Bild 3: Die Horn-Versuchswerkzeuge: Tangential-Schaftfräser M409, VHM-Gesenkfräser für Blisks, zwei VHM-Schaftfräser für die Bearbeitung von Titan (von links).

Zeitspanvolumen bei Titan verdoppelt

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Bild 4: Ein neuer Fräser erzeugt bei Versuchsbeginn Späne mit glatter Scherkante.

Werkstoffe wie Titan und Nickel-Basis-Legierungen sind schwer zu zerspanen. Der damit verbundene hohe Werkzeugverschleiss, besonders bei grossen und komplexen Integralteilen des Flugzeugbaus, stellt die Fertigungstechnik vor grosse Herausforderungen.
Ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Projekt «SchwerSpan» stellte sich deshalb Mitte 2014 die Aufgabe, das Zeitspanvolumen bei der Bearbeitung dieser Werkstoffe um bis zu 100 Prozent zu erhöhen. Einen entscheidenden Beitrag zum Gelingen des Projektes leisteten Werkzeuge der Firma Horn.
Um beim Hochleistungsfräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe den hohen Werkzeugverschleiss zu reduzieren, werden üblicherweise die Schnittparameter gesenkt. Diese Strategie verringert aber das Zeitspanvolumen. Auf dem Weg zum Forschungsziel «100 Prozent höheres Zeitspanvolumen» wurde deshalb der Werkstoff während der Zerspanung von einem Induktor erwärmt und dadurch entfestigt. Dem damit verbundenen höheren Wärmeeintrag in die Wendeschneidplatte begegnete man mit kryogener Kühlung. Sie reduziert die mechanische Belastung an der Schneide und verlängert dadurch die Einsatzzeit des Werkzeugs. Als Folge konnten die Technologieparameter erhöht und somit die Produktivität gesteigert werden.

Induktive Erwärmung und kryogene Kühlung
Ein Schwerpunkt des Forschungsvorhabens galt der Auslegung des induktiven Prozessverfahrens und der kryogenen Kühlung des Werkzeugs. Die Auswirkungen der induktiven Erwärmung und der kryogenen Kühlung auf die Wirkzone wurden in Form von Verschleissanalysen an den eingesetzten Schneidstoffen untersucht.
Bei der Werkstoffentfestigung erwärmt ein vom Induktor induzierter Wirbelstrom das Werkstück. Damit bietet sich – im Gegensatz zu der laserinduzierten Werkstoffentfestigung – die Möglichkeit, die Wärme flächig und in die Werkstücktiefe einzubringen. Deshalb empfiehlt sich diese Art der Erwärmung für Fräsanwendungen. Im Projekt SchwerSpan wählte man nach verschiedenen Versuchen eine Wirktiefe des Induktors von 6 mm.
Nach den Werkstoffkennwerten der Stahlhersteller weist ­Ti6Al4V bei etwa 100 °C eine spezifische Zugfestigkeit von 200 MPa (g/cm2) auf. Verfolgt man die Fliesskurve des Werkstoffs bis zu einer Temperatur von 500 °C, so reduziert sich die spezifische Zugfestigkeit auf etwa 125 MPa
(g/cm2). Für die Temperatur in der Zerspanzone wurde deshalb ein Grenzbereich von 150 bis 200 °C festgelegt und die Fräser unter Versuchsbedingungen bei 150 °C und einer spezifischen Zugfestigkeit 180 MPa (g/cm2) getestet.

Hartmetallschneidplatten aus unterschiedlichen Substraten
Um den Werkzeugverschleiss wie gewünscht reduzieren zu können, mussten die im Versuch verwendeten HM-Schneidplatten zuvor der hybriden Bearbeitung von Titan und Superlegierungen angepasst werden. Gegenüber den Schneidplatten zur Titanbearbeitung mit Kühlschmierstoff betrafen diese Änderungen besonders die Spanformgeometrie und die Beschichtung. Im hybriden Prozess testete man die Horn-Fräser mit den Hartmetallsorten AS4D, AS45 und AS4B. Alle drei Sorten sollten im kryogenen Einsatz ihre Zähigkeit beibehalten, aber durch eine höhere Härte überzeugen. Das bei den Versuchen erreichte Spanvolumen wurde mit den Erfahrungswerten aus der Zerspanung mit konventionellem Kühlschmierstoff verglichen. Dabei überzeugte vor allem die Sorte AS45. Sie erreichte im hybriden Prozess unter den genannten Versuchsbedingungen mit 4200 cm3 ein etwa 8-fach höheres Zerspanvolumen, ein Wert, der das Potenzial des neuen Verfahrens deutlich aufzeigt. Bemerkenswert war dabei, dass sich trotz der hohen Spanleistung die Schneiden des Fräsers ohne Schartenbildung sehr gleichmässig abnutzten. Erst eine im Grenzbereich gefahrene Überlast führte zu Schneidkantenausbrüchen und damit zum Standzeitende.

Spanformen und Beschichtung
Wie sich die Titanbearbeitung auf den Fräser und die Spanform auswirkt, zeigen die Bilder 4 und 5. Erzeugt ein neues Werkzeug Späne mit glatten Scherkanten, so zeigt sich zum Ende der Standzeit ein anderes Bild: An den Nebenschneiden des Fräsers sind Ausbrüche erkennbar und die Späne zeigen ausgefranste Scherkanten mit der Tendenz zu Wirrspänen. Um dieses Verhalten bei längerem Einsatz hinauszuzögern und die Verschleissfestigkeit zu erhöhen, kommt der Beschichtung grosse Bedeutung zu. Sie muss einen besonders homogenen und glatten Aufbau mit nanoskaliger Struktur aufweisen, da die reibungsmindernde Deckschicht die gegensätzlichen Anforderungen wie hohe Härte und geringe Rissanfälligkeit in Einklang bringen muss. Diese Eigenschaften erhalten Horn-Werkzeuge in Hochleistungsimpuls-Magnetronsputter-Anlagen. Das Beschichtungsverfahren erzeugt eine besonders enge Verbindung von Schicht und Substrat. Das Verhältnis von Schichthaftung zu Eigenspannung ist dadurch sehr ausgewogen.

Horn-Werkzeuge für SchwerSpan-Versuche
Das Erreichen des Forschungszieles stellte besondere Anforderungen an die Bearbeitung, beispielsweise an das flächige Schruppfräsen von Titan sowie an das Herstellen von tiefen Kavitäten in Blisks aus Inconel. Für diese Aufgaben kamen die neuen Horn-Entwicklungen wie der Tangential-Schaftfräser M409 Hybrid und die Vollhartmetallfräser DS-Ti zum Einsatz.
Das patentierte Frässystem M409 ist mit Schneidkreisdurchmessern von 32 und 40 mm als Schaftfräser sowie mit Ø 40, 50, 63 und 80 mm als Aufsteckfräser verfügbar. Seine Systemmerkmale sind die vierschneidigen, rhombischen, TiALN-beschichteten Wendeschneidplatten in nano-strukturierter Dünnschicht mit kleinsten Schneidkantenverrundungen. Sie gewährleisten einen besonders ruhig ­ablaufenden Fräsprozess, hohe Genauigkeiten und beste Oberflächen bei gleichzeitiger Verbesserung der Standzeit. Diese Eigenschaften basieren auf einem positiven Span- und Axialwinkel, ­einer Nebenschneide mit integrierter Schleppphase und einer zusätzlichen Freiflächenphase mit stabilem Keilwinkel. Bei den Ausführungen für konventionelle Kühlung unterstützt eine Innenkühlung durch den Halter, mit KSS-Austritt in Richtung Wirkstelle der Schneiden, die hohe Prozesssicherheit.
Die Baureihe der Vollhartmetall-Schaftfräser DS-Titan steht mit vier oder fünf Schneiden bei Schneidkreisdurchmessern von 2 bis 20 mm für Anwendungen bis 2xD und 3xD zur Verfügung. Ihre wichtigsten Merkmale sind besonders scharfe Schneiden, positive Spanwinkel, grosse Freiwinkel, polierte Schneiden und die Schneidstoffsorte TSTK mit hoher Temperaturbeständigkeit und geringer Wärmeeinleitung ins Sub­strat. Unterschiedliche Drallwinkel und Teilungen führen zu ­einem weichen Schnitt und verhindern Vibrationen. Spezielle Beschichtungen sorgen für eine gute thermische und chemische Beständigkeit auch beim Zerspanen mit hohen Schnittparametern.

Hohe Einsatzzeiten auch bei konventioneller Kühlung
Zum Abschluss des Forschungsvorhabens bewiesen Horn-Werkzeuge für die Titanbearbeitung ihr Leistungsvermögen bei praktischen Einsätzen, beispielsweise beim Fräsen eines Hitzeschutzschildes aus TiAl4V für einen ­Satelliten. Aus dem Rohteil 400x105x45 mm wird mit einem Zerspanungsgrad von 96,1 Prozent ein nur 0,32 kg wiegendes Fertigteil geschruppt. Diese Arbeit leistete ein Vollhartmetall-Schaftfräser DS-Ti mit Schneidkreisdurchmesser 12 mm und vier Zähnen. Mit den Parametern Schnittgeschwindigkeit vc = 75 m/min, Eingriffsbreite ae = 4,8 mm, Vorschub pro Zahn fz = 0,05 mm und Schnitttiefe ap = 18 mm erreichte das Werkzeug eine Einsatzzeit von 210 min.
Bei einer weiteren Anwendung überzeugte der Tangential-Schaftfräser M409, Schneidkreisdurchmesser 40 mm, vier Zähne, beim Fräsen eines Integralteiles aus TiAl6V. Mit den Parametern Schnittgeschwindigkeit vc = 50 m/min, Eingriffsbreite ae = 20 mm (50 Prozent), Vorschub pro Zahn fz = 0,07 mm und Schnitttiefe ap = 6 mm, Drehzahl n = 400 1/min, Vorschubgeschwindigkeit vf = 112 mm/min. wurde eine Einsatzzeit von 45 min. erreicht.

Zeitspanvolumen um 100 Prozent erhöht
Bei dem Projekt SchwerSpan konnte durch thermische Entfestigung des Werkstoffs die Standzeit schneidstoffabhängig gesteigert und das Zeitspanvolumen um 100 Prozent erhöht werden. Das Hartmetall der Schneidplatten musste dafür eine entsprechende Zähigkeit aufweisen, um auch Vibrationsschäden beim Ein- und Austritt zu vermeiden. Zudem wurden eine scharfe Spanformgeometrie mit glatten Oberflächen sowie glatte, fehlerfreie Schichten be­nötigt. Einen weiteren wichtigen Beitrag zum Erreichen des Forschungsziels leisteten höhere Technologieparameter und die induktive – kryogene Bearbeitung. Als hilfreich erwiesen sich dabei die von Horn zuvor gemachten Erfahrungen bei verschiedenen Fräsanwendungen mit kryogener Kühlung. Der gezielte Wärmeeintrag führte zu einer Materialentfestigung und sorgte aufgrund der verringerten mechanischen Belastung auf das Fräswerkzeug für eine Produktivitätssteigerung. Die Versuche sowie die praktischen Anwendungen mit konventioneller Kühlung unterstreichen die Bedeutung einer harmonisierenden Prozesskette bei der wirtschaftlichen Titanbearbeitung. Beginnend mit der richtigen Werkzeugauswahl in Bezug auf Substrat, Geometrie und Beschichtung bis hin zu Werkzeugaufnahmen mit präzisem Formschluss, hoher Rundlaufgenauigkeit und hohem Dämpfungsvermögen. Ergänzend dazu bietet dann eine anwendungsbezogene Abstimmung der einzelnen Faktoren weitere Möglichkeiten, den Zerspanprozess zu optimieren, um eine Verdoppelung des Zeitspanvolumens sicher zu erreichen.