Die Bearbeitung hitzebeständiger Werkstoffe
Die Herausforderung: Effiziente Bearbeitung von Triebwerkskomponenten für die Luftfahrt
Die Lösung: Entwicklung einer ausgewogenen Gesamtlösung, die die Maschine, die Werkzeuge, die Geometrien, die Werkzeugmaterialien und die Bearbeitungsstrategie umfasst.
Warmfeste Superlegierungen (HRSA) sind die vorherrschenden Werkstoffe in Verdichter- und Turbinenkomponenten von Düsentriebwerken. Für diese Anwendungen werden in erster Linie Werkstoffe auf Nickelbasis wie Inconel, Waspaloy und Udimet verwendet.
Die Eigenschaften von HRSA-Werkstoffen variieren erheblich, je nach Zusammensetzung und Herstellungsverfahren. Insbesondere die Wärmebehandlung ist von großer Bedeutung. Ein ausscheidungsgehärtetes und damit „gealtertes“ Bauteil kann die doppelte Härte eines weichgeglühten oder unbehandelten Werkstücks aufweisen.
Immer strengere Emissionsvorschriften erfordern höhere Betriebstemperaturen bei neuen Triebwerkstypen und neue Werkstoffe für die heißesten Bauteile. Die Gesamtmenge an HRSA-Werkstoffen in einem Triebwerk nimmt im Vergleich zu anderen Materialien zu.
Die Vorteile von HRSA sind jedoch mit Herausforderungen bei der Bearbeitung verbunden: Die hohe Temperaturfestigkeit führt zu hohen Schnittkräften. Die geringe Wärmeleitfähigkeit und hervorragende Härtbarkeit führen zu hohen Schnitttemperaturen. Die Tendenz zur Kaltverfestigung führt zu Kerbverschleiß.
HRSA-Wellenbauteil.
Die Komponenten wie beispielsweise Turbinenscheiben, Gehäuse, Blisks und Wellen sind anspruchsvolle Werkstücke. Viele sind dünnwandig und alle besitzen komplexe Formen. Die sicherheitskritischen Triebwerkskomponenten müssen strenge Kriterien in Bezug auf Qualität und Maßhaltigkeit erfüllen.
Die Voraussetzungen für den Erfolg sind eine leistungsstarke Maschine, stabile Werkzeuge, Hochleistungswendeschneidplatten und eine optimale Programmierung. Die vorherrschenden Verfahren sind unterschiedlich. In der Regel werden Scheiben-, Ring- und Wellenteile gedreht, während Gehäuse und Blisks häufig gefräst werden.
Die Bearbeitung von HRSA-Werkstoffen lässt sich generell in drei Stufen einteilen. Bei der Vorbearbeitung (FSM) erhält ein gegossener oder geschmiedeter Rohling seine Grundform. Das Werkstück befindet sich in der Regel in einem weichen Zustand (typische Härte um 25 HRC), weist aber oft eine raue, ungleichmäßige Guss- oder Schmiedehaut auf. Oberste Priorität haben eine hohe Produktivität und eine effiziente Abtragsleistung.
Zwischen der der Vor- und Zwischenbearbeitung (ISM) wird das Werkstück auf den wesentlich härteren, gealterten Zustand wärmebehandelt (typischerweise etwa 36 - 46 HRC). Das Bauteil erhält nun seine endgültige Form, bis auf das Aufmaß. Dies wird für die nachfolgende Schlichtbearbeitung benötigt. Der Schwerpunkt liegt wieder auf der Produktivität, aber auch die Prozesssicherheit ist wichtig.
Vorbearbeitung, Zwischenbearbeitung und Endbearbeitung der HRSA-Turbinenscheibe.
Die endgültige Form und Oberflächengüte wird in der Endbearbeitung (LSM) erzeugt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Oberflächenqualität, genau eingehaltenen Maßtoleranzen und der Vermeidung von Verformungen und übermäßigen Eigenspannungen. Bei kritischen rotierenden Bauteilen sind die Dauerfestigkeitseigenschaften das wichtigste Kriterium und lassen keinen Raum für Oberflächendefekte, die Rissbildung auslösen könnten. Die Zuverlässigkeit der kritischen Teile wird durch die Anwendung eines bewährten, zertifizierten Bearbeitungsprozesses gewährleistet.
Zu den allgemeinen Anforderungen an Wendeschneidplatten gehören eine gute Schneidkantenzähigkeit und eine hohe Haftung zwischen dem Substrat und der Beschichtung. Hier sind negative Grundformen für hohe Festigkeit und Produktivität zu verwenden, aber die Geometrie sollte positiv sein.
Bei der Bearbeitung von HRSA-Werkstoffen ist stets Kühlschmierstoff einzusetzen. Dies gilt nicht für das Fräsen mit Keramik-Wendeschneidplatten. Keramik-Wendeschneidplatten benötigen ein großes Kühlschmierstoffvolumen, während bei Hartmetall die Genauigkeit des Strahls entscheidend ist. Bei der Verwendung von Hartmetall-Wendeschneidplatten bringt ein hoher Kühlmitteldruck weitere Vorteile mit sich, darunter eine längere Standzeit und eine effiziente Spankontrolle.
Die Bearbeitungsparameter variieren je nach den Bedingungen und dem Material. Bei der Vorbearbeitung wird eine hohe Produktivität insbesondere durch hohe Vorschubgeschwindigkeiten und große Schnitttiefen angestrebt. Bei der Zwischenbearbeitung werden häufig Keramik-Wendeschneidplatten für höhere Geschwindigkeiten verwendet. Bei der Endbearbeitung steht die Qualität im Vordergrund, und die Schnitttiefe ist gering. Da eine hohe Schnittgeschwindigkeit die Oberflächenqualität beeinträchtigen kann, werden zum Schlichten Hartmetall-Wendeschneidplatten eingesetzt.
Turbinenscheiben sind kritische Komponenten aus fortschrittlichen Werkstoffen, die eine hochsichere Bearbeitung mit optimierten Schneidwerkzeugen und Lösungen erfordern.
Plastische Verformung und Kerbwirkung sind die typischen Verschleißerscheinungen bei Hartmetall-Wendeschneidplatten, während bei Keramik-Wendeschneidplatten der Verschleiß der oberen Schicht häufig auftritt. Die Anfälligkeit für plastische Verformung wird durch Erhöhung der Verschleißfestigkeit und der Warmhärte verringert. Eine positive Geometrie und eine scharfe Schneidkante sind ebenfalls wichtig, um die Wärmeentwicklung und die Schnittkräfte zu reduzieren. Abhilfemaßnahmen gegen Kerbverschleiß an der Hauptschneide sind ein kleiner Eintrittswinkel, beispielsweise durch Verwendung einer quadratischen oder runden Wendeschneidplatte, oder eine Schnitttiefe, die geringer ist als der Schneidenradius.
PVD-beschichtete Wendeschneidplatten sind widerstandsfähiger gegenüber Kerbverschleiß an der Hauptschneide, während eine CVD-beschichtete Wendeschneidplatte eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Kerbverschleiß an der Nebenschneide aufweist. Bei der Schlichtbearbeitung kann der Kerbverschleiß an der Nebenschneide die Oberflächengüte beeinträchtigen.
Zusammenfassung
Die effiziente Bearbeitung von Triebwerkskomponenten aus HRSA-Werkstoffen erfordert eine ausgewogene Gesamtlösung, bei der insbesondere Faktoren wie Werkstückzustand, Werkzeugmaterial und die damit verbundenen Schnittdatenempfehlungen, Kühlmitteleinsatz und optimierte Bearbeitungsstrategien berücksichtigt werden.
Die Werkzeuge für die Zwischen- und Endbearbeitung von HRSA-Werkstoffen umfassen scharfe, hochpositive Geometrien für die mittlere Bearbeitung und das Schlichten sowie Geometrien für Bearbeitungsschritte, die eine höhere Zähigkeit erfordern.
