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Weltrekordverdächtig!

Auf der EMO 2023 präsentierte Starrag den Prototyp des hydrostatisch gelagerten 5-Achs-Bearbeitungszentrums Starrag S1250 HD. Mit ihrer außergewöhnlichen Steifigkeit und Dämpfung sorgte die Maschine damals für Schnittwertrekorde beim Schruppen von Titan. Die heutige Serienausführung steigert diese Rekorde auf ein unglaubliches Niveau, wie erste Tests beweisen. Dafür verantwortlich sind unter anderem eine noch steifere Struktur, ein neuer Fräskopf mit 15.000 Nm und ein Getriebedrehtisch mit 25.000 Nm Drehmoment.

Schon seit vielen Jahren setzt die Starrag-STC-Baureihe Maßstäbe in der wirtschaftlichen Bearbeitung von Strukturbauteilen aus Titan. Dieser schwer zerspanbare, extrem zähe Werkstoff mit seinem schlechten Wärmeleitkoeffizienten führt zu einer hohen Belastung der Werkzeugschneiden und verhindert hohe Drehzahlen. Eine erfolgreiche Bearbeitung setzt niedrige Drehzahlen und dafür hohe Drehmomente voraus, die von der Maschine wiederum eine hohe Steifigkeit und Dämpfung verlangen. Daher entschied sich Starrag, sein horizontales Bearbeitungszentrum STC 1250 in einer Variante anzubieten, bei der die horizontalen Linearachsen hydrostatisch gelagert sind. Reibungsfrei, verschleißfrei, extrem steif und hochgedämpft – mit diesen Eigenschaften bietet sich das neue Bearbeitungszentrum unter dem ebenfalls neuen Namen Starrag S1250 HD für die fünfachsige Schwerzerspanung von Titan-Strukturbauteilen an. Bereits der Prototyp erreichte beim Schruppen bis zu dreimal so hohen Materialabtrag wie die rollengelagerte Version. Beim Schlichten sorgen die verbesserte Dämpfung und Dynamik zudem für exzellente Präzision und Oberflächengüten. Dass dieses neue Konzept ein Treffer ins Schwarze ist, bestätigt der Auftrag von Airbus für einen Einsatz am Standort Varel. Nach einigen Härtetests mit der Prototypmaschine orderte das Unternehmen fünf Starrag S1250 HD – verbunden mit ein paar Sonderwünschen.

Drehmomentstarker Rundtisch und mehr Leistung im Fräskopf

»Unsere Kunden waren von den vor zwei Jahren durchgeführten Versuchen begeistert«, berichtet Alexander Fitz, Sales Director für Aerospace & Turbine bei der Starrag AG. »Denn die Starrag S1250 HD versprach ein wesentlich effizienteres Zerspanen von Titan-Strukturbauteilen, als es bisher möglich war. Um die speziellen Anforderungen der Titan-Zerspanungsspezialisten optimal zu erfüllen, entschlossen wir uns, für die Serienmaschine einige Veränderungen vorzunehmen.« Diese betrafen in erster Linie den Drehtisch und den Fräskopf, die beide beim Prototyp der HD-Variante von der Standard-STC 1250 übernommen worden waren. Alexander Fitz erklärt: »Fürs Hochleistungsfräsen von Titan- Strukturbauteilen brauchen wir keinen schnelldrehenden, direktangetriebenen Tisch. Deshalb haben wir diesen gegen eine Getriebevariante ausgetauscht, die mit ihrem enormen Drehmoment von 25.000 Nm und 32.000 Nm Klemmmoment die Anforderungen noch besser erfüllt.« Außer einer Drehmomentsteigerung im Tisch wünschte sich der Kunde auch Veränderungen am Fräskopf. »Unser in den Standard-STC-Maschinen verwendeter Schwenk-Fräskopf ist sehr kompakt gebaut und ermöglicht eine perfekte Zugänglichkeit zum Werkstück und damit den Einsatz kurzer Werkzeuge«, sagt Alexander Fitz. »Für die Starrag S1250 HD haben wir diesen etwas modifiziert. Durch eine einseitige Vergrößerung behalten wir die gute Zugänglichkeit bei, schaffen aber Platz für eine um 50 % verstärkte A-Achse mit 12.000 Nm Drehmoment und 20.000 Nm Klemmmoment.«

Schon seit vielen Jahren setzt die Starrag-STC-Baureihe Maßstäbe in der wirtschaftlichen Bearbeitung von Strukturbauteilen aus Titan.

Als Arbeitsspindel kommt die robuste, Starrag-eigene 53-kW-Getriebespindel zum Einsatz, die 1.600 Nm Drehmoment und eine Drehzahl von 4.500 min-1 bietet. Neu dabei ist die HSK-B160-Schnittstelle. »Die große Anlagefläche von 160 mm Durchmesser bewirkt eine hohe Steifigkeit der Werkzeuge«, argumentiert Alexander Fitz, »was für große Schnitttiefen – insbesondere bei weit auskragenden Werkzeugen – wichtig ist.«

Mehr Steifigkeit in der Maschine

Die Starrag-Entwickler veränderten die Serienausführung gegenüber dem Prototyp nicht nur hinsichtlich der vom Kunden angeregten Punkte. »Unsere Absicht war es, in erster Linie die möglichen Abtragsraten weiter zu steigern und den Werkzeugverschleiß zu vermindern«, erwähnt Rolando Senn, federführender Konstrukteur bezüglich der Hydrostatik. Die wichtigsten Stellschrauben dafür sind die Steifigkeit und Dämpfung der Maschine.

»Daher haben wir die Struktur der Maschine, sowohl die Betten als auch den Ständer, nochmals steifer ausgeführt«, berichtet Rolando Senn. »Auch bei der Hydrostatik konnten wir für mehr Auflagefläche sorgen und dadurch erhöhte Steifigkeit und Dämpfung erzielen. Zudem ist es uns gelungen, das automatische Reglersystem der hydrostatischen Führungen durch eine mechanische Lösung robuster und wartungsfreundlicher zu gestalten.«

Einer der größten Kostenfaktoren bei der Titanbearbeitung sind die Werkzeuge, die einem starken Verschleiß unterliegen.

Die bisherigen Versuche machen deutlich, dass derzeit nicht die Maschine, sondern das Werkzeug der limitierende Faktor ist.

Die wahren Werte zeigen sich in der Praxis

Die ersten Tests der Serienmaschine verliefen sehr vielversprechend. Dr. Markus Ess, Director Technology der Starrag Business Unit HPS, hebt einen Versuch hervor, der in Rorschacherberg im Beisein der Titan-Zerspanungsspezialisten von Airbus, Varel stattfand: »Wir haben einen sogenannten Leistungsschnitt gemacht, der bei idealen Spann- und Werkzeugverhältnissen durchgeführt wird. Eine Schruppbearbeitung mit einem kurzen 80-mm- Igelfräser, 68 mm Tiefe im Vollschnitt; bei 80 mm/min Vorschub und 160 Umdrehungen. Dann war das Leistungsvermögen des Werkzeugs ausgeschöpft. Die Maschine lief absolut ruhig – die Leistungsaufnahme an der Spindel lag erst bei etwa 60 bis 70 %.«

Weitere Leistungsschnitte in Titan (Ti6Al4V) auf der neuen Starrag S1250 HD brachten Ergebnisse, die nach Einschätzung der Starrag-Frässpezialisten einen Weltrekord in der Titan-Zerspanung bedeuten. Mit dem von Starrag entwickelten und für die Hochleistungszerspanung (HPC) ausgelegten Hartmetallfräser mit Ø 40 und 18 Zähnen wurde ein Titanblock mit folgenden Schnittwerten geschruppt: Schnittgeschwindigkeit vc = 120 m/min, Zahnvorschub fz = 0,45 mm, Schnitttiefe axial ap = 98 mm und Schnitttiefe radial ae = 2 mm. Die Drehzahl betrug 955 min-1, die Vorschubgeschwindigkeit vf lag bei 7.735 mm/min und die mittlere Spanungsdicke hm bei 0,101 mm. Das Ergebnis: ein unglaubliches Zeitspanvolumen Q von 1.516 cm3/min, das eine enorme Produktivität verspricht und aufzeigt, welche Vorteile aufeinander abgestimmte Systeme mit Bearbeitungszentrum, Werkzeug und Technologie dem Kunden bringen. Die bisherigen Versuche machen außerdem deutlich, dass derzeit nicht die Maschine, sondern das Werkzeug der limitierende Faktor ist. Daher sind gemeinsam weitere Versuche geplant – mit eigenen Werkzeugen, aber auch mit denen führender Werkzeughersteller –, um die Starrag S1250 HD zu weiteren Weltrekordergebnissen zu pushen.

Lange Werkzeuge für tiefe Kavitäten

Die Entwicklung der Starrag S1250 HD hat bereits zukünftige Bedarfe im Blick. Denn vermutlich wird sich in den nächsten Jahren die Schruppzerspanung reduzieren, angesichts moderner Verfahren, um Rohlinge endkonturnah herzustellen. In den Vordergrund rückt dann die Herausforderung, mit bis zu 500 mm langen Werkzeugen in die komplizierten und tiefen Kavitäten einzutauchen und dort hohe Leistung zu bringen. Aber auch hier kommt es im Wesentlichen auf das Werkzeug an, wobei die große Plananlage der HSK-B160-Aufnahme beste Unterstützung bietet. Erste Tests zeigen, dass schwingungsgedämpfte Ausführungen monolithischen Werkzeugen deutlich überlegen sind.

»Die Struktur unserer HD-Maschine ist jedenfalls auch für diese Bearbeitungen bestens geeignet«, ist sich Markus Ess sicher. »Wir haben hier eine extrem steife, gute Titan-Maschine gebaut, mit der wir hervorragend schruppen und auch mit sehr langen Werkzeugen in komplizierten Kavitäten arbeiten können – ein zukunftsfähiger Mix.«

Stark reduzierter Werkzeugverschleiß

Einer der größten Kostenfaktoren bei der Titanbearbeitung sind die Werkzeuge, die einem starken Verschleiß unterliegen. Die gute Dämpfung sorgt diesbezüglich für enorme Verbesserungen, also deutlich längere Standzeiten, selbst wenn die Drehzahlen erhöht werden. Laut Rolando Senn ein riesiges Einsparpotenzial: »Bei einer intensiven Maschinennutzung relativieren die Einsparungen die Mehrkosten der Hydrostatik.«

Markus Ess erwähnt noch einen weiteren Pluspunkt, den sich Unternehmen mit der Starrag S1250 HD sichern können: »Auch wenn die Leistungsaufnahme der Maschine im Vergleich zu anderen höher ist, spart der Anwender am Output gemessen durch die drastisch reduzierte Bearbeitungszeit viel Energie ein und verkleinert seinen CO2-Fußabdruck. Aufs Bauteil bezogen benötigt er insgesamt weniger Antriebsleistung und senkt zusätzlich die Grundlast, die aus dem Stromverbrauch von KSS-System, Hydraulik, Pneumatik, Kühlung etc. besteht.«