Zerspanen von Titan: Ganzheitliches Prozessverständnis für optimale Bearbeitungsergebnisse Titanzerspanung: (Un-)wirtschaftliche Schnittwerte

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Das Zerspanen von Titan unterscheidet sich grundlegend von der Bearbeitung von Guss oder Stahl. Für wirtschaftliche Ergebnisse müssen Werkzeugtechnologie und Prozess optimal ausgelegt sein. Mit seinem ganzheitlichen Verständnis um die Gesamtzusammenhänge in der Zerspanung von Titan ist Mapal in der Lage, dieses Optimum aus Präzision und Wirtschaftlichkeit zu identifizieren.

Die Materialeigenschaften von Titan werden in vielen Bereichen wie etwa Luftfahrt, Automobilbau und Medizintechnik geschätzt. Für die Zerspanung ist der Werkstoff eine Herausforderung. Ursache ist dessen extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit.

60 Prozent der Wärme geht ins Werkstück

Zum Vergleich: Bei der Stahlbearbeitung verbleiben 10 Prozent der Temperatur im Werkstück, 15 Prozent führen zu einer Belastung am Schneidwerkzeug und der weitaus grösste Teil mit 75 Prozent der Wärme wird in die Späne geleitet und mit diesen abtransportiert. Bei Titan ist das komplett anders. Hier nehmen die Späne lediglich 25 Prozent der Wärme auf. Der Löwenanteil von 60 Prozent geht ins Werkzeug und verursacht eine hohe thermische Belastung der Schneide beziehungsweise des Schneidstoffes. Das führt zu erheblich geringeren Standzeiten. Die Schneidstoffkosten rücken damit in den Vordergrund.

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Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf den Verschleiss

Zu niedrige Schnittgeschwindigkeiten führen zu Adhäsion, also einem Aufkleben des Materials. Bei zu hohen Schnittgeschwindigkeiten steigt das Risiko von Abrasion beziehungsweise tribochemischem Verschleiss steil an, der Schneidstoff verbrennt. Ein Indikator für den Zustand der Schneide ist die Verschleissmarkenbreite.

In einem stationären Bereich wächst sie langsam und kontinuierlich an. Wird dieser Bereich überschritten und die Bearbeitung gelangt in den instationären Bereich, kommt es zu einem schnellen und unkalkulierbaren Versagen der Werkzeugschneide. Das passiert, wenn die Schnittgeschwindigkeit oder der Vorschub zu hoch gewählt wurden. Bis zu 100 Prozent Standzeitunterschied liegen zwischen dem stationären und dem instationären Bereich.

(In-)Stationärer Bereich der Verschleissmarkenbreite

Für den Aussendienst von Mapal ist es sehr wichtig, Prozesse mit einzufahren, die Verschleissmarkenbreite zu kontrollieren und dem Kunden aufzuzeigen, wann das Ende des stationären Bereiches erreicht ist, für ein prozesssicheres Optimum der Maschinenlaufzeiten. In der Regel wird bei einem Verschleiss von etwa 0,2 mm empfohlen, das Werkzeug zu wechseln. Ein Hartmetallfräser ist dann noch nachschleifbar, bei höherem Verschleiss nicht mehr.

Das Prozesswissen um die Titanbearbeitung hat Mapal in die Entwicklung seiner Werkzeugtechnik einfliessen lassen. Im Fokus stehen dabei die Verschleisskriterien und ihre Beeinflussung auch über den am besten geeigneten Schneidstoff hinaus.

Für eine optimale Wärmebeständigkeit setzt Mapal auf innovative Schneidstoffe, also ausgewählte Hartmetallsorten und abgestimmte Beschichtungen, die eine möglichst geringe Reibung erzeugen. Die Mikro- und Makrogeometrie mit extrem positiven Werkzeuggeometrien, polierten Spanflächen und Massnahmen der effizienten Kühlung stellen die Weichen für eine wirtschaftliche Zerspanung. Doch ist das sorgfältige Austarieren der Schnittwerte für die Kosten einer Titanbearbeitung unerlässlich.

Schneller führt nicht zu geringeren Kosten pro Bauteil

Bei der Bearbeitung von Stahl und Guss stehen höhere Schnittgeschwindigkeiten vielfach für höhere Produktivität und niedrigere Gesamtkosten, die sich aus Maschinenkosten und Schneidstoffkosten zusammensetzen. Die Maschinenkosten werden immer geringer, je schneller und effizienter die Maschine bearbeitet.

Dabei steigen zwar die Schneidstoffkosten an, ein Optimum der Gesamtkosten stellt sich trotzdem bei einer relativ hohen Schnittgeschwindigkeit ein. Bei Titan hingegen sind höhere Schnittgeschwindigkeiten nicht zielführend. Tobias Gräupel, Technical Expert Indexable Tools bei Mapal, belegt dies mit einer Wirtschaftlichkeitsberechnung, die die Schnittwerte von Titanbearbeitungen unter Kostengesichtspunkten optimiert.

Untersuchung bringt interessante Erkenntnisse

Betrachtet wird eine Fräsbearbeitung mit einem vierschneidigen «NeoMill-Titan-2-Corner», der mit einer Schnitttiefe von 4 mm und einer Eingriffsbreite von 24 mm in TiAl6V4 zerspant. Die Untersuchung verschiedener Kombinationen von Vorschüben und Schnittgeschwindigkeiten führt zu einer eindeutigen Empfehlung, was die Arbeitswerte für Titanbearbeitungen angeht.

Erhöhung Schnittgeschwindigkeit – Kosten explodieren

Ein Vergleich: Bei der Zerspanung eines Bauteils aus Stahl brachte die Verdoppelung der Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min auf 400 m/min eine Gesamtkosteneinsparung pro Bauteil um 24 Prozent. In der Fertigung eines Werkstücks aus Titan hat die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit von 32 m/min auf 50 m/min eine Kostensteigerung um 259 Prozent zur Folge.

«Die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit macht sich in den Gesamtkosten deutlich bemerkbar. Die Kosten explodieren regelrecht», kommentiert Gräupel das Ergebnis. Das Kostenoptimum erreicht eine Bearbeitung mit hohen Vorschüben und niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. Würde man hingegen zu den hohen Vorschüben auch die Schnittgeschwindigkeiten maximieren, ergäben sich mehr als viermal so hohe Kosten.

«Speziell bei grösseren Losgrössen sind solche Wirtschaftlichkeitsberechnungen unerlässlich», unterstreicht Gräupel. Schliesslich sind bei der Fertigung grosser Stückzahlen die Gesamtkosten massgeblich für Investitionsentscheidungen. Unwirtschaftliche Schnittparameter lassen in Titan die Gesamtkosten explodieren, erst die Kombination von innovativer Werkzeugtechnologie und optimaler Prozessauslegung führt zu einem perfekten Ergebnis. Mit diesem Know-how unterstützen die technischen Berater von Mapal die Fertigungsverantwortlichen, um unabhängig von Bearbeitung und Produktionslosgrösse das Optimum zu erzielen.

(böh)

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