ISCAR zerspant Triebwerksbauteile mit Hochdruck

Gerhard Bonfert, Aerospace-Spezialist bei der Iscar Germany GmbH, berichtet über die Vorteile der Zerspanung mit Kühlmittel-Hochdruck.

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 Triebwerksscheibe
 
Stechwerkzeug für Kühlmittel-Hochdruck

Externe Kühlung

Interne Kühlung mit Hochdruck

Tangentiales Werkzeugsystem HeliTurn

für die Bearbeitung mit Kühlmittel-Hochdruck.

Die Fertigung von Triebwerksbauteilen gehört zu den anspruchsvollsten Bearbeitungen in der Luft- und Raumfahrt. Dieses ist einerseits auf die sehr hohen Sicherheitsanforderungen an die Bauteile zurückzuführen, andererseits gehören die dort verwendeten Materialien zu den am schwierigsten zu bearbeitenden Werkstückstoffen. Im Zuge der nach wie vor steigenden Fluggastbeförderungen werden mehr Flugzeuge und somit auch mehr Triebwerke benötigt. Hinzu kommt noch, daß die Effizienz der Triebwerke von Generation zu Generation deutlich zunimmt. Die Steigerung der Effizienz wird durch neues Design und durch neue, schwieriger zu bearbeitende, Werkstückstoffe erreicht. Diese, in Kombination mit steigenden Stückzahlen, stellen die Triebwerkshersteller und deren Zulieferer vor eine neue Aufgabe: eine deutliche Steigerung der Produktivität und somit Produktionskapazität.

ISCAR, als weltweit zweitgrößter Werkzeughersteller und Technologieführer im Bereich der Triebwerksherstellung, hat vor einigen Jahren ein System in den Markt eingeführt um die Bauteile deutlich effizienter zu bearbeiten.

Es wurden Werkzeuge für die Bearbeitung mit Kühlmittel-Hochdruck entwickelt. Hierbei wird der Kühlschmierstoff mit bis zu 600 bar Druck direkt in die Schnittzone geleitet.

Der Einsatz dieser Werkzeuge bringt gleich zwei entscheidende Vorteile mit sich: Spanbruch und höhere Bearbeitungsparameter.

Die im Triebwerksbau eingesetzten Werkstückstoffe (hauptsächlich Titan- und Nickelbasislegierungen) sind alle sehr langspanend. Ein Spanbruch findet so gut wie gar nicht statt. Durch den Druck, den der Kühlschmierstoff auf den Span ausübt, wird dieser direkt an der Schneide noch in kleine Stücke gebrochen. So lassen sich die Späne aus dem Zerspanungsprozess leicht entfernen. Eine Beschädigung der Schneide durch lange unkontrollierbare Späne kann vermieden werden. So können Bauteile ohne kostspielige Unterbrechungen prozesssicher gefertigt werden. Der Spanbruch ist dabei abhängig sowohl von der Bearbeitung (Einstechen mit verschiedenen Breiten, Längs- oder Plandrehen) als auch von dem Kühlmitteldruck und –volumen. Hier können schon mit 80 bar Kühlmitteldruck hervorragende Ergebnisse erzielt werden. So ergibt sich ein weiteres entscheidendes Einsatzgebiet. Auf Grund der unkontrollierbaren Späne eignen sich die sehr verschleißfesten cBN Schneidstoffe (die i.d.R. keine Spanformer aufweisen) lediglich für die Schlichtbearbeitung. Durch den Einsatz von Werkzeugen mit Hochdruck-Kühlung können die Späne gebrochen und somit cBN Schneidstoffe auch für die Schruppbearbeitung eingesetzt werden. Das bedeutet bis zu dreifache höhere Schnittparameter beim Einstechen.

Der zweite entscheidende Vorteil beim Einsatz von Werkzeugen mit Kühlmittelhochdruck sind die deutlich höheren Bearbeitungsparameter. Der Kühlschmierstoff wird mit hohem Druck in einem sehr flachen Winkel zwischen Span und Schneide gedrückt. Dadurch „schwimmt“ der Span teilweise auf dem Kühlschmierstoff („High-Speed Aquaplaning“). Die hohen Temperaturen die beim Bearbeiten der Titan- und Nickelbasislegierungen entstehen, werden durch den gezielten Einsatz des Kühlschmierstoffes nahe der Schnittzone absorbiert.

Der Kühlschmierstoff führt nicht nur die Temperatur aus der Schnittzone deutlich besser ab, sondern wirkt wie ein flüssiger Schutzfilm zwischen Span und Schneide. Dadurch wird ein frühzeitiger Kolkverschleiß auf der Spanfläche vermieden und die Bearbeitungsparameter können, je nach Bearbeitung und Kühlmitteldruck, sogar verdreifacht werden.

Um die dadurch steigenden Schnittkräfte abfangen zu können, setzt ISCAR verstärkt auf den Einsatz von tangentialen Schneideinsätzen. So vereint z.B. das  HeliTurn System eine positive Schneidengeometrie mit einer stabilen tangentialen Klemmung und einer optimalen Kühlmittelzufuhr nahe der Schnittzone.

Der Einsatz dieser neuen Technologie kann schrittweise erfolgen. Im ersten Schritt können die Prozesse (und die dafür erforderlichen Werkzeuge) für Maschinen mit 70-80 bar Druck ausgelegt werden. Maschinen mit diesem Kühlmitteldruck sind bereits vielfach auf dem Markt verfügbar und teilweise auch schon in der Triebwerksfertigung integriert. Der größte Vorteil der durch die Umstellung des Prozesses auf Werkzeuge für interne Hochdruckkühlung entsteht, ist die Spankontrolle und die daraus resultierende Prozesssicherheit. Eine leichte Erhöhung der Bearbeitungsparameter ist ebenfalls möglich. Die dafür erforderlichen Werkzeuge verfügen über spezielle Kühlmittelkanäle die eine Verwirbelung des Kühlschmierstoffes vermeiden.

Durch den Einsatz von Werkzeugen für Ultra-Hochdruck (i.d.R. sind 300 bar ausreichend) kann der Prozess der Spanbildung beliebig kontrolliert werden. Hierbei können auch die Bearbeitungsparameter auf bis zu dreifache Werte angehoben werden. Die hierbei eingesetzten Maschinen werden speziell für diesen Einsatz ausgelegt und beinhalten zwei verschiedenen Kühlmittelkreisläufe (normale und Ultra-Hochdruck-Kühlung). Die Kühlmittelübergabe an das Werkzeug erfolgt über spezielle Schnittstellen, die für den hohen Druck ausgelegt werden. Die Werkzeuge verfügen über zwei getrennte Kühlmittelwege, um die Hochdruck-Kühlung direkt in die Schnittzone zu bringen. Über eine Spülung mit normalem Druck wird eine zu starke Vernebelung des Arbeitsraumes verhindert.

Als Technologieführer im Bereich Triebwerksbau hat sich ISCAR zum Ziel gesetzt diese Technologie breit zu streuen. So werden alle Prozesse für Turbinenscheiben und -gehäuse für die Bearbeitung mit Kühlmittel-Hochdruck ausgelegt.

 




 
 Externe Kühlung mit 20 bar  Interne Kühlung mit 80 bar Interne Kühlung mit 300 bar

 

 

 

 


 

 

 

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