Ergebnisse - hpmtechnologie.de

STEINBEIS-TRANSFERZENTRUM 

Produktionstechnik & Werkzeugmaschinen TzPW 

Trockenzerspanung von 

Alu-Knetlegierungen 

– der Weg zum Einsatz in 

riskanter Mission - 

oder 

Keine Scheu bei neuen Anwendungen! 

--- 

HPM Innovationstage 2010 

Prof. Dr.-Ing. M. Kaufeld 

Am Wachberg 24 

D-86497 Horgau 

Tel.: 08294-802646, Fax: 08294-802646 

eMail: Dr.Michael.Kaufeld@online.de 

05.05.2010 Prof. Dr.-Ing. M. Kaufeld Seite 1

Gliederung 

Der Weg von der Fertigungsfreigabe bis zum Einsatz in der Fertigung 

sicherheitsrelevanter Bauteile 

Korrosionsuntersuchungen zur Verwendung von MMS-Öl 

Qualifizierung von MMS-Ölen 

Absaugung von Stäuben und Aerosolen bei der Trockenbearbeitung 

Bestimmung des Ölvolumenstroms an verschiedenen Werkzeughaltern 

Bohren von Verbundblechen mit Minimalmengenschmierung - Technolgieentwicklung - 

Leistungsfräsen von Alu-Knetlegierungen - Technolgieentwicklung – 

Qualifikation des Fertigungsverfahrens 

Bohren/Reiben Flügel-Rumpf-Montage 

Trockenes Fräsen, Bohren und Reiben von Integralbauteilen aus 

Aluminiumlegierungen 

Fazit und Empfehlung 

Vorstellung der Steinbeis-Transferzentrums (STZ) „Produktionstechnik & 

Werkzeugmaschinen (TzPW)“ 




Korrosionsuntersuchungen zur 

Verwendung von MMS-Öl 

- Kurzzeit Tauchtest + Luftauslagerung (Korrosion - Bauteilwerkstoff) 




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- Korrosionstest für Kombination Bauteilwerkstoff-Werkzeugmaschine 


Korrosionsuntersuchungen zur Verwendung von 

Spezialöl - Aufgabenstellung 

Einfluss des Öls auf das 

Korrosionsverhalten 

unterschiedlicher 

Al-Legierungen 

Kurzzeit Tauchtest + Luftauslagerung 

(Korrosion - Bauteilwerkstoff) 

– Bauteilwerkstoffe: 3.1354T351, 3.4364T651, 

3.4384T7351 (je 3 Proben) 

– Probenabmessungen: 30 x 40 x 55 mm 

– Probenherstellung: alle Flächen gefräst 

(geschlichtet), eine Fläche mit Schmirgelleine 

(Körnung

Ergebnisse - Korrosion unterschiedlicher 

Bauteilwerkstoffe durch das MMS-Öl 

Probe 

Gewichte in [g] 

3.4364T 

651-1 

3.4364T 

651-2 

3.4364T 

651-3 

3.4384T 

7351-1 

3.4384T 

7351-2 

3.4384T 

7351-3 

3.1354T 

351-1 

3.1354T 

351-2 

3.1354T 

351-3 

I. Start 277,41 275,83 277,81 264,99 265,86 263,74 243,601 239,99 242,42 

II. nach 1 Woche 277,41 275,83 277,81 264,99 265,86 263,73 243,590 239,99 242,41 

1. Abtrag [%] 0 0 0 0 0 -0,004 -0,0041 0 -0,004 

III. nach 2 

Wochen 

277,41 275,83 277,81 264,99 265,86 263,73 243,590 239,99 242,41 

2. Abtrag [%] 0 0 0 0 0 0 0 0 0 

IV. nach 3 

Wochen 

277,41 275,83 277,81 264,99 265,86 263,73 243,585 239,99 242,41 

3. Abtrag [%] 0 0 0 0 0 0 -0,0066 0 0 

Gesamtfläche 

[mm 2 ] 

13075,3 13031,2 13074,5 12748,0 12757,9 12710,0 12258,5 12120,0 12190,9 

Abtrag [g] 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,016 0 0,01 

ma [g/m 2 ] 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,7 1,3 0 0,8 

ma: Flächenbezogener Massenverlust 

Ein relevanter flächenbezogener Massenverlust konnte nicht festgestellt werden! 




Qualifizierung von MMS-Ölen 

1. Oberflächenbenetzung (Schmierwirkung) 

2. Umweltverträglichkeit 

3. Arbeitsschutz-Bewertung (MAK-Beurteilung) 

4. Arbeitssicherheit (Flamm- und Ex-Schutz) 




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Absaugung von Stäuben und Aerosolen 

bei der Trockenbearbeitung 

metallischer Werkstoffe 

1. Emissionsarten bei der Trockenbearbeitung 

2. Emissionsmessungen 

3. Erfassung und Abscheidung der Emissionen 

4. Aspekte bei der Reinluftrückführung 


Emissionsarten 


Partikelgrößenverteilung Filterstaub 


Beurteilung div. Abscheider 







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Bestimmung des Ölvolumenstroms an 

verschiedenen Werkzeughaltern beim 

Einsatz der Minimalschmiertechnik 

Vergleich unterschiedlicher Spannsysteme 


Werkzeugaufnahmen 


Ölvolumen bei div. Werkzeughaltern 


Einfluss des Öls 


Ergebnisse 

Einkanaliger Aerosoltransport durch die Spindel: 

– Öltransport: Wandöl- und Kernöl-Strömung 

– Spannsysteme: Übergabekanal verlustfrei ausführen 

– Spindeldrehzahl: Aerosolzufuhr auch bei höchsten 

Spindeldrehzahlen möglich 

– Ölvolumenstrom: abhängig von MSS-Einstellung und 

Schmierstoffeigenschaften 

– Totraum: verzögerte Bereitstellung der Wandölfraktion 




Bohren von Verbundblechen mit 

Minimalmengenschmierung 

- Technolgieentwicklung - 

- Vollbohren großer Dicke mit Bohrsenkern 

- Aufbohren mit Reibsenkern 

- Verkürzung von Prozesszeiten 

- Einfluss der Schmiermittel 

- Bohren mit Stufenbohrern 




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Al-Ti-Schichtverbunde 


Werkzeug 


Bohrversuche (1) 


Bohrversuche (2) 







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Leistungsfräsen von Alu-Knetlegierungen 

- Technolgieentwicklung - 

- Werkzeuggestaltung 

- Prozessparameter 


Problematik 

Beispiel: VHM-Fräser Dmr. 25 mm beim Vollnuten 

•Aufschweißungen in der Spankammer - Span läuft gegen 

den Rücken 

• leichte Scheinspanbildung an der Freifläche 


Bearbeitungsparameter 

unbeschichtet 

Werkzeugdurchmesser [mm] 25 25 25 25 

Zähnezahl 3 3 3 3 

Radiale Zustellung ae [mm] 25 25 25 25 

Axiale Zustellung ap [mm] 8,5 13,5 16,5 15 

Drehzahl [1/min] 13.000 13.000 13.000 13.000 

Vorschubgeschwindigkeit vf [mm/min] 7.800 7.800 7.800 7.800 

Zahnvorschub fz [mm] 0,20 0,20 0,20 0,20 

Eingriffswinkel Phi [°] 180 180 180 180 

Mittlere Spanungsdicke [mm] 0,127 0,127 0,127 0,127 

Zeitspanvolumen [cm 3 /min] 1.658 2.633 3.218 2.925 

Leistung [kW] 31,0 41,0 ? 43,0 

Drehmoment [Nm] 22,8 30,1 ? 31,6 

Kraft [N] 1.822 2.409 ? 2.527 

Fräsweg [m] 0,86 1,29 0,25 0,43 

Bemerkung: Ruhiger Schnitt Ruhiger Schnitt Rattern Grenzbelastung 


– gesamter Schnittweg: 2,83 m 

– Aufbauschneidenbildung: keine 

– Scheinspanbildung: keine 

– max. Zeitspanvolumen: 2,92 cm³/min 


Bearbeitungsparameter beschichtet 

Werkzeugdurchmesser [mm] 25 25 

Zähnezahl 3 3 

Radiale Zustellung a e [mm] 25 25 

Axiale Zustellung a p [mm] 13,5 15 

Drehzahl [1/min] 13.000 13.000 

Vorschubgeschwindigkeit v f [mm/min] 7.800 7.800 

Zahnvorschub f z [mm] 0,20 0,20 

Eingriffswinkel Phi [°] 180 180 

Mittlere Spanungsdicke [mm] 0,127 0,127 

Zeitspanvolumen [cm 3 /min] 2.633 2.925 

Leistung [kW] 41,0 43,0 

Drehmoment [Nm] 30,1 31,6 

Kraft [N] 2.409 2.527 

Fräsweg [m] 1,29 0,86 

Bemerkung: Ruhiger Schnitt Grenzbelastung 


– gesamter Schnittweg: 2,15 m 

– Aufbauschneidenbildung: sehr gering 

– Scheinspanbildung: sehr gering 

– max. Zeitspanvolumen: 2,63 cm³/min 







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Qualifikation des Fertigungsverfahrens 

1. Vorgehensweise 

2. Ergebnisse 


1. Fertigungsverfahrensqualifikation (1) 

Qualifikation, weil 

Änderungen bestehender Verfahren, die sich auf die 

Bauteileigenschaften/Bauteilqualität auswirken können 

Neue Fertigungsverfahren 

Ziel 

Nachweis, dass das zur Herstellung eines Bauteils angewendete 

Fertigungsverfahren in der Lage ist, die festgelegten Anforderungen 

zu erfüllen. 


1. Fertigungsverfahrensqualifikation (2) 

Maßnahmen, Dokumente in der Luft- und Raumfahrt: 

Anforderungsblatt Definition der Anforderungen an das Verfahren 

Prüfprogramm Festlegung der erforderlichen Versuche / Nachweise 

Qualifikationsprüfbericht Dokumentation der Ergebnisse, Bewertung 

Qualifikationsnachweisblatt Zusammenfassung, Abschlussdokument 

Freigabe des Verfahrens Herausgabe der Fertigungsanweisung 


2. Verfahrensqualifikation für Al-Knetlegierungen (1) 

Basis 

Ergebnisse, Erfahrungen aus BMBF-Projekt „Trockenzerspanung von 

Aluminium-Knetlegierungen“ 

Untersuchungen im Rahmen des Arbeitskreises Trockenzerspanung 

Zu qualifizierendes Verfahren 

„Spanabhebende Bearbeitung von Integralbauteilen aus Al- 

Knetlegierungen mit Minimalmengenschmierung“ 

Fertigungsanweisung „Spanabhebende Bearbeitung metallischer 

Bauteile“ 



Anforderungen an das Verfahren: 

Prozesssicherheit und reproduzierbare Bauteilqualität 

Bauteil-/Werkstoffeigenschaften entsprechend dem heutigen 

„Performance Level“, KSS-Zerspanung 

MMS-Medien, keine Korrosion und kein unzulässiger Materialabtrag 

keine Beeinträchtigung nachfolgender Prozesse 

keine Gefährdung von Mensch und Umwelt durch MMS-Aerosole 



Ergebnisse: 

Zerspanprozess 

Trockenzerspanung, ganz ohne Schmierung, nicht prozesssicher 

Minimalmengenschmierung verringert Scheinspanbildung stärker als 

untersuchte Beschichtungen, verhindert Spanverklebungen in Spannut 

Werkzeuge mit großen Spanräumen, Schneidstoff Hartmetall K10/K20 

Werkzeuge für Passungen (z.B. Reibahlen) ggf. etwas kleiner wählen 

Schmiermittelversorgung bei tiefen Taschen/Bohrungen durch ? 

Werkzeuginnenschmierung 




Bauteil-/Werkstoff 

Maßhaltigkeit, Oberflächenrauhigkeit ist gegeben 

keine Weichfleckigkeit infolge MMS- Bearbeitung 

Wöhlerversuche, gleichwertige Ergebnisse für KSS- und 

MMS-Zerspanung 




Minimalmengenschmiermittel – Bauteil, Vorrichtung 

-kein korrosiver Einfluss auf Bauteilwerkstoffe 

keine Korrosion zwischen Al-Werkstoffen und ST37, 

GGG40 

Dichtungsmaterialien, wie für mineralölhaltige 

Kühlschmiermittel verwendet, neigen evtl. zum Aufquellen 

(Dichtungen auf Basis von Fluorelastomeren verwenden) 




MMS - Folgeprozesse 

Schmiermittelreste können beim Gleitschleifen einen 

unzulässigen Belag auf den Bauteilen bilden 

Bauteilreinigung vor dem Gleitschleifen erforderlich 

keine Beeinträchtigung der Farbhaftung 




Umweltaspekte, Arbeitssicherheit 

chemische Bewertung, MMS-Öl enthält keine Gefahrstoffe 

Crackprodukte, Konzentrationen unkritisch 

Arbeitsbereichsanalyse an Großbearbeitungsmaschine - keine Hinweise 

auf eine mögliche Gesundheitsgefährdung 

biologische Untersuchungen, kein Hinweis auf eine mögliche 

Gesundheitsgefährdung 

Gefährdung durch Verpuffung von Schmierstoff-Aerosol - extrem 

geringes Risiko 



Bewertung: 

Das Verfahren erfüllt die gestellten Anforderungen 

Verfahrensspezifische Besonderheiten sind zu 

berücksichtigen, z. B. 

– Werkzeuginnenschmierung bei ungünstigen Eingriffsverhältnissen 

– Anpassung der Reibahlendurchmesser für Passbohrungen 

– Kapselung der Fertigungsanlagen, Absaugung für MMS-Aerosole, 

Späne 

– Reinigung der Bauteile nach dem Zerspanen 







Tel.: 08294-802646, Fax: 08294-802646 


Bohren/Reiben Flügel-Rumpf-Montage 

- Qualifizierung und Einsatz der Trockenzerspanung 


Flügel/Rumpf-Montagebauplatz für A321, A319, A318 


Aufgabenspektrum und Anforderungen 

Aufbohren/Senken/Reiben 

in einem Arbeitsgang 

in der 

Flügel/Rumpf-Montage bei den Airbustypen A321, A319, A318 

ca. 1200 Bohrungen (ca. 10mm / Tiefe: einige cm) in vorgebohrte Löcher 

je Flügelseite in Alu-Schichtpaketen 

in den Fügeschichten der Schichtpakete befindet sich aushärtende Dichtmasse 

konische(TaperLok) wie auch zylindrische(HI-LITE) Bohrungen 

erforderliche Oberflächengüte H7 

bei ständigem Aufenthalt von Mitarbeitern unterhalb dieses 

Arbeitsbereiches! 


Mitarbeiter bei der Flügel/Rumpf-Montage 







Tel.: 08294-802646, Fax: 08294-802646 


Trockenes Fräsen, Bohren und Reiben 

von Integralbauteilen 

aus 

Aluminiumlegierungen 

- Qualifizierung und Einsatz der Trockenzerspanung 


Beispiele von KSS versorgten Spindeln in der 

Großteilezerspanung 


Entwicklung der Technologie (Feldversuche) 


Entwicklung der Technologie (Serienfertigung) 


Anzahl der mit KSS und MMS versorgten 

Spindeln 


Serienproduktion mit MMS-Technik 


MMS-Einsatz in der Hochleistungszerspanung 

- andere, maschinenbedingte Beurteilung 



- Maschinenanforderungen (1) 



- Maschinenanforderungen (2) 




Wirtschaftlichkeit des Verfahrens (1) 


Wirtschaftlichkeit des Verfahrens (2) 


Fazit & Empfehlung (1) 

Trockenzerspanung ist in einem, im Hinblick auf die 

Bauteileigenschaften sehr empfindlichen 

Produktionsbereich – der Luft- und Raumfahrt – mit 

der Zerspanung von Aluminium-Knetlegierungen 

erfolgreich umgesetzt. 

Alles Aspekte dieser neuen Technologie wurden im 

Rahmen der Verfahrensqualifizierung beachtet und 

für gebrauchsfähig bewertet. 

Einsatz der Trockenzerspanung in riskanter 

Mission ist gelungen! 



Trockenzerspanung ist in einem, im Hinblick auf die 

Bauteileigenschaften sehr empfindlichen Produktionsbereich 

– der Luft- und Raumfahrt – mit der Zerspanung 

von Aluminium-Knetlegierungen erfolgreich umgesetzt. 

Alles Aspekte dieser neuen Technologie wurden im 

Rahmen der Verfahrensqualifizierung beachtet und für 

gebrauchsfähig bewertet. 

Der Einsatz der Trockenzerspanung in riskanter 

Mission ist gelungen! 



Werden alle Aspekte wie Werkzeuge, Bearbeitungsparameter 

und Maschinenausrüstung beachtet, so steht 

einer erfolgreichen Anwendung nichts im Wege. 

Nach nunmehr mehr als 10 Jahren Einsatz ergeben sich 

interessante Weiterentwicklungen der MMS-Systeme, die 

eine weitere Prozessoptimierung ermöglichen können. 

Haben Sie keine Scheu bei neuen Anwendungen! 

In eigener Sache: Das STZ steht mit seinen Erfahrungen in 

der Einführung und Umsetzung der Trockenzerspanung unterstützend 

gerne zur Verfügung. 

Nehmen Sie mit uns Kontakt auf!

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