29.05.2024

Machining titanium economically

Holistic process understanding for optimum machining results

Machining titanium is fundamentally different from machining cast iron or steel. For economic results, tool technology and the process must be optimally designed. With its holistic understanding of the overall correlations when machining titanium, MAPAL is able to identify the optimum combination of precision and cost-effectiveness.

The picture shows different tools for titanium machining and an exemplary component.
  • The picture shows different tools for titanium machining and an exemplary component.
  • A diagram shows different phases of tool wear.
The material properties of titanium are valued in many fields such as aerospace, the automotive industry and medical technology. However, the material is notoriously difficult to machine. This is because of its extremely low thermal conductivity. By way of comparison, with steel machining, ten percent of the temperature remains in the workpiece, 15 percent causes stress on the cutting tool and by far the largest proportion, 75 percent of the heat, is transferred into the chips and removed with them. Titanium is completely different. In this case, the chips only absorb 25 percent of the heat. The lion’s share of 60 percent goes into the tool and causes a high thermal load on the cutting edge or the cutting material. This leads to considerably shorter tool lives. In this way, the cutting material costs become the focus of attention.

Influence of the cutting speed on wear and tear

A diagram shows the heat dissipation during milling - comparison of steel and titanium.
Heat dissipation during milling – comparison of steel and titanium. ©MAPAL  ©MAPAL
If the cutting speed is too low, this can lead to adhesion, i.e. the material sticking. If the cutting speed is too high, the risk of abrasion and tribochemical wear increase sharply and the cutting material is burnt. One way to ascertain the condition of the cutting edge is to look at the width of the wear mark. In a stationary range, it grows slowly and continuously. If this range is exceeded and the machining enters the transient range, a rapid and incalculable failure of the tool cutting edge occurs. This happens when the selected cutting speed or feed is too high. There is a difference of up to 100 percent in tool life between the stationary and the transient range.
A diagram shows different phases of tool wear.
Phases of tool wear.   ©MAPAL
It is very important for MAPAL’s area field service to help run in processes, to check the width of the wear mark and to show the customer when the end of the stationary range has been reached, for reliable and optimum machine running times. As a general rule, MAPAL recommends replacing the tool when wear is approximately 0.2 mm. A carbide milling cutter can still be reground then, but not at higher levels of wear.
Das Bild zeigt unterschiedliche Werkzeuge für die Titanzerspanung sowie ein beispielhaftes Bauteil.
Die Zerspanungsspezialisten von MAPAL unterstützen mit innovativer Werkzeugtechnologie und optimaler Prozessauslegung.   ©MAPAL
Das Prozesswissen um die Titanbearbeitung hat MAPAL in die Entwicklung seiner Werkzeugtechnik einfließen lassen. Im Fokus stehen dabei die Verschleißkriterien und ihre Beeinflussung auch über den am besten geeigneten Schneidstoff hinaus. Für eine optimale Wärmebeständigkeit setzt MAPAL auf innovative Schneidstoffe, also ausgewählte Hartmetallsorten und abgestimmte Beschichtungen, die eine möglichst geringe Reibung erzeugen. Die Mikro- und Makrogeometrie mit extrem positiven Werkzeuggeometrien, polierten Spanflächen und Maßnahmen der effizienten Kühlung stellen die Weichen für eine wirtschaftliche Zerspanung. Doch ist das sorgfältige Austarieren der Schnittwerte für die Kosten einer Titanbearbeitung unerlässlich.

Schneller führt nicht zu geringeren Kosten pro Bauteil

Bei der Bearbeitung von Stahl und Guss stehen höhere Schnittgeschwindigkeiten vielfach für höhere Produktivität und niedrigere Gesamtkosten, die sich aus Maschinenkosten und Schneidstoffkosten zusammensetzen. Die Maschinenkosten werden immer geringer, je schneller und effizienter die Maschine bearbeitet. Dabei steigen zwar die Schneidstoffkosten an, ein Optimum der Gesamtkosten stellt sich trotzdem bei einer relativ hohen Schnittgeschwindigkeit ein. Bei Titan hingegen sind höhere Schnittgeschwindigkeiten nicht zielführend. Tobias Gräupel, Technical Expert Indexable Tools bei MAPAL, belegt dies mit einer Wirtschaftlichkeitsberechnung, die die Schnittwerte von Titanbearbeitungen unter Kostengesichtspunkten optimiert. Betrachtet wird eine Fräsbearbeitung mit einem vierschneidigen NeoMill-Titan-2-Corner, der mit einer Schnitttiefe von 4 mm und einer Eingriffsbreite von 24 mm in TiAl6V4 zerspant. Die Untersuchung verschiedener Kombinationen von Vorschüben und Schnittgeschwindigkeiten führt zu einer eindeutigen Empfehlung, was die Arbeitswerte für Titanbearbeitungen angeht.

Zum Vergleich: Bei der Zerspanung eines Bauteils aus Stahl brachte die Verdoppelung der Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min auf 400 m/min eine Gesamtkosteneinsparung pro Bauteil um 24 Prozent. In der Fertigung eines Werkstücks aus Titan hat die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit von 32 m/min auf 50 m/min eine Kostensteigerung um 259 Prozent zur Folge. „Der Steigerung der Schnittgeschwindigkeit macht sich in den Gesamtkosten deutlich bemerkbar. Die Kosten explodieren regelrecht“, kommentiert Gräupel das Ergebnis. Das Kostenoptimum erreicht eine Bearbeitung mit hohen Vorschüben und niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. Würde man hingegen zu den hohen Vorschüben auch die Schnittgeschwindigkeiten maximieren, ergäben sich mehr als vier Mal so hohe Kosten. 

„Speziell bei größeren Losgrößen sind solche Wirtschaftlichkeitsberechnungen unerlässlich“, unterstreicht Gräupel. Schließlich sind bei der Fertigung großer Stückzahlen die Gesamtkosten maßgeblich für Investitionsentscheidungen. Unwirtschaftliche Schnittparameter lassen in Titan die Gesamtkosten explodieren, erst die Kombination von innovativer Werkzeugtechnologie und optimaler Prozessauslegung führt zu einem perfekten Ergebnis. Mit diesem Know-how unterstützen die technischen Berater von MAPAL die Fertigungsverantwortlichen, um unabhängig von Bearbeitung und Produktionslosgröße das Optimum zu erzielen.
 


Kathrin Rehor, PR Project Manager bei MAPAL

Kontakt

Kathrin Rehor Public Relations Kathrin.Rehor@mapal.com Tel.: +49 7361 585 3342


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