Warum Titan so schwer zu zerspanen ist
Titan und seine Legierungen — allen voran Ti-6Al-4V (Grade 5, ~55% Marktanteil) — gehören zur ISO-Gruppe S (Superlegierungen). Die Zerspanung erfordert fundamental andere Parameter als bei Stahl oder Aluminium. Die Grundlagen der Schnittgeschwindigkeit gelten zwar universell, doch bei Titan bestimmen drei physikalische Eigenschaften die Bearbeitungsgrenzen:
Zum Vergleich: Stahl hat ~50 W/m·K, Aluminium 237 W/m·K. Bei Titan wird die gesamte Zerspanungswärme an der Schneidkante konzentriert — Temperaturen von 800–1000°C sind typisch. Dies erfordert niedrige vc-Werte und effektive Kühlung.
Titan reagiert bei hohen Temperaturen chemisch mit dem Wolframcarbid im Hartmetall (Diffusionsverschleiß). Die Schneidkante wird regelrecht „aufgelöst". Beschichtungen wie AlTiN oder TiB₂ bilden eine Diffusionsbarriere und sind bei Titan unverzichtbar.
Die bearbeitete Oberfläche verhärtet sich unter Druck. Wenn das Werkzeug in der nächsten Umdrehung durch diese gehärtete Zone fährt, steigt die Schnittkraft dramatisch. Deshalb ist die Mindestspanungsdicke bei Titan besonders kritisch — fz darf nie zu niedrig sein.
Titanlegierungen im Überblick — ISO S Klassifikation
Nicht jedes „Titan" verhält sich gleich. Die Legierungsgruppe bestimmt die Zerspanbarkeit maßgeblich. Alle Titanwerkstoffe werden nach ISO 513 der Anwendungsgruppe S (Superlegierungen) zugeordnet. Die folgende Tabelle zeigt die in der CNC-Praxis häufigsten Titanlegierungen mit ihren Werkstoffnummern:
| Gruppe | Legierung | Werkstoff-Nr. | Rm [MPa] | Zerspanbarkeit |
|---|---|---|---|---|
| α (alpha) | Reintitan Gr. 2 (cp-Ti) | 3.7035 | 345–450 | ⬤⬤⬤ Gut |
| α (alpha) | Reintitan Gr. 4 | 3.7065 | 550–680 | ⬤⬤⬤ Gut |
| α+β | Ti-6Al-4V (Grade 5) | 3.7164 / 3.7165 | 900–1170 | ⬤⬤ Mittel |
| α+β | Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) | 3.7165 | 860–930 | ⬤⬤ Mittel |
| Near-β | Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti-5553) | — | 1100–1250 | ⬤ Schwer |
| β (beta) | Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn (Ti-15-3) | — | 1000–1200 | ⬤ Schwer |
Praxisregel: Die vc-Richtwerte in diesem Ratgeber gelten für Ti-6Al-4V (α+β). Für Reintitan (α) können die vc-Werte um 20–30% erhöht werden. Für Near-β und β-Legierungen (z.B. Ti-5553) müssen die vc-Werte um 30–50% reduziert werden — diese Legierungen sind deutlich zäher und entwickeln noch mehr Wärme an der Schneide. Detaillierte Werkstoffinformationen finden Sie in unserer Werkstoff-Datenbank.
Schnittdaten-Tabelle für Ti-6Al-4V (Grade 5)
Die folgenden Richtwerte gelten für Ti-6Al-4V im lösungsgeglühten und ausgehärteten Zustand (~36 HRC). Alle Werte beziehen sich auf VHM-Werkzeuge Ø 10 mm mit AlTiN- oder TiB₂-Beschichtung.
Fräsen
| Operation | vc [m/min] | fz [mm/z] | ap max | ae max |
|---|---|---|---|---|
| Schruppen VHM (ae=0,15×d) | 30–50 | 0,05–0,08 | 1×d | 0,15×d |
| Schlichten VHM (ae=0,5×d) | 40–60 | 0,03–0,06 | 0,3×d | 0,5×d |
| WSP-Planfräsen (Rundplatte) | 35–55 | 0,08–0,15 | 2–4 mm | 0,6×D |
| Trochoidales Fräsen VHM | 50–80 | 0,04–0,07 | 2×d | 0,05–0,1×d |
Drehen
| Operation | vc [m/min] | fn [mm/U] | ap [mm] |
|---|---|---|---|
| Schruppen (HM-WSP, z.B. GC1105) | 35–55 | 0,15–0,30 | 1,5–3,0 |
| Schlichten (HM-WSP, z.B. GC1115) | 55–90 | 0,05–0,15 | 0,2–0,5 |
| Abstechen / Einstechen | 20–30 | 0,05–0,10 | — |
Bohren
| Werkzeug | vc [m/min] | fn [mm/U] |
|---|---|---|
| VHM-Spiralbohrer Ø 10 mm | 20–35 | 0,08–0,15 |
| Wendelbohrer WSP | 30–50 | 0,05–0,12 |
Für exakte Berechnungen von Drehzahl und Vorschub nutzen Sie unseren Schnittdaten-Rechner Fräsen oder Schnittdaten-Rechner Drehen. Alle Richtwerte finden Sie gebündelt in der Schnittdaten-Tabelle.
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Werkzeugempfehlungen für Titan
Die Werkzeugauswahl entscheidet bei Titan über Erfolg und Ausschuss. Für weitere Informationen zur Werkzeugstandzeit lesen Sie unseren separaten Ratgeber.
AlTiN-PVD-Beschichtungen (2–4 µm) bilden eine Al₂O₃-Schicht unter Hitze und schützen vor Diffusionsverschleiß. TiB₂ bietet geringere Affinität zu Titan und ist die erste Wahl für Schlichtoperationen. TiAlN ist zweite Wahl, TiCN und CVD-Beschichtungen sind für Titan ungeeignet.
Für Schaftfräser: Feinstkorn-Hartmetall mit 8–12% Co-Gehalt für maximale Warmfestigkeit und Zähigkeit. Für Wendeschneidplatten: ISO-S-Sorten (z.B. Sandvik GC1115, Walter WSM35S) mit geringer Affinität zu Titan.
Positiver Spanwinkel (12–15°) reduziert die Schnittkraft deutlich. Für VHM-Schaftfräser: 4–5 Schneiden mit polierter Spannut und ungleicher Spiralteilung (Differenzteilung) minimieren Ratterschwingungen. Der Eckenradius sollte mindestens 0,5 mm betragen — scharfe Ecken brechen bei Titan sofort aus.
Kühlstrategie: Hochdruck-KSS ist Pflicht
Aufgrund der extrem niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Titan konzentriert sich bis zu 80% der Zerspanungswärme an der Schneidkante. Ohne effektive Kühlung versagt das Werkzeug innerhalb weniger Sekunden. Eine fundierte Übersicht zum Thema finden Sie in unserem Ratgeber Kühlschmierstoff.
| Methode | Druck | Eignung | Effekt auf Standzeit |
|---|---|---|---|
| Hochdruck-Innenkühlung | 80–150 bar | Optimum für alle Operationen | +150–200% |
| Emulsion mit Außenkühlung | 5–10 bar | Akzeptabel für leichtes Fräsen | Basis (1×) |
| Trocken / MMS | — | Nicht empfohlen | −70–90% |
Typische Fehler bei der Titanbearbeitung
- Stahl-Parameter übertragen — vc = 150 m/min (Stahl-Standard) zerstört ein Titan-Werkzeug in 30 Sekunden. Titan erfordert max. 50–60 m/min (VHM). Beachten Sie dazu auch unseren Ratgeber Werkzeugbruch vermeiden.
- Werkzeug im Schnitt stehen lassen — Ein stehendes Werkzeug in Titan „verbackt" mit dem Werkstück. Immer Vorschub aufrechterhalten oder das Werkzeug aus dem Material fahren.
- Zu geringer Vorschub — Bei fz < 0,03 mm/z reibt das Werkzeug in der kaltverfestigten Randzone. Die Mindest-fz muss eingehalten werden. Mehr dazu in unserem Vorschub-Ratgeber.
- Kein Gleichlauffräsen — Gegenlauffräsen verdoppelt die thermische Belastung bei Titan. Immer Gleichlauf verwenden.
- Vollnut ohne Rampe — Axiales Eintauchen (Vollnut) erzeugt extreme Kräfte. Stattdessen Rampen-Eintauchen (1–2° Rampenwinkel) oder Helixeintauchen verwenden.
Praxisbeispiel: Tasche in Ti-6Al-4V fräsen
Aufgabe: Eine 30 × 20 mm Tasche, 8 mm tief, in Ti-6Al-4V. Werkzeug: VHM-Schaftfräser Ø 10 mm, 5 Schneiden, AlTiN-beschichtet.
vc = 45 m/min (Richtwert Ti-6Al-4V, VHM Schruppen)
n = (45 × 1000) / (π × 10) = 1.432 U/min
Schritt 2: Tischvorschub
fz = 0,05 mm/z, z = 5
vf = 0,05 × 5 × 1.432 = 358 mm/min
Schritt 3: Zustellung (HPC-Strategie)
ap = 10 mm (1×d), ae = 1,5 mm (0,15×d)
Q = 10 × 1,5 × 358 / 1000 = 5,4 cm³/min
Schritt 4: Kühlung
Hochdruck-Innenkühlung 80 bar, Emulsion 8%
Berechnen Sie Ihre eigenen Werte mit dem Schnittdaten-Rechner — dort können Sie auch die Schnittkraft und benötigte Spindelleistung ermitteln.