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Erzeugung definierter Oberflächen- strukturen durch simulationsbasierte Prozess- und Werkzeugauslegung für das Fräsen von Freiformflächen (SFB/TRR 73 TP B3)

Das Fräsen von Formwerkzeugen sowohl für die Blech- als auch für die Massivumformung hat sich durch die Ent­wick­lung besserer Ma­schi­nen, Werk­zeuge und Schneidstoffe gegenüber dem al­ter­na­ti­ven Ver­fah­ren des Erodierens als vorteilhaft weitgehend durchgesetzt. Neben der kürzeren Hauptzeit und der wesentlich besseren Oberflächenqualität steht die Flexibilität des Fräspro­zesses im Vordergrund. So kön­nen bereits gefertigte Formen relativ einfach verändert oder nachgesetzt wer­den. Gerade bei einer geringen Stückzahl zu fertigender Formwerkzeuge ist das Fräsen ein sehr effizienter Prozess. Dieses Teilprojekt be­schäf­tigt sich mit der Erstellung der Formwerkzeuge für die im SFB/TRR 73 zu erforschenden Blech­massiv­um­formung. Durch die komplexen Wirkzusammenhänge zwischen Werkzeugform, Werkstoffverhalten und Ober­flächenbeschaffenheit kommt der Herstellung von prozessfähigen Form­werkzeugen eine besondere Be­deu­tung zu. Neben der eigentlichen geo­metrischen Form des Werkzeugs und der dy­na­misch­en Prozesskräfte soll der Materialfluss wäh­rend des Umformprozesses durch eine gezielte Oberflächen­strukturierung auf dem Formwerkzeug gesteuert und optimiert wer­den.

Das Aufbringen von Strukturen auf Umformwerkzeuge wird bislang mit unter­schiedlichen Methoden geometrisch bestimmt oder unbestimmt als zusätzlicher Bearbeitungsschritt durch­ge­führt. Das Fräsen erzeugt aber durch den unter­brochenen Schnitt, den diskreten Bahnabstand und den eingestellten Zahn­vorschub von sich aus bereits eine Oberflächenstruktur. Eine in diesem Projekt qua­li­fi­zier­te Simulationsumgebung kann Oberflächen, die beim Fräsen entstehen, vor­her­sa­gen. So ist es mög­lich, die Parameter der NC-Programme für das Fräsen von Umformwerkzeugen so einzustellen, dass in tribologischer Hinsicht günstige Strukturen auf dem Umformwerkzeug erzeugt wer­den. Auf diese Weise wird abhängig von der Ausprägung der Strukturierung der Stoff­fluss des Werkstoffs bei der Umformung gebremst oder beschleunigt. Weiterhin kann so einer unzureichenden Formfüllung von Nebenform- und Funktions­elementen oder auch ei­nem Untermaß des umgeformten Bauteils entgegen­gewirkt wer­den.

Der Ein­satz des Hochvorschubfräsens er­mög­licht ein breiteres Spektrum an Strukturen, wodurch diese auch für das Fräsen von Freiformflächen erschlos­sen wer­den kön­nen. Zum Ein­satz kom­men dabei konventionelle Hochvorschub­fräser unterschiedlicher Ausführungen.

Durch hohen Zahnvorschübe und die besondere Gestalt der Fräswerkzeuge ent­steht bei der Bearbeitung mit diesen Werkzeugen immer eine strukturierte Oberfläche (Abb.). Die geeignete Auslegung der Fräswerkzeuge sowie die Auswirkung des Einsatzverhaltens von struk­tu­rier­ten Oberflächen auf Umform­werkzeuge ist aktueller Bestandteil der Forschungen.

Konfokalmikroskopische Aufnahme einer mit Hochvorschubfräsen strukturierten Oberfläche mit hohem Anteil von geschlossenen Leerflächen (αclim = 25 %) für einen Umformstempel © ISF
Konfokalmikroskopische Auf­nah­me einer mit Hochvorschubfräsen struk­tu­rier­ten Ober-fläche mit hohem Anteil von geschlossenen Leerflächen (αclim = 25 %) für einen Umformstempel

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