1 Einleitung
Hochwarmfeste Nickelbasislegierungen sind schwer zerspanbare Werkstoffe, die häufig in Flugzeugtriebwerken und Gasturbinen eingesetzt werden [1]. Um die Wirtschaftlichkeit der spanenden Bearbeitung von solchen Werkstoffen zu steigern, wurden von der Firma Sommertools in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin neue Vollhartmetall-Fräswerkzeuge mit werkstoffspezifischen Mikrogeometrien entwickelt und getestet. Zur Schneidkantenpräparation wird von Sommertools bereits seit 2010 eine Schleppfinishanlage der OTEC-Präzisionsfinish eingesetzt. Eine optimierte Mikrogeometrie für die Zerspanung von Nickelbasislegierungen konnte nach umfangreichen Fräsversuchen zur Analyse der Bauteilqualität, des Verschleißverhaltens sowie der Schnittkraft Fc am Fraunhofer-IPK unter Laborbedingungen und bei einem Gasturbinenhersteller unter Praxisbedingungen definiert werden. Die optimierten Werkzeuge stehen nun im Produktportfolio der Sommertools zur Verfügung.
2 Sommertools – CNC-NC Schleiftechnik
Die Firma Sommertools ging aus der 1977 gegründeten Werkzeugschleiferei Sommer hervor. Seit 1995 fertigt Sommertools Sonderwerkzeuge aus Vollhartmetall und konnte so Kunden aus den Bereichen Maschinen- und Anlagenbau, Raum- und Luftfahrtindustrie, Automobilindustrie, Turbinenbau und Medizintechnik überzeugen. Seitdem wurde kontinuierlich in neue computergesteuerte Maschinen und modernste Messtechnik investiert.
Eine besondere Stärke des Unternehmens sind rotationssymmetrische Sonderwerkzeuge für die Zerspanung von hochwertigen Stahl- und Aluminiumlegierungen. Eine Auswahl ist in den Abbildungen 1 und 2 (Titelbild) dargestellt. Hierbei sieht sich Sommertools auch als Partner zur Optimierung der Fertigungsprozesse bei den Kunden vor Ort. Dies kann durch die anwendungsbezogene Anpassung von Geometrie, Beschichtungen und den Schnittparametern erfolgen.
Abb. 1: Verschiedene Sonderwerkzeuge der Sommertool - CNC-NC Schleiftechnik
3 Herstellen von definierten Schneidkantenmikrogeometrien
Unter Schneidkantenpräparation ist ein Prozessschritt zur gezielten Verrundung der Schneidkanten an Zerspanwerkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide zu verstehen. In der Regel erfolgt dieser Schritt nach der Werkzeugherstellung und gegebenenfalls vor sowie nach dem Beschichten der Werkzeuge. Ziele der Präparation sind die Schneidkante zu stabilisieren und die Oberflächen im Kontaktbereich zwischen Werkstück, Werkzeug und Span zu verbessern, um die Reibung bei der Zerspanung zu reduzieren.
Zur Schneidkantenpräparation können unterschiedliche mechanische, thermische oder chemische Feinbearbeitungsverfahren einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Industriell werden dazu häufig die Verfahren Bürsten für Wendeschneidplatten und Schleppfinishing beziehungsweise Tauchgleitläppen für Fräswerkzeuge verwendet [2–5].
4 Nickelbasis-Legierungen – Einfluss der Schneidkantengeometrie
Für die Fräsversuche am Fraunhofer-IPK wurde ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum vom Typ C 50/Hermle verwendet. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden unterschiedliche Schaft-, Torus- sowie Kugelkopffräser untersucht und optimiert (Abb. 2). Während der Zerspanung wurden die Passivkraft Fp in z-Richtung und das Schnittmoment Mc analysiert. Im Anschluss wurden die Oberflächenrauheit der Versuchswerkstücke taktil nach DIN 4287 gemessen und die Verschleißmarkenbreite VB mit Hilfe eines Mikroskops ermittelt. In Abbildung 3 sind die Ergebnisse mit der Streuung der Messwerte von den Versuchen mit den Kugelkopffräsern dargestellt.
Als Versuchswerkstück wurde hier eine Hitzeschildplatte aus einer Nickelbasislegierung Inconel 738 LC, wie sie in Gasturbinen eingesetzt werden, verwendet. Versuchswerkzeug 1 stellt dabei den Ausgangszustand dar. Bei den Versuchswerkzeugen 2 bis 4 wurden unterschiedliche Schneidkantenmikrogeometrien eingestellt und unter gleichen Bearbeitungsbedingungen wie bei dem Versuchswerkzeug 1 eingesetzt.
Die Ergebnisse zeigen, dass aufgrund einer optimierten Schneidkantenmikrogeometrie bei Versuchswerkzeug 4 die Passivkraft FP im Mittel um 15 % und das Schnittmoment Mc sogar um 42 % reduziert werden konnten. Versuchswerkzeug 5 zeigt hier ebenfalls deutlich bessere Ergebnisse im Vergleich zum Ausgangszustand. Mit Versuchswerkzeug 4 konnte im Vergleich zum Ausgangszustand die gemittelte Rautiefe Rz der Bauteile um etwa 8 % verbessert werden. Bei dem Werkzeugverschleiß konnten die besten Ergebnisse mit dem Versuchswerkzeug 5 erzielt werden. Im Vergleich zum Ausgangszustand war die maximale Verschleißmarkenbreite VBmax um fast 20 % reduziert. Beim Einsatz der Werkzeuge in der Praxis konnten im Vergleich zum Ausgangszustand (Versuchswerkzeug 1) mit den Versuchswerkzeugen 4 und 5 doppelt so viele Bauteile bearbeitet werden.
Bei der Zerspanung von Rene 80 mit den in Abbildung 2 gezeigten Schaftfräsern konnten durch eine Anpassung der Schneidkanten vergleichbare Verbesserungen erzielt werden. Rene 80 ist eine hochwarmfeste Legierung mit einem Nickelanteil von 60 %, welche häufig zum Bau von Gasturbinenschaufeln eingesetzt wird.
Abb. 3: Ergebnisse der Fräsversuche
5 Zusammenfassung
Die Standzeiten und die Prozesssicherheit von VHM-Fräswerkzeugen für die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen konnten durch die Optimierung der Mikrogeometrie gesteigert werden. Dafür wurde im ersten Schritt mit Hilfe des Fraunhofer-IPK der Prozess zur Schneidkantenpräparation detailliert untersucht. Im zweiten Schritt wurden anhand von umfangreichen Fräsversuchen die Einflüsse der Schneidkantenmikrogeometrien ermittelt. Anhand dieser Ergebnisse kann nun je nach Anwendung und Anforderung die günstigste Schneidkantenmikrogeometrie gewählt und prozesssicher hergestellt werden. So kann, wie gezeigt, eine deutliche Werkzeugverbesserung erreicht werden. Die optimierten Werkzeuge sind nun Bestandteil des Produktportfolios der Firma Sommertools. Weiter können die technologischen Untersuchungen zur Schneidkantenpräparation zukünftig für weitere Werkzeuggruppen oder bei Nachschleifaufgaben genutzt werden.
Literatur
[1] C. Lechner, J. Seume (HRSG.): Stationäre Gasturbinen; 2. Auflage, Springer Verlag; ISBN 978-
3-540-92787-7, e-ISBN 978-3-540-92788-4
[2] E. Pauksch, S. Holsten, M. Linß, F. Tikal: Zerspantechnik – Prozesse – Werkzeuge – Technologien; 11. Auflage, 2008
[3] F. Tikal: Schneidkantenpräparation – Ziele, Verfahren und Messmethoden; Unidruckerei der Universität Kassel, 2009
[4] E. Uhlmann, D. Oberschmidt, A. Löwenstein, F. Mahr, M. Langmack: Mit Schleppfinishing zur perfekten Kontur; Mikroproduktion (2010)05/10, S. 32–36
[5] E. Uhlmann, A. Löwenstein, F. Mahr, D. Oberschmidt: Schneidkantenpräparation von Mikrofräsern; wt Werkstattstechnik 101 (2011)1/2, S. 73–80
Kontakt
Sommertools – CNC-NC Schleiftechnik
Fritz-Henkel-Straße 9, D-39307 Genthin
- www.sommertools.de
Fraunhofer-Institut für Produktions-
anlagen und Konstruktionstechnik (IPK)
Dipl.-Ing. Armin Löwenstein,
Pascalstraße 8–9, D-10587 Berlin
- armin.loewenstein@ipk.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Schaftfräser, Torusfräser und Kugelkopffräser (von links)
