Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWUHocheffiziente Hartzerspanung mit neuartigen und innovativen monolithischen CBN-Werkzeugen#
Projektinhalt/Zielsetzung
Das Forschungsvorhaben hat die Entwicklung der hocheffizienten Hartzerspanung unter Nutzung von Werkzeugen mit monolithischem CBN-Schneidkopf zur Zielstellung. Dabei ist die Technologielücke bei der Hartzerspanung unter Verwendung von CBN-Schneidstoffen für den Werkzeugdurchmesserbereich 1 mm bis 10 mm (ab da sind Werkzeugsysteme mit bestückten Wendeschneidplatten einsetzbar) zu schließen. Durch eine anwendungsorientierte Werkzeugentwicklung sowie umfassende und systematische Untersuchungen entlang der Prozesskette sollen die Voraussetzungen für den prozesssicheren, anwendungsbezogenen Einsatz neuartiger CBN-Werkzeuge für die Hartbearbeitung in den Bereichen Werkzeug- und Formenbau, Automotive sowie Maschinenbau geschaffen werden.
Durch den Einsatz dieser Werkzeuge ist im Vergleich zur Verwendung klassischer Vollhartmetall-Werkzeuge von einer 5-10-fachen Standzeitsteigerung auszugehen. Die zu erwartenden Zeitspanvolumen sind durch höhere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten um den Faktor 2 größer als bei der Bearbeitung mit Werkzeugen aus Vollhartmetall. Dem gegenüber steht eine um den Faktor 5 höhere Vorkalkulation zu Herstellungskosten monolithischer CBN-Werkzeuge. Anhand dieser vorsichtig prognostizierten Steigerungsraten wird das große Potential von monolithischen CBN-Werkzeugen im Werkzeugdurchmesserbereich 1 mm bis 10 mm deutlich. Bereits bei Erreichen der unteren Grenze der Standzeitsteigerung (Faktor 5) sind die erhöhten CBN-Werkzeugkosten ausgeglichen. Durch die Einsparung von 4 Werkzeugwechseln, die mögliche 10-fache Standzeitsteigerung und die Halbierung der Bearbeitungszeit aufgrund des gesteigerten Zeitspanvolumens zeigt sich das erhebliche Potential zum Einsatz von CBN-Werkzeugen für eine effiziente und kostengünstige Hartbearbeitung.
Zusammenfassend können als Zielwerte daher eine Reduzierung der Werkzeugkosten um 50% und eine Halbierung der Bearbeitungszeit für eine Etablierung von CBN-Werkzeugen für die Hartbearbeitung im avisierten Durchmesserbereich definiert werden. Weiterhin sind durch den Einsatz von CBN-Werkzeugen Steigerungen in der Oberflächenqualität zu erwarten. Daher soll im Rahmen des Projektes die Etablierung der monolithischen CBN-Werkzeuge sowohl für die Schrupp- als auch für die Schlichtbearbeitung erfolgen. Dabei sollen insbesondere bei der Finish-Bearbeitung Oberflächenqualitäten im Bereich Rz 0,8 µm bis Rz 1µm erreicht werden. Bei Erreichen dieser Zielgrößen können in vielen Bereichen des Werkzeug- und Formenbaus weitere Prozessschritte wie beispielsweise die nachfolgende Finish-Bearbeitung durch Schleifen substituiert werden.
Vor den genannten Zielstellungen sind im Rahmen des Projektes einerseits die Verfahrensgrundlagen für die Bearbeitungs- und Abtragsmechanismen bei signifikant gesteigerten Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu untersuchen und andererseits das erforderliche Prozessumfeld mit Maschine, Werkzeug- und Bauteilspannung, Kühlschmierung, Bearbeitungsstrategie und -parameter zu bewerten und weiterzuentwickeln, um die Voraussetzungen für eine geplante Serienfertigung zu schaffen. Im Vergleich zu konventionellen Hartbearbeitungsverfahren werden die gesteigerte Prozessstabilität, die Effizienz bzgl. Bearbeitungszeiten, Qualität sowie Energie- und Ressourceneinsatz bewertet. Weiterhin wird die Integration dieser neuen Verfahrensvariante der Hartbearbeitung von Präzisionsteilen in eine verkürzte Gesamtprozesskette untersucht und in Standzeitversuchen verifiziert. Die neue Endbearbeitungstechnologie führt zu erhöhten Qualitäten und Funktionalitäten der Einzelbauteile mit resultierenden verbesserten Gebrauchseigenschaften der Endprodukte (z.B. Stanzstempel, Spritzgießwerkzeuge). Diese Effekte sollen ebenfalls anhand experimenteller Untersuchungen evaluiert werden.
