Bearbeitung von Hartmetall mit diamantbeschichtetenMikrokugel-Schaftfräser

Mit den richtigen Werkzeugen und Werkzeugmaschinen ist das Fräsen harter Werkstoffe wie des Werkzeugstahls D-2 mit einer Härte von HRC60 kein Problem. Noch härtere Werkstoffe wie Hartlegierungen lassen sich hingegen deutlich schwieriger bearbeiten. Diese Werkstoffe sind üblicherweise nur durch Schleifen oder Funkenerosion zugänglich.

Mit der Einführung der UDCB-Serie von Union Tool Inc., Mikro-Kugelkopffräsern, hat sich vieles verändert. „Makino hält die Entwicklung dieses Werkzeugs für wichtig, vielleicht sogar für genauso wichtig wie die Einführung des Hartfräsens Mitte der 1990er-Jahre“, sagt John Bradford, Leiter der Mikrofertigungsforschung und -entwicklung bei Makino. Früher lag die Erfolgsquote beim Fräsen von Hartmetallwerkstücken mit Hartmetallfräsern lediglich bei 10–20 %.

Auf der IMTS 2012 demonstrierte der Bezirk Muye den Einsatz von UDCB mit 1 mm Durchmesser für das Schrupp- und Feinfräsen von Hartmetallstempeln mit Mikrokugelfräsern mit einer Härte von mindestens HRA93 auf seinem Mikrobearbeitungszentrum IQ300 (Abbildungen 1 und 2). Nach 38 Minuten Bearbeitungszeit betrug der Werkzeugverschleiß lediglich 1,8 µm. Bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels Funkenerosion dauert es mindestens vier Stunden (einschließlich Elektrodenprogrammierung, Elektrodenbearbeitung und Funkenerosion des Werkstücks). „Man muss mindestens drei Kupfer-Wolfram-Elektroden bearbeiten. In den meisten Fällen sind vier Elektroden erforderlich, um eine Genauigkeit von 5 µm oder besser zu erreichen“, sagte Bradford.

Abb. 1udcb diamantbeschichtete Mikrokugelfräser

Abb. 2 Hartmetallstempel

Zum Fräsen mehrerer Werkstücke mit einer Tiefe von 2.200 mm wurden für Udcb-Doppelschneid-Mikrokugelfräser eine Spindeldrehzahl von 30.000 U/min und eine Vorschubgeschwindigkeit von 300 mm/min verwendet. Die Spanbelastung pro Schneide betrug 10 m. Die Mikrokugelfräser wurden in ein MST Uno Heißspannfutter eingespannt. Der maximale Durchmesserfehler gemäß Werkszertifizierung lag bei 600 nm.

Der Durchmesser der von der Werkzeugbaufirma entwickelten Udcb-Doppelschneid-Mikrokugelfräser liegt zwischen 0,2 und 6 mm. Laut Jonathan Hay, Senior Vice President für Vertrieb und Marketing des Unternehmens, bieten Diamantbeschichtungen, die mittels Heißdraht-CVD mit einer Dicke von über 10 µm aufgebracht werden, unter präzise kontrollierten Bearbeitungsbedingungen eine gute Haltbarkeit und minimieren den Einfluss des Eckenradius. Im Vergleich zu Plasma-CVD ermöglicht Heißdraht-CVD die Abscheidung gleichmäßigerer Beschichtungen auf Oberflächen mit komplexen Formen.

Die Härte der Diamantbeschichtung auf UDCB-Mikrokugelfräsern beträgt etwa 100 GPa (9.000 HV) und liegt damit sehr nahe an der von Einkristalldiamant. Darüber hinaus ist die Haftung zwischen Diamantbeschichtung und Substrat durch präzise Grenzflächenkontrolle sehr stark.

Da die Schnittkraft beim Fräsen von Hartmetall etwa doppelt so hoch ist wie beim Fräsen von D-2-Werkzeugstahl (HRC60), ist zur Minimierung von Vibrationen beim Einsatz von UDCB-Mikrokugelfräsern eine Werkzeugmaschine mit hoher Steifigkeit erforderlich. Der Werkstückabtrag erfolgt schrittweise mit einem Spiralvorschubwerkzeug. Bei der Bearbeitungsdemonstration auf der IMTS-Messe verwendete Makino eine 1° Spiralwinkel und reduzierte die Vorschubgeschwindigkeit um 90%, als der Fräser in das Werkstück eindrang.

„Wir haben festgestellt, dass der Schneckenvorschub zuverlässiger ist, da die Schnittkraft gleichmäßiger ist“, sagt Hay und merkt an, dass der Vorschub während des gesamten Bearbeitungsprozesses konstant gehalten werden kann. Die UDCB-Mikrokugelfräser verwenden eine standardmäßige Spiralnut, um die Steifigkeit des Werkzeugs zu erhöhen. Gleichmäßige Schnittkräfte tragen dazu bei, Beschädigungen an spröden Werkstücken, Werkzeugsubstraten und Beschichtungen zu vermeiden.

Muino verwendet Druckluft, um Späne zu entfernen und die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück während einer Bearbeitungsdemonstration zu kühlen. Laut Hay ist diese Methode der Sprühkühlung mit wasserbasiertem Kühlschmierstoff und der Ölnebelkühlung überlegen. „Bei der Kühlung mit Ölnebel können sich kleine Ölklumpen mit Hartmetallspänen bilden. Das kontinuierliche Ausblasen mit Druckluft ist zuverlässiger und umweltfreundlicher.“

Wie bereits erwähnt, lassen sich Hartmetallwerkzeuge und andere Werkstücke ähnlicher Härte zwar durch Schleifen bearbeiten, die Art der bearbeitbaren Strukturen (insbesondere Mikrostrukturen) ist jedoch durch die Reichweite der Diamantschleifscheibe begrenzt. Zwar sind auch andere ultraharte Werkzeuge wie PCBN- und PCD-Werkzeuge erhältlich, diese können aber bis zu viermal so teuer sein wie UDCB-Mikrokugelfräser (534,50–674,50 US-Dollar, abhängig vom Durchmesser). Zudem verschleißen diese Schneidwerkzeuge im Bearbeitungsprozess praktisch nicht. „PCBN ist sehr schwer zu Werkzeugen zu verarbeiten“, erklärt Hay. „PCD-Werkstoffe weisen keine Anisotropie auf (anisotrope Werkstoffe haben in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften) und neigen daher zum Brechen.“

Bradford sagte, er sei von der Reaktion der Besucher während der Vorführung etwas überrascht gewesen: „Sie können ihren Augen nicht trauen. Hersteller von Hartmetallwerkzeugen werden neue Werkzeuge haben. Das ist ein historischer technologischer Fortschritt.“