Mit der Schneekanone gegen unerwünschte Bohrspäne

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Die Adaption des Schlauchs erfolgt an der trockenlaufgeeigneten Drehdurchführung der Maschine. In die Kühlschmierstoffkanäle der Werkzeuge wurden spezielle Düsen integriert, so dass sich das flüssige CO₂ durch den Austritt an der Öffnung der Düse entspannen kann. Dieser erzwungene Druckabfall führt gemäß des Joule-Thomson-Effekts mit dem Phasenübergang von flüssig nach fest zu einer Abkühlung des Mediums auf -78,05 °C. Ab einer Druckdifferenz von Δρ ≥ 54 bar entsteht dadurch ein Gemisch aus circa 40 % festen CO₂–Schneekristallen und zu etwa 60 % aus sehr kaltem CO₂–Gas [3].

Versuchsdurchführung mit Variationen der Kühlstromrichtung

An den eingesetzten Werkzeugen erfolgte eine Variation hinsichtlich der Positionierung und Ausrichtung der CO₂-Schneestrahldüsen (Bild 2, rechts). Bei der Werkzeugform A wurden die Düsen in die vorhandenen Kühlschmierstoffkanäle eingebracht, sodass der Kühleffekt hauptsächlich den Bohrungsgrundes und die Bohrungswand betrifft. In einem weiteren Schritt (Werkzeugform B) ist die Ausrichtung der Düsen auf das Werkzeug optimiert worden. Dazu wurden neue Kanäle in das Werkzeug erodiert, so dass die Düsen direkt auf die Werkzeugschneiden zeigen.

Darüber hinaus sind die Düsen bei der Werkzeugform C so platziert, dass das CO₂ möglichst effektiv die Wendeschneidplatte kühlen und idealer Weise zwischen entstehendem Span und Wendeschneidplatte strömen kann. Alle Düsen haben einen Durchmesser von 0,6 mm, um den entsprechenden Massenstrom des Kohlenstoffdioxids konstant zu halten. Noch vor der Variation der Düsenanstellungen erfolgten experimentelle Untersuchungen hinsichtlich des erreichbaren Bohrweges bei Einsatz der Werkzeugform A.

Die im Vorfeld gemachten Tests empfehlen Vorschübe von f = 0,09 mm bei einem Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von 1,8. Auf diesen Ergebnissen aufbauend, erfolgten Standweguntersuchungen mit konstantem Vorschub von f = 0,09 mm und variierenden Schnittgeschwindigkeiten zwischen vc = 150 und 250 m/min. Bei der geringsten Schnittgeschwindigkeit konnte der längste Bohrweg erzielt werden. Die simultan dazu aufgezeichnete Kraft in Vorschubrichtung Ff sowie das zugehörige Bohrmoment MB sind in Bild 3 dargestellt.

Als Referenz diente ein Bohrprozess mit Tiefbohröl und einem Öldruck von 60 bar entsprechend den vom Hersteller empfohlenen Schnittwerten vc = 200 m/min und f = 0,09 mm. Sowohl das auftretende Bohrmoment MB als auch die Vorschubkraft Ff sind im Vergleich zum Referenzprozess über den gesamten Bohrweg betrachtet aufgrund der höheren Reibkräfte um etwa 10 % höher.

Kryogene Randbedingungen wirken sich auf Werkzeugschneide aus

Ein Abbruch der Standweguntersuchungen geschah bei einer maximalen Verschleißmarkenbreite von VBmax = 300 µm an der Freifläche und bei Abplatzungen beziehungsweise Brüchen an den Werkzeugschneiden. Unter kryogenen Randbedingungen platzte an der Zentrumsschneide bei einem Bohrweg von lf = 1530 mm ein Teil der Schneide ab, sodass die Standzeituntersuchung hier beendet werden musste. Mit zunehmendem Bohrweg ist ein geringer Anstieg der Vorschubkraft zu erkennen.

Der Referenzprozess mit Tiefbohröl wurde frühzeitig unterbrochen, da kein Anstieg der Prozesskräfte zu registrieren war. Abgesehen von thermisch bedingt angelaufenen Flächen im Bereich der Spanleitstufe sowie unterhalb der Schneide auf der Freifläche, blieb die Werkzeugschneide vollständig intakt. Bild 4 stellt dazu eine Übersicht der der entstandenen Spanformen in Abhängigkeit der Werkzeugform dar.

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