Geospan

Problemstellung
Die Mikrogeometrie von Werkzeugschneiden wird derzeit durch eine Prozesskette von Schleif-, Bürst-, Strahl- und Beschichtungsverfahren erzeugt. Sie ist in ihrer genauen Ausbildung eher zufällig als genau definiert und schwer zu beeinflussen. Insbesondere die bislang eingesetzten Verrundungsprozesse beruhen auf Erfahrungen einzelner Mitarbeiter. Es existiert kein reproduzierbarer und definiert regelbarer Prozess, um die Mikrogeometrie eines Werkzeugs herzustellen. Dies liegt neben den recht integralen Verrundungsprozessen vor allem auch daran, dass es kein System zur prozessnahen Vermessung dieser Geometrie in der Fertigung gibt. Bisher kann die Mikrogeometrie von Werkzeugen nur mit hohem Aufwand im Labor erfasst werden.

Projektziele und erreichte Ergebnisse
In diesem Projekt wurden:
- eine Laserbearbeitungsanlage zur Schneidkantenverrundung an Wendeschneidplatten und Bohrern sowie
- ein optisches Messsystem, das eine Überwachung des Herstellungsprozesses ermöglicht entwickelt,
- das Verständnis der Einflussgrößen der Schneidkantengeometrie auf den Zerspanprozess vergrößert und
- Bearbeitungsergebnisse mit entsprechend präparierten Schneiden erzielt.

Mit dem Demonstrator für Laserbearbeitung können die Schneiden von Dreh- und Fräswendeschneidplatten sowie von Vollhartmetallbohrern definiert verrundet werden. Basierend auf einem optischen Messverfahren zur Kantenerkennung und Bahngenerierung kann ein Laserstrahl Mikrometer genau an der zu verrundenden Scheidkante entlang geführt werden. Dabei sind Bahnen um Schneidecken herum realisierbar. Die Präzision und Regelbarkeit wurde durch die parallele Entwicklung der Messtechnik ermöglicht. Die Bahngenerierung erfolgt anhand der real vorliegenden Ist-Kontur unabhängig von Modell- oder Zeichnungsvorgaben. Zur Laserbearbeitung kommt ein Pikosekunden-Laser zum Einsatz. Dieses System hat sich als geeignet erwiesen, Schädigungen des Hartmetalls und Aufschmelzungen (Deposits) zu vermeiden. Die erzeugbare Oberflächenstruktur ist sehr gleichmäßig. Die Steuerung der Verrundungsintensität und des Verrundungsradius erfolg über die Fokuslage und Leistung des Laserstrahls. Zur Entfernung von Rest-Oxidschichten auf der Oberfläche erfolgt vor der Beschichtung eine mechanische Strahlbehandlung. Zusammen genommen führen diese Bearbeitungen zu einer Erhöhung der Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von Werkzeugen und zu einer erheblichen Steigerung der Leistungsfähigkeit und Sicherheit von Bearbeitungsprozessen. Zusätzlich kann durch die prozessnahe Überwachung in der Produktion die Qualität von Werkzeuge gesichert und dokumentiert werden.

In Grundlagenuntersuchungen zum Drehen, Fräsen und Bohren wurde die Sollgeometrie der Kantenverrundung definiert. Dabei haben sich recht unterschiedliche Ergebnisse für die verschiedenen Verfahren ergeben. Während beim Bohren durch große Verrundungen und eine Neigung hin zur Spanfläche Standwegsteigerungen von bis zu 30% möglich waren, sind beim Drehen von Stahl eher kleine Verrundungen mit einer eher symmetrischen Lage zu Span- und Freifläche vorteilhaft. Als Beispiel für die Leistungsfähigkeit wurde mit nach Sollvorgabe mit Laser verrundeten Drehwendeschneidplatten bei um 160% gesteigerten Zerspan-Parametern eine 30%ige Verschleißreduzierung nach 16 min Schnittzeit erreicht. Bei diesem Versuch kam zusätzlich eine weiterentwickelte Werkzeugbeschichtung zum Einsatz.

Anwendungspotential
Mit dieser neuen, für die Hartme
tallbearbeitung maßgeschneiderter Lasertechnologie werden die ermittelten Soll-Verrundungen hochpräzise, gleichmäßig und reproduzierbar an Werkzeugschneiden erzeugt. Die Laserbearbeitung eignet sich wegen der hohen Präzision und guten Regelbarbeit ideal für diese mit engen Toleranzen behaftete Bearbeitungsaufgabe. Herkömmliche mechanische Verfahren, wie z. B. das Bürsten können somit ergänzt und ggf. substituiert werden. Der Schwenk zu der verschleißfreien, optischen, berührungslosen Technologie verspricht einen Quantensprung unter dem Aspekt der Präzision und Prozesssicherheit. In einem Industriearbeitskreis zum Lasereinsatz bei der Werkzeugherstellung werden die Möglichkeiten der Laser unterstützten Schneidkantenbearbeitung weiter untersucht. Mit interessierten Maschinenherstellern und Werkzeugherstellern werden weitere Spezifikationen erarbeitet und die Ergebnisse diskutiert. Als erstes soll die entwickelte Messtechnik nach Projektende in industriell einsetzbare Messmaschinen integriert und vermarktet werden.

Lasertechnologie für die Generierung und Messung der Mikrogeometrie an Zerspanwerkzeugen

Autor: Denkena, B. (Hrsg.)

Verlag: PZH Produktionstechnisches Zentrum GmbH, Hannover

Erscheinungsjahr: 2005, September

ISBN: 3-936888-94-9

Beschreibung: Im GEOSPAN Projekt wurde eine Demonstratoranlage realisiert, die zur umlaufenden Laserverrundung von Dreh- und Fräswendeschneidplatten sowie zur Verrundung von Schneiden von Vollhartmetallbohrern verwendet werden kann. Basierend auf einem optischen Messverfahren zur Kantenerkennung und Bahngenerierung kann ein Laserstrahl mikrometergenau an der zu verrundenden Scheidkante entlang geführt werden. Dabei sind Bahnen um Schneidecken herum realisierbar. Die Bahngenerierung erfolgt anhand der real vorliegenden Istkontur unabhängig von Modell- oder Zeichnungsvorgaben. Zur Laserbearbeitung kommt ein Pikosekundenlaser zum Einsatz, um Schädigungen des Hartmetalls und Aufschmelzungen (Deposits) weitgehend zu vermeiden. Zur Entfernung von Rest-Oxidschichten auf der Oberfläche erfolgt vor der Beschichtung eine mechanische Strahlbehandlung. Die Grundlagenuntersuchungen zur Sollkontur der Kantenverrundung haben recht unterschiedliche Ergebnisse für die Verfahren Drehen, Fräsen und Bohren ergeben. Während beim Bohren durch große Verrundungen und eine Neigung hin zur Spanfläche Standwegsteigerungen von bis zu 30% möglich waren, sind beim Drehen von Stahl eher kleine Verrundungen mit einer eher symmetrischen Lage zu Span- und Freifläche vorteilhaft. In einem beispielhaften Zerspanprozess konnten nach Sollvorgabe laserverrundete Drehwendeschneidplatten bei um 160% gesteigerten Zerspanparametern eine 30%ige Verschleißreduzierung nach 16 Minuten Schnittzeit erreicht werden. Bei diesem Versuch kam zusätzlich eine weiterentwickelte Werkzeugbeschichtung zum Einsatz.