Optimierte Werkzeuge stellen Schlüssel für wirtschaftlichere Bearbeitung dar

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.