Mit der richtigen Strategie zur erfolgreichen Titan-Zerspanung Titan – ein anspruchsvoller Werkstoff

Mit der richtigen Strategie zur erfolgreichen Titan-Zerspanung

Titan – ein anspruchsvoller Werkstoff

Aerospacekomponenten aus Titan. Bild: Horn
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Fast so leicht wie Aluminium, aber fester als Stahl, das sind die Eigenschaften, die man mit dem Werkstoff Titan verbindet. Das Metall ist ein teurer Werkstoff, etwa 30-mal teurer als hochwertige Stahllegierungen – 200-mal teurer als Rohstahl. Das ursprünglich fast ausschließlich in der Hochtechnologie eingesetzte Titan besetzt heute einen immer breiteren Anwendungshorizont. Aber der Werkstoff hat Tücken bei der Bearbeitung.

Titan ist kein seltenes Metall, es gehört zu den zehn häufigsten Elementen in der Erdkruste. Starke oxidische Bindungen mit Eisen, Calcium, Schwefel oder Barium erfordern allerdings aufwendige Herstellungsprozesse – das macht den Werkstoff so teuer. Der Schmelzpunkt des Metalls liegt bei 1677 °C. Titan ist nicht magnetisch und ein guter elektrischer Leiter, aber ein sehr schlechter Wärmeleiter mit geringer thermischer Ausdehnung. Seine Festigkeitseigenschaften liegen im Bereich von vergüteten Stählen. Je nach Legierung besitzen Titanwerkstoffe Zugfestigkeiten zwischen 300 bis 1150 N/mm2, diese können durch Schmiedeprozesse noch erhöht werden.

Eine Oxidschicht passiviert das Metall und verleiht ihm eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Medien wie chlorhaltigen Gasen, Meerwasser, Alkalilaugen, Alkohol und kalten Säuren. Vor 20 Jahren wurden weltweit etwa 60 000 Tonnen metallisches Titan verarbeitet, vor 10 Jahren waren es schon 143 000 Tonnen und heute schätzt man die Verbrauchsmenge auf knapp 300 000 Tonnen. Wachstumstreiber mit einem Zuwachs von fünf beziehungsweise zehn Prozent jährlich sind dabei Westeuropa und vor allem China.
Die Tücken der Titan-Zerspanung
Verglichen mit Stahl ist bei der Verarbeitung von Titan manches anders. Bei der spanenden Fertigung, zum Beispiel beim Drehen oder Fräsen von Titan, kann die Neigung zur Kaltverfestigung hinderlich wirken. Wenn nämlich die Reibung an der Schneide zu groß wird, kann die einsetzende Kaltverfestigung dazu führen, dass das Werkzeug schnell stumpf wird. Beim Drehen und Fräsen von Titan sind scharfe Werkzeuge, die richtigen Schnittparameter und die ideale Spanbildung wichtige Parameter. Auch die Härte der Werkzeuge sowie die Hitzebeständigkeit ihrer Beschichtungen muss der Härte des Werkstoffs angemessen sein. Erschwerend wirkt sich auf die Titan-Bearbeitung auch die Kombination seiner Eigenschaften wie Elastizität (Duktilität) und Zugfestigkeit aus.
Zur Bearbeitung von Titanwerkstoffen wie dem in der Luftfahrt verbreiteten Ti6Al4V hat Horn eine überzeugende Palette von speziellen Werkzeugen entwickelt, die mit scharfen Schneiden, positivem Spanwinkel, großem Freiwinkel und polierten Schneiden den wichtigsten Problemen der Titanbearbeitung entgegenwirken. Speziell zur Titanbearbeitung in der Luft- und Raumfahrt und für die Medizintechnik entwickelte der Werkzeughersteller für seine VHM-Fräser die Schneidstoffsorte TSTK mit guten tribologischen Eigenschaften, hoher Temperaturbeständigkeit und geringer Wärmeeinleitung ins Substrat – ein Hitzeschild sozusagen.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt, der bei der Entwicklung der VHM-Schaftfräser zu berücksichtigen war: Die Schaftfräser erhielten unterschiedliche Drallwinkel und unterschiedliche Teilung. Das führt zu weichem ruhigen Schnitt und vermeidet Vibrationen. Das Titan-Programm umfasst eine neue Fräserlinie von VHM-Fräsern mit Durchmessern von 2 bis 20 mm als Vier- und Fünfschneider in den Ausführungen mit 2 x D und 3 x D.
Für Titan eignen sich bei großen Strukturteilen die Hochvorschubfräser des Systems DAH 25, 37 und 62. Bei geschmiedeten Titanelementen bewähren sich die Aufsteckfräser des Systems DAH, die auch gut geeignet sind, andere Aerospace-Werkstoffe wie Hastelloy, Inconel oder Astroloy zu bearbeiten. Für die drehende Bearbeitung von Titan empfiehlt Horn Werkzeuglösungen, die für die Zerspanung von rostfreien Werkstoffen entwickelt wurden: hoch temperaturbeständig, scharf, in den Sorten EG3 oder HP6 mit sehr guten tribologischen Eigenschaften. Bei allen Bearbeitungsarten ist hohe und gezielte Kühlmittelzufuhr unabdingbar. ■
Paul Horn GmbHwww.phorn.de
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