Arno: Hochpositive Werkzeuge Titan erfordert spezielle Werkzeuge und Prozesse

Von Konrad Mücke

Wegen seiner besonderen Eigenschaften bevorzugen Konstrukteure in der Luftfahrt und der Medizintechnik Titan als Konstruktionswerkstoff. Titanlegierungen sind fest, zäh, nicht magnetisch und wenig wärmeleitfähig. Das erfordert aber beim Bearbeiten besondere Verfahren und Werkzeuge.

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Was Konstrukteure bevorzugen, bedeutet für Fertigungsbetriebe einigen Aufwand: Titan ist zäh, hochfest und beständig gegen Korrosion.
Was Konstrukteure bevorzugen, bedeutet für Fertigungsbetriebe einigen Aufwand: Titan ist zäh, hochfest und beständig gegen Korrosion.
(Bild: Arno Werkzeuge)

Wegen spezieller, für ausgesuchte Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik, besonders günstiger Eigenschaften gilt Titan als «Superwerkstoff». Er ist hoch zugfest, hat eine niedrige spezifische Masse, ist nicht magnetisch, auch unter aggressiven chemischen Beanspruchungen weitgehend gegen Korrosion beständig und zudem biokompatibel. Allerdings ist Titan auch kostenintensiv. Das Metall ist rein nur sehr selten zu finden. Üblich wird es aus Ilmenit (Titan-Eisenerz) oder Rutil (Titandioxid) in einem sehr aufwendigen Verfahren hergestellt, das sehr viel Energie benötigt. Angereichertes Titandioxid wird mit Chlor zu Titantetrachlorid bei hohen Temperaturen umgewandelt. Anschliessend wird in flüssigem Magnesium zu Titan reduziert (sogenannter Kroll-Prozess nach William Justin Kroll). Um bearbeitbare Legierungen herzustellen, muss der erhaltene Titanschwamm im Vakuum-Lichtbogen­ofen umgeschmolzen werden.

Lange, adhäsive Späne

Aus Titan fertigt man unter anderem Präzisionsdrehteile für die Luft- und Raumfahrt, für die chemische Industrie, die Medizintechnik und auch für den Fahrzeugbau. Das erfordert aber wegen der spezifischen Eigenschaften von Titan spezielle Werkzeuge. Denn Titan leitet extrem schlecht Wärme. Wegen der Zähigkeit brechen die Späne nicht. Sie neigen eher zu starker Adhäsion. Titanlegierungen, wie Ti6Al4V, haben ein niedriges Elastizitätsmodul. Für die spanende Bearbeitung bedeutet das, dass der Werkstoff bei Schnittdruck erheblich elastisch nachgibt und sich wieder zurückstellt.

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Beispielsweise soll eine Welle mit Gewinde und Einstich aus der – in der Medizintechnik beispielsweise für Implantate – häufig genutzten Titanlegierung Ti6Al4V Grade 5/23 gefertigt werden. Wegen der Aluminium- und der Vanadiumanteile (kein Nickel) sowie seiner sehr kleinen Zwischenräume (als ELI Extra Low Interstitials bezeichnet) ist die Titanlegierung biokompatibel, allergische Reak­tionen sind bisher nicht bekannt. Ti6Al4V hat 990 N/mm² Zugfestigkeit, 880 N/mm² Streckgrenze und 330 bis 380 Vickershärte. Der Dehnungsfaktor A5D beträgt etwa 18 Prozent. Wegen dieser Werkstoffeigenschaften nutzt man diese Titanlegierung auch in der Luftfahrt und mitunter im Maschinen- und Anlagenbau.

Wärme aus Schneidzone abführen

Die zu fertigenden Gewindewellen sollen eine hohe Oberflächengüte aufweisen. Um wirtschaftlich zu arbeiten, muss der Fertigungsbetrieb prozesssicher bei kurzen Bearbeitungszeiten die Durchmesser, das Gewinde und die Einstiche fertigen. Dabei erweisen sich vor allem die – wegen der Zähigkeit – langen Späne als ungünstig. Zudem beansprucht die Wärme, die nicht über die Späne abgeführt wird, die Drehwerkzeuge besonders stark. Temperaturen bis 1200° C in der Schneidzone verursachen starken Verschleiss. Das vermindert die Standzeiten der Werkzeuge. Der Fertigungsprozess ist nicht sicher. Verbessern lässt er sich mithilfe grosser Mengen optimal zugeführtem Kühlschmierstoff.

Auf Werkstoff optimierte Werkzeuge

Weil beim Drehen der Titanlegierung die Wärme vor allem über die Schneide und den Kühlschmierstoff abgeführt werden muss, wird ein kleiner Teil der Schneide extrem stark thermisch und mechanisch beansprucht. Hochpositive Geometrien der Wendeschneidplatten vermindern den Schnittdruck und somit die mechanische Beanspruchung der Schneiden. Polierte Spankammern, bei Bedarf mit einer passenden Beschichtung, minimieren die Reibung zwischen Spänen und Werkzeug. Das vermindert die Wärmeentwicklung beim Zerspanen. Zusätzlich kann man die Wärme über eine optimale Kühlmittelzufuhr aus der Schneidzone austragen. Alle diese Prozessparameter bewirken, dass die Werkzeuge weniger beansprucht werden und somit längere Standzeiten erreichen. Um produktiver zu arbeiten, kann man die Schnittgeschwindigkeiten erhöhen.

Allerdings erweisen sich die zähen, nicht brechenden Späne als ungünstig. Um diese besser abzuführen, kann man die Drehrichtung umkehren und das Werkzeug «überkopf» einsetzen. Dann laufen die Späne nach unten ab und neigen deutlich weniger dazu, sich um die Werkstücke, das Spannfutter und die Werkzeuge zu wickeln. Das erhöht die Prozesssicherheit.

Spezialisierter Werkzeughersteller

Werkzeughersteller wie die Karl-Heinz Arnold GmbH (Arno) haben ein umfassendes Programm an geeigneten Werkzeugen zum prozesssicheren und wirtschaftlichen Bearbeiten von Titan und seinen Legierungen. Zudem verfügen sie über weitreichende Erfahrungen bei Fertigungsprozessen. Sie können also Anwender qualifiziert beraten, um die optimalen Bearbeitungsstrategien und Werkzeuge zu wählen. Hochpositive Wendeschneidplatten haben sich beim Bearbeiten von Aluminium als besonders günstig erwiesen. Sie sind scharf genug, um die Schnittkraft niedrig zu halten. Je nach Forderungen sind ihre Kanten verrundet und verfügen so über eine hohe Kantenstabilität. Gegen den Wärmeeintrag beim Bearbeiten von Titan schützen passende Hightech-Beschichtungen. Beispielsweise die negativen Wendeschneidplatten der Geometrien EX, NFT, NMT und NMT1 des Werkzeugherstellers Arno eignen sich für leichtere Zerspanung bis zum Schruppen. Für mittelschwere Bearbeitung von Superlegierungen sind die positiven Wendeschneidplatten der Geometrien PSF und PMT1 ausgelegt. Die Schneiden sind besonders zäh sowie beständig gegen Kerbverschleiss und hohe Temperaturen. Spezielle Spanleitgeometrien sorgen für eine hervorragende Spankontrolle und tragen zu einer hohen Prozesssicherheit bei. - kmu - SMM

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