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Schleifen vs. Zerspanen bei Teilen für die Luft-und Raumfahrtindustrie

Aeroplane in grinding vs machining

Fortschrittliche Schleiflösungen können spangebende Bearbeitungsprozesse mit definierter Schneide überflügeln und Kosten sparen.

Alan Davidson, European Application Engineer – Aerospace, Saint-Gobain Abrasives und David Graham, Senior Applications Engineer – Saint-Gobain Abrasives North America

Die Luft- und Raumfahrtindustrie kann sich keine Kompromisse leisten. Um Bauteile zu konstruieren, welche die extremen Bedingungen in der anspruchsvollen Umgebung eines Flugzeugtriebwerks überstehen, sind absolut hochwertige Materialien erforderlich, die eine hohe Festigkeit bieten und hohen Temperaturen standhalten können. Diese Eigenschaften lassen eine Bearbeitung mit herkömmlichen Werkzeugen und Verfahren nicht zu und erfordern spezielle Lösungen.

Fehler haben hier keinen Platz und es kommt darauf an, die richtigen Methoden zu finden, mit denen sich stabile, leichte und langlebige Teile fertigen lassen und die zudem problemlos und abweichungsfrei reproduzierbar sind. Allerdings sind auch die Kosten ein wichtiger Faktor: Der finanzielle Druck in der Branche ist hoch, und jede Möglichkeit, Kosten zu sparen, ist mehr als willkommen.

In diesem Artikel vergleichen wir die Fertigungsmethoden von Teilen mittels Schleifen oder Zerspanen, um aufzuzeigen, wie die Bearbeitung durch Schleifen dem  Zerspanen mit definierter Schneide überlegen sein kann. Durch fortschrittliche Schleiflösungen lassen sich Teile herstellen, die den hohen Standards der Luft- und Raumfahrtbranche gerecht werden, und zwar unter Einhaltung extrem enger Toleranzen und zu niedrigeren Kosten – dank reduzierter Stillstands- und Umrüstzeiten.

Abtragen von Metall

Unabhängig davon, ob Teile gegossen, geschmiedet oder aus gesintert werden, werden bei den meisten Teilen 50 Prozent – oder auch mehr – ihres ursprünglichen Volumens durch Drehen, Fräsen und Räumen entfernt, um das Gewicht der Bauteile gering zu halten. Aufgrund der Eigenschaften dieser Materialien und des hohen Wertes der Teile laufen diese Bearbeitungsprozesse in der Regel mit konservativen Vorschubgeschwindigkeiten und Drehzahlen ab, um sicherzustellen, dass die Werkzeuge nicht versagen oder das Werkstück beschädigen.

Normalerweise verschlechtern sich bei der Bearbeitung dieser Teile unabhängig von den verwendeten Parametern die Einhaltung der Toleranzen und die Oberflächenqualität mit zunehmendem Werkzeugverschleiß, was letztlich die Lebensdauer des Bauteils im Triebwerk verkürzen kann. Obwohl Schleifen in der Vergangenheit nicht die bevorzugte Bearbeitungsmethode für diese Phase des Metallabtrags war, haben technische Weiterentwicklungen dazu geführt, dass Schleifen inzwischen in Bezug auf Geschwindigkeit, Präzision und Lebensdauer die Zerspanung übertreffen kann. Durch Schleifen kann bei Teilen für Luft- und Raumfahrtanwendungen eine längere Lebensdauer erreicht werden, da Schleifscheiben einfach abgerichtet werden können, um die Schneidkanten des Schleifmittels scharf und die Scheibenform konstant zu halten. Dies wiederum ermöglicht eine konsistente Oberflächengüte und die dauerhafte Einhaltung enger Toleranzen – und außerdem reduzierte Stillstandzeiten aufgrund der längeren Lebenszyklen der Werkzeuge.

Herstellen von Schlitzen

Einer unserer Kunden in den USA suchte nach möglichen Lösungen für das Schneiden von Schlitzen in eine IN718-Scheibe. Die Suche nach dem besten Prozess lief auf einen Vergleich zwischen dem Fräsen und dem Schleifen der Scheibe hinaus. Die Ingenieure des Norton | Saint-Gobain Higgins Grinding Technology Center in den USA nahmen die Herausforderung an und führten eine Evaluierung mit zwei Schleifmitteln durch: Zum einen mit Norton Targa Keramik-Aluminiumoxid TG2-Korn, zum anderen mit Norton Quantum Keramik-Aluminiumoxid 5NQX-Korn.

Für jeden Schleiftest wurden zwei IN718-Platten übereinandergelegt und vier 12,7 mm breite Schlitze 12,7 mm tief geschliffen, ohne die Schleifscheibe dabei abzurichten. Als Schnitttiefe wurden nach dem Zufallsprinzip 2,54 mm gewählt und der Vorschub in Schritten von 508 mm/Min erhöht, bis die Schleifscheibe auf ein unzulässiges Maß abgenutzt war.

Mit der 5NQX-Schleifscheibe wurde eine Vorschubgeschwindigkeit von 30 mm pro Sekunde erreicht, die TG2-Scheibe erreichte eine Vorschubgeschwindigkeit von 76 mm pro Sekunde. Man kann also sehen, dass das Schleifen bereits ohne Berücksichtigung des Abrichtens eine längere Standzeit ermöglicht, was die aktive Lebensdauer eines Werkstücks weiter verlängern und zu Kosteneinsparungen führt, da weniger Schleifmittel benötigt werden.

 

G-ratio graph machining vs grinding

Grafik 1 zeigt das G-Ratio

(Menge des abgeschliffenen Werkstücks ÷ verbrauchtes Schleifscheibenvolumen)

 

Grafik 2 zeigt die spezifische Energie, die

benötigt wird, um ein Volumen von 1 mm³ pro

Sekunde abzutragen

Graph 2: Energy required to remove one in³ per minute

 

Drehen von Teilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie

Bei Überlegungen, ein herkömmliches Verfahren durch Schleifen zu ersetzen, ist zu berücksichtigen, dass die Machbarkeit stärker davon abhängt, wie sich das Werkstück und die Scheibe berühren, als von der Geometrie. In einer weiteren Fallstudie, bei der die beiden Methoden (Zerspanen/Schleifen) verglichen wurden, beschäftigte sich mit dem  Einsatz von Schleifen mit Scheibentechnologie anstelle von Drehen.

Moderne Nickellegierungen, die in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, sind gelegentlich noch schwerer zu bearbeiten als altbewährte Werkstoffe wie IN718. Einer unserer Kunden hatte Probleme mit dem Drehen einer solchen neuen Nickellegierung, weil Einschlüsse im Material zu einem unvorhersehbaren Versagen des Werkzeugs führten und die Werkzeuglebensdauer aufgrund der hohen Festigkeit der Legierung allgemein sehr kurz war.

Mit der Norton Vitrium3 Bindungstechnologie und dem extrudierten TG2-Korn konnten die Norton-Ingenieure das Werkstück erneut mit einem Vorschub von 0,635 mm pro Werkstückumdrehung und einer Arbeitsgeschwindigkeit von 4.064 mm/Min schleifen und dabei eine Abtragsrate von 43 mm³/s/mm erzielen. Unter diesen Bedingungen wurde mit einer 50 mm breiten Scheibe ein Metallabtrag von 2.185 mm3/s erreicht. Mit den Möglichkeiten der Werkzeugwechsel moderner Maschinen, können separate Scheiben verwendet werden und so auch komplexe Teilegeometrien erreicht und endbearbeitet werden – wie mit einer herkömmlichen CNC-Drehmaschine. Müssen Oberflächen nach dem Drehen geschliffen werden, kann der Drehvorgang komplett entfallen, da er auf der gleichen Maschine mit einer anderen Scheibe durchgeführt werden kann, wodurch Rüstzeiten und Werkzeugkosten eingespart werden.

 

Graph 3: Removal rates comparison of the TG280 and 5NQX46 wheels with rates stated by different end mill manufacturers. Grafik 3: Vergleich der Abtragsraten von TG280- und 5NQX46-Scheiben mit den von verschiedenen Fräserherstellern angegebenen Abtragsraten.

 

Schleifen vs. Zerspanen – angenommene Fräsparameter

Milling parameters for grinding vs machining

 

Wie die Testergebnisse zeigen, erwies sich Schleifen als der effektivste und produktivste Abtragungsprozess.

Kosteneinsparungen bei Fertigungsprozessen können durch Einsparungen bei den Investitionskosten, den Werkzeug-Verbrauchsmaterialien, der Logistik oder durch Zykluszeitverkürzung erzielt werden. Darüber hinaus können durch kürzere Stillstandzeiten für Umrüstungen weitere Einsparungen erzielt werden. Inzwischen gibt es also Anwendungsfälle, in denen eine Schleiflösung herkömmliche Bearbeitungsprozesse übertrifft – und mit dem Einsatz fortschrittlicher Schleifprodukte und entsprechender Dokumentationssoftware können wir Ihnen helfen, die Einsparungspotenziale für Ihren Betrieb zu ermitteln und auszuschöpfen.

Wenn Sie wissen möchten, wie wir Ihnen helfen können, ähnliche Ergebnisse zu erzielen, oder wenn Sie an einem Testlauf interessiert sind, um herauszufinden, ob Schleifen auch für Ihre Fertigung die richtige Lösung ist, kontaktieren Sie uns gerne oder wenden Sie sich an Ihren zuständigen Vertriebsmitarbeiter.