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maschine+werkzeug 04/2016

Kühlen, wo es drauf ankommt

EXTRA

Drehen/Fräsen - Um schwer zerspanbare Werkstoffe für die Luftfahrt zu bearbeiten, bietet Iscar Werkzeuge, die mit einer Kühlmittelzufuhr direkt in die Schnittzone das Zeitspanvolumen erhöhen und die Nebenzeiten reduzieren.

In der Luftfahrt finden viele unterschiedliche Werkstoffe Anwendung. Zum Beispiel werden für die Hülle eines herkömmlichen Passagierflugzeugs hauptsächlich Aluminiumlegierungen und hochfestes CFK verwendet. Beim Fahrwerk werden sowohl legierte Stähle als auch Titanbasislegierungen und sogar hochfeste geschmiedete Aluminiumlegierungen eingesetzt. Triebwerke hingegen bestehen hauptsächlich aus Bauteilen aus Nickelbasis- und Titanbasislegierungen und werden ergänzt durch hochfesten Stahl und einer Hülle aus CFK.

Die Eigenschaften des jeweiligen Werkstoffs bestimmen dessen Einsatzgebiet. Aluminiumknetlegierungen werden für Strukturbauteile und zum Teil auch für Fahrwerke verwendet, da sie ein optimales Gewichts-Festigkeits-Verhältnis haben. Werden höhere Festigkeiten benötigt, kommen je nach Gewichtsanforderung sowohl hochlegierte Stähle als auch vermehrt Titanbasislegierungen zum Einsatz. Beim Triebwerk bestimmt die Betriebstemperatur den benötigten Werkstoff.

Nickelbasislegierungen weisen zwar eine höhere Dichte als Stahl auf, werden jedoch aufgrund ihrer hohen Warmfestigkeit im Hochdruckverdichter und in der Turbine eingesetzt. Titanbasislegierungen weisen eine vergleichbar hohe Zugfestigkeit bei halbem Gewicht auf. Aufgrund der deutlich niedrigeren Warmfestigkeit werden sie nur im kalten Bereich eines Triebwerkes verbaut.

Schon seit Jahrzehnten setzt Iscar einen Fokus auf die Luftfahrt und die dort zu zerspanenden Werkstoffe. Dies untermauern zahlreiche Entwicklungen in der sechzigjährigen Geschichte des Unternehmens. So ist zum Beispiel das Stechdrehsystem ›Cut-Grip‹ zu nennen, welches die Zerspanung von Triebwerksscheiben revolutionierte. Auch ›Helimill‹, das weltweit erste Frässystem mit gedrallten Schneidkanten, sowie das modulare Bohrsystem ›Sumocham‹ mit auswechselbaren Bohrköpfen bewähren sich optimal in der Luftfahrt.

Die Problematik mit Titan

Bei Passagierflugzeugen der neuen Generation kommen vermehrt Titanbasislegierungen zum Einsatz. Diese ersetzen sowohl Aluminiumlegierungen als auch Stähle. Besonders dort, wo Aluminium durch Titan ersetzt wird, steht der Zerspaner vor einer neuen Herausforderung. Das heute erreichbare Zeitspanvolumen beim Fräsen von Strukturbauteilen aus Aluminiumknetlegierungen beträgt durchaus schon mal 10.000 cm³/min. Bei der Bearbeitung der gängigen Titanbasislegierung TiAl6V4 können schon Werte wie 200 cm³/min als großer Erfolg gewertet werden; allerdings stellt dies noch lange keine gängige Praxis dar.

Um zu verstehen, welche Werkstoffeigenschaften dafür verantwortlich sind, sollte ein Blick auf die Wärmeleitfähigkeit und den Elastizitätsmodul geworfen werden. Titan weist im Vergleich zu Stahl und erst recht zu Aluminium eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Titan hat die (für die Zerspanung unangenehme) Eigenschaft zu federn, da es einen recht niedrigen Elastizitätsmodul aufweist.

Die bei der Zerspanung von Titan entstehende hohe Temperatur kann nur zu 25 Prozent über den Span abgeführt werden. Der Rest muss über die Schneide erfolgen. Bei Aluminium verhält es sich genau umgekehrt. Durch den niedrigen Elastizitätsmodul und die gleichzeitig hohe Festigkeit entstehen lange Späne, die viel Spanraum benötigen. Titan neigt zu Adhäsion, weswegen mit einem Kühlschmierstoff (KSS) oder Öl zerspant wird.

Auch andere Kriterien, zum Beispiel eine nicht optimale Prozesssicherheit, haben einen großen Einfluss auf die Produktivität bei der Herstellung der komplexen Bauteile. Demnach steht die deutliche Steigerung der Produktivität bei der Titanbearbeitung bei allen Zerspanern der Luftfahrt im Fokus. Eine Steigerung der Produktivität kann sowohl durch eine Reduzierung der Nebenzeiten als auch durch die Erhöhung des Zeitspanvolumens erreicht werden. Um diesen besonderen Anforderungen Rechnung zu tragen, hat Iscar in den letzten 15 Jahren Werkzeuge entwickelt, die mittels einer besonders intelligenten Methode den Kühlschmierstoff direkt in die Schnittzone leiten: die ›Jet-HP-Line‹-Werkzeuge.

  • Tang-Grip-Jet-HP-Line-Werkzeug von Iscar.

    Tang-Grip-Jet-HP-Line-Werkzeug von Iscar.

  • Späne beim Stechen bei externer und zielgerichteter KSS-Zufuhr.

    Späne beim Stechen bei externer und zielgerichteter KSS-Zufuhr.

  • Jet-HP-Line-Fräswerkzeug im Einsatz.

    Jet-HP-Line-Fräswerkzeug im Einsatz.

  • Späne beim Fräsen bei externer und zielgerichteter Kühlschmierstoff-Zufuhr.

    Späne beim Fräsen bei externer und zielgerichteter Kühlschmierstoff-Zufuhr.

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