PVD-Schichten stabilisieren Prozesse

Titan- und Nickelbasislegierungen werden aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit, der sehr guten Korrosionsbeständigkeit und der thermischen Stabilität unter extremen Einsatzbedingungen bevorzugt in der Luftfahrt eingesetzt. Trotz dieser Vorteile stellen sie in der Zerspanung große Herausforderungen dar, die sich unmittelbar auf die Werkzeugstandzeit, die Oberflächengüten sowie die Prozessstabilität auswirken. Bei der Entwicklung neuer Werkzeugsysteme liegt der Fokus auf der Erhöhung der Standzeit und Steigerung der Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung.

Luftfahrtbauteile werden aus Werkstoffen gefertigt, die speziell für den Einsatz unter hohen mechanischen Belastungen, erhöhten Temperaturen und aggressiven Umgebungsbedingungen konzipiert sind. Titan- und Nickelbasislegierungen bieten ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie eine ausgezeichnete Wärmebeständigkeit. Dadurch sind sie für Strukturbauteile, Triebwerkskomponenten und andere sicherheitskritische Baugruppen unverzichtbar. Gleichzeitig führen genau diese Eigenschaften im Vergleich zu Stahl oder Aluminiumlegierungen zu einer herausfordernden Bearbeitbarkeit. Niedrige Materialabtragsraten, erhöhter Werkzeugverschleiß und hohe Qualitätsanforderungen tragen maßgeblich zu wachsenden Fertigungskosten bei.

Hoher Temperatureintrag ins Werkzeug

Titanlegierungen vereinen Festigkeit mit geringer Dichte und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Aufgrund dieser ungewöhnlichen Kombination von Eigenschaften findet Titan trotz des Preises Verwendung in vielen technischen Spezialgebieten. Die mechanischen Eigenschaften von Titanlegierungen, insbesondere die hohe spezifische Festigkeit bei einer sehr geringen Bruchdehnung, verbunden mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, stellen große Anforderungen an den Zerspanungsprozess.

Zur Verdeutlichung: Bei der Bearbeitung von Stahl liegt das Verhältnis der Wärmeabfuhr von Span zum Hartmetallwerkzeug bei etwa 50 Prozent. Das heißt, die Hälfte der entstehenden Temperatur gibt der Span an die Schneide ab, die andere Hälfte verbleiben im Span. Bei der Zerspanung von Titan gehen 80 Prozent der entstehenden Temperatur in die Schneide. Damit kommt der thermischen Stabilität des verwendeten Schneidstoffs eine große Bedeutung zu.

Darüber hinaus weist Titan eine hohe chemische Affinität zu Schneidstoffen auf. Insbesondere bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten begünstigt das die Bildung von Aufbauschneiden und Materialanhaftungen.

Aufgrund dieser Herausforderungen setzt Iscar feinkörnige Hartmetallsubstrate sowie innovative PVD-Beschichtungen ein. Diese kommen unter anderem in Werkzeugfamilien wie HELIDO, CHATTERFREE und bei verschiedenen Vollhartmetallfräsern zum Einsatz. Sie erhöhen die Stabilität der Schneiden und reduzieren Reibung sowie Wärmeentwicklung.

Spezielle Kantenpräparation und thermisch stabile Beschichtungen

Nickelbasislegierungen stellen andere, aber ebenso anspruchsvolle Herausforderungen an die eingesetzten Zerspanungswerkzeuge. Ni-Werkstoffe behalten ihre Festigkeit auch bei hohen Temperaturen und zeigen während der plastischen Verformung ein ausgeprägtes Kaltverfestigungsverhalten – sie werden fester und härter, aber auch spröder.

In der Zerspanung führt dies zu erhöhten Schnittkräften, Kaltverfestigung sowie Kerb-, Diffusions- und Kolkverschleiß. Um die Wärmeentwicklung zu begrenzen, arbeiten Zerspaner in der Regel mit reduzierten Schnittgeschwindigkeiten. Das wirkt sich allerdings negativ auf die Produktivität aus.

Iscar begegnet diesen Herausforderungen mit Schneideinsätzen mit spezieller Kantenpräparation und thermisch stabilen Beschichtungen. Diese kommen insbesondere bei SUMOTEC-Schneidstoffsorten zum Einsatz, unter anderem bei den Werkzeugfamilien HELITURN und LOGIQTURN. Diese sind konkret auf ein vorhersehbares Verschleißverhalten über längere Einsatzzeiten ausgelegt.

Der passende Schneidstoff ist entscheidend

Bearbeitungsprozesse für Luftfahrtkomponenten unterliegen strengen Anforderungen, die weit über die reine Maßgenauigkeit hinausgehen. Typische Toleranzen liegen häufig zwischen fünf und zehn Mikrometern. Zugleich muss eine hohe Oberflächengüte sichergestellt werden. Ziel ist es, Mikrorisse, Materialaufschmierungen und Zugeigenspannungen zu vermeiden, da diese die Ermüdungsfestigkeit negativ beeinflussen können. Hinzu kommen häufig dünnwandige Bauteilstrukturen, komplexe Geometrien und unterbrochene Schnitte, die die Anfälligkeit für Schwingungen und Werkzeugabdrängung erhöhen. Fräswerkzeuge mit variabler Steigung und Helix, wie sie in den Iscar-Familien CHATTERFREE und HELIMILL eingesetzt werden, sind speziell darauf ausgelegt, Schwingungen zu reduzieren und die Prozessstabilität zu erhöhen.

Damit sie mechanischen und thermischen Belastungen standhalten und um Ausbrüche an der Schneidkante zu verringern, müssen die genutzten Schneidstoffe ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Härte und Bruchfestigkeit aufweisen. Genutzt werden meist feinkörnige Hartmetallsorten, da diese auch bei instabilen Schnittbedingungen sehr verschleißfest und ausreichend zäh sind.

Für die Bearbeitung von Titan- und Nickelbasislegierungen kommen häufig PVD-Beschichtungen zum Einsatz. Diese zeichnen sich durch hohe Haftung, thermische Stabilität und reduzierte Reibung aus. Zugleich wirken sie als thermische Barriere, verlangsamen den Wärmeeintrag in das Werkzeug und fördern ein gleichmäßiges und vorhersagbares Verschleißverhalten.

Lösungen zum Fräsen, Drehen und Bohren

Beim Fräsen – insbesondere dünnwandiger Bauteile – werden Werkzeuge mit variabler Teilung und helikalen Schneiden benötigt, um Schwingungen zu minimieren.

Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen ermöglichen Hochvorschubsysteme, wie beispielsweise das HELIMILL-HFM-Werkzeug, einen reduzierten radialen Eingriff bei gleichzeitig erhöhtem Vorschub pro Zahn. Das verringert die auftretenden Schnittkräfte und begrenzt die Wärmeentwicklung.

Bei Nickelbasislegierungen liegt der Fokus hingegen auf einem stabilen Eingriff und einer gleichmäßigen Spandicke, um lokalen Verschleiß – insbesondere Kerbverschleiß in Übergangsbereichen – zu minimieren.

Um den hohen mechanischen Belastungen bei Dreh- und Stechdrehprozessen standzuhalten, erfordern die Werkzeuge besonders stabile Klemmsysteme für die Wendeschneidplatten. Systeme wie HELITURN, JETCUT und LOGIQTURN sind entsprechend ausgelegt. Sie verfügen über stabile Plattensitze und optimierte Schneidkantenpräparationen für optimale Schnittbedingungen.

Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen ist eine zuverlässige Spankontrolle sehr wichtig. Lange Späne stören den Zerspanungsprozess und können Schäden am Bauteil und am Werkzeug verursachen. Beim Drehen von Superlegierungen spielen Schneidengeometrie und Kantenpräparation eine zentrale Rolle, um Kerbverschleiß zu verhindern und längere Standzeiten zu ermöglichen.

Die Bohrungsqualität hat bei Luftfahrtbauteilen direkten Einfluss auf die Montageintegrität und die Ermüdungsfestigkeit. Systeme wie SUMOCHAM, QUICK-3-CHAM sowie Wendeplattensysteme wie DRTWIST und TRIDEEP bieten optimierte Schneidengeometrien und eine interne Kühlmittelzufuhr. Das verbessert die Spanabfuhr und reduziert die thermische Belastung. Anwender profitieren von einer gleichbleibend hohe Bohrungsqualität bei unterschiedlichen Werkstoffen und Geometrien.

Prozesssicherheit und Standzeit im Blick

Das komplexe Zusammenspiel von Schnittparametern, Werkzeuggeometrie, Kühlungsstrategie und Maschinensteifigkeit bestimmt die Standzeit der Werkzeuge. Breits eine moderate Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit um lediglich zehn bis 20 Prozent kann bei der Bearbeitung von Nickelbasislegierungen zu deutlich längeren Standzeiten führen. Iscar legt den Fokus auf ein reproduzierbares und vorhersagbares Verschleißverhalten, anstelle einer maximalen theoretischen Standzeit. Damit vermeiden Anwender Werkzeugausfälle und erhöhen die Prozesssicherheit.

Beispiele aus dem Zerspaneralltag verdeutlichen, dass Anwender durch den Einsatz optimierter Werkzeuggeometrien, angepasster Beschichtungen und geeigneter Schnittparameter die Standzeiten deutlich erhöhen können. Ein Nutzer konnte durch den Einsatz eines Fräsers mit variabler Helix die Standzeit um 30 Prozent steigern. Zugleich verbesserte sich die Oberflächenqualitäten deutlich, und er profitierte von einer höheren Prozessstabilität sowie geringeren Ausschussraten.

Die Integration digitaler Werkzeugbibliotheken in CAM-Systeme gewinnt in der Luftfahrt zunehmend an Bedeutung. Iscar bietet digitale Plattformen mit standardisierten Werkzeugdaten, die eine konsistente Auswahl und Parameterdefinition ermöglichen. Das reduziert Rüstschwankungen und verkürzt Prozessentwicklungszeiten. Simulations- und Verifikationswerkzeuge erlauben zudem die Bewertung und Optimierung von Bearbeitungsstrategien bereits vor der Umsetzung in der Fertigung. Das minimiert die Risiken bei der Fertigung hochwertiger Bauteile.

Die verbesserten Standzeiten und stabilen Prozesse wirken sich unmittelbar auf die Wirtschaftlichkeit aus. Sie reduzieren Ausschuss und senken den Energieverbrauch pro Bauteil. Angesichts der hohen Materialkosten bei der Fertigung aufwendiger Luftfahrtbauteile führen bereits geringe Effizienzsteigerungen zu großen Einsparungen. Gleichzeitig leisten optimierte Prozesse einen Beitrag zur Nachhaltigkeit durch geringeren Materialverbrauch und eine bessere Werkzeugausnutzung.

Quelle: Iscar