Titanzerspanung Wenn Bugatti anklopft, sollte man die Zerspanung von Titan können!

Redakteur: Peter Königsreuther

Seine schlechte Wärmeleitung führt zu einem Wärmestau bei der Zerspanung von Titan – es droht gar Brandgefahr! Diese und andere Allüren nerven den Zerspaner! Das muss nicht sein, sagt Arno Werkzeuge.

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Die Zespanung von Titanwerkstoffen hat ihre Tücken, wie die Praktiker wissen. Das richtige Werkzeug und die passenden Prozesseinstellungen helfen dabei, Ausschuss zu vermeiden, sagt Arno Werkzeuge.
Die Zespanung von Titanwerkstoffen hat ihre Tücken, wie die Praktiker wissen. Das richtige Werkzeug und die passenden Prozesseinstellungen helfen dabei, Ausschuss zu vermeiden, sagt Arno Werkzeuge.
(Bild: Arno Werkzeuge)

Titan ist teuer und heikel für den Zerspaner zu bearbeiten. Doch ist das Material aus der Welt der Metallbauteile kaum wegzudenken, sagt Arno Werkzeuge. Der Grund ist, dass seine Eigenschaften (sehr zugfest, vergleichsweise leicht, korrosionsbeständig, antimagnetisch und biokompatibel) ihn zum Liebling der Luft- und Raumfahrbranche, des Rennsports oder Medizintechnik machen. Trotz aller Widerspenstigkeiten mit denen sich der Superwerkstoff Titan gegen die mechanische Bearbeitung zu wehren versucht, lohne es sich dennoch, in das dafür passende Know-how zu investieren. Es könnte ja sein, merkt Arno Werkzeuge schmunzelnd an, dass ein berühmter Sportwagenhersteller aus Italien anfragt, ob man Titanschrauben liefern kann, die etwa Bugatti gerne verwendet. Dann sollte man bereit sein!

Bei dem Preis ist Ausschuss ganz schlecht...

Titanwerkstoffe belasten den Geldbeutel um das drei- bis fünffache als üblicher Werkzeugstahl, schickt Arno voraus. Hat man das für die angestrebten Produkte richtige Titanmaterial gefunden, hängt vieles, was den Zerspanungserfolg ausmacht, von den richtigen Werkzeugsystemen hab, heißt es weiter. Denn mit folgenden Problemen wird der Zerspaner außer mit der schlechten Wärmeleitung noch konfrontiert:

Bildergalerie
  • die Späne brechen nicht (durchaus gefährliche Wirrspanbildung);
  • Titan neigt zum Kleben am Werkzeug (Aufbauschneiden machen ineffizient);
  • das niedrige Elastizitätsmodul (Ti6Al4V = 110 kN/mm² versus Stahl Ck45 mit 210 kN/mm²) – dreht man zu zaghaft, kommt es zur Kaltverfestigung. Man braucht dazu relativ scharfe Werkzeugschneiden.

Ein Bauteilbeispiel aus einer gern genutzten Titanlegierung

Arno Werkzeuge weiß, dass die Bugatti-Leute nur bei wenigen vorstellig werden dürften, um Titanschrauben für den wahrhaft titanösen Straßen-Überboliden Bugatti-Chiron zu verlangen. Also weg von Wunschgedanken, und hin zur wahrscheinlicheren Praxis, wenn es um zerspanerische Beispiele geht! Arno wählt exemplarisch die Fertigung einer Welle mit Gewinde und Einstich (siehe Bildergalerie) aus der in der gängigen Titanlegierung Ti6Al4V Grade 5/23, wie sie in der Medizintechnik gebraucht wird. Mit einer Zugfestigkeit von Rm = 990 N/mm², einer Streckgrenze Re = 880 N/mm², einer Vickers-Härte HV zwischen 330 und 380 sowie einem Dehnungsfaktor A5D von etwa 18 % ist diese Titanlegierung für Implantate genauso wertvoll wie für Luftfahrtanwendungen (3.7164) oder für industrielle Anwendungen (3.7165). Mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium sowie als ELI (extra low Interstitials = besonders wenige Zwischengitteratome) ist die Legierung besonders biokompatibel, und vor allergischen Reaktionen bleiben die Patienten verschont.

Nix wie weg mit der Wärme, aus der Schneidzone!

Die genannte Welle bedarf einer hohen Oberflächengüte und muss natürlich wiederholgenau herstellbar sein. Unabdingbar ist dabei ein kontrollierter Spanabfluss und die Zerspanung soll außerdem möglichst schnell und somit produktiv stattfinden. Wer nun glaube, dass beim Drehen der Großteil der Wärme, wie man es kennt, über den Span abgeleitet würde, dem wird es schnell heiß vor der Nase, weil Titan Wärme sehr schlecht leitet, was natürlich auch den Span betrifft. Das Ganze schaukelt sich durchaus bis auf über 1200° C in der Schnittzone auf – da wird es auch dem Werkzeug ganz anders zumute. Arno Werkzeuge rät deshalb dazu, den Kühlschmierstoff (KSS) direkt in die Schneidzone zu führen, die Schnittkraft, wie bereits erwähnt durch eine scharfe Schneide zu reduzieren und die Schnittgeschwindigkeit entsprechend anzupassen.

Standzeiterhöhung durch Wahl des richtigen Werkzeugsystems

Wer die richtigen Zerspanungswerkzeuge für die Titanbearbeitung wählt, unterstützt die Wärmeabfuhr des KSS dadurch, dass auch das im Werkstückeingriff befindliche Werkzeug einen Teil der überschüssigen Wärmeenergie aufnimmt und ableitet. Natürlich muss das entsprechende Werkzeug in Sachen Schneidkeil so ausgelegt sein, dass sowohl die thermischen als auch mechanischen Belastungen ertragen kann, beschreibt Arno Werkzeuge. Das erreicht man durch geschliffene, hochpositive Wendeschneidplatten, die den Schnittdruck minimieren. Und polierte Spankammern, bei Bedarf mit der passenden Beschichtung, reduzieren zusätzlich die Reibung, was den Spanabfluss verbessert, heißt es weiter. Diese drei Parameter verringern die Wärmeentwicklung beim Zerspanen von Titanlegierungen. Wenn nur weniger Wärme entsteht, und diese durch optimale KSS-Zufuhr weiter reduziert wird, erhöht sich automatisch die Standzeit des Werkzeugs. Im Umkehrschluss kann auch die Schnittgeschwindigkeit Vc wieder erhöht werden, betont Arno.

So verwirrt man den Wirrspan beim Titandrehen

So weit, so gut, könnte man jetzt denken. Doch weil die Späne der werkstofflichen Diva nicht brechen wollen, drohen weitere Schwierigkeiten: es spult sich quasi ein endloser Span vom Schnittbereich ab, der sich gerne mal um Werkstück, Werkzeug und/oder Spannfutter wickelt. So eine rotierende, recht scharfkantige Titanspan-Peitsche ist eine echte Gefahr für Mensch und Maschine. Doch auch dagegen kann man etwas tun: man kann die Drehrichtung ändern und die Schneidenlage umkehren, wenn der Aufbau der Maschine das erlaubt, rät Arno. Denn wenn die Schneide nach unten zeigt, fällt der Span frei nach unten aus der Gefahrenzone und stört nicht länger. Allerdings müsse im Falle einer massiven Schruppbearbeitung mit einer nicht ganz so stabilen Maschine vorher geprüft werden, ob sich dann auch die Schnittkraft in das Maschinenbett ableiten ließe, merkt Arno an.

Positive und negative Wendeschneidplatten zähmen das wilde Titan

Dass Arno Werkzeuge für die Titanzerspanung ein umfangreiches Sortiment von Werkzeugen anbieten kann, kann man sich jetzt denken. Hochpositive, sehr scharfe Wendeschneidplatten (WSP) gebe es in Hülle und Fülle für diese Aufgabe. Wer unsicher ist, dem stehen die Arno-Experten mit Rat und Know-how zur Seite. Die WSP gibt es auch verrundet, wodurch sie eine sehr gute Kantenstabilität ins Feld führen, ergänzt der Werkzeughersteller. Beschichtungen machen die Standzeit noch länger. Und wenn es um die weniger kräftige Zerspanung geht, empfehlen sich die negativ ausgeführten WSP mit den Geometrien EX, NFT, NMT und NMT1. Zusätzlich eignen sich die positiven WSP mit den Geometrien PSF und PMT1 optimal für die mittlere Bearbeitung von Superlegierungen, heißt es weiter. Gemeinsam sei allen, dass sie bei zähem Material durch hohe Kerbverschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit überzeugten. Spezielle Geometrien sorgen außerdem für die absolute Spankontrolle.

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