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WB Werkstatt + Betrieb 09/2016

Den Verschleiß kaltgestellt

Titanzerspanung, kryogene Kühlung, Fräswerkzeuge, Verschleißminderung

Den Verschleiß kaltgestellt

Bei der Zerspanung von Titanlegierungen bringt der prozesstemperaturbedingte Verschleiß Werkzeuge schnell an ihre Grenzen. Ein Ansatz, diesem Problem zu begegnen, stellt die kryogene Kühlung dar. Aus diesem Grund arbeitet Zecha an der Entwicklung neuartiger VHM-Torusfräser.

Die Zecha Hartmetall-Werkzeugfabrikation GmbH liefert Vollhartmetallwerkzeuge für eine Vielzahl von Anwendungsbereichen wie Medizintechnik und Aerospace. In beiden Branchen spielen Titan und Titanlegierungen eine große Rolle. Die spanende Bearbeitung dieser Werkstoffe wird durch deren hohe Festigkeit in Verbindung mit dem geringen Wärmeleitkoeffizient stark erschwert. Besonders betroffen davon sind Schruppoperationen, die bei Bauteilen der Luft- und Raumfahrtindustrie mit Zerspanraten von bis zu 90 Prozent einen großen Anteil an der Fertigung haben [1].

Der dominante Werkzeugverschleißtreiber bei der Titanzerspanung ist die thermische Belastung, die aufgrund des geringen Wärmeleitkoeffizienten kaum über die Späne abgeführt wird. Vielmehr sind die Werkzeugschneiden hohen Temperaturen von bis zu 1000 °C ausgesetzt, was Adhäsions- und Diffusionsprozesse begünstigt [1]. Um die Fertigungskosten von Titanbauteilen zu reduzieren, entwickeln die Hersteller stetig neue Werkzeuge und Prozesse, um höhere Zeitspanvolumina und längere Werkzeugstandzeiten zu realisieren.

Kryogene Kühlung – längere Standzeit bei höherer Schnittgeschwindigkeit

Ein vielversprechender Ansatz, den hohen Prozesstemperaturen zu begegnen, stellt die Prozesskühlung durch kryogene Medien wie flüssigem Stickstoff (LN2 ) oder Kohlenstoffdioxid (CO2 ) dar. Im Fall von CO2 wird das Medium in flüssiger Form unter hohem Druck (circa 60 bar bei Raumtemperatur) meist durch eine Düse zum Anwendungspunkt geleitet, wo es expandiert und sich dabei auf seine Siedetemperatur von -78,48 °C abkühlt.

Der Einsatz kryogener Kühlung während der Titanzerspanung ist eine effiziente Methode, um die Temperatur am Werkzeugschneidkeil unterhalb der Entfestigungstemperatur des Schneidstoffs zu halten [2]. Untersuchungen belegen, dass dank kryogener Kühlung die Temperatur in der Schneidzone auf unter 500 °C sinkt und es möglich ist, die Schnittgeschwindigkeit gegenüber der Nassbearbeitung nahezu zu verdoppeln [3].

Die Verwendung kryogener CO2 - Schneestrahlkühlung beim Fräsen von Titanlegierungen stellt besondere Anforderungen an Werkzeug und Prozess...

Suchtreffer im Volltext:
...mit dem PTW Darmstadt an der Entwicklung eines VHM-Schaftfräsers (Durchmesser 2 mm) zur kombinierten Schrupp-Schlicht-Bearbeitung von Ti-Al6-V4 unter kryogener CO2-Schneestrahlkühlung. Voruntersuchungen am PTW belegen ein überlegenes Verschleißverhalten torischer Werkzeuggeometrien bei der Titanzers...

von Eberhard Abele und Timo Scherer

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Literaturhinweis

[1] E. Abele et al. (2011): Titanzerspanung produktiver machen. WB Werkstatt + Betrieb 1-2/2011, S. 34–38

[2] E. Ezugwu, J. Bonney, Y. Yamane: An overview of the machinability of aeroengine alloys. Journal of Materials Processing Technology 2/2003, S. 233–253

[3] S. Y. Hong, Y. Ding (2001): Cooling approaches and cutting temperatures in cryogenic machining of Ti-6Al-4V. International Journal of Machine Tools and Manufacture 10/2001, S. 1417–1437

Unternehmensinformation

TU Darmstadt (PTW) Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen

Otto-Berndt-Str. 2
DE 64287 Darmstadt

Zecha GmbH Hartmetall-Werkzeugfabrikation

Benzstraße 2
DE 75203 Königsbach-Stein
Tel.: 07232 3022-0
Fax: 07232 302225

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