Bearbeitung anspruchsvoller Werkstoffe Herausfordernde Titanzerspanung perfektioniert

Redakteur: Matthias Böhm

Titan ist so hart wie Stahl und zweimal so hart wie Aluminium. Aber es ist um 45 % leichter als Stahl und 60 % schwerer als Aluminium. Deshalb werden Titan und seine Legierungen im Flugzeugbau, in der Medizintechnik, als Konstruktionsteile, für Outdoor- und Sportartikel sowie in der Elektronik verwendet. Für die Zerspanung sind reines Titan und seine Legierungen nach wie vor eine Herausforderung.

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Hochvorschubfräsen mit System DAH für geometrisch anspruchsvolle Bauteile aus Titan.
Hochvorschubfräsen mit System DAH für geometrisch anspruchsvolle Bauteile aus Titan.
(Bild: Horn)

Titan bildet an der Luft eine äusserst beständige oxydische Schutzschicht aus, die es in vielen Medien korrosionsbeständig macht. Oberhalb einer Temperatur von 400° C gehen Festigkeitseigenschaften schnell zurück. Unterhalb einer Temperatur von 0,4 K wird Titan supraleitend. Unterhalb von 880° C liegt Titan in einer hexagonal dichtesten Kugelpackung vor. Oberhalb von 880° C bildet sich eine kubisch-raumzentrierte Gitterstruktur aus. Hochreines Titan ist duktil. Bei höheren Temperaturen versprödet es durch Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sehr schnell. Titan hat eine hohe Reaktivität mit vielen Medien bei erhöhten Temperaturen oder erhöhtem Druck, wenn die Passivschicht dem chemischen Angriff nicht gewachsen ist. Hier kann die Reaktionsgeschwindigkeit bis zur Explosion anwachsen.

Legierungselemente beeinflussen Zerspanungsverhalten

Die mechanischen Eigenschaften und das korrosive Verhalten lassen sich durch geringfügige Legierungszusätze von Aluminium, Vanadium, Mangan, Molybdän, Palladium, Kupfer, Zirkonium und Zinn erheblich verbessern. Titan wird sowohl in reiner Form als auch legiert verwendet. Je nach Legierungsanteil hat Titan unterschiedliche Eigenschaften. Üblich sind Reintitan (hohe Korrosionsbeständigkeit), Alpha-Titanlegierungen (hohe Festigkeit), Alpha-Beta-Titanlegierungen (hohe Härte bei hoher Sprödigkeit) und Beta-Titanlegierungen (für hochfeste Verbindungselemente).

Anforderungen an die Zerspanung

Die herausragenden Eigenschaften von Titan, insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit und die hohe Warmfestigkeit, führen beim Zerspanen zu grossen Werkzeugbelastungen und somit zu starkem Verschleiss.

Besonders die hochfesten Titansorten behalten bis zu ihrer maximalen Einsatztemperatur von etwa 880° C ihre Härte. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes wird der grösste Anteil der Zerspanungswärme über das Werkzeug abgeführt. Das charakteristische Verhalten bei der Zerspanung von Titanwerkstoffen ist ein durch Mikrovibrationen erzeugtes hochfrequentes Pfeifen, welches durch positive Schneiden verringert werden kann.

Positive oder negative Schneiden?

Aus zahlreichen Untersuchungen ist bekannt, dass die Wärmeableitung beim Zerspanprozess durch negative Schneiden besser als bei positiven Schneiden ist. Die Herausforderung besteht darin, die Schneidkantengeometrie so zu gestalten, dass bei einem weichen Schnitt die bestmögliche Wärmeableitung gewährleistet ist. Bei der Zerspanung von Titan ist somit mit thermischem und abrasivem Verschleiss zu rechnen, zudem wird das Werkzeug durch mechanische Zerrüttung stark belastet.

Werkzeuge zeigen Lösungswege auf

Die Eigenschaften von Titan stellen besondere Bedingungen an die Werkzeuge. Hohe Rund- und Planlaufgenauigkeit sind z. B. bei Fräsern gefordert. Zudem sollten die Werkzeuge eine hohe statische und dynamische Steifigkeit gegen Mikroschwingungen haben.

Ungleiche Teilung und Drallwinkel

Ungleiche Teilung und Drallwinkel können sich beim Umfangsfräsen positiv auswirken. Bei Werkzeugen mit Wendeschneidplatten wird meistens mit geschraubten Schneidplatten gearbeitet. Für einen positiven Schnitt empfiehlt sich für die Nutenbearbeitung die Horn-Geometrie .40, welche auch in der Drehbearbeitung mit Erfolg eingesetzt wird. Als Hartmetallsorte eignet sich dabei die Horn-Sorte TA45, ein Feinkorn-Hartmetall mit TiAlN-Beschichtung, welche nicht zu Kerbverschleiss neigt.

Für Einstech- und Nutfräsbearbeitung kommen sämtliche Werkzeuge je nach Anwendung aus dem Horn-Programm evtl. auch mit leichten Modifikationen zum Einsatz. Für das Fräsen stehen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung.

Hohe Prozesssicherheit und Standzeit

Ein Erfolgsmodell stellt hierbei auch das Hochvorschubfräsen mit Horn-System DAH dar. Mithilfe dieses Werkzeuges werden u. a. Gehäusedeckel aus Titan für eine Rennsportanwendung bearbeitet. Das Rohteil hat hierbei die Masse 300 x 200 x 100 mm.

Bei der Zerspanung werden über 90 Volumenprozent in Späne verwandelt. Übrig bleibt ein geometrisch anspruchsvoller komplexer, dünnwandiger Gehäusedeckel und Rippen mit bis zu 1,2 mm Wandstärke. Das Bauteil wird in zwei Varianten gefertigt, einer kleineren und einer grösseren. Und obwohl jeweils je 10 Teilepaare hergestellt werden, gilt es als Unikat.

Hinterschnitte in tiefer Kavität

Mit einem Hochvorschubfräser aus der Serie DAHM mit 32 mm Durchmesser wird im ersten Schritt Volumen abgeräumt, danach werden mit einem Kugelfräser Typ DM mit 10 mm Durchmesser die feineren Konturen vorgeschruppt.

Nach dem Vergüten wird mit dem gleichen Kugelfräser nachgeschruppt und abschliessend mit einem speziellen Fräser auf Mass geschlichtet. Für Hinterschnitte in einer tiefen Kavität sorgt ein Horn-Fräser vom Typ 636. Die komplette Bearbeitung mit allen Operationen dauert beim kleineren Teil etwa je 80 Stunden und beim grösseren, aufwendigeren Teil sogar 120 Stunden. 20 Stunden davon verteilen sich auf die Operationen Volumenzerspanung mit Hochvorschubfräser und Vorschruppen mit Kugelfräser.

Feinkörniges Grundsubstrat mit PVD-Multilayer-Schicht

Der eingesetzte Hochvorschubfräser ist versehen mit einer HSK-A63-Aufnahme, sein Fräserkopf ist mit einer Einschraubaufnahme mit M-16-Gewinde ausreichend stabil mit dem Schaft verbunden und über den Durchmesser abgestützt. Der 32er-Fräserkopf ist vierfach mit präzisionsgeschliffenen dreischneidigen Schneidplatten DAH 37.022.M08.SA4B bestückt. Das feinkörnige Grundsubstrat der Wendeplatten ist beschichtet mit einer PVD-Multilayer-Schicht.

Mit einer Zustellung von 0,5 mm, einer Vorschubgeschwindigkeit von 1800 mm/min und einem daraus resultierenden Vorschub pro Zahn von 0,83 mm fräsen die Fräsköpfe längst nicht im Grenzbereich. Das ist auch nicht das Ziel, denn im Vordergrund steht bei allen Operationen an diesen wertvollen Teilen die Prozesssicherheit. Luft-Innenkühlung kühlt Schneiden und Werkstück und bläst die Späne aus der Zerspanungszone. Vier Stunden Standzeit der einzelnen Schneiden sorgt für sichere und wirtschaftliche Bearbeitung. Letztendlich arbeiteten die Fräser so prozesssicher, dass die Maschinen nun mannlos über Nacht im Einsatz sind. <<

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