DE69422599T2

DE69422599T2 - Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen sowie Sprühklemme dazu

Info

Publication number: DE69422599T2
Application number: DE69422599T
Authority: DE
Inventors: Serge Pierre Jean Lagrolet; Jean-Pierre Leboulanger; Serge Andre Marcel Vallet
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1994-11-30
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2014-12-01
Also published as: IL111803A0; JPH07185991A; FR2713117B1; CA2136923C; CA2136923A1; GR3032985T3; DE69422599D1; EP0656239B1; EP0656239A1; FR2713117A1; US5718156A; IL111803A; ES2140516T3

Description

Diese Erfindung betrifft die Bearbeitung von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen, die insbesondere eine Oberfläche von hoher Qualität aufweisen müssen.
Luftfahrzeuge und ihre Ausstattungen müssen so leicht wie möglich sein, um ihre Handhabbarkeit beim Flug zu erleichtern. Aus diesem Grund wird Titan, das ein hartes, widerstandsfähiges Metall ist und zweimal leichter ist als Stähle, in großer Menge bei der Zusammensetzung von Teilen verwendet, die Bestandteile zahlreicher Ausrüstungsgeräte von Luftfahrzeugen sind, und dies gilt selbstverständlich für Turbotriebwerke.
Da die von einem Luftfahrzeug transportierte Masse so klein wie möglich sein muß, dürfen außerdem die Bestandteile nur funktionale und zweckmäßige Formen haben. Daraus folgt, daß zahlreiche Teile präzise und manchmal sehr komplizierte Formen annehmen, die zahlreiche langwierige und komplizierte Bearbeitungen erfordern. Zum Beispiel kann ein gegossener Rohling bis zu 90% seines Materials in Form von Spänen verlieren. Die Bearbeitungszeiten sind also sehr hoch.
Der Hauptzweck dieser Erfindung besteht daher darin, Werkstücke aus Titan und Titanlegierungen viel rascher zu bearbeiten, als dies heute Praxis ist. Zum Beispiel wird bekanntermaßen die Titanlegierung mit Schneidegeschwindigkeiten von bis zu 60 m/min. bearbeitet.
Die Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht daher darin, diese Schneidegeschwindigkeit für die Bearbeitung von Werkstücken aus Titan und Titanlegierungen zu erhöhen und dabei eine zufriedenstellende Oberflächenqualität zu bewahren.
Durch zahlreiche Fortschritte bei der Zusammensetzung der Schneidematerialien für die Bearbeitung von Stählen sowie in der Flugtechnik verwendete hochschmelzende Legierungen (Keramik und Verbundkeramik) konnten die Schneidgeschwindigkeiten mit dem Faktor 10 vervielfacht werden. Bei den Titanlegierungen hingegen erfolgte keinerlei Fortschritt hinsichtlich der Zusammensetzung der Schneidematerialien.
Aus EP-A-0 211 652 ist ferner ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken aus Titan und Titanlegierungen mittels Schneidplatten aus Wolframkarbid bekannt, bestehend aus - dem Befestigen einer Sprühklemme an einem Werkzeughalter, wobei die Klemme mit zwei miteinander verbundenen Kanälen versehen ist, wobei der Endkanal entlang einer Achse mündet, die genau auf die Schneidkante der Schneidplatte ausgerichtet ist, wobei die Befestigungsmittel eine dichte Anlage zwischen den Flächen der Klemme und dem Werkzeughalter gewährleisten, wobei der Durchmesser des ersten Kanals größer ist als der Enddurchmesser des Endkanals, wobei der Durchmesser des ersten Kanals gleichbleibend ist und der Endkanal einen Reduktionskonus mit einer Kegelneigung von weniger als 45 Grad bildet,
- dem Speisen dieser Kanäle mit Schmierfluid, das unter hohem Druck zwischen 60 und 400 Bar steht, so daß mindestens ein Fluidstrahl genau über die Schneidkante der Schneidplatte gerichtet ist, wobei die Distanz zwischen dem Ende des Endkanals und der Schneidkante zwischen 4 und 12 mm beträgt und der Neigungswinkel der Achse des Strahls zu der Ebene der Schnittseite der Schneidplatte zwischen 0º und 30º beträgt.
Die erste Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht in einem Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken aus Titan und Titanlegierungen mittels Schneidplatten aus Wolframkarbid, wobei die Anordnungen gemäß Anspruch 1 verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Schmierfluidstrahl unter hohem Druck, d. h. 60 bis 400 Bar verwendet, dessen Achse auf die Schneidkante der Schneidplatte gerichtet ist.
Um diese Anwendung zu erleichtern, muß die Distanz D zwischen dem Ende des Strahlkanals und der Schneidkante der Schneidplatte zwischen 4 und 12 mm betragen (4 mm ≤ D ≤ 12 mm).
Bei einem geradlinigen Kanal für den Fluidstrahl kann eine Reduktion des Durchmessers nur mit einem Reduktionskonus eingesetzt werden, dessen Kegelneigung C zur Achse des Kanals 45 Grad nicht überschreitet (C ≤ 45º).
Außerdem kann bei einem geradlinigen Kanal für den Fluidstrahl diese Reduktion des Durchmessers nur über eine Länge L eingesetzt werden, die zwischen 6d und 10d liegt (6d ≤ L ≤ 10 d), wobei d der Durchmesser des reduzierten Kanals des Strahls ist.
Wenn der Kanal für den Fluidstrahl einen Richtungswechsel aufweist, darf der Winkel A des Richtungswechsels 30º nicht überschreiten (A ≤ 30º).
Bei einer Reduktion des Durchmessers des Kanals für den Fluidstrahl muß der vordere Abschnitt, der der breitere ist, mit einem Konus enden, dessen Kegelneigung F 120 Grad nicht überschreiten darf (F ≤ 120º).
Zwischen der Achse des Strahls und der Schnittseite muß ein Neigungswinkel I vorgesehen sein. Dieser Winkel I darf 30 Grad nicht überschreiten (I ≤ 30º).
Wenn eine Schneidplatte mit einer großen Schneidkante verwendet wird, können mehrere Fluidstrahlen vorgesehen werden, um diese Kante zu schmieren.
Eine zweite Hauptaufgabe dieser Erfindung besteht in einer Sprühklemme mit Werkzeughalter für die Bearbeitung von Werkstücken aus Titan und Titanlegierungen.
Erfindungsgemäß besteht sie aus:
- Befestigungsmitteln zum Befestigen der Klemme an dem Werkzeughalter,
- mindestens einem Kanal zum Abgeben von unter Druck stehenden Strahlen, dessen Endabschnitt auf einer Achse mündet, die zu der Schneidkante des Werkzeugs hin gerichtet ist.
Bei einer geradlinigen Schneidkante können mehrere Kanäle für Fluidstrahlen vorgesehen werden, und zwar ein mittlerer, der senkrecht zur Schneidkante verläuft, und zwei seitliche, die beiderseits des mittleren Kanals leicht verschoben angeordnet sind.
Die gleiche Kanalverteilung kann bei Verwendung einer kreisbogenförmigen Schneidkante vorgesehen werden.
Mehrere Ausführungen der Erfindung und ihre technischen Merkmale sowie Ausführungsformen, die nicht von den Ansprüchen abgedeckt sind (siehe die Fig. 2 und 3), die aber um eines besseren Verständnisses der Erfindung willen dargestellt werden, werden in der folgenden Beschreibung mit einigen beigefügten Figuren beschrieben, wobei
Fig. 1 im Schnitt eine erfindungsgemäße Klemme zeigt,
Fig. 2 im Schnitt von oben gesehen die Klemme von Fig. 1 bei Verwendung einer Schneidplatte mit geradliniger Schneidkante zeigt,
Fig. 3 im Schnitt von oben gesehen die Klemme von Fig. 1 bei Verwendung einer Schneidplatte mit runder Schneidkante zeigt,
Fig. 4 schematisch die Positionierung der Fluidstrahlen bei einer Schneidplatte mit geradliniger Schneidkante zeigt,
Fig. 5 schematisch den Positionierungsabstand der Fluidstrahlen bei einer Schneidplatte mit runder Schneidkante zeigt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Positionierung eines Kanals für Fluidstrahlen im Verhältnis zur Schneidplatte zeigt,
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Form eines Kanals für Fluidstrahlen mit Reduktion des Durchmessers zeigt,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Kanals für Fluidstrahlen mit Richtungsänderung zeigt.
Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Werkzeughalter 1, an dem eine Klemme 2 befestigt ist, die zur Sprühschmierung einer Schneidplatte 10 dient, die beispielsweise aus Wolframkarbid besteht und an dem Werkzeughalter 1 befestigt ist. Die Klemme ist mit zwei Befestigungsschrauben 3 befestigt. Sie weist einen inneren Kanal 5 auf, der gegenüber einem Kanal 4 des Werkzeughalters I positioniert ist. Eine Dichtung 11 kann den Aufbau im Bereich der Verbindung der beiden Teile vervollständigen.
Der innere Kanal 5 setzt sich in einem Kanal 6 für den Fluidstrahl fort. Dieser ist auf die Schneidkante 9 der Schneidplatte 10 gerichtet. Mit anderen Worten, die Achse 6A des Kanals 6 ist auf die Schneidkante 9 gerichtet. Es wurde der Winkel I eingeführt, der die Positionierung des Kanals 6 und seiner Achse 6A im Verhältnis zur Ausrichtung der Ebene der durch eine Linie 8 dargestellten Schnittfläche bestimmt. Es ist zu bemerken, daß dieser Ausrichtungswinkel I bevorzugt zwischen 0 und 30º beträgt.
Es zeigt sich auf diese Weise, daß es möglich ist, ein unter hohem Druck stehendes Schmierfluid in den inneren Kanal 5 der Klemme 2 zu führen und mittels des Kanals 6 einen Schmierstrahl auf die Schneidkante 9 der Schneidplatte 10 zu richten. Bei Verwendung von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen können die Schmierfluide unter Drücke von 80 bis mindestens 400 Bar (80 · 10&sup5; bis 400 · 10&sup5; Pascal) gesetzt werden.
Das Aufspritzen des unter hohem Druck stehenden Schmieröls auf den Span hat zur Wirkung, diesen zerkleinernd aufzuwirbeln, so daß das Schmieröl so nahe wie möglich an die Grenzfläche Werkzeug/Werkstoff herankommt. Auf diese Weise wird eine ständige Kühlung der Schneidkante erreicht, wohingegen bisher die Konzentration der Wärme auf der Schneidkante in einer Größenordnung von 80% auftrat. Durch die überschüssige Kraft, die, aufgrund, des hohen Drucks vorhanden ist, kann der Span zerkleinert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, Werkstücke aus Titan oder Titanlegierungen mit einer Schneidgeschwindigkeit von nahezu 150 m/min. zu bearbeiten. Die erzielte Oberfläche ist dabei von der gleichen Qualität wie unter gewöhnlichen Bearbeitungsbedingungen bei diesem Werkstoff. Es werden Stücke mit einer Präzision im Bereich von fünf Mikrometern erzielt.
Selbstverständlich ist es unter diesen Druckverhältnissen des Schmierfluids erforderlich, an der verwendeten Werkzeugmaschine entsprechende Vorkehrungen zu treffen. Das betrifft den Schutz der elektrischen, mechanischen, kinematischen Teile, die Dichtungsteile, die Ansaugung und den Personenschutz. Insbesondere muß eine dichte Haube den zuvor für den Bediener zugänglichen Raum abdecken. In der Tat wird bei Drücken in der Größenordnung von 400 Bar (400 · 10&sup5; Pascal) während der Bearbeitungen ständig Schmierfluid und Späne herausgespritzt bzw. herausgeschleudert. Alle Flächen, die den Bearbeitungsinnenraum umgeben, d. h. der Werkzeughalter, das Werkstück, das Werkzeug, die Innenwände der Werkzeugmaschine und der Haube, sind ständig diesen Auswürfen ausgesetzt.
In dieser Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Sprühklemme 2 nicht nur eine hydraulische Funktion ausüben kann, sondern auch zur Befestigung der Schneidplatte 10 an dem Werkzeughalter 1 beitragen kann.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung eines Aufbaus, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Hier ist die Schneidplatte 10 eine Wolframkarbid-Platte mit einer geradlinigen Schneidkante und kann über die gesamte Schnittbreite wirksam sein. Wie zu erkennen ist, kann auf diese Weise der Kanal 6 in drei Teile unterteilt werden, um das Schmierfluid auf alle wirksamen Bereiche der Scheidkante 9 zu verteilen.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist der Aufbau von der gleichen Art wie der von Fig. 2. Die Schneidplatte 12 hat eine runde Schneidkante 13, um ringförmige Auskehlungen bearbeiten zu können oder Langdrehgänge ausfuhren zu können. Die drei Kanäle 6 sind ebenfalls winkelmäßig analog zu der Positionierung der Kanäle 6 von Fig. 2 angeordnet. Es ist jedoch festzuhalten, daß ihr Ende 6E sich in einem relativ konstanten Abstand D von dem Punkt der Schneidkante 13 befindet, der sich in der Verlängerung ihrer jeweiligen Achse befindet. Auf diese Weise erreicht das Schmierfluid die Schneidkante an jedem Punkt unter den gleichen Bedingungen.
In Fig. 4 sind schematisch die verschiedenen Möglichkeiten, diesen Abstand D zwischen der Schneidkante 9 und den Enden 6E der Kanäle 6 zu variieren, dargestellt. Es erweist sich als Wirungsvoll, diese Enden 6E in einem Abstand D von 4 bis 12 mm von der Schneidkante 9 zu positionieren, d. h. 4 mm ≤ D ≤ 12 mm. Dieser wird abhängig auch von dem Neigungswinkel I der Achse 6A dieser Kanäle 6 zu der Schnittebene, die in Fig. 1 die Bezugszahl 8 hat, gewählt.
In Fig. 5 ist ein äquivalentes Schema für eine Schneidplatte 12 dargestellt, deren Schneidkante 13 rund geformt ist. Wie in Fig. 3 dargestellt, befinden sich die Enden 6E in jedem Fall in einem identischen Abstand D. Es ist zu bemerken, daß der mittlere Kanal 6C werter nach vorn ragt als die seitlichen Kanäle 6L, da der Punkt der Schneidkante 13, den er erreicht, weiter entfernt liegt als die Punkte, auf die die Fluidstrahlen aus den seitlichen Kanälen 6L treffen.
In Fig. 6 kommt nicht nur der Neigungswinkel I, der in Fig. 1 für die Achse 6A zur Schnittebene 8 bestimmt wird, zur Geltung, sondern auch seine Richtung. Diese verläuft direkt zur Schneidkante 9.
Fig. 7 stellt dar, das es möglich ist, am Ausgang des Kanals 6 einen sehr hohen Druck zu erzielen, indem in der Klemme eine Reduktion des Durchmessers zwischen dem inneren Kanal 5 und dem Kanal 6 eine Reduktion des Durchmessers vorgesehen wird. Dabei erweist es sich mit dem Zweck, keine Störungen im Strom des Schmierfluids zu verursachen, als besonders wirksam, eine konische Reduktion des Durchmessers vorzusehen, deren Kegelneigung C zur Achse 6A des Kanals 6 nicht über 45 Grad hinausgeht; 0 ≤ C ≤ 45º.
Außerdem darf der Endteil des Kanals 6, der den Schmierfluidstrahl ausstößt, nicht zu lang sein, wodurch ein Druckverlust entstünde, noch zu kurz sein, was einen nicht homogenen Strahl hervorrufen könnte. Vorzugsweise sollte die Länge L des Kanals 6 zwischen 6d und 10d betragen; 6d ≤ L ≤ 10 d.
In Fig. 8 wird schematisch eine Richtungsänderung zwischen dem inneren Kanal 5 und dem Kanal 6 dargestellt. Mit dem Ziel, nicht zu viele Störungen in dem Schmierfluid zu verursachen, sollte der Winkel A zwischen der Achse 6A des Kanals 6 und der Achse 5A des inneren Kanals 5 30º nicht überschreiten; 0º ≤ A ≤ 30º. Wenn in diesem Bereich eine Reduktion des Durchmessers erzielt werden soll, darf außerdem das Loch, das den inneren Kanal 5 bildet, nicht abrupt enden. Ein konisches Ende mit einem Winkel von maximal 120º ist in diesem Fall vorzuziehen;
0º ≤ F ≤ 120º.
In Anbetracht der sehr hohen Drücke von 80 bis 400 Bar (80 · 10&sup5; bis 400 · 10&sup5; Pascal), die bei dieser Art von Bearbeitung von Werkstücken aus Titan oder Titanlegierungen verwendet werden, müssen an der verwendeten Werkzeugmaschine entsprechende Vorkehrungen getroffen werden. Zum Beispiel ist es erforderlich, Absaugsysteme für den Sprühnebel vorzusehen, der aus dem Gemisch von Spänen und Schmierfluidtröpfchen entsteht.
Dieser muß bis zu einem Feinheitsgrad von vorzugsweise unter 50 um gefiltert werden. Eine solche Filtrierung wird mittels eines Filterpapiers wie das im Auffangbehälter einer Schleifmaschine mit emulgierbarem Öl erzielt.
Die zur Durchführung eines solchen Verfahrens verwendete Hochdruckpumpe muß in der Lage sein, Schmierfluidstrahle mit einer Gesamtleistung in der Größenordnung von 10 kW unter einem Druck von 300 Bar auftreffen zu lassen. Eine solche Pumpe wird von einem Dreiphasenwechselstrommotor mit 15 kW getrieben.
Wie die beiden letzten Figuren zeigen, müssen die Regeln der hydraulischen Mechanik befolgt werden, um die Druckverluste in der Sprühklemme, d. h. in dem inneren Kanal 5 und dem Kanal 6 zu begrenzen. Es ist daher notwendig, für diese Kanäle gleichmäßige Krümmungen zu verwenden und keine zu abrupten Richtungsänderungen oder zu abrupten Änderungen von Querschnitten vorzunehmen. Außerdem müssen tote Rücklaufräume vermieden werden.
Unter solchen Bearbeitungs- und Schmierbedingungen können Schneidgeschwindigkeiten von 150 bis 180 m/min. erreicht werden, was einen Gewinn von 2,5 in der Schneidgeschwindigkeit bedeutet. Bei der Gesamtherstellungsdauer kann mit einer Verbesserung von 30 bis 40% gerechnet werden.
In Anbetracht dessen, daß die Späne zerkleinert werden, wir auch ihre Abfuhr verbessert. In der Tat wird eine gute Zerkleinerung der Späne erzielt, wodurch die Abschaltungen der Maschine, die erforderlich waren, um die bisher langen und zähen Späne zu entfernen, vermieden werden.
Hinsichtlich der sich ergebenden Oberfläche kann ein großer Mittenrauhwert ("RA") von annähernd 0,4 erreicht werden.
Bei der Endbearbeitung sollte der Wert von 100 Bar des angewendeten Drucks vorzugsweise nicht überschritten werden. Andernfalls besteht in der Tat die Gefahr, daß die Späne mit einer Stärke gegen die Flächen des Werkstücks prallen können, die ausreicht, um diese möglicherweise durch Kratzer zu beschädigen.

Claims

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken aus Titan und Titanlegierungen mittels Schneidplatten aus Wolframkarbid, bestehend aus

- dem Befestigen einer Sprühklemme (2) an einem Werkzeughalter (1), wobei die Klemme (2) mit zwei miteinander verbundenen Kanälen (5, 6) versehen ist, wobei der Endkanal (6) entlang einer Achse (6A) mündet, die gerade auf die Schneidkante (9, 13) der Schneidplatte (10, 12) ausgerichtet ist, wobei die Befestigungsmittel (3) eine dichte Anlage zwischen den Flächen der Klemme (2) und dem Werkzeughalter (1) gewährleisten, wobei der Durchmesser des ersten Kanals (5) größer ist als der Durchmesser des Endkanals (6), wobei diese Durchmesser jeweils gleichbleibend sind und durch einen Reduktionskonus mit einer Kegelneigung von Weniger als 45 Grad miteinander verbunden sind, wobei die Länge L des Endkanals (6) zwischen 6d und 10d liegt, wobei d sein Durchmesser ist,

- dem Speisen dieser Kanäle (5, 6) mit Schmierfluid, das unter hohem Druck zwischen 60 und 400 Bar steht, so daß mindestens ein Fluidstrahl genau über die Schneidkante (9, 13) der Schneidplatte (10, 12) gerichtet ist, wobei die Distanz (D) zwischen dem Ende (6E) des Endkanals (6) und der Schneidkante (9, 13) zwischen 4 und 12 mm beträgt und der Neigungswinkel (I) der Achse (6A) des Strahls zu der Ebene der Schnittseite (8) der Schneidplatte (10, 12) zwischen 0º und 30º liegt,

- der Bearbeitung des Werkstücks bei einer Schneidgeschwindigkeit von mehr als 150 m pro Minute.