Innovativ und prozesssicher durchstarten

Und die dafür benötigten Bauteile wollen bearbeitet und zerspant sein. Die Menge an CFK- und Titan-Spänen wird sprunghaft zunehmen. Zumal die Bauteile in der Flugzeugindustrie wegen der geringeren Spannung meist aus dem Block herausgearbeitet werden – die Spanrate beträgt dabei bis zu 90 Prozent oder höher. Dabei sind Produktivitätssteigerungen nur bis zu einem bestimmten Grad möglich, ohne Qualitätseinbußen in Kauf zu nehmen. Oft muss die Fertigung Kompromisse eingehen, zum Beispiel weniger Vorschub zugunsten von Prozesssicherheit und Qualität. Denn gerade bei den Flugzeugbauern steht Qualität an oberster Stelle. „Wir müssen eng mit den Herstellern zusammenarbeiten, um gemeinsam innovative und wirtschaftliche Bearbeitungsstrategien zu entwickeln, denn der Wettbewerbsdruck aus China und Russland wächst", sagt Holger Rabe, Geschäftsleiter von Safety Deutschland. Maschinen, Werkzeuge und Bearbeitungsstrategien müssen sich den veränderten Anforderungen in der Luftfahrtindustrie anpassen. „Was wir hier gemeinsam mit unseren Kunden an Strategien beispielsweise für die CFK- und Titan-Zerspanung erarbeiten, kommt auch anderen Branchen zugute", versichert Holger Rabe. So nehme etwa im Automobilsektor der Anteil an CFK-Bauteilen ebenfalls stetig zu.

Take-off von Titan

Safety, Werkzeughersteller mit französischen Wurzeln, beliefert schon viele Jahre Zulieferer und Hersteller der Luft- und Raumfahrtindustrie mit Hochleistungswerkzeugen. Die Bauteile sind heute mehr und mehr aus Composite-Werkstoffen gefertigt, die hervorragende Eigenschaften aufweisen in Bezug auf mechanische Belastbarkeit im Verhältnis zum Gewicht sowie Werkstoffdicht. Im Gegenzug dazu nimmt der Titananteil beachtlich zu. Besonders verschleißfeste Teile bestehen aus Titan, Inconel und anderen hochfesten und wärmebeständigen Legierungen. „Der Flugzeugbauer erwartet von den eingesetzten Werkzeugen lange Standzeiten und eine hohe Prozesssicherheit", so der Safety-Geschäftsleiter, „gefragt sind auf Standardwerkzeugen basierende Komplettlösungen mit ausgeklügelten Bearbeitungskonzepten." Die teuren, anspruchsvollen Materialien mit hohen Zerspanraten bei hohen Anforderungen an Qualität zu bearbeiten ist dabei eine der größten Herausforderungen für einen Werkzeuglieferanten und fordert nicht selten auch hohe Investitionen in neue Bearbeitungsmaschinen. Durch den Einsatz moderner 5-Achsen-Bearbeitungszentren lassen sich Eingriffs- und Taktzeiten erheblich verkürzen.

Strategien gemeinsam erarbeiten

Wegen der zahlreichen Strukturbauteile ist eine der häufigsten Anwendungen in der Flugzeugindustrie das Taschenfräsen. Je nach Bauteil sind unterschiedliche Bearbeitungsstrategien erforderlich. Holger Rabe kennt die Anforderung: „Wir analysieren gemeinsam mit unseren Kunden den jeweiligen Bearbeitungsfall, geben die Anforderungen in unser Engineering, beteiligen bei kompletten Neuentwicklungen unser R&D und testen unter Span im Ceroc. Und das alles unter einem Dach in Fondettes, Frankreich." Dort erarbeiten erfahrene Safety-Experten eine optimale Bearbeitungsstrategie für den Anwendungsfall unter ganzheitlicher Betrachtung von Maschine, Werkstück und Vorrichtung. Wichtig hierbei: Der Kunde spart sich Maschinenkapazitäten und kostenintensive Einfahrzeiten.

Für die hohe Innovationskraft sprechen die neuen speziell für den Flugzeugbau entwickelten Fräser Aerolong und Aero-finish, die bei der Rumpf- und Fahrwerks-Fertigung auf die Maschine kommen. Das Schruppen der tiefen Taschen am Fahrwerksrahmen übernehmen bewährte Hochleistungsfräser von Safety wie Penta High-Feed (Planfräser für hohe Vorschübe mit positiven Pentagon-Schneidplatten) oder Orbi-SAF, beim Schlichten zeigt der neue Aerofinish seine Stärke.

Mehr Zähne bringen mehr Vorschub

Auch wenn Safety-Werkzeuge aufgrund ihrer exakten Schneidengeometrien und neuer innovativer Hochleistungsschneidstoffe hervorragende Standzeiten erreichen, gelangt die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit und der Spandicke gerade bei Titanwerkstoffen und Inconel irgendwann an technische Grenzen. „Wer weitere Produktivitätssteigerungen erzielen will, der benötigt hochverzahnte Werkzeuge mit zusätzlichen Schneiden und noch verschleißfesteren Schneidstoffen", erklärt Holger Rabe. Um die Zähnezahl und damit die eingreifenden Schneiden zu erhöhen, haben die Werkzeugexperten das Schneidplattenklemmsystem SideLokTM entwickelt. Die starre Plattenklemmung verzichtet gänzlich auf ein Mittelloch mit Schraubenklemmung, ist somit stabiler und bietet bis zu doppelt so vielen Platten Platz im Werkzeugkörper. Doppelt so viele Zähne bringen deutlich mehr Vorschub (f), der sich aus dem Faktor des Vorschubs je Zahn (fz) und der Zähnezahl (z) ergibt – die Produktivität steigt ebenfalls um bis zu 50 Prozent.

Beispiel Taschenfräsen: Die Tasche eines Befestigungsteils aus Inconel 718 wird mit dem Universalschruppfräser Orbi-SAF vorgefräst, der sich dabei über kreisförmige Interpolation in den Werkstoff arbeitet. Aufgrund seiner positiven Schneidplatten (RT13 04 16) und einer speziell entwickelten PVD-TiAlN beschichteten Hartmetallsorte werden trotz des extrem harten Materials Standzeiten von 35 min erreicht – und das bei einer Schnitttiefe von 4 mm und 0,08 mm Vorschub. Bei einem Inconel bedeutet die erreichte Schnittgeschwindigkeit von 34 m/min schon beinahe Highspeed-Cutting. Anschließend übernimmt der Orbi-SAF auch das Vorschlichten der ausgefrästen Taschen.

Um eine solche Standzeit zu ermöglichen, wird ein Hochleistungsschneidstoff verwendet, der für die Zerspanung von Luftfahrtlegierungen entwickelt wurde: die Hartmetallsorte 2003. Dabei kommt ein Novum zum Tragen: MicroForm. Hinter dem Namen verbirgt sich ein spezielles Herstellungsverfahren der Pulveraufbereitung und Sinterung. Durch eine Direktpressung der Schneidplatten entsteht eine exzellente und homogene Feinstkornstruktur. Das Substrat ist mit rund 2.000 HV außergewöhnlich hart und eignet sich dadurch bestens für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe. Mittels der innovativen MicroForm-Technologie lässt sich eine extrem zähharte Schneidkante erzeugen, die frei von Einschlüssen ist und mit verminderter Korngrößenstreuung aufwartet. Die MicroForm-gepressten Platten sind außerordentlich widerstandsfähig gegen Thermorissbildung und weisen eine sehr hohe Warmhärte auf.

Für das Feinschlichten ist der neue Aerofinish hervorragend ausgelegt. Hierbei kommt ihm die enge Zahnteilung zugute. Das Klemmsystem SideLok ermöglicht die Aufnahme von bis zu doppelt so vielen Wendeschneidplatten am Werkzeug, ergo können mehr Schneiden gleichzeitig in das Werkstück eingreifen. Der Tischvorschub lässt sich prozesssicher um bis zu 50 Prozent erhöhen, so dass die Zerspanrate enorm ansteigt. Beim Schlichten der Inconel-Taschen erreicht der Aerofinish dank optimierter Plattengeometrie mit großem Radius und Schlichtfase eine ausgezeichnete Oberflächengüte von < 1,6 µm bei einem Vorschub von bis zu fz 0,25 mm. Schneidstoff für das Taschenfräsen ist die Hartmetallsorte 5020, eine PVD-TiAlN-TIN beschichtete Sorte mit hoher Zähigkeit und Hitzebeständigkeit.

Zur gezielten Abfuhr der Prozesswärme wird Emulsion verwendet, die bei SideLok direkt durch die Klemmschraube an die Schneide geführt wird. Über die innere Kühlmittelzufuhr ist jede einzelne Wendeschneidplatte mit dem Kühlsystem verbunden. Durch die optimale Schneidenkühlung verringert sich frühzeitige Kammrissbildung und abrasiver Verschleiß an den Wendeschneidplatten. Außerdem bildet sich wegen der optimalen Wärmeabfuhr weniger Kolkverschleiß.

Beispiel Umfangsfräsen, Auskammern und Konturfräsen

Hochleistung zeigt auch der neue Walzenstirnfräser Aerolong. Er wird in der Luftfahrtindustrie beim Umfangsfräsen hoher Schultern sowohl zum Schruppen als auch zum Vorschlichten eingesetzt sowie zum Auskammern und Konturfräsen. Bei der Fräsbearbeitung eines Triebwerkträgers aus der Titanlegierung TiAl6V4 konnte sich der Aerolong aufgrund seiner Zähnezahl erfolgreich gegen Vollhartmetallfräser behaupten. Eingesetzt wurde ein Aerolong mit 50 mm Durchmesser, der aufgrund des SideLok Klemmsystems mit fünf Wendeschneidplatten bestückt werden kann. Bei einer Schnittgeschwindigkeit vc von 50 m/min, einer Schnitttiefe ap von 33 mm und einer Eingriffsweite ae von 15 mm ergab sich beim Konturfräsen des Triebwerksträgers eine Standzeit von 41 min. Zum Einsatz kam die Sorte 5050. Hierbei wurde die Frässtrategie derart optimiert, dass im Vergleich zum vorher eingesetzten Vollhartmetallfräser die Bearbeitungszeit um über 20 Prozent verringert werden konnte. Voraussetzung für den Erfolg war auch die Tatsache, dass die Wendeschneidplatten während der kompletten Bearbeitung nicht ausgewechselt werden mussten.

Ähnlich dem universalen Orbi-SAF fräst sich der Aerolong auch in tiefe Wände und Taschen. Dank des SideLok-Klemmsystems und die dadurch erreichte hohe Zähnezahl ist er mit einem Vollhartmetallfräser vergleichbar. Ein großes Spanvolumen und hohe Standzeiten beim Schruppen selbst unter schwierigen Bedingungen machen den Aerolong zu einem äußerst wirtschaftlichen Werkzeug, zumal er mit vier Schneiden pro Platte aufwartet. Der Fräser kann mit präzisionsgesinterten Wendeschneidplatten für herkömmliche Fräsanwendungen bestückt werden oder für das Vorschlichten mit umfangsgeschliffenen Schneidplatten. Für eine lange Lebensdauer auch bei schwer zerspanbaren Materialien sorgt die stabile Ausführung des Werkzeugkörpers. Zudem sind die Schneidplatten mit einem Absatz versehen, damit im Fall eines Plattenbruchs der Fräskörper unbeschädigt bleibt.

Ganz neu hat Safety die Hartmetallfrässorte 5050 eingeführt. Der universelle Schneidstoff kann bei einer Vielzahl von Werkstoffen verwendet werden – von Stahl über rostfreie Stähle bis zu Titan. Auch in dem zuvor genannten Anwendungsbeispiel des Konturfräsens ist der Aerolong mit Wendeschneidplatten aus der zähen PVD-TiAlN-Beschichtung bestückt. Selbst unter schwierigsten Einsatzbedingungen wie Taschenfräsen mit großer Auskragung, ungenügender Werkstückspannung oder langem, unterbrochenem Schnitt sind Standzeiten planbar. „Durch das optimale Zusammenspiel von Schneidstoff und Werkzeug können wir dem Flugzeugbauer prozesssichere Lösungen für nahezu alle Zerspanungsaufgaben bieten", resümiert Holger Rabe. W