IMTS 2018: Hochleistungsschleifen von Luftfahrt-Superlegierungen meistern

Erhalten Sie ein tieferes Verständnis, wie Superlegierungsmaterialien optimal geschliffen werden. Wenn Sie dieses Jahr die IMTS besuchen, beachten Sie die mehreren Konferenzsessions zum Hochleistungsschleifen – und sehen Sie Techniken, die Ihnen im täglichen Zerspanungsbetrieb helfen.

Breit eingesetzt in Luftfahrt- und Energiesektoren, sind Metalle wie Inconel 718, Hastelloy C-276 und Monel K500 sowohl temperatur- als auch korrosionsbeständig, mit mechanischen Eigenschaften, die ihren „schlaffen Stahlverwandten“ weit überlegen sind.

„Nickelbasierte Superlegierungen, die über 40 % des Gesamtgewichts eines Flugzeugtriebwerks ausmachen, finden Anwendung in Brennkammer- und Turbinensektionen des Triebwerks“, merkt Dr. K. Philip Varghese, Group Leader Advanced Application Engineering bei Norton | Saint Gobain, in einer IMTS-2018-Konferenzpräsentationsbeschreibung an. „Ihr Einsatz beruht primär auf der einzigartigen Kombination aus hoher Temperaturfestigkeit, Zähigkeit und Beständigkeit gegen Degradation in extremen Umgebungen.“ Varghese präsentiert „High-Performance Grinding of Nickel-Based Superalloys“ am Mittwoch, 12. Sept., 10 Uhr auf der IMTS in Chicago.

Leider sind diese Superlegierungen auch sehr anspruchsvoll beim Schleifen. Kaltverfestigung ist aufgrund der hohen Drücke üblich, und die schlechte Wärmeleitfähigkeit der meisten Superlegierungen bedeutet hohe Hitze in der Schleifzone, die das Werkstück beschädigen kann, wenn sie unkontrolliert bleibt. Das kann auch bedeuten, dass Werkstücke zwischen Schruppen und Schlichten abkühlen und „entspannen“ müssen.

Wo B1112-Stahl eine Zerspanbarkeit von 100 % hat, liegen die meisten Inconels bei 12 %, und das hochkobalthaltige L-605 (aka Haynes 25) bei nur 9 % Zerspanbarkeit. Als wäre das nicht genug, ist Schleifen typischerweise einer der letzten Prozesse am Werkstück. Kundentermine können leicht rutschen bei Ausschuss oder anderen Produktionsverzögerungen. Ob Flach-, Rund- oder Zentrumslosschleifen – die Arbeit mit diesen Super-Materialien kann entmutigend sein.

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Schleifscheiben-Typen: Die richtige Scheibe für Superlegierungen wählen

Glücklicherweise gibt es Wege, ein Hochleistungsschleif-Shop zu werden – beginnend mit der Auswahl der besten Schleifscheiben. Viele Experten schlagen vor, dass die Parameter für Stahlschleifen gleichermaßen auf Superlegierungen anwendbar sind. Das legt nahe, dass eine Korundscheibe – bevorzugt für Kohlenstoff- und Legierungsstähle – die erste Wahl für Superlegierungen ist. Das ist guter Rat, obwohl die meisten Schleifscheibenlieferanten Premium-Produkte speziell für nickelbasierte Materialien anbieten. Dies sind meist Keramik-Korund-Mischungen, die durch einen spröden, aber starken Bindung minimal Wärme erzeugen und weitgehend selbstschärfend sind.

„Nur spezifische Schleifscheiben, die bei niedriger Schwellenleistung/Kräften Span entfernen und geringere spezifische Schleifenergie bei diesen Superlegierungen verbrauchen, können die konflierenden Ziele höherer Produktivität und höherer Standzeit in einem HPG-Prozess [Hochleistungsschleifen] überleben“, merkt Varghese an.

Da Superlegierungen zäh sind und die Scheibe zusetzen, ist dies ein wichtiges Attribut. Ebenfalls wichtig: offenes Korn, das hilft, Wärmeaufbau zu vermeiden, der zu Hitzerrissen und Mikrorissen führt. Worst Case: Eine zugesetzte Scheibe reibt die Werkstückoberfläche statt zu schneiden – was eine „Weißschicht“ verursacht, ein absolutes No-Go in der Luftfahrt, da es die Oberflächenintegrität des Materials reduziert.

Natürlich hängt die Scheibenwahl von vielen Faktoren ab. Flachschleifen verhält sich anders als Rundschleifen – und Rundschleifen anders als Profil- oder Zentrumslosschleifen. Das tatsächliche Superlegierungsmaterial und der Materialabtrag spielen eine Rolle – wo ein vitrifierter CBN-Schleifscheibe für das Schruppen einer Kegelradverzahnung in Titan am besten sein mag, erfordert Profilschleifen der Wurzelform an einem Inconel-Turbinenschaufel oft ein fortschrittliches Keramik-Schleifmittel.

Die Rolle von Kühlschmierstoff und Schneidflüssigkeiten beim Hochleistungsschleifen

Genau wie ein offenes Korn, selbstschärfendes Schleifmittel ein guter Start beim Schleifen von Superlegierungen ist, gilt das auch für einen hochwertigen, gut gefilterten und gewarteten wasserlöslichen Schneidstoff, vorzugsweise mit Schwefel- und/oder Chlorzusätzen für Schmierfähigkeit. Dies sichert maximalen Materialabtrag ohne Risiko hitzeinduzierter Oberflächenschäden. Prüfen Sie aber mit Ihrem Kunden den Einsatz von Schwefel- und Chlor-haltigen Schneidflüssigkeiten, da einige Luftfahrtunternehmen deren Verwendung wegen interkristalliner Korrosionsgefahr einschränken.

Bei CBN-Schleifscheiben oder wo der Kunde bestimmte wasserlösliche Öle verbietet, sollte ein reines Öl verwendet werden – wenngleich dies weniger effektiv bei der Wärmeabfuhr ist als wasserbasiertes Kühlmittel. Was auch immer das Fluid: Seine Geschwindigkeit sollte die der Scheibengeschwindigkeit an der Werkstückoberfläche übersteigen. Und bei Sonderprofilen sollte die Düsenform dem Profil entsprechen, um 100 % Abdeckung zu gewährleisten. Schließlich neigt Schleifen dazu, Flüssigkeiten in mikroskopische Partikel zu zerlegen, die krebserregend sein können – daher immer eine richtig dimensionierte Luftfilteranlage für die Betriebssicherheit nutzen.

Den richtigen unterstützenden Schleifscheiben-Abrichtwerkzeug wählen

Da Superlegierungen die Grenzen jedes Schleifprozesses austesten, ist das Fenster der Scheibenwirksamkeit oft sehr klein. Es kann nötig sein, sie im Prozess zu wechseln, da Bindung, Korn und Härte fürs Schruppen für Präzisionsschlichten völlig unbrauchbar sein können. Wie jeder Schleifmaschinenbediener weiß, sind Scheibenwechsel Alltag, aber für Produktionszwecke bringt eine Maschine mit automatischem Scheibenwechsel einen großen Schritt näher an optimalen Durchsatz.

Ein weiterer großer Schritt: kontinuierliches Abrichten. Nachrüst-Anbaugeräte existieren, aber diese Option beim nächsten CNC-Schleifmaschinenkauf zu bestellen, ist wahrscheinlich die beste Wahl, budget permitting. Aus denselben Gründen, warum offenes Korn, selbstschärfende Scheiben bei Superlegierungen am effektivsten sind, hält kontinuierliches Abrichten die Scheibe permanent scharf. Schleifkräfte werden reduziert, Oberflächengüte und Genauigkeit verbessert, und es gibt wenig Sorge vor Weißschichten oder anderen Oberflächenschäden an kritischen Luftfahrt-, Nuklear- oder Medizinkomponenten.

Wenn Ihre aktuelle Schleifmaschine 15 Jahre oder älter ist und Sie die Auslastung dafür haben, investieren Sie in eine moderne CNC-Schleifmaschine, speziell für anspruchsvolle Luftfahrtarbeit designed. Mit Features wie Auto-Abrichten, integrierter Teilevermessung, Palettenwechsel, Roboter-Teilehandling – und fortschrittlicher Mehrachsen-Bewegungssteuerung sind heutige Maschinen die Investition wert. Wenn Sie ein Hochleistungsschleif-Shop werden wollen, könnte das der perfekte Startpunkt sein.

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