Werkzeuge auf Höhenflug

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Besonderheiten wegen Sicherheitsbestimmungen

Überdies gibt es weitere Besonderheiten bedingt durch Sicherheitsbestimmungen. Viele Herstellprozesse unterliegen strengen Fertigungsvorschriften. Oft sind die Schnittwerte oder die Beschichtungen der Werkzeuge vorgegeben. Labors kontrollieren mit grossem Aufwand den Zustand der Bauteile, ob es z.B. unter dem Druck der Werkzeugschneide zu unerwünschten Gefügeveränderungen gekommen ist. Folglich steht für den Zerspaner die Prozesssicherheit ganz oben. Denn bei Ausschuss wird es angesichts der exotischen Werkstoffe und aufwändigen Bearbeitungen teuer.

Angesichts dieser Randbedingungen kann an den Produktivitätsschrauben nur mit Fingerspitzengefühl gedreht werden. Auf der anderen Seite sind Produktivitätssteigerungen dringend notwendig, bedenkt man die Kapazitätssituation innerhalb der Branche: Der Bedarf an neuen Flugzeugen ist sehr hoch. Die verfügbaren Fertigungskapazitäten reichen kaum aus. Um freiwerdende Maschinenkapazitäten wird daher intensiv gekämpft.

Mix aus Sonderlösungen und Standardtechnologien

Bernard Jageneau, EA-Manager für den Bereich Aerospace Engineering beim Tübinger Werkzeughersteller Walter, ist Spezialist für die Gratwanderungen zwischen Produktivität und Fertigungsvorschriften. Er betont: «In vielen Fällen geht es nicht ohne Sonderlösungen. Das gilt vor allem für den Triebwerkbereich.» Ein Trend, so Jageneau weiter, sei die Ausarbeitung kompletter Bearbeitungslösungen. Die Hersteller von Flugzeugteilen setzen verstärkt auf Werkzeuglösungen aus einer Hand.

Bearbeitung eines Laufrades aus Ti6Al4V

Ein Beispiel für eine Sonderlösung: Zum Werkzeugsatz zur Bearbeitung eines Laufrades aus Ti6Al4V gehört auch ein Vollhartmetallfräser mit 16mm Durchmesser und relativ hoher Zähnezahl 5. Der Werkzeughersteller produzierte den Fräser aus einem speziellen Hartmetall - und zwar ohne Beschichtung. Eine Beschichtung war bei dieser Bearbeitung nicht zulässig (Bild 1).

Hartmetall löst HSS ab

Aufgrund der Vorschriften werden die Herstellprozesse häufig über Jahre eingefroren. Daher kommt es bei Ratioprojekten oft zur Ablösung älterer HSS-Werkzeuge durch moderne Hartmetallnach-folger. Ein HSS-Fräser (D=30mm, Z=5) wurde beispielsweise für das Taschenfräsen an einem Triebwerkteil für den A320 aus Inconel 718 eingesetzt.

Walter löste das Werkzeug durch einen Sonderwendeplatten-Fräser F3038 (D=32mm, Z=3) ab. Der Schneidstoff der Wendeplatten war ebenfalls eine Sonderanfertigung. Die Produktivitätssteigerung durch den Umstieg von HSS auf Hartmetall ist enorm: Im beschriebenen Fall wurde eine Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit von 80% erreicht.

Neue Schneidstoffe

Gerade bei den Schneidstoffen und Beschichtungen hat sich in den letzten Jahren einiges getan. Zu den bedeutendsten Entwicklungen aus Tübingen zählen zweifellos die neuen PVD-Tigertec-Qualitäten («PVD-Tiger»). Inzwischen stehen entsprechende Wendeplatten sowohl für das komplette Fräserprogramm des Unternehmens wie auch für das Drehen zur Verfügung. Das Besondere bei der Herstellung ist die Abscheidung der Aluminiumoxid-Hartschicht nach dem PVD-Verfahren. Bevor Walter dieser Durchbruch gelang, war das Verfahren auf nitridische Hartstoffe beschränkt.

PVD-beschichtete Wendeplatten mit enormer Zähigkeit

Nach dem PVD-Verfahren beschichtete Wendeplatten verfügen über eine enorme Zähigkeit. Das Aluminiumoxid sorgt gleichzeitig für eine hohe Härte bzw. Warmverschleissfestigkeit. Die Kombination beider Eigenschaften ist besonders bei der Bearbeitung von hochwarmfesten Materialien erwünscht.

Auch hierzu ein Beispiel: Nach dem Drehen eines Laufrades aus Inconel 713LC mit stark unterbrochenem Schnitt zeigte die Wendeplatte (PVD-Tigertec-Qualität WSM30) nur minimalen Verschleiss (Bilder 2, 3). Ein herkömmlicher Vergleichsschneidstoff für derartige Werkstoffe erreichte nach gleicher Eingriffszeit bereits das Standzeitende.

Bei Fräsern kleiner 50mm Durchmesser sind in den meisten Fällen aus Gründen der guten Performance Vollhartmetallfräser wie der Prototyp Protostar Ti40 erste Wahl. Das Werkzeug ist für Schrupp- und Schlichtaufgaben geeignet. In seiner aktuellen Version präsentiert sich der innengekühlte Fräser als Benchmarkwerkzeug für die Titanbearbeitung.

Titanzerspanung: mit 1,5xD und 80m/min ins Volle

Die Entwickler verbesserten die Feinabstimmung des Werkzeugs für die Zerspanung modernster Legierungen: Es wurde ein neues Hartmetallsubstrat entwickelt, eine neue Beschichtung (AlCrN) und eine optimierte Mikrogeometrie; der Schaft wurde für eine hohe Drehmomentübertragung speziell behandelt. So ausgestattet erlaubt der Ti40 Zerspanungsraten an der Grenze des Machbaren.

Dazu gehört beispielsweise das Vollnutfräsen bis 1,5xD bei Schnittgeschwindigkeiten bis 80m/min in Werkstoffen wie TiAl6V4. «Die exakte Feinabstimmung auf die neuen Werkstoffe ist ein Trend bei Standardwerkzeugen», meint Bernard -Jageneau. «Da wir es künftig mit immer schwieriger zu bearbeitenden Werkstoffen zu tun haben, Beispiel Ti5553, sind zunehmend genau abgestimmte Werkzeuge gefragt.»

Bearbeitung der Landeklappenmechanik

Ein weiteres Beispiel: Für die Herstellung so genannter Flaptracks aus TiAl6V4, das sind Teile zur Landeklappenmechanik, kam lange Zeit ein Wendeplattenfräser mit 50mm Durchmesser und Z=5 zum Einsatz. Die Walter Aerospace Group stellte den Prozess auf den Protostar Ti40 mit 16mm Durchmesser und Z=4 um. Das Zeitspanvolumen konnte von 25cm3/min auf über 90cmm3/min gesteigert werden. Das Beispiel zeigt, wieviel Performance in dem VHM-Werkzeug mit

Sicheres Gewinden per Orbitalfräser

Zu den letzten Bearbeitungsprozessen zählt üblicherweise das Gewinden. Gerade bei Flugzeugteilen ist die Herstellung von Gewinden oft eine heikle Angelegenheit. Bleibt das Werkzeug im harten Material stecken, ist das Bauteil in der Regel Ausschuss.

Aufgrund der Fertigungsvorschriften sind Reparaturen per Funkenerosion kaum möglich, da mit unzulässigen Gefügeveränderungen zu rechnen wäre. Gefragt sind folglich äusserst prozesssichere Gewindewerkzeuge. Der Tübinger Werkzeughersteller begegnet dieser Forderung unter anderem mit den neuen Orbital-Gewindefräsern aus Vollhartmetall. Diese Werkzeuge sind für Gewinde von M1.6 bis -M12 und Gewindetiefen bis 2xD und 3xD verfügbar.

Gewindefräsen im Rückwärtsgang

Eine spezielle Frässtrategie für den Einsatz auf Maschinen mit 3D-CNC-Steuerung sorgt für höchste Qualität und Prozesssicherheit, gerade auch bei klemmenden Werkstoffen wie Titanlegierungen: Das Werkzeug taucht auf Gewindetiefe ins Kernloch ein und fräst, einer Helixkurve folgend, quasi im Rückwärtsgang.

Das Ergebnis ist ein auf voller Länge lehrenhaltiges Gewinde. Im Vergleich zu HSS-Gewindebohrern sind mit den Orbitalgewindefräsern teilweise zehnmal höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich. Die Standmenge liegt ebenfalls zehn- bis zwanzigmal höher. Ein Gewinde ist in wenigen Sekunden fertig. Ein besonderes Schmierkühlmittel ist nicht notwendig, die Gewindefräser erreichen diese Performance mit herkömmlicher Emulsion. Damit der Programmierer bei der Umsetzung der Strategie Zeit spart, liefert das Unternehmen das Rohprogramm zusammen mit der Software TEC/CCS. Diese Software bietet darüber hinaus eine vielfache Unterstützung bei der Werkzeug- und Schnittdatenauswahl für die unterschiedlichsten Prozesse. In der Datenbank sind die Werkstoffdaten vieler im Aerospace-Bereich verwendeter Materialien hinterlegt.

Orbitalgewindefräser für Gewindehülsen

Für die Herstellung von Gewindehülsen aus Ti99,5 lieferte Walter die Orbital-Gewindefräser in einer Sonderausführung für Gewinde 10-30UNF-3B mit der beachtlichen Tiefe 5xD (20mm). Der Fräsprozess wurde auf zwei Schnitte aufgeteilt. Die Standzeit belief sich auf 1700 Gewinde. Trotz der grossen Gewindetiefe erfolgte keine Abdrängung des Werkzeugs. Die Ergebnisse waren absolut lehrenhaltig. Ein Leerschnitt erübrigte sich ebenfalls.

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