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Titanbearbeitung im großen Stil

: WFL


In der Schwerzerspanung bestehen besondere Anforderungen an Maschine und Bearbeitungsprozesse. Hat man es gleichzeitig mit einem schwer zerspanbaren Werkstoff wie Titan zu tun, benötigt es schon besonderes Know-how um diese Anforderungen zu bewältigen. Mit einer Bearbeitungslösung für Fahrwerksteile von Flugzeugen konnte die WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG ihre Kompetenz in diesem Bereich unterstreichen. Autor: Georg Schöpf / x-technik

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Als weltweit einziges Unternehmen konzentriert sich WFL ausschließlich auf die Herstellung multifunktionaler Dreh-Bohr-Fräszentren und bietet seine Kunden darüber hinaus auch komplette Fertigungslösungen. Neben den Maschinen liefert man die erforderlichen Softwarelösungen mit angepassten Bearbeitungsstrategien, Prozessauslegung und Programmierung.

Als weltweit einziges Unternehmen konzentriert sich WFL ausschließlich auf...

Der österreichische Werkzeugmaschinenbauer WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG ist ein führender Anbieter auf dem Gebiet der Komplettbearbeitung mechanischer Komponenten. Als weltweit einziges Unternehmen konzentriert sich WFL jedoch ausschließlich auf die Herstellung multifunktionaler Dreh-Bohr-Fräszentren und bietet seine Kunden darüber hinaus auch komplette Fertigungslösungen. Neben den Maschinen liefert man die erforderlichen Softwarelösungen mit angepassten Bearbeitungsstrategien, Prozessauslegung und Programmierung.

Ein wichtiges Marktsegment stellt für WFL die Luftfahrtindustrie dar. „In diesem Industriezweig setzen sich immer mehr Materialien durch, die als schwer zerspanbar gelten“, erklärt Reinhard Koll, Leiter Anwendungstechnik bei WFL. „Insbesondere die Titanbearbeitung ist ein Feld, in dem wir mit unserem gewachsenen Know-how punkten können“, ergänzt er und weist damit auf ein wesentliches Kompetenzmerkmal von WFL hin.

Werkstoff mit besonderen Eigenschaften

Titan stellte in der Zerspanung schon immer besondere Anforderungen an Werkzeuge und Maschinen. Bei den Leichtbaustoffen hat sich in den vergangenen Jahren Titan 3.7165 als Werkstoff mit hervorragenden Eigenschaften vor allem in der Luft- und Raumfahrtfahrtindustrie, aber auch im medizinischen Bereich durchgesetzt. Es ist eine der meistverwendeten Titanlegierungen, die 6 % Aluminium und 4 % Vanadium enthält. Diese Legierung, gewöhnlich als Ti6Al4V bezeichnet, weist eine sehr gute Kombination aus Widerstandskraft, Korrosionsbeständigkeit und Beanspruchbarkeit auf. Obwohl für diesen Werkstoff mittlerweilen gute Erfahrungswerte und Schnittdaten
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Der Vorteil einer eigenen Spindelentwicklung wie bei WFL wird auch an der Kühlmittelzuführung deutlich. So kann der Kühlschmierstoff mit einem Druck von bis zu 200 bar durch die Frässpindel direkt an die Schneide zugeführt werden. Dadurch ist ein schneller und kontinuierlicher Spanabtransport gewährleistet.

Der Vorteil einer eigenen Spindelentwicklung wie bei WFL wird auch an der Kühlmittelzuführung...

vorliegen zählt die Bearbeitung aber immer noch zu den Königsdisziplinen in der Zerspanung.

Für spezielle Anwendungen werden aber immer neue Titanlegierungen, oftmals sogar aufgrund dezidierter Kundenanforderungen, entwickelt. So gilt Titan 5553 (Ti5Al5V5Mo3Cr) von VSMPO (Anm.: Das russische Unternehmen ist der weltweit größte Hersteller von Titanwerkstoffen) zum Beispiel als der Wunschwerkstoff für die Fahrwerksproduktion in der Luftfahrtindustrie. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch weiter verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit aus. Auch ist er unempfindlicher gegen Gefügeveränderungen bei Erwärmung. Allerdings zählt dieser Werkstoff in der Zerspanung zu den wirklichen Titanen, um die griechische Mythologie zu bemühen aus der dieser Werkstoff schließlich seinen Namen hat.

Ti 5553 zählt derzeit wohl zu den am schwersten zu bearbeitenden Werkstoffen, die auf dem Markt verfügbar sind. Bei seiner Bearbeitung sollte eine Schnittgeschwindigkeit von 45 m/min nicht überschritten werden, da bei Schnittgeschwindigkeiten von bereits 60 m/min Scherspannungen von bis zu 2.780 N/mm² entstehen.

Problemstellungen wie Punktwärme durch schlechte Wärmeleitung und eine damit verbundene chemische Veränderungen im Werkstoff (Verspröden bei höheren Temperaturen), sowie die Bildung von Aufbauschneiden treten bei diesem Werkstoff in wesentlich höherem Maße auf, als bei anderen Titanlegierungen. Darum muss bei Ti 5553 besonders darauf geachtet werden, dass Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Eindringtiefe genau aufeinander abgestimmt werden. Der Einsatz geeigneter Kühl-Schmiermittel ist dabei ebenso wichtig wie die richtige Kühlstrategie. Ein schneller und kontinuierlicher Spanabtransport ist zu gewährleisten, denn die Wärmeableitung
erfolgt zu einem weit größeren Maß über das Werkzeug. Eine weitere Herausforderung bei diesem Werkstoff ist das Entfernen der Schmiedehaut, von Experten „Elefantenhaut“ genannt. Diese Haut weist durch den vorgeschalteten Schmiedeprozess und den dabei entstehende thermischen und metallurgischen Einflüssen eine sehr hohe Randhärte auf.

Durch den geringen Elastizitätsmodul neigt Titan dazu, dem Druck des Werkzeugs auszuweichen und mit der Schneide zu verschweißen. Die Bearbeitung sollte daher wie bereits erwähnt unter geringer Schnittgeschwindigkeit, aber relativ großem und gleichmäßigem Vorschub erfolgen. Auf schwingungsfrei eingespannte, scharfe Werkzeuge ist in jedem Falle zu achten. Als Schneidstoff kommen hochkobalthaltige Schnellarbeitsstähle, Hartmetalle oder Stellite in Frage.

Und so geht´s

Beim Schrupp- bzw. Vordrehen sollte der Spanwinkel bei Hartmetallwerkzeugen zwischen -6° und +6° und beim Fertigdrehen zwischen 0° und 15° liegen. Der Freiwinkel sollte dabei immer rund 7° betragen. Der Neigungswinkel sollte bei Hartmetall -4° und bei Schnellarbeitsstählen 0° bis 5° sein.

Da Titan dazu neigt, mit dem Werkzeug zu verschweißen, ist beim Fräsen das Gleichlauffräsen dem Gegenlauffräsen vorzuziehen. Der kommaförmige Span wird dadurch an der dünnsten Stelle abgetrennt und Beschädigungen des Fräsers werden reduziert. Der Spanwinkel der Fräser sollte bei Schnellarbeitsstählen 0° bis 10° und bei Hartmetallen und Stellite 0° betragen, bei einem Freiwinkel von 12°.

Speziell beim Schleifen treten die besonderen Werkstoffeigenschaften des Titans zu Tage. Durch den relativ hohen Reibungskoeffizienten entstehen beim Schleifen hohe Temperaturen, die chemische Reaktionen zwischen dem Metall und dem Schleifkorn zur Folge haben und zum Verbrennen und Verschmieren
der Werkstückoberfläche führen. Die Schleifkörner werden durch örtliche Überhitzung verhältnismäßig schnell stumpf und rutschen dann nur noch über die Oberfläche. Selbst wenn die geschliffene Oberfläche nicht sichtbar verbrannt ist, können Oberflächenspannungen vorliegen, die zu Schleifrissen führen und die Dauerfestigkeit beeinträchtigen.

Als Kühlmittel werden in der Regel Lösungen auf Wasserbasis verwendet. Hier kommen wässrige Lösungen von Natriumnitrid oder wässrige Lösungen von wasserlöslichem Öl zum Einsatz. Aber auch geschwefeltes oder chloriertes Öl kann bei Temperaturen unter 200° C eingesetzt werden (in diesem Falle ist das Werkstück aber nach dem Zerspanen zu reinigen).

Erfahrung ist entscheidend

All dies zeigt, dass bei der Bearbeitung von Titan viel Erfahrung in Auswahl und Einsatz der verwendeten Werkzeuge, als auch der Bearbeitungsstrategien erforderlich ist.

In einem konkreten Projekt von WFL geht es um die Bearbeitung von Fahrwerksteilen für Verkehrsflugzeuge. In solchen Fällen ist es üblich, von den Lieferanten der Bearbeitungsmaschinen eine Konzeptstudie abzuverlangen, welche die wesentlichen Bearbeitungsschritte beinhaltet. Die Rohlinge für die Bauteile sind im Regelfall Schmiedeteile mit großen Abmessungen und damit sehr kostenintensiv.

Schon in der Konzeptphase muss gezeigt werden, dass in der Fertigung auf kritische Aspekte der Bearbeitung eingegangen werden kann. So ist beispielsweise zu berücksichtigen, dass unterschiedliche Materialdicken im Werkstückrohling angepasste Bearbeitungsstrategien erfordern. Wärmeeinflusszonen sind dabei ebenso zu berücksichtigen wie die auftretenden Schnittkräfte. Diese liegen in der „Elefantenhaut“
immerhin rund 70 bis 80 % über denen von gehärtetem Stahl.

„Schwer zerspanbare Materialien wie Titan haben die Entwicklung der WFL-Maschinen mitgeprägt. Genau für diese anspruchsvollen Anwendungsfälle liefern wir individuelle Lösungen, die neben der eigentlichen Maschine auch Themen wie Kühlung und Fertigungsstrategie beinhalten“, schildert Dieter Schatzl, Marketing Manager bei WFL eine der Kernkompetenzen des Linzer Maschinenbauers. „Wir sind in der Lage die MILLTURNs genau an die Anforderungen unserer Kunden anzupassen – so zum Beispiel der Notrückzug, der im Falle eines Stromausfalles das Werkzeug sofort vom Werkstück zurückzieht und damit eine Beschädigung des Werkstücks verhindert“, ergänzt Koll.

Stimmiges Gesamtkonzept

Bei WFL achtet man besonders darauf, die Kundenanforderungen so umzusetzen, dass sie integrativer Bestandteil des Gesamtkonzeptes werden. Beispielsweise ist man in der Lage, durch ein spezielles Design bei Führungen und Spindeln auf die besonderen Anforderungen in den Kundenprojekten zu reagieren und die Maschinenbauteile an die jeweiligen Belastungsfälle anzupassen. Gerade in der Titanbearbeitung ist das Thema Kühlung besonders wichtig. Da Titan bei Temperaturen über 880° C brennt, ist auch ein entsprechender Brand- und Explosionsschutz zu gewährleisten. Der Vorteil einer eigenen Spindelentwicklung wird auch an der Kühlmittelzuführung deutlich. So kann der Kühlschmierstoff mit einem Druck von bis zu 200 bar durch die Frässpindel direkt an die Schneide zugeführt werden.

Hinzu kommt, dass es mit den Komplettbearbeitungsmaschinen von WFL möglich ist, die Werkstücke auch innerhalb des Bearbeitungsprozesses in der Maschine zu vermessen. „Der Kunde möchte eine prozesssichere Maschine. Dazu gehört auch eine Unterstützung bei der Werkzeugauswahl aber vor allem bei der Bearbeitungsstrategie, denn bei diesen Werkstückgrößen ist schon ein einziges Ausschussstück
ein enormer wirtschaftlicher Verlust“, verdeutlicht Dieter Schatzl abschließend die hohen Kundenanforderungen.

Mit Lösungskonzepten für die Schwerzerspanung hat sich WFL weltweit einen Namen gemacht. Dass dies auch mit schwer zerspanbaren Werkstoffen machbar ist, hat das Unternehmen mit Bearbeitungs-Know-how in der Titanbearbeitung bewiesen. Und mit Zerspanungsprozessen für das heikle Ti 5553 kann WFL Millturn Technologies ihre Rolle als Kompetenzträger in der Titanzerspanung vollends unterstreichen.

Als weltweit einziges Unternehmen konzentriert sich WFL ausschließlich auf die Herstellung multifunktionaler Dreh-Bohr-Fräszentren und bietet seine Kunden darüber hinaus auch komplette Fertigungslösungen. Neben den Maschinen liefert man die erforderlichen Softwarelösungen mit angepassten Bearbeitungsstrategien, Prozessauslegung und Programmierung.
Der Vorteil einer eigenen Spindelentwicklung wie bei WFL wird auch an der Kühlmittelzuführung deutlich. So kann der Kühlschmierstoff mit einem Druck von bis zu 200 bar durch die Frässpindel direkt an die Schneide zugeführt werden. Dadurch ist ein schneller und kontinuierlicher Spanabtransport gewährleistet.



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