Forschungsprojekt zur Titanbearbeitung
Ziel: mehr Produktivität
Nicht zuletzt die Luft- und Raumfahrt sind wesentliche Taktgeber für den stetigen Erfolg von Titanlegierungen. Allerdings braucht es für eine ausgewogene Produktivität beim Schruppfräsen des schwer zerspanbaren Materials ein hohes Maß an Know-how. Daher rief das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover auf Wunsch eines großen Zerspaners ein multilaterales Forschungsprojekt ins Leben. In Zusammenarbeit mit den Beschichtungsexperten der CemeCon AG aus Würselen und weiteren Unternehmen aus der Werkzeugindustrie sowie einem Anwender entstand ein optimiertes Werkzeugkonzept zum Schruppen der Titanlegierung Ti64 (Ti-6Al-4V).
Geringes Gewicht, hohe Festigkeit, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und gute elektrochemische Verträglichkeit mit CFK machen Titan und Titanlegierungen zu idealen Konstruktionsmaterialien für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Doch gerade diese attraktiven Charakteristika bringen bei der Bearbeitung oftmals großen Katzenjammer: Denn gleichzeitig verschlechtern sie neben Eigenschaften wie reduzierter Wärmeleitfähigkeit, niedrigem Elastizitätsmodul, Lamellenspan- und Adhäsionsbildung die Zerspanbarkeit. Insbesondere die Neigung zu Adhäsionen lässt Werkzeuge frühzeitig versagen. Dabei fordern die Bauteile oft ein großes Zerspanvolumen bei hohen Werkzeugstandzeiten, da die Wandstärken sehr dünn und die Formen extrem komplex sind.
„In unserem speziellen Anwendungsfall, dem Fräsen von Türspanten, setzten wir β-geglühtes Ti64 ein. Gerade diese Variante ist noch fester als manche ihrer Geschwister. Um dennoch die Produktivität zu verbessern, war es einmal mehr nötig, den gesamten Fräsprozess aus sämtlichen Perspektiven zu betrachten: Werkzeugmakro- und -mikrogeometrie, Substratwerkstoff, Kühlschmiermittelzufuhr und Beschichtung“, erläutert Dipl.-Ing. Dennis Nespor, Leiter Abteilung Zerspanung am IFW.
So ergab das Forschungsprojekt unter anderem, dass das Hartmetall so hart und zäh wie möglich sein muss, um optimale Ergebnisse zu erreichen. Weiterhin wurde die Werkzeuggeometrie um weitere, besonders scharfe Schneiden ergänzt. Ein zentrales-dezentrales Kühlkonzept wurde ebenfalls für das Werkzeug implementiert.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil im Gesamtkonzept ist die Beschichtung. Manfred Weigand, Produktmanager Round Tools bei CemeCon: „Wir haben verschiedene Schichtsysteme und Präparationsprozesse getestet. Unsere leistungsstarke Beschichtung HARDLOX hob sich ganz klar von den anderen Schichten ab – zum Beispiel im Vergleich des Freiflächenverschleißes.“ Durch die Herstellung im innovativen HiPIMS-(High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Verfahren vereint sie extreme Härte, sehr glatte Oberflächen, mechanische Belastbarkeit, hervorragende Schichthaftung und hohe Zähigkeit.
„So konnten wir die Standzeit um 85 Prozent gegenüber unbeschichteten Werkzeugen steigern und gegenüber anderen beschichteten Varianten bei gleicher Standzeit die Produktivität um 30 Prozent erhöhen. Ein weiteres Plus: Dank der geringen Rauheit wurden zudem Kaltaufschweißungen deutlich reduziert“, ergänzt Manfred Weigand. Noch weiter verringerte eine adhäsionsmindernde Deckschicht diese Kaltaufschweißungen und führte so zu 40 Prozent weniger Ausbrüchen bei gleicher Einsatzzeit. Der Grund dafür ist das verbesserte Reibungsverhalten an der Spanfläche.
Prof. Berend Denkena, Leiter des IFW: „Das Ergebnis kann sich sehen lassen. Im Zusammenspiel aller Faktoren konnten wir die Produktivität des Bearbeitungsprozesses nahezu verdoppeln und die Kosten deutlich reduzieren. Damit gewinnen alle Beteiligten: Der Hartmetall-, der Werkzeughersteller, der Beschichter und der Anwender sowieso.“
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