Titanbearbeitung – spezielle Werkstoffe in der Komplettbearbeitung

In der Schwerzerspanung bestehen besondere Anforderungen an Maschine und Bearbeitungsprozesse. Hat man es mit einem schwer zerspanbaren Werkstoff wie Titan zu tun, benötigt es besonderes Know-how, um diese Anforderungen zu bewältigen. Mit einer Bearbeitungslösung für Fahrwerksteile von Flugzeugen kann WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG mit Experten-Know-how in diesem Bereich überzeugen.

Ein wichtiges Marktsegment stellt für WFL die Luftfahrtindustrie dar. In diesem Industriezweig setzen sich immer mehr Materialien durch, welche als schwer zerspanbar gelten. Insbesondere die Titanbearbeitung ist ein Feld, in dem WFL mit gewachsenem Know-how punkten kann.

Werkstoff mit besonderen Eigenschaften

Titan stellte in der Zerspanung schon immer besondere Anforderungen an Werkzeuge und Maschinen. Bei den Leichtbaustoffen hat sich in den vergangenen Jahren Titan 3.7165 als Werkstoff mit hervorragenden Eigenschaften vor allem in der Luft- und Raumfahrtfahrtindustrie, aber auch im medizinischen Bereich, durchgesetzt. Es ist eine der meistverwendeten Titanlegierungen, welche 6 % Aluminium und 4 % Vanadium enthält. Diese Legierung, gewöhnlich als Ti6Al4V bezeichnet, weist eine sehr gute Kombination aus Widerstandskraft, Korrosionsbeständigkeit und Beanspruchbarkeit auf. Obwohl für diesen Werkstoff mittlerweile gute Erfahrungswerte und Schnittdaten vorliegen, zählt die Bearbeitung aber immer noch zu den Königsdisziplinen in der Zerspanung.

Der Titan unter den Titanen

Für spezielle Anwendungen werden stetig neue Titanlegierungen, oftmals sogar aufgrund spezieller Kundenanforderungen, entwickelt. So gilt Titan 5553 (Ti5Al5V5Mo3Cr) von mehreren WFL Kunden als der Wunschwerkstoff für die Fahrwerksproduktion in der Luftfahrtindustrie. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch verbesserte Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit und Zähigkeit aus. Auch ist er unempfindlicher gegen Gefügeveränderungen bei der Erwärmung. Dieser Werkstoff zählt in der Zerspanung zu den wirklichen Titanen und hat seinen Namen aus der griechischen Mythologie.

Ti 5553 gehört derzeit wohl zu den am schwersten zu bearbeitenden Werkstoffen, die auf dem Markt verfügbar sind. Bei seiner Bearbeitung sollte eine Schnittgeschwindigkeit von 45 m/min nicht überschritten werden, da bei Schnittgeschwindigkeiten von bereits 60 m/min Scherspannungen von bis zu 2.780 N/mm² entstehen.

Herausforderungen bei der Titanbearbeitung

Problemstellungen wie Punktwärme durch schlechte Wärmeleitung und die damit verbundene chemische Veränderung im Werkstoff (Verspröden bei höheren Temperaturen) sowie die Bildung von Aufbauschneiden, treten bei diesem Werkstoff in wesentlich höherem Maße auf als bei anderen Titanlegierungen. Darum muss bei Ti 5553 besonders darauf geachtet werden, dass Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Eindringtiefe genau aufeinander abgestimmt werden. Der Einsatz geeigneter Kühlschmiermittel ist dabei ebenso wichtig wie die richtige Kühlstrategie. Ein schneller und kontinuierlicher Spanabtransport ist zu gewährleisten, denn die Wärmeableitung erfolgt zu einem weit größeren Maß über das Werkzeug. Eine weitere Herausforderung bei diesem Werkstoff ist das Entfernen der Schmiedehaut, von Experten „Elefantenhaut“ genannt. Diese Haut weist durch den vorgeschalteten Schmiedeprozess und den dabei entstehenden thermischen und metallurgischen Einflüssen eine sehr hohe Randhärte auf.

Durch das geringe Elastizitätsmodul neigt Titan dazu, dem Druck des Werkzeugs auszuweichen und mit der Schneide zu verschweißen. Die Bearbeitung sollte daher wie bereits erwähnt unter geringer Schnittgeschwindigkeit, aber relativ großem und gleichmäßigem Vorschub erfolgen. Auf schwingungsfrei eingespannte, scharfe Werkzeuge ist in jedem Falle zu achten. Als Schneidstoff kommen hochkobalthaltige Schnellarbeitsstähle, Hartmetalle oder Stellite in Frage.

Erfahrung ist entscheidend

All dies zeigt, dass bei der Bearbeitung von Titan viel Erfahrung in Auswahl und Einsatz der verwendeten Werkzeuge als auch der Bearbeitungsstrategien erforderlich ist.

Schon in der Konzeptphase muss gezeigt werden, dass in der Fertigung auf kritische Aspekte der Bearbeitung eingegangen werden kann. So ist beispielsweise zu berücksichtigen, dass unterschiedliche Materialdicken im Werkstückrohling angepasste Bearbeitungsstrategien erfordern. Wärmeeinflusszonen sind dabei ebenso zu berücksichtigen wie die auftretenden Schnittkräfte.

Schwer zerspanbare Materialien wie Titan haben die Entwicklung der WFL-Maschinen mitgeprägt. Genau für diese anspruchsvollen Anwendungsfälle liefert WFL individuelle Lösungen, die neben der eigentlichen Maschine auch Themen wie Kühlung und Fertigungsstrategie beinhalten.

„Um WFL Kunden eine prozesssichere Lösung anbieten zu können, entwickelt WFL Komponenten, die es erlauben die Auslegung der Maschine genau auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustimmen.“ – Reinhard Koll, Head of Application Engineering WFL

Der Kühlschmierstoff, kann dank der eigenen Spindelentwicklung, mit einem Druck von bis zu 200 bar durch die Frässpindel direkt an die Schneide zugeführt werden. Dadurch ist ein schneller und kontinuierlicher Spanabtransport gewährleistet.