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Titanbearbeitung bedeutet Fräsen im Grenzbereich

: Heller


Schwer zerspanbare Metalle wie Titanlegierungen, Nickel-Basis-Werkstoffe oder rostfreie Stähle gehören in der Luft- und Raumfahrtindustrie mittlerweile zum Standard. Um diese wirtschaftlich zu zerspanen, sind hohe Drehmomente bei moderaten Drehzahlen üblich – eine der vielen Anforderungen, für die Lösungen von HELLER besonders maßgeschneidert sind. Untersuchungen im eigenen Haus zeigen, dass dabei viele Komponenten des Bearbeitungsprozesses an ihre Grenzen kommen können. Eine umfassende Prozessbeherrschung ist daher bei dieser Form der Hochleistungszerspanung Grundvoraussetzung für Qualität und Wirtschaftlichkeit.

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Als typischer Systementwickler liefert HELLER nicht nur Werkzeugmaschinen und Produktionssysteme, sondern darüber hinaus auch umfassende Antworten auf die Anforderungen vieler Anwenderbranchen. Dazu gehört natürlich neben der Maschinenkompetenz auch eine fundierte Prozesskompetenz für die entsprechende Bearbeitungsaufgabe. Ziel ist es, dem Kunden eine wirtschaftlich optimale Gesamtlösung für das jeweilige Bauteil anbieten zu können. Dass dies auch eine Menge Grundlagenarbeit erfordert, zeigt das Beispiel der Luft- und Raumfahrttechnik, hier insbesondere die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Titanlegierungen. Aufgrund des vergleichsweise großen Zerspanungsanteils typischer Bauteile im Bereich Aerospace fordert die Branche ein hohes Zeitspanvolumen und damit auch eine entsprechende Maschinenleistung. Gleichzeitig wird aber auch eine hohe Flexibilität bei der Bearbeitung und ein hoher Automatisierungsgrad gewünscht. Eine 5-achsige Bearbeitung wird zukünftig auch in diesem Anwendungsbereich zunehmen.

Trotz ihrer hervorragenden Eignung werden die Maschinen und Anlagen der Firma HELLER bislang in dieser Branche nicht als erste Wahl betrachtet. „Der Markt nimmt uns mehrheitlich als Premium-Lieferanten und Lösungspartner für die Automobilindustrie wahr. Dass wir seit über 75 Jahren auch qualifizierter Lieferant der Produktionswerke der Luftfahrtindustrie sind und damit auch dort wirtschaftlich erfolgreiche Zerspanung anbieten, wollen wir stärker in den Markt tragen.“ formulierte Werner Kirsten, Technologieexperte bei HELLER bereits im Juni 2010 auf der Farnborough Air Show. Hier beeindruckte HELLER Flugzeugbau-Hersteller und -Zulieferer mit Leistung und Präzision bei der Titanbearbeitung. Obwohl eine Reihe von Maschinenherstellern ebenfalls dort vertreten waren, wagte es nur der Nürtinger Maschinenbauspezialist, ein voll funktionsfähiges Bearbeitungszentrum im realen Zerspanungseinsatz zu zeigen. Für die Demonstration wurde ein 5-achsiges Bearbeitungszentrum vom Typ FT 2000 PCU mit HSK63 Werkzeugaufnahme und 242 Nm Drehmoment aus dem Standard-Baukasten gewählt. Die Schwenkkopf-Einheit PCU 63 ist mit einer Leistung von 44kW die derzeit stärkste 5-Achs-HSK63-Spindel am Markt. Das Werkstück: enge Waben und Nuten, konkave schlanke Stege, Schrägen, in sich auch noch leicht tailliert aus Ti-6Al-4V
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Um die Grenzen des Machbaren auszuloten, wurden bei HELLER im Vorfeld umfassende Versuchsreihen auf HSK-100 und auf HSK-63 Systemen, mit Motor- und Getriebespindeln, 4- und 5-achsig, im Labor- und in der HELLER-eigenen Fertigung durchgeführt. Bei diesen Tests, bei denen überwiegend Standardkomponenten zum Einsatz kamen, gingen die Nürtinger Zerspanungsspezialisten immer wieder aufs Ganze. So wurden die Eingriffsparameter schrittweise erhöht, bis es zu einem Versagen einer Komponente kam. Anschließend wurden dann Optimierungen vorgenommen, um die Grenzen weiter zu erhöhen. Dabei zeigte sich deutlich, dass neben dem Werkzeugspannsystem und der Kühlmittelzufuhr besonders auch die NC-Bahngenerierung in Ecken und Nuten ein besonderes Augenmerk verdienen. Als besonders zäher, langspanender Werkstoff erfordert Titan angepasste Zyklen, um Schwingungen oder sogar Werkzeugbruch zu verhindern.

In allen Versuchsreihen jedoch konnte die beschriebene Konfiguration der HELLER Baureihe F ihre großen Qualitäten beweisen. Die durch die hervorragende Dämpfung verursachte hohe Laufruhe der Maschine sorgte für beste Oberflächengüten, hohe Werkzeugstandzeiten und für maximale Prozesstabilität auch bei der anspruchsvollen Titanbearbeitung. Die leistungsfähige Spindel macht horizontal, vertikal und in jedem Raumwinkel die gleiche Zerspanleistung möglich. Die FT 2000 arbeitet mit codierten direkten Messsystemen, hoch auflösenden Drehgebern sowie YRT-Lagern mit integriertem Messsystem. Die bewährte 5-Achskinematik im Werkzeug in X, Y, C bzw. A sowie zwei Achsen im Werkstück in Z und B verbinden dabei Präzision mit Dynamik. Als Gründungsmitglied des Machining Innovations Network hat HELLER diese Maschine zur EMO 2011 dem interessierten Fachpublikum auf dem Messestand des MIN vorgestellt.

Um die besonderen Anforderungen der Schwerzerspanung auch in Zukunft optimal erfüllen zu können, hat sich HELLER im vergangenen Jahr mit einem anerkannten Experten in diesem Segment zusammen getan: die US-amerikanische ATI-Gruppe bietet umfassendes Know-How im Bereich Sonderwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrtindustrie und gilt als einer der Pioniere beim Einsatz von Titanlegierungen. Ein erstes Ergebnis dieser internationalen Best-In-Class Partnerschaft war bereits auf der vergangenen EMO in Hannover auf dem Stand von ATI Stellram, einem Werkzeughersteller und nach eigenen Angaben der Nummer eins in den USA bei schwer zerspanbaren Werkstoffen, zu sehen: eine vierachsige HELLER H 6000 mit der Hochleistungs-Getriebespindel HighPowerCutting (HPC) mit 6.000 min-1, 60 kW und einem Drehmoment von 2.292 Nm. Auf dem Messestand wurde damit in einen Titanblock TiAl6V4 unter anderem eine 50 mm tiefe Nut mit einem 80-er Igelfräser mit einer Schnittgeschwindigkeit jenseits der 50 m/min eingebracht. Besonders eindrucksvoll wird diese Leistungsdemonstration durch die Tatsache, dass damit nur 30 Prozent an Leistungsfähigkeit bei der Maschine abgerufen werden müssen.

Dass das Schlichten und Schruppen auf einer Maschine möglich ist, stellt das Unternehmen HELLER seit Jahrzehnten unter Beweis. Mit der neuen Baureihe H allerdings definiert HELLER auch die Schwerzerspanung neu, da das Maschinenkonzept vor allem auf robuste Prozesse ausgelegt wurde. Zur letzten EMO setzte das Unternehmen HELLER mit dieser Baureihe, insbesondere mit dem 4-achsigen Bearbeitungszentrum H 6000, neue Maßstäbe in der Titanbearbeitung. Gleichzeitig wurde aber auch eindrucksvoll gezeigt, wie wichtig das Zusammenspiel aller Komponenten in einem Fertigungsprozess ist. So wurde für das Schlichten ein 10-schneidiges Werkzeug mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Auskragung von 5xD eingesetzt. Da die Werkzeuge bei diesen Auskraglängen normalerweise bei der Bearbeitung zu schwingen beginnen, wird für gewöhnlich in der Praxis die Auskraglänge reduziert. In der Luftfahrtindustrie ist dies allerdings bei den meist ungünstigen Bearbeitungsverhältnissen nicht möglich. Auf der EMO konnte HELLER zeigen, dass mit einem geeigneten Schrumpfspannfutter wie dem Heavy Duty Chuck von Haimer dieses Problem durch Massenverlagerung umgehen kann.

Gesteigert wird das Leistungsvermögen dieses Standard-Fräszentrums zusätzlich durch eine gesteuerte U-Achse, mit der klassische Drehoperationen durchführbar sind. Damit lassen sich auch andere Bearbeitungsaufgaben problemlos lösen. So wird beispielsweise in der Energietechnik zunehmend gefordert, Flansche mit Nuten für Dichtungen in einer Aufspannung zu fertigen. Bislang wurden diese in einer zweiten Aufspannung an einer Drehmaschine eingearbeitet. Mit der gesteuerten U-Achse und dem integrierten Planzug können auch klassische Drehoperationen durchgeführt werden. Der einzigartige HELLER-Planzug besteht aus einem Antrieb, einem Plandrehkopf und dem Werkzeug inklusive der erforderlichen Schnittstellen. Der Antrieb für die steuerungstechnische U-Achse verläuft dabei parallel zur Z-Achse mittig durch die Spindel und ist mit dem Plandrehkopf und dem Werkzeug gekoppelt. Gegenüber mechatronischen Lösungen baut dieses System wesentlich kürzer und weist dadurch ein geringeres Kippmoment auf. Das wirkt sich äußerst positiv beim Werkzeugwechsel und der Zerspanleistung aus. Weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die Tatsache, dass die Antriebsmotoren als wärmeinduzierende Quellen weit von der Wirkstelle der Spanentstehung entfernt sind.

Die bisherigen Erfahrungen bei der Schwerzerspanung belegen eindrucksvoll die strukturdynamische Steifigkeit der Baureihe H. Durch das Baukastensystem lassen sich die Bearbeitungszentren flexibel für den jeweiligen Einsatzbereich konfigurieren. Gleiches gilt natürlich auch für die 5-achsige Baureihe MCH-C von HELLER, die mit über 800Nm Drehmoment ebenfalls hervorragend für die Titanbearbeitung geeignet ist. Die Untersuchungen haben aber auch deutlich gemacht, dass mit ausreichender Prozesskompetenz in vielen Fällen statt einer HSK100-Lösung eine Bearbeitung mit einer kostengünstigeren HSK63-Maschine möglich ist. Ob hohe Drehzahlen, hohe Dynamik und hohe Steifigkeit oder hohes Drehmoment mit entsprechenden Dämpfungseigenschaften, das universelle HELLER-Konzept bietet eine passende Lösung. Doch eines ist ebenfalls deutlich geworden: Titanbearbeitung bedeutet Fräsen im Grenzbereich, und dabei ist jedes Glied der gesamten Prozesskette von entscheidender Bedeutung. Neben einer optimalen Technik bestimmt deshalb am Ende die Prozessbeherrschung über Qualität und Kosten.

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Bearbeitungszentren, Titan

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