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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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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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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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Besser mikrofräsen mit gezielten Schwingungen

2014 , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Mahr, F. , Perfilov, I.

Für die gezielte und reproduzierbare Oberflächenstrukturierung im Mikrofräsprozess wurde jetzt ein 2-Achs-Schwingungssystem entwickelt, das das Werkstück horizontal in zwei Raumrichtungen zum Schwingen bringt, Das Resultat: Die hochfrequente Verlagerung des Werkstücks verbessert die Fräsergebnisse deutlich. Das System besteht aus einem Festkörpergelenk (FKG) in parallelkinematischer Ausführung, auf dem eine Werkstückaufnahme gelagert ist. Das FKG wird mit zwei Hochvolt-Piezoaktoren betätigt, die in der Kombination mit Piezoverstärkern einen maximalen statischen Hub von a = 20 µm aufweisen. Die speziell ausgelegte Form des FKG, das aus gehärtetem Federstahl 1.1260 mittels Drahterosion gefertigt wurde, ermöglicht eine unabhängige Bewegung der Werkstückaufnahme entlang zweier Achsen und schließt Scherkräfte auf die Piezoaktoren aus.

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Critical depth of cut and asymptotic spindle speed for chatter in micro milling with process damping

2016 , Wang, J.J. , Uhlmann, E. , Oberschmidt, D. , Sung, C.F. , Perfilov, I.

This paper presents formulas for determining the critical depths of cut and asymptotic spindle speed for stable micro milling processes with process damping. The asymptotic spindle speed of a theoretically infinite stable depth of cut is shown to be proportional to the modal natural frequency, radial ploughing constant and radial immersion angle, but inversely proportional to the shearing related cutting constants and tool diameter. These formulas enable identifying the asymptotic speed, absolute stability limit, and in-process radial ploughing constant from experimental stability limits without requiring modal parameters. The presented model is validated by comparison with prior works and verified by experiments.

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Mikrozerspanung von rostfreiem Stahl mit PcBNoB

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

Zur Fertigung präziser Bauteile mit optischen Oberflächen unter höchster Anforderung an Maß- und Formtoleranz wird monokristalliner Diamant als Schneidstoff verwendet. Bei der Bearbeitung von Stahlwerkstoffen unterliegt der Diamant exzessivem Verschleiß. Eine Möglichkeit Verschleiß zu reduzieren ist die vibrationsunterstützte Bearbeitung, die bereits vielfach untersucht wurde. Ziel der dargestellten Untersuchungen ist es, durch Substitution des Schneidstoffes eine ultrapräzise Bearbeitung von Stahlwerkstoffen zu ermöglichen. Hierzu wurde das Verhalten von polykristallinem kubischem Bornitrid ohne Bindephase (PcBNoB) während der Zerspanung analysiert und bewertet.

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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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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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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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Verfahren zur automatisierten Reinigung

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