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Die
Erfindung betrifft ein spanendes Werkzeug insbesondere für den Mikro-
und Präzisionsformenbau. Insbesondere
betrifft die Erfindung die Mikrozerspanung mit Schaftfräsern, Stirnradiusfräsern oder
Schleifstiften kleinster Durchmesser im Bereich zwischen 0.1 und
1 mm.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist bekannt, zur Hochpräzisionsfertigung
von komplexen Kavitäten
und funktionalen Oberflächen im
Mikro- und Präzisionsformenbau
spanende Verfahren wie Fräsen
und Schleifen einzusetzen. Solche Verfahren stellen neben der direkten
Fertigung von Mikrobauteilen ein wichtiges Glied in der Prozesskette
zur Massenfertigung von Mikro- und Präzisionskomponenten dar und
bieten in Bezug auf die Einsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit entscheidende
Vorteile. Mit spanenden Verfahren kann in Abhängigkeit von der Bearbeitungstechnologie
eine hohe Geometriekomplexität
und Flexibilität
hinsichtlich des zu bearbeitenden Werkstoffspektrums erreicht werden.
Für den
Einsatz der spanenden und abtragenden Hochpräzisionsfertigung haben die
folgenden mikrotechnischen Anwendungsfelder eine große wirtschaftliche
Relevanz:
- • die
hochpräzise
Mikrostrukturierung makroskopischer Bauteile (z. B. Ferrules, opto-elektronische
Kopplungsbausteine) und Komponenten komplexer Mikrosysteme,
- • die
Herstellung von Abformwerkzeugen für die Massenfertigung mikrotechnischer
Produkte (z. B. mikrostrukturierte Formnester von Mikrospritzgießwerkzeugen
für die
Massenfertigung mikrofluidischer Systeme, Mikroprägestempel),
- • die
direkte Herstellung mikro- und feinwerktechnischer Produkte als
Prototypen oder in Klein- und Mittelserien (z. B. mikromechanische
Komponenten der minimal-invasiven Chirurgie) und Komponenten komplexer
Mikrosysteme (wie z. B. Mikroreaktoren, Mikromischer, Mikroantriebe
oder bio-analytische Mikrochips),
- • die
Oberflächenfeinbearbeitung
von funktionalen Flächenelementen
von Kleinstbauteilen (z. B. optoelektronische Kopplungsbausteine,
Gehäuse
für hybride
Mikrosensoren),
- • die
hochpräzise
Mikrostrukturierung von komplexen Feinbauteilen mit erforderlicher
Komplettbearbeitung in einer Aufspannung (z. B. Stents).
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Als
mikrozerspanbare Materialien kommen insbesondere NE-Metalle, Kunststoffe,
Graphit und Stahlwerkstoffe mit einer Härte bis 58 HRC zum Einsatz.
Die derzeitigen Verfahrensgrenzen werden von der Qualität der Fräs- und Bohrwerkzeuge
sowie den maschinenseitigen Restriktionen bestimmt. Es sind beschichtete (TiN-,
TiAlN-, TiCN-) Hartmetall-Fräswerkzeuge
mit einem Durchmesser bis minimal 0,1 mm sowie Bohrwerkzeuge mit
Durchmesser bis minimal 0,07 mm bekannt.
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Die
Hochpräzisionsfräsbearbeitung
gerade von Mikrostrukturen ist abhängig von einer Vielzahl von Prozesseingangsparametern.
Besondere Relevanz besitzen die Bearbeitungsparameter der Schnittgeschwindigkeit
vc und des Zahnvorschubs fz sowie
die Zustellgrößen Schnitttiefe
ap und Eingriffsbreite ae.
Ferner gehören
auch die Eigenschaften des herzustellenden Werkstücks wie
die Komplexität
der Geometrie oder die mechanischen Eigenschaften des Werkstückwerkstoffes
zu den Prozesseingangsparametern. Eine bedeutende Einflussgröße ist des
weiteren die Konfiguration der Werkzeugmaschine und inwieweit diese
den Anforderungen zur Herstellung kleinster Strukturen gerecht wird.
Die Gesamtheit dieser Faktoren spiegelt sich in der Bauteilqualität wieder.
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Limitierend
für die
breite Anwendung der Hochpräzisionsfräsbearbeitung
im Bereich der Mikrotechnik ist neben der Maschinentechnik insbesondere
die Qualität
und Standzeit der verfügbaren
Fräswerkzeuge.
Es hat sich gezeigt, dass die Bearbeitungsprozesse nicht in dem
Maße beherrschbar
sind, wie es Qualitäts-,
Genauigkeits- und Kostenbedingungen erfordern. Die Hochpräzisionsfräsbearbeitung
für die
Fertigung von Mikroprodukten wird daher zur Zeit noch zurückhaltend
eingesetzt.
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Eine
Analyse des Standes der Technik der Technologie der Hochpräzisionsfräsbearbeitung
zeigt insbesondere, dass sowohl das Design als auch die Herstellung
von Mikrofräswerkzeugen
im Durchmesserbereich von 0,1 mm bis 1 mm auf der Skalierung von
konventionellen Werkzeugen in den miniaturisierten Bereich basiert.
Die derzeit verfügbaren
Schaftfräser
bestehen in der Regel aus einem gesinterten Feinstkorn-Hartmetall-Rohling. Bei Bedarf
werden die Werkzeuge darüber
hinaus mit einer keramischen Multilayer-Hartstoffschicht aus TiN,
TiCN oder TiAlN oberflächenveredelt.
Die Herstellung der Flächen
und Kanten der mit wenigen Ausnahmen als Zweischneider konzipierten
Werkzeuge erfolgt durch eine Schleifbearbeitung. Dabei ergeben sich
drei wesentliche Schwachstellen:
- • die Schneidkanten
weisen Verrundungen mit einem Radius von 2 μm bis 5 μm auf und sind teilweise durch mikroskopische
Ausbrüche
gekennzeichnet,
- • die
Beschichtungen weisen inhomogene Bereiche auf, die einen adhäsiven Verschleiß des Werkzeugs unterstützen,
- • die
makroskopische Gestalt bewirkt einen Rundlauffehler, der in Abhängigkeit
vom Werkzeug-hersteller zwischen 1 μm und etwa 10 μm betragen
kann.
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Es
hat sich somit gezeigt, dass eine reine Skalierung bekannter Werkzeuggeometrien
in den miniaturisierten Bereich nicht ausreicht, um den Erfordernissen
des Mikrozerspanungsprozesses gerecht werden.
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In
der
DE 2002 05 995
U1 wird ein Fräswerkzeug,
das aus einem Fräskopf
und einem Zylinderschaft besteht, beschrieben. Dabei weist der Zylinderschaft
einen gegenüber
dem Fräskopf
reduzierten, konstanten Durchmesser auf.
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Aus
der
JP 2004 268
2002 A ist ein Mikroschaftfräser bekannt, bei dem ein zylinderförmiger Schaftbereich
vorgesehen ist, der sich an einen Schneidbereich größeren Durchmessers
anschließt.
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In
der
DE 83 21 392 U1 wird
ein Fräswerkzeug
beschrieben, das einen Schaft und einen Fräskopf aufweist. Der Querschnitt
von Fräskopf
und Schaft nimmt bis zum Erreichen eines kleinsten Querschnittes
kontinuierlich ab und nimmt von diesem kleinsten Querschnitt bis
zum Erreichen eines zylindrischen Schaftteils kontinuierlich wieder
zu.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein spanendes
Werkzeug insbesondere für den
Mikro- und Präzisionsformenbau
zur Verfügung
zu stellen, das sich durch eine neuartige Geometrie auszeichnet,
die die Nachteile und Beschränkungen
des Standes der Technik weitgehend beseitigt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein spanendes Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beruht
danach auf dem Gedanken, dass der Schaftbereich eines spanenden
Werkzeugs angrenzend an den Schneidenbereich eine Verjüngung ausbildet,
wobei der Schaftbereich sich zu einem Punkt oder Bereich minimalen
Durchmessers hin verjüngt,
d.h. allmählich
und stetig schmaler wird. Es ergibt sich zumindest in einem lokalen
Bereich angrenzend an den Schneidenbereich eine bogenförmige Verjüngung und
eine anschließende
Durchmesserzunahme des Schaftbereichs. Der Schaftbereich weist angrenzend
an den Schneidenbereich einen Nenndurchmesser auf, der gleich dem
Nenndurchmesser des Schneidenbereichs ist. Dabei verjüngt sich
der Schaftbereich ausgehend von diesem Nenndurchmesser zu dem Punkt
oder Bereich minimalen Durchmessers hin. Der Durchmesser des Schaftes
ist also angrenzend an den Schneidenbereich zunächst im wesentlichen identisch
mit dem Durchmesser des Schneidenbereichs.
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Dies
ermöglicht
es, die Schneidenlänge
auf die werkstoffabhängige
typische Schnitttiefe zuzüglich
einer Sicherheit gegen Verschleiß zu reduzieren. Die Ausbildung
des Schaftbereiches mit einer Verjüngung verhindert oder reduziert
darüber
hinaus den Kontakt des Schaftbereichs mit einem zu bear beitenden
Werkstück und
damit eine zusätzliche
Belastung durch Reibkräfte.
Die erfindungsgemäße Lösung stellt
ein spanendes Werkzeug zur Verfügung,
dass sich durch eine hohe Belastbarkeit, lange Standzeiten sowie
eine prozesssichere Einsatzfähigkeit
in der spanenden Präzisionsbearbeitung
auszeichnet.
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Durch
die Reduzierung des Schneidenbereichs auf die Werkzeugspitze und
die Verjüngung
des Schaftes wird als weiterer Vorteil der Einfluss des Drallwinkels
auf die Werkzeugstabilität – anders
als bei herkömmlichen
Mikrofräsern – eliminiert.
Es sind Drallwinkel in einem weiten Winkelbereich insbesondere zwischen
15° und
45° problemlos
realisierbar.
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Der
minimale Durchmesser des Schneidenbereichs ist bevorzugt gleich
dem Kerndurchmesser des Werkzeugs. Der Kerndurchmesser d unterscheidet
sich von dem Nenndurchmesser D, der auch als Fräserdurchmesser bezeichnet wird,
durch die Tiefe der Schneide bzw. die Tiefe der Drallnut, die an
die Schneide angrenzt.
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Der
Kerndurchmesser d ist für
die Stabilität
des Werkzeugs maßgeblich.
Sein Minimum wird durch die werkstoffabhängige Mikroschneidengeometrie
und durch die Tiefe der Drallnut eingegrenzt. Die Geometrie der Drallnut
bestimmt sich wiederum aus dem Spanwinkel γ, dem Freiwinkel α, dem Keilwinkel β sowie aus
dem vom Zahnvorschub fz und der Schnitttiefe
ap abhängigen
Spanraum. Wie noch erläutert
werden wird, existiert dabei ein theoretisches Optimum des Kerndurchmessers
bei einem vorgegebenen Nenndurchmesser.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die
Drallnut des Werkzeugs von dem Schneidenbereich bis in den Schaftbereich.
Dabei weist die Schneide im Schneidenbereich, der der spanenden
Bearbeitung eines Werkstücks
dient, eine maximale Tiefe der Drallnut auf. Die Tiefe der Drallnut
reduziert sich im Schaftbereich bis zu dem Punkt mi nimaler Tiefe
auf Null. Die Verjüngung
des Schaftbereichs geht bei dieser Ausgestaltung somit mit einer
Reduktion der Tiefe der Drallnut einher, während der Kerndurchmesser des
Schaftbereichs von der Verjüngung
unbeeinflusst bleibt.
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Bevorzugt
nimmt der Durchmesser des Schaftbereichs hinter dem Punkt oder Bereich
minimalen Durchmessers wieder zu. Der Schaft bildet dabei in dem
Bereich zunehmenden Durchmessers keine Schneide mehr aus.
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Die
Werkzeugschneide kann grundsätzlich
eine beliebige Form besitzen.
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Der
Schaftbereich kann in bevorzugten Ausgestaltungen der Form eines
Kreisbogens, einer Hyperbel oder eines anderen Kegelschnittes folgen.
Besonders bevorzugt folgt die Verjüngung des Schaftbereichs der Form
eines Kreisbogens, da eine solche Form in einer Werkzeugmaschine
einfach zu programmieren und herzustellen ist. Dabei ist bevorzugt
vorgesehen, dass der Kreisbogen erstens den Umfangspunkt minimalen Durchmessers
des Schaftbereichs tangential berührt. Zweitens berührt der
Kreisbogen einen Konus des Schaftbereichs, den dieser an seinem
dem Schneidenbereich abgewandten Ende und angrenzend an den kreisförmigen Bereich
ausbildet. Drittens schneidet der Kreisbogen den Punkt des Schaftbereiches,
in dem unmittelbar angrenzend an den Schneidenbereich die Verjüngung in
Richtung des minimalen Durchmessers beginnt. Durch diese drei Bedingungen
ist der Radius geometrisch eindeutig bestimmt. Er hängt ab von
der effektiven Werkzeuglänge
1, dem Kerndurchmesser d des Schaftes sowie dem Nenndurchmesser
des Schneidenbereiches D.
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Es
wurde bereits darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Werkzeug
in einem weiten Winkelbereich unterschiedliche Drallwinkel realisieren
kann. Der Drallwinkel gewährleistet einen
sanften Werkzeugeintritt in der Bearbeitung. Sein Minimum resultiert
aus Sanktionen des Werkzeugherstellungsverfahrens. Beispielsweise
kann bei einem durch Schleifen hergestelltem erfindungsgemäßen Werkzeug
mit einem Nenndurchmesser D von 0,5 mm und einer effektiven Werkzeuglänge 1 von
2,5 mm ein minimaler Drallwinkel von 15° realisiert werden. Bevorzugt
kann das Werkzeug einen Drallwinkel zwischen 15° und 45° realisieren.
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Der
Nenndurchmesser des Schneidenbereichs liegt beispielsweise im Bereich
zwischen 0,05 und 2,0 mm, die effektive Werkzeuglänge liegt
beispielsweise zwischen 0,25 und 10 mm. Das Verhältnis von Nenndurchmesser zu
effektiver Werkzeuglänge,
auch als Aspektverhältnis
bezeichnet, liegt bevorzugt zwischen 1:2 und 1:7. Die Realisierung
großer
Aspektverhältnisse
ist wegen der auftretenden Biegemomente zunehmend schwierig. Das
erfindungsgemäße spanende
Werkzeug und die durch diese bereitgestellte beanspruchsgünstige Geometrie
ermöglichen
die Realisierung eines großen
Aspektverhältnisses.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Werkzeug einstückig aus
dem Schneidenbereich und dem Schaftbereich gebildet. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn das Werkzeug kleine, für den Mikro- und Präzisionsformenbau
geeignete Abmessungen aufweist. Es wird jedoch darauf hingewiesen,
dass die erfindungsgemäße Werkzeuggeometrie
auch an größeren Werkzeugen
realisiert werden kann. Insbesondere für diesen Fall kann es vorgesehen
sein, den Schneidenbereich und den Schaftbereich getrennt herzustellen
und dann miteinander zu verbinden oder das Werkzeug in anderer Weise
mehrteilig auszubilden. Bei größeren Abmessungen
des Werkzeugs ist es des weiteren möglich, dass der Schneidenbereich
und der Schaftbereich aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Auch können
der Schneidenbereich und/oder der Schaftbereich für sich genommen
mehrteilig sein und/oder aus mehreren Materialien bestehen.
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Das
erfindungsgemäße Werkzeug
ist bevorzugt als Mikroschaftfräser
oder als Stirnradiusfräser (Werkzeuge
mit geometrisch bestimmter Schneide) oder als Schleifstift (Werkzeuge
mit geometrisch unbestimmter Schneide) ausgebildet.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs sowie eines Werkstücks in Schnittansicht,
das mit dem Werkzeug bearbeitet wird;
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2 einen
Querschnitt des Werkzeugs der 1, geschnitten
entlang der Linie B-B;
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3 eine
Darstellung eines mit einem Antriebsmotor verbundenen Werkzeugs
in seitlicher Darstellung, wobei die 1 den Bereich
A des Werkzeugs der 3 wiedergibt;
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4 in
seitlicher perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiels eine Schaftfräsers gemäß dem Stand
der Technik;
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5 einen
Schnitt durch die Schaftfräser
der 4 entlang der Linie A-A;
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6 eine
Darstellung der Abhängigkeit
der bei einem Schaftfräser
durch die Prozesskräfte
auftretenden Biegemomente vom Abstand zur Werkzeugspitze;
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7 in
seitlicher perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaftfräsers;
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8 einen
Schnitt durch den Schaftfräser
der 7 entlang der Linie B-B;
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9 die
Abhängigkeit
der Werkzeugdeformation u von dem Werkzeugkerndurchmesser d bei
einem vorgegebenen Werkzeugnenndurchmesser D und einer vorgegebenen
effektiven Werkzeuglänge 1;
und
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10a–10f Ausführungsbeispiele
verschiedener Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Werkzeugs
unter Variation des Drallwinkels φA,
des Kerndurchmessers d und des Nenndurchmessers D.
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Die 1 zeigt
einen als Schaftfräser
ausgebildeten Mikrofräser 1,
der an der Werkzeugspitze einen Schneidenbereich 2 und
daran anschließend
einen Schaftbereich 3 ausbildet. Das Werkzeug dient der
spanenden Bearbeitung eines Werkstücks 10.
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Der
Schneidenbereich 2 bildet eine Schneide 4 aus,
die unter einem bestimmten Drallwinkel φA in
dem Schneidenbereich 2 ausgeführt ist. Die Außenkonturen
der Schneide 4 bestimmen gemäß der 2 den Nenndurchmesser
D des Schneidenbereichs 2 bzw. des Werkzeugs 1.
Der gegenüber
dem Nenndurchmesser D kleinere Kerndurchmesser d der Schneide 2 bestimmt
sich aus der Mikroschneidengeometrie des Werkzeugs und ergibt sich – anschaulich
gesprochen – aus
dem Nenndurchmesser abzüglich
der Tiefe der Drallnut.
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Der
Schneidenbereich 2 weist eine maximale Schneidenlänge a auf,
die sich aus der maximalen, anwendungsabhängigen Schnitttiefe zuzüglich einer
Sicherheit gegen einen Verschleiß ergibt.
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Die 1 zeigt
des Weiteren die anwendungsabhängige
effektive Werkzeuglänge 1,
die auch als Ziellänge
bezeichnet wird. Die Ziellänge 1 abzüglich der
maximalen Schneidenlänge
a er gibt die effektive Länge b
des Schaftbereichs 3. Sie gibt den Bereich des Schafts 3 an,
der bei einer Werkstückbearbeitung
grundsätzlich
in Kontakt mit dem Werkstück
treten kann. Da der Schaftbereich 3 aus dem Werkstück herausragt,
ist die Gesamtschaftlänge
größer als
die effektive Schaftlänge
b.
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Der
Schaftbereich 3 verjüngt
sich von einem maximalen Durchmesser direkt angrenzend an den Schneidbereich 2 zu
einem minimalen Durchmesser, der gleich dem Kerndurchmesser d des
Werkzeugs ist. Danach verbreitert sich der Schaftbereich 3 wieder,
wobei er außerhalb
des Werkstücks
einen erheblich größeren Durchmesser
annehmen kann.
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Im
Bereich der effektive Länge
b des Schaftbereichs 3 folgt die Außenform des Schafts bevorzugt
einen Kreisbogen mit dem Radius r. Die Kreismitte Mr ist
nicht maßstabsgerecht
dargestellt. Der Kreisbogen mit dem Radius r tangiert zum einen
den Umfang des Schaftbereichs an dem Punkt 31 geringsten
Durchmessers d. Des Weiteren tangiert der Kreisbogen einen Punkt 32,
den der Schaft 3 an dem Übergang zum Schneidenbereich 2 ausbildet,
ebenfalls tangential. Der Schaft 3 weist dabei am Übergang
zum Schneidenbereich 2 den gleichen Nenndurchmesser wie
der Schneidenbereich 2 auf. Drittens tangiert der Kreisbogen
den Endpunkt eines Konus 33, den der Schaft angrenzend
an den bogenförmigen
Bereich ausbildet, vgl. auch 3. Durch diese
Werte ist der Radius r eindeutig festgelegt.
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Mit
den benannten Größen berechnet
sich der Radius r und dessen Mittelpunktslage M
r mit
den Koordinaten x
r und y
r wie
folgt:
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Die 3 zeigt
das gesamte Werkzeug. Es ist zu erkennen, dass sich an den kreisbogenförmig ausgebildeten
Schaftbereich der sich konisch vergrößernde Bereich 33 anschließt. Der
konische Bereich 33 bildet an seinem rückwärtigen Ende eine Kraftübertragungsfläche 34 aus,
die mit einem rotatorischen Antriebselement 5 verbindbar
ist, so dass Schaft 3 und Schneide 2 in rotatorische
Bewegung gesetzt werden können.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass der in der 1 dargestellte
Bearbeitungszustand des Werkstücks 10 durch
eine mehrfache Bearbeitung mit dem Werkzeug 1 entstanden
ist. Die dargestellte Nut bzw. Fräskante ist durch mehrfaches
Fräsen
des Werkstücks
senkrecht zur Zeichenebene entstanden, wobei der dargestellte Zustand
die maximale Schnitttiefe bzw. Ziellänge 1 angibt.
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Die 4 bis 7 verdeutlichen
die mechanischen Vorteile des beschriebenen Werkzeugs 1.
Die 4 zeigt einen herkömmlichen Schaftfräser 6 mit
einem langgezogenen Schneidenbereich 60. An der Werkzeugspitze
greift quer eine Kraft Fc an. Die 6 zeigt
das dabei entstehende Biegemoment in Abhängigkeit vom Abstand zur Werkzeugspitze,
an der die Querkraft angreift. Naturgemäß nimmt das Biegemoment mit
zunehmendem Abstand linear zu.
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Besonders
problematisch hinsichtlich der Gefahr eines Brechens des Werkzeuges
ist der Bereich des Werkzeugs, der bei gegenüber anderen Bereichen gleichem
oder verringertem Durchmesser das größte Biegemoment aufnehmen muss.
Dieser Bereich liegt bei dem Werkzeug der 6 in der
durch den Schnitt entlang der Pfeile A-A aufgespannten Ebene, da
hier der Abstand zur Werkzeugspitze am größten ist, bevor sich bei noch
größerem Abstand
die Dicke des Werkzeugs dann erhöht.
Gemäß der Schnittansicht
der 5 ist das Werkstück in dem frag lichen Bereich
aufgrund der vorhandenen Werkzeugschneide nicht symmetrisch ausgebildet.
Dies erhöht
die Gefahr eines unerwünschten
Bruchs weiter.
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Die 7 zeigt
ein Werkzeug 1, das gemäß der 1 gebildet
ist. An den Schneidenbereich 2 grenzt dementsprechend ein
sich verjüngender
Schaftbereich 3 an. Dabei wird darauf hingewiesen, dass – wie in
der 7 dargestellt – die Schneide 4 des
Schneidenbereichs 2 sich durchaus in den sich verjüngenden
Bereich des Schaftes 3 erstrecken kann. Jedoch nimmt die
Tiefe der Drallnut im Schaftbereich 3 kontinuierlich ab
und erreicht im Punkt 31 des geringsten Durchmessers d
den Wert Null. Die Verjüngung
des Schaftbereichs wird also durch eine stete Reduktion der Tiefe
der Drallnut 4 erreicht, wobei der Kerndurchmesser konstant
bleibt.
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Im
Punkt 31 geringsten Durchmessers d sind die bei Anliegen
einer Querkraft Fc auftretenden Biegemomente
maximal, da mit weiterem Abstand zur Werkzeugspitze der Durchmesser
des Schafts wieder zunimmt.
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Es
ist nun zu erkennen, dass der Punkt 31 geringsten Durchmessers
d gegenüber
dem Werkstück 6 des
Standes der Technik wesentlich näher
an die Werkzeugspitze verschoben ist, so dass die auftretenden Biegemomente
im schwächsten
Bereich reduziert sind, vgl. 6. Darüber hinaus
ist der Schaft in diesem Bereich gemäß der 8 kreisförmig ausgebildet,
also symmetrisch, wodurch die Gefahr eines Bruches weiter reduziert
wird.
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Daraus
ergibt sich ein wesentlicher Vorteil der neuartigen Werkzeuggeometrie.
Durch die Verschiebung des minimalen, kreisförmigen Querschnitts näher in Richtung
der Werkzeugspitze werden an dem minimalen Querschnitt angreifende
Biegemomente reduziert und besser aufgefangen. Darüberhinaus
werden durch den tangentialen Übergang
zwischen Schneidebereich und Schaftbereich geometrisch bedingte
Spannungsspitzen im hochbelasteten Übergangsbereich ausgeschlossen.
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Die 9 zeigt
die Abhängigkeit
der Werkzeugdeformation u von dem Werkzeugkerndurchmesser d bei
einem vorgegebenen Nenndurchmesser D, im dargestellten Beispiel
von D = 0,5 mm, und einer vorgegebenen effektiven Werkzeuglänge 1,
im dargestellten Beispiel von 2,5 mm. Es ist zu erkennen, dass die
Werkzeugdeformation u bei einem bestimmten Kerndurchmesser d (bei
0,4 mm) ein Minimum erreicht. Dieser Kerndurchmesser wird dementsprechend
bevorzugt realisiert.
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Dabei
gilt allgemein, dass durch Simulationsstudien alle parametrisch
festgelegten Geometriemerkmale des jeweiligen Werkzeugmodells variiert
und in gegenseitiger Abhängigkeit
optimiert werden können.
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Die 10a–f
zeigen eine experimentelle Verifikation der beschriebenen neuen
Werkzeuggeometrie. Dabei wurden u.a. Mikrofräser mit D × l = 0.5 mm × 2,5 mm
und D × l
= 0.1 mm × 1
mm hergestellt. Bei Werkzeugen mit Durchmesser D = 0.5 mm wurde
in Übereinstimmung
mit theoretischen Betrachtungen auch der Kerndurchmesser d variiert.
Auch wurden die Drallwinkel φA variiert. Alle Versuchswerkzeuge wurden
mit TiAlN beschichtet.
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Eine
Versuchsserie mit Mikrofräsern
herkömmlicher
Geometrie und einer effektiven Werkzeuglänge von l = 1,5 mm wurde in
einem Referenzversuch eingesetzt. Als Standkriterium wurde eine
gemittelte Rautiefe von Rz = 5 μm
definiert und die Versuche wurden nach Werkzeugbruch oder deutlicher
Verschlechterung der Werkstückoberfläche beendet.
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Es
konnte zum Einen eine deutliche Verringerung der Werkzeugbruchgefahr
durch die neuartige Werkzeuggeometrie nachgewiesen werden. Das Werkzeugversagen
beschränkt
sich nunmehr auf Verschleißerscheinungen
an den Schneiden. Diesem Phänomen kann
nur noch durch angepasste Schneidstoffe und/oder Beschichtungssysteme
entgegengewirkt werden. Zum Anderen wurde eine prozesssichere Erhöhung der
Standzeiten um fast 30% erzielt.
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Deutlich
wird des weiteren, dass eine Vergrößerung des Kerndurchmessers
d nicht zwangläufig
zu einer Erhöhung
der Stabilität
des Mikrofräsers
und damit zu einer Verbesserung des Arbeitsergebnisses beiträgt. Diese
Verschlechterung der Oberfläche
resultiert aus der geringeren Stabilität des Werkzeugs mit höherem Kerndurchmesser
d, wie es bereits die Werkzeugdeformationen in der Parameterstudie
zum Kerndurchmesser d gemäß der 9 gezeigt
haben.
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Über die
Standzeituntersuchungen hinaus wurden nach stufenweiser Aufhärtung des
Versuchswerkstoffes PM X190CrVMo 20 Referenzstrukturen
gefräst.
Die Prozessparameter waren identisch mit denen der Standversuche.
Es konnte nun mit einem Mikrofräser
mit d = 0,5 mm bei einer Härte
von 62 HRC ein Aspektverhältnis
der Nut von 5:1 erreicht werden. Ferner ist es möglich, Mikrostege nahezu gradfrei
in unterschiedlichen Formen zu erzeugen. Mit diesen Bearbeitungsergebnissen
wurde nachgewiesen, dass die im Stand der Technik bekannten Grenzen
der Mikrozerspanung mit Schaftfräsern
aus Hartmetall deutlich überschritten
werden können.
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Durch
die vorliegenden Erfindung ist es möglich, mit der Mikrozerspanung
mit Hartmetallwerkzeugen gerade für Anwendungsgebiete wie z.
B. den Werkzeug- und Formenbau für
die Massenproduktion von Kleinstteilen für Konsumerprodukte oder die
direkte Herstellung mikromechanischer Komponenten aus Stahl zu erschließen.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich nicht auf die beschriebenen Ausführungsvarianten, die lediglich
beispielhaft zu verstehen sind. Insbesondere ist eine Realisierung
der Erfindung bei Schaftfräsern, Stirnradiusfräsern und
Schleif stiften, bei der Mikrozerspanung unterschiedlichster Werkstoffe
(wie Kunststoffe, Graphit, unlegierte Stähle, rostfreie Stähle, andere
Werkzeugstähle,
Verbundwerkstoffe) sowie für
verschiedenste Schneidstoffe (wie HSS, HM, PKD, Cermet) möglich.
