• Land: Deutschland
  • Autor(en): Marc Sieber
  • Artikel vom: 14 November 2013
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Medizintechnik, Weitere Anwendungen
  • Kryogene Zerspanung von Reintitan

    Kryogene Zerspanung von Reintitan

    Höherfeste und schwer zerspanbare Werkstoffe prägen die gegenwärtige und zukünftige Zerspanungslandschaft und beeinflussen deren Technologien. Die Verwendung von Titanwerkstoffen wie zum Beispiel TiAl6V4 in Luft- und Raumfahrt oder Reintitan in der Medizintechnik stellen ein Beispiel für besonders hohe Anforderungen an die Zerspanung dar. Die dargestellten Untersuchungen widmen sich dem Einfluss von innovativen Kühlstrategien bei der Bearbeitung von Reintitan Grade 4 mit torischen Hartmetall-Fräswerkzeugen.

    Das weltweit ansteigende Bedürfnis der Menschen nach interkontinentaler Mobilität führt zu einem stetigen Wachstum der Absatzzahlen von Luftfahrzeugen. Um dem internationalen Kostendruck auf diesem Gebiet standhalten und die strengeren Umweltauf-lagen erfüllen zu können, fokussiert die Luftfahrtbranche die Senkung des Kerosinverbrauchs nicht nur durch wirkungsgradoptimierte Antriebe, sondern auch durch Gewichtseinsparungen. Die Auswirkung der Gewichts-einsparungen wird am Beispiel der Bug- und Hauptfahrwerkskomponenten besonders deutlich. Wurden hier in der Vergangenheit oftmals Vergütungsstähle eingesetzt, so werden heute Titanlegierungen mit einer hohen Bruchzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit verwendet. Neben der Luftfahrtbranche halten Titanlegierungen auch im Bereich der Medizintechnik verstärkt Einzug. Die Biokompatibilität dieser Legierungen sowie deren E-Modul, welcher dem menschlichen Knochen sehr nahe kommt, ermöglichen den Einsatz als Implantate oder Prothesen. Aufgrund dieser Eigenschaften liegt der Anteil der Titanwerkstoffe im Medizinsektor derzeit bei etwa 20% – Tendenz steigend. Einhergehend mit dem Einsatz von Titanlegierungen ergibt sich jedoch eine branchenübergreifende Problematik bei der produktiven Fräsbearbeitung der Werkstücke. Bedingt durch die geringe Wärmeleitfähigkeit wird die entstehende Prozesswärme nicht durch den Span abgeführt. Als Konsequenz tritt am Schneidkeil ein im Vergleich zur Stahlbearbeitung erhöhtes thermomechanisches Belastungskollektiv auf, wodurch sich die Standzeit der Werkzeuge deutlich verringert, [1]. Aufgrund der geschilderten Ausgangssituation beschäftigt sich das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) seit mehreren Jahren intensiv mit der Werkzeug- und Prozessparameterauslegung beim Fräsen von Titanlegierungen zur Senkung der mechanischen Belastungen. Darüber hinaus fokussiert das PTW die Implementierung von Kühlschmierstrategien zur Reduzierung der thermischen Werkzeugbelastung, [2]. Erste Ansätze beschäftigten sich mit dem Einsatz einer Emulsions- und Ölkühlung mit hohen Drücken sowie der Minimalmengenschmiertechnik. Vor dem Hintergrund, die entstehende Prozesswärme in ihrer Gesamtheit abzuführen, setzt das PTW nun verstärkt auf den Einsatz kryogener Kühlverfahren, [3]. Erfahrungsberichte aus den vergangenen Jahrzehnten belegen die Vorteile dieser Kühlstrategie im Vergleich zu konventionellen Verfahren mit Emulsion, [4],[5]. Jedoch verhindern fehlende Untersuchungen mit aktuellen Schneidstoffen sowie das Fehlen von umfangreichen Parameterstudien den Transfer in die Praxis. Aus diesem Grund fokussiert das PTW die Weiterentwicklung der hocheffizienten und ökologisch verträglichen Kryokühlung zur Implementierung im industriellen Umfeld. Der folgende Bericht zeigt die Ergebnisse der am PTW durchgeführten Untersuchungen zur Produktivitätssteigerung in der Zerspanung von Reintitan Grade 4 mittels Hartmetallwerkzeugen unter dem Einsatz innovativer Kühlstrategien.

    Versuchsaufbau und -durchführung

    Die Zerspanungsuntersuchungen wurden auf einem Bearbeitungszentrum der Fa. DMG vom Typ DMC 75V linear als Standzeitversuche im Stirnumfangsfräsen unter Gleichlaufbedingungen und Verwendung von MMS (Esteröl, 20 ml/h) als auch CO2 durchgeführt. Als Abbruchkriterium wurde ein maximaler Freiflächenverschleiß von VBmax  = 150 µm oder ein maximal zerspantes Materialvolumen von 100.000 mm³ herangezogen. Dies entspricht einem Maß der Titanrondenzerspanung in der Dentalindustrie. Der ausgewählte Versuchswerkstoff Reintitan Grade 4 wies eine Mindestzugfestigkeit von Rm = 635 MPa auf und findet vornehmlich Anwendung in der Dental- und Medizintechnik.

    Frühere Untersuchungen belegen, dass hinsichtlich der Werkzeugstandzeit und Gratbildung beim Fräsen von Reintitan eine torische Grundgeometrie gegenüber der herkömmlischen Schaftfräsergeometrie mit eventueller Schutzfase an den Schneidecken zu bevorzugen ist. Die gewählte Makrogemetrie der verwendeten Werkzeuge der folgenden Untersuchungen entsprach dem genannten Kontext.
    Im Vordergrund der Versuchsdurchführung stand die Entwicklung eines zur hochproduktiven Zerspanung von Reintitan ausgelegten Fräswerkzeugs vom Durchmesser 3 mm für die Anwendung in der immer weiter in den Vordergrund rückenden automatisierten Herstellung von Zahnersatz im Dentalbereich mittels CAD/CAM Technologie. Weiter galt es eine Beihilfe zur Klärung des Einflusses kryogener Prozesskühlung auf das Verschleißverhalten des Schneidstoffes zu leisten. Gerade das Ausloten der Verwendung kryogener Minimalmengen war und ist hier von Bedeutung. Hierzu wurden Zerspanversuche mit verschiedenen Kühl- und Kühl-Schmierstrategien durchgeführt. Im Einzelnen waren dies die Verwendung konventioneller Minimalmengenschmierung für die Titanbearbeitung und der Einsatz von CO2-Schnee mit Variation der Strahlapplizierung sowie der Durchsatzmenge. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 2 anschaulich dargestellt. Als Technologieparameter wurden die Schnittgeschwindigkeit vc im Bereich von 100 bis 160 m/min, die Spanungstiefe ap von 0,15 bis 0,2 mm und der Zahnvorschub fz im Bereich 0,017 bis 0,023 mm untersucht. Die Eingriffsbreite ae wurde konstant bei 1,2 mm gehalten. Als Frässtrategie wurde hierzu eine archimedische Spirale in der Steuerung implementiert. Zur statistischen Absicherung der erzielten Ergebnisse wurden mit den einzelnen Parametersätzen mehrere Standwegversuche durchgeführt.

    Ergebnisse

    Die erzielten Standzeiten am Markt befindlicher Werkzeuge zur Titanzerspanung zeigten einen Vorteil torischer Werkzeuggeometrien gegenüber der Standardflankenfräsergeometrie auf. Insbesondere negative Auswirkungen der Makrogeometrien auf das Standwegverhalten und die Gratbildung wurden festgestellt. Aus den Versuchen gingen Parameter im Schnittgeschwindigkeitsbereich von vc = 120 m/min mit ap = 0,15 mm und fz = 0,02 mm als zu bevorzugende Kombination hinsichtlich Prozessstabilität und vorhersagbarem Verschleißverhalten hervor. Auf Basis der erzielten Ergebnisse konnte die Werkzeugentwicklung eines Fräsers zur höherproduktiven Zerspanung vorangetrieben werden. Dabei wurden unter anderem eine Änderung der Schneidenwinkel und Beschichtungen unter Variation der Schnittgeschwindigkeit und des Zahnvorschubs in Hinblick auf maximale Standzeit untersucht. Die MMS-Menge von 20 ml/h bei einem Luftdruck von 7 bar wurde konstant gehalten.

    Die Ergebnisse lassen eindeutige Rückschlüsse zum Einfluss des Freiwinkels und der verwendeten Beschichtung zu. Für die Auslegung des Freiwinkels wird ein Maß im Bereich von 10° bis 15° empfohlen. Aufgrund von Vorteilen bzgl. niedriger Wärmeleitfähigkeit bei gesteigerten Temperaturen erwies sich eine AlCrN Beschichtung als die zu bevorzugende. Keines der genannten Werkzeuge erreichte hierbei die maximale Verschleißmarkenbreite von 150 µm bei der Zerspanung eines Materialvolumens von 100.000 mm³. Eine Schnittgeschwindigkeit von vc = 130 m/min stellte jedoch die Grenze eines konstanten Werkzeugverschleißverhaltens dar, Abbildung 3. Bei einer Steigerung auf vc = 160 m/min war insbesondere thermomechanischer Verschleiß der Werkzeuge zu beobachten. Die Referenzgeometrie wies Schneidenversagen auf, Abbildung 4. Anlassfarben der Späne als auch leichte Rauchbildung durch den verwendeten MMS ließen auf erhöhte Temperaturen schließen. In weiterführenden Versuchen wurde eine CO2-Schneekühlung anstelle der Minimalmengenschmierung eingesetzt. Hierbei kam die Weiterentwicklung eines am PTW durch DMLS (Direct Metal Laser Sintering) hergestellten Düsensystems zum Einsatz, welche im Gegensatz zur Einbringung des CO2-Schnees mittels einfacher Quetschdüse ein gänzliches Umspülen der Spanungszone gewährleistet. Ein Optimum hinsichtlich des CO2-Durchsatzes im verwendeten Parameterbreich konnte bisher noch nicht ermittelt werden. Tendenzen lassen jedoch ein Optimum im Bereich zwischen 4 und 10 kg/h vermuten. Es zeigte sich allerdings, dass eine Steigerung des Schnittgeschwindigkeitslevels bei gleichem oder gar geringerem Verschleiß wie bei der Verwendung von MMS auf vc = 160 m/min möglich ist, Abbildung 4. Die Anlassfarben der Späne als auch das Verschleißbild der Werkzeuge selbst zeigen, dass die Zerspanung bei niedrigeren Temperaturen stattgefunden hat. Zudem konnte das adhäsive Verhalten des Titans auf den Spanflächen sowie die Aufbauschneidenbildung unterdrückt werden. Die Zerspanung unter kryogenen Bedingungen erwies sich als äußerst prozesssicher.
    Neben der Ermittlung minimal benötigter Mengen kryogener Medien zur direkten Prozesskühlung erfolgen weiterführend Untersuchungen zum Einsatz von CO2-Schnee in Verbindung mit MMS. Diese Vorgehensweise verfolgt das übergeordnete Ziel, die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge durch die Einbringung eines zusätzlichen Schmierstoffanteils bei gleichzeitiger Anhebung der Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen.
    Darüber hinaus wurden am PTW die wirtschaftlichen Folgen der Verwendung unterschiedlicher Kühlstrategien ganzheitlich erfasst. Schon heute kann gesagt werden, dass der Einsatz von CO2 bzgl. der monetären Auswirkungen Vorteile mit sich bringt. Im direkten Vergleich von Prozessen unter Laborbedingungen stellte sich die kryogene Kühlung bisher als die wirtschaftlichste und sogar die mit den geringsten Umweltauswirkungen heraus, Abbildung 5.

    Fazit und Ausblick

    Aus den durchgeführten Versuchen zur Reintitanzerspanung konnten eindeutige Rückschlüsse auf den Einsatz von torischen Hartmetallwerkzeugen mit einem Durchmesser von 3 mm mit konventionellen sowie innovativen Kühl- und Schmierstrategien gezogen werden. Im untersuchten Schnittgeschwindigkeitsbereich ist bereits durch Verwendung von Minimalmengenschmierung und dem entwickelten Werkzeug eine Produktivitätssteigerung von bis zu 60 % gegenüber dem Stand der Technik zu verzeichnen. Weiterhin konnte die Verwendung von CO2-Schnee als die zu bevorzugende Kühlstrategie bei der höherproduktiven Zerspanung von Reintitan aufgezeigt werden. Besonders im Bereich gesteigerter Schnittgeschwindigkeiten zeigen die Werkzeuge ein sehr geringes, lineares Verschleißwachstum und eine hohe Prozessstabilität. Eine Erhöhung dieser Standzeiten könnte durch eine Senkung des Reibbeiwerts durch den Einsatz von CO2 in Kombination mit MMS erzielt werden. Untersuchungen mit einer weiterentwickelten Düsengeometrie am PTW als auch Grundlagenuntersuchungen werden zukünftig weiteren Aufschluss über das vorherrschende thermomechanische Belastungskollektiv geben. Dadurch wird ein weiterer Anstieg der Standzeitniveaus im Vergleich zu reiner CO2-Kühlung erwartet. Schon jetzt zeigt eine wirtschaftliche Betrachtung der reinen Kosten für die Prozesskühlung einen Vorteil von CO2 gegenüber üblicher MMS oder Emulsionsüberflutungskühlung. An einer weiteren Anhebung dieses wirtschaftlichen Potentials forscht das PTW durch die Verwendung minimalster Mengen CO2 zur stabilen Prozesskühlung.

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