Untersuchungen zur frästechnischen Herstellung maßhaltiger Graphitelektroden

von Eckart Uhlmann, Julian Polte, Yves Kuche, 01. Juni 2021
Abb. 3: Werkzeugverschleiß nach einem Schnittweg von lc = 78m (R8500) mit zwei- und dreischneidigen diamantbeschichteten Fräswerkzeugen
Aufgrund seiner guten elektrischen- und thermischen Eigenschaften wird Graphit neben Kupfer primär als Werkstoff zur Herstellung von Senkelektroden eingesetzt [1, 2].

Durch die Verwendung von Fein- und Feinstkorngraphit mit Korngrößen von dK ≤ 10µm ist es möglich komplexe Formelektroden mit höchsten geometrischen Ansprüchen wie tiefe Kavitäten, Freiformoberflächen sowie dünne und hohe Stege oder Pinstrukturen, wirtschaftlich herzustellen [3]. Typische Anwendungen sind im Werkzeug- und Formenbau zu finden und können beispielsweise der Elektro- und Automobilindustrie sowie der Medizintechnik zugeordnet werden.

Für die Fertigung der Graphitelektroden wird vorwiegend der Prozess Fräsen mit diamantbeschichteten, eigens für Graphit ausgelegten, Fräswerkzeugen eingesetzt. Anders als duktile Werkstoffe wie Stahl oder Kupfer, ist die Werkstofftrennung bei der Graphitbearbeitung weniger durch plastische Verformungsvorgänge und die Bildung von Spänen geprägt. Aufgrund des vorwiegend linearelastischen Materialverhaltens lassen sich die Trennmechanismen vielmehr durch bruchmechanische Ansätze beschreiben [4, 5]. Durch die Bildung von Mikro- und Makrorissen sowie Zerrüttungseffekte werden während der Fräsbearbeitung Graphitkörner einzeln oder im Verbund herausgelöst. Diese wirken beim Auftreffen und Abgleiten am Fräswerkzeug abrasiv und verursachen hohen Werkzeugverschleiß, welcher die Werkzeugform und damit die Maßhaltigkeit gefertigter Werkstückgeometrien beeinträchtigt [6]. Aufgrund der vergleichsweise geringen Zerspankräfte Fz führt auch ein erheblicher Werkzeugverschleiß, anders als bei härteren Werkstoffen, nicht unmittelbar zu einem Werkzeugbruch während der Bearbeitung. Weiterhin ist eine andere Prozessführung mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten vf und Zustellungen sowie variablen Anfahrtsstrategien beispielsweise mit steilen Rampen oder durch Einstich ins volle Material zur Fertigung von Taschen möglich. Neben dem Werkzeugverschleiß ist zur Erzielung einer hohen Maßhaltigkeit die Werkzeugabdrängung von besonderer Bedeutung. Diese wird aufgrund der geringen Zerspankräfte FZ, der geringen Bruchgefahr der Werkzeuge sowie der möglichen hohen Schnittparameter bei der Graphitbearbeitung oftmals unterschätzt. Nachfolgend sollen die Werkzeugabdrängung und der Werkzeugverschleiß näher untersucht sowie die Einflussgrößen bestimmt und diskutiert werden.

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