Kaum eine Branche stellt so hohe Anforderungen an Fräswerkzeuge wie die Luft- und Raumfahrt: Üblich sind hier Zerspanraten von bis zu 90 Prozent, komplex geformte Strukturbauteile, hochwarmfeste Werkstoffe sowie verschiedene Vorgaben und Standards. Hier werden Titanbauteile hergestellt, die eine akkurate Maßhaltigkeit und herausragende Oberflächengüte aufweisen müssen. Um all diesen Ansprüchen gerecht zu werden, hat Gühring einen Hochleistungsfräser für den Bereich Aircraft entwickelt: den RF 100 Ti Aircraft.
Die Luftfahrt setzt auf Leichtbauweise. Das bedeutet aber nicht, dass ein Werkstoff wie Stahl einfach durch Aluminium oder Titan ersetzt wird. Stattdessen werden Bauteile gezielt konstruiert: An Stellen, wo Belastungen aufgenommen und übertragen werden, muss ausreichend Werkstoff angebracht werden. Dort, wo keine Kräfte übertragen werden, wird hingegen Material eingespart.
So entstehen sehr leichte, fachwerkartige und dadurch stabile Strukturbauteile. Typisch dabei ist die Herstellung tiefer Kavitäten mit teils komplexen Außenkonturen. So komplex wie die dünnwandigen Bauteile sind die Bearbeitungsstrategien. Zumeist wird aus dem Vollen gefräst mit höchsten Zeitspanvolumen. Hier muss ein Präzisionswerkzeug her, das speziell auf die Luftfahrt ausgelegt ist.
Die Ansprüche der Luftfahrtindustrie sind hoch
Für die Strukturbauteile wird vorwiegend Titan verwendet, ein zäher Werkstoff mit einer hohen spezifischen Festigkeit, niedrigen Wärmeleitfähigkeit und hoher Reaktivität mit ausgeprägter Neigung zum Kleben. Keine einfachen Bedingungen für Zerspaner. Oft sind die Standmengen deshalb gering und die Zerspanvolumen unzureichend. Die Anwender fordern außerdem stabile Prozesse, da die Bauteilkosten insbesondere bei großen Strukturbauteilen, gut und gerne mehrere zehntausend Euro betragen. Nicht zuletzt müssen die Werkzeuge verschiedenen Standards der Luftfahrtbranche entsprechen, zum Beispiel dem NAS (National Aerospace Standard).
Dünnwandige Kavitäten sind kein Problem für den VHM-Fräser RF 100 Ti.
Ganzheitliche Werkzeugentwicklung bei Gühring
Ziel von Gühring war die Entwicklung eines Titanfräsers, der sowohl unter konventionellen als auch modernen HPC-Frässtrategien zuverlässig funktioniert. Die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs testeten die Entwickler an einem realen Einsatzszenario: Mittels iMachining definierten sie eine Taschenbearbeitung, die unter Verwendung von HPC-Schnittwerten sowohl das Eintauchen als auch das Schruppen und Schlichten umfasste.
Die Tiefe der Taschen betrug 24 mm. Durch die Verwendung der HPC-Strategie wurde diese mit Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 155,5 m/min bei voller Schnitttiefe hergestellt. Die seitliche Zustellung ae betrug bis zu 0,53 mm bei einer Vorschubgeschwindigkeit von bis zu vf = 3100 mm/min. Zusätzlich wurden mit dem Werkzeug Vollnut- und Besäumoperationen durchgeführt.
Um die Vibrationsneigung möglichst gering zu halten, wurde als Basis für den Aircraft-Fräser ein vierschneidiges Werkzeug mit ungleicher Drallsteigung gewählt. Außerdem sollte der Rampwinkel größer ausfallen, sodass beim Orbitalbohren (helikales Eintauchen) mit einem Fräswerkzeug Durchmesser d = 8 mm Zustellungen von bis zu ap = 1,2 mm/U erreicht werden können. Dafür optimierte Gühring die Stirnspanräume etablierter Fräswerkzeuge. Diese Modifizierung hin zu einer durchgehenden Stirnschneide zeigte eine deutlich verbesserte Oberflächengüte des Bauteils.
Analyse der Spanbildung durch Highspeed-Aufnahmen
Insbesondere bei hohen Zeitspanvolumen kommt es bei Titan zu Problemen mit der Spanabfuhr. Speziell bei großen Eckradien wird die Spanumformung über den Eckradius deutlich verschlechtert. Highspeed-Aufnahmen beim Besäumen zeigten, dass der Span zwar ausreichend gekrümmt, jedoch nicht sauber getrennt wird. Das führte zum Anhaften der Späne an der Spanfläche und letztlich zu Beschädigungen der Werkstückoberfläche.
Die Lösung war eine Eckenradiuskorrektur. Diese stabilisiert das Werkzeug, verbessert in hohem Maße das Verschleißverhalten des Eckradius und begünstigt die Spanumformung. Ein modifizierter und dem Schneidverhalten angepasster Kern verhindert ein Durchziehen der Späne in den nächsten Schnitt. Damit sind saubere Bauteiloberflächen möglich sowie lange Standwege bei geringem Werkzeugverschleiß.
Geringe Reaktivität durch Zenit-Beschichtung
Die hohe Reaktivität von Titan sowie die hohen thermischen Belastungen führen zu verstärktem Verschleiß. Alle üblichen Beschichtungen würden deshalb das Leistungspotenzial der Werkzeuge einschränken. Verschiedene Thermodiffusionsversuche mit unterschiedlichen Schichtsystemen zeigten: Vor allem bei TiAlN–haltige Schichten lösen sich die Schichtstrukturen durch Diffusionsvorgänge auf. Kaum Diffusion zeigte dagegen eine ZrN-Schicht. Der Grund: ZrN hat eine deutlich höhere chemische Stabilität, auch bei hohen Temperaturen. Daraus resultiert eine günstigere Reibchemie.
Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein Zirkoniumnitrid-basiertes Schichtsystem entwickelt, das die Vorteile der Verschleißfestigkeit von TiAlN mit der verbesserten chemischen Stabilität von Zirkoniumnitrid kombiniert. Einsatzversuche bestätigten eine geringere Adhäsion von Titanwerkstoffen beim Einsatz der neu entwickelten Zenit-Beschichtung. Die niedrigeren Reibungskräfte vermindern die Schneidenbelastung und machen damit höhere Standzeiten möglich.
Das Ergebnis: der RF 100 Ti
Der VHM-Fräser RF 100 Ti Aircraft besitzt eine spezielle Stirngeometrie, die prozesssicheres Fräsen, Nuten und Schruppen in Sonder- und Titanlegierungen ermöglicht. Der Spanraum verfügt über eine vertiefte Spannut im vorderen Schneidenbereich und verbessert damit die Spanabfuhr. Hinzu kommt der Halsfreischliff des RF 100 Ti Aircraft, dessen Übergangswinkel mittels FEM-Simulation optimiert wurde und dem Ratiofräser mehr Stabilität verleiht. Die optimierte, dem NAS entsprechende, Korrektur des Eckenradius stabilisiert die Schneide des Ratiofräsers und verhindert vorzeitigen Ausfall des Eckradius. Dadurch steigt die Prozesssicherheit.
Hochleistungsfräsen von Superlegierungen
Die Gruppe der Superlegierungen besteht aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, die eine komplexe Zusammensetzung haben. Das Besondere an diesen Metallen ist, dass sie auch unter sehr hohen Temperaturen angewendet werden können. Auch Titan (Ti) ist in vielen Superlegierung enthalten. Superlegierungen gehören zu den am schwersten zu zerspanenden Werkstoffen. Deshalb ist hier der Einsatz von Hochleistungsfräsern wie dem RF 100 Ti zu empfehlen.
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