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Werkzeugkühlung

Kühlung mit flüssigem Stickstoff erhöht Werkzeugstandzeit

| Redakteur: Bernhard Kuttkat

Die Kühlung mit Stickstoff reduziert deutlich den Werkzeugverschleiß beim Bearbeiten von Ti-tanlegierungen beziehungsweise ermöglicht die Steigerung der Schnittparameter. (Bild: WZL)
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Die Kühlung mit Stickstoff reduziert deutlich den Werkzeugverschleiß beim Bearbeiten von Ti-tanlegierungen beziehungsweise ermöglicht die Steigerung der Schnittparameter. (Bild: WZL)

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Titanlegierungen werden aufgrund der hohen Warmfestigkeit zunehmend als Konstruktionswerkstoff verwendet. Die schwere Zerspanbarkeit führt jedoch zu hohem Werkzeugverschleiß. Abhilfe schafft die Kühlung mit flüssigem Stickstoff: die Werkzeugstandzeit steigt signifikant.

Die Bearbeitung von hochwarmfesten Legierungen wie Titan- und Nickelbasislegierungen stellt besondere Anforderungen an die Schneidstoffe, Beschichtungen und die Kühlschmierstrategie. Aufgrund der hohen Zerspantemperaturen wird die Titanbearbeitung nahezu ausschließlich nass durchgeführt, eine Trockenbearbeitung kommt nur in Ausnahmefällen in Betracht.

Doch trotz der Kühlschmierstoffe und der Hochdruck-Kühlschmierstoffzufuhr erliegen die Werkzeuge innerhalb kurzer Zeit thermisch bedingten Verschleißmechanismen. Eine Möglichkeit, die Zerspantemperaturen zu senken und thermische Verschleißmechanismen am Werkzeug deutlich zu reduzieren, ist flüssiger Stickstoff (-196 °C) als Kühlmittel.

Produktivität steigern bei der Zerspanung von Titanlegierungen

Titanlegierungen finden als Konstruktionswerkstoff ein immer breiteres Anwendungsfeld. Dies ist zum einen auf ihre sehr hohe spezifische Festigkeit zurückzuführen, die sie bis zu hohen Temperaturen aufrechterhalten können, und zum anderen auf ihre sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Titanlegierungen sind bis etwa 550 °C temperaturbeständig.

Sie werden deshalb häufig für Turbinenbauteile eingesetzt, die hohen Zentrifugalkräften unterliegen, wie Turbinenscheiben und -schaufeln. Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt die Werkstoffvielfalt eines Triebwerks GP700, wie es im Airbus A380 eingesetzt wird.

Titanlegierungen immer gefragter

Im Triebwerksbereich werden Titanlegierungen vor allem in den FAN- und Verdichterstufen verwendet, in den heißeren Bereichen des Triebwerks sind es vornehmlich Nickelbasislegierungen. Titanlegierungen werden aber auch für Bauteile der Flugzeugstruktur eingesetzt, bei denen die Temperaturen zu hoch für den Einsatz von Aluminiumlegierungen sind (> 130 °C) oder die Festigkeit von Aluminium nicht ausreicht.

Insgesamt nimmt der Anteil an Titankomponenten sowie Titan/CFK-Verbundbauteilen vor allem im Flugzeugbau seit vielen Jahren kontinuierlich zu. Einer Produktivitätssteigerung bei der spanenden Bearbeitung von Titanwerkstoffen kommt deshalb eine zunehmend hohe Bedeutung zu.

Spanende Bearbeitung von Titan gilt als sehr schwierig

Die spanende Bearbeitung von Titanlegierungen gilt aufgrund ihrer mechanischen und physikalischen Eigenschaften als schwierig. Die Festigkeit ist hoch, die Bruchdehnung gering. Eine für die Zerspanbarkeit von Titanlegierungen bedeutsame physikalische Eigenschaft ist deren geringe Wärmeleitfähigkeit, die nur etwa 10 bis 20% der von ferritischen Stählen beträgt.

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