Spanende Fertigung von Formwerkzeugen mit filigranen Strukturen für die Blechmassivumformung

Im SFB/Transregio 73 wird die umformtechnische Herstellung von komplexen Funktionsbauteilen mit Nebenformelementen untersucht, welche aus Fein­blechen gefertigt werden. Dieser Umformprozess wird der Blechmassiv­umformung (BMU) zugeordnet. Die Herstellung der für die BMU erforderlichen Umformwerkzeuge stellt eine enorme Herausforderung für die Mikrofräspro­zesse dar, welche im Rahmen der Untersuchungen zur Gestalt- und Struktur­erzeugung eingesetzt werden. Speziell die bislang noch wenig bekannten Mechanismen der Mikrohartbearbeitung, die Strategieentwicklung zur Erzeu­gung filigraner Strukturen und die aus technologischen und Effizienzgründen notwendige fünfachsige Prozessführung erfordern grundlegendes Prozess­wissen. Dieses soll langfristig zur sicheren und effizienten Beherrschung der Mikrofräsprozesse führen. Zugleich sind die BMU-Werkzeuge neben den hohen qualitativen Merkmalen derart auszulegen, dass eine Formfüllung der Nebenformelemente begünstigt wird. Hierzu wird in diesem Teilprojekt eine Beeinflussung des Materialflusses mittels einer werkzeugseitigen Oberflächenstrukturierung erforscht.

 Das Ziel dieses Teilprojektes ist die Erlangung grundlegender Erkenntnisse über Mikrofräsprozesse, um anforderungsgerecht, prozesssicher, effizient und hochgenau komplexe Umformwerkzeuge mit filigranen Strukturen für die BMU herstellen zu können. Dabei stellen die auftretenden hohen Aspektverhältnisse und die hochharten und schwer zerspanbaren Werkstoffe eine große Heraus­forderung dar. Im Rahmen dieses Projektes wird der Mikrofräsprozess für die Bearbeitung eines pulvermetallurgisch und schmelzmetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahls (1.3344 und 1.3343) sowie eines Kaltarbeitsstahls (1.2379) mit hoher Härte (> 60 HRC) untersucht. Die Fertigung der geome­trisch komplexen und filigranen Nebenformelemente der Umformwerkzeuge erfordert unter anderem die Erzeugung von Verzahnungen, bei denen Radien von R < 0,2 mm berücksichtigt werden müssen. Dies bedingt die Verwendung kleiner Fräswerkzeuge mit einem Durchmesser von d ≤ 1 mm. Der Einsatz dieser kleinen Werkzeuge und die damit verbundene Herabskalierung des Fräsprozesses vom Makro- in den Mikrobereich setzt eine weitreichende Anpassung des Zerspanungsprozesses an die Erfordernisse der Mikrohart­bearbeitung voraus. Speziell der starke Werkzeugverschleiß und die hohe Werkzeugabdrängung können die Prozesssicherheit und Prozessgenauigkeit schwerwiegender beeinflussen als es aus dem Makrobereich bekannt ist.

 Mithilfe der Grundlagenuntersuchungen werden Prozessparameter und Pro­zessrandbedingungen der Zerspanung bestimmt, mit denen eine Steigerung der Werkzeugstandzeit erreicht werden kann. Weiterhin stellen die geringen Werkzeugdurchmesser hinsichtlich der Form- und Maßabweichungen am Werkstück ein wesentliches Problem dar. Bedingt durch die geringe Steifigkeit der Mikrofräswerkzeuge können diese nur kleine Momente und Kräfte auf­nehmen. Besonders bei der Bearbeitung der oben aufgeführten Werkstoffe treten jedoch Zerspankräfte auf, die beispielsweise im Vergleich zur Titan- oder Edelstahlbearbeitung sechsmal so hoch sein können.

 Im Rahmen dieses Teilprojekts wird weiterhin die Entwicklung und Fertigung von Oberflächenstrukturen durchgeführt. Das Strukturdesign orientiert sich hierbei sowohl an den geometrischen Gegebenheiten der Mikrofräsbearbeitung (technologische Strukturen) als auch an Beispielen aus der Natur (bionisch motivierte Strukturen). Für den Fertigungsprozess werden Einflussgrößen ana­lysiert und geeignete Prozessrandbedingungen definiert. Aufgrund der hohen Anzahl an Mikrostrukturelementen bei Flächen von wenigen Millimetern Abmessung ist eine Berechnung der NC-Bahnen innerhalb der gängigen CAD/CAM-Prozesskette nicht mehr zielführend (> 6 000 Strukturelemente), weshalb eigene repetitive Lösungsansätze entwickelt werden. Durch eine simulationsgestützte Auslegung der Prozesse soll das Potential der Mikro­hartbearbeitung weiter ausgeschöpft und eine hohe Anwendbarkeitsreife erzielt werden.

Abbildung:a) Mikroplangefräste Oberflächen, b) Fertigung von Formelementen und c) funktionale bionisch motivierte Oberflächenstrukturen