Triebwerksbau

Drahtfunkenerosive Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe

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Vorteile drahtfunkenerosiver Bearbeitung gegenüber klassischen Fertigungsverfahren

Grundlegende Forschungsergebnisse für die Drahtfunkenerosion zeigen, dass durch die Auswahl geeigneter Generatoreinstellgrößen eine Reduktion der weißen Randschicht bis auf eine Dicke von unter 1 µm möglich ist. Entsprechend bietet die Drahtfunkenerosion besonders bei schwer zu zerspanenden, filigranen Bauteilen Vorteile gegenüber klassischen Fertigungsverfahren.

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Der Hauptschnitt ist mit Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit am wichtigsten. Zum einen findet der Schnitt im Vollmaterial statt, weshalb die Schnittgeschwindigkeit im Vergleich zu den Nachschnitten langsamer ist – eine Verbesserung der Schnittgeschwindigkeit führt direkt zu einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit. Zum anderen bereitet der Hauptschnitt jedoch die Oberfläche des Werkstücks für die Nachschnitte vor. Daher muss bei einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit im Hauptschnitt beachtet werden, dass die Effizienz der Nachschnitte nicht überproportional durch den Verlust der Genauigkeit beeinträchtigt wird. Die Schnittgeschwindigkeit im Allgemeinen ist einerseits stark abhängig von den Generatoreinstellgrößen, die die Entladungsenergie und -frequenz steuern, jedoch zusätzlich von den Spülbedingungen im Arbeitsspalt. Diese Spülbedingungen im Arbeitsspalt stellen eine Herausforderung bei komplex zu handhabenden Bauteilen, wie einer Turbinenscheibe, dar. Die Nachschnitte, deren Drahtzustellung zur Verkleinerung des Offsets von dem jeweils vorausgehenden Schnitt abhängt, stellen schließlich die gewünschte Oberflächenintegrität her. Der Einfluss der einzelnen Nachschnitte auf die Wirtschaftlichkeit ist nur nebensächlich. Lediglich die Anzahl der Nachschnitte hat einen wichtigen Einfluss auf die Bearbeitungszeit. So ist es möglich, durch die richtige Wahl der Einstellgrößen sowohl die Wärmeeinflusszone zu minimieren als auch die Oberflächenrauheit zu verbessern.

Hohe Präzision und Positioniergenauigkeit des Bauteils notwendig

Zur Erhöhung der Beschaufelungsdichte in Hochdruckturbinenstufen von Triebwerken müssen die tragenden Strukturen von Turbinenscheiben zwangsläufig reduziert werden. Daher werden die erforderlichen Nuten unter einem Schrägungswinkel in die Turbinenscheibe eingebracht. Bei der Bearbeitung der Bauteile mit klassischen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem Räumen, kommt es zu hohen mechanischen Bauteilbeanspruchungen und möglichen Verformungen der resultierenden schlanken Geometrien. An dieser Stelle bietet die Drahtfunkenerosion als nahezu kraftfreies Verfahren eine vielversprechende Alternative. In konventionellen Drahtfunkenerosions-Maschinen ist die ablaufende Drahtelektrode, die das Werkzeug darstellt, vertikal ausgerichtet. Zwar ist es möglich, die Drahtelektrode um einen Schrägungswinkel von circa ±15° anzustellen, jedoch nur zulasten der Spülbedingungen im Arbeitsspalt. Zur Erzielung einer hohen Produktivität wird in Zusammenarbeit mit den Firmen Makino und Hirschmann JS das Konzept eines schwenk- und drehbaren Rundteiltisches erforscht.

Der Einsatz eines mehrachsigen Rundteiltisches vereinfacht das Handling der Bauteile enorm. So ist es machbar, sowohl den Schrägungswinkel der Nut mit einer vertikalen Drahtelektrode zu realisieren, als auch einen automatisierten Betrieb zu ermöglichen. Durch die Rotation des Bauteils um die Mittelachse, dreht diese das Bauteil um den Teilungswinkel automatisch zur nächsten Position. Durch eine speziell für solche Anwendungsfälle entwickelte Maschinentechnologie mit zusätzlichen Spülpumpen wird so selbst mit großem Abstand der Düsen zum Bauteil eine gute Spülbedingung im Arbeitsspalt und somit eine hohe Produktivität erzielt.

Für diese Art der Anwendung ist eine hohe Präzision und Positioniergenauigkeit des Bauteils notwendig. Die technischen Daten des Rundteiltisches sind:

  • kleinster Teilschritt: 0,001°;
  • Positionierungenauigkeit: ± 10 s (messsystemabhängig);
  • Rundlaufungenauigkeit: < 0,005 mm;
  • Planlaufungenauigkeit der Rotationsachse: < 0,005 mm.

Titan- und Nickelbasiswerkstoffe erfordern neue Maschinentechnologien

Ein weiterer Bestandteil der Forschung ist die Entwicklung neuer Maschinentechnologien zur Bearbeitung von hochwarmfesten, schwer zerspanbaren Titan- und Nickelbasiswerkstoffen mit speziellen Zusatzvorrichtungen. Dazu hat die Firma Makino eine Generatorzusatzeinheit entwickelt. Diese zielt durch Nutzung einer höheren Entladeenergie im Hauptschnitt auf eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit ab. Für dieses Ziel war es notwendig, neue Drahtelektroden zu entwickeln, die durch veränderte chemische Zusammensetzungen und größere Durchmesser geeignet für höhere Stromstärken sind. Die geometrische Präzision sowie die Verbesserung der Oberflächenintegrität sind nun kontinuierlicher Bestandteil der Weiterentwicklungen. Der Fokus liegt ebenfalls auf der Minimierung der resultierenden weißen Randzone sowie der Zugeigenspannungen, die beide durch den Drahtfunkenerosions-Prozess physikalisch bedingt sind.

Mehr Details zu der drahtfunkenerosiven Bearbeitung von Turbinenkomponenten sowie die Möglichkeit zur Besichtigung der Maschinen erhalten Sie auf der Fachtagung Funkenerosion am 29. und 30. November 2017 am WZL der RWTH Aachen. Bei dieser Gelegenheit berichten Referenten renommierter Maschinen- und Zubehörhersteller sowie namhafte Anwender über Fortschritte der Funkenerosion in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht.

* Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dr. h. c. F. Klocke, G. Smeets, M. Sc. RWTH, Dr.-Ing. A. Klink arbeiten im Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen in 52074 Aachen, www.wzl.rwth-aachen.de

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