweiz nimmt das Mikrofräsen (unterhalb D = 3 mm) einen höheren Stellenwert in der Fertigung ein. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung wird es für Anwender immer entscheidender, möglichst das Optimum aus ihren Mikrofräsprozessen herauszuholen.

Dr. Johann Rechberger (Leiter Material- und Oberflächentechnologie, Fraisa SA) zeigte auf, was es beim Mikrofräsen zu beachten gilt.

Es ist beispielsweise alles andere als sinnvoll, wie Dr. J. Rechberger betont, von den Bearbeitungsparametern von «normal grossen Fräswerkzeugen» linear auf die Zerspanungsbedingungen beim Mikrofräsen zu schliessen.

Spezifische Anforderungen beim Mikrofräsen

Das liegt zum einen daran, dass Kleinstfräser weniger steif (kleineres Biegemodul) sind als Fräser grösseren Durchmessers. Zum anderen sind die eigentlichen Zerspanbedingungen anspruchsvoll, unter anderem wegen der geringen Spandicken. Die Spandicken dürfen keinesfalls kleiner als der Schneidkantenradius werden, der wiederum nicht beliebig klein gestaltet werden kann.

Werkzeugsteifigkeit potentielle Abhängigkeit

Zuerst zur Werkzeugsteifigkeit, die eine wichtige Rolle bei der Präzision spielt. Die abnehmende Werkzeugsteifigkeit hängt massiv von Länge und Durchmesser des Mikrofräsers ab, zwei Faktoren die unter keinen Umständen vernachlässigt werden dürfen. Deshalb müssen die Bearbeitungsparameter auf die spezifischen Mikroverhältnisse angepasst werden, damit die Werkzeug-Abdrängung und Ungenauigkeit beim Herstellen von Mikro-Strukturen nicht zu gross werden.

Dass die Auslenkung beim Fräsen mit Mikrowerkzeugen massiv zunimmt, liegt daran, dass die Auskragung des Werkzeugs mit der dritten Potenz und der Durchmesser mit der vierten Potenz in die Durchbiegung einfliessen. Man hat es somit mit einem nichtlinearen Verhalten zu tun.

Querkräfte klein halten

Deshalb «verhebt» eine lineare Verschiebung der Prozessparameter (ap, af, fz) von normal grossen Schaft-Fräsern auf Mikrofräser nicht. Es gilt alles zu vermeiden, was zu einer zu grossen Auslenkung des Mikrofräsers führen kann.

Für das Mikrofräsen heisst das, dass die Schnittkräfte in radialer Richtung klein zu halten sind. Machbar ist das mit spezifischen Schneiden-Geometrien, die die Schnittkräfte verstärkt in axiale Richtung erzeugen und somit die Durchbiegung der Mikrowerkzeuge reduzieren hilft.

E-Modul des VHM möglichst gross

Der E-Modul geht wie die radiale Zerspanungskraft linear in die Durchbiegung ein. Je höher der E-Modul, umso steifer das Werkzeugsystem. Insofern spielt die Wahl der VHM-Sorte (Hartmetall: 430 000 bis 630 000 N/mm²) in Bezug auf Durchbiegungsverhalten von Mikrowerkzeugen eine wichtige Rolle.

Inwieweit die PVD-Beschichtung sich auf das Steifigkeitsverhalten von Mikrowerkzeugen auswirkt, darüber lagen der SMM-Redaktion bisher keine Erkenntnisse vor. Das änderte sich mit den Ausführungen von Dr. Rechberger am Swissmem-Zerspanungsseminar. Er zeigte auf, dass bei Mikrowerkzeugen die Beschichtung einen massgeblichen Einfluss auf die Steifigkeit hat.

Gleiches gilt auch für die Prozesstemperatur der Werkzeuge, die bei der Bearbeitung mit Mikrowerkzeugen ebenfalls Auswirkungen in Bezug auf Steifigkeit haben kann.

Durch zunehmende Werkzeugtemperatur nimmt der E-Modul ab, was sich negativ auf das Biegemodul des Werkzeuges auswirken kann.

Schneidkantenradius im Bereich der Spandicke

Jetzt sollen die Eigenheiten des Zerspanprozesses kurz betrachtet werden. Unabhängig vom Werkzeugdurchmesser liegt der Radius der Schneidkante für beschichtete Mikrowerkzeuge zwischen 2 und 6 µm.

Um eine unzulässig hohe Belastung der Schneide zu verhindern, werden insbesondere für sehr kleine Werkzeugdurchmesser (d < 0,5 mm) oft so geringe Spanungsdicken verwendet, dass diese nur unwesentlich grösser als der Schneidkantenradius sind.

Hier ist aber Vorsicht geboten, denn wird das Verhältnis von Schneidkantenradius R zur Spanungsdicke h grösser als 1, besteht die Gefahr des Auftretens des sogenannten «Ploughing-Effekts». Das heisst, dass das zerspanende Material unter plastischer Verformung zwischen Schneide und Werkstück hindurchgequetscht wird. Dies führt zu einem zusätzlichen Wärmeeintrag in die Schneide, was letztlich den Verschleiss erhöht und zu unpräzisen Bearbeitungsergebnissen führt.

Prozessparameter vom Hersteller

Wie sich zeigt, liegen die Herausforderungen beim Mikrofräsen darin, den Fräsprozess stabil zu fahren. Das Ergebnis des Bearbeitungsprozesses hängt deshalb neben der Maschine, den Werkzeugen und dem Werkstoff vor allem von den Prozessparametern wie Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe und Zahnvorschub ab. Nicht zuletzt aus diesem Grund geben Hersteller von Mikrowerkzeugen Prozessparameter zu den spezifischen Mikrowerkzeugen an, mit denen ein prozesssicherer und präziser Fräsprozess erreicht werden kann.

Schleifscheiben mit geometrisch bestimmten Schneidkörnern

Helmut Gaisberger (Global Manager Machine OEMs, 3M) zeigte am Swissmem-Zerspanungsseminar auf, dass mit neu konzipierten Schleifwerkzeugen ein beachtlicher Produktivitätsschub generiert werden kann. Unter dem Markennamen 3M Cubitron II wird heute ein komplettes Sortiment von Schleiflösungen für präzises und produktives Hochleistungsschleifen entwickelt, das die Bearbeitungszeit bis auf die Hälfte reduzieren kann. Das Besondere an Cubitron II ist die Geometrie der Schleifkörner, die eine spezifische Dreieckform aufweisen, was einen massiven Vorteil beim Schleifprozess bringt. Mit den Cubitron-Schleifsystemen entwickelt sich das Schleifen in Richtung eines Fertigungsprozesses mit geometrisch bestimmten Schneiden.

Präzisionssinterkorund-Dreiecke

Die von 3M entwickelte Mikroreplikations-Technologie war die Grundlage der Schleifmittel-Entwicklung in Form von Präzisionssinterkorund-Dreiecken. Die Korndreiecke, in der Fachsprache auch «Precision Shaped Grains» (PSG) genannt, sind die perfekte Korngeometrie, die in gebundene Schleifscheiben integriert ist. Sie wurden kombiniert mit dem Know-how des Unternehmens Winterthur Schleiftechnik, das jetzt zum Multi-Technologie-Unternehmen 3M gehört.

Schleifbrandrisiko geht gegen null

Entgegen der Arbeitsweise herkömmlicher Schleifkörner, die im Schneidprozess eher drücken und pflügen, entsteht dank der geometrisch definierten Schneide der PSG ein sauber geschnittener Span.

Die selbstschärfenden «Dreieck-Körner» gehen mit geringem Schleifdruck sauber durch das Metall wie ein Messer. Die entstehende Hitze wird vom Werkstück in den Span geleitet und so direkt abgeführt. Es entsteht eine erheblich geringere thermische Belastung der Werkstückoberfläche. Das Schleifbrandrisiko geht gegen null.

Die dreieckige Körnung

Diese neuen Schleifwerkzeuge bestehen nicht aus einer Mischung von verschiedenen Korngrössen, sondern aus einer einzigen, definierten Korngrösse. Jedes Schleifkorn gleicht exakt dem anderen.

Ein weiterer Vorteil: Die Standzeit derartiger Schleifmittel kann sich abhängig von der Anwendung auf das Drei- bis Vierfache verlängern und der Abrichtaufwand bzw. die Abrichtzustellung signifikant vermindern. Umfangreiche Tests in der Fertigung ganz unterschiedlicher Zahnrad-Typen, vom kleinen Zahnrad für das Getriebe eines Automobils bis zum grossformatigen, sogenannten Planetenrad, wie es u. a. für das Getriebe einer Windkraftanlage benötigt wird, haben dies bestätigt.

Entstanden ist ein Schleifsystem, das signifikante Vorteile bringt. Deutlich verringerte Produktionszeiten zählen ebenso dazu wie wesentlich geringere Produktionskosten bei optimaler Oberflächenqualität und einheitlichem Schliffbild. Positiv auf die Wirtschaftlichkeit wirken sich darüber hinaus längere Standzeiten, geringere Abrichthäufigkeit und ein reduzierter Abrichtbetrag aus.

3M bietet Wette bis November 2015 an

Um Anwender von den neuen Schleifsystemen zu überzeugen, schlägt 3M marketingtechnisch einen ungewöhnlichen Weg ein. Die 3M Abrasive Systems Division (ASD) bietet Unternehmen, in denen bei der Fertigung Schleifprozesse eine wesentliche Rolle spielen, eine Wette an. 3M wettet, dass 3M Cubitron II bei Schleifprozessen wie zum Beispiel Aussenrund- und Spitzenlosschleifen, Innenrundschleifen, Flach- und Tiefschleifen sowie beim Verzahnungsschleifen die Schleifzeiten verkürzt und die Anzahl der Werkstücke pro Abrichtzyklus erhöht. Und das bei gleichbleibend hoher Oberflächenqualität und mehr Werkstücken pro Schleifscheibe. Insgesamt, so wettet 3M, ist das Schleifen mit Cubitron II produktiver und wirtschaftlicher als mit herkömmlichen Schleifmitteln.

Der Anwender ist immer Gewinner

Das können interessierte Unternehmen ab sofort bis zum November 2015 im Rahmen der 3M-Wette in ihrem eigenen Produktionsprozess überprüfen und dabei auch noch attraktive Preise gewinnen. Wie es geht? Interessierte Unternehmen melden sich zur Wette an (z. B. über einen Aussendienstmitarbeiter oder unter der Webadresse www.3m.de/Schleifsysteme) und vereinbaren einen persönlichen Beratungstermin mit einem 3M-Aussendienstmitarbeiter. Der Aussendienstmitarbeiter bewertet beim Kunden vor Ort, ob 3M diese Wette eingehen kann. Bei diesem Termin werden die testrelevanten Schleifparameter festgelegt und der Test kann beginnen. Jetzt heisst es nur noch, die Wette mit 3M einzugehen.

Alesa: kühlen Kopf bewahren

Martin Wyrsch (Area Sales Manager, Alesa AG) zeigte an einigen Beispielen auf, dass das Werkzeugkonzept «Twist Coolex» der Alesa AG die Bearbeitungszeit von Titanbauteilen um 30 Prozent reduzieren kann. Die Standzeit kann um den Faktor 3 steigen. Möglich macht dies eine ausgefeilte, im Fräskopf integrierte Kühlung der Schneidplatten.

KSS direkt an die hoch belasteten Schneiden

Mittlerweile hat sich in der Fertigungswelt herumgesprochen, dass Kühlung und Schmierung direkt in der Eingriffszone des Zerspanungsprozesses massgebliche Kriterien sind, um Zeitspanvolumen und Standzeit zu erhöhen.

Fakt ist: Viele Anwender sind noch skeptisch. Warum soll man in einen teuren Fräskopf mit integrierter Kühlung investieren, wenn man die Kühlung genauso gut von aussen zuführen kann. Gängige Meinung: «Die Schneiden kühlen sich beim Fräsen so oder so ab, wenn sie aus dem Werkstück treten.»

Doch die Fakten sprechen eine andere Sprache. Alesa hat einen Anwender in einem Feldversuch Tests mit ihrem neu entwickelten Fräser «Twist Coolex» fahren lassen. Das Besondere an dem Fräswerkzeug ist seine «Doppelkühlung». Mit der von Alesa entwickelten Kühltechnologie wird das Schmier- und Kühlmedium direkt an die thermisch am höchsten belasteten Stellen der Schneidkante gebracht.

Martin Wyrsch sagte, generell seien die Alesa-Fräser für hochzähe Materialien wie Inconel, Hastelloy, Titanlegierungen perfekt konzipiert. Das liege u. a. an den hoch positiven Schneiden der Alesa-Wendeplatten. Doch was diese Werkstoffe gemein haben, ist deren Verhalten beim Zerspanen in Form von Kaltverfestigung. Durch die Kaltverfestigung erhöhe sich zudem die Zerspanungsenergie, die aufgebracht werden müsse, was sich wiederum in höherer Wärmeenergie im Bereich des Zerspanprozesses niederschlägt. Da diese Werkstoffe zudem schlecht wärmeleitend sind, würden die Schneidkanten übermässig erhitzt.

Reduzierte Reibung – effiziente Wärmeabfuhr

Genau hier setzt Alesa mit der neuen Kühltechnologie an. Weil der Kühlschmierstoff mit hohem Druck direkt zu den Schneiden gebracht wird, wird erstens der Zerspanprozess perfekt geschmiert (reduzierte Reibung und damit geringere Wärmeentwicklung) und die entstehende Restwärme schliesslich hoch effizient abgeführt. Das führe zu diesen ausgezeichneten Ergebnissen: Die Produktivität kann um 30 Prozent gesteigert werden, die Standzeit kann bis zum Dreifachen erhöht werden.

Anhand dieser Beispiele zeigt sich, dass mittels einer geeigneten Wahl von Werkzeugen die Fertigung mit relativ einfachen Mitteln perfektioniert werden kann. <<

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