Zerspanungswerkzeuge Vollkeramische Fräswerkzeuge prozesssicher einsetzen

Die Entwicklung vollkeramischer Fräswerkzeuge eröffnet neue Perspektiven bei der Bearbeitung von Nickel-Basis-Legierungen. Im direkten Vergleich konnte eine Leistungssteigerung gegenüber Werkzeugen aus Hartmetall um den Faktor acht erreicht werden.

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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Der technische Fortschritt und die kontinuierliche Weiterentwicklung in den Materialwissenschaften haben eine stetige Steigerung der Leistungsfähigkeit von hoch beanspruchten Bauteilen ermöglicht. Die konsequente Verwendung von Nickel-Basis-Legierungen hat zu einer fortschreitenden Erhöhung der Gesamtwirkungsgrade von Gasturbinen geführt.

Monokristalline Turbinenschaufeln aus Nickel-Basis-Legierungen, ausgestattet mit einem komplexen System aus Kühlkanälen und keramischen Wärmedämmschichten, werden bei Temperaturen bis 1450 °C eingesetzt. Diese herausragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften bringen jedoch mit sich, dass enorme Anforderungen an die mechanische Bearbeitung gestellt werden. Zur Fertigung eines Strahltriebwerkes sind rund 3000 Wendeschneidplatten erforderlich, während für die Herstellung eines PKW durchschnittlich nur noch zwei Wendeschneidplatten verbraucht werden.

Schneidkeramik ermöglicht höhere Schnittgeschwindigkeiten

Die hohe Warmfestigkeit in Verbindung mit der geringen Wärmeleitfähigkeit von Nickel-Basis-Legierungen führt zu hohen Temperaturen auf der Spanfläche, wodurch ein Erweichen des Schneidstoffes begünstigt wird. Im Zusammenspiel mit den im Mikrogefüge enthaltenen abrasiven Karbiden ist Werkzeugversagen aufgrund thermomechanischer Überlastung die Folge. Beschichtete Hartmetallwerkzeuge lassen sich bis zu einer Schnittgeschwindigkeit von 20 m/min prozesssicher einsetzen.

Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz von Schneidkeramik eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um den Faktor 30 bis 50 realisierbar ist. Entscheidend dabei ist die hohe Warmfestigkeit der Keramik. Sie ermöglicht es, die Temperatur im Spanprozess so weit anzuheben, dass der Werkstückwerkstoff erweicht und leichter zerspanbar wird.

Schneidkeramik ermöglicht HSC-Fräsen von Nickel-Basis-Legierungen

Dadurch kann in den Bereich der Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC) vorgestoßen werden. Fräswerkzeuge zur Aufnahme von Wendeschneidplatten aus Schneidkeramik sind auf dem Markt erhältlich und finden Anwendung bei der Schruppbearbeitung von Gasturbinenschaufeln.

Die minimale Größe dieser Werkzeuge ist jedoch aus konstruktiven Gründen begrenzt. Das kleinste derzeit kommerziell verfügbare Werkzeug hat einen Durchmesser von 32 mm. Für Bearbeitungsaufgaben, die geringere Werkzeugdurchmesser oder komplexe Schneidenprofile erfordern, kommen neben Hartmetall- und HSS-Werkzeugen auch Schleif- und Erodierverfahren zum Einsatz.

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