Simulationsgestützte Mikrofräsbearbeitung gehärteter Werkzeugstähle zur Herstellung filigraner Formelemente und funktionaler Oberflächenstrukturen

Krebs, E.

Kleinste Formwerkzeuge aus gehärteten Stahlwerkstoffen werden vielfach in der urformenden als auch der umformenden Fertigung eingesetzt. Diese werden zurzeit primär durch die Funkenerosion hergestellt. Die thermische Beanspruchung der Oberflächen kann hierbei jedoch zu einem frühzeitigen Versagen des Formwerkzeugs führen und erfordert deshalb eine aufwändige Nachbearbeitung. Die Hartzerspanung stellt eine vielversprechende Alternative dar. Im Makrobereich bereits seit etwa 20 Jahren etabliert, hat sich diese im Mikrobereich noch nicht durchsetzen können. Dieses wird auf die fehlenden Erkenntnisse zum Potential und den Grenzen der Prozesse beim Einsatz von kleinen Werkzeugdurchmessern von d ≤ 1 mm zurückgeführt.
In der vorliegenden Dissertation werden deshalb zunächst grundlegende Untersuchungen zur Zerspanung von gehärteten Werkzeugstählen durchgeführt. Hierbei steht sowohl der Werkzeugverschleiß als auch die Oberflächenqualität sowie die Maß- und Formgenauigkeit im Fokus der Untersuchungen. Zudem werden Möglichkeiten einer erweiterten Prozessbewertung durch thermische Analysen und eine Prozesssimulation vorgestellt. Neben den Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung hochwertiger Formwerkzeuge stellt eine tribologische Optimierung dieser durch eine Applikation von funktionalen Oberflächenstrukturen ein weiteres Ziel dar. Im Hinblick auf den Werkzeugverschleiß wurden geeignete Werkzeuge identifiziert. Aus der Bewertung der Schneidenbeanspruchung wurden zudem geeignete Prozessrandbedingungen und Schnittparameterwerte abgeleitet. Die geeignete Werkzeuggestalt wurde weiter modifiziert, um eine höhere Oberflächenqualität in einem Stirnumfangsfräsprozess zu gewährleisten. Hierbei wurden zwei neue Konzepte zur Schneidenauslegung entwickelt, die Rauheitswerte von Ra ≤ 25 nm bei vergleichsweise hohen Zahnvorschüben ermöglichen. Eine ungünstige Gratbildung, zurückgeführt auf eine zu geringe Spanungsdicke, wurde bei Zahnvorschüben von fz < 3,3 µm experimentell festgestellt. Um eine Übertragung dieser Ergebnisse auf reale Anwendungsfälle zu ermöglichen, wurde eine Vorschubsimulation entwickelt, die eine Vorhersage der kritischen Bereiche an den NC-Bahnen ermöglicht. Eine Visualisierung dieser gestattet eine gezielte Anpassung der Frässtrategie in einem CAM-System, um eine hohe Oberflächenqualität beim gesamten Bauteil zu gewährleisten. Die Vorhersage der Fertigungszeit am realen Bauteil wies eine Abweichung von lediglich 3 % auf. Im Gegensatz dazu lag die Abweichung bei einer Vorhersage durch ein CAM-System im untersuchten Fall bei einem Wert von 196 %. Das Maschinenersatzmodell wurde hierbei auf Basis von Messdaten und einer funktionsbasierten Beschreibung des Maschinenverhaltens aufgebaut. Die entwickelte Messmethode lässt sich zudem auf nahezu alle NC-gesteuerten Maschinenkonzepte übertragen.
Eine höhere Maß- und Formgenauigkeit konnte durch einen Kompensationsalgorithmus erzielt werden. Durch eine Verzerrung der NC-Bahnen lassen sich auch komplexe NC-Bahnen lokal korrigieren. In den Untersuchungen konnte bereits nach drei Iterationsschritten der Maßfehler von 78 % auf 6 % reduziert werden. Zudem wurde die Wichtigkeit der Temperaturmessung bei der Mikrohartbearbeitung hinsichtlich der Maß- und Formgenauigkeit nachgewiesen. Durch eine Erweiterung der Messstrategie war es darüber hinaus möglich, eine Analyse der Schneidenbeanspruchung und des Werkzeugverschleißes durchzuführen.
Zur Optimierung des tribologischen Einsatzverhaltens von Umformwerkzeugen wurde die Oberflächenstrukturierung mittels der Mikrofräsbearbeitung untersucht. Trotz der hohen Werkstoffhärte von H > 60 HRC und Werkzeugdurchmessern von d = 0,2 mm konnte eine erfolgreiche Fertigung von Oberflächenstrukturen realisiert werden. Durch die Entwicklung geeigneter Prozessstrategien wurde auch die Fertigung von bionisch motivierten Oberflächentopografien umgesetzt, die eine vielfach komplexere Gestalt im Vergleich zu den in der Literatur gängigen Dimples aufweisen. Die tribologischen Vorteile der Oberflächenstrukturen wurden sowohl in unterschiedlichen Labortests als auch in realen Anwendungen nachgewiesen. Besonders vielversprechend wird die Materialflusssteuerung durch eine anisotrope Strukturgestalt gesehen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch die Kombination von Oberflächenstrukturen und plangefrästen Oberflächen mit einer geringen Rauheit ein breiter Bereich von tribologischen Anforderungen erfüllt werden konnte. Somit war es durch ein einzelnes Verfahren und eine Strategieanpassung möglich, tribologische Eigenschaften von polierten, geschliffenen und erodierten Oberflächen einzustellen und einen Reibfaktor zwischen 0,06 < m < 0,28 zu erzielen.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2017, ISBN: 978-3-8027-8797-3