Anlagen, Verfahren

Markus Kühni, Leiter Kundendienst, Blaser Swisslube AG

Markus Kühni, Leiter Kundendienst, Blaser Swisslube AG: „Durch die geschickte Wahl des Kühlschmierstoffes kann das Zeitspanvolumen verdoppelt werden“
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Der Werkstoff Titan gewinnt in den verschiedenen Industriesegmenten an Bedeutung – allen voran in der Luftfahrt. Mit dem für die Anwendung richtig eingesetzten Kühlschmierstoff kann bei der Titanzerspanung in punkto Produktivität ein großer Unterschied bewirkt werden. Worauf es dabei ankommt, erläutert Markus Kühni, Leiter Kundendienst Blaser Swisslube AG.

mav: Warum ist Titan für einen Kühlschmierstoffhersteller ein faszinierendes Material?

Kühni: Die Bearbeitung von Titan ist sehr anspruchsvoll. Es entsteht viel Wärme, welche sich schlecht ableiten lässt. Darum ist das Kühlen hier wichtiger als beim Zerspanen anderer Materialien. Wird nicht gekühlt, überträgt sich zu viel Wärme aufs Werkstück; man bekommt Schwierigkeiten mit der Maßgenauigkeit. Aber auch das Schmieren ist wichtig. Dank guter Schmierung entsteht von Anfang an weniger Hitze.
mav: Gibt es spezielle Anforderungen an die Zerspanung von Titan?
Kühni: Um Titan erfolgreich zu zerspanen, gibt es verschiedenste Herausforderungen zu meistern.
Titan hat eine dreimal schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Stahl und hat einen niedrigen Elastizitätsmodul sowie eine ausgeprägte Neigung zum Kleben. Die Wärme muss viel mehr über die Schneide und das Werkstück abgeführt werden, statt über die Späne wie bei anderen Materialien. Das Werkzeug ist daher einer starken thermischen Belastung ausgesetzt. Große Mengen Kühlschmierstoff mit guten Kühleigenschaften sind gefragt.
Der niedrige E-Modul bedeutet, dass das Material leicht zum „Federn“ neigt. Die Maschine muss daher besonders stabil sein, um zu verhindern, dass Schwingungen entstehen. Schließlich besteht durch die Klebeneigung das Risiko der Aufbauschneiden, und diese destabilisieren den Prozess zusätzlich. Ein Werkzeug mit Aufbauschneiden kann nicht mehr richtig schneiden und die Oberflächenqualität leidet.
Wichtig zu erwähnen ist auch, dass heute verschiedene Titanlegierungen zum Einsatz kommen. Immer mehr trifft man auf die neue Titanbasislegierung 5553 (Ti-5AI-5V-5MO-3CR). Diese Legierung, aus der Fahrwerke gefertigt werden, verschärft die vorhin genannten Herausforderungen zusätzlich. Wichtig ist die optimale Schnittgeschwindigkeit, aber: hohe Geschwindigkeit führt zu hohen Temperaturen an der Schneidkante. Die Schnittgeschwindigkeit kann genau aus diesem Grund nicht einfach beliebig erhöht werden. Wenn man mehr Volumen pro Zeiteinheit zerspanen will, dann über einen erhöhten Vorschub.
mav: Inwiefern beeinflusst der Kühlschmierstoff den Prozess und die Produktivität?
Kühni: In diesen anspruchsvollen Prozessen und Materialien lässt sich die Produktivitätssteigung durch den Kühlschmierstoff sehr gut messen. Hier wird der Qualitätsunterschied der Kühlschmierstoffe richtig gut und deutlich sichtbar. Zudem ist eine optimale Kühlschmiermittelzufuhr entscheidend für einen erfolgreichen Prozess. Der Kühlschmierstoff wird häufig in großer Menge und mit hohem Druck zugeführt. In der Regel wird mit Werkzeugen mit interner Kühlmittelzufuhr gearbeitet.
mav: Wo steht man in der Weiterentwicklung von Kühlschmierstoffen für die Titanzerspanung?
Kühni: Die Entwicklung ist rasant. Der Kühlschmierstoff muss an die veränderten Bedingungen angepasst werden. Große Titanteile bleiben unter Umständen zwei bis drei Tage aufgespannt, weil das Zerspanvolumen so groß ist. Durch die geschickte Wahl des Kühlschmierstoffes kann das Zeitspanvolumen verdoppelt werden (Menge Späne pro Zeiteinheit). So lassen sich viele Maschinenstunden sparen. Zu unseren chemischen, mikrobiologischen und analytischen Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen haben wir neu ein Technologiecenter inhouse eingerichtet. Diese Maschinen und das dort vorhandene Know-how sind für die Weiterentwicklung eine enorme Hilfe. Während der Entwicklungsphase können die Produkte direkt in der Maschine auf Herz und Nieren geprüft werden. Wir fräsen Bahnen von Titan (Ti6Al4V) und beurteilen anschließend den Verschleiß. Jedes Produkt wird über den Standweg im jeweiligen Material definiert.
Durch unsere intensiven Kontakte zu Kunden, Maschinen- und Werkzeugherstellern, aber auch zu technischen Hochschulen stehen wir mitten im Entwicklungsgeschehen und können aktiv daran teilnehmen.
mav: Wie wird den neuesten Technologien bei der Entwicklung Ihrer Produkte Rechnung getragen?
Kühni: Neue Werkstoffe, neueste Technologen und die steigende Leistungsfähigkeit der Maschinen stellen auch neue Anforderungen an die Kühlschmierstoffe. Ein Beispiel: Wenn wir von Hochleistungszerspanen sprechen, dann sind Drehzahlen von 30 000 Umdrehungen in der Minute heute normal. Unter solchen Bedingungen wirken extreme Fliehkräfte auf den Kühlschmierstoff-Tropfen. In vielen Anwendungen wird der Kühlschmierstoff durch das Werkzeug zugeführt, sogenannte Innenkühlung. Dies ist nur unter hohem Druck möglich. Auch eine Belastung für den Kühlschmierstoff. Generell stellen solche Anwendungen höchste Ansprüche an das Schaumverhalten eines Kühlschmierstoffes und bringen Emulsionen an ihre Belastungsgrenze.
mav: Was bedeutet die Innenzuführung mit hohem Druck für den Kühlschmierstoff konkret?
Kühni: Damit er problemlos durch die feinen Kanäle gelangt, muss er laufend filtriert werden. Zudem ist eine sehr gute Stabilität der Emulsion gefordert. Andernfalls beginnt das Öl sich vom Wasser zu trennen, und die Emulsion wird instabil. Schließlich darf durch die mechanische Belastung während der Zuführung kein Schaum entstehen, sonst reduziert sich die Kühl- und Schmierleistung dramatisch. Wird ohne Druck beflutet, kann sich wegen der Hitze über der Schneide eine Dampfblase bilden, dadurch gelangt nicht genügend Emulsion zur Schneide. Nur mit einer Innenzuführung gelangt der Kühlschmierstoff wirklich dorthin, wo er am meisten gebraucht wird, nämlich dort wo es heiß wird.
mav: Welche Drücke muss ein Kühlschmierstoff aushalten?
Kühni: Die Anwendungen werden immer weiterentwickelt, und darum steigen die gewünschten Drücke immer weiter an. In der ganzen Zuführung müssen aber auch andere Teile wie die Drehdurchführung auf diese hohen Drücke ausgelegt werden. Heute werden Drücke bis 150 bar gefordert.
mav: Welche Anforderungen gibt es sonst noch?
Kühni: Die Langzeitstabilität ist in diesen Anwendungen auch ein sehr wichtiges Thema. Durch die hohe Vernebelung und die starke Verdunstung kommt es in vielen Fällen zu einer schnellen Aufsalzung im Kühlschmierstoff. Salze aus dem Wasser reichern sich an. Der Kühlschmierstoff muss also stabil bleiben, auch wenn die Salzbelastung ansteigt. Durch die hohe Vernebelung steigt auch die Luftbelastung. Aus diesem Grund muss der Kühlschmierstoff gut verträglich sein und darf die Atemwege nicht reizen. Die wichtigste Anforderung ist und bleibt aber die gute Schmier- und Kühlleistung. Gerade beim teuren Titan mit den langen Bearbeitungszeiten kann der Kühlschmierstoff einen großen Unterschied ausmachen. Es lohnt sich, Kühlschmierstoffe einzusetzen, die vom Hersteller bereits für die Titanzerspanung getestet worden sind.
mav: Wie wichtig ist die Pflege des Kühlschmierstoffs bei der Titanzerspanung?
Kühni: Ein stabiler Hochleistungsprozess braucht einen gepflegten Kühlschmierstoff! Maschine, Werkzeug, Werkstück, Kühlschmierstoff und Mensch beeinflussen den Bearbeitungsprozess. Alles optimal aufeinander eingestellt – und es funktioniert reibungslos. Nur ein sauberer Kühlschmierstoff garantiert einen stabilen Prozess. Während der Bearbeitung gelangen Hydrauliköle, Abrieb, Späne, Reiniger, Beschichtungen, Schmutz, Gleitbahnöl in den Kühlschmierstoff. Durch gute Filtration und regelmäßige Wartung kann der Kühlschmierstoff die hohen Anforderungen über lange Zeit erfüllen.
Erfreulich für uns ist, dass von Anwenderseite mehr und mehr realisiert wird, welchen wichtigen Einfluss der Kühlschmierstoff auf ihre Produktivität hat.
„Ein stabiler Hochleistungsprozess braucht einen gepflegten Kühlschmierstoff“

Faszination Titanzerspanung
Bauteile aus Titan zeichnen sich durch hohe Festigkeit, geringes Gewicht und sehr gute Beständigkeit gegen Korrosion aus. Zudem ist der Schmelzpunkt extrem hoch – alles Kriterien, die in der Luftfahrt äußerst willkommen sind.
  • Die Schmelztemperatur ist ein wichtiger Parameter für Teile, die heißen Temperaturen ausgesetzt sind, den sogenannten „hot parts“. Bei Titan liegt die Schmelztemperatur mit 1660 °C deutlich höher als bei Stahl.
  • Die hohe Festigkeit bei relativ geringer Dichte ist wichtig für jene Teile, die sehr starken Belastungen ausgesetzt sind, zum Beispiel die Fahrwerke.
  • Titan bildet an der Luft eine äußerst beständige oxidische Schutzschicht, die es in den meisten Medien vor Korrosion schützt.
Hohes Zerspanvolumen
Nach Aussagen der Flugzeughersteller Boeing und Airbus liegt der Anteil Titan bei den heutigen Flugzeugen bei ca. 7 Prozent. Die neue Generation Passagierjets wird jedoch bereits zu 15 bis 20 Prozent aus Titan bestehen. Das Zerspanvolumen – unter Fachleuten spricht man vom „buy to fly ratio“ – ist dabei sehr hoch: Das Gewicht des fertigen Teils beträgt nur ca. 5 Prozent des Ausgangsmaterials. Das heißt, 95 Prozent des Materials sind Späne. Die Menge Ausgangsmaterial an Titan, die in Flugzeugen verbaut wird, kann man somit noch mit dem Faktor 20 multiplizieren. Titan wird oftmals auch als Strukturmaterial verwendet: Neue Flugzeuge brauchen vermehrt leichte Composite-Werkstoffe zur Reduktion des Eigengewichts. Diese Werkstoff-Teile werden durch das stabile Titan zusammengehalten. Um Titan erfolgreich zu zerspanen, gibt es verschiedenste Herausforderungen zu meistern: Titan hat eine dreimal schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Stahl und hat einen niedrigen Elastizitätsmodul sowie eine ausgeprägte Neigung zum Kleben. Die Wärme muss viel mehr über die Schneide und das Werkstück abgeführt werden, statt über die Späne wie bei anderen Materialien. Das Werkzeug ist daher einer starken thermischen Belastung ausgesetzt. Große Mengen Kühlschmierstoff mit guten Kühleigenschaften sind gefragt.
Stabile Maschinen gefordert
Der niedrige E-Modul von Titan bedeutet, dass das Material leicht zum „Federn“ neigt. Die Maschine muss daher besonders stabil sein, um zu verhindern, dass Schwingungen entstehen. Schließlich besteht durch die Klebeneigung das Risiko der Aufbauschneiden und diese destabilisieren den Prozess zusätzlich. Ein Werkzeug mit Aufbauschneiden kann nicht mehr richtig schneiden, und die Oberflächenqualität leidet. Wichtig zu erwähnen ist auch, dass heute verschiedene Titanlegierungen zum Einsatz kommen. Immer mehr trifft man auf die neue Titanbasislegierung 5553 (Ti-5AI-5V-5MO-3CR). Diese Legierung, aus der Fahrwerke gefertigt werden, verschärft die vorhin genannten Herausforderungen zusätzlich. Wichtig ist die optimale Schnittgeschwindigkeit, aber – hohe Geschwindigkeit führt zu hohen Temperaturen an der Schneidkante. Die Schnittgeschwindigkeit kann genau aus diesem Grund nicht einfach beliebig erhöht werden. Wenn man mehr Volumen pro Zeiteinheit zerspanen will (höheres Zeitspanvolumen), dann über einen erhöhten Vorschub.
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