Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Optimierte Werkzeuge stellen Schlüssel für wirtschaftlichere Bearbeitung dar

18.06.2008
In neuen Flugzeugen wird immer mehr Titan eingesetzt, denn dieser Werkstoff verbindet eine hohe spezifische Festigkeit mit einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit. Der weiten Verbreitung dieses Werkstoffs stehen aktuell noch sehr geringe Zeitspanvolumina entgegen. Durch eine gezielte Auslegung der Werkzeuggeometrie konnte am IFW in Hannover das Zeitspanvolumen um mehr als 300% gesteigert werden.

Der Anteil von Titan am Strukturgewicht wird in den Flugzeugen der nächsten Generation, wie der Boeing 787 oder dem Airbus A350 XWB, mehr als 15% des Konstruktionsgewichts betragen und damit etwa doppelt so viel wie bei aktuellen Flugzeuggenerationen.

Der Hauptgrund für diese Entwicklung liegt in der zunehmenden Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). So führt CFK beispielsweise in Verbindung mit Aluminiumlegierungen durch den elektrochemischen Potenzialunterschied zu Korrosion.

Eine Kombination von CFK und Titan reduziert hingegen diese Potenzialdifferenz auf ein Fünftel. Aufgrund seiner Materialeigenschaften, wie der hohen spezifischen Festigkeit und geringen thermischen Leitfähigkeit, eignet sich Titan hervorragend für den Einsatz in der Luftfahrt.

Der Einsatz großer Strukturbauteile aus Titan ist derzeit in Planung und stellt eine neue Herausforderung für die Zerspanung dar. Ein Beispiel hierfür ist der obere Flügelgurt des Boeing 787 Dreamliner, der eine Zerspanrate von rund 95% aufweist.

Zeitspanvolumen bei Titan blieb bisher niedrig

Außer den hohen Kosten des Rohmaterials führt das geringe erreichbare Zeitspanvolumen in Titan zu langen Bearbeitungszeiten und damit zu hohen Bauteilkosten. Während durch Fortschritte bei der Aluminiumzerspanung beispielsweise das Zeitspanvolumen in der Zeit von 1996 bis 2006 mehr als verdreifacht werden konnte – von rund 2000 auf rund 7000 cm3/min – blieb das Zeitspanvolumen bei der Titanzerspanung bei etwa 50 cm3/min auf einem konstant niedrigen Niveau. Der verstärkte Einsatz dieses Materials im Flugzeugbau erfordert daher auch eine deutliche Steigerung des Zeitspanvolumens.

Für das Schruppfräsen von Titan werden oft Fräswerkzeuge aus HSS (High Speed Steel) verwendet, die aufgrund ihrer hohen Elastizität große Zahnvorschübe ermöglichen. Diese Werkzeuge lassen sich jedoch wegen der geringen thermischen Belastbarkeit nur bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten einsetzen.

Hartmetallwerkzeuge ermöglichen zwar höhere Schnittgeschwindigkeiten, allerdings werden heute noch immer Werkzeuggeometrien verwendet, die für die Bearbeitung von Aluminium ausgelegt sind. Bisher gibt es keine Werkzeuggeometrie, die speziell für das Hochleistungsfräsen von Titan konzipiert wurde. Im Allgemeinen werden für diesen Prozess scharfkantige Schneiden mit großen Freiwinkeln gewählt.

Vor diesem Hintergrund besteht eine Möglichkeit, das Zeitspanvolumen durch die Entwicklung optimierter Werkzeuggeometrien zu steigern. Hierzu bearbeitet das IFW aktuell das Projekt „Steigerung des Zeitspanvolumens beim Fräsen von Titan durch Werkzeugentwicklung“, welches durch die Stiftung Industrieforschung gefördert und durch zahlreiche Unternehmen aus der Luftfahrt- und Werkzeugindustrie unterstützt wird.

Forschungsprojekt soll Werkzeuggeometrien für Titanzerspanung entwickeln

Ziel dieses Projektes ist es, das Zeitspanvolumen im Schaftfräsprozess mit Vollhartmetallwerkzeugen durch die Entwicklung titanspezifischer Fräsermakro- und -mikrogeometrien mindestens um 100% zu steigern. Im Bereich der Fräsermakrogeometrie werden Untersuchungen hinsichtlich des Span- und Freiwinkels sowie des Drallwinkels, des Eckenradius und auch einer Ungleichteilung der Schneiden am Fräserumfang durchgeführt. In Bezug auf die Fräsermikrogeometrie werden Variationen von Schneidkantenverrundungen und Stützfasen betrachtet.

Der limitierende Faktor bei der Erhöhung des Zeitspanvolumens beim Fräsen von Titan ist der hohe Werkzeugverschleiß. Daher werden hier zunächst systematische Untersuchungen des Einflusses der Geometrieattribute Span- und Freiwinkel auf die Werkzeugstandzeit vorgestellt.

Kleine Spanwinkel führen zu einem hohen Verschleiß

Die Untersuchungen zum Einfluss des Span- und Freiwinkels auf den Werkzeugverschleiß wurden mit unbeschichteten Wendeschneidplatten in einem Fräsmesserkopf mit einer eingesetzten Schneide durchgeführt. Bei konventionellen Schnittparametern (vc = 45 m/min, fz = 0,03 mm) ist der Einfluss der Schneidkeilgeometrie auf den Werkzeugverschleiß vernachlässigbar. Alle Werkzeugvarianten zeigten einen geringen Freiflächenverschleiß.

Der maximale Verschleiß betrug VB = 30 µm nach einem Zerspanvolumen von Vw = 470 cm3. Die Variation des Spanwinkels γ bei einer höheren Schnittgeschwindigkeit von vc = 75 m/min zeigte dann, dass größere Spanwinkel zu einer Standzeiterhöhung des Werkzeuges führen.

Bei kleineren Spanwinkeln entstehen aufgrund der hohen mechanischen Belastung Ausbrüche an den Schneidkanten. Diese Ausbrüche erzeugen ein vorzeitiges Werkzeugversagen. Bei größeren Spanwinkeln von γ = 14° und γ = 20° verläuft der Verschleiß deutlich langsamer. Das Werkzeug mit γ = 20° zeigte ebenfalls kleine Ausbrüche an den Schneidkanten aufgrund des geringen Keilwinkels von β = 58°.

Positive Spanwinkel führen auf der einen Seite zu niedrigen Prozesskräften und damit einer geringen mechanischen Belastung der Schneide. Auf der anderen Seite resultieren daraus kleine Keilwinkel, die eine mechanisch instabile Schneide zur Folge haben.

Darüber hinaus kann insbesondere bei hohen Schnittgeschwindigkeiten die entstehende Prozesswärme nicht ausreichend von der Schneidkante abgeführt werden und das Werkzeug wird thermisch hoch belastet. Die Werkzeuge mit einem Spanwinkel von γ = 14° zeigen den besten Kompromiss aus niedrigen Prozesskräften bei ausreichender Stabilität der Schneidkante und ermöglichen so das günstigste Verschleißverhalten.

Bestes Verschleißverhalten bei niedrigem Freiwinkel

Außer dem Spanwinkel ist der Freiwinkel α eine entscheidende Größe der Werkzeugmakrogeometrie. Bei der Fräsbearbeitung von Titan mit konventionellen Schnittparametern (vc = 45 m/min) zeigt sich bei allen untersuchten Freiwinkeln eine geringe Verschleißmarkenbreite, die hauptsächlich durch abrasiven Verschleiß und Mikroausbrüche dominiert wird.

Das Werkzeug mit dem niedrigen Freiwinkel von α = 6° zeigt hierbei das günstigste Verschleißverhalten. Dies widerspricht der weitverbreiteten Annahme, dass der Freiwinkel bei der Bearbeitung von Titanlegierungen relativ groß sein muss. REM-Untersuchungen der verschlissenen Schneide zeigen geringe Adhäsionen an der Schneidkante, die jedoch auf die Bereiche der Ausbrüche beschränkt sind. Im Allgemeinen führen sie nicht zu einem frühzeitigen Werkzeugversagen.

Wird jedoch die Schnittgeschwindigkeit auf vc = 75 m/min erhöht, versagen die Werkzeuge mit den großen Freiwinkeln von α = 15° und α = 18° bereits nach einem geringen Zerspanvolumen aufgrund von Schneidkantenausbrüchen. Lediglich das Werkzeug mit dem Freiwinkel von α = 6° zeigt einen konstanten, niedrigen Verschleiß. Diese Größe für den Freiwinkel ist deutlich geringer als die für die Aluminiumbearbeitung üblichen Freiwinkel von α = 12 bis 14°.

Spezielle Geometrie verringert Verschleiß

Die Auslegung der Werkzeuggeometrie speziell für die Fräsbearbeitung von Titanlegierungen führt zu einer deutlichen Reduktion des Werkzeugverschleißes. Kleine Freiwinkel in Kombination mit relativ großen Spanwinkeln ermöglichen einen geringen Werkzeugverschleiß beim Nutenfräsen von TiAl6V4. Große Freiwinkel, wie sie bei Werkzeugen für die Aluminiumbearbeitung zum Einsatz kommen, führen hingegen frühzeitig zu Ausbrüchen an der Schneidkante.

Wird der Spanwinkel zu hoch gewählt, steigen die Prozesskräfte und damit die mechanische Belastung des Werkzeuges deutlich an und führen ebenso zu Schneidkantenausbrüchen. Bei der Auslegung von Werkzeugen für die Titanbearbeitung ist daher auf eine hohe Stabilität der Schneidkante zu achten.

Aufgrund des verbesserten Verschleißverhaltens lassen sich die Werkzeuge sowohl bei erhöhten Schnittgeschwindigkeiten als auch bei erhöhten Zahnvorschüben einsetzen und erreichen trotzdem Zerspanvolumina von Vw > 400 cm3. Dieses Ergebnis ermöglicht einen signifikanten Anstieg des Zeitspanvolumens und damit der Prozessproduktivität.

Neuer Vollhartmetall-Schaftfräser erhöht Zeitspanvolumen deutlich

Die Ergebnisse der hier gezeigten Untersuchungen flossen zusammen mit Resultaten aus Untersuchungen zum Drallwinkel, ungleicher Schneidenteilung sowie einer gezielten Schneidkantenverrundung in die Auslegung eines 16-mm-Vollhartmetall-Schaftfräswerkzeuges ein. Mit diesem Werkzeug konnte das Zeitspanvolumen von 25 auf 102 cm3 erhöht werden, was einer Steigerung von mehr als 300% entspricht.

Das Projekt „Steigerung des Zeitspanvolumens beim Fräsen von Titan durch Werkzeugentwicklung“ (S749) wird von der Stiftung Industrieforschung gefördert. Als Industriepartner unterstützen die Airbus Deutschland GmbH, die Eurocopter Deutschland GmbH, die Rolls-Royce Ltd & Co KG, die Heggemann AG, die Prototyp Werke GmbH, die Kennametal Technologies GmbH, die Paul Horn GmbH und die Lehmann GmbH Präzisionswerkzeuge das Projekt.

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover in 30832 Garbsen; Jens Köhler ist Leiter der Abteilung Schleiftechnologie am IFW; Jan H. Dege ist Leiter der Abteilung Zerspanung am IFW.

Berend Denkena, Jens Köhler und | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/articles/124509/

Weitere Berichte zu: IFW Werkzeug Werkzeuggeometrie Werkzeugverschleiß

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht IPH entwickelt Prüfstand für angetriebene Tragrollen
29.11.2016 | IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH

nachricht LZH optimiert laserbasierte CFK-Nachbearbeitung für die Luftfahrtindustrie
24.11.2016 | Laser Zentrum Hannover e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie