Kampf dem Titan

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wm-kurzlogo--invers-rgb-300dpi (Walter Meier (Fertigungslösungen) AG)

Die drei heiklen Materialeigenschaften

Drei Dinge machen den Werkzeugen bei der Ti-Zerspanung das Leben schwer: Eine extrem schlechte Wärmeleitfähigkeit (Ti6Al4V = 7,56W/mK; Stahl Ck45 = 51,9W/mK), ein vergleichsweise niedriger Elastizitätsmodul (Ti6Al4V = 110?kN/mm2; Stahl Ck45 = 210?kN/mm2) und eine ausgeprägte Neigung zum Kleben.

Die Wärme wird zu einem erheblichen Teil über Schneide abgeführt, nicht wie bei Stahl über die Späne. Da die Spantiefen eher gering sind, muss ein kleiner Teil des Schneidkeils äusserst hohe thermische und mechanische Beanspruchungen aushalten können. Diese Umstände machen die Nassbearbeitung zwingend. Der niedrige E-Modul führt sehr schnell zu Schwingungen, Aufbauschneiden aufgrund der Klebeneigung verstärken den Effekt. Folge: Die Schnittgeschwindigkeit muss stark reduziert werden.

Harte Nuss: Ti5553... es wird nicht einfacher

Mit dem neuen Material Ti5553 wird es nicht einfacher, die Problematik verschärft sich. Ti6Al4V ist eine Alpha-Beta-Legierung mit ausgeglichenem Verhältnis der Gefügeanteile (Alpha = hexagonale Gefügestruktur, Beta = kubisch raumzentrierte Gefügestruktur).

Ti5553 hat dagegen einen höheren Beta-Anteil, wird auch als Near-Beta-Legierung bezeichnet. Dieser Umstand bewirkt die bereits angesprochene höhere Warmfestigkeit, aber auch eine noch schwierigere Zerspanbarkeit. Bei 430 Grad Celsius beträgt die Festigkeit von Ti5553 immer noch ca. 900?N/mm2. Die Neigung zum Kleben wird durch die Beta-Gefügeanteile verstärkt.

Aufbauschneiden unbedingt vermeiden

Angesichts dieser Bestandsaufnahme betont Josef Giessler, Entwicklungsleiter Round Tools bei der Walter AG: «Die professionelle Titanzerspanung erfordert optimierte Werkzeuge.» Bis zu einem Durchmesser von etwa 20-25?mm sind das in aller Regel Vollhartmetallwerkzeuge. Der Entwickler setzt hinzu: «Die Werkzeuge müssen so ausgelegt werden, dass sie möglichst wenig schwingen und der Bildung von Aufbauschneiden entgegenwirken. Gefordert wird ein so genanntes Chatterfree-Design.»

Die wichtigsten Stellschrauben sind Makrogeometrie, Mikrogeometrie und Oberflächen. Ungleichteilung der Zähne und schmale Stützfasen an der Schneidkante mit Null-Freiwinkel haben sich bewährt. Polierte Spanflächen lassen die Späne besser abfliessen. Die Beschichtungen basieren auf AlCrN, die bei Stahl üblichen Ti-basierten Hartschichten kommen bei VHM-Werkzeugen nicht in Frage. Ebenfalls wichtig ist eine interne Kühlmittelzufuhr, um beim Schruppen die Wärme an der Schneide möglichst effektiv abzuführen.

Neue Ära der Titanzerspanung

Alle erforderlichen Features bietet beispielsweise das VHM-Schaftfräser-Duo Protostar Ti40/Ti45. Der Ti40 ist ein Schruppwerkzeug mit Innenkühlung, der Ti45 ein Schlichtwerkzeug. Bei seiner Markteinführung 2007 markierte der Ti40 den Beginn einer neuen Ära in der Ti-Zerspanungstechnik.

Ein Projekt, das in Zusammenarbeit mit Airbus durchgeführt wurde, erbrachte ein für die Zerspaner erfreuliches Ergebnis: Der Ti40 führt beim Schruppen von Ti6Al4V mindestens zu einer Verdoppelung des Zerspanungsvolumens. Bis dahin belief sich das maximale Zerspanungsvolumen auf etwa 80 cm3/min (vc?=?25?m/min), realisierbar mit HSS-E-Werkzeugen, Durchmesser 32?mm. Dieser Wert pendelte sich bei Airbus bereits Mitte der 90er Jahre ein, seither konnte keine Verbesserung erzielt werden - eine lange Zeit ohne Schritt nach vorne für Produktivitätsverantwortliche.

Extrem zähes Hartmetall bringt bis 200 cm3/min Zerspanleistung

Die neue VHM-Generation legt die Messlatte deutlich höher, nämlich auf 160-200 cm3/min (vc?=?50-60m/min), bezogen auf einen Werkzeug-Durchmesser von 25?mm. Dieser Sachverhalt zeigt, dass die Weiterentwicklung von HSS-Schaftfräsern eine Grenze erreicht hat. Steigerungen bedürfen völlig neuer Konzepte. Der entscheidende Schritt ist durch die Entwicklung neuer, titangeeigneter Hartmetallsubstrate möglich geworden. «Die VHM-Fräser der jüngsten Generation, Ti40/Ti45, werden aus einem extrem zähen, relativ schwingungsunempfindlichen Hartmetall hergestellt. Dieses steht erst seit wenigen Jahren zur Verfügung», bekräftigt Josef Giessler.

In weiteren Versuchen nahmen sich die Spezialisten bei Walter im hauseigenen Technology Center das Material Ti5553 vor. Ziel war es, zu ermitteln, wie die neue VHM-Werkzeuggeneration damit zurechtkommt. Das Probewerkstück hatte eine Festigkeit von 1400N/mm2 und eine Brinellhärte von 430. Als Testwerkzeug kam ein Protostar Ti40 mit 16?mm Durchmesser und z=4 zum Einsatz. Wie zu erwarten mussten die Schnittwerte im Vergleich zu Ti6Al4V nochmals deutlich gesenkt werden. Für unterschiedliche Einsatzarten wurden, bezogen auf Werkzeugdurchmesser 16?mm, folgende Empfehlungen ermittelt:

1. Vollnutfräsen (ae?=?16?mm, ap?=?8?mm): vc?=?25?m/min, fz?=?0,06?mm

2. Seitliches Fräsen, Schruppen (ae?=?4?mm, ap?=?8?mm): vc?=?50?m/min, fz?=?0,08?mm

3. Seitliches Fräsen, Schlichten (ae?=?0,3?mm, ap?=?50?mm): vc?=?100?m/min, fz?=?0,12?mm

In den Diagrammen sind die Ergebnisse grafisch dargestellt. Die Schnittgeschwindigkeiten bei Ti6Al4V und Ti5553 sind über der radialen Schnitttiefe (ae/D) aufgetragen. Der Werkstoff Ti5553 verlangt eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit um rund 50% (mittlere Bearbeitung). In der Tendenz zeigt sich, dass beim Vollnutfräsen eher mehr reduziert werden muss, beim seitlichen Schlichten kann es weniger sein.

Grosse Spanmengen brauchen Wendeplatten

Bei grossen Bauteilen bzw. wo grosse Spanmengen abzutragen sind, werden grosse Werkzeuge benötigt, das heisst Wendeplattenwerkzeuge. Die Wendeplatten-Entwicklung beschritt in den letzten Jahren einen ähnlichen Weg wie die Entwicklung der VHM-Werkzeuge. Das Augenmerk lag vor allem auf den schwer zerspanbaren Werkstoffen.

Zu dieser Gruppe (ISO-S) gehören auch Titanlegierungen. Die aktuellen Benchmarkschneidstoffe aus dem Hause Walter sind Tigertec-Qualitäten mit PVD-Aluminiumoxidbeschichtung («PVD-Tiger»). Derzeit sind zwei Sorten verfügbar: WSM35 mit hoher Verschleissfestigkeit für gute Bearbeitungsbedingungen und WSP45 mit hoher Zähigkeit für schwierige Bedingungen. «Bei Ti5553 zeichnet sich die PVD-Tigertec-Sorte WSP45 aufgrund ihres hohen Zähigkeitspotenzials als erste Wahl ab, da diese Legierung beim Schruppen ein sehr hohes Zähigkeitspotenzial benötigt», erklärt Siegfried Bohnet, Entwicklung Wendeplattenwerkzeuge bei Walter.

Optimierte Geometrien für Aerospace-Anwendungen

Mit der Einführung des PVD-Tigers riefen die Spezialisten in Tübingen ein zusätzliches Projekt ins Leben, welches die Entwicklung optimierter Geometrien für Aerospace-Anwendungen zur Aufgabe hatte. Für Titanlegierungen als Hauptanwendung wurde die Geometrie G77 konzipiert. Die Besonderheit dieser Geometrie ist ein grosser Spanwinkel von 20 Grad. Hinzukommt eine besondere Mikrogeometrie. Siegfried Bohnet resümiert: «Der Entwicklung ist es gelungen, mehrere Merkmale bzw. Technologien zu bündeln: die Tigertec-Technologie, die PVD-Beschichtungstechnologie, eine hoch positive Geometrieform und eine spezielle Kantenverrundung. Neu ist, dass diese vier Aspekte nun in einem Paket vorliegen.» Dieses Paket ist noch brandneu und erst seit kurzem in Gestalt neuer Wendeplatten der Form ADGT (Eckfräser, Igelfräser) und RO.X (Rundplattenfräser) verfügbar. In Anbetracht der zusammengeflossenen Merkmale repräsentiert es den momentanen Stand der Technik im Bereich Wendeplattenlösungen für Aerospace- resp. Ti-Anwendungen.

Information

Walter (Schweiz) AG

Hunnenweg 26

4501 Solothurn 1

Tel. 032 617 40 70

service.ch@walter-tools.com

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Bilder: Walter AG

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