Titanbearbeitung meistern: Experten-Techniken & Werkzeugauswahl für Legierungen

In der heutigen Fertigungsindustrie sind Titan und seine Legierungen zu Grundpfeilern in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Automobilindustrie und Waffenherstellung geworden. Dieses beliebte Metall ist rost- und chemikalienbeständig, recyclebar und extrem fest für sein Gewicht. Allerdings gibt es mehrere Herausforderungen, die bei der Titanbearbeitung und der Auswahl geeigneter Werkzeuge und Parameter berücksichtigt werden müssen.

Titansorten

Titan ist in vielen Sorten erhältlich, darunter fast 40 ASTM-Güten sowie mehrere zusätzliche Legierungen. Güten 1 bis 4 gelten als kommerziell reines Titan mit unterschiedlichen Anforderungen an die Zugfestigkeit. Güte 5 (Ti6Al4V oder Ti 6-4) ist die häufigste Kombination, legiert mit 6 % Aluminium und 4 % Vanadium. Obwohl Titan und seine Legierungen oft zusammengefasst werden, gibt es wichtige Unterschiede, die vor der Festlegung der idealen Bearbeitungsstrategie beachtet werden müssen.

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Herausforderungen bei Titan

Spannen

Obwohl Titan wünschenswertere Materialeigenschaften als durchschnittlicher Stahl aufweisen mag, verhält es sich auch flexibler und ist oft nicht so steif wie andere Metalle. Dies erfordert einen sicheren Halt der Titanwerkstücke und eine möglichst steife Maschineneinrichtung. Weitere Aspekte sind die Vermeidung von unterbrochenen Schnitten und das Halten des Werkzeugs während des gesamten Kontakts mit dem Werkstück in Bewegung. Verweilen in einem gebohrten Loch oder Anhalten eines Werkzeugs neben einer profilierten Wand führt zu Reibung – was überschüssige Wärme erzeugt, das Material verfestigt und vorzeitigen Werkzeugverschleiß verursacht.

Wärmeerzeugung

Wärme ist ein gewaltiger Feind, und die Wärmeerzeugung muss bei der Wahl von Drehzahlen und Vorschüben berücksichtigt werden. Während kommerziell reine Titangüten weicher und zäher sind als die meisten Legierungen, erhöht die Zugabe von Legierungselementen typischerweise die Härte von Titan. Dies verstärkt Bedenken hinsichtlich erzeugter Wärme und Werkzeugverschleiß. Die Beibehaltung eines größeren Spanvolumens und die Vermeidung unnötiger Reibung unterstützen die Werkzeugleistung in härteren Titanlegierungen und minimieren die Werkstoffverfestigung. Eine niedrigere Drehzahl in Kombination mit einem größeren Spanvolumen kann im Vergleich zu höheren Drehzahlen eine signifikante Temperaturreduzierung bewirken. Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit hält die Minimierung der Temperaturen die Belastung des Werkzeugs gering und reduziert den Verschleiß. Der Einsatz von Hochdruckkühlmittel ist ebenfalls eine effektive Methode zur Reduzierung der Wärmeerzeugung bei der Titanbearbeitung.

Diese Nockenwellenabdeckungen wurden individuell aus Titan für Mitsubishi Evos gefertigt.
Foto mit freundlicher Genehmigung von @RebootEng (Instagram)

Aufkleben und Aufbauschneide

Die nächste Hürde ist die starke Neigung von Titan, am Schneidwerkzeug zu haften und eine Aufbauschneide zu bilden. Dies ist ein kniffliges Problem, das durch den Einsatz großer Mengen Hochdruckkühlmittel, gerichtet direkt auf die Schneide, reduziert werden kann. Ziel ist es, Späne so schnell wie möglich zu entfernen, um erneutes Zerspanen zu verhindern, und die Spannuten sauber und frei von Schmutz zu halten. Aufkleben ist ein großes Problem bei kommerziell reinen Titangüten aufgrund ihrer „zähen“ Natur. Dies kann mit den zuvor genannten Strategien angegangen werden, wie kontinuierlicher Vorschub während des gesamten Werkstückkontakts und reichlich Hochdruckkühlmittel.

Lösungen für die Titanbearbeitung

Während sich die Hauptbedenken bei der Bearbeitung von Titan und seinen Legierungen verschieben können, bleiben die Methoden zu deren Minderung weitgehend konstant. Die Hauptziele sind: Aufkleben, Wärmeerzeugung, Werkstoffverfestigung und Werkstück- oder Werkzeugdurchbiegung vermeiden. Viel Hochdruckkühlmittel einsetzen, Drehzahlen niedrig und Vorschübe hoch halten, das Werkzeug bei Kontakt mit dem Werkstück in Bewegung halten und die steifste mögliche Einrichtung verwenden.

Zusätzlich kann die Wahl einer geeigneten Werkzeugbeschichtung den Erfolg Ihres Auftrags sichern. Bei der hohen Wärmeentwicklung während der Titanbearbeitung ist eine Beschichtung, die die Temperaturen adäquat bewältigen kann, entscheidend für die Aufrechterhaltung der Leistung während eines Vorgangs. Die richtige Beschichtung hilft auch, Aufkleben zu vermeiden und Späne effektiv abzutragen. Beschichtungen wie Harvey Tools Aluminium-Titan-Nitrid (AlTiN Nano) bilden bei hohen Temperaturen eine Oxidschicht und erhöhen die Schmierfähigkeit des Werkzeugs.

Werkzeuglösungen

Helical Solutions bietet die HVTI-6-Werkzeuglinie, optimiert für High Efficiency Milling (HEM) in Titan und seinen Legierungen. Helical's HVTI-6 verfügt über die Aplus-Beschichtung, die zusätzliche Schmierfähigkeit und Hitzebeständigkeit für verbesserte Werkzeugstandzeiten und höhere Drehzahlen und Vorschübe bietet.

Da Titan und seine vielen Legierungen in verschiedenen Branchen weiter an Bedeutung gewinnen, werden mehr Zerspaner mit der Bearbeitung dieses schwierigen Materials betraut. Allerdings ermöglichen Wärmemanagement und適切な Späneabfuhr, gepaart mit der richtigen Beschichtung, einen erfolgreichen Lauf.