Wie lässt sich die Verformung dünnwandiger Titanbauteile effektiv kontrollieren?

Die effektive Kontrolle von Verformungen bei dünnwandigen Titanbauteilen gehört zu den anspruchsvollsten Herausforderungen in der Präzisionsbearbeitung und erfordert eine ganzheitliche Strategie, die thermische, mechanische und Eigenspannungsfaktoren berücksichtigt. Der niedrige Elastizitätsmodul und die geringe Wärmeleitfähigkeit von Titan, kombiniert mit der von Natur aus geringen Steifigkeit dünnwandiger Geometrien, machen diese Teile besonders anfällig für Verzug während und nach der Bearbeitung.

Umfassende Prozessplanung und Strategie

Die Grundlage der Verformungskontrolle ist eine strategische Bearbeitungsabfolge. Ein grundlegendes Prinzip besteht darin, eine symmetrische Bearbeitung anzuwenden, um Eigenspannungen auszugleichen. Dies bedeutet, dass Material gleichmäßig von beiden Seiten einer Wand in abwechselnden Schritten entfernt wird, anstatt eine Seite vollständig zu bearbeiten, bevor die andere beginnt. Bei komplexen Bauteilen wird dies am besten mit unserem Mehrachsen-Bearbeitungsservice erreicht, der es ermöglicht, das Werkstück neu zu positionieren, um einen gleichmäßigen Schnittansatz beizubehalten und eine lokale Spannungsakkumulation zu vermeiden. Außerdem sollte der Prozess in Schrupp-, Schlicht- und Feinstbearbeitungsphasen unterteilt werden. Das Schruppen entfernt das meiste Material gleichmäßig und hinterlässt eine konstante Aufmaßschicht. Eine wichtige Zwischenstufe ist die Spannungsarmglühung, die häufig in Zusammenarbeit mit unseren Partnern für die Wärmebehandlung von CNC-Bauteilen durchgeführt wird, um die induzierten Spannungen abzubauen, bevor die Schlichtbearbeitung beginnt.

Fortschrittliche Werkzeugbahn- und Schnittstrategien

Modernes CAM-Programmieren ist unerlässlich, um Werkzeugbahnen zu erzeugen, die Verformungen minimieren. Trochoidales Fräsen und Strategien mit konstantem Werkzeugkontakt sollten eingesetzt werden, um eine gleichmäßige, geringe radiale Schnitttiefe beizubehalten, was die lokale Wärmeentwicklung verhindert und Schnittkräfte reduziert, die dünne Wände zum Nachgeben bringen können. Bei Schlichtdurchgängen werden sogenannte Nachschnitte (Spring Passes) verwendet – dabei wird derselbe Werkzeugweg erneut ausgeführt, ohne den Werkzeugversatz anzupassen, um Material zu entfernen, das sich nach dem ersten Durchgang aufgrund der Teilelast wieder aufgestellt hat. Für Innenkanten und Taschen bietet der CNC-Ausdrehservice oft eine stabilere und genauere Lösung als das Fräsen, da die Bohrstange in einer kontinuierlichen, kontrollierten Kreisbewegung arbeitet.

Optimierte Werkstückspannung und Vorrichtungen

Eine stabile Werkstückspannung ist unerlässlich, muss aber intelligent angewendet werden, um keine neuen Spannungen einzubringen. Maßgeschneiderte modulare Vorrichtungen, die die Geometrie des Teils an kritischen Punkten unterstützen, sind ideal. Vakuumspannplatten oder Vorrichtungen aus niedrigschmelzenden Legierungen eignen sich hervorragend, um große, dünne Flächen zu stützen, ohne Spannkräfte aufzubringen, die Verformungen verursachen könnten. Das Ziel ist es, während der Bearbeitung die endgültigen Randbedingungen des Bauteils so genau wie möglich zu reproduzieren. Für Prototypen oder Kleinserien können Techniken aus der CNC-Prototypenbearbeitung angepasst werden, um individuelle, möglichst wenig restriktive Vorrichtungen zu entwickeln, die das Bauteil sicher halten und gleichzeitig optimalen Werkzeugzugang ermöglichen.

Präzise Schnittparameter und Werkzeugauswahl

Die Schnittparameter müssen für dünnwandiges Titan sorgfältig abgestimmt werden. Eine höhere Vorschubgeschwindigkeit bei geringerer Schnittgeschwindigkeit ist in der Regel vorzuziehen, um Wärmeentwicklung und Kaltverfestigung zu reduzieren. Scharfe, unbeschichtete oder PVD-beschichtete Hartmetallwerkzeuge mit hohen positiven Spanwinkeln und polierten Spannutflächen sind entscheidend, um das Material sauber mit minimalen Kräften und geringer Wärmeentwicklung zu schneiden. Für die Endbearbeitung wird ein kleinerer Zustellwert (axiale Schnitttiefe) gewählt, um die Belastung des Teils weiter zu verringern. Die Expertise aus unserem Titan-CNC-Bearbeitungsservice ist hier entscheidend, da sie das spezialisierte Wissen über Werkzeuggeometrien und Parameterbereiche umfasst, die speziell auf das Verhalten von Titan abgestimmt sind.

Effizientes Wärme- und Spannungsmanagement

Die Wärmeableitung ist von höchster Bedeutung. Ein Hochdruck-Kühlsystem, vorzugsweise durch Spindel und Werkzeug, ist unerlässlich, um Späne auszuspülen und Wärme aus der Schnittzone zu entfernen. Dies verhindert eine thermische Ausdehnung während der Bearbeitung, die sich beim Abkühlen in Form von Verzug bemerkbar machen würde. Darüber hinaus reduziert das Minimieren der radialen Schnitttiefe (Seitenschritt) auf weniger als 30 % des Werkzeugdurchmessers die Schnittkraft und den daraus resultierenden Biegemoment auf die dünne Wand erheblich.

Nachbearbeitungsprüfung und Korrektur

Abschließend ist ein robustes Prüfverfahren erforderlich. Die Teile sollten im eingespannten Zustand gemessen werden, um eine Referenzbasis zu schaffen, und anschließend nach der Entspannung erneut, um Rückfederung zu erkennen. Für kritische Komponenten kann eine abschließende berührungslose Prüfmethodik eingesetzt werden. In einigen Fällen kann eine abschließende Elektropolitur für Präzisionsteile angewendet werden, um Mikroscharten und eine dünne, gleichmäßige Materialschicht zu entfernen, ohne mechanische Spannungen einzubringen – dies trägt zur Reduzierung von Oberflächenspannungen und zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit bei.