Wesentliche Punkte der Zerspanung von CMC (Keramikmatrixverbundwerkstoffen) und Werkzeugauswahl

CMC (Keramikmatrixverbundwerkstoffe) werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, hohen Temperaturbeständigkeit und geringen Dichte in der Luft- und Raumfahrt, der Energiebranche sowie im Automobilsektor breit eingesetzt. Die Bearbeitung von CMC ist jedoch äußerst anspruchsvoll und erfordert spezielle Verfahren sowie geeignete Werkzeuge. Im Folgenden werden die wichtigsten Aspekte der mechanischen Bearbeitung von CMC sowie Empfehlungen zur Werkzeugauswahl vorgestellt:

I. Schwierigkeiten bei der mechanischen Bearbeitung von CMC

Hohe Härte und Sprödigkeit:

• Die Härte von CMC liegt nahe an der von Diamant und neigt leicht zu Rissen und Abplatzungen;

• Während des Bearbeitungsprozesses kommt es leicht zu sprödem Bruch.

Anisotropie:

• Faserverstärkte Strukturen führen zu richtungsabhängigen Materialeigenschaften, weshalb die Verarbeitungsparameter dynamisch angepasst werden müssen.

Risiko von Hitzeschäden:

• Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung kann die lokale Temperatur über 1000 °C erreichen, was leicht zu thermischen Rissen im Werkstoff führt.

Hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität:

• In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden für CMC-Bauteile in der Regel Oberflächenrauheiten von Ra ≤ 0,8 μm gefordert.
Abbildung 1: Luftfahrttriebwerk

2. Wichtige Punkte der Verarbeitungstechnik

1. Verarbeitungsmethode

Traditionelle Verarbeitung:

• Schleifen: geeignet für die hochpräzise Oberflächenbearbeitung;

• Drehen: Wird für Bauteile mit einfachen Formen verwendet.

Sonderbearbeitung:

• Laserbearbeitung: für das Schneiden komplexer Formen;

• Ultraschallunterstützte Bearbeitung: Reduzierung der Schnittkräfte, Verbesserung der Oberflächenqualität.

2. Optimierung der Bearbeitungsparameter

Schnittgeschwindigkeit:

• Niedriggeschwindigkeitszerspanung (<50 m/min) verringert thermische Schäden;

• Hochgeschwindigkeitszerspanung (>200 m/min) erfordert ein Kühlsystem.

Vorschub:

• Ein geringer Vorschub (0,01–0,05 mm/Umdrehung) verringert die Schnittkraft;

• Bei hohen Vorschüben (>0,1 mm/Umdrehung) ist die Werkzeugfestigkeit sicherzustellen.

Kühlweise:

• Trockenes Zerspanen: Reduzierung des thermischen Schocks;

• Minimalmengenschmierung (MQL): Reduzierung von Reibung und Temperatur.

Abbildung 2: Niederdruckturbinenschaufeln, die an der F414-Strahltriebwerkstestanlage geprüft wurden

3. Besonderheiten bei der Werkzeugauswahl

1. Werkzeugmaterial

Diamant (PCD):

• Hohe Härte und hervorragende Verschleißfestigkeit, geeignet für kontinuierliches Schneiden;

• Nachteile: Hohe Sprödigkeit, leichtes Ausbrechen der Schneide.

Kubisches Bornitrid (CBN):

• Hohe Temperaturbeständigkeit und Wärmeschockbeständigkeit, geeignet für intermittierendes Schneiden;

• Nachteile: Hohe Kosten; die Oberflächenqualität der bearbeiteten Fläche ist geringfügig schlechter als bei PCD.

Hartmetall (WC-Co):

• Wirtschaftlich und praktisch, geeignet für die Grobbearbeitung;

• Nachteile: Unzureichende Abriebfestigkeit, relativ kurze Lebensdauer.

2. Geometrische Parameter des Werkzeugs

Vorderwinkel:

• Ein negativer Vorschubwinkel (-5° bis -10°) erhöht die Schneidkantenfestigkeit und verringert das Ausbrechen der Schneidkante;

• Ein positiver Schneidwinkel (5° bis 10°) verringert die Schnittkraft und ist für die Feinbearbeitung geeignet.

Hinterwinkel:

• Ein größerer Rückenwinkel (10° bis 15°) verringert die Reibung und senkt das Risiko thermischer Schäden.

Kantenbearbeitung:

• Passivierungsbehandlung (Radius 0,02–0,05 mm) zur Reduzierung von Schneidenabplatzungen.

3. Beschichtungstechnologie

Diamantbeschichtung:

• Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Verlängerung der Werkzeuglebensdauer;

• Geeignet für Hochgeschwindigkeitszerspanung.

TiAlN-Beschichtung:

• Hohe Temperaturbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit, geeignet für Trockenbearbeitung;

• Geeignet für Bearbeitungen mit mittlerer und niedriger Geschwindigkeit.

4. Empfehlungen für typische Werkzeuge

1. Verarbeitungsbeispiel
   Bearbeitung von Turbinenschaufeln in der Luft- und Raumfahrt:
   1. Werkzeug: PCD-Kugelkopffräser;
   2. Parameter: Schnittgeschwindigkeit 50 m/min, Vorschub 0,02 mm/Umdrehung;
   3. Ergebnis: Die Oberflächenrauheit Ra beträgt ≤ 0,8 μm, es sind keine Risse vorhanden.
   Bearbeitung von Fahrzeugbremsscheiben:
   1. Werkzeug: CBN-Drehmeißel;
   2. Parameter: Schnittgeschwindigkeit 200 m/min, Vorschub 0,1 mm/Umdrehung;
   3. Ergebnis: Die Bearbeitungseffizienz wurde um 30 % gesteigert, und die Werkzeuglebensdauer wurde um 50 % verlängert.
   Abbildung 3: GE9X-Triebwerk

Erfolgsbeispiel von „Pfeil durch Stein“:
Bearbeitung von CMC-Düsen für Satellitenlagekontrollsysteme
• Herausforderung: 0,05 mm dünne Wandstrukturen mit einer Oberflächenrauheit von Ra ≤ 0,4 μm;

• Lösung: JCFC-9X Fräser mit Diamantbeschichtung + intelligentes Schwingungsunterdrückungssystem;

• Ergebnisse: Die Ausbeute an einwandfreien Produkten stieg von 62 % auf 98 %, und der Bearbeitungszyklus wurde um 45 % verkürzt.

Kundenbewertung: Die maßgefertigten Werkzeuge und Prozesspakete von Arrow Through Stone haben unser Problem mit Randabbrüchen vollständig gelöst – Senioringenieur eines Instituts der Raumfahrttechnologie.
VI. Zukünftige Entwicklungsrichtungen
Intelligente Verarbeitung:

• Das arrow-through-stone iMachining-4.0-System ermöglicht die thermodynamische Simulation und die Echtzeitkompensation des Bearbeitungsprozesses;

• Optimierung der Werkzeugpfade durch KI-Algorithmen zur Reduzierung thermischer Schäden.
Umweltfreundliche Fertigung:
• Die EcoCut-Serie von Arrow durchdringt Stein und ermöglicht eine Reduzierung des Energieverbrauchs beim Trockenschneiden um 30 %;
• Entwicklung wiederverwertbarer Werkzeugmaterialien.
Komplexe Bearbeitungstechnologie:
• Das Arrow-Through-Stone-HybridCell-Gerät integriert lasergestütztes Drehen, wodurch die Bearbeitungseffizienz um das Dreifache gesteigert wird;
• Verbreitung der Ultraschall-unterstützten Bearbeitungstechnologie.

Abbildung 4: Turbinenschutzhaube des LEAP-Triebwerks aus CMC-Material gefertigt

VII. Empfehlungen von Branchenführern
Als Innovator im Bereich der CMC-Bearbeitung hat ArrowCut® (ArrowCut®) den Antrag auf Eintragung einer Marke gestellt:
1. Gewerbliches Geheimnis : Weltweit erstes adaptives CMC-Bearbeitungswerkzeug;
2. Komplette Lösung : Ein Komplettservice von der Werkzeugkonstruktion über das Prozessparameterpaket bis hin zum Online-Überwachungssystem;
3. Erfolgreiche Verifizierung : Bereits Serienlösungen für Heißteilkomponenten der Boeing 787, Siemens-Gasturbinen und weitere Anwendungen bereitgestellt.
Mit dem anhaltenden Anstieg der Nachfrage nach CMC-Bauteilen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt sowie der neuen Energie hat sich die hocheffiziente Präzisionsbearbeitung zu einem zentralen Schlüssel zur industriellen Aufwertung entwickelt. Angesichts weltweiter Herausforderungen wie der Kontrolle der Sprödigkeit der Werkstoffe und der Unterdrückung thermischer Schäden verfolgt Arrowstone Technology einen integrierten Innovationsansatz, der Material, Prozess und Ausrüstung miteinander verknüpft. Die mit einer nanogradienten Beschichtung ausgestatteten Schneidwerkzeuge gewährleisten nicht nur die Integrität der Schneidkante, sondern steigern zugleich die Wärmeleitungseffizienz beim Zerspanen um 65 %. Darüber hinaus hebt das intelligente Kompensationssystem die Ausbeute an qualitativ einwandfreien Bauteilen auf ein neues Branchenniveau.
Arrow Through Stone verfolgt konsequent das Leitbild „Harte Lösungen für harte Herausforderungen – intelligente Fertigung auf höchstem Niveau“ und hat inzwischen eine lückenlose, ganzheitliche Dienstleistungskette aufgebaut, die von der Werkzeugentwicklung über die Prozessoptimierung bis hin zur intelligenten Überwachung reicht. Wir erkunden die Grenzen der Bearbeitung keramikmatrixverbundener Werkstoffe; besuchen Sie unsere Unternehmenswebsite www.island-tech.cn, um sich über unsere Prozessoptimierungslösungen zu informieren. Gemeinsam treiben wir die Weiterentwicklung hochmoderner Werkstoffbearbeitungstechnologien in neue Dimensionen voran.