Wirtschaftliche Titanzerspanung durch Hochgeschwindigkeitsfräsen

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Als ausgezeichnet sind aber auch die vergleichsweise hohe Wärmekapazität und die niedrige Temperaturleitfähigkeit, bei kleinem E-Modul zu nennen. Im Falle der Exposition von energetischer Strahlung kann demnach viel Energie auf relativ kleinem Raum gespeichert werden, ohne dass ein schneller Wärme- und Temperaturfluss stattfinden kann.

Titanzerspanung führt zu deutlich höheren Temperaturen als bei Stahl

Im Vergleich zwischen der Zerspanung von Stahl des Typs AISI 1020 mit der Bearbeitung von Ti6Al4V führt dieser Umstand zu deutlich höheren Zerspantemperaturen für die Titanlegierung, wie es in Grafik 1 (siehe Bildergalerie) zu erkennen ist. Für solche Unternehmen, deren tägliches Geschäft die Zerspanung von Titanlegierungen ist, ergeben sich aus dem besonderen Eigenschaftsbild aber anspruchsvolle Herausforderungen.

Die gesamte Kostensituation wird durch das Werkstoffverhalten unvorteilhaft für den Zerspaner beeinflusst. So liegen die mittleren Schnittgeschwindigkeiten heute bei Werten von 30 bis 80 m/min. Vor diesem Hintergrund stellt die Forschungsarbeit um effizienzsteigernde Möglichkeiten zur Zerspanung von Titan und seinen Legierungen eine wichtige Aufgabe innerhalb der Produktionstechnik dar. Die Erweiterung der HSC-Technik auf diesen Bereich bietet dabei durchaus Potenziale für Rationalisierungen.

Durch das beschriebene Eigenschaftsprofil werden Titanwerkstoffe den schwer zerspanbaren Materialien zugeordnet. Die Probleme bei der Zerspanung von Titan können auf folgende Ursachen zurückgeführt werden, die einer effizient eingesetzten Hochgeschwindigkeitsbearbeitung entgegenstehen, da die mit steigender Schnittgeschwindigkeit einhergehende Temperaturbelastung des Schneidkeils, (siehe Bild 1), den Werkzeugverschleiß in hohem Maße verstärkt.

Ein ganzes Belastungskollektiv erhöht den Werkzeugverschleiß

• Hohe Temperaturbelastung der Schneide infolge der geringen Wärmeabfuhr durch Span und Werkstück: Durch die Kombination niedriger Wärmeleitfähigkeit mit hoher Wärmekapazität muss bei der Zerspanung mehr Wärme durch die Schneide aufgenommen werden. Durch die dabei entstehenden hohen Temperaturen werden sowohl Diffusionsprozesse als auch thermisch induzierte Spannungen im Werkzeug hervorgerufen.

• Die schlechte Verformbarkeit führt durch verringerte Kontaktflächen zwischen Span und Schneide zu hohen punktuellen Druckbelastungen der Schneidkanten.

• Das Warmfestverhalten des Schneidstoffs ruft die typische Lamellenspanbildung hervor. Dies führt zu einer hohen Schwellbelastung des Schneidkeils.

• Der geringe E-Modul, gepaart mit einem hohen Streckgrenzenverhältnis, lässt plastische Verformungen nur bedingt zu und führt zu einem Werkzeugversagen durch Schneidkantenausbrüche infolge hoher Schnittkräfte und selbsterregter Ratterschwingungen. Das Zurückfedern des Werkstoffes hinter der Schnittzone führt zu Reibvorgängen auf der Freifläche.

• Die Reaktionsfreudigkeit des Schneidstoffs führt bei hohen Temperaturen zu starkem Verschleiß durch Diffusion.

• Das Werkzeugversagen infolge starker Adhäsionsneigung des Werkstoffs durch den Wärmestau in der Schnittzone.

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