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MEKSS-Kühlstrategie

Neue kryogene Kühlstrategie für die Zerspanung auf Basis mehrwertiger Alkohole

| Autor/ Redakteur: Stephan Basten, Benjamin Kirsch, Hans Hasse und Jan C. Aurich / Victoria Sonnenberg

Die Auswahl einer optimalen Kühlstrategie ist für die Produktivität bei der Zerspanung, insbesondere von Hochtemperaturwerkstoffen, wichtig. Im Rahmen dieses Beitrags wird eine innovative Kühlstrategie unter Einsatz einer gekühlten Monoethylenglykol-​Wasser-Mischung (MEKSS) vorgestellt. Integrationsmöglichkeiten in Werkzeugmaschinen werden diskutiert und anhand einer Versuchsanlage vorgestellt.

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Bild 1: MEKSS-Kühlstrategie bei der Zerspanung von Titanlegierungen.
Bild 1: MEKSS-Kühlstrategie bei der Zerspanung von Titanlegierungen.
( Bild: TU Kaiserslautern )

Konventionelle Kühlschmierstoffe (KSS) sind meist Emulsionen, die unter Umgebungstemperatur beziehungsweise durch die Erwärmung im Prozess oberhalb der Raumtemperatur zugeführt werden. Konventionelle KSS weisen eine hohe Schmierwirkung auf und sind unter variablen Massenströmen sowie Drücken (HD-KSS) zuführbar. Eine hohe spezifische Wärmekapazität in Verbindung mit einer guten Benetzungfähigkeit ermöglicht eine gute Kühlwirkung. Mit Additivierungen können die KSS-Eigenschaften gezielt eingestellt werden. HD-KSS Kühlungen ermöglichen bei der Zerspanung von Titan- [1] und Nickelbasislegierungen [2] höhere Werkzeugstandzeiten und geringere Herstellkosten als kryogene Kühlstrategien.

Seit einigen Jahren stehen die Kühlmedien CO2 [3] und LN2 [4] im Fokus produktionswissenschaftlicher Untersuchungen. Titan- und Nickelbasislegierungen können kostengünstiger und produktiver als unter Überflutungskühlungen zerspant werden [3]. Ferner können die Eigenschaften der Werkstückrandzone verbessert werden [5].

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Die Maschinenperipherie für eine CO2-Kühlstrategie ist einfach in der Handhabung und kostengünstig in der Anschaffung. CO2 wird in einem Druckbehälter bei Raumtemperatur gelagert. Die Entnahme erfolgt über ein Steigrohr aus der Flüssigphase bei einem Druck von etwa 60 bar. Das CO2 wird über eine Leitung Düsen zugeführt, in denen es auf Umgebungsdruck expandiert. Dabei kühlt sich das CO2 auf -78,5 °C ab und ein Teil fällt in fester Form als Trockeneisschnee an. Mit dieser Mischung aus kaltem Gas und Trockeneisschnee wird gekühlt. Das CO2 kann für einen erneuten Einsatz nicht wirtschaftlich zurückgewonnen werden.

LN2-Kühlstrategien benötigen eine umfangreichere Peripherie. Der flüssige Stickstoff wird in wärmeisolierten Tanks bei einer Temperatur von -196 °C gelagert. Dabei kommt es zu Verlusten aufgrund von Verdampfung. Die Zuleitung zur Werkzeugmaschine ist wärmeisoliert. Durch interne wärmeisolierte Werkzeugträger- und Spindelzuführungen kann der LN2 auch in innengekühlten Werkzeugen eingesetzt werden [6]. Der kryogene Freistrahl kühlt die Zerspanungswirkzone und erwärmt sich beziehungsweise verdampft und kann nicht wieder eingesetzt werden.

Entwicklung der Kühlstrategie

CO2- und LN2-Kühlstrategien weisen aufgrund tiefer Zulauftemperaturen eine hohe potenzielle Kühlwirkung auf. Nachteilig ist jedoch der schlechte Wärmeübergang zwischen dem Kühlmedium und dem Werkzeug beziehungsweise Werkstück. Dies gilt sowohl für das gasförmige oder feste CO2 als auch für den flüssigen Stickstoff, bei dem es aufgrund der hohen Temperaturdifferenz zum Filmsieden kommt [7]. Nachteilig ist auch, dass eine Additivierung praktisch unmöglich ist. Untersuchungen zeigen, dass eine hohe Kühlwirkung in Kombination mit einer hohen Schmierwirkung eine produktive Zerspanung von Hochtemperaturwerkstoffen ermöglicht [8]. Die Anforderungen an ein ideales Kühlmedium sind:

  • niedrige Zulauftemperatur,
  • Integrierbarkeit in ein Kreislaufsystem,
  • variable Massenströme und Zulaufdrücke,
  • hohe spezifische Wärmekapazität,
  • gute Benetzung,
  • guter Wärmeübergang,
  • Additivierbarkeit sowie
  • Wirtschaftlichkeit.

Kühlmedien auf der Basis von mehrwertigen Alkoholen (zum Beispiel Monoethylenglykol, Propylenglykol) und Wasser bieten das Potenzial, die genannten Eigenschaften zu erfüllen. Diese Mischungen weisen eine Gefrierpunktserniedrigung auf (zum Beispiel Ethylenglykol: bis zu -50 °C [9]) und sind dabei flüssig. Aufgrund des flüssigen Zustands sind Kreislaufsysteme, variable Massenströme und hohe Zulaufdrücke realisierbar. Weiterhin verfügen sie über eine gute spezifische Wärmekapazität und Benetzungsfähigkeit. Wegen des Einsatzes als Kältemittel sind Additivierungssysteme bekannt [10] und die Anschaffungskosten sind gering.

In durchgeführten Drehversuchen wurde die Kühlwirkung einer Monoethylenglykol-Wasser-Mischung (MEKSS) mit der einer CO2-Kühlstrategie verglichen. Diese Versuche belegen die Machbarkeit und das Potenzial einer MEKSS-Kühlstrategie. [11]

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