Kühlung mit flüssigem Stickstoff erhöht Werkzeugstandzeit

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Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Vor allem bei höheren Schnittgeschwindigkeiten kam die höhere Kühlwirkung des flüssigen Stickstoffs zum Tragen. Durch die Reduktion des Werkzeugverschleißes bei der Anwendung von flüssigem Stickstoff zur Prozesskühlung anstelle von konventioneller Überflutungskühlung konnten die mit arbeitsscharfen Schneiden erreichbaren hohen Oberflächengüten auch bis zu deutlich höheren Werkzeugeinsatzzeiten aufrechterhalten werden [7].

Kryokühlung bei der Titanzerspanung bisher wenig erforscht

Für die Bohr- und Fräsbearbeitung von Titanlegierungen gibt es hingegen kaum Ergebnisse zum Einsatz der Kryokühlung. Deshalb wurden Versuche zum Schaftfräsen von TiAl6V4 unter Einsatz von flüssigem Stickstoff als Kühlmedium durchgeführt, die in diesem Beitrag vorgestellt werden. Es wurden beschichtete Vollhartmetallschaft-Fräser (Al-Cr-N-PVD-Beschichtung) mit einem Durchmesser von 12 mm bei identischen Schnittparametern unter konventioneller Überflutungskühlung (6%ige Emulsion) und unter Kühlung mit flüssigem Stickstoff ohne Schmiermittelanteil eingesetzt.

Der flüssige Stickstoff wurde durch eine Düse extern an die Schnittstelle Werkzeug/Werkstück zugeführt. Als Versuchswerkstücke wurden Platten aus TiAl6V4 genutzt, die in geraden Fräsbahnen mit einer Länge von 435 mm im Gleichlauf bearbeitet wurden.

Zerspanungswerkzeuge verschleißen bei Überflutungskühlung stärker als bei LN2-Kühlung

Bild 2 zeigt die Werkzeugschneiden nach einer Einsatzzeit von 16,4 min mit den angegebenen Schnittparametern. Auf den Spanflächen wird der Unterschied zwischen der Überflutungskühlung und der LN2-Kühlung am deutlichsten sichtbar. Während die Schneidkante nach einer Einsatzzeit von 16,4 min unter Überflutungskühlung freigelegt ist und Riefen aufweist, zeigt die Schneidkante unter Einsatz der LN2-Kühlung lediglich leichte Materialanhaftungen und Kratzer auf der Beschichtung.

Durch den Schneidkantenversatz, der aufgrund des stärkeren Verschleißes unter Einsatz der Überflutungskühlung zustande kommt, tritt der Unterschied in den Bildern der Freiflächen nicht so deutlich hervor. Wird der Schneidkantenversatz bei der Verschleißmessung berücksichtigt, zeigt sich jedoch auch dort der Vorteil der LN2-Kühlung (Verschleißmarkenbreite VB = 98 µm bei Überflutungskühlung und VB = 10 µm bei LN2-Kühlung).

Der Flächenverschleiß konnte deutlich reduziert werden

Der geringere Freiflächenverschleiß unter Einsatz der LN2-Kühlung wird auch aus dem Diagramm des Verschleißanstiegs über der Einsatzzeit ersichtlich (Bild 3). Aufgrund des unterbrochenen Schnittes unterliegen die Schneidkanten der Fräser, insbesondere unter Einsatz der LN2-Kühlung, einer enormen thermischen Wechselbelastung. Über die gesamte Einsatzzeit haben sich jedoch keine negativen Effekte des Thermoschocks auf den Werkzeugverschleiß gezeigt.

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