Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schneidstoffe und Beschichtungen für schwerzerspanbare Werkstoffe

22.10.2009
Um den Anforderungen beim Zerspanen von exotischen Werkstoffen zu genügen, braucht man ein hochwarmfestes Hartmetallsubstrat und eine effiziente Kühlung während des Bearbeitungsprozesses. Aus diesem Grund sind Trägerwerkzeuge mit Hochdruck-Innenkühlung erste Wahl.

Es ist noch nicht lange her, da bezeichnete man Werkstoffe wie Titan, Superlegierungen und rostfreie Stähle als exotische Werkstoffe. Sie kamen nur wenig vor, waren extrem teuer und die Bearbeitung stellte manchen Produzenten vor fast unlösbare Herausforderungen. Inzwischen ist von der Zerspanung von Hightech Alloys, den exotischen Werkstoffen der nächsten Generation, die Rede. Es geht um neue Legierungsansätze bei Guss, Titan, Superlegierungen und Refraktärmetallen.

Energiespartrend führt zum verstärktem Einsatz von Hochleistungsmaterialien

Diese Werkstoffe sind nach wie vor sehr teuer, werden aber heutzutage immer mehr eingesetzt und gewinnen durch ihre Eigenschaften rasant an Bedeutung. Der Energiehunger der Welt verlangt Werkstoffe, die die extreme Leistungssteigerung energieerzeugender Anlagen mit sehr hohem Wirkungsgrad unterstützen. Die Entwicklung der Leistungsfähigkeit im Kraftwerkbau, in der Wehrtechnik, in der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik ist direkt von der Entwicklung dieser Werkstoffe abhängig. Aber auch der Trend, schlichtweg Energie zu sparen, führt zum vermehrten Einsatz von Hochleistungsmaterialien.

Exotische Werkstoffe wie Titan sind in der Bearbeitung um etwa den Faktor zehn schwieriger klassifiziert als klassische Stähle. Einer der Hauptgründe liegt in der sehr schlechten Wärmeleitfähigkeit. So wird bei der Bearbeitung von Titan nur etwa ein Viertel der entstehenden Wärme durch die Späne abgeführt, der Rest führt direkt zur Erwärmung des Werkzeugs.

Beim Zerspanen exotischer Werkstoffen sind Trägerwerkzeuge mit Innenkühlung die erste Wahl

Um bei diesen Anforderungen zu bestehen, braucht man ein hochwarmfestes Hartmetallsubstrat und eine effiziente Kühlung während der Bearbeitung. Das bedeutet den Einsatz von Kühlmittel in großen Mengen, am besten mit hohem Druck durch die Spindel direkt an die Schneidkanten des Werkzeugs, was auch den Späneabtransport begünstigt. Deshalb sind für das Zerspanen von exotischen Werkstoffen Trägerwerkzeuge mit Innenkühlung erste Wahl.

Eine weitere Konsequenz der schlechten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise von Ti-tanlegierungen, sind die hohen Temperaturen in den Werkzeugen, die unter anderem zu chemischen Reaktionen an der Oberfläche der Werkzeugschneide führen. Die von Ceratizit entwickelte Hyper-Coat-Beschichtung wirkt dort als effizienter Schutz.

Bei massiver Kaltumformung neigt Titan zu starker Verfestigung, wobei die Zugfestigkeit sich verdreifacht und die Bruchdehnung sich um bis zu 90% verringert. Diese Verfestigungsneigung setzt dem Zerspanungsprozess einen signifikanten Widerstand entgegen, der die Schneidkanten leicht zum Ausbrechen bringt oder im Schneidstoff Zerrüttungserscheinungen hervorruft.

Titan atmet nach dem Schnittprozess auf

Eine Reduktion der Schnittkräfte durch möglichst positive und scharfe Schneiden bringt nur bis zu einem gewissen Punkt Abhilfe, weil die Schneiden, wenn die Ausgestaltung zu positiv ist, zu empfindlich werden. Die hohe Elastizität des Werkstoffs begründet eine Relaxation des Materials, die direkt nach dem Schnittprozess zu einem „Aufatmen“ des Titans führt, was besondere Anforderungen an die geometrische Freistellung der Schneidkante stellt.

Durch die extremen Eigenschaften von exotischen Werkstoffen ist meist nur eine langsame Bearbeitung, also mit niedrigen bis moderaten Schnittparametern, möglich. Die Bearbeitung ist somit sehr zeitaufwändig. Ein weiteres Merkmal ist die hohe Prozesssicherheit, die gewährleistet sein muss, denn Ausschussteile sind absolutes Tabu. Erstens handelt es sich vor allem in der Luftfahrtindustrie nicht selten um sehr große Werkstücke, deren Bearbeitung mehrere Tage in Anspruch nehmen kann, und zweitens entstehen sehr hohe Kosten, wenn große Werkstücke aus dem teuren Material nicht mehr verwendbar sind.

Bearbeitungsgeschwindigkeit bei Titan verdoppelt

Durch die lange Erfahrung auf dem Gebiet der Werkstoffwissenschaften, die sehr guten Kontakte in der Industrie, den Fokus auf schwer zu zerspanende Werkstoffe und das Know-how der Entwicklung und Anwendungstechnik hat Ceratizit sich als Spezialist für die Bearbeitung anspruchsvoller Werkstoffe etabliert. Durch Lösungen des Hartmetallexperten ist es zum Beispiel bei der Herstellung von Turbinenschaufeln aus Titan möglich, die Bearbeitungsgeschwindigkeit sogar zu verdoppeln.

Bei der Zrinski Tehnologija in Kroatien konnte man bei der Bearbeitung eines Titan-Werkstückes (3.7164, Durchmesser 21 mm, Länge 165 mm) mit einer Ceratizit-Lösung 130 Teile pro Schneidkante bearbeiten. Das sind mehr als doppelt so viele wie beim Konkurrenzprodukt, und das bei einer höheren Drehzahl der Spindel von 1400 statt 1000 min—1.

Schwer zerspanbare Werkstoffe wie Nickel-Basis-Legierungen gewinnen ebenfalls immer mehr an Bedeutung. Abgesehen von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie steigt der Bedarf an solchen Werkstoffen, insbesondere für Großbauteile in der Energieversorgung, beispielsweise Hoch- und Mitteldruckturbinen oder Hochdruckverdichter.

Hyper-Coat-Beschichtungen brachten den Durchbruch

Ceratizit trägt dieser Entwicklung Rechnung, indem neuartige Schneidstoffsorten mit speziellen Geometrien für die Schwerzerspanung von Hochleistungswerkstoffen gepaart wurden. Dabei brachten die Produkte mit Hyper-Coat-Beschichtungen den Durchbruch. Entwickelt wurden zwei Sorten, die diesen besonderen Anwendungsbereich großflächig abdecken. Bei der ersten Sorte, CTP5620, handelt sich um eine Feinkornsorte mit hoher Abrasionsbeständigkeit, sowohl in der Schicht als auch im Substrat. Die zweite Sorte, CTP5630, ist eine hochwarmfeste, zähe Variante, die insbesondere im instabilen Zerspanungsumfeld eine hohe Zuverlässigkeit bietet.

Neben Schneidstoff und Beschichtung spielt die richtige Schneidengeometrie eine mindestens ebenso bedeutende Rolle. So werden bei dieser Bearbeitung sehr gute Oberflächen und optimale Spanbildungen durch die spezielle Spanleitstufe beziehungsweise Schneidkante erzielt. Die für das Schäldrehen obligatorischen Stützfasen wurden für diese Anwendung angepasst, so dass ein vibrationsfreies und prozesssicheres Zerspanen gewährleistet ist.

Stangen mit Durchmessern größer als 200 mm prozesssicher bearbeiten

Die Entwicklungen wurden auf dem weltweit sehr gängigen Plattentyp YNUF 201220 angebracht. Dieser findet sowohl als Singleplatte bei kleineren Durchmessern als auch als Schlichtplatte im Tandemsystem bei großen Stangendurchmessern Anwendung. Die Bearbeitung von Nickel- und Nickel-Basis-Legierungen verlangt sehr niedrige Schnittgeschwindigkeiten von 15 bis 50 m/min bei Vorschüben von etwa 4 bis 14 mm pro Umdrehung. Höhere Schnittgeschwindigkeiten würden die Vibrationsneigung unterstützen und gegebenenfalls zu Plattenbruch oder zu Beschädigungen des Werkstücks führen.

Mit der neuen Werkzeuglösung können außer den kleineren Durchmessern von 20 bis 60 mm nun auch Stangen mit Durchmessern größer als 200 mm prozesssicher bearbeitet werden. Der charakteristische Leistungsvorteil des Schäldrehens im Vergleich zur klassischen Drehbearbeitung steht damit auch den Herstellern von großen Stangen dieser Werkstoffklasse zur Verfügung.

Dr. Uwe Schleinkofer ist Leiter Entwicklung Zerspanung bei der Ceratizit Austria GmbH, in A-6600 Reutte.

Uwe Schleinkofer | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/umformtechnik/articles/235304/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht VL- und VSC-Drehmaschinen von EMAG: Die Bremsscheiben-Produktion auf ein neues Level heben
16.11.2017 | EMAG GmbH & Co. KG

nachricht Auf der Jagd nach dem feinsten Tropfen
09.11.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte