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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Renishaw GmbH

technotrans SE

Eine neue Nachrüsteinheit für die kryogene Kühlung

Aufgrund der bestehenden Nachteile einer Kühlmedienzuführung durch die Motorspindel wurde im Rahmen eines gemeinsamen Projektes von der MHT Merz & Haag GmbH und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA die Nutzung des IKZ- Mediumverteilers der MHT GmbH für die kryogene Zerspanung mittels CO₂ untersucht.

Bei dem Mediumverteiler handelt es sich um ein eigenständiges System zur Innenkühlung (IKZ), bestehend aus den Komponenten Spindelanbau, IKM-Ringkörper und IKM-Werkzeugaufnahme (Bild 5). Das System zeichnet sich dadurch aus, dass es sich günstig und ohne großen Aufwand in bestehenden Maschinen nachrüsten lässt.

Im Rahmen des Projektes wurde dann flüssiges CO₂ aus Tauchrohrflaschen mithilfe eines Hochdruckschlauchs über den Spindelanbau bereitgestellt, wobei die Zuführung über ein Magnetventil geschah, das unmittelbar vor dem Spindelanbau zwischengeschaltet wurde, und geregelt werden konnte. Sobald das Magnetventil geöffnet wurde, gelang das flüssige CO₂ über die Schnittstellen am Ringkörper und der Werkzeugaufname in das innengekühlte Werkzeug und entspannte beim Austritt aus dem Kühlkanal zu CO₂-Schnee.

Für die Betätigung des Magnetventils wurde eine Steuerung entwickelt, durch welche die Zuführung über frei definierbare Maschinenparameter erfolgen kann. Die Maschinenparameter werden dabei von der verwendeten Maschinensteuerung, einer Siemens-CNC des Typs Sinumerik 840d, über einen OPC-UA-Server bereitgestellt, mithilfe des Entwicklungswerkzeugs Node-RED abgefragt und als Triggersinal an eine industrietaugliche, frei programmierbare SPS vom Typ Controllino übertragen. Die SPS öffnet beziehungsweise schließt anhand der Triggersignale das Magnetventil, sodass das flüssige CO₂ der Zerspanungsstelle durch den Kühlkanal des Zerspanungswerkzeugs zugeführt werden kann. Die Steuerung erlaubt es zukünftig, eine drehzahl-, werkzeug- oder werkstoffabhängige Kühlmittelzufuhr zu nutzen.

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen des gemeinsamen Projektes wurde eine Nachrüsteinheit auf Basis des MHT-Mediumverteils für die kryogenene Prozesskühlung entwickelt und erfolgreich getestet.

Weiterer zukünftiger Forschungsbedarf liegt darin, die Auswirkungen des CO₂-Kühlmediums auf die Dichtigkeit an den Schnittstellen über einen längeren Zeitraum hinweg zu beobachten. Daneben sollten weitere umfangreiche Versuche zur kryogenen Zerspanung durchgeführt werden. Hierbei sollte der Fokus vor allem auf der Bewertung von Werkzeugstandzeiten und Oberflächengüten unter Variation von Zerspanungswerkzeugen, Werkstoffen, Eingriffsbreiten, Drehzahlen sowie des CO₂-Volumenstroms liegen. Aus den daraus gewonnen Erkenntnissen soll eine intelligente Steuerung realisiert werden.

Literatur

Awiszus, Birgit; Bast, Jürgen; Hänel, Thomas; Kusch, Mario (Hg.) (2020): Grundlagen der Fertigungstechnik. Carl Hanser Verlag. 7., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage. München: Hanser (Hanser eLibrary).

Klocke, Fritz (2017): Fertigungsverfahren 1. Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Berlin: Springer Vieweg (VDI-Buch).

Klocke, Fritz; König, Wilfried (2008): Drehen, Fräsen, Bohren. 8., [neu bearb.] Aufl. Berlin: Springer (VDI-Buch, Bd. 1).

Koch, Thomas (2015): Mikrobiologie der Kühlschmierstoffe. 1. Auflage. Tübingen: expert verlag (Reihe Technik). Online verfügbar unter http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:24-epflicht-1970406.

Kühn, Klaus-Dieter; Fritz, Alfred Herbert; Förster, Ralf; Hoffmeister, Hans-Werner (2018): Trennen. In: Alfred Herbert Fritz (Hg.): Fertigungstechnik. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg (Springer-Lehrbuch), S. 225–378.

Lang, Heiner (2012): Cryogenic - Zerspanen mit tiefkaltem Stickstoff. Online verfügbar unter https://www.zukunftsorientierte-zerspanung.de/leistungsspektrum/fachinformationen-detailansicht/cryogenic-zerspanen-mit-tiefkaltem-stickstoff.html.

Volz, Marcel; Abele, Eberhard (2019): Innovative Chuck with Integrated Rotary Feed-Through for Drilling Process with Application of Cryogenic Cooling. In: Robert Schmitt und Günther Schuh (Hg.): Advances in Production Research. Cham: Springer International Publishing, S. 278–287.

* M. Sc. Thomas Götz und Dipl-Ing. Andreas Gebhardt forschen am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart.

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