Kaum eine Branche stellt so hohe Anforderungen an Fr?swerkzeuge 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 Ma?haltigkeit und herausragende Oberfl?chengüte aufweisen müssen. Um all diesen Ansprüchen gerecht zu werden, hat Gühring einen Hochleistungsfr?ser 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 Kr?fte übertragen werden, wird hingegen Material eingespart.
So entstehen sehr leichte, fachwerkartige und dadurch stabile Strukturbauteile. Typisch dabei ist die Herstellung tiefer Kavit?ten mit teils komplexen Au?enkonturen. So komplex wie die dünnwandigen Bauteile sind die Bearbeitungsstrategien. Zumeist wird aus dem Vollen gefr?st mit h?chsten Zeitspanvolumen. Hier muss ein Pr?zisionswerkzeug her, das speziell auf die Luftfahrt ausgelegt ist.
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Die Ansprüche der Luftfahrtindustrie sind hoch
Für die Strukturbauteile wird vorwiegend Titan verwendet, ein z?her Werkstoff mit einer hohen spezifischen Festigkeit, niedrigen W?rmeleitf?higkeit und hoher Reaktivit?t mit ausgepr?gter Neigung zum Kleben. Keine einfachen Bedingungen für Zerspaner. Oft sind die Standmengen deshalb gering und die Zerspanvolumen unzureichend. Die Anwender fordern au?erdem stabile Prozesse, da die Bauteilkosten insbesondere bei gro?en 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 Kavit?ten sind kein Problem für den VHM-Fr?ser RF 100 Ti.
Ganzheitliche Werkzeugentwicklung bei Gühring
Ziel von Gühring war die Entwicklung eines Titanfr?sers, der sowohl unter konventionellen als auch modernen HPC-Fr?sstrategien zuverl?ssig funktioniert. Die Leistungsf?higkeit 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. Zus?tzlich wurden mit dem Werkzeug Vollnut- und Bes?umoperationen durchgeführt.
Um die Vibrationsneigung m?glichst gering zu halten, wurde als Basis für den Aircraft-Fr?ser ein vierschneidiges Werkzeug mit ungleicher Drallsteigung gew?hlt. Au?erdem sollte der Rampwinkel gr??er ausfallen, sodass beim Orbitalbohren (helikales Eintauchen) mit einem Fr?swerkzeug Durchmesser d = 8 mm Zustellungen von bis zu ap = 1,2 mm/U erreicht werden k?nnen. Dafür optimierte Gühring die Stirnspanr?ume etablierter Fr?swerkzeuge. Diese Modifizierung hin zu einer durchgehenden Stirnschneide zeigte eine deutlich verbesserte Oberfl?chengüte des Bauteils.
Analyse der Spanbildung durch Highspeed-Aufnahmen
Insbesondere bei hohen Zeitspanvolumen kommt es bei Titan zu Problemen mit der Spanabfuhr. Speziell bei gro?en Eckradien wird die Spanumformung über den Eckradius deutlich verschlechtert. Highspeed-Aufnahmen beim Bes?umen zeigten, dass der Span zwar ausreichend gekrümmt, jedoch nicht sauber getrennt wird. Das führte zum Anhaften der Sp?ne an der Spanfl?che und letztlich zu Besch?digungen der Werkstückoberfl?che.
Die L?sung war eine Eckenradiuskorrektur. Diese stabilisiert das Werkzeug, verbessert in hohem Ma?e das Verschlei?verhalten des Eckradius und begünstigt die Spanumformung. Ein modifizierter und dem Schneidverhalten angepasster Kern verhindert ein Durchziehen der Sp?ne in den n?chsten Schnitt. Damit sind saubere Bauteiloberfl?chen m?glich sowie lange Standwege bei geringem Werkzeugverschlei?.
Geringe Reaktivit?t durch Zenit-Beschichtung
Die hohe Reaktivit?t von Titan sowie die hohen thermischen Belastungen führen zu verst?rktem Verschlei?. Alle üblichen Beschichtungen würden deshalb das Leistungspotenzial der Werkzeuge einschr?nken. Verschiedene Thermodiffusionsversuche mit unterschiedlichen Schichtsystemen zeigten: Vor allem bei TiAlN–haltige Schichten l?sen sich die Schichtstrukturen durch Diffusionsvorg?nge auf. Kaum Diffusion zeigte dagegen eine ZrN-Schicht. Der Grund: ZrN hat eine deutlich h?here chemische Stabilit?t, auch bei hohen Temperaturen. Daraus resultiert eine günstigere Reibchemie.
Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein Zirkoniumnitrid-basiertes Schichtsystem entwickelt, das die Vorteile der Verschlei?festigkeit von TiAlN mit der verbesserten chemischen Stabilit?t von Zirkoniumnitrid? kombiniert. Einsatzversuche best?tigten eine geringere Adh?sion von Titanwerkstoffen beim Einsatz der neu entwickelten Zenit-Beschichtung. Die niedrigeren Reibungskr?fte vermindern die Schneidenbelastung und machen damit h?here Standzeiten m?glich.
Das Ergebnis: der RF 100 Ti
Der VHM-Fr?ser RF 100 Ti Aircraft besitzt eine spezielle Stirngeometrie, die prozesssicheres Fr?sen, Nuten und Schruppen in Sonder- und Titanlegierungen erm?glicht. 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 Ratiofr?ser mehr Stabilit?t verleiht. Die optimierte, dem NAS entsprechende, Korrektur des Eckenradius stabilisiert die Schneide des Ratiofr?sers und verhindert vorzeitigen Ausfall des Eckradius. Dadurch steigt die Prozesssicherheit.
Hochleistungsfr?sen 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 k?nnen. Auch Titan (Ti) ist in vielen Superlegierung enthalten. Superlegierungen geh?ren zu den am schwersten zu zerspanenden Werkstoffen. Deshalb ist hier der Einsatz von Hochleistungsfr?sern wie dem RF 100 Ti zu empfehlen.
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