Hochleistungszerspanung: Große Flugzeugteile vibrationsfrei herstellen

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Leichtbaukomponenten wie Aluminium-Strukturteile für Flugzeuge werden meist aus dem vollen Material zerspant. Der Markt verlangt dafür komplett ausgetestete und durchoptimierte Technologielösungen aus Maschine, Automatisierung, Werkzeugen und Bearbeitungssoftware. In diesem Umfeld bewähren sich Werkzeuge zum Fräsen, die Mapal für die Hochleistungszerspanung entwickelt hat.

Beim Zerspanen dieser Leichtbaukomponenten, die sind teilweise bis zu 30 Meter lang sind, werden bis zu 95 Prozent des Materials abgetragen. Von den Zerspanungsmaschinen für die Hochleistungszerspanung werden enorme Leistungen bei zugleich hoher Präzision gefordert, denn bei Restwanddicken von teils unter zwei Millimetern könnten bereits Abweichungen im Zehntel-Millimeter-Bereich Probleme verursachen.

Hochleistungszerspanung in der Luft- und Raumfahrt

Über langjährige Kompetenz in diesem Bereich verfügt Bavius Technologie in Baienfurt. Das ursprünglich zur Handtmann-Gruppe gehörende Unternehmen hat sich 2017 im Rahmen eines Management Buy-outs verselbständigt und firmiert seither unter neuem Namen. „Unser Spezialgebiet ist die Entwicklung und Herstellung von Fünf-Achs-Bearbeitungszentren für die Hochleistungszerspanung von großformatigen Werkstücken“, erklärt Stefan Diem, Anwendungstechniker bei Bavius. Die Anwender der Bavius-Maschinen kommen aus zahlreichen Branchen.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Luft- und Raumfahrt. In diesem Bereich sind die Anforderungen besonders hoch. Meist geht es um die Bearbeitung von klar definierten Teilen oder Teilegruppen aus hochfesten Aluminiumlegierungen, die für einen Zeitraum von rund zehn Jahren in stets gleicher Ausführung benötigt werden. Da es sich bei den Bauteilen in der Regel um Sicherheitskomponenten für Flugzeugstrukturen handelt, verlangen die Abnehmer sicher beherrschte, komplett validierte Technologielösungen. Diese bestehen aus Maschine, Automatisierung, Aufspannung und Werkzeugen sowie Bearbeitungstechnologien einschließlich aller Parameter. Die Lösungen müssen in allen Punkten den hohen Sicherheitsstandards der Flugzeughersteller genügen.

Gratwanderung zwischen Gewicht und Sicherheit

„Solche Flugzeug-Strukturteile werden teilweise aus massivem Walzmaterial sowie Schmiederohlingen gefräst, wobei das Zerspanungsvolumen bis zu 95 Prozent erreichen kann“, weiß Michael Hofmann, Area Sales Manager bei Mapal. Um möglichst viel Gewicht einzusparen, sind die Strukturen so filigran und dünnwandig wie nur möglich. Dies bedingt höchste Anforderungen an die Präzision, denn bei der Bearbeitung muss die Gratwanderung zwischen geringem Gewicht auf der einen und der gesicherten Einhaltung der geforderten Bauteileigenschaften auf der anderen Seite gemeistert werden. Zudem spielt bei den sicherheitsrelevanten Bauteilen die Oberflächengüte eine wesentliche Rolle. Selbst kleinste Beschädigungen könnten in kritischen Bereichen wie Übergängen oder Hohlkehlen zum Ausgangspunkt für Ermüdungsrisse werden. Derartige Versagensrisiken gilt es unbedingt zu vermeiden.

Zugleich sind aus wirtschaftlichen Aspekten möglichst hohe Zerspanungsraten erforderlich. Deshalb spielen neben den Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine auch die eingesetzten Werkzeuge eine wesentliche Rolle. Ihre Eignung wird im Rahmen umfassender Vorversuche auf Herz und Nieren geprüft, da der Auftrag für alle Beteiligten von der erfolgreichen Validierung durch den Kunden abhängt. Bei solchen Projekten ist Mapal wegen seiner Kompetenz im Bereich der Werkzeugentwicklung und -herstellung ein häufig hinzugezogener Entwicklungspartner.

Hohe Anforderungen an die Werkzeuge

„Bei einem aktuell anstehenden Bauteil sind die Anforderungen an das Werkzeug extrem hoch“, sagt Thomas Jungbeck, Technischer Berater bei Mapal. Der Kunde benötigt hohe Zerspanungsleistungen, wofür die Bavius-Maschine – eine PBZ HD mit einer Spindelleistung von 80 kW bei einer Drehzahl von bis zu 30.000 min-1 – die idealen Voraussetzungen bietet. Bei der Anwendung liegt die Messlatte bei rund 7-8 Litern an erzeugtem Spanvolumen pro Minute. Eine Herausforderung für die Werkzeuge bei der Hochleistungszerspanung ist zunächst die geringe Größe der Taschen, was die Einsatzmöglichkeiten von großformatigen Eckfräsern begrenzt.

Auch wegen des Hinterschnitts bei einigen Taschen sowie aufgrund der geringen Eckenradien muss ein Großteil der Zerspanungsaufgaben deshalb mit eher kleinformatigen Fräsern mit Durchmessern von lediglich 16 Millimetern beim Schruppen beziehungsweise 12 Millimetern beim Schlichten umgesetzt werden. Speziell für solche Anwendungen hat Mapal Fräser aus Vollhartmetall entwickelt: den Optimill-SPM-Rough für das Schruppen und den Optimill-SPM-Finish zum Schlichten. Beide Fräser sind unbeschichtet. Dank entsprechend gestalteter Spannuten mit polierten Oberflächen können sie pro Sekunde bis zu 1500 Späne abführen. Der dreischneidige Schruppfräser hat einen konischen Hals, was ihn besonders biegesteif macht. Als Ergänzung steht für Bereiche mit geeigneter Geometrie und ausreichend Raum der ebenfalls neu entwickelte Eckfräser SPM-Rough mit Wendeschneidplatten zur Verfügung.

Vibrationen im Griff dank Hochleistungszerspanung

„Eine besondere Herausforderung bei solchen Einsätzen ist es, Vibrationen zu vermeiden“, sagt Hofmann. Die großformatigen Bauteile mit ihren dünnen Wänden können leicht zu Schwingungen angeregt werden. Das wiederum zwingt zu einer reduzierten Bearbeitungsgeschwindigkeit. Besonders kritisch ist dies bei der Finish-Bearbeitung nahe am Bodenbereich der Taschen, wo zudem ein Radius im Übergang zum Boden einzuhalten ist. Hier kann es vor allem bei großen Umschlingungen im Eckenbereich bei den hohen Vorschüben schnell zu Vibrationen kommen.

Für die Schlichtfräser hat Mapal deshalb eine neue Finishing-Geometrie speziell zum Schlichten von tiefen Taschen und filigranen Bauteilstrukturen entwickelt, die auch bei großen Umschlingungen einen „Pull-Effekt“ – sprich den Einzug des Werkzeugs in das volle Material – verhindert. Ebenso bedeutsam sind die hochpositive Geometrie der Schneiden und ihre asymmetrische Teilung. Dank der besonders langen Schneidkanten des vierschneidigen Finish-Fräsers kann das Schlichten auch bei sehr tiefen Taschen in einem einzigen Zug durchgeführt werden.

Zeitersparnis von 26 Prozent

„Angesichts der Ergebnisse, die wir bei diesem Projekt mit den Mapal-Fräsern erzielt haben, sehen wir uns auf einem guten Weg“, bilanziert Diem. Im Versuch wurden die Bearbeitungen an einem Ausschnitt des Kundenbauteils optimiert, nun werden diese Erkenntnisse auf die Produktion beim Kunden übertragen.

Besonders zufrieden zeigt sich Bavius-Anwendungstechniker Diem, dass mit den Fräsern selbst in sehr engen Ecken Schwingungen vermieden werden. Hier verhielten sich die Mapal-Werkzeuge hervorragend. Ein weiterer Vorteil, den Bavius mit den Fräsern erzielt, sind die sehr guten Oberflächen nach dem Finishen. Auch die Leistungsfähigkeit überzeugt: „Wir konnten die hohe Dynamik unserer Maschine voll ausschöpfen. In Kombination mit den Werkzeugen ergab dies bei diesem Versuch eine Zeitersparnis von 26 Prozent“, schließt Diem.

Der Autor Andreas Enzenbach ist Vice Presi­dent Marketing und Corporate Communications bei Mapal.

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