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Dokumentenidentifikation DE102005009030B4 15.11.2007
Titel Spanendes Werkzeug insbesondere für den Mikro- und Präzisionsformenbau
Anmelder Technische Universität Berlin, 10623 Berlin, DE
Erfinder Schauer, Kai, Dipl.-Ing., 12437 Berlin, DE;
Uhlmann, Eckart, Prof. Dr., 25368 Kiebitzreihe, DE
Vertreter Maikowski & Ninnemann, Pat.-Anw., 10707 Berlin
DE-Anmeldedatum 18.02.2005
DE-Aktenzeichen 102005009030
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse B23C 5/16(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23B 51/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B23C 5/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

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.

Hintergrund der Erfindung

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).

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.

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.

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.

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 &mgr;m bis 5 &mgr;m 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 &mgr;m und etwa 10 &mgr;m betragen kann.

Es hat sich somit gezeigt, dass eine reine Skalierung bekannter Werkzeuggeometrien in den miniaturisierten Bereich nicht ausreicht, um den Erfordernissen des Mikrozerspanungsprozesses gerecht werden.

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.

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.

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.

Aufgabe der Erfindung

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.

Zusammenfassung der Erfindung

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.

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.

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 bearbeitenden 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.

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.

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.

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 &ggr;, dem Freiwinkel &agr;, dem Keilwinkel &bgr; 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.

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 minimaler 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.

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.

Die Werkzeugschneide kann grundsätzlich eine beliebige Form besitzen.

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.

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.

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.

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.

Das erfindungsgemäße Werkzeug ist bevorzugt als Mikroschaftfräser oder als Stirnradiusfräser (Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide) oder als Schleifstift (Werkzeuge mit geometrisch unbestimmter Schneide) ausgebildet.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs sowie eines Werkstücks in Schnittansicht, das mit dem Werkzeug bearbeitet wird;

2 einen Querschnitt des Werkzeugs der 1, geschnitten entlang der Linie B-B;

3 eine Darstellung eines mit einem Antriebsmotor verbundenen Werkzeugs in seitlicher Darstellung, wobei die 1 den Bereich A des Werkzeugs der 3 wiedergibt;

4 in seitlicher perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiels eine Schaftfräsers gemäß dem Stand der Technik;

5 einen Schnitt durch die Schaftfräser der 4 entlang der Linie A-A;

6 eine Darstellung der Abhängigkeit der bei einem Schaftfräser durch die Prozesskräfte auftretenden Biegemomente vom Abstand zur Werkzeugspitze;

7 in seitlicher perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaftfräsers;

8 einen Schnitt durch den Schaftfräser der 7 entlang der Linie B-B;

9 die Abhängigkeit der Werkzeugdeformation u von dem Werkzeugkerndurchmesser d bei einem vorgegebenen Werkzeugnenndurchmesser D und einer vorgegebenen effektiven Werkzeuglänge 1; und

10a10f Ausführungsbeispiele verschiedener Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Werkzeugs unter Variation des Drallwinkels &phgr;A, des Kerndurchmessers d und des Nenndurchmessers D.

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.

Der Schneidenbereich 2 bildet eine Schneide 4 aus, die unter einem bestimmten Drallwinkel &phgr;A 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.

Der Schneidenbereich 2 weist eine maximale Schneidenlänge a auf, die sich aus der maximalen, anwendungsabhängigen Schnitttiefe zuzüglich einer Sicherheit gegen einen Verschleiß ergibt.

Die 1 zeigt des Weiteren die anwendungsabhängige effektive Werkzeuglänge 1, die auch als Ziellänge bezeichnet wird. Die Ziellänge 1 abzüglich der maximalen Schneidenlänge a ergibt 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.

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.

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.

Mit den benannten Größen berechnet sich der Radius r und dessen Mittelpunktslage Mr mit den Koordinaten xr und yr wie folgt:

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.

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.

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.

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 fraglichen Bereich aufgrund der vorhandenen Werkzeugschneide nicht symmetrisch ausgebildet. Dies erhöht die Gefahr eines unerwünschten Bruchs weiter.

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.

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.

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.

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.

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.

Dabei gilt allgemein, dass durch Simulationsstudien alle parametrisch festgelegten Geometriemerkmale des jeweiligen Werkzeugmodells variiert und in gegenseitiger Abhängigkeit optimiert werden können.

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 &phgr;A variiert. Alle Versuchswerkzeuge wurden mit TiAlN beschichtet.

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 &mgr;m definiert und die Versuche wurden nach Werkzeugbruch oder deutlicher Verschlechterung der Werkstückoberfläche beendet.

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.

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.

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.

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.

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 Schleifstiften, 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.


Anspruch[de]
Spanendes Werkzeug, insbesondere für den Mikro- und Präzisionsformenbau, aufweisend

– einen Schneidenbereich (2), der der spanenden Bearbeitung eines Werkstücks dient, und

– einen sich an den Schneidenbereich (2) anschließenden Schaftbereich (3), wobei

– der Schaftbereich (3) mit Mitteln zur Bereitstellung einer rotatorischen Bewegung des Schneidenbereichs (2) und des Schaftbereichs (3) verbunden oder verbindbar ist,

– der Schaftbereich (3) angrenzend an den Schneidenbereich (2) eine Verjüngung ausbildet,

– die Verjüngung des Schaftbereichs (3) bogenförmig erfolgt, wobei der Schaftbereich (3) sich zu einem Punkt oder Bereich minimalen Durchmessers (d) hin verjüngt, und

– der Schaftbereich (3) angrenzend an den Schneidenbereich (2) einen Nenndurchmesser aufweist, der gleich dem Nenndurchmesser (D) des Schneidenbereichs ist, und sich ausgehend von diesem Nenndurchmesser (D) zu dem Punkt oder Bereich minimalen Durchmessers (d) hin verjüngt.
Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Durchmesser (d) gleich dem Kerndurchmesser des Werkzeugs ist. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drallnut des Werkzeugs sich in den Schaftbereich (3) erstreckt, wobei die Drallnut im Schneidenbereich (2) eine maximale Tiefe aufweist und sich die Tiefe der Drallnut im Schaftbereich bis zu dem Punkt minimalen Durchmessers auf Null reduziert. Werkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des Schaftbereichs (3) mit der Reduktion der Tiefe der Drallnut einhergeht, während der Kerndurchmesser (d) des Schaftbereichs (3) von der Verjüngung unbeeinflusst bleibt. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Schaftbereichs (3) hinter dem Punkt oder Bereich minimalen Durchmessers wieder zunimmt. Werkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (3) in dem Bereich zunehmenden Durchmessers keine Schneide mehr ausbildet. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verjüngung des Schaftbereichs (3) der Form eines Kreisbogens folgt. Werkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaftbereich einen konisch ausgebildeten Bereich (33) ausbildet, der sich an den bogenförmigen Bereich anschließt. Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisbogen den Umfangspunkt (31) minimalen Durchmesser (d) des Schaftbereichs (3), den Konus (33) des Schaftbereichs (3) am Übergang zum bogenförmigen Bereich und den Umfangspunkt (32) am Übergang zwischen dem Schneidenbereich (2) und dem Schaftbereich (3) tangential berührt. Werkzeug nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) einen Drallwinkel zwischen 15° und 45° aufweist. Werkzeug nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nenndurchmesser (D) des Schneidenbereichs (2) zwischen 0.05 und 2 mm liegt. Werkzeug nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Werkzeuglänge (1) zwischen 0.25 und 10 mm liegt. Werkzeug nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Nenndurchmesser (D) zu effektiver Werkzeuglänge (1) zwischen 1:2 und 1:7 liegt. Werkzeug nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) einstückig aus Schneidenbereich (2) und Schaftbereich (3) gebildet ist. Werkzeug nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) als Schaftfräser ausgebildet ist. Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) als Stirnradiusfräser ausgebildet ist. Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) als Schleifstift ausgebildet ist.






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