Immer mehr Anwendungen erfordern spiegelnde oder hochglanzpolierte Oberflächen auf Stahl. Das gilt besonders auch für optische Komponenten. Sie benötigen Oberflächenqualitäten von Ra < 20 nm oder noch besser. Darüber hinaus benötigen Werkstücke im optischen Bereich zusätzlich eine sehr hohe Genauigkeit. Ein Beispiel dafür sind etwa Formen für Reflektoren. In solchen Fällen verbietet sich ein manuelles Polieren der gefrästen Oberflächen von selbst. Denn beim manuellen Polieren leidet zwangsläufig die Präzision. Dazu kommt, dass das manuelle Hochglanzpolieren zudem auch bei Werkstücken mit Oberflächengenauigkeit nur in der Größenordnung von 0,01 mm sehr zeitaufwendig und damit teuer ist. HSC-Spezialist Röders hat für die Erstellung von Glanzflächen die richtigen Maschinen im Portfolio – und nun auch mit den RFT-Werkzeugen die richtigen Tools.
Seit vielen Jahren arbeiten Experten schon an Verfahren, mit denen die Anwender höchste Oberflächenqualitäten und Glanzflächen in Stahl bereits auf der Maschine erreichen können. Bei Leichtmetallen ist das schon lange möglich – hier kommt Diamant als Schneidstoff zum Einsatz. In der konventionellen Fräsbearbeitung von Stahl jedoch verschleißt Diamant schon in kürzester Zeit.
Bislang war diese Art der Bearbeitung sehr teuer
Damit war eine Bearbeitung von Glanzflächen in Stahl mit Diamant bisher nicht möglich. Vereinzelt kamen Nickelbeschichtungen oder ultraschallgestützte Verfahren zum Einsatz – das waren indes relativ teure Lösungen für die Verschleißproblematik.
Im Fokus
Glanzflächen auf Röders-Maschinen
Über mehrere Jahre haben auch die Entwickler bei Röders an neuen Bearbeitungstechnologien zur Erstellung von Glanzflächen gearbeitet. Sie gehen den Weg, mit speziellen Werkzeugen und kleinen Zustellungen Stahl mit Diamant auf der Maschine zu bearbeiten. Dabei erreichen die Diamantwerkzeuge lange Standzeiten. Vor allem in der 3D-Bearbeitung von komplexen Formen mit kugelförmigen Werkzeugen erzielten die Experten hier Erfolge, etwa beim Fräsen von Freiformflächen. Damit kann der Anwender in einer wachsenden Zahl an Applikationen die erforderlichen hohen Oberflächenqualitäten auch in Stahl wirtschaftlich direkt auf der Maschine erzeugen.
Die Voraussetzung für die Erstellung von Glanzflächen direkt auf der Maschine ist allerdings zunächst eine sehr präzise Bearbeitungsmaschine. Die Endbearbeitung mit dem Diamantwerkzeug erfordert ein sehr präzises Aufmaß von wenigen µm auf dem Werkstück. Das muss also zuvor sichergestellt werden. Dabei muss der Anwender die engen Aufmaßtoleranzen an jeder Stelle der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche einhalten. Darüber hinaus wird eine sehr geometriestabile Maschine benötigt.
Glanzflächen erfordern höchste Präzision
Für die Glanzflächen muss der Anwender jegliche thermische oder anders verursachte Driften des Nullpunkts sicher verhindern. Und das sogar im einstelligen µm-Berreich. Denn sonst kann das Diamantwerkzeug nicht überall gleichmäßig und zudem in sehr geringem Ausmaß überall auf der Werkstückoberfläche abtragen. Schon eine leichte Verschiebung des Nullpunktes oder eine Varianz der Werkzeuglänge würde entweder das Diamantwerkzeug überlasten und schnell verschleißen. Oder das Tool kann aufgrund der sehr geringen Stärke beim Aufmaß nichts mehr vom Werkstück abnehmen.
Eine weitere Herausforderung: Der Anwender muss wegen der kugelförmigen Geometrie der Bearbeitungswerkzeuge, die für die komplexen Formen notwendig ist, die seitlichen Zustellungen sehr fein wählen. Nur so kann er spiegelnde Oberflächenqualitäten erreichen. Die seitlichen Zustellungen müssen also ebenfalls im Bereich nur weniger µm liegen. Das wiederum verursacht sehr umfangreiche Bearbeitungsprogramme zur Erstellung von Glanzflächen, die entsprechend lange Laufzeiten auf der Maschine benötigen.
Werkzeuge für Glanzflächen müssen mit unterschiedlichen Vorschüben umgehen können
Deshalb muss die Maschine für eine wirtschaftliche Bearbeitung von Glanzflächen in der Lage sein, die Bearbeitungsprogramme für die Endbearbeitung mit ausreichend Bearbeitungsvorschub abzuarbeiten. Dabei muss das Bearbeitungszentrum die für diesen Prozess notwendige hohe Präzision exakt einhalten. So etwas kann indes nur eine hochpräzise und gleichzeitig sehr dynamische Maschine. Darüber hinaus muss auch das Werkzeug für diese Bearbeitung ausgelegt sein. Es muss die geforderten hohen Oberflächenqualitäten gleichbleibend bei hohen und niedrigen Vorschüben erreichen können. Denn gerade bei bei komplexen Werkstückgeometrien kann der Anwender keinen konstanter Vorschub auf der Maschine fahren. Er muss den Vorschub vielmehr konturabhängig anpassen.
Deshalb hat Röders während der vergangenen Jahre eigene Diamantwerkzeuge für Glanzflächen entwickelt und optimiert. Eines der Ziele war, deutlich höhere Vorschübe beim Herstellen von Hochglanzoberflächen zu ermöglichen. Parallel dazu entwickelte Röders aber auch die Maschinentechnologie ständig weiter. Damit konnten die Experten sowohl die Vorschübe als auch den Ruck stetig weiter erhöhen, ohne dass die Oberflächenqualität vom Maschinenverhalten beeinträchtigt wird.
Bearbeitungszeiten lassen sich deutlich reduzieren
Im Ergebnis konnten sie die Bearbeitungszeiten mehr als deutlich verkürzen. So reduzierten die Spezialisten beispielsweise bei einer Reflektorform für Dioden die Gesamtbearbeitungszeit pro Kavität von 5 auf weniger als 2 h. Die erzielte Oberflächenqualität liegt bei Ra = 15 nm. Und die Experten sind sicher, dass das bei weitem noch nicht das Ende der Fahnenstange ist. Mit der künftigen intensiven und gezielten Weiterentwicklung von Bearbeitungsprozess und Maschinentechnologie erwarten sie weitere deutliche Verkürzungen der Bearbeitungszeiten schon in naher Zukunft. Teilweise werden bereits heute Ra-Werte von weniger als 10 nm erreicht.
In der Vergangenheit war die Herstellung derartig hoher Oberflächenqualitäten den Ultrapräzisionsmaschinen vorbehalten. Solche Maschinen verlangen zunächst einen hohen Invest bei ihrer Anschaffung. Zudem erfordert die Herstellung von Glanzflächen in der Größenordnung Ra = 10 nm auf diesen Maschinen sehr lange Einrichtezeiten. Damit wird eine Fertigung solcher Bauteile auf diesen Maschinen zeitintensiv, personalintensiv und teuer. Anders die Röders-Maschinen, die an sich typische Industriemaschinen sind – allerdings eben mit einer sehr hohen Präzision. Zudem kann der Anwender die Röders-Maschinen sehr einfach automatisieren. So kann er Werkstücke mit optischen Oberflächen auch in einer mannlosen Schicht oder gar über das Wochenende automatisch herstellen.
Wirtschaftlicher Einsatz von Röders-Maschinen
All das macht den Einsatz von Röders-Maschinen in der Fertigung spiegelnder Oberflächen direkt auf der Maschine besonders wirtschaftlich. Das spiegelt sich auch darin wider, dass der Anteil an Maschinen bei Röders, die für derartige Bearbeitungen von Glanzflächen verkauft werden, stetig steigt. Die drastische Leistungssteigerung gestaltet die Herstellung von immer größeren optischen oder Hochglanzoberflächen direkt auf der Maschine inzwischen in immer mehr Anwendungsfällen deutlich wirtschaftlicher als herkömmliche Verfahren.