Zerspanung von Titanlegierungen - Voraussetzungen für das HPC-Fräsen -

Transkript

1 Zerspanung von Titanlegierungen - Voraussetzungen für das HPC-Fräsen - Prof. Dr.-Ing. B. Denkena, T. Grove, P. Helmecke DLR Köln, 20. März 2014

2 Werkstoffzusammensetzung moderner Flugzeuge Seite 2

3 Kontaktkorrosion zwischen Titan und CFK Seite 3

4 Prozesskette der Herstellung eines Ti-Strukturbauteils Seite 4

5 Entwicklung der Zeitspanvolumina Al vs. Titan Seite 5

6 Hochleistungsfräsen von Al7075 und TiAl6V4 Werkstoff: Werkzeugdurchmesser: Drehzahl: Schnittgeschwindigkeit: Zahnvorschub: Zeitspanvolumen: Al7075 D = 20 mm n = min -1 v c = 1160 m/min f z = 0,25 mm Q w = 5,6 l/min TiAl6V4 (b-annealed) D = 25 mm n = 828 min -1 v c = 65 m/min f z = 0,125 mm Q w = 0,166 l/min Gr IFW Seite 6

7 Herausforderung bei der Zerspanung von Titan Seite 7

8 Gliederung Anforderungen für das HPC-Fräsen von Titan Quelle: Makino, Sandvik Seite 8

9 Gliederung Anforderungen für das HPC-Fräsen von Titan Maschinenstruktur Spindel Seite 9

10 Anforderungen an die Maschinenstruktur Spindel mit hohem Drehmoment bei geringer Drehzahl Kühlmittelversorgung mit hohem Druck und Volumenstrom steife Werkzeugschnittstelle, z.b. > HSK100 horizontale Spindel Besserer Spänefall steifes Maschinenbett mit hoher Dämpfung Vorschubantriebe für hohe Stellkräfte steifes Führungssystem [Quelle: Makino] Dg IFW Seite 10

11 Drehmomentkennlinie Motorspindel Seite 11

12 Großmaschinen für die Titanbearbeitung (PAG) Hochleistungs- Kühlschmiersystem: p > 80 bar Palettengröße: 4500 x 2000 mm Motorspindel mit hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl M max = 1500 Nm n max = 8000 min -1 Spindelschnittstelle hoher Steifigkeit HSK achssimultanbearbeitung Vorschubantriebe hoher Belastbarkeit: F max = 50 kn Massive Maschinenstruktur mit hoher Steifigkeit und hoher Dämpfung MAG Geschlossener Kraftfluss Quelle: PAG, Machining Innovations Conference 2012 Seite 12 MAG

13 Gliederung Anforderungen für das HPC-Fräsen von Titan Werkzeughaltersystem Werkzeugmakrogeometrie Seite 13

14 Werkzeughaltersysteme Weldon Kraftspannfutter Schrumpffutter Seite 14 Dg IFW

15 Einfluss des Werkzeughalters auf Kräfte & Verschleiß Seite 15

16 Gliederung Anforderungen für das HPC-Fräsen von Titan Werkzeughaltersysteme Werkzeugmakrogeometrie Seite 16

17 Bezeichnungen am Schaftfräser Eckenradius r e Stirnschneide Spannut Radiale Freifläche Umfangsschneide Drallwinkel d Gr IFW Seite 17

18 Einfluss des Spanwinkels auf den Werkzeugverschleiß Seite 18

19 Einfluss des Freiwinkels auf den Werkzeugverschleiß Seite 19

20 Mechanische Schneidkeilbelastung Seite 20

21 Gliederung Anforderungen für das HPC-Fräsen von Titan Werkzeugbelastung Werkstückbeanspruchung Seite 21

22 Abhängigkeit der Werkzeugbelastung von der Prozesskinematik Hartmetall lässt sich gut auf Druck, aber nur schlecht auf Zug beanspruchen Beim Austritt der Schneide aus dem Werkstoff treten Zug- / Druck Wechselbelastungen auf Hohe Spanungsdicken am Werkzeugaustritt führen zu erhöhten Wechselbelastungen und damit zu stärkerem Verschleiß - Beim Fräsen von Titan ist stets die Spanungsdicke am Werkzeugaustritt zu minimieren + [Quelle: Sandvik] a e = 0,7 x D Dg IFW Seite 22

23 Videos: Einfahrstrategien Linearer Werkstückeintritt Bogenförmiger Eintritt Große Spanungsdicke am Schneidenaustritt Daraus folgen Schwingungen und erhöhter Werkzeugverschleiß Kleine Spanungsdicke am Schneidenaustritt Verringerte Werkzeugbelastung Gr IFW Seite 23

24 Einfluss der Anfahrstrategie auf den Verschleiß linearer Anschnitt bogenförmiger Anschnitt 390 Eintritte Eintritte + [Quelle: Sandvik] Material: X22CrMoV12-1, Werkzeugdurchmesser: D = 52 mm, v c = 300 m/min, f z = 0,35 mm, a e = 35 mm, a p 3 mm Dg IFW Seite 24

25 Einfluss der KSS-Zufuhr auf die Leistungsaufnahme Seite 25

26 Gliederung Anforderungen für das HPC-Fräsen von Titan Werkzeugbelastung Werkstückbeanspruchung Seite 26

27 Verzug großer Titanbauteile Werkstoffe in neuen Flugzeuggenerationen Airbus A350 Integrale Leichtbaustrukturen Bauteilverzug durch: Lösen von Eigenspannungen im Halbzeug Sonstiges. 52% 7% 20% 7% 14% Al/Al-Li Stahl Titan Einbringen von Eigenspannungen in das Bauteil Verbundwerkstoffe Seite 27

28 Eigenspannungen bei der Titanbearbeitung Seite 28

29 Temperaturen in der Bauteilflanke Seite 29

30 Türrahmenspant Airbus A350 Deformation in Z: 1 m mm Bauteilverzug nach Bearbeitung einer Seite Eigenspannungen: d = 300 µm σ ll = -150 N/mm² σ = -100 N/mm² [Premium Aerotec GmbH] FE Modell: Knoten Elemente Werkzeugbewegungen Berechnungszeit: 8h auf 8 2,4GHz Dre/65363 IFW Seite 30

31 Türrahmenspant Airbus A350 Deformation in Z: 1 m mm z x y Verzug nach Bearbeitung der zweiten Seite Eigenspannungen: d = 300 µm σ ll = -150 N/mm² σ = -100 N/mm² [Premium Aerotec GmbH] FE Model: Knoten Elemente Werkzeugbewegungen Berechnungszeit: 8h auf 8 2,4GHz Dre/65363 IFW Seite 31

32 Gliederung Anforderungen für das HPC-Fräsen von Titan β -Titanlegierungen Neue Titanlegierungen Seite 32

33 b-titan Fahrwerksbauteile im Airbus A380 Airbus A380 Fahrwerk b - Titan (Ti-10V-2Fe-3Al) Entwicklung von b-titan Legierungen mit folgenden Eigenschaften: höhere Aushärtbarkeit im Vergleich zu Ti einfach zu Gießen und zu Schmieden Ti-10V-2Fe-3Al Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr Zugfestigkeit 1170 MPa 1240 MPa Streckgrenze 1100 MPa 1170 MPa [Quelle: B. Charles, D. Embury] Gr IFW Seite 33

34 Gefügeaufbau der untersuchten Ti5553-Proben Seite 34

35 Geschwindigkeitseinfluss auf das Verschleißverhalten Seite 35

36 REM-Aufnahmen der Werkzeuge am Standzeitende Seite 36

37 Standzeit TiAl6V4 vs. Ti5553 Seite 37

38 Einfluss der KSS-Strategie auf den Verschleiß Seite 38

39 Zusammenfassung Werkzeugmaschinen für Titan horizontale Spindelanordnung steifes Maschinengestell, mit hoher Dämpfung Spindel mit sehr hohem Drehmoment bei niedriger Drehzahl und entsprechend steifer Werkzeugschnittstelle (z.b. HSK100) Werkzeuge für Titan große Spanwinkel (g 14º) zur Reduzierung der Zerspankraft kleine Freiwinkel ( 6º) zur Stabilisierung der Schneidkante Schneidkantenverrundung (r b 30 µm) zur Verringerung von Kantenausbrüchen und zur Stabilisierung des Prozesses Bearbeitungsstrategien für Titan Spanungsdicke am Werkzeugaustritt minimieren hohen Gleichlaufanteil und geeignete Anschnittstrategien verwenden Einsatz von Innenkühlung und Außenkühlung mit hohem Volumenstrom Hochfeste β-titanlegierungen (z.b. Ti ) Prozesskräfte und Verschleiß steigen im vgl. zu TiAl6V4 deutliche Verringerung des erreichbaren Zeitspanvolumens Seite 39

40 Danksagung Projekt QualiTi (WB ): Verfahren zur Modellierung der Einflüsse auf die Werkstückqualität bei der Fräsbearbeitung von Titan Projekt Leistungssteigerung beim Fräsen von Titan durch Werkzeugentwicklung Seite 40

41 Kontakt Das IFW - Ihr Partner rund um die Fertigungstechnik Bei Fragen zu den vorgestellten sowie weiteren Themen helfen wir Ihnen gerne weiter. Kontaktdaten Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena Tel info@ifw.uni-hannover.de Dipl.-Ing. Thilo Grove Tel grove@ifw.uni-hannover.de Eingang des Produktionstechnischen Zentrums Hannover (PZH) mit Gebäuden des IFW Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) Produktionstechnisches Zentrum, Leibniz Universität Hannover An der Universität Garbsen Seite 41