Automotive technology for aeroplanes

The F. Zimmermann GmbH from the town Neuhausen auf den Fildern is known above all for its big portal milling machines. The export-oriented machine manufacturer has already delivered more than 550 systems in 37 countries worldwide. They can often be found in the R&D departments of large corporations where they support the entire product development process from drafting designs to the various stages of prototyping. “Everything which one day takes form was on one of our machines as a model”, says Steffen Nüssle, Head of Sales and Application Technology at Zimmermann.

Typical material for model making are wood, polystyrene and Ureol. Zimmermann began metalworking more than 20 years ago with aluminium. This was their door opener for the aerospace industry. Gradually, they tried their hand at machining composite material, steel and highly heat-resistant workpiece material like titanium, Waspaloy, Inconel and invar. Models and prototypes are not the focus anymore with these materials. The aerospace industry uses the portal milling machines to produce parts.
 

The part in question is an approximately 1.5-metre-long mount. A particular machining challenge was posed by the row of twelve bores in the lugs, which are located over a space of 990 mm on the workpiece. The customer required high precision here. A tolerance of H7 was stipulated at a bore diameter of 17 mm. Over the entire length of the part, the concentricity of the bore had to be less than 0.05 mm. The same accuracy is necessary for the perpendicularity of the bore lugs towards the part surface.

Zimmermann picked MAPAL as its tool partner for good reason. “Our application engineers don’t make any compromises for a turnkey project like this one. Only a very good system partner comes into question”, says Nüssle, who goes on to report that he had only the best experience with the tool manufacturer.

Past Zimmermann turnkey projects involved wing spars for the Airbus A350 or countersinks and deep bores on wind turbine blades made of fibreglass. While employed for another machine manufacturer, Nüssle also worked with MAPAL. This involved machining bearing seats for crankshafts and camshafts for large diesel motors using the line boring technology. MAPAL has acquired extensive knowledge about such line boring bars from the automotive industry. Now this knowledge is required for aerospace parts whose lugs are very similar to the journal bearings in the crankshaft bearing aisle of a combustion engine.
 

Ins Grübeln kamen die Projektpartner beim Material für das Bauteil, laut Kunde geschmiedete Rohlinge aus der Titanlegierung TA15m. „Mit Flugzeugtitan kennt sich jeder von uns aus und weiß, worauf er sich einlässt, aber diese spezielle Legierung haben selbst eingefleischte Flugzeugexperten bei uns nicht gekannt“, räumt Steffen Nüssle ein. Auch Jens Ilg, der bei MAPAL im Segment Aerospace & Composites tätig ist, bestätigt: „Das Material war auch für uns exotisch.“ Es stellte sich heraus, dass TA15m ein pulvermetallurgisch hergestellter Werkstoff ist. Das gesinterte Material wird durch einen speziellen Prozess nachverdichtet, wodurch das Werkstück die Charakteristik eines Schmiedeteils erlangt.

Für die Auslegung der Maschine stellte der Kunde keine Rohlinge zur Verfügung. Daher blieb nichts anderes übrig, als von einem Titanbarren auszugehen und die Form des Rohlings mit seinem Aufmaß aus dem Vollen heraus zu fräsen. So wurde das Rohteil imitiert, das beim Kunden Ausgangspunkt der Fertigung werden soll. Allein diese Vorarbeit benötigte eine Bearbeitungszeit von 30 Stunden.
 

Parallel zum Aufbau der Maschine bei Zimmermann in Neuhausen begann MAPAL in Aalen bereits mit Werkzeugtests, für die der Werkzeughersteller eine von Grund auf neu entwickelte Generation an Titanwerkzeugen einsetzen konnte. Um hohe Abtragsraten zu erreichen, hat sich der Walzenstirnfräser NeoMill-Titan durchgesetzt. Die neue Topographie der Wendeschneidplatten hat MAPAL so entwickelt, dass die Späne optimal geformt und abgeführt werden. Ein ebenfalls neues Schneidstoffkonzept minimiert den Verschleiß und die Bildung von Aufbauschneiden. 

Selbst erfahrene Anwendungstechniker waren überrascht, wie ruhig und fast lautlos die Werkzeuge arbeiteten. Auch die Standzeit überzeugte. Die von Bernd Scheurenbrand erwarteten 60 Minuten wurden deutlich übertroffen. „Teilweise waren die Werkzeuge fast sieben Stunden im Eingriff, das ist eine sensationelle Standzeit“, schwärmt der erfahrene Anwendungstechniker von Zimmermann. Dieses Ergebnis wurde möglich unter anderem dank einer modernen Schutzbeschichtung mit guter Haftung am Werkzeug, einer effektiven Temperaturbarriere und einer sehr glatten Oberfläche, die die Hitze in der Schnittzone reduziert.
 

Eine hervorragende Kühlung ist bei der Bearbeitung von Titan essenziell, um die entstehende Wärme abzuführen. Damit der volle Kühlmitteldruck am Fräser anliegt, wurden MAPAL MillChucks als Spannfutter eingesetzt, bei denen die Kühlmittelzufuhr integriert ist. Für den Kühlschmierstoff wählte Zimmermann das Unternehmen Blaser Swisslube als weiteren Projektpartner, dessen Kühlmittel bestens hochdruckgeeignet ist. 

Für Bohrungen seitlich in die Laschen hat MAPAL ein Sonderwerkzeug mit Winkelkopf auf Basis des MEGA-Speed-Drill-Titan entwickelt. Der Bohrer bohrt, entgratet anschließend mit der Senkstufe hinten und zirkuliert dann rückwärts auch noch eine Fase.
 

Die 685 mm lange Reihenbohrstange mit Durchmesser 17 mm, die im Anschluss die Fertigbearbeitung übernimmt, ist mit zwei einstellbaren Schneiden bestückt und wird zwischen den Laschen in Führungsbuchsen geführt. Die erste Schneide bohrt die Hauptbohrung auf und egalisiert so einen eventuell durch die Vorbearbeitung entstandenen Versatz. Schneide 2 erzeugt unmittelbar danach den Fertigdurchmesser in H7-Qualität. Die lange Bohrstange erinnert Jens Ilg dabei an ein Laserschwert: „Dieses Schwenkmanöver, um das Werkzeug vor dem Bauteil zu positionieren, hat schon etwas von Star Wars.“ Die Portalfräsmaschine, eine sechsachsige FZ42 mit Fräskopf VH60, bietet mehr als genug Platz für das spektakuläre Herumwirbeln. Der Arbeitsraum hat eine Größe von 8,50 x 3,90 x 1,50 m und ist aufgeteilt in einen Bereich mit festem Maschinentisch und einen Bereich mit Rundtisch für weitere Bearbeitungen.

Das Übertragen der Ergebnisse aus dem Testzentrum von MAPAL auf die Maschine in Neuhausen war ein kritischer Schritt des Projekts, wie Nüssle schildert: „Nach den erfolgreichen Testläufen in Aalen wussten wir, wo die Reise hingehen musste. Unser Portalfräszentrum ist viel größer als das Bearbeitungszentrum in Aalen, hat größere bewegte Massen und größere Hebellängen. Und ist damit nicht ganz so steif.“

Die Befürchtungen erwiesen sich als unnötig: Hier wie dort wurden die gewünschten Genauigkeiten mit hoher Prozesssicherheit erreicht. Das gilt insbesondere auch für die Mitte des Werkstücks, wo die Bohrungen von beiden Seiten aufeinanderstoßen und ein kleiner Versatz möglich ist. Die Messergebnisse belegen, dass die Bearbeitung auf Umschlag geklappt hat: Gerade mal 8 µm Differenz wurden an dieser Stelle gemessen. Das Line Boring Verfahren sorgt dafür, dass eine einmal erreichte Präzision auch nach einigen Jahren noch reproduziert werden kann, denn die Maschine stellt nur Vorschub und Drehzahl bereit, während die eigentliche geometrische Führung aus der Vorrichtung kommt.
 

Zimmermann hat bei der Konstruktion seiner Vorrichtung viel für die Schwingungsdämpfung getan. Durch die zahlreichen Spangen und Klammern kamen allerdings auch etliche Störkonturen ins Spiel. Hier hat der Maschinenhersteller seine Kompetenz aus dem Modellbau genutzt und zunächst einen Rohling aus Kunststoff angefertigt. „Wenn beim ersten Versuch etwas schiefgelaufen wäre, hätten wir weder das teure Titan, noch das Werkzeug oder gar die Maschine beschädigt“, erläutert Nüssle. Doch es lief auf Anhieb glatt durch und für das erste Titanteil waren nur noch die Schnittparameter anzupassen.

Von der guten Zusammenarbeit zwischen Zimmermann und MAPAL ist Steffen Nüssle sehr angetan: „Ich war schon bei vielen Turnkey-Entwicklungen dabei, habe aber noch nie ein Projekt erlebt, das so satt durchgeflutscht ist wie dieses. Das hat richtig Spaß gemacht.“ Die geografische Nähe zwischen Neuhausen und Aalen war dabei ein großer Vorteil: Nach einer Stunde Autofahrt konnte man direkt an der Maschine die jeweils nächsten Schritte gemeinsam besprechen.