Bearbeiten hitzebeständiger Superlegierungen (HRSAs) Zerspanung temperaturbeständiger Turbinenkomponenten

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Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 keine Treibhausgasemissionen mehr zu verursachen, berichtet die LA Times. Doch strengere Emissionsvorschriften setzen bei neuen Triebwerkstypen höhere Betriebstemperaturen voraus, sodass zunehmend auch andere Werkstoffe wie hitzebeständige Superlegierungen (HRSAs) zum Einsatz kommen müssen. Die Zerspanung von HRSA-Triebwerkskomponenten stellt Fertigungsunternehmen allerdings vor Herausforderungen. Sébastien Jaeger, Industry Solution Manager Aerospace bei Sandvik Coromant, erklärt, warum eine ausgewogene Gesamtstrategie, die Maschine, Werkzeuge, Geometrien und Werkzeugmaterialien umfasst, unerlässlich ist. Mit der jüngsten Fräserentwicklung «Coromill Plura Barrel» konnten Anwender die Produktivität für HRSA-Komponenten erheblich steigern (siehe Kasten «Ausserdem»).

HRSA-Materialien sind die wichtigsten Werkstoffe für Verdichter- und Turbinenbauteile von Flugzeugtriebwerken. Für diese Anwendungen werden in erster Linie nickelbasierte Werkstoffe wie Inconel, Waspaloy und Udimet verwendet. Die Eigenschaften von HRSA-Materialien sind jedoch je nach Zusammensetzung und Herstellungsverfahren sehr unterschiedlich. Insbesondere die Wärmebehandlung ist wesentlich, da ein ausgehärtetes bzw. «gealtertes» Bauteil eine doppelt so hohe Härte aufweisen kann wie ein weichgeglühtes oder unbehandeltes Werkstück.

Die verschärften Emissionsvorschriften erfordern bei neuen Triebwerkstypen höhere Betriebstemperaturen und für die am meisten belasteten Bauteile neuartige Werkstoffe. Als Reaktion auf diese Herausforderungen steigt der Gesamtanteil an HRSA-Materialien in einem Flugzeugtriebwerk im Vergleich zu anderen Werkstoffen.

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Den enormen Vorteilen der HRSA-Materialien im Betrieb stehen jedoch auch einige Schwierigkeiten bei ihrer Zerspanung gegenüber. So führt die hohe Temperaturbeständigkeit zu hohen Schnittkräften, die geringe Wärmeleitfähigkeit und die hervorragende Härtbarkeit zu hohen Bearbeitungstemperaturen und die Kaltverfestigungstendenz zu Kerbverschleiss.

Turbinenscheiben, Gehäuse, Blisks und Wellen

Turbinenscheiben, Gehäuse, Blisks und Wellen sind anspruchsvolle Werkstücke – viele von ihnen sind dünnwandig und weisen komplexe Formen auf. Diese sicherheitskritischen Triebwerkskomponenten müssen strenge Qualitäts- und Masshaltigkeitskriterien erfüllen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Bearbeitung sind eine leistungsfähige Maschine, stabile Werkzeuge, Hochleistungswendeschneidplatten und eine optimale Programmierung.

Die gängigen Bearbeitungsmethoden sind unterschiedlich: Üblicherweise werden Scheiben-, Ring- und Wellenteile gedreht, während Gehäuse und Blisks häufig gefräst werden.

Die Bearbeitung wird grundsätzlich in drei Stufen unterteilt: In der ersten Bearbeitungsstufe (First Stage Machining, FSM) erhält ein gegossener oder geschmiedeter Rohling seine Grundform. Das Werkstück befindet sich in der Regel in einem weichen Zustand (mit einer typischen Rockwell-Härte von etwa 25 HRC), weist aber häufig eine raue, ungleichmässige Oberfläche oder Mass auf. Das Hauptaugenmerk liegt auf einer guten Produktivität und einem effizienten Materialabtrag.

Zwischen der ersten und der zweiten Bearbeitungsstufe (Intermediate Stage Machining, ISM) wird das Werkstück wärmebehandelt, sodass es bereits einen deutlich härteren Zustand erreicht – normalerweise 36–46 HRC. Das Bauteil erhält seine endgültige Form, nur noch ein Restaufmass für die Endbearbeitung wird belassen. Auch hier liegt der Fokus auf der Produktivität, aber auch die Prozesssicherheit ist wichtig.

Rissbildung: keine Oberflächenfehler erlaubt

Die endgültige Form und Oberflächengüte wird in der letzten Bearbeitungsstufe (Last Stage Machining, LSM) erzeugt. Die wichtigsten Kriterien sind die Oberflächengüte, genaue Masstoleranzen und die Vermeidung von Verformungen und übermässige Eigenspannungen. Bei kritischen rotierenden Bauteilen sind die Ermüdungseigenschaften absolut entscheidend und lassen keinen Raum für Oberflächenfehler, die eine Rissbildung auslösen könnten. Die Zuverlässigkeit von kritischen Teilen wird durch die Anwendung eines bewährten, zertifizierten Bearbeitungsprozesses gewährleistet.

Zu den generellen Anforderungen an Wendeschneidplatten gehören neben einer guten Kantenfestigkeit eine hohe Adhäsion zwischen Substrat und Beschichtung. Während negative Grundformen für eine hohe Festigkeit und Wirtschaftlichkeit sorgen, sollte die Geometrie positiv sein.

Bei der Bearbeitung von HRSA-Materialien sollte ausserdem immer ein Kühlmittel verwendet werden. Keramische Wendeschneidplatten erfordern eine grosse Kühlmittelmenge, während bei Hartmetall die Genauigkeit des Kühlmittelstrahls auf die Schneidkanten entscheidend ist. Ein hoher Kühlmitteldruck bietet beim Einsatz von Hartmetallplatten weitere Vorteile, darunter eine längere Werkzeugstandzeit und eine effiziente Spankontrolle.

Die Bearbeitungsstufen im Überblick

Die Bearbeitungsparameter variieren je nach den Bedingungen und dem Werkstoff. Während der ersten Bearbeitungsstufe wird eine gute Produktivität vor allem durch hohe Vorschubgeschwindigkeiten und grosse Schnitttiefen angestrebt. In der zweiten Bearbeitungsstufe werden häufig keramische Wendeschneidplatten für höhere Geschwindigkeiten eingesetzt. In der Endphase liegt der Schwerpunkt auf der Qualität, weshalb die Schnitttiefe gering ist. Da eine hohe Schnittgeschwindigkeit die Oberflächenqualität beeinträchtigen kann, werden zum Schlichten in der Regel Hartmetall-Wendeschneidplatten eingesetzt.

Eine scharfe Schneidkante

Plastische Verformung und Kerbverschleiss sind die typischen Verschleissmechanismen bei Hartmetall-Wendeschneidplatten, während bei Keramik am häufigsten ein Verschleiss der obersten Schicht auftritt. Die Anfälligkeit für plastische Verformung wird durch eine Erhöhung der Verschleissfestigkeit und der Warmfestigkeit verringert.

Eine positive Geometrie und eine scharfe Kante sind ebenfalls wichtig, um die Wärmeentwicklung und die Schnittkräfte zu verringern. Zu den Massnahmen gegen Kerbverschleiss an der Hauptschneide gehören ein kleiner Eintrittswinkel, beispielsweise durch Verwendung einer quadratischen oder runden Wendeschneidplatte, oder eine Schnitttiefe, die geringer ist als der Schneidenradius.

Verschleissunterschiede: PVD- und CVD-Beschichtung

PVD-beschichtete Wendeschneidplatten sind widerstandsfähiger gegen Kerbverschleiss an der Hauptschneide, während eine CVD-beschichtete Wendeschneidplatte einen besseren Widerstand gegen Kerbverschleiss an der Hinterschneide aufweist. Beim Schlichten kann der Kerbverschleiss an der Hinterschneide die Oberflächengüte beeinträchtigen.

Fazit

Die effiziente Zerspanung von Triebwerkskomponenten aus HRSA-Materialien erfordert eine ausgewogene Gesamtlösung, bei der insbesondere Faktoren wie die Werkstückbeschaffenheit, das Werkzeugmaterial und die damit verbundenen Schnittdatenempfehlungen, der Kühlmitteleinsatz sowie optimierte Bearbeitungsstrategien berücksichtigt werden sollten. Auf diese Weise können Fertigungsunternehmen dazu beitragen, das Ziel der Luft- und Raumfahrtindustrie zu erreichen, die Treibhausgasemissionen bis 2050 auf null zu senken.

Zykluszeiten um bis zu 90 Prozent reduziert

Sandvik Coromant bringt mit dem «Coromill Plura Barrel» eine neue Produktreihe optimierter Vollhartmetallfräser speziell für das Profilfräsen auf den Markt. Die neue Lösung bietet hohe Prozesssicherheit, signifikante Produktivitätssteigerungen und Zykluszeitreduzierungen von bis zu 90 Prozent und eignet sich damit besonders für die Luft- und Raumfahrtindustrie und andere Branchen mit hohen Anforderungen.

Der «Coromill Plura Barrel» ist eine Erweiterung des umfassenden Schaftfräserprogramms für das ISO-S-Profilfräsen, das den «Coromill Plura»-Kugelschaftfräser, den «Coromill Plura Lollipop»-Fräser und den «Coromill Plura»-Fräser mit konischem Kugelschaft umfasst. Das neue Werkzeug bietet ein neues Bearbeitungsprinzip für Profilfräser – Hauptmerkmale sind eine Schaftform mit einem Barrel-Radius und bis zu sechs optimierten Schneiden, die das Werkzeug zu einer idealen Ergänzung des Produktprogramms machen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungsstrategien mit Kugelschaftfräsern ist der «Coromill Plura Barrel» insofern vorteilhaft, als er mit einem grösseren Kontaktradius arbeitet. Dieses Design ermöglicht eine Reduzierung der Zykluszeit um bis zu 90 Prozent durch die Erhöhung der Zustellung, was nicht nur die Bearbeitungseffizienz durch eine deutliche Steigerung der SRR (Surface Removal Rate) verbessert, sondern auch eine hervorragende Oberflächenqualität gewährleistet.

Das optimierte Barrel-Design führt zu einer geringeren Spitzenhöhe zwischen den Durchgängen und damit zu besseren Oberflächengüten und geringerer Oberflächenrauheit. Die Stabilität und Prozesssicherheit der Barrel-Fräser machen sie trotz höherer Kräfte zur idealen Wahl für präzise Oberflächen bei anspruchsvollen Profilfräsanwendungen.

«Der ‘Coromill Plura’ Barrel ist ideal für Anwendungen, bei denen es auf Präzision und hohe Oberflächengüte ankommt», sagt Liam Haglington, Produktmanager für VHM-Fräswerkzeuge bei Sandvik Coromant. «Sein grosser Schneidkantenradius ermöglicht grössere Zustellungen und kürzere Zykluszeiten, was die Produktivität beim Abtragen grosser Materialmengen erhöht. Der grosse Barrel-Radius macht ihn ideal für die Bearbeitung grosser, komplexer Konturen und 3D-Formen, während gleichzeitig die Aufrauhung bei geringen Schnitttiefen minimiert wird.»

Das Werkzeug eignet sich besonders für anspruchsvolle Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt, wo Bauteile wie Triebwerksblisks komplexe Geometrien und anspruchsvolle Materialien aufweisen. Aber auch in anderen herausfordernden Bereichen wie der Medizintechnik, der Öl- und Gasindustrie und der Energieerzeugung verbessert es das Profilfräsen.

Sandvik Coromant hat eine Reihe von werkstoffspezifischen Sorten entwickelt, darunter T2CH für Titanlegierungen und R2AH für hitzebeständige Superlegierungen (HRSA), die beide mit Sandvik Coromants «Zertivo 2.0»-PVD-Beschichtung für verbesserte Haltbarkeit und Verschleissfestigkeit ausgestattet sind. Für Kunden mit speziellen Grössen- und Durchmesseranforderungen kann das Werkzeug durch den «Tailor Made»-Service von Sandvik Coromant angepasst werden, während die «Coroplus»-Tool-Guide-Plattform die Anwendungsanforderungen mit fachkundiger Werkzeugberatung weiter unterstützt.

«Die bisherigen Ergebnisse belegen die Zuverlässigkeit und Produktivität des Werkzeugs», so Haglington. «Bei einem Kunden, der eine Motorblisk aus Inconel bearbeitete, führte die Bearbeitungsstrategie mit dem 'Coromill Plura Barrel' zu einer Reduzierung der Zykluszeit um mehr als 40 Prozent. Bei einer Bearbeitungszeit von 88 Minuten wurde eine um 50 Prozent höhere Werkzeugstandzeit im Vergleich zur bestehenden Lösung des Kunden erreicht. In einem anderen Fall, diesmal bei der Bearbeitung einer Titanblisk, sparte der Kunde durch den Einsatz des neuen Werkzeugs im Vergleich zur konischen Kugelschaftlösung eines Wettbewerbers mehr als 90 Minuten Bearbeitungszeit ein.»

(böh)

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