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Liquid covered micro-milling

2017 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Polte, M. , Polte, J.

Micro-milling tools made of cemented carbide suffer from fast tool wear and random tool breakage during the machining process. The cutting material cemented carbide is composed of a hard material phase made of tungsten carbide and a binder phase made of cobalt. An allotropical crystal lattice transformation of the binder phase at a temperature TH = 420 °C leads to increased tool wear. Commonly minimum quantity lubrication (MQL) is used as cooling lubricant technology in micro-milling. In this work a new liquid covered cooling lubricant (LCCL) technology and the commonly used MQL technology were compared regarding tool wear of cemented carbide tools for machining the steel STAVAX ESU. In the LCCL technology the cutting process is completely covered with cutting lubricant. It could be concluded that the new LCCL technology offers a high potential to reduce the tool wear in micro-milling of steel with cemented carbide micro-milling tools.

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Effect of cooling lubricant on surface roughness for turning stainless steel with binderless-cBN

2016 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Polte, J. , Polte, M. , Huth-Herms, K.

Binderless-cubic Boron Nitride (cBN) from the company SUMITOMO CORPORATION, Itami, Japan, is one of the most promising cutting materials providing the opportunity for direct cutting of steel with ultra-precision (UP) quality without additional equipment or coating of the workpiece. This work presents the latest development in the field of precision machining of hardened stainless steel with binderless-cBN. In this paper the influence of the feed f and the cooling lubricant on the surface roughness is shown for turning the hardened stainless steel STAVAX ESR (H = 52 HRC) from the company BÖHLER-UDDEHOLM, Düsseldorf, Germany. A surface roughness Ra = 9 nm and Rz = 42 nm could be achieved using binderless-cBN and the cooling lubricant W200SL of the company OPORTET, Duisburg, Germany.

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CBN-micro-milling tools for machining hardened steel moulds

2016 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Polte, M. , Polte, J. , Börnstein, J.

High-precision cutting of hardened steel with geometrical defined cutting edge is restricted due to excessive and random tool wear. For serial production of precision plastic parts hot embossing tools and micro injection moulding tools with high requirements regarding geometrical accuracy and surface roughness are needed. Cutting materials based on cubic Boron Nitride (cBN) are successfully used in macro-machining of hardened steel. In this paper, detailed information about machining hardened steel with micro-milling tools with cutting edges made of cBN are given. An arithmetical mean deviation Ra = 19 nm could be achieved using a high-precision micro-milling machine tool with ball bearing guideways and spindle.

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Zellaufschluss für die Biotechnologie

2013 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Spielvogel, A. , Polte, M. , Polte, J. , Herms, K.

Die in der Industrie und Forschung angewandten Zellaufschlusstechnologien sind vielfältig und untergliedern sich in biologische, chemische und physikalische Technologien. Der vorliegende Beitrag beschreibt einen am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik entwickelten Lösungsansatz zum kontinuierlichen Zellaufschluss mit definierten Aufschlussraten und Einstellparametern. Anschließend werden die sich durch den Einsatz im Produktionsmaßstab ergebenden Potenziale und Einsatzmöglichkeiten des entwickelten Aufbaus erläutert.

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Cutting forces while machining STAVAX ESU with binderless-cBN

2017 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Polte, J. , Polte, M.

Binderless-cubic-Boron-Nitride(cBN) from the company SUMITOMO CORPORATION, Itami, Japan, provides the opportunity for direct cutting of steel with ultra-precision quality without additional equipment or coating of the workpiece. This work presents the latest results in the field of ultra-precision machining of hardened stainless steel with binderless-cBN. In this paper the influence of the cutting speed vc, the feed f, the depth of cut ap, and the cooling lubricant on the cutting force Fc is shown for turning the stainless steel STAVAX ESU. The cutting speed, the feed and the depth of cut were varied between 3 m/min < vc < 450 m/min, 0.9 mm < f < 9.7 mm, and 5 mm < ap < 30 mm respectively. As cooling lubricants compressed air and W200SL of the company OPORTET, Duisburg, Germany, with a volumetric flow rate & = 1 l/min were used. For measuring the cutting forces Fc the piezoelectric dynamometer MINIDYN 9256C2 from the KISTLER INSTRUMENTE AG, Middlefield, USA, was used. As a result of this work cutting forces Fc < 4.9 N could be observed with an inconstant progression over the varied process parameters.

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Geometric deviations in the production of micro-milling tools and their influence on the cutting process

2016 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Kuche, Y. , Polte, M.

For micro-milling tools with decreasing diameter D < 0.5 mm the requirements for the manufacturing rise up and the risk of geometrical deviations of the cutting edges increase. In this investigation industrial produced micro-milling tools with a diameter of D = 0.2 mm made of cemented carbide were analysed. Micro-milling tools with variable macro geometry were selected and used for the machining of mould steel. The influence of the geometrical deviations on the wear behaviour and the surface roughness of the machined steel were examined. It is shown that the variable tool geometry lead to wear of the minor cutting edges S'. Furthermore, an influence on the surface roughness of the machined workpiece is determined.

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Entwicklung einer Herstellungstechnologie für PKD-Mikrofräswerkzeuge

2015 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Polte, M. , Börnstein, J.

Beim Mikrofräsen mit Werkzeugen aus Hartmetall kommt es häufig nach kurzen Schnittwegen lc zu übermäßigem Werkzeugverschleiß. Dies beeinflusst das Bearbeitungsergebnis, die Prozesssicherheit und die Wirtschaftlichkeit negativ. Ziel ist durch den Einsatz eines superharten Schneidstoffs aus polykristallinem Diamanten (PKD) den Verschleiß beim Mikrofräsen zu reduzieren. Daher ist eine Herstellungstechnologie zu entwickeln, um Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus PKD effizient herstellen zu können. Beschrieben wird eine grundlegende statistische Prozessanalyse der Einstellparameter für die Mikro-Drahterosion mit den Zielgrößen Schneidkantenrundung rv und maximale Schartigkeit Rs,max. Im vorliegenden Artikel wird der Bedarf für die Weiterentwicklung von Mikrofräswerkzeugen am Beispiel der Fertigung von Mikrospritzgusswerkzeugen für den Werkzeug- und Formenbau erläutert. Speziell in der Vor- und Nullserie besteht aufgrund der Notwendigkeit von aufwendigen iterativen Anpassungen der Formgeometrien ein erhöhter Bedarf für Formen aus NE-Metallen. Die aktuell eingesetzten Mikrofräswerkzeuge aus Hartmetall zeigen einen frühzeitigen Werkzeugverschleiß, der die Genauigkeit in den Werkzeugformen reduziert. Um den Werkzeugverschleiß zu mindern, werden die Schneidenmakro- sowie die Schneidenmikrogeometrie von herkömmlichen Mikrofräswerkzeugen aus Hartmetall gezielt optimiert. Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist es, Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus PKD herzustellen, um den Verschleiß beim Mikrofräsen weiter zu reduzieren. Dafür ist es notwendig, eine Technologie zur Herstellung von Mikrofräswerkzeugen mit Schneiden aus PKD hinsichtlich der charakteristischen Schneidkantenkenngrößen zu analysieren. Zur Herstellung der Mikrofräswerkzeuge wurde hierbei die Technologie der Mikro-Drahterosion eingesetzt. Minimale erreichte Schneidkantenrundungen betragen rv = 2,0 µm für den Schneidstoff PKD 0020 und rv = 4,9 µm für den Schneidstoff PKD 0005. Die erreichten maximalen Schartigkeiten weisen Rs,max = 1,9 µm für den Schneidstoff PKD 0020 und Rs,max = 1,5 µm für den Schneidstoff PKD 0005 auf. Die erzielten Schneidenmikrogeometrien entsprechen dabei den zum Stand der Technik durch Schleifen und Polieren herstellbaren Schneidkantenkenngrößen bei der Herstellung von PKD-Werkzeugen. Abschließend wurde die Technologie des Tauchgleitläppens erfolgreich zur Entfernung der durch die Mikro-Drahterosion entstandenen thermisch beeinflussten Randzone genutzt. Zukünftig werden die in dem andauernden Forschungsprojekt hergestellten Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus PKD grundlegenden Zerspanunter - suchungen unterzogen.

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Manufacturing of CVD diamond micro-end mills with electrical discharge machining

2017 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Polte, M. , Polte, J. , Schimmelpfennig, T.-M. , Börnstein, J.

At state of the art micro-milling tools made of cemented carbide are widely used in industry. Nevertheless, these micro-milling tools suffer from fast and random tool breakage while cutting. To improve the wear behaviour of micro-milling tools new cutting materials have to be established. In this work electrical discharge machining (EDM) for manufacturing of micro-milling tools with cutting edges made of boron doped chemical vapour deposition (bdCVD) diamond were investigated. Wire-EDM and die-sinking-EDM were compared regarding the characteristics of the micro-tool´s cutting edges. It could be concluded that the wire-EDM process is suitable for manufacturing of micro-milling tools with cutting edges made of bdCVD diamond. With respect to the elaborated technologies for the wire-EDM process a cutting edge radius rv = 3.9 mm and for the die-sinking-EDM process a cutting edge radius rv = 5.4 mm could be measured.

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High precision milling with a novel compliant machine tool

2016 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Guhde, S. , Polte, M.

For precision milling manufacturing machine tools with high stiffness K and high masses m are state of the art. Usually this will be achieved due to heavy and large machine beds and frames. Hence, a new approach based on the compensation of the dynamic dislocation was investigated. The aim of this new approach was to develop a high dynamic machine tool with a compliant machine frame. Therefore, a novel compliant three- Axes machine tool for high precision milling based on an Ethercat Technology® and the open source ethercat master etherlab machine is developed by the Technische Universität Berlin and the Fraunhofer Institute for Production Systems and Design Technology. For the dynamic dislocation a Kalman-filter is integrated in the machine control which calculates the tool body with respect to the tool-center-point TCP and its velocity v. For the verification milling structures are manufactured with the compliant machine tool.

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Schneidkantenpräparation von VHM-Mikrofräsern

2015 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Löwenstein, A. , Polte, M. , Winker, I.

Die Prozesssicherheit beim Mikrofräsen lässt sich mit einer gezielten Schneidkantenverrundung erheblich steigern. Dabei werden durch verschiedene Präparationstechnologien unterschiedliche Geometrien und Einflüsse auf den Fräsprozess erzeugt. Der Fachbeitrag behandelt den Einsatz präparierter Mikrowerkzeuge in Zerspanversuchen, in denen auf die Zerspankräfte, den Verschleiß sowie die Oberflächengüten eingegangen wird. Die mit den Feinbearbeitungsverfahren Bürstspanen und Strahlspanen präparierten Werkzeuge erzeugen im Mittel eine um 16 % geringere gemittelte Rautiefe Rz und weniger Grat als die Feinbearbeitungsverfahren Magnetfinishen und Tauchgleitläppen, jedoch sind der relative Verschleiß FZ im Mittel um 13 % sowie die Zerspankräfte Fz erhöht. Die bei Fz mit Bürstspanen präparierten Werkzeugen auftretenden Zerspankräfte Fz sind um 5 % höher als jene bei Fz mit Magnet finishen präparierten Werkzeugen beziehungsweise 13 % höher als jene bei Fz mit Tauchgleitläppen präparierten Werkzeugen. Die bei mit Strahlspanen präparierten Werkzeugen auftretenden Zerspankräfte Fz sind sogar um 20 % höher als jene bei mit Tauchgleitläppen präparierten Werkzeugen. Die Feinbearbeitungsverfahren Magnetfinishen und Tauchgleitläppen können eine Schneidkantenmikrogeometrie her stellen, deren Profilquerschnitt einem Kreissegment sehr nahe kommt und die einen quantifizierbaren Schneidkanten radius rv aufweist. Dies vermindert den Verschleiß sowie die Prozesskräfte. Die Schneidkantenradien rv sollten in einem Bereich von 3 µm < rv < 7 µm liegen, um eine Dominanz der Ploughing-Vorgänge zu vermeiden. Der Zahnvorschub fz sollte in einem Bereich von 3 µm < fz < 5 µm liegen, da höhere Zahnvorschübe fz eine zu hohe Belastung der Schneide bedeuten und über mäßigen Verschleiß in Form von Kantenausbrüchen fördern. Innerhalb der genannten Bereiche für den Schneidkantenradius rv und den Zahnvorschub fz ist nach der Gleichung hmin = 0,293 rv die Mindestspandicke hmin auch im ungünstigsten Fall des größten Schneidkantenradius rv = 7 µm in Kombination mit dem kleinsten Zahnvorschub fz = 3 µm gewährleistet und wird während des Zahneingriffs erreicht.