Kühlung mit flüssigem Stickstoff erhöht Werkzeugstandzeit

Anbieter zum Thema

COSCOM Computer GmbH

trivid GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Als Folge davon wird nur ein geringer Teil der entstehenden Wärme über den Span abgeführt, folglich müssen beispielsweise im Vergleich zur Bearbeitung des Stahlwerkstoffs 42CrMo4 20 bis 30% mehr Wärme vom Werkzeug aufgenommen werden [1]. Außer der hohen thermischen Werkzeugbelastung reagiert Titan mit den meisten Schneidstoffen [2 und 3].

Übliche Zerspanungswerkzeuge verschleißen bei Titanbearbeitung sehr schnell

Die Kombination der hohen Zerspantemperaturen und der Reaktionsfreudigkeit der Titanlegierungen resultiert meist in starkem Diffusionsverschleiß der Werkzeuge. Zudem ist für die Zerspanung von Titanlegierungen die Lamellenspanbildung typisch. Aus der diskontinuierlichen Spanentstehung bei der Lamellenspanbildung resultieren periodisch an- und abschwellende mechanische und thermische Wechselbeanspruchungen der Werkzeuge.

Daraus folgt, dass vor allem bei längeren Schnittzeiten Ermüdungsvorgänge am Gesamtverschleiß der Werkzeuge beteiligt sind. Für die Drehbearbeitung von Titanlegierungen werden deshalb meist unbeschichtete Hartmetalle der Anwendungsgruppe S eingesetzt.

Aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Werkzeugbelastung können Hartmetallwerkzeuge jedoch nur bei relativ niedrigen Schnittgeschwindigkeiten zwischen 50 und 90 m/min eingesetzt werden [4]. Die in der Technik am häufigsten verwendete Titanlegierung ist die im Rahmen der in diesem Beitrag beschriebenen Forschungsarbeiten untersuchte α-β-Legierung TiAl6V4.

Flüssiger Stickstoff und Trockeneis beliebteste Kühlmittel zur Kryokühlung beim Zerspanen

Bei der Kryokühlung in der Zerspantechnik werden Stoffe mit extrem niedrigen Temperaturen zur Prozesskühlung verwendet. Die bekanntesten Kryogene sind flüssiger Wasserstoff (Siedepunkt 20,268 K = -252,882 °C), flüssiger Stickstoff LN2 (Siedepunkt 77,35 K = -195,80 °C), flüssiger Sauerstoff (Siedepunkt 90,18 K = -182,97 °C) und Trockeneis (gefrorenes Kohlenstoffdioxid, Sublimationspunkt 194,5 K = -78,5 °C). Für die Zerspanprozesskühlung werden aufgrund der guten Verfügbarkeit und der verhältnismäßig sicheren Handhabung insbesondere flüssiger Stickstoff und Trockeneis eingesetzt.

Die Vorteile der Kryokühlung sind reduzierte Zerspantemperaturen und daraus folgend deutlich geringerer Werkzeugverschleiß beziehungsweise höhere Schnittparameter. Bereits in den 1960er-Jahren wurden Zerspanversuche unter Einsatz der Kryokühlung durchgeführt und bis heute wurde kontinuierlich weiter an dieser Thematik geforscht.

Der größte Anteil der Forschungsarbeiten beschäftigt sich mit der Kryokühlung bei der Zerspanung von Stahlwerkstoffen. Beim Außenlängsdrehen von austenitischem Stahl wird unter Einsatz der Kryokühlung (LN2) von mehr als viermal so hohen Werkzeugstandzeiten im Vergleich zur konventionellen Überflutungskühlung berichtet [5].

Kryokühlung reduziert thermisch bedingten Verschleiß der Zerspanungswerkzeuge

Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften bietet die Kryokühlung aber auch bei der Zerspanung der Titanlegierungen ein großes Potenzial, die thermisch bedingten Verschleißmechanismen am Werkzeug zu reduzieren. Untersuchungen beim Außenlängsdrehen von TiAl6V4 haben gezeigt, dass durch den Einsatz der Kryokühlung (LN2) anstelle der konventionellen Überflutungskühlung der Werkzeugverschleiß auf ein Fünftel reduziert werden konnte [6].

(ID:25098050)