Komplexe Werkstücke aus Titan effizient zerspanen

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Die Wärme wird zu einem erheblichen Teil über die Schneide abgeführt, nicht wie bei Stahl über die Späne. Weil die Spantiefen eher gering sind, muss ein kleiner Teil des Schneidkeils äußerst hohe thermische und mechanische Beanspruchungen aushalten können.

Zerspanen von Titan nur mit Nassbearbeitung

Diese Umstände machen die Nassbearbeitung zwingend. Der niedrige E-Modul führt sehr schnell zu Schwingungen. Aufbauschneiden aufgrund der Klebeneigung verstärken den Effekt. Die Folge: Die Schnittgeschwindigkeit muss stark reduziert werden.

Mit dem neuen Werkstoff Ti5553 wird es nicht einfacher, sondern die Probleme haben sich verschärft. Ti6Al4V ist eine Alpha-Beta-Legierung mit ausgeglichenem Verhältnis der Gefügeanteile (Alpha = hexagonale Gefügestruktur, Beta = kubisch raumzentrierte Gefügestruktur). Ti5553 hat dagegen einen höheren Beta-Anteil, wird deshalb auch als Near-Beta-Legierung bezeichnet.

Dieser Umstand bewirkt die höhere Warmfestigkeit, aber auch eine noch schwierigere Zerspanbarkeit. Bei 430 °C beträgt die Festigkeit von Ti5553 immer noch etwa 900 N/mm2. Die Neigung zum Kleben wird durch die Beta-Gefügeanteile verstärkt.

Titanzerspanung erfordert optimierte Werkzeuge

Aufgrund dieser Tatsachen erfordert die professionelle Titanzerspanung optimierte Werkzeuge. Bis zu einem Durchmesser von etwa 20 bis 25 mm sind das in aller Regel Vollhartmetallwerkzeuge, die so ausgelegt werden müssen, dass sie möglichst wenig schwingen und der Bildung von Aufbauschneiden entgegenwirken. Gefordert wird ein sogenanntes Chatterfree-Design.

Die wichtigsten Stellschrauben sind Makrogeometrie, Mikrogeometrie und Oberflächengüte. Die Ungleichteilung der Zähne und schmale Stützfasen an der Schneidkante mit Null-Freiwinkel haben sich bewährt. Polierte Spanflächen lassen die Späne besser abfließen.

Werkzeuge mit interner Kühlmittelzufuhr zum Zerspanen von Titan unabdingbar

Die Beschichtungen basieren auf AlCrN, die bei Stahl üblichen Ti-basierten Hartschichten kommen bei Vollhartmetall-Werkzeugen nicht in Frage. Ebenfalls wichtig ist eine interne Kühlmittelzufuhr, um beim Schruppen die Wärme an der Schneide möglichst effektiv abzuführen.

Alle erforderlichen Merkmale bietet beispielsweise das Vollhartmetall-Schaftfräser-Duo Protostar Ti40 und Ti45 von Walter Prototyp. Der Ti40 ist ein Schruppwerkzeug mit Innenkühlung (Bild 1), der Ti45 ein Schlichtwerkzeug. Bei seiner Markteinführung markierte der Ti40 den Beginn einer neuen Ära in der Ti-Zerspanungstechnik.

Ein Projekt, das in Zusammenarbeit mit Airbus durchgeführt wurde, erbrachte ein für die Zerspaner erfreuliches Ergebnis: Der Ti40 führt beim Schruppen von Ti6Al4V mindestens zu einer Verdoppelung des Zerspanungsvolumens. Bis dahin belief sich das maximale Zerspanungsvolumen auf etwa 80 cm3/min (Vc = 25 m/min), realisierbar mit HSS-E-Werkzeugen mit 32 mm Durchmesser. Dieser Wert pendelte sich bei Airbus bereits Mitte der 90er-Jahre ein, seither konnte keine Verbesserung erzielt werden – eine lange Zeit ohne Schritt nach vorne.

Titangeeignete Hartmetallsubstrate steigern Zerspanvolumen

Die neue Vollhartmetall-Generation legt die Messlatte deutlich höher, nämlich auf 160 bis 200 cm3/min (Vc = 50 bis 60 m/min), bezogen auf einen Werkzeugdurchmesser von 25 mm. Dieser Sachverhalt zeigt, dass die Weiterentwicklung von HSS-Schaftfräsern eine Grenze erreicht hat. Steigerungen bedürfen völlig neuer Konzepte. Der entscheidende Schritt ist durch die Entwicklung neuer, titangeeigneter Hartmetallsubstrate möglich geworden.

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