Titan-CNC-Bearbeitung für Luftfahrtstrukturen

Titanlegierungen stellen aufgrund inhärenter Eigenschaften wie geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher chemischer Reaktivität erhebliche Herausforderungen für die CNC-Bearbeitung in strukturellen Anwendungen der Luftfahrttechnik dar. Diese Arbeit beschreibt eine strukturierte Methodik zur Optimierung der CNC-Bearbeitung von Ti-6Al-4V, mit Fokus auf die Reduktion des Werkzeugverschleißes und das Erreichen strenger geometrischer Toleranzen. Bearbeitungsversuche wurden auf Mehrachsen-CNC-Anlagen durchgeführt, ausgestattet mit fortschrittlichen Werkzeugüberwachungssystemen (TCM). Schneidparameter (Drehzahl, Vorschub, Schnitttiefe) und Werkzeugwegstrategien wurden systematisch variiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von gepulster kryogener Kühlung den durchschnittlichen Flankenverschleiß um 42 % im Vergleich zur konventionellen Flutkühlung reduzierte, während adaptive trochoidale Frässtrategien die Bearbeitungszeit um 18 % verringerten und die Oberflächenrauheit (Ra) um 15 % bei dünnwandigen Bauteilen verbesserten. Die Datenanalyse bestätigt einen starken Zusammenhang zwischen spezifischer Schneidenergie und progressivem Werkzeugverschleiß. Diese Erkenntnisse liefern umsetzbare Strategien zur Steigerung der Bearbeitungseffizienz und Bauteilqualität für kritische Luftfahrtstrukturen. Einschränkungen umfassen den Fokus auf Ti-6Al-4V; die Anwendbarkeit auf andere Titanwerkstoffe bedarf weiterer Validierung.

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Die ständige Verbesserung von Leistung und Kraftstoffeffizienz im modernen Luftfahrt-Design erfordert den umfangreichen Einsatz von Titanlegierungen, insbesondere Ti-6Al-4V. Ihr außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie ihre Korrosionsbeständigkeit machen sie ideal für kritische Strukturkomponenten wie Fahrwerke, Motormontagen und Rumpfbauteile [1]. Jedoch machen dieselben Eigenschaften – insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit, die hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und die starke chemische Affinität zu Werkzeugmaterialien – Titan äußerst schwierig, effizient und präzise zu bearbeiten [2]. Dies führt zu Herausforderungen wie schnellem Werkzeugverschleiß, schlechter Oberflächenqualität, möglicher Verformung des Werkstücks (insbesondere bei dünnen Bauteilen) und höheren Produktionskosten [3]. Folglich bleibt die Optimierung von CNC-Bearbeitungsprozessen für Titan-Luftfahrtstrukturen ein entscheidendes industrielles Ziel. Diese Arbeit stellt eine praktische Methodik und experimentelle Ergebnisse vor, die darauf abzielen, diese Herausforderungen durch Parameteroptimierung und innovative Kühlstrategien zu bewältigen, um verlässliche und kosteneffiziente Produktionsverfahren zu etablieren.

2 Methoden
2.1 Versuchsdesign & Werkstoffmaterial
Das untersuchte Kernmaterial war geglühtes Ti-6Al-4V (Werkstoffnummer 5) in Plattenform, entsprechend den Spezifikationen gemäß AMS 4911L. Die hauptsächlich untersuchten Zerspanungsverfahren waren Umfangsfräsen (Schruppen und Schlichten) sowie Taschenfräsen, repräsentativ für gängige strukturelle Merkmale im Luftfahrtbereich. Die Werkstücke wurden mithilfe von speziell angefertigten Vakuumspannvorrichtungen und gezielter mechanischer Spannung fixiert, um Vibrationen und Verformungen zu minimieren, insbesondere bei dünnwandigen Geometrien.

2.2 Zerspanungsmaschinen & Werkzeuge
Die Versuche wurden an einer 5-Achs-DMG MORI DMU 80 eVo Linear-Bearbeitungsmaschine (40 kW Spindelleistung, max. 18.000 U/min) durchgeführt. Als Schneidwerkzeuge kamen zum Einsatz:

• Rohbearbeitung: Vollhartmetall-Fräser (Ø10 mm, 4-schneidig, mit ZrN beschichtet) mit variabler Steigungs-/Teilungsgeometrie.

• Fertigstellung: Vollhartmetall-Fräser (Ø8 mm & Ø6 mm, 4-schneidig, mit AlTiN beschichtet)
  Der Werkzeugzustand (Flankenverschleiß VBmax) wurde prozessbegleitend durch eine Kombination aus Spindelleistungsverbrauchsanalyse (Siemens Sinumerik 840D sl integriertes Monitoring) und periodischen Offline-Messungen mittels eines Keyence VHX-7000 Digitalmikroskops überwacht. Die Oberflächenrauheit (Ra, Rz) wurde mit einem Mitutoyo Surftest SJ-410 Profilometer gemessen. Die Maßgenauigkeit wurde mit einer Zeiss CONTURA G2 Koordinatenmessmaschine (CMM) überprüft.

2.3 Prozessvariablen & Datenerfassung
Die systematisch getesteten, wesentlichen unabhängigen Variablen umfassten:

• Schnittgeschwindigkeit (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Zahnvorschub (fz): 0,04 mm/Zahn - 0,12 mm/Zahn

• Axiale Schnitttiefe (ap): 0,5 mm - 3,0 mm (Schlichten), 5 mm - 15 mm (Rohben)

• Radiale Schnitttiefe (ae): 0,5 mm - 6,0 mm (adaptive Strategien)

• Kühlstrategie: konventionelle Überschwemmung mit Emulsion (6%), gepulste kryogene Flüssigstickstoffkühlung (LN2)

• Werkzeugbahnstrategie: konventionelle parallele Bahnen, adaptive Trochoidfrässtrategie.
  Gemessene abhängige Variablen waren Flankenverschleiß (VBmax), Oberflächenrauheit (Ra, Rz), spezifische Schnittenergie (SCE), Bearbeitungszeit pro Feature und dimensionale Abweichung an kritischen Features (Wandstärke, Bohrposition). Die Datenerfassung erfolgte direkt über das CNC-Steuerungssystem (Leistung, Drehmoment, Zeit) und mithilfe von Offline-Metrologie. Pro Bedingung wurden mindestens drei Wiederholungen durchgeführt.

3 Ergebnisse und Analyse
3.1 Werkzeugverschleiß-Performance
Die Flankenverschleißentwicklung wurde erheblich von der Kühlstrategie und dem Schnittgeschwindigkeit beeinflusst. Abbildung 1 zeigt den dominierenden Trend: Der Einsatz von gepulster kryogener LN2-Kühlung reduzierte den Werkzeugverschleiß bei allen getesteten Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zur konventionellen Flutemulsion deutlich. Bei mittlerer Geschwindigkeit (60 m/min) wurde die durchschnittliche VBmax nach dem Bearbeiten eines standardisierten Materialvolumens durch kryogene Kühlung um 42 % reduziert. Hohe Schnittgeschwindigkeiten (80 m/min) bei Flutkühlung führten innerhalb kurzer Zeit zu katastrophalem Werkzeugversagen (Absplittern), während kryogene Kühlung eine kontinuierliche Bearbeitung ermöglichte, wenn auch mit beschleunigtem Verschleiß im Vergleich zu niedrigeren Geschwindigkeiten. Die Analyse der Spindelleistungssignale korrelierte stark mit den offline gemessenen VBmax-Werten und bestätigte somit die Wirksamkeit des TCM-Systems für die Verschleißvorhersage (R² = 0,91).

3.2 Oberflächenqualität und geometrische Genauigkeit
Die Oberflächenrauheit (Ra) wurde hauptsächlich durch den Vorschub und die Werkzeugbahnstrategie bei Fertigungsoperationen beeinflusst. Durch die Reduzierung des Vorschubs pro Zahn (fz) von 0,08 mm/Zahn auf 0,05 mm/Zahn verbesserte sich der durchschnittliche Ra-Wert um etwa 25%. Entscheidend war, dass die Anwendung von adaptiv trochoidalem Fräsen zur Bearbeitung dünner Wände (ap = 8 mm, Wandstärke 1,5 mm) eine Verbesserung von Ra um 15% brachte (durchschnittlich 0,32 µm gegenüber 0,38 µm bei parallelen Bahnen) und die Verformung des Bauteils um 30% reduzierte, gemessen anhand der Abweichung der Wanddicke von der Nennmaß durch Koordinatenmessung (Abbildung 2). Diese Strategie reduzierte zudem die Bearbeitungszeit dieser Geometrie um 18%, da durch die konstante Steuerung des Eingriffs höhere durchschnittliche Spanabtragsraten aufrechterhalten werden konnten.

3.3 Produktivität und Energieverbrauch
Spezifische Schnittenergie (SCE), ein wesentlicher Indikator für die Prozesseffizienz, sank mit steigender Materialabtragsrate (MRR), wie erwartet. Allerdings führte die Anwendung von kryogener Kühlung zu einer 10–15 % höheren SCE im Vergleich zur Flutkühlung bei gleicher MRR, was auf die Energiekosten für die Lieferung von flüssigem Stickstoff (LN2) zurückgeführt wird. Trotzdem führte die erhebliche Verlängerung der Werkzeugstandzeit und die Reduzierung der Nebenschnittzeiten (Werkzeugwechsel, Justierungen) zu einem Netto-Produktivitätsanstieg von etwa 20 % pro Werkstück bei komplexen Strukturbauteilen, wodurch der SCE-Nachteil kompensiert wurde.

4 Diskussion
Die beobachtete deutliche Verringerung des Werkzeugverschleißes durch den Einsatz von gepulster kryogener LN2-Kühlung entspricht etablierten Wirkmechanismen: LN2 unterdrückt effektiv die hohen Temperaturen im Schneidbereich, die für die Bearbeitung von Titan typisch sind, und reduziert somit die bei Hartmetallwerkzeugen vorherrschenden Verschleißmechanismen wie Diffusion und Adhäsion [4, 5]. Die gepulste Zufuhr verbessert wahrscheinlich die Penetration in die Werkzeug-Span-Schnittstelle, während gleichzeitig ungenutzter Verbrauch minimiert wird. Der Erfolg des adaptiven trochoidalen Fräsens, insbesondere für dünne Wände, beruht darauf, eine nahezu konstante radiale Eingriffsbreite aufrechtzuerhalten und die Schnittkräfte zu reduzieren, wodurch die Werkzeugverformung und Werkstückvibrationen minimiert werden [6]. Dies führt direkt zu verbesserter geometrischer Genauigkeit und Oberflächenqualität.

Eine wesentliche Einschränkung dieser Studie ist ihr Fokus auf Ti-6Al-4V. Obwohl dieses Material dominierend ist, weisen andere Titanlegierungen (z. B. Ti-5553, near-beta-Legierungen) unterschiedliche Zerspanungseigenschaften auf; die hier gewonnenen Erkenntnisse müssen für diese Materialien validiert werden. Zudem bedarf es einer sorgfältigen Lebenszyklusanalyse hinsichtlich der wirtschaftlichen und umwelttechnischen Auswirkungen einer breiten Anwendung von kryogenem LN2, um die Einsparungen bei Werkzeugkosten und Produktivitätssteigerungen mit den Kosten/dem CO2-Fußabdruck der LN2-Produktion und -Lieferung abzugleichen.

Diese Ergebnisse sprechen klar für folgende Maßnahmen in der Luftfahrt-Fertigungspraxis:

1. Einführung von pulsierender kryogener Zerspanung: Für kritische, lang andauernde Titanfräsoperationen, insbesondere Schrupp- und Halbfinishbearbeitungen, um die Werkzeugstandzeit und Prozesszuverlässigkeit zu maximieren.

2. Einführung adaptiver Werkzeugbahnen: Insbesondere trochoidale Strategien für das Finishen dünnwandiger Luftfahrtstrukturen, um die Oberflächenintegrität, Maßgenauigkeit und Durchsatzleistung zu verbessern.

3. Integration einer Werkzeugzustandsüberwachung: Die Nutzung von Spindelleistungssignalen bietet eine praktische, maschinenintegrierte Methode, um Verschleiß an Werkzeugen vorherzusagen und Wechsel proaktiv zu planen, wodurch das Risiko von Ausschuss reduziert wird.

5 Fazit
Diese Studie zeigt effektive Strategien zur Verbesserung der CNC-Bearbeitung von Ti-6Al-4V für anspruchsvolle strukturelle Anwendungen in der Luftfahrt. Pulsierte kryogene Flüssigstickstoffkühlung reduziert signifikant den schnellen Werkzeugverschleiß, eine wesentliche Einschränkung, und ermöglicht höhere nachhaltige Schnittgeschwindigkeiten sowie eine verlängerte Werkzeuglebensdauer. Adaptive trochoidale Fräsbahnen verbessern die Oberflächenqualität, die Maßgenauigkeit (insbesondere bei dünnen Wänden) und die Gesamtproduktivität im Vergleich zu konventionellen parallelen Bahnen. Der Zusammenhang zwischen Spindelleistungsüberwachung und Werkzeugverschleiß bietet eine geeignete Methode zur Prozesskontrolle. Diese Erkenntnisse liefern direkt anwendbare Lösungen für Luftfahrtunternehmen, die die Effizienz, Zuverlässigkeit und Qualität bei der Produktion von Titanbauteilen verbessern möchten. Zukünftige Arbeiten sollten die Optimierung der Parameter für die kryogene Zufuhr (Düsenkonstruktion, Pulstiming) untersuchen, die Methodik auf andere hochleistungsfähige Titanlegierungen ausweiten und umfassende technisch-ökonomische sowie umweltrelevante Auswirkungsanalysen der Implementierung von kryogenen Bearbeitungsverfahren durchführen.