Werkzeugspannsystem mit hoher Vibrationsdämpfung zur Titanbearbeitung

Mit dem Werkzeugspannsystem wurde es möglich, die innovative Frässtrategie zu realisieren und die Bearbeitungszeit um 42% zu senken.

Insbesondere die Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch Automobilbauer setzen Hightech-Materialien wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) oder Titan ein, um noch leichtere und kraftstoffsparendere Modelle als bisher anzubieten. Aktuelle Beispiele wie Boeing 787 oder Airbus A 350 und A 380 zeigen: Insbesondere Titan und Verbundwerkstoffe aus Kunststoff und Kohlefasern, die mit Titanschichten verbacken sind, schicken sich an, den klassischen Werkstoff Aluminium im Flugzeugbau zu verdrängen.

Einen Haken hat die Sache aber: So vorteilhaft die Eigenschaften des zähen, elastischen und korrosionsbeständigen Leichtmetalls Titan sind, so schwer gestaltet sich dessen Zerspanung. Sie verlangt den eingesetzten Maschinen und Werkzeugen auch angesichts der hohen thermischen und mechanischen Belastungen alles ab. Die perfekte Kombination aller am Prozess maßgeblich beteiligten Parameter ist die Grundlage für eine optimale Bearbeitung. Dafür gilt es, Maschine, Aufspannung des Werkstücks, Werkzeugspannsystem und Zerspanstrategie auf den Prüfstand zu stellen.

Scheibe und Schaufel bestehen aus einem Stück

Die komplette Analyse des Zerspanprozesses hatte auch beim führenden deutschen Triebwerkshersteller MTU Aero Engines durchschlagenden Erfolg bei der Herstellung von innovativen Titan-Blisks. Das sind integrale Rotor-Konstruktionen, bei der Scheibe und Schaufel beziehungsweise Blatt (Blade + Disk = Blisk) aus einem Stück bestehen. Das macht Schaufelfüße und Scheibennuten überflüssig.

Um dieses komplexe Bauteil qualitativ hochwertig, aber kostenoptimiert zu fertigen, setzten die MTU-Spezialisten bei der Frässtrategie und dem Werkzeugspannsystem an. Trochoides Taumelfräsen mit umlaufender Blattbearbeitung beim Vor- und Fertigfräsen spart nun im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung unter anderem den vorher hohen Anteil an Stechfräs- und Schaufelzwischenraum-Schruppen ein.

Werkzeug muss absolut vibrationsfrei arbeiten

Bei der Bearbeitung der dünnwandigen Titan-Schaufeln kommt es darauf an, dass das Werkzeug absolut vibrationsfrei arbeitet. Nur so lässt sich überhaupt die neue Frässtrategie prozesssicher einsetzen. Das schafft nur ein Hightech-Werkzeughaltesystem.

Dazu holten sich die Triebwerksbauer den Werkzeugspannspezialisten Rego-Fix mit ins Boot. Die Schweizer bieten mit ihrem Spannsystem Pow-R-Grip die richtige Lösung an: Durch deren spezielle funktionale Grenzflächen zwischen Werkzeug und Spannzange sowie zwischen Spannzange und Werkzeughalter wird eine hohe Vibrationsdämpfung erreicht. So sorgt das Spannsystem mit Haltekräften bis über 1000 Nm dafür, dass auch bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien das Werkzeug sicher gehalten wird.

Kühlmittelzufuhr kann intern oder extern erfolgen

Die zu 100% feingewuchteten Werkzeugaufnahmen tragen zusätzlich zur Schwingungs- und Vibrationsdämpfung und zum genauen Werkzeugrundlauf bei. Durch ihre schlanke Bauweise können damit auch komplexe Bauteile problemlos gefertigt werden. Zudem kann das System mit interner Kühlmittelzuführung sowohl durch das Werkzeug als auch peripher entlang des Werkzeugschaftes oder aber klassisch mit externer Kühlschmierstoff-Zuführung eingesetzt werden. Das Werkzeugspannsystem sichert MTU eine Rundlaufgenauigkeit mit Abweichungen von weniger als 3 µm gemessen auf einer Länge von 3 × D.

Bearbeitungszeit wurde um 42% gesenkt

Der Erfolg der neu abgestimmten Prozesskette kann sich sehen lassen: Die Bearbeitungszeit konnte um 42% und die Werkzeugkosten um 76% gesenkt werden. In Verbindung mit der innovativen Frässtrategie trägt das Pow-R-Grip-Spannfutter bei der Bliskbearbeitung maßgeblich zum Erfolg bei.

Der Ansatz, Optimierungspotenziale aus der Betrachtung der einzelnen Komponenten im gesamten Zerspanprozess zu erschließen, hat sich bei MTU bewährt. Viele Anwender setzen jedoch zum Optimieren zuerst beim Verbrauchsgut Werkzeug an, das im Schnitt jedoch nur 1% des Einsparpotenzials am gesamten Zerspanprozess ausmacht. Das Werkzeughaltesystem als Schnittstelle zwischen Schneidwerkzeug und CNC-Maschine liegt leider viel seltener im Fokus der Betrachtungen, obwohl damit viel deutlicher die Produktivität gesteigert und Kosten gesenkt werden können.

Martin Brönnimann ist Leiter Produktentwicklung bei der Rego-Fix AG, Tenniken/Schweiz.