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Sicher, schnell und wirtschaftlich in Titan

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Sicher, schnell und wirtschaftlich in Titan

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Hochleistungszerspanung von Titan stellt hohe Anforderungen. Dies bedeutet immer eine Optimierung der gesamten Prozesskette, denn das schwächste Glied in der Kette bestimmt die Stabilität. Bei der ganzheitlichen Betrachtung muss der Kundennutzen – geringe Stückkosten – im Vordergrund stehen.

Autor: Uwe SpeetzenTechn. Leiter Makino Werkzeugmaschinen GmbH

Dank ihrer ausgezeichneten Korrisionsbeständigkeit und niedriger Dichte haben sich hochfeste Titanlegierungen im Chemie- und Apparatebau sowie in der Luft- und Raumfahrt bewährt. Zunehmend wird Titan für den Einsatz in anderen Industriezweigen, z. B. im Automobilbau und in der Medizintechnik in Betracht gezogen.
Als bevorzugter Leichtbauwerkstoff mit hoher gewichtsbezogener Festigkeit ist Titan im Flugzeugbau eingesetzt.
Das Praxisbeispiel der nachfolgenden Berichterstattung behandelt dieses Einsatzgebiet. Hochbeanspruchte Strukturteile im Flügel, im Fahrwerk oder in der Triebwerksaufhängung sind die Anwendungsfälle. Hier ist vor allem die Titanlegierung TiAl6V4 zu nennen.
Aufgrund ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften zählen Titanlegierungen zu den schwerzerspanbaren Werkstoffen.
Ihre geringe Wärmeleitfähigkeit, ihre ausgeprägte Neigung zur Aufbauschneidenbildung und Kaltverfestigung sowie abrasive Wirkung von Karbiden führen bei der spanenden Bearbeitung zu außerordentlich hohen mechanischen und thermischen Schneidbelastungen.
Die Bearbeitung stellt daher große Anforderungen an die Werkzeuge, Werkzeugmaschinen und die Prozessauslegung.
Benchmark-Test zur ganzheitlichen Betrachtung
Ein Kunde aus dem Flugzeugbau stellte die Anforderungen eines Testteiles zur Entscheidungsfindung seiner Investition. (Bild 2)
Die wesentlichen Kriterien in diesem Testteil waren die Volumenzerspanung, die 5-Achsen-Simultanbearbeitung in konventioneller Umrissbearbeitung und optimierte Hochleistungszerspanung (HPC) für das Schruppen.
Das Schlichten wurde in Umrissbearbeitung und im Flankenfräsen mittels „Schnellfräsen“ durchgeführt.
In Hinblick auf das reale Teilespektrum des Kunden wurde die Testbearbeitung mit allen relevanten Komponenten abgestimmt. Der Kunde hat im Wesentlichen komplexe Strukturteile zu fertigen, die als Endgeometrie dünnwandige Wand-, Boden- und Rippenstrukturen aufweisen. Die Ausgangsteile sind Titanplatten und -klötze. Der Zerspanungsgrad liegt bei bis zu 90 %. Mit zunehmender Optimierung, durch FEM-Simulation in der Konstruktion dieser Teile, entstehen Bauteilegeometrien, die eine 5-Achsen-Bearbeitung erforderlich machen. Die Lösungsansätze für die Gestaltung werkstoffgerechter Bearbeitungsverfahren sind vielfältig und umfassen neben dem Prozess selbst auch die Werkzeuge und die Maschine.
Ansätze zur Gestaltung werkstoffgerechterBearbeitungsverfahren
Bei der Titanbearbeitung kommen heute im konventionellen Verfahren vorwiegend Schaftfräser aus HSSE zum Einsatz.
Gängige Einstellungen der Technologie liegen bei vc = 16 m/min und fz = 0,06-0,12 mm. Mit diesen Werkzeugen erreicht man längste Standzeiten. Die Anwender dieser Technologie haben ebenfalls Untersuchungen zum Verschleißverhalten von Hartmetallwerkzeugen und beschichteten Werkzeugen durchgeführt. Beschichtete und Titankarbid/Tantalkarbid(TiC/TaC)-haltige Schneidstoffe sowie Cermets und kubisches Bornitrid sind absolut ungeeignet. Die Wolframkarbid(WC)-haltigen Sorten (K10/20) zeigen demgegenüber gute Eigenschaften und können empfohlen werden. Gängige Einstellungen liegen bei vc = 40-50 m/min und fz = 0,06-0,09 mm.
Eine wesentliche Steigerung des Zeitspanvolumens ist mit einem neuen innovativen Schaftfräser eines Schweizer Werkzeugherstellers zu erreichen. (Bild 4)
Das Werkzeug ist in gedrallter Ausführung und trägt in tangentialer Richtung ein verlaufendes Rundprofil. Diese neue Geometrieauslegung bei Hartmetallwerkzeugen entspricht der Forderung nach variierenden Span-, Frei- und Drallwinkeln.
Ähnliche Wellenprofile sind seit langem auf HSS-Werkzeugen bekannt und von uns auch mit gutem Erfolg im Einsatz, jedoch nicht in HM und in geschliffener Ausführung. Mit diesem innovativen Werkzeug ist eine echte Hochleistungszerspanung möglich, die ebenfalls zu einer signifikanten Standzeiterhöhung führt. Eine weitere Steigerung der Produktivität kann in der Wahl der Bearbeitungsstrategie erreicht werden.
In der 5-Achsen-Simultanbearbeitung ist mit dem Einsatz des CAM-Systems „Open Mind 5-Axis“ eine prozesssichere Programmiertechnologie für das Umrissfräsen verfügbar. Darüber hinaus ist eine Sonderfunktion möglich, die ein fünfachsiges Flankenfräsen von Regelflächen ermöglicht. Dieses Verfahren führt zu wesentlicher Prozesszeitverkürzung.
Die richtige Maschine bestimmt den Erfolg
Um das Teilespektrum des Kunden bearbeiten zu können, wurde als Maschine ein horizontales Bearbeitungszentrum der Größe A88 (630er Palette) gewählt. Die Maschine wird mit einer zusätzlichen C-Achse, die über einen – auf die Palette aufgebauten – Wendespanner gebildet wird. (Bild 5)
Die C-Achse auf dem Maschinentisch (B) und die drei Linearachsen ermöglichen der Maschine den Einsatz der 5-Achsen-Simultanbearbeitung. Die C-Achse wird über ein automatisches Kupplungssystem in der Maschine an Energien und Steuerleitungen angekoppelt. Mit dieser Funktion kann diese Ausführung auch an „Lineare Speicher- und Transportsysteme“ auf mehrere Maschinen verteilt angewendet werden. Im Regelbetrieb werden die Maschinen im 4-Achsen-Betrieb betrieben.
Die A88e hat die besondere Eignung für den Einsatz im Werkzeug- und Formenbau. Für die Titanbearbeitung ist ein vergleichbares Anforderungsprofil gefordert. Die Maschinenstruktur muss eine hohe statische und dynamische Gesamtsteifigkeit aufweisen. (Bild 3)
Zur Optimierung des Strukturverhaltens ist das Bett eigensteif und verfügt über eine Drei-Punkt-Aufstellung. Der Kraftfluss erfolgt auf dem kürzesten Weg, und die Führungen sind vorgespannte, groß dimensionierte Kugelführungen. Die Kugelgewindespindeln sind mit großem Durchmesser und geringer Steigung ausgeführt. Sie sind beidseitig gelagert, zugvorgespannt und temperaturstabilisiert.
Die Spindeleinheit für Titanzerspanung benötigt eine hohe Steifigkeit, die über einen großen Lagerdurchmesser von 110 mm gegeben ist. Die Spindel ist mit der Werkzeugaufnahme HSK-A100 ausgeführt. Ein hohes Drehmoment (420 Nm) ist von Wichtigkeit. Die max. Drehzahl von 12 000 min-1 ist auch für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Titan ausreichend. Die Antriebsleistung von 26 kW ist nicht gefordert. Die Maschine verfügt über eine intelligente Achsvorsteuerung, so dass eine hohe Konturgenauigkeit bei hoher Bahngeschwindigkeit erzeugt wird.
Aus dem Benchmark-Test und einem realen Praxisbeispiel ist zu erkennen, dass die Erhöhung der Schnittbedingungen zur enormen Produktivitätssteigerung führt. Bei der HSC-Bearbeitung ist die Reduzierung der Standzeit der Werkzeuge und somit steigender Werkzeugkosten in der Betrachtung der gesamten Fertigungskosten gering, so dass die Entscheidung zu hochwertigen Werkzeugen fällt, jedoch nur, wenn sichere Prozesse damit verbunden sind.
Makino Werkzeugmaschinen GmbHTel. 040/298 09-0, Fax 040/298 09-400www.makino.de
1. Konventionelle Bearbeitung im Umrissfräsen
  • a) Innere Fläche, 3D-Vorschruppen
  • b) Innere Tasche, 3D-Bodenschlichten
mit vc = 15 m/min, vf = 143 mm/min, durch HSSE
c) Vorschlichten 5 Achsen
d) Vorschlichten 5 Achsen mit vc = 40 m/min, vf = 191 mm/min, durch HM
Erreichte Oberflächengüte Rz = 6,3 µm
Bearbeitungszeit: 12,75 Stunden
a = 2,5 h, b = 0,25 h, c = 3 h, d = 7 h
2. Hochleistungs-Bearbeitung in Um-rissbearbeitung und Flankenfräsen
  • a) Innere Tasche, 3D-Vorschruppen, Umrissbearbeitung
  • b) Innere Tasche, 3D-Bodengeschlichtet, Umrissbearbeitung mit vc = 40 m/min, vf = 192 mm/min, durch HM
  • c) Schruppen 5-Achsen-Flankenfräsen vc = 40 m/min, vf = 192 mm/min, durch HM
  • d) Schlichten 5-Achsen-Flankenfräsen vc = 40 m/min, vf = 352 mm/min, durch HM
Erreichte Oberflächengüte Rz = 6,3 µm
Bearbeitungszeit: 5,68 Stunden
a = 1,3 h, b = 0,13 h, c = 1 h, d = 3,25 h
Ratio-Effekt, 54 % Zeitreduzierung zur konventionellen Bearbeitung
Als TOP-Story finden sich hier im Internet auch noch die Daten eines reales Praxisbeispiels des dargestellten Teiles
Flaptrack aus TiAl6V4, Bearbeitungszeit 5,5 h, Fertigung in HPC und HSC
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