Viele Branchen wie Luftfahrt, Automobilbau oder Medizintechnik wissen die Materialeigenschaften von Titan zu schätzen. Die Zerspanung des Werkstoffes gilt allerdings als herausfordernd. Ursache ist dessen extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit. Zum Vergleich: Bei der Stahlbearbeitung verbleiben zehn Prozent der Temperatur im Werkstück, 15 Prozent führen zu einer Belastung am Schneidwerkzeug und der weitaus größte Teil mit 75 Prozent der Wärme wird in die Späne geleitet und mit diesen abtransportiert. Bei Titan sieht es anders aus. Hier nehmen die Späne lediglich 25 Prozent der Wärme auf. Der ‚Löwenanteil‘ von 60 Prozent geht ins Werkzeug und verursacht eine hohe thermische Belastung der Schneide bzw. des Schneidstoffes. Das führt zu erheblich kürzeren Standzeiten. Die Schneidstoffkosten rücken damit in den Vordergrund.
Schnittgeschwindigkeit beeinflusst den Verschleiß
Zu niedrige Schnittgeschwindigkeiten führen zu Adhäsion, also einem Aufkleben des Materials. Bei zu hohen Schnittgeschwindigkeiten steigt das Risiko von Abrasion bzw. tribochemischem Verschleiß steil an – der Schneidstoff verbrennt. Ein Indikator für den Zustand der Schneide ist die Verschleißmarkenbreite. In einem stationären Bereich wächst sie langsam und kontinuierlich an. Wird dieser Bereich überschritten und die Bearbeitung gelangt in den instationären Bereich, kommt es zu einem schnellen und unkalkulierbaren Versagen der Werkzeugschneide. Das passiert, wenn die Schnittgeschwindigkeit oder der Vorschub zu hoch gewählt wurden. Bis zu 100 Prozent Standzeitunterschied liegen zwischen stationärem und instationärem Bereich.
Für den Außendienst von Mapal hat es obere Priorität, Prozesse mit einzufahren, die Verschleißmarkenbreite zu kontrollieren und dem Kunden aufzuzeigen, wann das Ende des stationären Bereiches erreicht ist – für ein prozesssicheres Optimum der Maschinenlaufzeiten. In aller Regel empfehlen Experten, bei einem Verschleiß von etwa 0,2mm das Werkzeug zu wechseln. Ein Hartmetallfräser lässt sich dann noch nachschleifen, bei höherem Verschleiß nicht mehr.
Schneller bedeutet nicht gleich weniger Kosten
Bei der Stahl- oder Gussbearbeitung stehen höhere Schnittgeschwindigkeiten vielfach für höhere Produktivität und niedrigere Gesamtkosten (Maschinen- plus Schneidstoffkosten). Die Maschinenkosten werden immer geringer, je schneller und effizienter die Maschine bearbeitet. Dabei steigen zwar die Schneidstoffkosten an; ein Optimum der Gesamtkosten stellt sich dennoch bei einer relativ hohen Schnittgeschwindigkeit ein. Bei Titan hingegen sind höhere Schnittgeschwindigkeiten wenig zielführend. Tobias Gräupel, Technical Expert Indexable Tools bei Mapal, belegt dies mit einer Wirtschaftlichkeitsberechnung, die die Schnittwerte von Titanbearbeitungen unter Kostengesichtspunkten optimiert. Betrachtet wird eine Fräsbearbeitung mit einem vierschneidigen NeoMill-Titan-2-Corner, der mit einer Schnitttiefe von 4mm und einer Eingriffsbreite von 24mm in TiAl6V4 zerspant. Die Untersuchung verschiedener Kombinationen von Vorschüben und Schnittgeschwindigkeiten führt zu einer eindeutigen Empfehlung, was die Arbeitswerte für Titanbearbeitungen angeht.
Ein Vergleich: Beim Zerspanen eines Bauteils aus Stahl brachte die Verdoppelung der Schnittgeschwindigkeit von 200 auf 400m/min eine Gesamtkosteneinsparung pro Bauteil um 24 Prozent. In der Fertigung eines Werkstücks aus Titan bedingt die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit von 32 auf 50m/min eine Kostensteigerung um 259 Prozent. „Die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit macht sich in den Gesamtkosten deutlich bemerkbar. Die Kosten explodieren regelrecht“, kommentiert Gräupel das Ergebnis. Das Kostenoptimum erreicht eine Bearbeitung mit hohen Vorschüben und niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. Würde der Werker hingegen zu den hohen Vorschüben auch die Schnittgeschwindigkeiten maximieren, ergäben sich mehr als vier Mal so hohe Kosten.
Gesamtkosten im Blick behalten
„Speziell bei größeren Losgrößen sind solche Wirtschaftlichkeitsberechnungen unerlässlich“, unterstreicht Gräupel. Schließlich sind bei der Fertigung hoher Stückzahlen die Gesamtkosten maßgeblich für Investitionsentscheidungen. Unwirtschaftliche Schnittparameter lassen bei Titan die Gesamtkosten enorm ansteigen – erst die Kombination von innovativer Werkzeugtechnologie und bestmöglicher Prozessauslegung führt zu einem perfekten Ergebnis. Mit diesem Knowhow unterstützen die technischen Berater von Mapal die Fertigungsverantwortlichen, um unabhängig von Bearbeitung und Produktionslosgröße das Optimum zu erzielen