Wirtschaftliche Titanzerspanung durch Hochgeschwindigkeitsfräsen

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PTW Institut für Produktions- management, Technologie und Werkzeugmaschinen

Weil die Grenzen der Produktivität durch die Effektivität der Wärmeübertragung bedingt sind, gibt es noch eine andere Möglichkeit, den Prozess zu beeinflussen. Die richtige Wahl niedrigerer Schnittgeschwindigkeiten, wie in Grafik 1 im linken Bereich zu erkennen, kann die Wärmebelastung der Schneiden reduzieren. Denn nach Gey [4] wird mit großen Vorschüben beziehungsweise Spanungsquerschnitten, dennoch eine hohe Zerspanungsleistung gewährleistet. Neuere Untersuchungen zeigen ebenfalls die Entstehung solch günstiger Zerspanverhältnisse bei geringeren Schnittkräften in höheren Schnittgeschwindigkeitsbereichen.

Effizientes Hochgeschwindigkeitsfräsen von Titanlegierungen möglich

Das effiziente Hochgeschwindigkeitsfräsen von Titanlegierungen ist möglich, wie die aktuellen Erkenntnisse zeigen. Die teilweise konträren Angaben in der Literatur zeigen, dass noch erhebliches Verbesserungspotenzial besteht.

Das erstreckt sich auf die Entwicklung optimaler Schneidstoffe, das Erarbeiten der richtigen Einstellparameter oder die Anwendung verbesserter Kühlschmierstoffe sowie die richtige Methode zur Verabreichung des Kühlmediums. Die unzureichende Bearbeitung der Frage um die Entstehung des Kolkverschleißes verhindert bisher eine zielgerichtete, funktionsgerechte und konstruktive Gestaltung der verwendeten Schneidstoffe. An der Beantwortung dieser Frage arbeitet derzeit eine Forschergruppe um Prof. Eberhard Abele am PTW der TU Darmstadt.

Um die Vorgänge in der Wirkzone beim Zerspanungsprozess zu verstehen, braucht es neben neuen Messverfahren und innovativen Versuchsmethoden auch geeignete Simulationen. Durch die am PTW durchgeführten Simulationen konnte etwa gezeigt werden, dass mit einer Änderung der Eigentemperatur des Schneidstoffs die Wärme- und die Temperaturleitfähigkeit variieren.

Temperierbarer Werkzeughalter für HSC-Titanfräsen entwickelt

Somit ergibt sich die Chance, auch den Wärmeeindringkoeffizienten zu beeinflussen. So konnte bewiesen werden, dass bei einem auf 100 °C vortemperierten Schneidstoff, die Maximalzerspantemperatur unter dem Wert liegt wie bei einer Schneidstofftemperatur von nur 20 °C. Dieser Effekt wird in Grafik 3 veranschaulicht.

Auf diese Erkenntnisse aufbauend, wurde ein Werkzeughalter angefertigt, wie er in Bild 3 zu sehen ist. Er wurde mit dem Direct-Metal-Laser-Sintern (DMLS) hergestellt. Daraus resultiert seine metallschaumartige Struktur, die es erlaubt, den Halter mit einem temperatur- und mengengeregelten Stickstoffvolumenstrom zwischen -100 und 200 °C zu temperieren. Mit seiner Hilfe soll diese Theorie jetzt auch unter realen Prozessbedingungen überprüfbar gemacht werden.

Literatur

• [1] Ilgner, H.J.: Hochgeschwindigkeitsfräsen schwer zerspanbarer Legierungen. Dr.-Ing. Dissertation, Darmstadt: 1980

• [2] Abele, E., Hölscher, R.: Ein Leichtmetall macht's den Zerspanern schwer - Trendbericht: Titanbauteile setzen Fertiger unter Produktivitätsoptimierungsdruck. Werkstatt + Betrieb: WB, 104 (7/8) Carl Hanser Verlag, München 2009.

• [3] Su, Y., He, L., Li, L., Li, X.L.: An Experimental Investigation of Effects of Cooling/Lubrication Conditions on Tool Wear in High-Speed End Milling of Ti-6Al-4V. Wear 261, 2006

• [4] Gey, C.: Prozessauslegung für das Flankenfräsen von Titan. Fortschritt-Berichte VDI Nr. 625 (IFW), Hannover, 2003

• [5] Blair Smith, E., Crooks, N., Cheng, W.: Titanium Find in Paraguay May Be World’s Largest. http://www.bloomberg.com/news/2010-11-03/paraguay-titanium-find-may-be-world-s-largest-american-prospector-says.html, Nov 4, 2010

• [6] Sonnekus, R.: On high speed machining of titanium alloys - analysis and validation, Dissertation, University of Johannesburg, 2008.

* Dipl.-Ing. Mario Dewald und Dipl.-Ing. Jakob Fischer sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) an der TU Darmstadt

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