Fortgeschrittene Zerspanung von Titan & HRSA-Metallen: Bearbeitbarkeit, Kühlschmierstoffe und Werkzeuge optimieren

Metalle wie warmfeste Superlegierungen und Titan können wirklich schwierig sein, aber mit dem richtigen Ansatz und der richtigen Anleitung in Zerspanung, Werkzeugspannung und Wendeschneidplattenauswahl können Maschinenbediener die Problemzonen meistern.

Von implantierbaren Gelenken im menschlichen Körper über große Bauteile für Offshore-Ölanlagen bis hin zu Triebwerksturbinen in der Luftfahrt – warmfeste Superlegierungen und andere Legierungen werden regelmäßig in großen Fertigungssegmenten eingesetzt. Doch sie sind mühsam zu zerspanen.

Wenn das Ziel ist, Teile in höchster Qualität in kürzester Zeit zu fertigen, ist das Verständnis der richtigen Werkzeugwahl essenziell. Niemand will Werkzeuge verschleißen oder Produktionsverzögerungen durch superdichte, harte Metalle riskieren, die die Maschine hochdrehen, aber superlangsam oder ungenau schneiden. Auch das Verständnis der Maschinenfähigkeiten ist essenziell – wie das Wissen um die Werkzeuge, die für die harten Materialien am besten funktionieren.

„Die Hauptanwendung für HRSA sind Heißzonen-Turbinenteile für Flugzeuge und Kraftwerke – Teile wie Schaufeln, Blisks, Halter, Ventile und Verteiler, die meist komplex und konturiert sind“, schreibt Ed Sinkora für Advanced Manufacturing im Artikel „Hot Techniques for Cutting High-Temperature Alloys.“

„Das bedeutet 5-Achs-Fräsen, um die erforderlichen Formen und Toleranzen in einer Spannung zu erreichen. Und für kleinere Teile werden Vollhartmetall-Rundwerkzeuge benötigt, die besonders steife Werkzeughalter erfordern“, erklärt Sinkora.

Viele Branchen stehen unter Fertigungsdruck. Die Zeit, um Qualitätsbauteile zu erreichen, ist entscheidend, besonders in hart umkämpften Märkten.

„Der Hauptfokus liegt auf Prozesssicherheit, da diese Strukturkomponenten extrem teuer sind“, merkt Walter Tools in einem Artikel über Taschenfräsen von Titan in der Luftfahrt an. „Gleichzeitig fordert der Marktdruck hohe Zerspanungsleistung und Produktivität.“

Um jenes komfortable Level an „Prozesssicherheit“ zu erreichen, braucht es viel Know-how beim Zusammenspiel richtiger Maschinen, Spannung, Werkzeuge, Werkzeugbahnen und Kühlschmierstoff – alles zusammen, so Zerspanungs- und Werkzeugprofis. Wir beleuchten die Top-Empfehlungen für Werkzeuge und Zerspanung bei Titan, HRSA und Legierungen.

Den Bearbeitbarkeitswert des Metalls kennen

Wenn Titan, Edelstahl oder HRSA zerspant werden, enthalten viele der herzustellenden Teile wahrscheinlich Nickel oder Chrom – manchmal auch Kobalt. Gängige Nickel-Legierungen sind Inconel, Waspaloy, Hastelloy, Edelstähle wie 304, 316 und 17-4 und andere.

„[Nickel ist] zäh, korrosionsbeständig und weist exzellente Festigkeit und Schlagzähigkeit auf“, merkt Kip Hanson, Fertigungsberater, im Artikel „5 Metal-Cutting Tips for Nickel-Based High-Temp Alloys“ an.

„Bei scharfem Werkzeug und richtigen Schnittparametern ist reines Nickel nicht schrecklich schwer zu drehen oder zu fräsen, obwohl Nickel-Legierungen wie Ni-Span-C 902 und Monel K-500 Bearbeitbarkeitswerte von 15 % oder weniger aufweisen“, erklärt Hanson.

Und Bearbeitbarkeit ist der Kernpunkt. Glücklicherweise können viele heutige Maschinen und Schneidwerkzeuge die meisten Materialien bewältigen – die Herausforderung liegt darin, die richtigen Werkzeuge und Techniken für einen wiederholbaren und zeitgerechten Zerspanungsprozess zu kennen. Dazu hilft es zu verstehen, wie ein Material bewertet wird – ein Bearbeitbarkeitsdiagramm kann helfen.

Aber nichts ersetzt echte Erfahrung und Wissen: Sprechen Sie mit den Leuten, die es heute tun. Treten Sie dem Metallbearbeitungsforum bei [Registrierung erforderlich].

In vielen Fällen hilft auch die Nutzung technischer Leitfäden von Werkzeugherstellern, wie diesem von Sandvik Coromant:

„Application Guide: Heat Resistant Superalloys“

In diesem Leitfaden sagt Sandvik Coromant zu HRSA: „Die physikalischen Eigenschaften und das Zerspanungsverhalten jeder [Legierungsgruppe] variieren erheblich, sowohl aufgrund der chemischen Natur der Legierung als auch der präzisen metallurgischen Verarbeitung während der Herstellung. Ob das Metall geglüht oder gealtert ist, beeinflusst die nachfolgenden Zerspanungseigenschaften besonders stark.“

Hier ein Video-Beispiel zum Zerspanen des schwierigen Monel K-500 mit einem darauf ausgelegten Upgrade-Werkzeug.

Hier ein anderes Beispiel zum Zerspanen von Inconel 718.

Mehr über die Zusammensetzung Ihrer Werkstoffe erfahren? Lesen Sie „A Cutting Tool Selection Guide: Ferrous vs. Nonferrous Metals“.

Hitze im Blick behalten, Metallbearbeitungskühlschmierstoffe nutzen

Die in einer CNC-Maschine an der Materialoberfläche bei den nötigen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben für präzise, zuverlässige Schnitte mit ordentlicher Spanbildung entstehende Hitze ist kaum zu unterschätzen. Sie kann eine echte Herausforderung für Wendeschneidplatten und Werkzeuge darstellen.

„Schlechte Wärmeleitfähigkeit und hohe Härte erzeugen hohe Temperaturen beim Zerspanen“, merkt Sandvik Coromant im Artikel „Selecting the Right Turning Insert for HRSA Materials“ an. „Die hohe Festigkeit, Kaltverfestigung und Anhaftungshärtung erzeugen Kerbverschleiß bei maximaler Schnitttiefe und eine extrem abrasive Umgebung für die Schneide.“

Wie sollte sich ein Zerspaner davor schützen? Für viele Anwendungen sollten Hartmetall-basierte Wendeschneidplatten verwendet werden, die die Schneide zäh halten, am Substrat haften und Verformung vermeiden helfen.

„Generell Wendeschneidplatten mit großem Eintrittswinkel (Rundplatten) und positiver Geometrie wählen. Beim Drehen und Fräsen können Keramiksorten je nach Anwendung eingesetzt werden“, erklärt Sandvik Coromant.

Und die Rolle von Beschichtungen und Kühlschmierstoff nicht vergessen, rät Scott Etling, Produktmanagement-Direktor bei Kennametal, im Artikel „The Heat Is On Difficult-to-Machine Metals.“

„Sie brauchen die richtige PVD-Beschichtung, ein zähes Substrat, die richtige Geometrie, richtige Schneidenvorbereitung und High-Shear-Geometrien“, sagt Etling. „Die Hitze geht nicht in den Span wie bei Stahl. Die Hitze muss irgendwo hin, daher brauchen Sie für die meisten Titan-Anwendungen eine enorme Menge Kühlschmierstoff.“

Für mehr zu Kühlschmierstoff und HRSA lesen Sie den Application Guide von Sandvik Coromant. Der Werkzeughersteller empfiehlt Folgendes:

„Kühlschmierstoff sollte in allen Operationen außer Fräsen mit Keramik eingesetzt werden. Das Volumen sollte hoch und gut gerichtet sein. Hochdruckkühlschmierstoff HPC (bis 80 bar / 1160 psi) zeigt positive Ergebnisse hinsichtlich Standzeit und Konsistenz.“

Werkstück steif spannen

„HRSA-Zerspanung erfordert eine sehr stabile Maschine, steife Werkstückspannung und ein sehr steifes Interface zwischen Spindel und Werkzeughalter“, merkt Sinkora an.

Es gibt viel mehr zu wissen als nur Material und Schneidwerkzeug. Es sind auch die notwendigen Elemente, die helfen, ein Werkstück an Ort und Stelle zu halten und bei einer ausgewogenen Festigkeit den sehr hohen Drehzahlen und Durchsätzen standzuhalten, die heutige Maschinen und innovative Schneidwerkzeuge bewältigen können.

„Titan- und andere warmfeste Superlegierungen erzeugen hohe Schnittkräfte nicht nur in radialer, sondern auch in axialer Richtung, was zu Werkzeugauszug führen kann“, sagt Hanson im Artikel „Lessons in High-Performance Machining: Don’t Forget the Tool Holders.“ „Es ist noch wichtiger, die richtigen Werkzeughaltertypen zu nutzen, um Werkzeugversagen und Teileausschuss zu verhindern. Es sind vielleicht nur wenige Tausendstel Zoll pro Mal, aber die Chancen stehen gut, dass es reicht, um sehr teure Teile zu verschrotten.“

Wenn Seitenspannfutter (Weldon) genutzt werden, ist es vielleicht Zeit für etwas Neues und Besseres. Viele Anbieter lizenzieren Haimers patentierte Safe-Lock-Technologie. Aber es geht nicht nur um längere Standzeit durch Vermeidung von Auszug. Es geht auch um Reduzierung von Rattern und Harmonischen – und darum, die Maschinenspindel nicht zu beschädigen – daher sind Hydraulikspannfutter in der HRSA-Fertigung eine Überlegung wert, ebenso wie sicherzustellen, dass die CNC HSK, Capto, KM4X oder andere Technologien hat.

„Wenn Sie Werkzeugmaschinen so schnell laufen lassen, meist über 12.000 min⁻¹, wird empfohlen, das komplette System immer zu wuchten (Werkzeughalter mit Schneidwerkzeug)“, sagt Ronald West, Senior Global Product Manager bei Kennametal im Werkzeughalter-Artikel. „Das erhöht nur die Standzeit und verringert Spindelverschleiß … Mit Spannzangenfutter oder Weldon-Aufnahmen ist es aufgrund ihrer Konstruktion und erforderlicher Hardware etwas schwieriger, die Wuchtgüte zu halten, aber typischerweise sind Hydraulikspannfutter und Schrumpfaufnahmen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen viel einfoder feinwuchten.“

Zum Schruppen von HRSA Keramikwerkzeuge nutzen; Werkzeugbahnen lang halten

„Keramische Schneidstoffe bieten exzellente Produktivität beim Schruppen in FSM und ISM. Ihre Anwendung unterscheidet sich stark von Hartmetall …“, merkt Sandvik Coromant in seinem Application Guide für HRSA an. Der Grund: Keramik erlaubt hohe Schnittgeschwindigkeiten, die einen „hochplastifizierten und gescherten Span“ erzeugen.

Der Schlüssel zum Schruppen von HRSA liegt in Schnittgeschwindigkeit und Vorschub, um die richtige Temperatur zu erreichen, so Experten. Schnittgeschwindigkeiten über 3.000 SFM (ca. 915 m/min) werden empfohlen.

„[D]er erste Schritt ist, die richtige Geschwindigkeit einzustellen, um die Temperatur in der Schneidzone so anzuheben, dass ein gewisser Grad an Plastifizierung des Materials eintritt, was es leichter zerspanbar macht“, sagt Jan Andersson, Global Manager bei Greenleaf Corp. „Andernfalls kämpfen Sie mit unvorhersehbarer Standzeit. Nach Bestimmung der passenden Geschwindigkeit nutzen Sie den Vorschub, um den thermischen Abtransport zu steuern. Je höher der Vorschub, desto mehr Masse im Span. Je mehr Masse im Span, desto mehr Hitze führen Sie aus der Schneidzone ab. Das steuert den chemischen Verschleißanteil.“

Ein weiterer Schlüsselpunkt: Werkzeugbahnen müssen so lange wie möglich im Schnitt bleiben, um Ihre Werkzeuge so lange wie möglich am Leben und nützlich zu halten. Das bedeutet, in Ihrer CAM-Programmierung Radius in jeder Werkzeugbahn zu erzwingen.

„Die Schlüsselprogrammiertechnik, die wir bei Inconel und anderen Superlegierungen suchen, ist, das Werkzeug so lange wie möglich im Schnitt zu halten“, sagt Dale Mickelson, Produktmanager bei Methods Machine Tools in einem Advanced Manufacturing Artikel. „Weil Sie bei jedem Ein- und Austritt Standzeit verlieren. Deshalb erstellen wir Taschenroutinen, die helicoidal in das Teil eintauchen. Wenn Sie eine Fläche haben, fräsen Sie helicoidal bis zu dieser Fläche hinunter und schlichten dann die Fläche.“

Hier ein Video-Beispiel für Keramikfräsen einer Turbinenschaufel.

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