Neue Frässtrategie Hohe Standzeit auch in Inconel

Autor / Redakteur: Philipp Dahlhaus / Mag. Victoria Sonnenberg

Bauteile für die Luft- und Raumfahrtindustrie unterliegen hohen Anforderungen hinsichtlich Qualität und Toleranzen. Für die Bearbeitung von Nickelbasislegierungen, Titan und anderer Werkstoffe setzt Sibi auf Horn. Zusammen setzte man auch die Zerspanung eines Triebwerkbauteils aus Inconel um.

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Die geforderte Bearbeitungszeit konnte durch die Frässtrategie und Leistung der Werkzeuge eingehalten werden.
Die geforderte Bearbeitungszeit konnte durch die Frässtrategie und Leistung der Werkzeuge eingehalten werden.
(Bild: Horn/Sauermann)

Wie schwierig Superlegierungen zu bearbeiten sind, zeigt ein Vergleich werkstoffabhängiger Werkzeugstandzeiten. Ist bei der Bearbeitung von Aluminium eine Standzeit von mehreren Tagen nicht unüblich, so reduziert sich diese bei Automatenstahl auf acht Stunden, bei Vergütungsstahl 42CrMo4 auf 45 Minuten und bei Superlegierungen auf 5 bis 10 Minuten. Bei der Zerspanung von geschmiedeten Turbinenschaufeln aus Inconel 718 erreichten unbeschichtete HM-Werkzeuge eine Standzeit von weniger als 1 Minute. Dieser Wert verbesserte sich durch TiAIN-Beschichtungen auf etwa 35 Minuten und mit einer darauf aufbauenden TiAIN-SN-Beschichtung sogar auf 45 Minuten.

Mit dem Standzeitproblem hatten auch die Verantwortlichen von Sibi zu kämpfen. Rund 30 Stück fertigt das Unternehmen von dem Triebwerksbauteil aus Inconel 625 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“ erzählt Produktionsleiter Roger Rouzeau. Zur Findung der für diesen Fräsprozess funktionierenden Werkzeuglösung kontaktierte Rouzeau den Horn-Aerospace-Spezialisten Emmanuel Gervais.

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Fräserprogramm für Superlegierungen

„Unser Ziel war die Bearbeitungszeit des Fräsprozesses des Bauteils auf unter eine Stunde zu reduzieren“, erzählt Gervais. Die vorherige Werkzeuglösung sowie die Frässtrategie mit dem erheblichen Standzeitproblem lies diese Bearbeitungszeit nicht zu. Gervais entwickelte für die Zerspanung des Bauteils eine neue Frässtrategie mit einem passenden Werkzeugkonzept. Zum Einsatz brachte er den Horn- VHM-Schaftfräser der Serie DS, das Frässystem DA62 sowie zum Nutfräsen und Abtrennen des Bauteils das Frässystem M310.

Die Schaftfräser sind eigentlich für die Zerspanung von Titan ausgelegt, funktionieren jedoch auch gut in anderen Superlegierungen wie Inconel und Hastelloy. Für den Einsatz in Inconel bedarf es lediglich eine genaue Anpassung der Schnittwerte.

Emmanuel Gervais, Horn-Aerospace-Spezialist

Verschiedene Durchmesser und unterschiedliche Schneidezahlen der Horn-Schaftfräser brachte er zum Einsatz. Mit dem System DS werden die drei Zapfen des Bauteils gefräst. Die eingesetzte Schnittgeschwindigkeit liegt bei vc = 78 m/min. Zum Einsatz kommen die Durchmesser 20 und 12 Millimeter. Die Standzeit lässt sich pro Werkzeug auf drei Werkstücke beziffern. Mit dem Frässystem DA 62 fräsen die Franzosen die Außenflächen sowie die sechste Seite nach dem Abtrennen. Gervais hat als Substrat die Sorte IG35 gewählt, welche sich für den Einsatz in Nickel-Basislegierungen 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 vc = 30 und 20 m/min.

Das Ziel, die Bearbeitungszeit auf unter eine Stunde zu bringen, erreichten die Projektbeteiligten. Die Zeit liegt nach der Prozessumstellung sowie den Einsatz neuer Werkzeuge bei nun 53 Minuten. „Wir haben von Horn und dem technischen Außendienst eine sehr gute Unterstützung erhalten. Hervorzuheben ist auch, dass die Horn-Mitarbeiter immer ihr Wort halten und einen schnellen Service garantieren“, so Rouzeau.

Nickelbasislegierungen wie Nimonic 90, Inconel 718, Ren. 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.

Gleichmäßige Belastung der Schneiden

Die Forderung nach einer möglichst scharfen Schneide und einer Steigerung der Standzeit führte zu Werkzeugbeschichtungen wie die TiAlN-nanostrukturierte Dünnschicht mit einer kleinen Schneidkantenverrundung. Mit dieser Beschichtung erreicht man beim Fräsen hohe Standzeiten. Sie basiert auf anspruchsvoller Präzision und Rundlaufgenauigkeit der Werkzeuge und einer daraus resultierenden gleichmäßigen Belastung der einzelnen Schneiden. Die mit der Beschichtung einhergehende Entwicklung besonders bruchzäher HM-Schneiden erlaubt Schnittgeschwindigkeiten von vc = 30 bis 80 m/min.

Das Unternehmen Sibi gehört zu der französischen Firmengruppe KEP Technologys. Gegründet im Jahr 1996, gilt das Familienunternehmen als Spezialist für die Entwicklung und Lieferung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Darüber hinaus liefert KEP innovative Lösungen für die Nuklearindustrie, den Energiesektor, die Lebensmittelindustrie und die Medizintechnik. KEP agiert nicht nur als Zulieferer, sondern entwickelt auch eigene Produkte. Dazu zählen beispielsweise Messgeräte und elektronische Komponenten. Für die Unternehmensgruppe arbeiten an fünf Standorten in Frankreich mehr als 600 Menschen.

* Philipp Dahlhaus ist Leiter Produktmanagement bei der Paul Horn GmbH in 72072 Tübingen. Weitere Informationen: Christian Thiele, Tel. +49 7071 70041820, Christian.Thiele@phorn.de

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