Optimierte Werkzeuge stellen Schlüssel für wirtschaftlichere Bearbeitung dar

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Leibniz Universität Inst. für Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen (IFW)

Darüber hinaus kann insbesondere bei hohen Schnittgeschwindigkeiten die entstehende Prozesswärme nicht ausreichend von der Schneidkante abgeführt werden und das Werkzeug wird thermisch hoch belastet. Die Werkzeuge mit einem Spanwinkel von γ = 14° zeigen den besten Kompromiss aus niedrigen Prozesskräften bei ausreichender Stabilität der Schneidkante und ermöglichen so das günstigste Verschleißverhalten.

Bestes Verschleißverhalten bei niedrigem Freiwinkel

Außer dem Spanwinkel ist der Freiwinkel α eine entscheidende Größe der Werkzeugmakrogeometrie. Bei der Fräsbearbeitung von Titan mit konventionellen Schnittparametern (vc = 45 m/min) zeigt sich bei allen untersuchten Freiwinkeln eine geringe Verschleißmarkenbreite, die hauptsächlich durch abrasiven Verschleiß und Mikroausbrüche dominiert wird (Bild 4).

Das Werkzeug mit dem niedrigen Freiwinkel von α = 6° zeigt hierbei das günstigste Verschleißverhalten. Dies widerspricht der weitverbreiteten Annahme, dass der Freiwinkel bei der Bearbeitung von Titanlegierungen relativ groß sein muss. REM-Untersuchungen der verschlissenen Schneide zeigen geringe Adhäsionen an der Schneidkante, die jedoch auf die Bereiche der Ausbrüche beschränkt sind. Im Allgemeinen führen sie nicht zu einem frühzeitigen Werkzeugversagen.

Wird jedoch die Schnittgeschwindigkeit auf vc = 75 m/min erhöht, versagen die Werkzeuge mit den großen Freiwinkeln von α = 15° und α = 18° bereits nach einem geringen Zerspanvolumen aufgrund von Schneidkantenausbrüchen. Lediglich das Werkzeug mit dem Freiwinkel von α = 6° zeigt einen konstanten, niedrigen Verschleiß. Diese Größe für den Freiwinkel ist deutlich geringer als die für die Aluminiumbearbeitung üblichen Freiwinkel von α = 12 bis 14°.

Spezielle Geometrie verringert Verschleiß

Die Auslegung der Werkzeuggeometrie speziell für die Fräsbearbeitung von Titanlegierungen führt zu einer deutlichen Reduktion des Werkzeugverschleißes. Kleine Freiwinkel in Kombination mit relativ großen Spanwinkeln ermöglichen einen geringen Werkzeugverschleiß beim Nutenfräsen von TiAl6V4. Große Freiwinkel, wie sie bei Werkzeugen für die Aluminiumbearbeitung zum Einsatz kommen, führen hingegen frühzeitig zu Ausbrüchen an der Schneidkante.

Wird der Spanwinkel zu hoch gewählt, steigen die Prozesskräfte und damit die mechanische Belastung des Werkzeuges deutlich an und führen ebenso zu Schneidkantenausbrüchen. Bei der Auslegung von Werkzeugen für die Titanbearbeitung ist daher auf eine hohe Stabilität der Schneidkante zu achten.

Aufgrund des verbesserten Verschleißverhaltens lassen sich die Werkzeuge sowohl bei erhöhten Schnittgeschwindigkeiten als auch bei erhöhten Zahnvorschüben einsetzen und erreichen trotzdem Zerspanvolumina von Vw > 400 cm3. Dieses Ergebnis ermöglicht einen signifikanten Anstieg des Zeitspanvolumens und damit der Prozessproduktivität.

Neuer Vollhartmetall-Schaftfräser erhöht Zeitspanvolumen deutlich

Die Ergebnisse der hier gezeigten Untersuchungen flossen zusammen mit Resultaten aus Untersuchungen zum Drallwinkel, ungleicher Schneidenteilung sowie einer gezielten Schneidkantenverrundung in die Auslegung eines 16-mm-Vollhartmetall-Schaftfräswerkzeuges ein. Mit diesem Werkzeug konnte das Zeitspanvolumen von 25 auf 102 cm3 erhöht werden, was einer Steigerung von mehr als 300% entspricht (Bild 5).

Das Projekt „Steigerung des Zeitspanvolumens beim Fräsen von Titan durch Werkzeugentwicklung“ (S749) wird von der Stiftung Industrieforschung gefördert. Als Industriepartner unterstützen die Airbus Deutschland GmbH, die Eurocopter Deutschland GmbH, die Rolls-Royce Ltd & Co KG, die Heggemann AG, die Prototyp Werke GmbH, die Kennametal Technologies GmbH, die Paul Horn GmbH und die Lehmann GmbH Präzisionswerkzeuge das Projekt.

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover in 30832 Garbsen; Jens Köhler ist Leiter der Abteilung Schleiftechnologie am IFW; Jan H. Dege ist Leiter der Abteilung Zerspanung am IFW.

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