Untersuchung der Prozesskette zur Herstellung einer ß-Titan Hohlwelle - Drehbearbeitung -
Final Report Abstract
Die Zerspanung von nicht umgeformtem Rundmaterial sowie von durch Bohrungsdrücken hergestellten Hohlwellen aus β-Titanlegierungen erfordert Anpassungen des Zerspanprozesses. Die Zerspanbarkeit nicht umgeformter Halbzeuge durch Außenlängsdrehen hängt im Wesentlichen vom Schneidstoff, der Werkzeuggestalt, den Schnittdaten, dem Konzept zur Prozesskühlung und -schmierung und der Werkstoffmikrostruktur ab. Hartmetallbasierte Werkzeuge mit einer geringen Schneidkantenverrundung und für das Schlichten angepasster Spanleitstufengestalt ermöglichen eine prozesssichere Bearbeitung von lösungsgelühtem sowie zusätzlich ausgelagerten Halbzeugen. Wurden bisher zur Zerspanung von β-Titanwerkstoffen Schnittgeschwindigkeiten von vc = 12…49 m/min angewendet, konnte durch die gezielte Anpassung der Prozessführung eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten auf vc = 100 m/min mit Werkzeugstandzeiten von tc ≥ 25 min bei der Schlichtbearbeitung erreicht werden. Eine mit höheren Schnittgeschwindigkeiten verbundene verringerte mechanische Werkzeugbelastung durch Absinken der Prozesskräfte ist bei β-Titanlegierungen insbesondere im ausgelagerten Zustand nicht zu beobachten. Die thermische Belastung von Werkzeug und Werkstück steigt bei höheren Zeitspanvolumina rapide an und kann, wenn auf eine verstärkte Prozesskühlung verzichtet wird, zu Beeinflussungen des Bauteilgefüges führen. Eine kryogene Drehbearbeitung ermöglicht höhere Zeitpanvolumina und verhindert zerspanungsbedingte Bauteilschädigungen. Die Zerspanung von durch das Bohrungsdrücken hergestellten Hohlwellen hängt im Wesentlichen von der Qualität der erzeugten Werkstücke ab. Die Umformtemperatur bestimmt nicht nur den Verlauf des Dorns und damit die Wandstärkenverteilung der Hohlwelle und die Exzentrizität der eingebrachten Bohrung, sondern auch das resultierende Werkstoffgefüge. Im Bereich der Zerspanung werden bei den Prozesskräften insbesondere bei an Luft abgekühlten Hohlwellen veränderliche Prozesskräfte gemessen, was durch Gefügeveränderungen und Bildung eines gradierten Werkstücks begründet ist. Die Prozesskräfte korrelieren mit der Lage mikrostruktureller Veränderungen innerhalb der Hohlwelle. Ein dem Bohrungsdrücken nachgelagerter Rekristallisations- und Auslagerungsprozess homogenisiert das Werkstoffgefüge und steigert die Festigkeit, was gleichmäßigere und höhere Prozesskräfte während der Zerspanung bestätigen. Bei den Werkstückoberflächenrauigkeiten werden beim nicht umgeformtem Vollmaterial im lösungsgeglühten Zustand aufgrund der geringeren Härte, der fehlenden sekundären α-Phase und einer Zipfelbildung bei Unterschreiten der Mindestspanungsdicke an der Nebenschneide höhere Rauigkeitswerte gemessen. Im Kontrast dazu werden bei der Zerspanung umformtechnisch hergestellter Hohlwellen die im Mittel niedrigsten Oberflächengüten erreicht, was durch die größere Härte und ein feinkörnigeres Gefüge des Werkstücks begründet ist. Für die spanende Bearbeitung von Hohlwellen mit geringer Restwandstärke wurde ein angepasstes Spannsystem entwickelt. Die beim Innenspannen dünnwandiger Hohlwellen mit hydraulischen Spannfuttern auftretenden Deformationen des Werkstücks konnten verringert werden, wenn das eigens hergestelltes Spannsystem verwendet wird, das die Spannkraft manuell aufbringen lässt und diese auf der gesamten Mantelfäche des Innendurchmessers verteilt. Im Luftfahrtbereich werden weiterhin spanend hergestellte Komponenten aus Werkstoffen hoher Dichte verwendet. Für Hydraulikzylinder aus Gusseisen, die in hoher Anzahl zur Verstellung der Flügelklappen benutzt werden, könnten bohrungsgedrückte Hohlwellen als Halbzeug dienen und das Bauteilgewicht deutlich reduzieren. Die höheren Material- und Fertigungskosten zur Herstellung der Hydraulikzylinder werden durch die Betriebsdauer von Flugzeugen amortisiert. Ein anderer, denkbarer Anwendungsbereich sind Bauteile in Antriebssträngen, die oft beschleunigt oder abgebremst werden. In Hubschraubern oder im Automobilsektor kann das verringerte rotatorische und translatorische Massenträgheitsmoment den Wirkungsgrad und das Ansprechverhalten von Antrieben verbessern. In Zusammenarbeit mit der TU Chemnitz, Professur Werkstofftechnik (LWT), sollen daher in einem gemeinsamen Vorhaben die Vorgänge bei der β-Titan-Zerspanung untersucht werden.
Publications
- Die Alternative zu Ti-6Al-4V: Grundlagenuntersuchungen zur Bearbeitung von β-Titanlegierungen durch Außenlängsdrehen. WB - Werkstatt und Betrieb, 143 (2010) 4, S. 56-58
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- Spanende Bearbeitung von β-Titanlegierungen am Beispiel der Prozesskette zur Herstellung einer Hohlwelle. In: Begleitband zum Fachgespräch „Zerspanen im modernen Produktionsprozess“, 14.9.-15.9. 2010, Dortmund, ISBN 978-3-8027-8755-3, S. 85-95
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