Herausforderungen bei der Bearbeitung von Nickelbasislegierungen meistern Keramikfräser für Turbinenkomponenten

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Im folgenden Bericht zeigt Henri Sevonen (Senior Industry Segment Manager – Aerospace) auf, wie eine neue Keramikfräser-Technologie das Potenzial hat, die Bearbeitung von Flugzeugtriebwerksteilen zu optimieren und dabei erhebliche Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Gerade bei hochwarmfesten Werkstoffen zeigen Keramikfräser ihre Stärken.

Mit dem zunehmenden Einsatz von Bauteilen aus Nickelbasislegierungen in der Luftfahrtindustrie steigt auch die Nachfrage nach optimierten Zerspanungswerkzeugen. Denn trotz ihrer Vorteile sind diese Werkstoffe aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit, der Gefahr des Anhaftens an den Werkzeugen und des Vorhandenseins von Schleifpartikeln in der Legierungsstruktur nur schwer zerspanbar.

Diese Einschränkungen führen dazu, dass die Produktivität von Hartmetallwerkzeugen in der Regel gering ist. Darüber hinaus erfordert die Komplexität einiger Bauteile Werkzeuge mit gesteigerten Überhängen. Henri Sevonen, Senior Industry Segment Manager – Aerospace, erklärt, wie eine neue Keramikfräser-Technologie dazu beiträgt, die Anforderungen zu erfüllen und das Potenzial hat, die Bearbeitung von Flugzeugtriebwerksteilen zu optimieren und erhebliche Wettbewerbsvorteile zu erzielen.

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Hitzebeständige Super-(HRSA) und Nickelbasislegierungen

Die meisten Luftfahrtbauteile werden aus hitzebeständigen Superlegierungen (HRSA) und Nickelbasislegierungen hergestellt, was besondere Anforderungen an die Fertigungstechnologen stellt, die Komponenten wie Verdichterläufer, Turbinenscheiben, Gehäuse und Blisks zerspanen. Obwohl viele Hersteller konventionelle Vollhartmetallfräser verwenden, stossen diese Werkzeuge bei Nickelbasislegierungen an ihre Leistungsgrenzen.

Keramische Schaftfräser bis 30-mal schneller

In einem von starkem Wettbewerb geprägten globalen Umfeld suchen Fertigungsunternehmen in der Luftfahrtindustrie nach Technologien der nächsten Generation, die in der Lage sind, Faktoren wie Produktivität und/oder Werkzeugstandzeit deutlich zu verbessern. Keramische Schaftfräser können genau diesen Fortschritt bringen, indem sie bei Prozessen wie Eck- und Planfräsen im Vergleich zu Vollhartmetallwerkzeugen bis zu 20- bis 30-mal höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglichen. Diese Leistungen sind vor allem deshalb möglich, weil Keramikfräser ihre Härte auch bei den hohen Temperaturen behalten, die bei der Zerspanung von Nickelbasislegierungen auftreten.

Der «Coromill 316» mit gelötetem Keramik-­Wechselkopf ist eine produktive Lösung für die Schruppbearbeitung von Triebwerksanwendungen in ISO-S-Werkstoffen. Vor allem das Wechselkopfkonzept ermöglicht eine hohe Prozessflexibilität. Erhältlich sind eine sechsschneidige Version mit geradem Eckenradius für hochproduktives Besäumen sowie eine vierschneidige Variante, die durch ihre Hochvorschub-Stirnflächengeometrie das Planfräsen unterstützt.

Sorte «S1KU SiAlON» speziell Nickelbasis­legierungen

Die auf Siliziumnitrid basierende Keramiksorte des neuesten «Coromill 316» ermöglicht einen Zerspanungsprozess, der sich von der Bearbeitung mit herkömmlichen Vollhartmetallwerkzeugen unterscheidet. Die Sorte «S1KU SiAlON» wurde speziell für die anspruchsvolle Bearbeitung von Nickelbasislegierungen entwickelt und bietet dank ihrer negativen Geometrie eine extrem zähe Schneidkante. Sie verfügt zudem über eine Negativschutzfase für einen stabilen Betrieb.

«SiAlON» hat eine chemische Zusammensetzung aus Aluminiumoxid und Siliziumnitrid (Al203+Si3N4), eine Kombination, die eine hohe Verschleissbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen gewährleistet.

Stabile Bearbeitung – stabiler Prozess

In allen Anwendungsfällen wird ein stabiles Setup empfohlen, und zwar immer ohne den Einsatz von Kühlschmierstoff. Fertigungsbetriebe sollten stattdessen Druckluft verwenden, da der Kühlschmierstoff bei den hohen Temperaturen einfach verdampfen würde. Ausserdem begünstigt der Einsatz von Kühlschmierstoffen Temperaturschocks und wirkt sich negativ auf die Werkzeugstandzeit aus. Wichtig sind hohe Spindeldrehzahlen von mindestens 13 000 U/min. Weitere Empfehlungen betreffen das Gleichlauffräsen und einen programmierten Werkzeugweg, der das Werkzeug in ständigem Kontakt mit dem Werkstück hält.

Nickelbasislegierungen werden auch in Zukunft eine wichtige Rolle in der Luftfahrtindustrie spielen. Allerdings stehen die Hersteller von Triebwerkskomponenten vor zahlreichen Herausforderungen. Nur durch weitere Werkzeuginnovationen, wie z. B. die Keramikfräser-Technologie, werden die Fertigungsbetriebe der Luftfahrtindustrie in der Lage sein, den Bearbeitungsprozess zu optimieren. (böh) SMM

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