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maschine+werkzeug 10/2013

Maßgeschneidert zerspanen

EXTRA Großteilebearbeitung

Fräsen - Um das Fräsen eines Blisks für Flugzeugtriebwerke produktiver zu gestalten, setzt Starrag nicht auf Standardlösungen, sondern auf aufwendig entwickelte Hightech-Spezialmaschinen.

Maßgeschneidert: Für die Bearbeitung von Blisks entstand die Werkzeugmaschine der neuen NB-Baureihe mit geneigter B-Achse, bei der das Werkzeug praktisch um den Tool-Center-Point geschwenkt wird.

Hier geht es zu den Produkten von Starrag.

Die Produktivität einer Flugzeug-Turbinenproduktion steht und fällt mit ihren Fertigungsverfahren. Hersteller aus der Luftfahrtbranche sind schon seit Längerem nicht mehr zufrieden mit der umständlichen Art und Weise der bisherigen Produktion der Teile.

Die modernen, computergesteuerten Werkzeugmaschinen erlauben das Fräsen der Schaufeln aus einer geschmiedeten Scheibe. Die dabei entstandenen Bauteile, die ›blade integrated disks‹ (Blisks) oder ›integrally bladed rotors‹ (IBR), ersetzen zunehmend die bisherigen, aufwendig gefertigten Turbinenelemente. Da nicht wie im konventionellen Verfahren aus einer Scheibe (Disk) und bis zu 120 Schaufeln (Blades) in mehreren Bearbeitungsschritten (Schmieden, Zerspanen und Montieren) ein Antriebselement entsteht, lässt sich signifikant Gewicht sparen.

Das Werkstück Blisk ist jedoch für die Entwickler von Werkzeugmaschinen alles andere als einfach. »Es handelt sich um sehr schwierig zu bearbeitende Werkstoffe wie Titan oder Nickelbasislegierungen«, sagt Dr.-Ing. Bernhard Bringmann, Leiter Technik bei der Starrag AG, Rorschacherberg (Schweiz). »Hinzu kommen die Schaufeln mit ihren komplexen Freiformen, die eine extrem geringe Steifheit und schlechte Dämpfung besitzen. Das Fräsen dauert dann manchmal Hunderte von Stunden.« Es sei bei diesen Anforderungen erstaunlich, dass zum Zerspanen immer noch Standardmaschinen zum Einsatz kämen.

Als Alternative kommen Spezialmaschinen in Frage, bei deren Entwicklung Starrag in Abhängigkeit von der Teilgeometrie und der Leistung der eingesetzten Werkzeuge mit der Definition des optimalen Zerspanprozesses startet. Wenn die Anforderungen des Schruppens und des Schlichtens an wichtige Maschinen-Parameter (zum Beispiel Spindeldrehzahl und -moment) feststehen, evaluiert der Maschinenhersteller das Konzept mit Blick auf Kennwerte wie Eigenfrequenz, Prozessstabilität oder thermisches Verhalten.

Am Schluss folgt die eigentliche Maschinenentwicklung. »Es muss sich dabei um eine an der Anwendung orientierte pragmatische Vorgehensweise handeln«, erklärt der Technikleiter. »Dabei geht es stets um die Frage: Wie lassen sich das dynamische Verhalten und die Prozessstabilität in einer frühen Entwicklungsstufe ermitteln?« Bei dieser Arbeitsweise habe es sich bei Starrag bewährt, das Know-how von Kernprozessen der Entwicklung wie Simulationen im Haus durchzuführen, weil sie dann im Vergleich zu einer Zusammenarbeit mit externen Partnern wesentlich schneller ablaufe.

Zum Bestimmen der exakten Taktzeiten verwendet Starrag ein virtuelles Modell, den ›Virtual NC Kernel‹. Mit Hilfe dieses EDV-Tools lässt sich das Verhalten einer echten Steuerung simulieren, um damit das spätere Verhalten der Werkzeugmaschinen zu bestimmen. »Wenn Sie bereits ein Programm zum Fräsen von Blisks besitzen, können Sie es darauf laufen lassen«, erklärt Dr. Bringmann. »Das Programm sagt uns dann, dass das Bearbeiten zum Beispiel 24 Stunden und zwölf Minuten dauert. Auf diese Weise erhalten wir sehr exakte Informationen.«

Um realistische Werte zu erhalten, geben die Entwickler in die virtuelle Steuerung auch die mechanischen Grenzwerte der geplanten Maschine ein, die sie mit Hilfe einer FEM-Analyse ermitteln. »Das ist eine gute Methode, um zu sehen, wohin die weitere Entwicklung noch führen wird«, meint der Technikleiter. Dank der FEM-Analyse, die beispielsweise kritische Eigenfrequenzen (Überschwingen) oder maximale Beschleunigungswerte in Abhängigkeit von der nötigen Genauigkeit aufzeigt, lässt sich beispielsweise die Steuerung durch Verändern der Parameter optimieren.

Doch optimale FEM-Resultate erhalte nur, wer auch realistische Eingangsgrößen eingebe. Dr. Bringmann: »Realistische Parameter zur Steifigkeit und Dämpfung erfordern reale Versuche und Tests.« Die FEM-Analyse wird auch zum Bestimmen der Prozessstabilität beim Schruppen genutzt. Um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, hat es sich bewährt, die Eigenfrequenz des kleinsten, realen Bauteils als begrenzenden Faktor zu nehmen.

Das Ergebnis einer solchen akribischen Vorgehensweise ist die Werkzeugmaschine NB 251 mit geneigter B-Achse, bei der das Werkzeug praktisch um den Tool-Center-Point geschwenkt wird. Die kompakte Konstruktion zeichnet sich durch höchste Bearbeitungsgenauigkeit (geringe Kompensation beim Bewegen der Spindel in Richtung der B-Achse), hohe Zerspanleistung und hohe Dynamik (geringe bewegte Massen) aus.

Diese Maschine beweist, was sich mit einer anderen Vorgehensweise bei der Entwicklung erreichen lasse. »Es hat sich bewährt, eine neue Maschine mit Blick auf den Prozess zu entwickeln und zu optimieren. Es gibt dazu neue Methoden, um das spätere reale Maschinenverhalten beim stabilen Schruppen und dynamischen Schlichten sehr genau vorherzusagen«, sagt Dr. Bernhard Bringmann.

Hier geht es zu den Produkten von Starrag.

Unternehmensinformation

Starrag Group

Seebleichestraße 61
CH 9404 RORSCHACHERBERG
Tel.: 004171-8588-111
Fax: -122

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