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Effects of different cutting edge preparation methods on micro milling performance

2016 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Kuche, Y. , Löwenstein, A. , Winker, I.

In micro milling, which is mostly used in mold and die making, process reliability and predictability of tool failure are important. Particularly in precision and micro machining, tool breakage is hardly detectable and the requirements on accuracy are very high. Immersed tumbling is an appropriate process for the defined cutting edge preparation of micro milling tools. Its effects like increasing tool wear performance and tool life has been evaluated. In this paper, different cutting edge preparation processes showed that in cutting tests different effects occur regarding tool wear, process forces and surface quality. Immersed tumbling leads to the lowest active force Fa, but magnet finishing leads still do a slightly better surface quality.

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Automatisierte Qualitätskontrolle

2015 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Löwenstein, A. , Kuche, Y. , Wiemann, S.

Inhalt eines Forschungsprojektes der Firma OTEC Präzisionsfinish GmbH und des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK ist die Entwicklung eines Maschinenprototypen zur Feinbearbeitung mit automatisierter Qualitätskontrolle durch integrierte optische Messtechnik und Messsoftware. Im Rahmen des durch das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projektes wurde dazu eine kompakte, für die Automatisierung und Integration von Messtechnik ausgelegte Maschine entwickelt. Mithilfe dieser Maschine können Werkstücke, wie etwa Nockenwellen oder Zerspanwerkzeuge, mit dem Verfahren Tauchgleitläppen bearbeitet und definierte Kantenradien erzeugt sowie in einem automatisierten Prozess gemessen werden. This paper presents a machine prototype for the finishing of edges and surfaces of work pieces. The prototype has an integrated optical measurement device, which can be used for the control of the process results and possibly automated remachining. The machine is used for the preparation of milling tools. Process parameters and their effects are analyzed and an approach for the automated setting of the process parameters is shown.

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Entwicklung eines aktiven Spannsystems zur hochpräzisen Kompensation von Winkelfehlern bei der Positionierung von Präzisionsbauteilen in Werkzeugmaschinen

2011 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Essmann, J. , Löwenstein, A. , Pagel, L. , Gaßmann, S. , Hinze, M.

Aufgrund der andauernden Produktminiaturisierung floriert der Markt für Mikrobauteile wie nie zuvor. Zur nachhaltigen Sicherung der internationalen Konkurrenzfähigkeit in diesem Markt muss die Produktivität der Fertigung gesteigert werden. Die Reduzierung der Nebenzeiten in der Produktion ist hierfür ein probates Mittel. Das bedeutet u. a. die exakte, schnelle und reproduzierbare Positionierung von Bauteilen in Werkzeugmaschinen durch Spannen, Messen, Ausrichten, und Werkstückwechseln. In der Mikroproduktion sind Strukturgrößen und Fertigungstoleranzen im Bereich einiger Mikrometer üblich. Um die genannten Prozessschritte automatisiert mit einer Präzision im Submikrometerbereich zu realisieren wurde innerhalb des hier vorgestellten Projektes eine neue Generation von Spannsystemen entwickelt. Die Projektergebnisse des InnoNet-Projekts ActiveClamp wurden durch ein interdisziplinäres Konsortium, koordiniert durch das Fraunhofer IPK, in dem Zeitraum vom 1.1.2009 bis zum 31.12.2010 erarbeitet. Neben zwei Forschungseinrichtungen waren sechs Unternehmen beteiligt. Das Projekt wurde finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Der im Projekt entstandene Prototyp ist in der Lage, Winkelfehler von 10 mrad mit einer Auflösung von 0,002 mrad zu kompensieren. Die Werkstücke werden über ein pneumatisch betätigtes Nullpunktspannsystem aufgenommen. Für den Winkelfehlerausgleich sind hochgenaue Piezomotoren im Ein satz. Für den Betrieb dieser Piezo-Antriebe wurde eine bislang einzigartige Ansteuerung realisiert. Hierzu wurde eine Hardware entwickelt, die eine maximale Ausgangssignalfrequenz von 200 Hz bei einer maximalen Phasenkapazität von 27 MikroF erreicht. Zudem verfügt die Firmware der Ansteuerung über sechs verschiedene Signalformen, wobei die Schrittauflösung zwischen 32 und 1024 Schritten pro Signalperiode variiert werden kann. Dadurch wird eine minimale Schrittauflösung des verwendeten Antriebssystems von wenigen Nanometern erreicht. Mit Hilfe der eigens entwickelten Softwareanwendung und der intuitiven Benutzeroberfläche können die Parameter der Ansteuerung jederzeit konfiguriert und so verschiedenen Anwendungen angepasst werden. Zur Positionsregelung werden kapazitive Sensoren mit einer Auflösung von 20 nm genutzt. Bei diesen hohen Präzisionsanforderungen können aufgrund des Stick-Slip Effektes keine konventionellen Gelenke eingesetzt werden. Daher wurden Festkörpergelenke entworfen bei denen selbst bei kleinen Bewegungen keine Haftreibung auftritt. Da das Konzept skalierbar ist, kann es für unterschiedliche industrielle Anwendungen, wie z. B. Messmaschinen, Justageanlagen, optische Systeme und medizintechnische Geräte, eingesetzt werden.

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Mit Schleppfinishing zur perfekten Kontur

2010 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Langmack, M. , Mahr, F. , Löwenstein, A.

Das Schleppfinishing ist auch für die Mikrofertigung geeignet, beispielsweise bei der Schneidkantenpräparation von Mikrofräswerkzeugen oder beim ENTGRATEN und der Oberflächenbehandlung von Mikrostrukturen. Auf eine mehrachsige Prozessführung kann dabei verzichtet werden.

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Influence of cutting edge preparation on the performance of micro milling tools

2016 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Löwenstein, A. , Kuche, Y.

A main reason for premature tool failure in micro milling is the irregular wear behavior of the cutting tools. An approach to improve the tool wear behavior is a defined cutting edge preparation using immersed tumbling. A particular challenge is the cutting edge preparation of micro milling tools with small diameters D ⤠0.5 mm. High loads within the preparation process can lead to outbreaks of the cutting edge and tool breakage. Furthermore, the influence of changed cutting edge geometry regarding the process behavior has to be more examined for these tool diameters. In this paper, micro milling tools with a diameter D = 0.2 mm will be prepared and the influence on the cutting process will be presented and discussed. The experiments will show a better wear behavior for the prepared tools and an improved surface roughness on the machined workpiece.

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Cutting edge preparation of micro milling tools

2014 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Kuche, Y. , Löwenstein, A.

Micro milling is commonly used industrially for the production of precision components. Premature tool wear is usually the reason for a short tool life of cemented carbide end mills. An approach to improve the tool wear behavior is the defined cutting edge preparation. In this contribution, experimental investigations on the formation of cutting edge geometry during immersed tumbling of micro milling tools are presented and discussed. It could be shown that it is possible to prepare end mills with a diameter D = 1 mm and to generate edge radii of 4.0 m r 31.2 m. Investigations about the correlations between the cutting edge geometry and the tool wear behavior in micro milling operations showed decreased flank and crater wear as a result of an appropriate cutting edge preparation.

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Schneidkantenpräparation von Mikrofräsern

2011 , Uhlmann, E. , Löwenstein, A. , Mahr, F. , Oberschmidt, D.

Der Fachbeitrag stellt zwei Verfahren zur Verschleißminderung bei Werkzeugen zum Mikrofräsen von Präzisionsbauteilen vor. Solche Bauteile werden aus unterschiedlichen Werkstoffen mit hoher geometrischer Flexibilität hergestellt. Der Fräsprozess ist durch einen von der Schneidkante ausgehenden hohen Werkzeugverschleiß gekennzeichnet. Der Grund dafür ist die hohe Belastung des Werkzeuges beim Trennen des Werkstoffes. Mithilfe einer gezielten Schneidkantenrundung lässt sich der Verschleiß verringern. Hinsichtlich der Präparationsergebnisse werden die beiden zur Verrundung verwendeten Verfahren "Schleppfinishing" und "Magnetfinishing" gegenübergestellt. Weiterhin wird die Werkzeugperformance der unterschiedlich präparierten Werkzeuge mittels Verschleiß- und Schnittkraftanalysen verglichen und diskutiert.

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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.

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Computertomographie für die Instandhaltung elektronischer Komponenten

2014 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Löwenstein, A. , Sawczyn, N.

Für die Instandhaltung von elektronischen Komponenten wurde eine innovative Prozesskette (INPIKO Prozesskette), die sowohl optische als auch elektronische Prüfverfahren miteinander verbindet, entwickelt. Die Einbeziehung der industriellen Computertomographie bietet eine Vielzahl an Vorteilen und ermöglicht neue Ansätze für die Instandhaltung elektronischer Komponenten. Anhand von Untersuchungen am Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK konnten Einflussfaktoren auf die Bildqualität bzw. der Güte der Rekonstruktion quantifiziert werden. Anhand der Ergebnisse ist eine Reduzierung der Messzeit durch eine anwendungsspezifische Anpassung der Anzahl der Projektionen möglich. Im Zuge weiterer Untersuchungen werden weitere relevante Einflussgrößen bei der Anwendung industrieller Computertomographie für die Instandhaltung elektronischer Komponenten quantifiziert. Daraus wird dann eine allgemeingültige Messmethodik für die Instandhaltung elektronischer Komponenten mittels industrieller Computertomographie abgeleitet.

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Aktives Spannsystem: Positionieren von Präzisionsteilen in der Werkzeugmaschine

2011 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Essmann, J. , Langmack, M. , Löwenstein, A.

Ein neues Konzept für automatisierte Spannsysteme positioniert Bauteile in der Maschine äußerst präzise. Das funktioniert unabhängig vom Maschinentyp, der Anzahl der Bewegungsachsen, vom Werkstückkoordinatensystem, der Maschinensteuerung und der Qualität der Spannflächen.