Hochvolumenzerspanung von Titan Herausforderungen, Technologien und Lösungen Rorschacherberg, 10.12.2014
Produkte und Dienstleistungen Bearbeitungszentren Engineering Lösungen Service Lösungen Zentrale Unternehmensfunktionen: Regionalvertrieb Kundenservice Operations Corporate Center 1
Unser Stammbaum, 150 Jahre Tradition für Innovation SIP Dörries Scharmann Heckert Droop+Rein Starrag Berthiez Bumotec TTL Genf Mönchengladbach Chemnitz Bielefeld Rorschach St. Etienne Sâles Aylesbury 1862 1884 1885 1890 1897 1916 1973 1987 Wissenschaftl. Instrumente Werkzeugmaschinen Fahrradherstellung Werkzeugmaschinen Textilmaschinen Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen Software/ Technologie Unternehmen 2
Hohe weltweite Präsenz von Vertrieb und Service Produktionsstätte, Vertriebs- und Serviceorganisation Vertriebs- und Serviceorganisation Serviceorganisation 3
Starrag Group Neun Produktionsstandorte Rorschach Genf Sâles Einzigartiges, zum Teil redundantes Netzwerk von Produktionsstandorten. Bielefeld Chemnitz Mönchengladbach Bangalore St. Etienne Haddenham 4
Die Starrag Group ist auf sechs Zielmärkte fokussiert Aerospace Transport Industrial Energy Medical Watch+Jewellery 5
Aerospace 6
Einsatz von Titan im Flugzeugbau Der Standardwerkstoff für Flugzeugstrukturbauteile Aluminium wird zum Teil durch Titan ersetzt Grund: Korrosionsanfälligkeit von Kohlefaser- Titanverbindungen Der Kohlefaseranteil ist bei neuen Flugzeugen zunehmend grösser 7
Aluminium versus Titan Typisch erreichbare Abtragsraten beim Fräsen Alu: 8 l/min Titan: 0.25 l/min 32x grösser für Alu Konsequenz: lange Bearbeitungszeiten, extrem hohe Kosten Ursachen: Reduzierte Schnittgeschwindigkeit wegen höherer Zähigkeit und schlechterer Wärmeleitfähigkeit des Titans (150 m/min versus 2 500 m/min) Reduzierte Schnitttiefe wegen hohen Schnittkräften (Faktor 3 bis 4) 8
Ansätze zur Erhöhung der Produktivität in der Titanzerspanung Um die Produktivität der Titanzerspanung zu erhöhen, muss die erreichbare Abtragsrate gesteigert werden durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit ohne Verringerung der Werkzeugstandzeit Abhängig von Werkzeug, Kühlsystem, Kühlmedium Erhöhung der max. Schnitttiefe Abhängig von Maschine, Vorrichtung, Werkstück Wahl der optimalen Bearbeitungsstrategie Abhängig von Technologen, CAM System Für jedes Werkstück muss der Bearbeitungsprozess als Gesamtsystem aus Vorrichtung, Werkzeug, Kühl- und Bearbeitungsstrategie optimiert werden. Die Werkzeugmaschine ist der Integrator, in dem jeder sinnvolle Bearbeitungsprozess für Titan optimal umgesetzt werden kann. 9
Test von Bearbeitungsstrategien Gegenüberstellung von verschiedenen Ansätzen Nach Festlegung der Bearbeitungsstrategie können Werkzeuge und Kühlstrategien festgelegt werden 10
Beispiel Evaluation Strategie: Variation Schnittparameter, Evaluation Werkzeugstandzeit Test # Vc ft/min Fz inch Ap inch Ae inch: Q inch³/min t min 7 213 0.02 0.04 0.63 0.79 29:40 8 213 0.04 0.04 0.63 1.58 15:00 9 328 0.02 0.04 0.63 1.22 19:30 10 230 0.023 0.04 0.63 1.04 22:30 test # 7 11
Beispiel Evaluation Strategie: Ermittlung kostenoptimaler Einsatz Typ Test # Vc ft/min Fz inch Q inch³/min t min Tool cost per hour Tool cost in % Machining Cost @ 150/hour Machining Cost in % roughing 7 213 0.02 0.79 29:40 31,50-50% 74.0 +97% roughing 8 213 0.04 1.58 15:00 64,00 0 37.50 0 roughing 9 328 0.02 1.22 19:30 53,50-16% 48.70 +30% roughing 10 230 0.023 1.04 22:30 42,50-33% 56.50 +57% 12
Erhöhung Schnittgeschwindigkeit Nach der Festlegung der optimalen Bearbeitungsstrategie muss das System hinsichtlich höchstmöglicher Schnittgeschwindigkeit optimiert werden. Werkzeug (Einflussfaktoren Geometrie, Schneidkantenverrundung, Beschichtung) Hebel: Unterschied Werkzeugstandzeiten zwischen Werkzeugen führender Hersteller Faktor 2-3 Kühlsystem (Art der Kühlung, Zusammensetzung des Mediums, Druck) Hebel: Unterschied Werkzeugstandzeiten zwischen Kühlschmiermitteln führender Hersteller Faktor 2 Unterschied Werkzeugstandzeit nach Art der Zuführung auf Schneidkante bei Innenkühlung Faktor 2 Unterschied Werkzeugstandzeit nach Druck der Innenkühlung Faktor 1.3 13
Erhöhung Schnitttiefe Neben den generellen Leistungsparametern wie Spindeldrehzahl oder moment wird die effektiv erreichbare Schnitttiefe reduziert durch instabile Schwingung (Rattern) im System. Dieses Rattern wird ausgelöst durch das schwächste Glied in der Kette Werkzeug Spindel Maschinenstruktur Vorrichtung Werkstück Für produktive Bearbeitung ist ein ausgeglichenes System entscheidend. Eine Optimierung ausserhalb des schwächsten Glieds hat keinen Einfluss auf die gesamte Leistungsfähigkeit. 14
Milling head STC-Machine Standard head Beispiel Werkzeug Lange Werkzeuge stellen oft das begrenzende Element für hohe Schnitttiefen dar. a x Ansatz Starrag: Durch die kompakte Bauweise des Schwenkkopfes kann die Kollisionskontur verbessert und kürzere Werkzeuge eingesetzt werden. x b 15
Beispiel Spindel Der lange, schlanke Durchmesser des Schafts einer Motorspindel limitiert oftmals die erreichbare Schnitttiefe. Ansatz Starrag: Es werden Getriebespindeln eingesetzt, die einen wesentlich grösseren Schaftdurchmesser und kleineren Lagerabstand besitzen, wodurch ein biegesteiferes System erzeugt wird. 16
Schaft Durchmesser Schaft Durchmesser Vergleich Motor- und Getriebespindeln Lagerabstand Getriebe Lagerabstand Motor 17
Beispiel Maschinenstruktur Die Maschinenstruktur (Schlitten, Ständer, ) können zu Schwingungen angeregt werden, so dass die Schnitttiefe begrenzt wird Ansatz Starrag: Die Struktur wird durch Fräsversuche und experimentelle Modalanalysen analysiert und durch FEM Simulationen optimiert. So werden die Strukturteile verbessert 18
Erreichbare Ergebnisse Starrag verfolgt auf allen Ebenen einen systematischen Ansatz, limitierende Faktoren zu erkennen und zu verbessern. In der Titanzerspanung hat man hierbei folgende Ergebnisse erreicht: Schnittgeschwindigkeiten > 150 m/min (Industriestandard 60 80 m/min) Schnitttiefen > 100 mm (Industriestandard 20 mm) Abtragsraten > 750 cmm/min (Industriestandard 100 ccm/min) Kont. Versuche Für eine effiziente Titanzerspanung müssen die besten verfügbaren Bearbeitungsstrategien, Werkzeuge und Kühlsysteme eingesetzt werden. Die Starrag-Maschinen werden so gebaut, dass das Potential dieser Bearbeitungen voll ausgeschöpft werden kann. Syst. Auswertung Simulative Optimierung 19