Fräsen von Titan und warmfesten Legierungen (ISO S): Parameter, Kühlung und Sicherheit

In der Klassifizierung nach ISO 513 umfasst die Gruppe S Titanlegierungen sowie warmfeste Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis (HRSA). Die Schwierigkeit dieser Gruppe rührt nicht von der erforderlichen Werkzeugleistung her, sondern davon, wohin die Wärme geht. Nachfolgend werden anhand der Beispiele Ti-6Al-4V, Inconel 718 und Waspaloy die Frässparameter, die Kühlstrategie, die Verschleißformen und der Brandschutz behandelt. Zur allgemeinen Einordnung der Gruppe kann der Ratgeber zu den ISO-Werkstoffgruppen herangezogen werden.

1. Fünf Eigenschaften, die die Gruppe ISO S erschweren

Diesen Werkstoffen ist gemeinsam, dass sie so ausgelegt sind, dass sie ihre Festigkeit bei hoher Temperatur behalten. Der Zerspanvorgang ist aber genau ein Umformvorgang, der bei hoher Temperatur abläuft; folglich setzt der Werkstoff auch dem Werkzeug Widerstand entgegen, das ihn zu bearbeiten versucht.

Ein Zahlenvergleich macht die Tabelle greifbar. Die Wärmeleitfähigkeit von Ti-6Al-4V liegt bei etwa 7 W/(m·K), die von Inconel 718 bei etwa 11 W/(m·K); bei allgemeinem Baustahl liegt dieser Wert in der Größenordnung von 45–50 W/(m·K). Der Elastizitätsmodul von Titan beträgt etwa 114 GPa, der von Stahl etwa 210 GPa. Diese beiden Zahlen erklären nahezu alle Regeln des ISO-S-Fräsens.

Kritischer Punkt: Der niedrige Modul von Titan bedeutet, dass ein dünnwandiges Werkstück unter der Schnittkraft zurückweicht und nach dem Durchgang des Werkzeugs wieder an seine Position zurückkehrt. Dieses Zurückfedern führt dazu, dass die Freifläche an der Kante reibt und sich die Erwärmung an der Freifläche konzentriert. Die Steifigkeit darf nicht so selbstverständlich vorausgesetzt werden wie bei Stahl.

2. Warum die Schnittgeschwindigkeit niedrig gehalten wird

Die in der Schnittzone erzeugte Wärme wird über drei Wege abgeführt: Span, Werkstück und Werkzeug. Bei Stahl geht der größte Teil der Wärme mit dem Span ab. Bei Titan und Superlegierungen ist die Aufnahmekapazität des Spans gering, sodass sich der Anteil zum Werkzeug verlagert. Die Schnittgeschwindigkeit ist zugleich die stärkste Einflussgröße der Wärmeentstehung; mit steigender Geschwindigkeit nimmt die Kantentemperatur überproportional zu, und die Schwelle des Diffusionsverschleißes wird überschritten.

Deshalb wird die Geschwindigkeit in der Gruppe ISO S deutlich unter den Werten für Stahl gehalten. Veröffentlichte Herstellerdaten und Zerspanbarkeitsuntersuchungen weisen auf die folgenden Größenordnungen hin. Die Werte haben den Charakter eines Ausgangspunkts; der endgültige Parameter ergibt sich aus dem Werkzeugkatalog und der Steifigkeit der Werkzeugmaschine.

Zwischen den Quellen bestehen Unterschiede: Manche Herstellerveröffentlichungen legen beim Schruppen von Titan etwa 60 m/min zugrunde und geben an, dass unter Schlichtbedingungen ein Mehrfaches davon erreichbar ist. Bei nickelbasierten Legierungen ist dagegen allein der Unterschied zwischen unbeschichtetem und beschichtetem Hartmetall ausschlaggebend. Die Umrechnung von Drehzahl und Vorschub erfolgt über die Beziehungen n = vc × 1.000 / (π × D) und vf = fz × Z × n.

Eine Verringerung des Zahnvorschubs erscheint auf den ersten Blick als sichere Maßnahme, bewirkt aber das Gegenteil. Sinkt die Spanungsdicke unter eine bestimmte Schwelle, schneidet die Kante nicht mehr, sondern reibt; die erzeugte Wärme steigt und die kaltverfestigte Schicht wird dicker. Bei ISO S ist der Vorschub, anders als die Geschwindigkeit, der großzügig gehaltene Parameter.

3. Hochdruckkühlung (HPC)

In dieser Gruppe besteht die Aufgabe des Kühlschmierstoffs nicht allein darin, die Temperatur zu senken. Der Hochdruckstrahl dringt wie ein hydraulischer Keil zwischen den Span und die Spanfläche des Werkzeugs; er verkürzt die Kontaktlänge, bewirkt das Einrollen und Brechen des Spans und beschleunigt die Abfuhr aus der Schnittzone. Bei Titan ist das Anhaften des Spans an der Schneidkante und dessen erneutes Schneiden das häufigste standzeitverkürzende Ereignis, und genau dieser Mechanismus verhindert es.

In der Praxis gelten 70 bar (etwa 1.000 psi) als praktische Untergrenze. Unterhalb dieses Wertes hat der Strahl Mühe, die Dampfbarriere in der Schnittzone zu durchdringen. Eine Erhöhung des Drucks bringt jedoch keinen unbegrenzten Gewinn. In Untersuchungen, in denen Inconel 718 mit Keramikwerkzeugen bearbeitet und der Zuführdruck bis in den Bereich mehrerer zehn MPa variiert wurde, wurde berichtet, dass der Druck bis zu einem bestimmten Niveau die Kerbbildung unterdrückt und die Standzeit erhöht, oberhalb dieses Niveaus jedoch die Strahlaufprall-Erosion den Gewinn wieder aufhebt.

Damit die Hochdruckkühlung wirksam sein kann, muss der Strahl auf die Schnittstelle gerichtet sein. Maschinenseitig ist die Auslegung von Schläuchen, Dichtungen und Ventilen auf den Betriebsdruck zwingend; andernfalls kommt der Systemdruck an der Schneidkante nicht an.

4. Trochoidale Strategie und Eingriffskontrolle

Die Verkleinerung des radialen Eingriffs ist in der Gruppe ISO S sowohl eine thermische als auch eine mechanische Lösung. Beim trochoidalen und hocheffizienten Fräsen (HEM) wird der radiale Eingriff im Bereich von 5–20 % des Durchmessers gehalten; im Gegenzug lässt sich die axiale Zustellung auf 1–2 Durchmesser anheben. Das Ergebnis wirkt in drei Richtungen:

• Die Zeit, die jede Schneide im Schnitt verbleibt, verkürzt sich; außerhalb des Schnitts entsteht die Gelegenheit zum Abkühlen.
• Der Verschleiß verteilt sich über die gesamte Schneidenlänge; die Kerbbildung an einer einzelnen Stelle verzögert sich.
• Die Radialkraft sinkt, bei dünnwandigen und langen Werkstücken verringert sich die Abdrängung.

Wird der Eingriff kleiner, sinkt die mittlere Spanungsdicke unter den programmierten Wert. In diesem Fall muss der Zahnvorschub mit dem Faktor der radialen Spanungsdickenreduzierung korrigiert werden; andernfalls gerät die Schneidkante in den Reibbereich. Das Rechenverfahren wird im Ratgeber zur Spanungsdickenreduzierung behandelt, die Einzelheiten der Strategie im Ratgeber zum trochoidalen Fräsen.

Vollnutfräsen und Schnitte mit vollem Eingriff werden bei ISO S so weit wie möglich vermieden. In unumgänglichen Fällen wird die helikale Interpolation oder der rampende Einstieg bevorzugt; senkrechtes Eintauchen ist zu vermeiden.

5. Kerbverschleiß und Kaltverfestigung

Bei nickelbasierten Superlegierungen ist die vorherrschende Schadensform nicht der gleichmäßige Freiflächenverschleiß, sondern der auf der Linie der Schnitttiefe entstehende Kerbverschleiß (notch wear). Die Linie, an der die Schneidkante das Werkstück verlässt, ist der Ort, an dem drei Einflüsse zusammentreffen: die aus dem vorherigen Schnitt verbliebene verfestigte Schicht, die oxidierte Oberflächenrandzone und der Kontakt außerhalb des Schnitts an der freien Kante. Mit fortschreitender Kerbe bricht die Kante an einer Stelle aus, und das Werkzeug fällt schlagartig aus.

Die Maßnahmen, die diese Schadensform verzögern, sind begrenzt, aber wirksam:

• Ein Verändern der axialen Zustellung zwischen den Schnitten verhindert, dass sich die Kerbe auf derselben Linie anhäuft.
• Eine Verkleinerung des Einstellwinkels (Eckenradius- oder Rundgeometrie) verteilt die Last auf eine längere Schneidenlinie.
• Ein direktes Richten der Hochdruckkühlung auf die Linie der Schnitttiefe unterdrückt die Kerbbildung.
• Eine leicht präparierte (gehonte) Kante ist stabiler als eine scharfe, aber schwache Kante.

Die Kaltverfestigung wiederum bildet einen eigenen Teufelskreis. Während des Schnitts entsteht unter der Oberfläche eine harte Schicht; verläuft der nächste Schnitt innerhalb dieser Schicht, steigt der Verschleiß, und der zunehmende Verschleiß erzeugt eine dickere verfestigte Schicht. Der Kreis wird durchbrochen, indem die Spanungsdicke so groß gehalten wird, dass sie unter die verfestigte Schicht reicht, und indem ein Werkzeug, das die Verschleißgrenze erreicht hat, nicht weiterverwendet wird. Die Einzelheiten der Verschleißformen sind im Ratgeber zu den Werkzeugverschleißmechanismen dargestellt. Beim Fräsen sind die Definition der Verschleißformen und das Messverfahren durch ISO 8688-2 standardisiert.

6. Schneidstoff, Beschichtung und Geometrie

In der Gruppe ISO S ist der Grundwerkstoff ein feinkörniges Hartmetall mit mittlerem Kobaltgehalt. Eine Verkleinerung der Korngröße erhöht die Kantenschärfe und die Warmhärte; der Kobaltgehalt bestimmt dagegen die Zähigkeit. Der Vergleich der Schneidstoffklassen wird im Ratgeber zu den Schneidstoffen behandelt.

Auf der Seite der Beschichtung sind PVD-Schichten auf AlTiN/TiAlN-Basis mit hohem Aluminiumanteil verbreitet. Der Vorzug dieser Beschichtungen besteht darin, dass sie bei Schnitttemperatur an der Oberfläche eine dünne Aluminiumoxidschicht ausbilden und damit eine Wärmebarriere aufbauen. Bei Titan sieht das Bild etwas anders aus: Da die chemische Affinität von Titan zu den Beschichtungsbestandteilen hoch ist, treten in manchen Anwendungen Lösungen mit scharfer Schneidkante und geringer Reibung in den Vordergrund; auch unbeschichtetes feinkörniges Hartmetall ist einsetzbar.

Auf der Seite der Geometrie sind die folgenden Festlegungen bestimmend:

Der Anteil der Eckenradiusgeometrie ist bei ISO S hoch; die zugehörigen Produkte finden sich in der Kategorie Eckenradiusfräser.

7. Entzündungsgefahr, Span- und Staubmanagement

Der konkreteste Punkt, an dem sich die Titanbearbeitung von der Stahlbearbeitung unterscheidet, ist die Brandgefahr. Die Entzündung eines massiven Bauteils erfordert sehr hohe Temperaturen; die eigentliche Gefahr geht von feinen Spänen, Schleifstaub und der trockenen Fraktion aus, die sich im Maschinenraum ansammelt. Es wird berichtet, dass feiner Titanstaub in feuchter Umgebung bereits in der Größenordnung von 250 °C zünden kann. Nach NFPA 484 wird Titanstaub mit einer Korngröße von 420 µm und darunter als brennbarer Staub eingestuft und kann in der Luft schwebend eine explosionsfähige Atmosphäre bilden.

In der Praxis beachtete Maßnahmen:

• Reichliche und ununterbrochene Kühlung. Das Trockenfräsen von Titan wird bei Operationen, die feine Späne erzeugen, nicht empfohlen. Eine Unterbrechung der Kühlung ist die häufigste Ursache eines Brandbeginns.
• Reinigung von Ablagerungen. Innerhalb der Maschinenverkleidung wird eine Anhäufung von Spänen nicht zugelassen; der Kontakt mit heißen Flächen und Funkenquellen wird unterbunden.
• Getrennte Sammlung. Titanspäne werden nicht mit anderen Metallen vermischt, sondern in geschlossenen Metallbehältern und fern von Wärmequellen gelagert. Dass sich ölbehaftete Späne selbst erhitzen können, wird dabei berücksichtigt.
• Richtiges Löschmittel. Metallbrände fallen in der Klassifizierung nach TS EN 2 (türkische Übernahme der EN 2) unter die Brandklasse D. Wasser, CO₂ und ABC-Trockenlöschpulver werden nicht verwendet; Wasser reagiert bei hoher Temperatur mit Titan und setzt Wasserstoff frei. Verwendet werden trockener Sand sowie Löschmittel der Klasse D auf Natriumchlorid- oder Graphitbasis.
• Geeignete Staubabsaugung. Für trockenen Schleifstaub ist ein herkömmlicher Schlauchfilter nicht geeignet; NFPA 484 sieht einen Nassabscheider vor.

Im Betrieb sind diese Maßnahmen an die Gefährdungsbeurteilung nach dem İSG Kanunu 6331 (türkisches Arbeitsschutzgesetz) und an die Anforderungen der Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik (türkische Verordnung über den Brandschutz in Gebäuden) gebunden. An der Werkzeugmaschine muss ein Feuerlöscher der Klasse D vorhanden sein, und der Bediener muss das richtige Löschmittel kennen.

Quellen

• ISO 513:2012 — Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the main groups and groups of application
• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling
• NFPA 484:2022 — Standard for Combustible Metals, National Fire Protection Association (nfpa.org)
• ASM International / MatWeb — Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5) Material Data Sheet (asm.matweb.com)
• Sandvik Coromant — 8 tips on machining titanium and its alloys (sandvik.coromant.com)
• E. O. Ezugwu, J. Bonney, D. A. Fadare, W. F. Sales — Machining of nickel-base, Inconel 718, alloy with ceramic tools under finishing conditions with various coolant supply pressures, Journal of Materials Processing Technology, 2005 (sciencedirect.com)
• Harvey Performance Company — High Efficiency Milling (technische Publikation In The Loupe) (harveyperformance.com)
• Kevin Kreitman — Hazards of Combustible Metals — Titanium, Konferenzbeitrag der International Titanium Association (titanium.org)