Mikrozerspanung Effiziente Mikrozerspanung erfordert optimiertes Gesamtsystem

Immer kleiner werdende Werkstücke stellen veränderte Ansprüche an die Fertigung, die Mikrozerspanung gewinnt an Bedeutung. Diese Ansprüche müssen sowohl Werkzeuge als auch Werkzeugmaschinen erfüllen, um einen reibungslosen Produktionsablauf zu gewährleisten. Erst das optimierte Zusammenspiel aller Komponenten in der Mikrozerspanung ergibt ein funktions- und prozesssicheres Produktionssystem.

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PRIMACON Maschinenbau GmbH

Die Notwendigkeit, bisherige Produktionsmethoden im Bereich der mechanischen Fertigung zu überdenken, ist in der zunehmenden Miniaturisierung industrieller Bauteile begründet (Bilder 1 und 2). Diese Miniaturisierung ist kein neuer Trend, jedoch wird der beinahe uneingeschränkten Formgebung und Materialauswahl immer höhere Priorität eingeräumt, wodurch die Mikrozerspanung zunehmende Bedeutung gegenüber den klassischen Methoden der Mikrotechnik erlangt. Durch sie wird in vielen Fällen eine wirtschaftliche Fertigung erst ermöglicht.

Maßabweichungen nur innerhalb von wenigen Mikrometern

Die Vorteile der spanenden Fertigung liegen eindeutig in der nahezu grenzenlosen Formenvielfalt, insbesondere bei Verwendung 5-achsiger Maschinen, und der Möglichkeit, jedes zerspanbare Material auch in niedrigen Stückzahlen wirtschaftlich bearbeiten zu können. Um die Prozesssicherheit zu erreichen, muss eine Reihe von Rahmenbedingungen erfüllt werden. Die grundlegende Anforderung an die Werkstücke liegt in der Einhaltung von Maßabweichungen innerhalb von wenigen Mikrometern und sehr geringen Oberflächenrauheiten.

Kompakte Bauformen und kleine bewegte Massen sind eine wichtige Voraussetzung für eine hohe Dynamik. Hohe Dynamik, beste Regelgüte und Absolutgenauigkeit wiederum sind Voraussetzung für erfolgreiches Bearbeiten. Zu erreichen sind diese Eigenschaften mit direkten Lagemesssystemen in Kombination mit digitalen Drehgebern zur Motorregelung. Diese Drehgeber sollten eine Mindestsignalperiode von 1024 min–1 bieten und sind inzwischen in vielen Maschinen anzutreffen, wobei allerdings häufig dem Motor zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt wird.

2-polige Motoren mit Nachteilen für die Mikrozerspanung

Oft werden 2-polige Motoren verwendet. Dies bringt den Nachteil eines schlechteren Regelverhaltens gegenüber Motoren mit höheren Polzahlen, vor allem bei der Lageregelung im Vorschubbereich um den Wert Null. Gerade dieser Geschwindigkeitsbereich ist wichtig für die Präzisionsbearbeitung, beispielsweise wenn es darum geht, Bohrbilder mit haarfeinen Werkzeugen herzustellen.

Aber auch Antriebe mit klassischen Gleichstrom-Servomotoren können die Anforderungen in gleicher Qualität erfüllen. Entscheidende Parameter sind die Eigenschaften des Gesamtsystems bezüglich Steuerung, Antrieb, Mechanik.

Werkzeuge müssen für die Mikrozerspanung hohe Ansprüche erfüllen

Diese Ansprüche müssen mit Werkzeugen verwirklicht werden, die oftmals ein ungünstiges Durchmesser-Länge-Verhältnis aufweisen. Ein Fräser mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Länge von 10 mm (entspricht einem Verhältnis 1:20) ist beim Fräsen keine Seltenheit. Glücklicherweise sind derartige Werkzeuge heute bei weitem nicht mehr so exotisch wie noch vor wenigen Jahren. So bietet eine Reihe von Herstellern ein gut gegliedertes Programm aus Hartmetallwerkzeugen ab Lager an.

Die verfolgte Zielsetzung der Werkzeughersteller liegt darin, über besonders feinkörnige „Micro-Grain“-Hartmetallsorten auf Wolframkarbid-Kobalt-Basis die „Schärfe“ der Schneidkanten zu optimieren. Bei den aktuell verfügbaren Werkstoffen sind Wolframkarbidkörner in Korngrößen von 0,5 bis 1 μm in der vergleichsweise weichen Kobaltbindung eingebunden.

Hartmetallwerkzeuge auf Wolframkarbid-Kobalt-Basis für Buntmetalle gut geeignet

Mit diesen Hartmetallsorten sind somit Werkzeuge mit sehr kleinen Schneidkantenverrundungen herstellbar, was maßgeblich zur Reduzierung der Schnittkräfte beiträgt. Diese Hartmetallwerkzeuge sind meist schon ab Lager und zu einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis erhältlich und für die Bearbeitung von NE- und Buntmetallen sehr gut geeignet.

Die unbeschichteten Werkzeuge stoßen jedoch zum Teil an ihre Grenzen. Bei hochlegierten oder gar gehärteten Stahlsorten, aber auch bei wolframlegiertem Kupfer oder Graphit ist die Verwendung von beschichteten Werkzeugen zumeist unverzichtbar. Wenngleich diese Beschichtungen den Nachteil einer Schneidkantenverrundung haben, so wird die Standzeit und die Temperaturbeständigkeit der Werkzeugschneide derart verbessert, dass derzeit keine kostengünstige Alternative zu diesen Beschichtungen existiert.

Mikrozerspanung stellt höchste Anforderungen an Maschinen

Diese Werkzeuge und der gesamte Zerspanungsprozess stellen ihrerseits höchste Ansprüche an die Maschinen, die außer einer hohen Absolutgenauigkeit und Dynamik auch gute Steifigkeits- und Dämpfungswerte aufweisen müssen. Nur so können beste Oberflächengüten und hohe Werkzeugstandzeiten erreicht werden.

Bei der Auswahl der Frässpindeln (Bild 3) muss mit geeigneten Drehzahlbereichen den kleinen Werkzeugdurchmessern Rechnung getragen werden. Bei Verwendung von unbeschichteten Hartmetallwerkzeugen kann in NE- und Buntmetallen von einer Schnittgeschwindigkeit um 60 m/min als Richtgröße ausgegangen werden. Bei einem Werkzeugdurchmesser von 0,5 mm ergibt sich eine Drehzahl von 38 200 min–1.

Die Spindel ist dem Einsatzfall entsprechend auszuwählen, wobei für wirtschaftlichen Betrieb ein automatischer Werkzeugwechsel meist unerlässlich ist. Das ist bei serienmäßigen Spindeln bis 70 000 min–1 möglich, allerdings mit entsprechend kleinem Drehmoment (nur für kleine Werkzeuge). Es gibt aber auch Spindeln, die einen nutzbaren Drehzahlbereich von 300 bis 40 000 min–1 haben, wobei im unteren Drehzahlbereich (bis etwa 12 000 min–1) ein hohes Drehmoment zur Verfügung steht, das zu höheren Drehzahlen hin abnimmt. Diese Spindeln stellen einen optimalen Kompromiss dar zwischen kleinen Werkzeugen, also hohen Drehzahlen, und hohen Zerspanvolumen, also hohem Drehmoment.

Längendehnung der Spindel mit zunehmender Drehzahl in engen Toleranzen

Durch Fliehkräfte in den Kugellagern kommt es zu einer dynamischen Längendehnung der Spindel mit zunehmender Drehzahl. Die Erwärmung der Spindelwelle ergibt eine zusätzliche Längendehnung. Bei den Bearbeitungen treten zwischen den einzelnen Werkzeugen teilweise große Drehzahldifferenzen auf. Dadurch arbeitet man praktisch bei niedrigen Drehzahlen mit einer „kurzen“ und bei hohen Drehzahlen mit einer „langen“ Spindel.

Diese Differenzen bewegen sich, abhängig von Fabrikat und Spindeltyp, in Bereichen um 25 bis 120 μm. Dieses Verhalten ist unvermeidlich, aber bei den engen Werkstücktoleranzen nicht tragbar. Um in der Praxis problemloses Arbeiten zu ermöglichen, wird dieses Spindelwachstum bei Primacon bereits seit 1998 durch eine in Kooperation mit einem namhaften Messspezialisten entwickelte Spindellängendehnungs-Kompensation ausgeglichen (Bild 4). Die seither gesammelten Erfahrungen sind äußerst positiv, können doch mit dieser Kompensation die wirksamen Werkzeuglängen in ein Toleranzband unter 2 μm gebracht werden.

Werkzeugschnittstelle mit hohem Rundlauf

Eine Werkzeugschnittstelle, die einen automatischen Werkzeugwechsel ermöglicht und dennoch die hohen Anforderungen an Rundlauf und Wiederholgenauigkeit erfüllt, ist unverzichtbar für die wirtschaftliche Bearbeitung von Mikrofrästeilen. Bei Primacon fiel die Entscheidung auf einen Kegel HSK 25, der mit einer Greiferrille von 32 mm Durchmesser kombiniert wurde, also HSK F32 (Bild 5). Dieser Kegel weist durch seine kurze Bauform, die fehlenden Mitnehmernuten, den kleinen Kegel und die gute Abstützung über den Anlagebund hervorragende Wuchtgüten und Rundlaufeigenschaften auf.

So sind bei Kombination dieser Werkzeughalter mit Spannzange und HF-Spannmutter Wuchtgüten von G = 2,5 bei 40 000 min–1 schon ohne weitere Optimierungen erreichbar. Das ist eine wichtige Basis für hohe Oberflächengüten und Maßhaltigkeit der Werkstücke. Orientiertes Einlegen in die Spindel ermöglicht gleichbleibend gute Rundlaufeigenschaften. Auf diese Basis kann natürlich durch den Einsatz entsprechender Wuchttechnik noch weiter aufgebaut werden.

Interessante Ansätze im Bereich der Spannfutter sind Schrumpfspannfutter oder die Variante Power Clamp von Rego-Fix. Bei diesen Systemen ist die Anzahl der an der Werkzeugspannung beteiligten Elemente reduziert und dadurch sind die Möglichkeiten minimiert, Rundlauffehler oder Unwucht in das System einzubringen.

Einstellparameter der Steuerung bei der Mikrozerspanung wichtig

Auf der Seite der Steuerung muss ebenso auf einige Punkte geachtet werden. Allein kurze Satzverarbeitungszeiten sind nicht ausreichend, um mittels Mikrozerspanung zufriedenstellende Werkstücke zu fertigen. Größere Aufmerksamkeit verdienen Einstellparameter wie Positionierfenster, Schleppfehler und Einschwingverhalten der Achsen. Diese Parameter sind ausschlaggebend für eine hohe Präzision und Kantenschärfe der Werkstücke.

Weil NC-Datensätze für Freiformflächen meist am CAM-System generiert werden und oft aus Linearsätzen mit sehr geringen Längen bestehen, ist eine Look-ahead-Funktion zwingend erforderlich. Diese sind zwischenzeitlich in allen hochwertigen Steuerungen integriert, doch ist ihre Funktionsweise oftmals sehr unterschiedlich.

Weil, wie bereits erwähnt, bei Mikrowerkstücken eine extrem hohe Konturtreue und Maßhaltigkeit gefordert ist, muss auch beim Einsatz der Look-ahead-Funktion sichergestellt sein, dass die hohe Bahngeschwindigkeit nicht zu Lasten der Konturgenauigkeit des Werkstückes geht. Die CNC iTNC 530 von Heidenhain wird diesen Anforderungen gerecht.

Serienproduktion mit Mikrozerspanung erfordert hochgenaue Spannsysteme

Durch die Abfrage eines Toleranzwertes für den zulässigen Konturfehler wird dem Bediener die Möglichkeit gegeben, auf einfache Weise die Maschine den unterschiedlichen Anforderungen der Schrupp- und Schlichtbearbeitung anzupassen. Eine sinnvolle Investition beim Aufbau einer Serienproduktion von miniaturisierten Werkstücken ist die Automatisierung des Werkstückwechsels (Bild 6).

Zwar können in vielen Fällen bereits durch Mehrfachaufspannungen mannlose Maschinenlaufzeiten erreicht werden, jedoch werden auch bei der Mikrozerspanung „Geisterschichten“ angestrebt. Die Voraussetzungen dafür sind Werkstückspannsysteme, deren Genauigkeit den hohen Anforderungen der Werkstücke entspricht.

Sehr hohe Aufmerksamkeit verdient der Schutz der Referenz- und Auflageflächen vor Verschmutzung bei der Bearbeitung beziehungsweise eine funktionssichere Reinigungsmethode während des Palettenwechsels. Nur wenn diese Punkte erfüllt sind, kann eine Werkstückwechselgenauigkeit bis unter 2 μm in der Praxis erreicht werden. Dieser Wert ist Voraussetzung, um bei nachfolgenden Bearbeitungen keine unliebsamen Überraschungen zu erleben.

Referenzsystem-Nullpunktlage regelmäßig kontrollieren

Doch auch die Nullpunktlage der Referenzsysteme sollte während des Produktionsprozesses regelmäßig und automatisch kontrolliert werden können. Dazu bieten sich 3D-Tastsysteme mit IR-Datenübermittlung an. So kann mit dem eingewechselten Nullpunktnormal regelmäßig kontrolliert und bei Abweichungen die Produktion unterbrochen werden. Erst das optimierte Zusammenspiel aller Komponenten ergibt ein funktionssicheres Produktionssystem.

Um die für den Anwender optimale Maschinenkonfiguration zusammenstellen zu können, sind die Maschinen von Primacon modular aufgebaut. So kann individuell auf die Bedürfnisse des Anwenders eingegangen und eine maßgeschneiderte Lösung gefunden werden, ohne sich alternative Wege zu verbauen. Denn die einzelnen Optionen sind nachrüstbar und bei Weiterentwicklungen wird auf Abwärtskompatibilität geachtet.MM

Erich Huber ist Geschäftsführer der Primacon Maschinenbau GmbH in 82380 Peißenberg

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