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Paul Horn GmbH: Problemlöser für die Schwerzerspanung

ur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen bietet
Horn eine Palette an speziellen Werkzeugen, die mit scharfen und polierten Schneiden, positivem Spanwinkel und angepasstem Freiwinkel den wichtigsten Problemen der Bearbeitung entgegenwirken.

Titan und Superlegierungen, wie beispielsweise Nickelbasislegierungen, fallen unter die Bezeichnung „schwer zu zerspanende Werkstoffe“. Alle diese Werkstoffe haben die Eigenschaft, dass sie bei hoher Temperatur eine hohe Festigkeit haben. Folglich ist die Zerspanung hier kritischer und in der Regel der Hitzeeintrag in die Schneide höher als bei konventionellen Werkstoffen.

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Bei der spanabhebenden Bearbeitung, zum Beispiel beim Drehen oder Fräsen von Titan, kann die Neigung zur Kaltverfestigung hinderlich wirken. Wenn die Reibung an der Schneide zu groß wird, kann die einsetzende Kaltverfestigung dazu führen, dass das Werkzeug schnell stumpf wird. Erschwerend wirkt sich auf die Bearbeitung von Titan auch die Kombination seiner Eigenschaften wie Elastizität (Duktilität) und Zugfestigkeit aus. Beim Drehen und Fräsen von Superlegierungen sind scharfe Werkzeuge, die richtigen Schnittparameter und die ideale Spanbildung wichtige Parameter. Die Härte der Werkzeuge sowie die Hitzebeständigkeit ihrer Beschichtungen muss der Härte des Werkstoffs angemessen sein.

Speziell für die Zerspanaufgaben in der Luft- und Raumfahrtindustrie hat Horn für seine VHM-Fräser Schneidstoffsorten mit guten tribologischen Eigenschaften entwickelt, mit hoher Temperaturbeständigkeit und geringer Wärmeeinleitung ins Substrat – einen Hitzeschild sozusagen.

Nickelbasislegierungen wie Nimonic 90, Inconel 718, René 80 und Hastelloy weisen eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Eigenschaft führt bei den vor allem im Turbinenbau eingesetzten Werkstoffen zur Bildung von Aufbauschneiden und zur Kaltverfestigung. Die Folge sind Schwingungen, die zusammen mit der hohen Festigkeit der Legierung die Werkzeugschneide extrem beanspruchen. Abhilfe bietet eine reibungsmindernde Deckschicht, die gleichzeitig die gegensätzlichen Anforderungen wie hohe Härte und geringe Rissanfälligkeit angleicht.

Die Bearbeitung von Nickelbasis- und anderen Superlegierungen verzeichnet einen hohen Zuwachs in der zerspanenden Industrie. Die besonderen mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften der Werkstoffe gehen häufig mit schlechter Zerspanbarkeit, hohem Werkzeugverschleiß sowie geringer Schnittgeschwindigkeit einher. Die wirtschaftliche Bearbeitung dieser Materialien stellt die Anwender teils vor große Herausforderungen. Der Schneidstoff CBN kann hierzu als Problemlöser dienen. Insbesondere beim Schlichten ermöglicht er kürzere Bearbeitungszeiten, geometrische Präzision und hohe Oberflächengüten. Darüber hinaus führte die Forderung nach einer möglichst scharfen Schneide und einer Steigerung der Standzeit zu Werkzeugbeschichtungen wie der TiAlN-nanostrukturierten Dünnschicht mit kleinster Schneidkantenverrundung.

Werkzeuge für den sicheren Auftrieb

Als Zulieferer in der Luftfahrtindustrie vertraut die Herrmann CNC-Drehtechnik GmbH aus Hohenlinden bei München auf die Präzisionswerkzeuge der Paul Horn GmbH. „Wir benötigen für die produktive Bearbeitung von Hightechwerkstoffen passende Werkzeuglösungen, die den hohen Belastungen standhalten und unsere Qualitätserwartungen erfüllen“, sagt der Produktionsleiter Stefan Schubel.

Für Landeklappen, die korrekte Bezeichnung lautet Hochauftriebshilfe, kommen Stehlager aus Hohenlinden zum Einsatz. Für die Stechbearbeitungen der Nabe und der Welle des Stehlagers setzt Schubel mit seinem Team auf Werkzeuge von Horn. Die Lagernabe fertigen die Zerspaner aus 1.4548 (X5CrNiCuNb17-4-4), einem Stahl mit hoher Festigkeit und Zähigkeit, welcher durch seine hohe Korrosionsbeständigkeit und die sehr guten mechanischen Eigenschaften häufig in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommt.

Den großen und tiefen Einstich fertigen die Werker über das trochoidale Stechverfahren in das Werkstück. Zum Einsatz beim Schruppen kommt hierbei eine Vollradius-Stechplatte aus dem Horn-System S229 mit einem Radius von 2 mm. Als Substrat schlug der Horn-Anwendungstechniker Korbinian Niedermeier die Sorte AS66 vor. „Das Substrat ist in Verbindung mit der Horn-eigenen Beschichtung sehr gut für die Zerspanung solcher Werkstoffe geeignet“, so Niedermeier.

Das trochoidale Drehen eignet sich sehr gut für das Drehen von tiefen und breiten Einstichen, bei denen ein hohes Spanvolumen generiert werden muss. „Wir wenden das Verfahren seit rund zwei Jahren aktiv an. Als CAM-System nutzen wir Esprit. Die Software war eine der ersten, welche die Möglichkeit zum trochoidalen Stechen geboten hat“, sagt Schubel. Der Stechprozess gestaltet sich wie folgt: Der 30 mm breite und 15 mm tiefe (inkrementelle) Einstich wird mit der Vollradius-Wendeschneidplatte mit einer Schnittgeschwindigkeit von v_c = 140 m/min bei einer Schnitttiefe von a_p = 1 mm trochoidal geschruppt. Der Vorschub ist mit f_n = 0,25 mm programmiert. Das Schlichtaufmaß liegt bei 0,2 mm. Beim Schlichten kommt ebenfalls eine Schneidplatte des Systems S229 zum Einsatz. Die Schlichtbearbeitung geschieht von zwei Seiten mit einer 3 mm breiten Stechplatte. Der Eckenradius beträgt 0,2 mm. Die Gesamtfertigungszeit des Einstiches liegt bei unter zwei Minuten. „Durch das Stechverfahren haben wir bei dem schwer zu zerspanenden Werkstoff keine Probleme mit langen Spänen“, so Schubel.

Die Welle des Stehlagers besteht aus dem Werkstoff SAE 51431 (1.4044), vergütet auf 1.350 bis 1.500 N/mm². „Der Bezug dieses Stahls in Sonderqualität gestaltet sich häufig schwierig. Wir beziehen das Material direkt beim Hersteller in Frankreich. Wir bestellen es deshalb nicht in vielen Durchmesservarianten. Die geringeren Stückzahlen der zu fertigenden Bauteile rechtfertigen auch die teilweise hohen Abtragswerte. Sonst würden wir nicht aus einem 55-mm-Rundmaterial eine 26,4-mm-Welle drehen“, erzählt der Produktionsleiter. Die 5 mm breiten Einstiche übernimmt eine Schneidplatte des Horn-Systems 223. Die Standzeit pro Schneide liegt hier bei über 300 Werkstücken. Das Innenausdrehen der Bohrung und die 45-Grad-Fase fertigt eine Schneidplatte des Typs Supermini 105. Das Schlichten des Axialeinstiches übernimmt ebenfalls ein Supermini. „Die geforderten hohen Oberflächengüten konnten wir mit den Werkzeugen problemlos einhalten“, so Schubel.

Spezialist für schwierige Bauteile

Ein weiteres Kundenbeispiel aus der Luftfahrt kommt von dem Unternehmen Sibi aus dem südfranzösischen Montauban, das sich auf die Zerspanung schwieriger Bauteile spezialisiert hat. Für die Bearbeitung von Nickelbasislegierungen, Titan und anderer Werkstoffe setzt man auf die Werkzeuglösungen des deutschen Präzisionswerkzeugherstellers Horn. Gemeinsam setzte man auch die Zerspanung eines Triebwerkbauteils aus Inconel um. Davon fertigt das Unternehmen rund 30 Stück im Monat. Das T-förmige Bauteil mit den runden Zapfen wird aus dem Vollen gefräst. Die eingesetzten Fräswerkzeuge müssen somit ein hohes Volumen des zähen Werkstoffes zerspanen.

Neben den Schwierigkeiten aufgrund des hohen Spanvolumens sind die Maße des Bauteils sehr eng toleriert und die Oberflächen müssen eine hohe Güte aufweisen. Ziel war es, die Bearbeitungszeit des Fräsprozesses des Bauteils auf unter eine Stunde zu reduzieren. Die vorherige Werkzeuglösung sowie die Frässtrategie mit einem erheblichen Standzeitproblem ließ diese Bearbeitungszeit nicht zu. Ein Horn-Anwendungstechniker entwickelte darauf für die Zerspanung des Bauteils eine neue Frässtrategie mit einem passenden Werkzeugkonzept. Zum Einsatz kamen der Horn-VHM-Schaftfräser der Serie DS, das Frässystem DA62 sowie zum Nutfräsen und Abtrennen des Bauteils das Frässystem M310.

Mit dem System DS werden die drei Zapfen des Bauteils gefräst. Die eingesetzte Schnittgeschwindigkeit liegt bei v_c = 78 m/min. Zum Einsatz kommen die Durchmesser 20 mm und 12 mm. Die Standzeit lässt sich pro Werkzeug auf drei Werkstücke beziffern. Mit dem Frässystem DA62 fräsen die Franzosen die Außenflächen sowie die sechste Seite nach dem Abtrennen. Als Substrat wurde die Sorte IG35 gewählt, welche sich für den Einsatz in Nickelbasislegierungen eignet. Das System M310 kommt zum Vorfräsen und zum Abtrennen zum Einsatz. So werden unterhalb der zwei horizontalen Zapfen jeweils Nuten gefräst, um für die anschließende Bearbeitung mit dem Schaftfräser einen Freiraum zu schaffen. Die programmierte Schnittgeschwindigkeit für das Nutfräsen und Abtrennen des Bauteils liegt bei v_c = 30 m/min und 20 m/min. Das Ziel, die Bearbeitungszeit auf unter eine Stunde zu bringen, erreichten die Projekt­beteiligten. Die Zeit liegt nach der Prozessumstellung sowie dem Einsatz neuer Werkzeuge bei nun 53 Minuten.

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