Doch wenn man einen Ingenieur an der Front fragt, ob Titanlegierungen leicht zu bearbeiten sind, erhält man wahrscheinlich ein bitteres Lächeln.
Die Schwierigkeit der Bearbeitung von Titanlegierungen ist in der Welt der Metallwerkstoffe bekannt.
Warum sind Titanlegierungen so schwer zu bearbeiten? 4 Kernursachen
1. Die Wärme lässt sich schwer abführen
Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Titanlegierungen ist extrem niedrig – sie beträgt etwa nur 1/7 von Stahl, 1/16 von Aluminium und 1/25 von Kupfer.
Was bedeutet das? Die beim Zerspanen entstehende Wärme kann nicht wie bei der Bearbeitung von Stahl oder Aluminium schnell durch Späne und Werkstück abgeführt werden, sondern konzentriert sich weitgehend im Schneidbereich. Die Temperatur an der Werkzeugschneide kann auf etwa 1000 °C ansteigen, was zu Werkzeugverschleiß, Rissen und Aufbauschneiden führt und die Standzeit drastisch verkürzt.
Noch problematischer ist, dass die hohen Temperaturen die Oberflächenintegrität des Werkstücks beeinträchtigen, die geometrische Genauigkeit verringern und sogar Kaltverfestigung verursachen können, wodurch die Dauerfestigkeit des Bauteils beeinträchtigt wird.
2. Der Elastizitätsmodul von Titan ist niedrig, es kommt leicht zu Rückfederung
Der Elastizitätsmodul von Titanlegierungen ist relativ niedrig. Am Beispiel des häufigsten TC4 beträgt der Elastizitätsmodul etwa 110 GPa, während er bei 45-Stahl etwa 210 GPa und bei Edelstahl 304 ebenfalls etwa 200 GPa beträgt.
Was bedeutet ein niedriger Elastizitätsmodul? Während der Bearbeitung neigt das Werkstück zu elastischer Verformung. Besonders bei der Bearbeitung von dünnwandigen Teilen oder Ringteilen gibt das Werkstück unter der Schnittkraft nach; sobald das Werkzeug vorbei ist, federt das Werkstück zurück. Diese Rückfederung verstärkt die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, erzeugt zusätzliche Wärme und verschärft das Problem der Wärmeabfuhr weiter.
Dünnwandige Teile sind noch stärker betroffen. Sobald die lokale Verformung den elastischen Bereich überschreitet, wird sie zu plastischer Verformung, und die Festigkeit und Härte des Materials am Schneidpunkt nehmen deutlich zu – je mehr man schneidet, desto härter wird es.
3. Hohe chemische Aktivität, Späne wickeln sich um das Werkzeug und verkleben
Titanlegierungen haben eine hohe chemische Aktivität und neigen beim Drehen und Bohren zur Bildung langer, zusammenhängender Späne. Diese Späne wickeln sich um das Werkzeug, behindern den ordnungsgemäßen Spanabtransport und können bei großer Schnitttiefe leicht zu Verkleben, Verbrennen oder sogar Bruch des Werkzeugs führen.
Aus Sicht der Bearbeitung ist dies reiner Ärger. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet ist die „Affinität” von Titan in bestimmten Bereichen jedoch ein Vorteil – beispielsweise in Ionenpumpen, wo Titan als Kathodenplatte verwendet wird. Die Titanatome werden auf die Innenwand des Anodenrohrs gesputtert und können dort Gasmoleküle adsorbieren, wodurch ein Ultrahochvakuum entsteht.
Dieselbe Eigenschaft ist an der richtigen Stelle ein Vorteil und an der falschen Stelle ein Problem.
4. Starke Vibrationen, Späne in Sägezahnform
Die Elastizität von Titanlegierungen mag für die Bauteilleistung ein Vorteil sein, ist aber beim Zerspanen die Hauptquelle von Vibrationen. Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen sind die Vibrationen deutlich stärker als bei Stahlteilen. Die Schnittwärme konzentriert sich zudem im Schneidbereich, wodurch leicht Sägezahnspäne entstehen, die zu Schwankungen der Schnittleistung führen und Vibrationen sowie Werkzeugverschleiß weiter verstärken.
Wie begegnet man den Bearbeitungsproblemen von Titan? 7 praktische Ansätze
1. Kühlung muss ausreichend sein
Die direkteste Methode ist, die Wärme mit Kühlmittel abzuführen. Übliche Praxis: Bei niedriger Geschwindigkeit und hoher Last werden nicht wasserlösliche ölbasierte Kühlmittel verwendet, bei hoher Schnittgeschwindigkeit wasserlösliche Kühlmittel.
Wenn die Bedingungen es zulassen, kann auch die Kryobearbeitung in Betracht gezogen werden – mit flüssigem Stickstoff (ca. -180 °C) oder flüssigem CO₂ (ca. -76 °C) als Kühlmedium lässt sich die Temperatur im Schneidbereich wirksam senken, die Oberflächenqualität verbessern und die Werkzeugstandzeit verlängern. Diese Methoden werden bereits in der Luftfahrtteilefertigung praktisch eingesetzt.
2. Das richtige Werkzeug wählen und scharf halten
Die Wärme von Titanlegierungen wird hauptsächlich über die Schneidkante und das Kühlmittel abgeführt, nicht wie bei Stahl über die Späne. Das bedeutet, dass der winzige Bereich der Schneidkante extremen thermischen und mechanischen Belastungen standhalten muss.
Daher ist das Scharfhalten der Schneidkante der Schlüssel zur Reduzierung der Schnittkraft. Darüber hinaus helfen polierte Spanrillen und Wendeschneidplatten mit hohem positiven Spanwinkel, den Schnittdruck zu verringern. Bei Bedarf können beschichtete Werkzeuge verwendet werden, um Verkleben zu reduzieren und überlange Späne zu brechen, wodurch Reibung beim Spanabtransport und Schnittwärme verringert werden.
Es ist zu beachten, dass die Wahl beschichteter Werkzeuge von den konkreten Einsatzbedingungen abhängt – nicht alle Beschichtungen eignen sich für die Bearbeitung von Titanlegierungen.
3. Konstanten Vorschub halten, bei Bedarf Vorschubrate erhöhen
Titanlegierungen neigen während der Bearbeitung zur Kaltverfestigung – die Oberflächenhärte steigt beim Schneiden, und wenn beim nächsten Schnitt die verfestigte Schicht geschnitten wird, beschleunigt sich der Werkzeugverschleiß.
Daher ist ein konstanter Vorschub sehr wichtig, um zu vermeiden, dass das Werkzeug wiederholt über die verfestigte Schicht reibt. Wenn die Maschinenleistung es zulässt, kann die Vorschubrate angemessen erhöht werden, um die Verweilzeit des Werkzeugs im Bearbeitungsbereich zu verkürzen und so die Möglichkeiten für Wärmeakkumulation und Kaltverfestigung zu verringern.
4. Schnittgeschwindigkeit reduzieren
Die Schnittgeschwindigkeit von Titanlegierungen ist in der Regel deutlich niedriger als die von Stahl. Eine gängige Erfahrung in der Branche ist, etwa 1/3 oder sogar weniger der Schnittgeschwindigkeit von Stahl zu verwenden. Die konkreten Werte müssen jedoch je nach Legierungssorte, Werkzeugmaterial und Kühlbedingungen festgelegt werden und können nicht verallgemeinert werden.
5. Das passende Werkzeug je nach Stückzahl wählen
Für die Bearbeitung kleiner Serien sind Hochgeschwindigkeits-Hartmetallwerkzeuge eine pragmatische Wahl. Für die Bearbeitung großer Serien müssen Werkzeugstandzeit, Werkzeugwechselkosten und Bearbeitungseffizienz ganzheitlich betrachtet und ein geeigneteres Werkzeugsystem gewählt werden.
Die Ultraschallbearbeitung ist eine beachtenswerte Richtung: Durch die Verringerung der kontinuierlichen Kontaktzeit zwischen Werkzeug und Werkstück wird die Werkzeugstandzeit verlängert. Hierzu gibt es bereits zahlreiche Forschungs- und Anwendungsansätze.
6. Die Steifigkeit der Werkzeugmaschine muss ausreichend sein
Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen ist die Steifigkeit der Werkzeugmaschine von entscheidender Bedeutung. Eine ideale Titanfräsmaschine benötigt eine hochsteife Struktur, deren Spindel bei niedriger Drehzahl ein hohes Drehmoment liefert, um Vibrationen zu absorbieren und Rattern zu reduzieren. Bei unzureichend steifen Maschinen sind die Vibrationen bei der Titanbearbeitung sehr deutlich, und weder Werkzeugstandzeit noch Oberflächenqualität können gewährleistet werden.
7. Spanabtransport und Reinigung sorgfältig durchführen
Die Späne von Titanlegierungen sind lang und zäh, neigen dazu, sich um das Werkzeug zu wickeln und sich im Bearbeitungsbereich anzusammeln. Die regelmäßige Reinigung von Spänen an Maschine und Werkzeug, um Ablagerungen zu verhindern, die das Bearbeitungsergebnis beeinträchtigen, ist ein im Alltag leicht zu übersehender, aber sehr wichtiger Schritt.
Zusammenfassung
Die schwere Bearbeitbarkeit von Titanlegierungen lässt sich auf vier Worte zurückführen: Wärme, Elastizität, Klebrigkeit, Vibration.
- Schlechte Wärmeleitfähigkeit → Wärme konzentriert sich an der Werkzeugschneide
- Niedriger Elastizitätsmodul → Verformung und Rückfederung des Werkstücks
- Hohe chemische Aktivität → Späne wickeln sich um das Werkzeug und verkleben
- Starke Vibrationen → Sägezahnspäne verstärken den Verschleiß
Die entsprechenden Lösungsansätze sind ebenso klar: kühlen, Schneide scharf halten, stabiler Vorschub, Geschwindigkeit reduzieren, richtiges Werkzeug, steife Maschine, sorgfältiger Spanabtransport.
Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein Unternehmen, das sich auf die Forschung, Entwicklung und Lieferung von refraktären Metallen und Legierungen wie Wolfram, Molybdän, Tantal, Niob, Titan und Zirkonium spezialisiert hat und über umfangreiche Erfahrung im Bereich hochtemperatur-, verschleiß- und korrosionsbeständiger Materialien verfügt.
