Prozessauslegung zum fünfachsigen zirkularen Schruppfräsen von Titanlegierungen

Spanende Bearbeitungsverfahren für metallische Werkstoffe gehören zu den Schlüsseltechnologien bei der Fertigung von Flugzeugen und Luftfahrttriebwerken. Die Fräsbearbeitung komplex geformter Komponenten aus Titanlegierungen ist häufig ein mehrstufiger Prozess. Als Schruppprozess wird der Arbeitsschritt bezeichnet, der den Grossteil des Materialvolumens in möglichst kurzer Zeit und mit möglichst geringem Werkzeugeinsatz abtragen soll. Durch den Schlichtprozess wird die Endkontur erzeugt. Sollte die Aufmasssituation nach dem Schruppen ein Erreichen der Endkontur verhindern, werden zusätzliche Prozessschritte eingefügt, die als Vorschlichten bezeichnet werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Bearbeitungsstrategie zur Schruppbearbeitung komplex geformter Geometrieelemente mit grossen Aspektverhältnissen – z. B. Kavitäten mit komplex geformten Seitenflächen. Insbesondere die aufgrund der hohen Aspektverhältnisse lang auskragenden Werkzeug verursachen bei der Bearbeitung von Titanlegierungen lange Prozesszeiten. Titanlegierungen weisen auch bei hohen Temperaturen noch vergleichsweise hohe Festigkeiten auf. Dies verhindert den Einsatz von Schruppstrategien mit grossen Spanungsquerschnitten, wie sie bei der High Performance Bearbeitung (HPC) zum Einsatz kommen. Die resultierende hohe mechanische Belastung des Werkzeug in Verbindung mit grossen Aspektverhältnissen würde zum Brechen des Werkzeugs führen. Andererseits verhindert die hohe thermische Stabilität von Titanlegierungen einer Erhöhung des Zeitspanvolumens durch Anheben der Bearbeitungsgeschwindigkeit, da dies die Temperaturen in der Kontaktzone und den resultierenden Werkzeugverschleiss weiter beschleunigen würde. Die thermische und die mechanische Belastung des Werkzeugs sind daher die Faktoren, welche eine Steigerung der Prozesseffizienz verhindern. Bei der zirkularen Fräsbearbeitung können die hierfür relevanten Kontaktbedingungen wesentlich gesenkt werden. Das Fräsewerkzeug wird anders als bei der konventionellen Schruppbearbeitung nicht linear durch das Werkstück geführt. Es wird hingegen durch zueinander versetzte Kreise eine Nutgeometrie erzeugt, die durch Variation der Kreisdurchmesser eine variable Breite annehmen kann. Zudem ist es möglich, durch ein Neigen der Werkzeugachse komplexe Nuthöhenprofile bereits während der Schruppbearbeitung anzunähern und die Vorschlichtbearbeitung zu eliminieren. Der aus der Kreisbewegung resultierende Spanungsquerschnitt sowie die Kontaktlänge zwischen Werkzeug und Werkstück werden dabei erheblich verringert, was zu einer reduzierten thermo-mechanischen Belastung des Werkzeugs führt. Zur Planung solcher zirkularen Fräsprozesse existieren bislang keine systematischen Ansätze, deren Entwicklung daher Ziel der vorliegenden Arbeit ist.