September

Stanztec, Pforzheim

Fachmesse für Stanztechnik
8. bis 10. September
www.stanztec-messe.de

all about automation, Essen

Die Fachmesse für Industrieautomation in Nordrhein-Westfalen
9. und 10. September
www.automation-essen.de

EPHJ, Genf

Fachmesse für Hochpräzisionstechnik
15. bis 18. September
www.ephj.ch

all about automation, Chemnitz

Die Fachmesse für Industrieautomation in Mitteldeutschland
23. und 24. September
www.automation-chemnitz.de

SPS Italia, Parma

Internationale Fachmesse für elektrische Automatisierung, Systeme und Komponenten
28. bis 30. September
www.spsitalia.it

Oktober

MOTEK, Stuttgart

Internationale Fachmesse für Montage- und Handhabungstechnik
5. bis 8. Oktober
www.motek-messe.de

Bondexpo, Stuttgart

Fachmesse für industrielle Klebetechnologie
5. bis 8. Oktober
www.bondexpo-messe.de

ILMAC, Lausanne

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie
7. und 8. Oktober
www.ilmac.ch

Spanleitgeometrie an einer Wendeschneidplatte zur Gewindeherstellung im Grössenvergleich zu einer 1-Euro-Cent Münze.

Herausforderungen bei der Werkzeug­entwicklung

B.Eng. Andreas Schulte, M.Sc. Stefan Marr und Dr.-Ing. Reiner Schwäblein
GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V.
Näherstiller Strasse 10
D-98574 Schmalkalden

T +49 (0)3683 6900-0
www.gfe-net.de

Die Wirtschaftlichkeit von Zerspanungsprozessen wird entscheidend durch die eingesetzten Werkzeuge bestimmt. Zerspanungswerkzeuge beeinflussen massgeblich die Produktionskosten von Konstruktionsbauteilen. Obwohl selbst nur mit 2 bis 5 Prozent an den Kosten beteiligt, nehmen die Werkzeuge direkt und indirekt Einfluss auf mehr als 50 Prozent der Fertigungskosten.

Moderne Zerspanungswerkzeuge sind durch eine optimale Kombination der Komponenten Schneidstoff, Makro- und Mikrogeometrie und gegebenenfalls einer Beschichtung gekennzeichnet. Im Bereich Makro­geometrie haben sich auf Basis moderner Berechnungsmöglichkeiten (FEM) sehr komplexe Formen, insbesondere bei der Gestaltung der Geometrie der Spanfläche, durchgesetzt. Dies wirkt sich auf die Spanformung und Spanleitung aus, was nicht nur die Standzeit verbessert und gesteigerte Prozessparameter zulässt, sondern insbesondere auch die Prozesssicherheit nachhaltig beeinflusst.
Bei der Metallbearbeitung sind lange Späne, die sich um das Werkzeug wickeln, Spänenester in der Maschine und/oder überforderte Späneentsorgungen ein Problem, das zum Alltag in der Fertigung gehört. Aus diesem Grund werden Spanleitgeome­trien eingesetzt, welche gezielt den Spanablauf beeinflussen und so höhere Verformungen in der Scherzone hervorrufen (bis hin zum Spanbruch) und/oder den Span in eine Vorzugsrichtung lenken. Gerade bei langspanenden Werkstoffen kann durch das Einbringen von definierten Spanleitgeometrien in die Spanfläche die Prozesssicherheit erhöht werden. Beim Einsatz von Hartmetall als Schneidstoff bieten sich in der Kombination von Sinter- und Schleiftechnologien vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Auf Grund der stetigen Weiterentwicklung der zu zerspanenden Materialien kommen jedoch zunehmend hochharte Schneid­stoffe zum Einsatz. Insbesondere die Schneidkeramik ist hier auf Grund ihres optimalen Preis-Leistungs-Verhältnisses und ihrer gut verfügbaren Basiswerkstoffe von grosser Bedeutung. Bezüglich der Möglichkeiten ihrer Formgestaltung durch Sintern und Schleifen sind hier jedoch grosse Restrik­tionen zu erkennen. Die fertigungsbedingten Einschränkungen führen dazu, dass in der Praxis bislang nur relativ «einfache» Geometrien im Vergleich zum Hartmetall auf dem Markt verfügbar sind. Die oben genannte Lasertechnologie bietet hier die anwendungsoptimierte Möglichkeit zur entsprechenden Werkzeugmodifizierung.
Neben der stetigen Steigerung der Wirtschaftlichkeit steht auch das prozesssichere Erreichen höherer Fertigungsqualitäten im ­Fokus. Hier werden zunehmend Forderungen der Industrie nach Rauheitswerten von Ra <0,1 µm bis in den Bereich der Erzeugung von Glanzeffekten der Oberflächen gestellt. Dabei wird aus ­ökonomischen wie ökologischen Gründen eine Bearbeitung durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide erwartet. Durch partielles Abtragen einer Beschichtung, zum Beispiel durch das Laserschärfen, können deutlich verringerte Schneidkanten­radien erreicht werden. Es wurde bereits nachgewiesen, dass die Laserbearbeitung an Werkzeugen aus PKD ohne negative Auswirkungen in Form von Beschädigungen oder auf die Schnitteigenschaften möglich ist.

Werkzeug- und Technologie­entwicklung
Ziel entsprechender Forschungs- und Entwicklungsaufgaben in der GFE Schmalkalden e.V. ist die Entwicklung neuartiger Werkzeuge, welche unter anderem mittels des Laserabtragens hergestellt werden. Die Forschungsarbeiten umfassen dabei beispielsweise die Entwicklung und ­Herstellung von komplexen Spanleitgeometrien für eine anwendungsoptimierte Spanbildung, sowie das Laserschärfen von Beschichtungen durch partielles Abtragen einer Beschichtung im Bereich der Freifläche oder die Entwicklung von anwendungsoptimierten Werkzeugen und Technologien. Bei den Neuentwicklungen kommen moderne Methodiken des Werkzeugdesigns (FEM-Analyse/Zerspansimulation) zum Einsatz. Mit ihnen ist es möglich, ein grosses Spektrum an Werkzeugvarianten theoretisch zu untersuchen und eine Vorauswahl für die Herstellung der Werkzeugprototypen zu treffen. Die Laserbearbeitung der Werkzeugproto­typen wird auf einer hochdynamischen 5-Achs-Maschine mit einem 100-W-Faserlaser durchgeführt. Für die ­Bearbeitung neuartiger Schneidstoffe sind die Entwicklungen entsprechender Lasertechnologieparameter notwendig, welche ebenfalls in das Aufgabenspektrum der GFE Schmalkalden e.V. fallen. Die wichtigsten Zielkriterien bei der Lasertechnologieentwicklung sind das Erreichen ­einer hohen Oberflächenqualität mit minimaler Randzonenbeeinflussung im Schneidstoff. Die Funktionsfähigkeit der neuen Werkzeugschneiden beziehungsweise der Werkzeugprototypen wird in Zerspanungsuntersuchungen an den jeweiligen Bearbeitungsaufgaben getestet. Die Analyse des Bearbeitungsprozesses umfasst dabei Kraft-, Temperatur- und Verschleissmessungen sowie die Verifizierung der Ergebnisse der FEM-Zerspansimulation.

Anwendungsbeispiel aus Forschung und Entwicklung
In diesem Anwendungsfall aus FuE-Arbeiten der GFE Schmalkalden e.V. war es das Ziel, neu­artige Spanleit/-Spanbruchgeo­me­trien zum Gewindedrehen in höher vergüteten Stählen zu entwickeln, die zu einer qualitativ hochwertigen, prozesssicheren und kostengünstigen Herstellung von Gewinden geeignet sind. Da die Wendeschneidplatten bei kleinen Gewinden und Feingewinden (M 0,5) eingesetzt werden sollten, musste die gesamte Schneidengeometrie und in analoger Wiese die notwendige Spanleit-/Spanbruchgeometrien kon­struktiv sehr klein ausgelegt werden (Grössenvergleich, Bild 1). Für dessen Herstellung ist die Lasertechnologie bestens geeignet.
Die Entwicklung der Geometrie erfolgte mittels FEM-Zerspanungssimulation verifiziert durch entsprechende Zerspanversuche. Im Ergebnis sollte eine neuartige vermarktungsfähige Wendeschneidplatte zum Gewindedrehen entstehen.
Durch die Simulation wurden Kraft- und Temperaturverläufe, sowie Temperatur-, Spannungs- und Verformungsverteilungen ermittelt. In Bild 2 sind einige Beispiele von Spanleitgeometrien dargestellt, welche durch die ­Simulation untersucht wurden.Aufgrund der komplexen Geometrien mussten 3D-Zerspansimulationen durchgeführt werden, um die Spanformen betrachten zu können. Dies hatte relativ lange Berechnungszeiten zur Folge, sodass die Vernetzung so gewählt werden musste, dass sie möglichst effizient ist. Die laut Simulation am besten geeigneten Wendeschneidplatten wurden nach Auswertung der realen Zerspanversuche weiter variiert. In späteren Iterationsschritten wurde nicht mehr die Form der Spanleitgeometrien, sondern vorwiegend ­ihre Abmessungen verändert. Die Vernetzung bei den unterschied­lichen Geometrien weicht zum Teil stark voneinander ab. Dies ist aber notwendig, um einerseits gute Ergebnisse mit der Simula­tion zu erreichen und andererseits die Simulation gleichzeitig möglichst effizient zu gestalten. Hierdurch erhöhte sich je nach Komplexität der Geometrie auch die Berechnungsdauer der unterschiedlichen Simulationen signifikant. Einige Ergebnisse der 3D-Zerspansimulation sind beispielhaft in Bild 3 dargestellt. Oben links ist die Spanbildung mit der Standardwendeschneidplatte zu sehen, die anderen drei Varianten mit Spanleitgeometrie zeigen mehr oder weniger gute Spanbildungen.
Die Zerspanversuche wurden im Versuchsfeld der GFE durchgeführt. Während des Prozesses wurden die Zerspankräfte messtechnisch und das Zerspanverhalten mit einer Hochgeschwindigkeitskamera dokumentiert. Vor und nach den Versuchen wurden die WSP mit einem Auflichtmikroskop vermessen, um den Verschleiss bestimmen zu können. Ausserdem wurde die Qualität der hergestellten Gewinde dokumentiert und die entstandenen Späne betrachtet.
In Bild 4 ist der direkte Vergleich der erzeugten Gewinde zwischen einer Standard-Spanleitgeometrie (links) und einer anwendungsoptimierten Spanleitgeometrie (rechts) dargestellt. Es wird deutlich, dass durch die anwendungsspezifische GFE-Lösung qualitativ hochwertigere Gewinde mit wesentlich weniger Gratbildung und besser ausgeformten Gewindespitzen hergestellt werden können.

Fazit
Die Zerspanergebnisse mit den wie beschrieben entwickelten Werkzeuglösungen zeigen eine deutliche Verbesserung beim Spanbruch sowie der erzielten Werkstückoberfläche. Durch die Entwicklung der anwendungsoptimierten Spanraumgeometrien, der dafür notwendigen Laserbe­arbeitungstechnologie und dem Nachweis der Funktionsfähigkeit wurde die Voraussetzung für die Überführung der Projektergebnisse für Werkzeuganwender und -hersteller geschaffen.
Die Laserbearbeitung zeigte sich als äusserst flexibel bei der Herstellung der verschiedensten Spanraumgeometrien, da sie nahezu keine Einschränkungen bei der geometrischen Formgebung der Spanleitgeometrie aufweist. Insbesondere im Bereich von prototypischen Werkzeugen beziehungsweise sehr kleinen Stückzahlen zeigt die Laserbearbeitung Vorteile gegenüber den klassischen Herstellungsverfahren wie Schleifen und Sintern. So ist es möglich, in einem vergleichsweise sehr kurzen Zeitraum aus ­einem CAD-Modell reale anwendungsoptimierte Werkzeuge herzustellen.