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Drehwendeplatten Fünfmal schneller schlichten

| Autor/ Redakteur: Siegfried Schaal / Mag. Victoria Sonnenberg

Die Flugzeugbranche boomt. Die dort zur Anwendung kommenden warmfesten Superlegierungen stellen hohe Ansprüche an die Bearbeitung. Wie sich dennoch die Schlichtoperationen beschleunigen lassen, lesen Sie hier.

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Die Bearbeitung von Turbinenscheiben mit CBN bietet enorme Zeit- und Kosteneinsparungen.
Die Bearbeitung von Turbinenscheiben mit CBN bietet enorme Zeit- und Kosteneinsparungen.
(Bild: Walter)

Tourismus und Geschäftsreisen gehören weltweit zu den Boom-Branchen. Branchenexperten gehen davon aus, dass sich bis 2035 das Luftfahrtaufkommen verdoppeln wird. Trotz Klimaerwärmung und sich abschwächender Weltwirtschaft sind die Auftragsbücher der Flugzeugbauer gut gefüllt. Entsprechend hoch ist bei den Herstellern die Auslastung, bis hin zu Kapazitätsengpässen. Wer Aufträge schneller als bisher bei gleich hoher Prozesssicherheit abwickeln kann, schafft sich einen echten Wettbewerbsvorteil. Aber die verwendeten Werkstoffe, wie zum Beispiel warmfeste Superlegierungen, stellen hohe Anforderungen an die zerspanende Bearbeitung.

Schlicht die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen bringt nichts, sondern verschleißt die Drehwendeplatte schneller, mit entsprechenden Konsequenzen für die Oberflächenqualität des Bauteils. Mit den neuen CBN-Drehwendeplatten von Walter erreicht man dagegen bei der Schlichtbearbeitung eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, die gegenüber Hartmetall-Wendeschneidplatten fünfmal höher ist. Dabei wird mit den CBN-Wendeplatten bis zum Ende der Standzeit eine gleichbleibende Oberflächenrauigkeit erzeugt.

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Risiko Verschleißbildung

Warmfeste Superlegierungen kommen im Flugzeugbau vor allem in den Triebwerken zum Einsatz. Dort gelten besonders hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität und die Prozesssicherheit, die durch ein aufwendiges Zertifizierungsverfahren abgesichert werden. Für das Schlichten von warmfesten Superlegierungen sind drei Faktoren zentral: Oberflächenqualität, Standweg und Geschwindigkeit. Der Standweg des Werkzeugs spielt besonders bei großen Bauteilen eine wichtige Rolle. Nur ein langer Standweg des Drehwerkzeugs garantiert, dass eine Fläche ohne Wechsel der Wendeschneidplatte geschlichtet werden kann. Muss die Wendeschneidplatte wegen Verschleißerscheinungen während einer Schlichtoperation gewechselt werden, entsteht ein Absatz, der die Oberflächenqualität beeinträchtigt.

Das Schlichtdrehen in warmfesten Superlegierungen stellt extrem hohe Anforderungen an den Schneidstoff: Die thermische Belastung am Werkzeug und am Werkstoff ist hoch. Die Schneidgeometrie sowie der in der Drehwendeplatte eingesetzte Schneidstoff beeinflussen sehr stark, wie gut sich die thermischen und mechanischen Belastungen am Bauteil beherrschen lassen.

Verschleißt das Werkzeug schnell, hat das direkte Auswirkungen auf die Oberflächenqualität: Die geforderten Rauheitswerte werden nicht erreicht und müssen aufwendig nachgearbeitet werden. Außerdem steigt das Risiko, dass sich auf dem Werkstoff ein White Layer bildet. Dabei ruft die Kombination aus dem schnellen Anstieg von Druck und schnell zunehmender Wärme einen Phasenübergang im Material hervor. Es entsteht eine spröde, rissige Schicht, die sogenannte White Layer. Ermüdungsfestigkeit, Verschleißfestigkeit und damit die Betriebssicherheit des Bauteils sinken.

In einem intensiven und aufwendigen Prozess haben die Zerspanungsexperten von Walter neue CBN-Drehwendeplatten entwickelt. Die Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeit um das Fünffache hängt vor allem von dem modifizierten Schneidstoff der Walter-Drehwendeplatten ab. Gleichzeitig verringern ihre Schneidgeometrie und die eingesetzten Schneidstoffe Verschleiß und White-Layer-Bildung in Oberflächen aus warmfesten Superlegierungen.

Polykristallines kubisches Bornitrid wird mit PcBN abgekürzt. Das ist die technisch korrekte Schreibweise, jedoch hat sich im allgemeinen Sprachgebrauch CBN durchgesetzt. Diesen synthetisch hergestellten Verbundstoff aus kubischem Bornitrid und einer Binderphase kennt man vor allem für die Bearbeitung von Guss und in der Hartbearbeitung. Angepasste CBN-Schneidstoffe mit einem keramischen Binder lassen sich auch für das Schlichten von warmfesten Superlegierungen einsetzen.

Für den neuen Schneidstoff WBS10 von Walter wurde der CBN-Materialverbund für die besonderen Anforderungen warmfester Superlegierungen optimiert. Die Feinstkornsorte ermöglicht eine glatte Schneidkante, welche vom ersten Schnitt an die Oberflächengüte positiv beeinflusst. Nach Diamant sind kubische Bornitride die härtesten Schneidstoffe der Welt, gegen Abrasiv-Verschleiß sind die Drehplatten daher gut gerüstet. Zudem sind sie chemisch inert und hitzestabil, es entsteht deswegen auch nur geringer Diffusions- sowie Oxidationsverschleiß.

Schlichten ohne Schutzfase

Aber modifizierte CBN-Schneidstoffe allein machen noch nicht den Unterschied aus. Ein wichtiger Faktor ist der Schutz der Schneidkante gegen zu starke mechanische Einwirkungen. Eine ungeschützte scharfe Schneide wird sofort abbrechen. Üblicherweise verfügen Drehwendeplatten deswegen über eine Schutzfase im Winkel von 10 bis 20˚. Bei der Bearbeitung von warmfesten Superlegierungen ergibt sich daraus ein Problem: Durch die Schutzfase entsteht ein besonders hoher Druck mit entsprechender Wärmeentwicklung.

Beide Faktoren können zu der bereits beschriebenen Gefügeumwandlung im Werkstoff führen. Das Risiko, dass die White Layer entstehen, steigt deutlich an. Walter setzt zum Schutz der Schneide bei den neuen CBN-Drehwendeplatten stattdessen eine Schneidkantenverrundung ein: Dadurch ist die Schneide schärfer, sie hat aber die benötigte Stabilität.

Mit den Ergebnissen, die man mit der neuen Schneidgeometrie in Feldtests und bei den ersten Kunden erreicht hat, sind die Walter-Zerspanungsexperten sehr zufrieden: Bei einer Schnittgeschwindigkeit (vc) von 250 m/min beträgt die Standzeit einer Walter-CBN-Drehwendeplatte 13 min. Damit lassen sich circa 3,2 km Span abtragen. Die Platte verschleißt dabei so gleichmäßig, dass sich über den gesamten Standweg hinweg keine Veränderungen in der Oberflächenqualität erkennen lassen. Der Mittenrauwert (Ra) liegt zwischen 0,2 und 0,4 µm. Für das Auge wirkt das mit der neuen CBN-Wendeplatte geschlichtete Bauteil fast wie geschliffen.

Mit bis zu 150 bar kühlen

Die Präzisionskühlung der Walter Drehhalter trägt maßgeblich zur Standzeit der Wendeschneidplatte bei. Mit bis zu 150 bar kann gekühlt werden, jedoch reichen oftmals schon 20 bar. Wichtig ist, dass die Zerspantemperatur optimal ist. Diese hängt vor allem ab von der Schnittgeschwindigkeit, dem Kühldruck und dem zu bearbeitenden Material.

Im direkten Vergleich zur Bearbeitung mit einer Hartmetall-Wendeschneidplatte ermöglicht die neue Walter-CBN-Drehplatte deutlich wirtschaftlichere Schlichtprozesse – aber die Prozessparameter müssen stimmen. Erst in Kombination mit modernen Maschinen, stabil und präzise, sowie mit durchgehendem Schnitt lassen sich die Effizienzvorteile komplett ausnutzen.

* Siegfried Schaal ist technischer Redakteur bei der Walter AG in 72072 Tübingen, Tel. (0 70 71) 7 01-0, www.walter-tools.com

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