Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen sind sich in folgenden Punkten ähnlich: Beide Arten von Metallen werden zur Herstellung von Flugzeugbauteilen verwendet, und in beiden Fällen kann es sein, dass 90 Prozent des Materials weggefräst werden müssen, bevor das Teil fertig ist.
Viele Werkstätten würden sich wahrscheinlich wünschen, dass die beiden Metalle mehr gemeinsam hätten. Zulieferer der Luftfahrtindustrie, die mit der Bearbeitung von Aluminium vertraut sind, müssen immer mehr Titan bearbeiten, da neuere Flugzeugkonstruktionen vermehrt auf dieses Metall zurückgreifen.
John Palmer, Global Aerospace Segment Manager des Schneidwerkzeugherstellers Stellram, sagt, dass viele dieser Werkstätten tatsächlich mehr Kapazitäten für die Titanbearbeitung haben, als ihnen bewusst ist. Viele wertvolle Techniken für die effektive Bearbeitung von Titan sind nicht schwer anzuwenden, aber nur wenige Werkstätten nutzen alle Techniken, die für das produktive Fräsen dieses Metalls verfügbar sind. Er berät Hersteller über Methoden zur Verbesserung der Fräsleistung bei verschiedenen Legierungen für die Luft- und Raumfahrt, einschließlich Titanlegierungen. Er sagt, dass Titan nicht schwierig sein muss – es ist nur so, dass der gesamte Bearbeitungsprozess berücksichtigt werden muss, weil jedes einzelne Element die Effektivität des Gesamtprozesses beeinträchtigen könnte.
Stabilität ist der Schlüssel, sagt er. Wenn das Werkzeug das Werkstück berührt, schließt es einen Kreis. Das Werkzeug, der Werkzeughalter, die Spindel, die Säule, die Führungen, der Tisch, die Spannvorrichtung und das Werkstück sind alle Teil dieses Kreises und Teil der erforderlichen Stabilität. Weitere wichtige Überlegungen betreffen den Kühlmitteldruck und die Kühlmittelmenge sowie die Art der Kühlmittelzufuhr und die Methodik und Anwendung, die im Mittelpunkt dieses Artikels stehen. Um das Potenzial der Verfahren, mit denen Titan produktiv bearbeitet werden kann, besser auszuschöpfen, gibt Herr Palmer häufig Ratschläge, darunter alle folgenden Tipps:
- Halten Sie den radialen Eingriff niedrig
- Anzahl der Nuten erhöhen
- Make a Thick-to-Thin Chip
- Arc In
- Auf einer Fase enden
- Verlassen Sie sich auf eine Sekundärentlastung
- Axiale Tiefe verändern
- Begrenzen Sie die axiale Tiefe um schlanke Merkmale
- Wählen Sie ein Werkzeug, das viel kleiner ist als die Tasche
- Werkzeugstahl als Vorbild
- VERWANDTE INHALTE
- Wo Trockenfräsen Sinn macht
- Tipps für das Gewindeschneiden in Titanlegierungen
- Nicht-traditionelle Methoden zur Herstellung kleiner Löcher
Halten Sie den radialen Eingriff niedrig
Eine der entscheidenden Herausforderungen bei Titan ist die Wärmeabfuhr. Bei diesem Metall wird relativ wenig der während der Bearbeitung erzeugten Wärme mit dem Span abgeführt. Im Vergleich zur Bearbeitung anderer Metalle geht ein größerer Anteil der Wärme bei der Titanbearbeitung in das Werkzeug. Aufgrund dieses Effekts bestimmt die Wahl des radialen Eingriffs die Wahl der Oberflächengeschwindigkeit bei diesem Metall.
Das Diagramm in Abbildung 1 zeigt dies. Volles Nuten – d. h. 180-Grad-Eingriff – erfordert eine relativ niedrige Schnittgeschwindigkeit. Eine Verringerung des radialen Eingriffs verringert jedoch die Zeit, in der die Schneide Wärme erzeugt, und gibt der Schneide mehr Zeit zum Abkühlen, bevor sie bei der nächsten Umdrehung in das Material eindringt. Wenn also der radiale Eingriff verringert wird, kann die Oberflächengeschwindigkeit erhöht werden, während die Temperatur an der Schneidstelle beibehalten wird. Für die Endbearbeitung kann ein Fräsprozess, der aus einem sehr kleinen Kontaktbogen mit einer scharfen, gehonten Schneide und einer hohen Oberflächengeschwindigkeit und einem minimalen Vorschub pro Zahn besteht, außergewöhnliche Ergebnisse erzielen.
Anzahl der Nuten erhöhen
Gemeinsam verwendete Schaftfräser haben vier oder sechs Nuten. Bei Titan kann dies zu wenig sein. Eine effektivere Anzahl von Nuten könnte zehn oder mehr sein (siehe Abbildung 2).
Die Erhöhung der Anzahl der Spannuten kompensiert den Bedarf an einem geringen Vorschub pro Zahn. Der enge Nutenabstand eines 10-Nuten-Werkzeugs ist für die Spanabfuhr bei vielen Anwendungen zu eng. Das produktive Fräsen von Titan begünstigt jedoch bereits eine geringe radiale Tiefe (siehe Tipp 1). Der dadurch entstehende kleine Span lässt die Freiheit offen, einen Schaftfräser mit hoher Schneidenanzahl einzusetzen, um die Produktivität zu erhöhen.
Make a Thick-to-Thin Chip
„Gleichlauffräsen“ ist der bekannte Begriff für diese Idee. Das bedeutet, dass man den Fräser nicht so vorschiebt, dass sich die Schneide in der gleichen Richtung durch das Material bewegt, in der das Werkzeug zugestellt wird. Dieser als „konventionelles Fräsen“ bekannte Bearbeitungsansatz führt dazu, dass der Span zunächst dünn ist und dann dicker wird. Wenn das Werkzeug auf das Material auftrifft, erzeugen die Reibungskräfte Wärme, bevor das Material beginnt, sich vom Grundwerkstoff abzuscheren. Ein dünner Span ist nicht in der Lage, die erzeugte Wärme zu absorbieren und abzuführen, sondern sie geht in das Schneidwerkzeug über. An der Austrittsstelle, an der der Span dick ist, stellt der erhöhte Schneiddruck eine Gefahr für das Anhaften des Spans dar.
Beim Gleichlauffräsen – oder bei der Bildung von dicken bis dünnen Spänen – dringt die Schneide in das überschüssige Material ein und tritt an der fertigen Oberfläche aus (siehe Abbildung 3). Beim Querfräsen versucht das Werkzeug, über das Material zu „klettern“, wobei beim Eintritt ein dicker Span für maximale Wärmeaufnahme und beim Austritt ein dünner Span entsteht, um ein Anhaften der Späne zu verhindern.
Beim Konturfräsen muss der Werkzeugweg genau überprüft werden, um sicherzustellen, dass das Werkzeug weiterhin auf diese Weise in das überschüssige Material eintritt und auf der fertigen Oberfläche austritt. Dies bei komplizierten Durchgängen zu erreichen, ist nicht immer so einfach, wie das Material einfach rechts zu halten.
Arc In
In Titan und anderen Metallen geht die Standzeit des Werkzeugs in Momenten ruckartiger Kraftveränderung verloren. Der schlimmste dieser Momente tritt oft auf, wenn das Werkzeug in das Material eindringt. Ein direkter Vorschub in das Material (wie bei fast allen Standard-Werkzeugwegen) erzeugt einen ähnlichen Effekt wie ein Hammerschlag auf die Schneide.
Gleiten Sie stattdessen sanft hinein. Erstellen Sie dazu eine Werkzeugbahn, bei der das Werkzeug in einem Bogen in das Material einfährt, anstatt in einer geraden Linie (siehe Abbildung 4). Beim Dick-zu-Dünn-Fräsen sollte der Eintrittsbogen der Werkzeugbahn der gleichen Richtung (im oder gegen den Uhrzeigersinn) folgen wie die Drehung des Werkzeugs. Der bogenförmige Eintrittspfad ermöglicht einen allmählichen Anstieg der Schnittkraft und verhindert ein Einklemmen oder eine Instabilität des Werkzeugs. Wärmeentwicklung und Spanbildung nehmen ebenfalls allmählich zu, bis das Werkzeug vollständig in den Schnitt eingreift.
Auf einer Fase enden
Auch am Werkzeugaustritt können ruckartige Kraftänderungen auftreten. So nützlich das Dick-auf-Dünn-Schneiden auch ist (Tipp Nr. 3), das Problem bei dieser Methode ist, dass die Dick-auf-Dünn-Bildung plötzlich aufhört, wenn das Werkzeug das Ende des Durchgangs erreicht und beginnt, das Metall zu verlassen. Der abrupte Wechsel führt zu einem ebenso abrupten Kraftwechsel, der das Werkzeug erschüttert und möglicherweise die Oberfläche des Teils beschädigt. Um einen so abrupten Übergang zu vermeiden, fräst man vorsichtshalber zuerst eine 45-Grad-Fase am Ende des Durchgangs, damit das Werkzeug eine allmähliche Abnahme seiner radialen Schnitttiefe erfährt (siehe Abbildung 5).
Verlassen Sie sich auf eine Sekundärentlastung
Eine scharfe Schneide minimiert die Schnittkräfte in Titan, aber die Schneide muss auch stark genug sein, um dem Schnittdruck standzuhalten. Ein Werkzeug mit Sekundärhinterschliff, bei dem der erste positive Bereich der Schneide den Kräften widersteht und der zweite Bereich dann abfällt, um den Freiraum zu vergrößern, erfüllt diese beiden Ziele (siehe Abbildung 6). Das Sekundärfräsen ist bei Werkzeugen weit verbreitet, aber insbesondere bei Titan kann das Experimentieren mit Werkzeugen mit verschiedenen Sekundärfräskonstruktionen überraschende Veränderungen der Schnittleistung oder der Standzeit ergeben.
Axiale Tiefe verändern
In der Schnitttiefe können Oxidation und chemische Reaktionen das Werkzeug beeinträchtigen. Wenn das Werkzeug wiederholt in der gleichen Tiefe eingesetzt wird, kann es an dieser Stelle zu Vorschäden kommen. Bei aufeinanderfolgenden Axialschnitten kann dieser beschädigte Bereich des Werkzeugs eine Kaltverfestigung sowie Linien auf dem Teil verursachen, die für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt inakzeptabel sind, so dass dieser Effekt auf der Oberfläche einen frühzeitigen Werkzeugwechsel erforderlich machen kann. Um dies zu verhindern, schützen Sie das Werkzeug, indem Sie die axiale Schnitttiefe bei jedem Durchgang ändern und den Problembereich auf verschiedene Punkte entlang der Spannut verteilen (siehe Abbildung 7). Beim Drehen kann ein ähnliches Ergebnis durch Kegeldrehen beim ersten Durchgang und Paralleldrehen beim darauffolgenden Durchgang erzielt werden, um ein Einkerben der Schnitttiefe zu verhindern.
Begrenzen Sie die axiale Tiefe um schlanke Merkmale
Das Verhältnis 8:1 ist beim Fräsen von dünnen Wänden und freitragenden Merkmalen in Titan zu beachten. Um die Durchbiegung von Taschenwänden zu vermeiden, sollten diese Wände in aufeinanderfolgenden axialen Schritten gefräst werden, anstatt die gesamte Wandtiefe in einem Durchgang mit einem Schaftfräser zu bearbeiten. Insbesondere sollte die axiale Schnitttiefe bei jeder Stufe nicht größer sein als das 8-fache der Dicke der Wand, die nach diesen Fräsdurchgängen zurückbleibt (siehe Abbildung 8). Wenn die Wand beispielsweise 0,1 Zoll dick ist, sollte die axiale Schnitttiefe für einen benachbarten Fräsdurchgang nicht mehr als 0,8 Zoll betragen.
Trotz der Tiefenbegrenzung ist es möglich, diese Regel so zu umgehen, dass ein produktives Fräsen noch möglich ist. Dazu werden dünne Wände so bearbeitet, dass um die Wand herum eine Umhüllung aus Rohmaterial verbleibt, die das Feature drei- oder viermal dicker macht als das endgültige Feature. Wenn die Wandstärke beispielsweise auf 0,3 Zoll gehalten wird, dann erlaubt die 8:1-Regel eine axiale Tiefe von 2,4 Zoll. Nach diesen Durchgängen nehmen Sie geringere axiale Tiefen, um die dicken Wände bis zu ihrem Endmaß zu bearbeiten.
Wählen Sie ein Werkzeug, das viel kleiner ist als die Tasche
Aufgrund der hohen Wärmeaufnahme des Werkzeugs in Titan benötigt das Werkzeug einen Freiraum zur Kühlung. Beim Fräsen einer kleinen Tasche sollte der Durchmesser des Werkzeugs nicht mehr als 70 Prozent des Durchmessers (oder einer vergleichbaren Abmessung) der Tasche betragen (siehe Abbildung 9). Bei einem geringeren Freiraum besteht die Gefahr, dass das Werkzeug im Wesentlichen vom Kühlmittel isoliert wird und die Späne eingeschlossen werden, die andernfalls zumindest einen Teil der Wärme abführen könnten.
Die 70-Prozent-Regel kann auch auf ein Werkzeug angewandt werden, das über die Oberseite einer Fläche fräst. In diesem Fall sollte die Breite des Merkmals 70 Prozent des Werkzeugdurchmessers betragen. Das Werkzeug ist um 10 Prozent versetzt, um die Bildung von dicken bis dünnen Spänen zu fördern.
Werkzeugstahl als Vorbild
High-Vorschubfräser – ein Werkzeugkonzept, das für die Bearbeitung von Werkzeugstählen in der Werkzeug- und Formenbauindustrie entwickelt wurde – wurden in den letzten Jahren für die Bearbeitung von Titan angepasst. Ein Hochvorschubfräser erfordert eine geringe axiale Schnitttiefe, aber wenn er mit dieser geringen Tiefe betrieben wird, erlaubt das Werkzeug höhere Vorschübe als Fräser mit konventionellerem Design.
Der Grund ist die Spanausdünnung. Der Schlüssel zu einem Fräser mit hohem Vorschub ist eine Wendeschneidplatte mit einer Kurve mit großem Radius an der Schneidkante (siehe Abbildung 10). Dieser Radius verteilt die Spanbildung über eine große Kontaktfläche an der Schneide. Aufgrund der daraus resultierenden Ausdünnung kann eine axiale Schnitttiefe von 0,040 Zoll eine Spandicke von nur etwa 0,008 Zoll ergeben. Bei Titan überwindet dieser dünne Span den geringen Vorschub pro Zahn, der bei diesem Metall normalerweise erforderlich ist. Die Ausdünnung des Spans ermöglicht einen höheren programmierten Vorschub als sonst möglich wäre.
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