Walter, Blaser Swisslube und Makino verbessern Zerspanungsprozess Optimierte Titanbearbeitung

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Mikron Switzerland AG, Division Tool

Während der Anteil der Bauteile aus Titan nur rund 14 Prozent des Gewichts eines typischen Passagierflugzeugs beträgt, liegt ihr Anteil an der Bearbeitungszeit bei circa zwei Drittel der Gesamtbearbeitungszeit der Metallbauteile. Denn im Vergleich zur Aluminiumzerspanung sind die erreichbaren Zeitspanvolumen bei der Titanbearbeitung gering. Wer es schafft, die Bearbeitungszeiten für ein Bauteil aus Titan zu senken oder die Standzeiten der Bearbeitungswerkzeuge signifikant zu verbessern, erhöht die Effizienz und Wirtschaftlichkeit seiner Prozesse deutlich.

Mit dem neuen leicht schneidenden Igelfräser «M5250» ist dem Zerspanungsspezialisten Walter so ein Schritt gelungen, in enger Zusammenarbeit mit dem Kühlschmierstoffexperten Blaser Swisslube sowie dem Werkzeugmaschinenhersteller Makino.

Zerspanungsprozesse, gerade wenn es um die Bearbeitung anspruchsvoller Werkstoffe wie Titan geht, sind Teamarbeit. Das Potenzial einer für das Fräsen von Titanlegierungen entwickelten High-End-Maschine wie die «Makino T2» lässt sich dann voll ausschöpfen, wenn mit entsprechend optimierten Zerspanungswerkzeugen und Kühlschmierstoff gearbeitet wird.

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Das gilt genauso umgekehrt: Der neue Walter-Igelfräser «M5250» zeigt seine Bestleistung beim Schruppen von Bauteilen aus Titan auf Maschinen wie der Makino T2, die (laut Hersteller) mit einem aktiven Dämpfungssystem, der starren Konstruktion und einer Hochleistungsspindel mit hohem Drehmoment sowie einem leistungsfähigen Hochdruck-Kühlmittelsystem optimale Arbeitsbedingungen für den Fräser schafft.

Hohe thermische Belastung der Werkzeugschneiden

Titan und Titanlegierungen verfügen über eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was für die zerspanende Bearbeitung eine Herausforderung darstellt. Während beim Zerspanen von Stahl rund 80 Prozent der entstehenden thermischen Belastung über die Späne abgeleitet wird, sind es bei Titan nur 20 Prozent.

Das heisst: An der Schneide der Wendeschneidplatte entstehen hohe Temperaturbelastungen. Ohne Gegenmassnahmen würde die Schneide im Kontakt mit dem Werkstück relativ schnell verschleissen. Ab 600° C verliert im Hartmetallverbund das Cobalt seine Festigkeit, was Mikro-Ausbrüche von Wolframcarbiden fördert. Mit besonderen Schneidkantengeometrien und -beschichtungen wie mit dem Einsatz von Kühlschmiermittel versucht man, diesen Verschleissprozess zu verlangsamen und zu beherrschen. Um wirklich auf der sicheren Seite zu sein, was die Bearbeitungsqualität angeht, lassen viele Produktionsverantwortliche ausserdem die Wendeschneidplatten deutlich vor dem Einsetzen tiefer Verschleissspuren auswechseln.

Kühlmittel und Maschine im Einklang

Daniel Schär, Senior Segment Manager bei Blaser Swisslube AG, erklärt die Rolle von Blaser im Projekt: «Bei der Bearbeitung von Titan spielt die Kontrolle der Hitzeentwicklung an Werkzeug und Maschine die zentrale Rolle. Hier kann man mit einem Kühlschmierstoff, der auf den Einsatz unter diesen besonderen Bedingungen optimiert ist, bei der Werkzeugstandzeit und dem Zeitspanvolumen richtig was bewegen. Entsprechend intensiv hat unser Entwicklungsteam an der Vision vom idealen Kühlschmierstoff gearbeitet. Mit dem ‘Vasco Skytec H 600’ sind wir da sehr nah dran.»

In Vergleichstests mit 22 Kühlschmiermitteln von Wettbewerbern und fünf eigenen Produkten, die Blaser Swisslube im hauseigenen Technologiecenter in der Schweiz durchgeführt hat, liegt das Kühlschmiermittel an der Spitze. So lassen sich auch schon in bereits bestehenden Prozessen höhere Standzeiten für das eingesetzte Werkzeug erreichen.

Andrea Biscardi, Product Manager Makino Europe GmbH, erklärt, welche Effekte das neue Kühlschmiermittel auf einer Maschine wie der ’Makino T2’ bringen kann: «Eine der wichtigsten Eigenschaften der ’Makino T2’ ist ihr leistungsstarkes (70 bar bei 200 l/min Volumenstrom) Hochdruck-Kühlmittelsystem. Das heisst: Schon mit herkömmlichen Schmiermitteln erzielen wir am Werkstück einen sehr ordentlichen Kühlungsgrad. Setzen wir ‘Vasco Skytec H 600’ ein, merkt man noch einmal einen deutlichen Unterschied. Als begrenzender Faktor bleibt dann in gewissem Sinne das Zerspanungswerkzeug. Oder man setzt so ein auf die Bearbeitung von Titan optimiertes Werkzeug wie den Walter-Igelfräser ein. Was der kann, merkt man schon an den Maschinenlaufzeiten und daran, welche Schnittdaten man fahren kann.»

Werkzeugkonzepte testen und weiterentwickeln

Das Zerspanen von Titan ist bereits seit Jahren eines der Fokusthemen der Produktentwicklung bei Walter. Mit dem «Blaxx-Igelfräser M3255» haben die Zerspanungsspezialisten aus Tübingen bereits so etwas wie einen Klassiker der Titanbearbeitung im Programm. 2022 hat Walter eine neue Generation von Wendeschneidplatten auf den Markt gebracht, deren Schneidkante mit «Wavecut-Geometrie» erhebliche Standzeitvorteile gegenüber bisherigen Lösungen ermöglicht.

Dirk Masur, Segmentmanager Luftfahrt bei Walter, erklärt: «Wir arbeiten ständig daran, Kunden noch bessere Lösungen für ihre Prozesse anbieten zu können. Projekte wie diese Zusammenarbeit mit Makino und Blaser Swisslube sind dabei eine wichtige Möglichkeit, unter idealen, aber doch realen, konkreten Bedingungen neue Werkzeugkonzepte zu testen und weiterzuentwickeln. Der neue Walter-Igelfräser 'M5250' hat davon sehr profitiert.»

Wichtigstes Ziel für Walter war es, das Zeitspanvolumen beziehungsweise die Standzeit der Wendeschneidplatten beim Schruppen von Titanbauteilen gegenüber den bisherigen Lösungen noch einmal deutlich zu steigern. Mit den «Wavecut-Wendeschneidplatten» liegt hier bereits ein wichtiger Baustein einer optimalen Schruppstrategie vor: Durch die Veränderung der Schneidkantengeometrie von einer geraden zu einer «gewellten» Schneide verändern sich die Kräfte, die beim Fräsen auf das Werkzeug und das Bauteil wirken. Die Schneiden treten deutlich weicher ins Material ein, wodurch weniger Vibrationen entstehen und relativ grosse Auskragungen bei der Hochleistungsbearbeitung vibrationsarm möglich sind.

Nach Aussage des Werkzeugherstellers würde auch die thermische Last, die auf Wendeschneidplatte wirkt, durch die «Wavecut-Geometrie» reduziert. Mit der Zuführung des Kühlschmiermittels so direkt wie möglich an die Wendeschneidplatten lässt sich die Hitzeentwicklung an den Schneiden noch einmal deutlich vermindern.

Die Kühlkanäle im Werkzeugkörper sind so ausgelegt, das die einzelnen Schneiden direkt im Zerspanungsbereich gekühlt werden. Durch die verbesserte Kühlung an den Schneidkanten erhöht sich die Prozesssicherheit nicht unerheblich.

Zeitspanvolumen von 130,9 cm³/min

Vor allem, wenn das neue Vasco Skytec H 600 von Blaser Swisslube eingesetzt wird: In der Testkonfiguration mit den Parametern vc = 60 m/min, fz = 0,18 mm, vf = 218 mm/min, ap = 60 mm und ae = 10 mm in einem Werkstück aus Titan Grad 5 (Ti6Al4V) auf einer «Makino T2» lässt der neue Walter-Igelfräser «M5250 mit Tiger Tec»-Wendeschneidplatten «G55W WS-M45X» alle anderen getesteten Kombinationen von Walter-Igelfräser, Wendeschneidplatten und Kühlschmiermittel buchstäblich stehen.

Mit 110 Minuten liegt die Werkzeugstandzeit pro Schneide 1,6-mal höher als in der Konfiguration mit anderen Kühlschmiermitteln sowie bisher eingesetzten Schneidgeometrien. Das zeigt sich auch im Zeitspanvolumen, das bei 130,9 cm³/min liegt.

(böh)

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