Spanende Mikrobearbeitung von Titan und Titanlegierungen

Schlenker, J.

Titan und Titanlegierungen besitzen aufgrund ihrer Eigenschaften ein hohes Einsatzpotenzial in vielen Bereichen wie dem Automobilbau oder der Luft- und Raumfahrt. Vor allem die gute Biokompatibilität, die chemische Beständigkeit und die geringe Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit machen den Werkstoff auch für Anwendungen im Mikrobereich, z.B. der Medizintechnik, interessant. In der Makrobearbeitung gilt das Fräsen als geeignetes Verfahren aufgrund der hohen Flexibilität und Abtragsraten. Jedoch ist eine direkte Herabskalierung des Fräsprozesses in den Mikrobereich nicht ohne weiteres möglich. Außerdem liegen für die Mikrozerspanung von Titan und Titanlegierungen bisher kaum wissenschaftliche Erkenntnisse vor.

In dieser Dissertation werden sowohl Grundlagen zum Mikrofräsen, -bohren und -reiben als auch weitergehende Untersuchungen zum Einfluss der Schneidenmikrostruktur des Werkzeuges beim Mikrofräsen von Reintitan und der Legierung TiAl6V4 vorgestellt. Dabei werden neben dem Einfluss der Prozessparameter auch die Auswirkungen verschiedener Kühlschmierstoffkonzepte analysiert. Zunächst wurden Werkzeuge mit einem Durchmesser von d = 1 mm untersucht. Davon ausgehend wurde die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf kleinere Durchmesser von 0,5 mm und 0,2 mm evaluiert. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt bei der Analyse des Einflusses der Mikrostruktur der eingesetzten Werkzeuge auf den Mikrozerspanprozess von Titan und Titanlegierungen. Dazu wurden der Einfluss aktueller Beschichtungen, der Größe von Schneidkanten- und Eckenradius, der Oberflächenqualität der Spannuten und der Schartigkeit der Schneide auf die Zerspankräfte, Maß- und Formgenauigkeit und resultierende Oberflächenqualität untersucht.

Die Grundlagenuntersuchungen zeigen, dass vor allem bei der Bearbeitung von Reintitan auf den Spanabtransport durch die Spannuten zu achten ist, um ein vorzeitiges Werkzeugversagen oder Form- und Maßabweichungen zu verhindern. Eine Verbesserung des Spanabtransportes kann durch den Einsatz von Kühlschmiermittel, vor allem durch Überflutungs- oder Tauchschmierung erreicht werden. Beim Bohren ist der Einsatz von innerer Kühlschmierstoffzuführung zu empfehlen, soweit diese verfügbar ist.

Bei der Analyse zum Einfluss der Werkzeugmikrostruktur auf die erzeugbaren Ergebnisse ist ein deutlicher Trend zu erkennen, dass sowohl ein vergrößerter Schneidkanten- als auch der Eckenradius zu einer Stabilisierung der Schneide, aber auch zu vermehrten Quetsch- und Reibvorgängen führen. Eine Beschichtung vergrößert den Schneidkantenradius und führt zu schlechteren Oberflächenqualitäten, da eine Beschichtung in der Regel zu einer höheren Rauheit auf der Spannut und der Spanfläche führt als dies bei unbeschichteten Fräsern der Fall ist. Durch eine geringe Rauheit der Spannut kann der Span aufgrund reduzierter Reibung besser abtransportiert werden. Die Schartigkeit bestimmt maßgeblich die erreichbaren Oberflächenqualitäten. Eine schartige Schneide führt zu größeren mittleren Rauheiten. Um ein optimales Bearbeitungsergebnis bei hinreichend langer Standzeit zu erreichen, werden Werkzeuge mit mittlerem aus den untersuchten Ecken- und Schneidkantenradius sowie Spannuten und Schneiden mit sehr guten Oberflächenqualitäten empfohlen. Die Art der Beschichtung selbst spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Mithilfe der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse ist der Anwender in der Lage, prozesssicher und mit hoher Qualität Mikrobauteile aus Titan und Titanlegierungen zu bearbeiten.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2015, ISBN 978-3-8027-8777-5