Verschleißverhalten neuartiger Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus CBN bei der Hartzerspanung

von Eckart Uhlmann, Julian Polte, Mitchel Polte, Yves Kuche, Hagen Maximilian Wiesner, IPK Berlin und IWF TU Berlin von 19. November 2018
REM-Aufnahmen der Versuchswerkzeuge zur Gegenüberstellung nach einem Schnittweg lc = 1m und lc = 4m
In der Mikroproduktionstechnik bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide und Werkzeugdurchmessern von D ≤ 1mm stellt der Werkzeugverschleiß einen entscheidenden Faktor für die Entstehung hoher Fertigungskosten dar. Ein großes Anwendungsfeld der Mikrozerspanung ist die Fertigung hochpräziser Spritzgusswerkzeuge für die Serienfertigung von Präzisionskunststoffteilen. Gefordert werden dabei hohe geometrische Genauigkeiten und niedrige Oberflächenrauheitskennwerte.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist eine stetige Forschungsarbeit notwendig. Ein Ansatzpunkt zur Optimierung der Fertigungsprozesse ist der Einsatz neuartiger Schneidstoffe und Werkzeuggeometrien.

Voruntersuchungen der Prozessparameter

Aktuelle Untersuchungen am Fraunhofer IPK zeigen, dass die Grenzen der Mikrozerspanung erweitert werden müssen und die geforderten Spezifikationen den Stand der Technik meist übersteigen. Besonders im Bereich des Mikrospritzgusses zur Fertigung kostengünstiger, aber hochwertiger Kunststoffbauteile ist die Fertigung der Mikrospritzgussform ein Kostentreiber. Der Einsatz hochfester Werkstoffe, wie gehärtete Stähle oder Sonderlegierungen für den Werkzeugbau, wird zur Regel. Aus dieser Entwicklung entstehen Herausforderungen bezüglich des Werkzeugverschleißes mit entsprechend großem Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis.

Die Paarung von Schneidstoff und Werkstoff stellt im Zerspanprozess neben der Werkzeuggeometrie den Haupttreiber des Werkzeugverschleißes dar. Hartmetallwerkzeuge weisen bei der Bearbeitung von Stahl erhebliche Defizite auf. Aufgrund starker Diffusionserscheinungen zwischen Eisen (Fe) und dem Hartmetallbinder Cobalt (Co) treten an unbeschichteten Werkzeugen chemisch bedingte Instabilitäten auf. Folge dessen ist das Auflösen des Schneidenkomplexes und daraus resultierender Werkzeugverschleiß [KLC08, LÖW14, UHL14]. Das Beschichten dieser Werkzeuge unterbindet die chemischen Prozesse, führt jedoch zu einem Rückgang der Vorhersagbarkeit des Werkzeugversagens aufgrund von Delaminationserscheinungen [GEN06]. Der Einsatz von Diamant als Schneidstoff für die Stahlzerspanung ist aufgrund des starken thermochemischen Verschleißes nicht empfehlenswert. Ansätze, welche die Problemstellung aufgreifen und lösen sind zumeist auf Drehprozesse ausgelegt.
Am Fraunhofer IPK werden aktuell Untersuchungen mit einem neu entwickelten Werkzeugkonzept mit besonderem Bezug auf die Reduzierung des Werkzeugverschleißes durchgeführt. Bei den eingesetzten Versuchswerkzeugen handelt es sich um zylindrische Schaftfräswerkzeuge auf Basis von kubisch-kristallinem Bornitrit (CBN) mit einem Werkzeugdurchmesser D = 1mm, einer Zähnezahl z = 1, einem Schneideckenradius rϵ = 0,1mm sowie einem Aspektverhältnis A = 2. Für die Untersuchungen ist der Werkstoff X40Cr13 mit einer Rockwell-Härte von H = 52 HRC durch ein 3-Achs-Hochpräzisions-Bearbeitungszentrum Gamma 303 High Performance der Firma Wissner Maschinenbau GmbH, Göttingen, bearbeitet worden. Durch Variation des Zahnvorschubs fz, der Schnitttiefe ap und der Schnittgeschwindigkeit vc konnte die industrielle Einsetzbarkeit nachgewiesen werden. Bereits veröffentlichte Forschungsergebnisse umfassen die resultierende Gratbildung, die resultierenden Zerspankräften Fz und die Oberflächentopographie. Um diese Ergebnisse um den Faktor Schnittweg lc zu erweitern, sind weitere Versuche durchgeführt worden und die maximale Verschleißmarkenbreite VBmax, die Schneidkantenrundung rβ, die Oberflächentopographie sowie die Zerspankräfte Fz wurden näher betrachtet.

Verschleißverhalten über den Schnittweg lc

Zur Untersuchung des Einflussfaktors Schnittweg lc auf das Bearbeitungsergebnis sind sowohl der Werkzeugverschleiß, als auch die erreichbaren Oberflächentopographien und die auftretenden Zerspankräfte Fz am Werkzeug ausschlaggebend. Für den zukünftigen industriellen Einsatz der Versuchswerkzeuge ist es notwendig, detailliertes Wissen über diese Einflussfaktoren zu erlangen. Zur Generierung detailliertem Prozesswissens sind in Voruntersuchungen geeignete Prozessparameter festgelegt worden. Ein stabiles Werkzeugverhalten konnte bei einem Zahnvorschub fz = 2µm sowie fz = 4µm, einer Schnittgeschwindigkeit vc = 100m/min bzw. vc = 150m/min und bei einer seitlichen Zustellung ae = 30µm sowie einer Schnitttiefe ap = 30µm erzielt werden. Zur Untersuchung des Verschleißverhaltens ist ein Schnittweg im Bereich von 0 m < lc ≤ 4m betrachtet worden. Zur Erfassung und Auswertung relevanter Messgrößen ist das optische 3D-Messsystem InfiniteFocus der Firma Alicona Imaging GmbH, Graz, Österreich, das Rasterelektronenmikroskop JCM-5000 Benchtop SEM (Neoscope) der Firma Joel, Akishima, Präfektur Tokio, Japan, und das opto-mechanische Messsystem Hommel-Etamic nanoscan 855 der Firma Jenoptik AG, Jena, eingesetzt worden. In Abbildung 1 sind die REM-Aufnahmen des Versuchswerkzeugs nach einem Schnittweg lc = 1m und lc = 4m graphisch dargestellt.
 

Verlauf der maximalen Verschleißmarkenbreite VBmax sowie der Schneidkantenrundung rβ in Abhängigkeit vom Schnittweg lc

Werkzeugverschleiß

Der Werkzeugverschleiß als Kombination aus der maximalen Verschleißmarkenbreite VBmax und der negativen Beeinflussung der Schneidkantenrundung rβ nimmt direkten Einfluss auf die Formgenauigkeit GF. In Abbildung 2 ist sowohl der Verlauf der maximalen Verschleißmarkenbreite VBmax, als auch der Schneidkantenrundung rβ über den Schnittweg lc dargestellt. Die maximale Verschleißmarkenbreite VBmax liegt über das gesamte untersuchte Prozessfenster mit steigendem Graphen zwischen 16,6µm ≤ VBmax ≤ 69,3µm. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass die Werkzeuge bei dem Einsatz beider Prozessparametersätze einem annähernd konstant zunehmenden Verschleiß unterliegen. Bei Einsatz der niedrigeren Prozessparameter ist ausgehend von einem Schnittweg lc = 0m zunächst ein geringerer Verschleiß zu verzeichnen.

Mit steigendem Schnittweg auf bis lc = 4m gleichen sich die maximalen Verschleißmarkenbreiten VBmax der eingesetzten Prozessparameter an. Resultat der Untersuchung ist, dass sich bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 150m/min und einem Zahnvorschub fz = 4µm die maximale Verschleißmarkenbreite VBmax bei kleinen Schnittwegen lc deutlicher ausbildet. Die Zunahme der maximalen Verschleißmarkenbreite VBmax bei einem Schnittweg zwischen 1m < lc ≤ 4m fällt niedriger aus und der zusätzliche auftretende Verschleiß kann um ∆VBmax = 10% reduziert werden.
Der in Abbildung 2 dargestellte Verlauf der Schneidkantenrundung rβ weist über den Schnittweg lc niedrigere Einflüsse auf. Bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 100m/min und einem Zahnvorschub von fz = 2µm kann nur ein geringer Zuwachs von ∆rβmax = 20% festgestellt werden. Entsprechend fallen die Ergebnisse bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 150m/min und einem Zahnvorschub fz = 4µm aus. Die Schneidkantenrundung rβ ist auf einen Bereich zwischen 8,7µm ≤ rβ ≤ 14,1µm begrenzt.
Es konnte nachgewiesen werden, dass die Nebenschneide S‘ im Vergleich zur Hauptschneide S eine größere Schneidkantenrundung rβ aufweist. Zusätzlich erfolgt eine schnellere Zunahme über den Schnittweg lc. Zurückgeführt werden kann dies anhand der Reibverhältnisse im konstanten Kontakt mit dem Werkstück und der daraus resultierenden Veränderung der Zerspantemperatur Tz.

Verlauf des arithmetischen Mittenrauwerts Ra sowie der gemittelten Rautiefe Rz in Abhängigkeit vom Schnittweg lc

Oberflächentopographie

Die Oberflächentopographie ist ein Resultat aus den eingesetzten Prozessparametern und dem am Werkzeug vorliegenden Verschleiß. Aufgrund der zunehmenden maximalen Verschleißmarkenbreite VBmax und Schneidkantenrundung rβ ist mit einer über den gesamten Schnittweg lc schwankenden Oberflächentopographie zu rechnen. Zur Identifikation dieser Einflüsse ist der arithmetische Mittenrauwert Ra und die gemittelte Rautiefe Rz der erzeugten Oberflächen taktil erfasst worden. Die ermittelten Messwerte sind in Abbildung 3 über einen Schnittweg von lc = 4 m graphisch dargestellt.
Die erfassten Messwerte für den arithmetischen Mittenrauwert liegen zwischen 0,012µm ≤ Ra ≤ 0,029µm. Bis zu einem Schnittweg von lc = 2m ist ein Absenken des arithmetischen Mittenrauwerts Ra nachweisbar. Nähere Untersuchungen der Schneidengeometrie lassen den Schluss zu, dass die anfänglich positive Beeinflussung der Oberflächentopographie aufgrund einer im Zerspanprozess auftretenden Reduzierung des Einstellwinkels der Nebenschneide S‘kr auftritt. Nach einem Schnittweg lc = 2m findet eine Stabilisierung der arithmetischen Mittenrauwerte Ra statt. Das Verhalten der gemittelten Rautiefe Rz entspricht den zuvor beschriebenen Vorgängen. Die erfassten gemittelten Rautiefen Rz liegen in einem Bereich von 0,081µm ≤ Rz ≤ 0,163µm. Ein Einfluss der eingesetzten Prozessparameter kann nicht explizit nachgewiesen werden.

Prozesskräfte

Aufgrund hoher und teils unbekannter Zerspankräfte Fz im Fertigungsprozess kommt es innerhalb der Mikrozerspanung häufig zu einer Beeinträchtigung der Formgenauigkeiten GF. Dies ist darin begründet, dass die Kraftkomponenten Vorschubkraft Ff, Vorschubnormalkraft FfN sowie die Passivkraft Fp direkten Einfluss auf die Werkzeugabdrängung nehmen. Aufgrund der Werkzeugabdrängung sinkt die Bauteilqualität und die Funktionalität ist nicht gewährleistet.
Die messtechnische Erfassung der Zerspankräfte Fz ergab einen Zusammenhang zwischen dem Schnittweg lc und den Zerspankräften Fz. Mit steigendem Schnittweg lc geht ein Wachstum der Zerspankräfte Fz einher. Dies resultiert aus der Zunahme der Schneidkantenrundung rβ und der steigenden maximalen Verschleißmarkenbreite VBmax. Die gemessenen Zerspankräfte Fz liegen zwischen 2,8N ≤ Fz ≤ 22,7N.

Zusammenfassung und Ausblick

Zur Erreichung hoher Standzeiten T von Formeinsätzen für den Mikrospritzguss werden zunehmend gehärtete Stähle eingesetzt. Durch die hohe Härte H kommt es innerhalb der Mikrozerspanung zu hohem Werkzeugverschleiß. Resultat ist eine Beeinträchtigung der Formgenauigkeit GF und der Oberfächentopographie. Um diesen Einfluss zu minimieren wird in diesem Beitrag ein neues Mikrofräswerkzeug mit Schneiden aus CBN für die wirtschaftliche Zerspanung von X40Cr13 eingesetzt und der Einfluss der Prozessparameter analysiert. Durch Variation des Zahnvorschubs fz, der Schnitttiefe ap und der Schnittgeschwindigkeit vc konnte ein geeignetes Prozessfenster identifiziert werden. Unter Einsatz dieser Parameter wurde der Einfluss des Schnittwegs lc auf den Werkzeugverschleiß, die Oberflächentopographie und die Zerspankräfte Fz ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass über einen Schnittweg lc = 4m nur ein geringer Werkzeugverschleiß und niedrige Einflüsse im Bereich der Oberflächentopographie auftreten. Aus den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass die untersuchten Werkzeuge eine geeignete Alternative zu Hartmetallwerkzeugen im industriellen Einsatz darstellen können.

 

 


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