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MEKSS-Kühlstrategie

Neue kryogene Kühlstrategie für die Zerspanung auf Basis mehrwertiger Alkohole

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Konstruktive Elemente der Versuchsanlage

Die Peripherie für den Einsatz einer MEKSS-Kühlstrategie ist von den benötigten Massenströmen abhängig. Werden geringere Massenströme bis wenigen Kilogramm pro Minute benötigt, ist eine konventionelle KSS-Systemperipherie einsetzbar, welche um einen Wärmeübertrager in der Zuleitung erweitert wird. Die Investitionskosten beschränken sich hier auf einen Wärmeübertrager, Kälteanlage und wärmeisolierte PTFE-Druckschläuche für die KSS-Zuleitung. Werden höhere Massenströme ab etwa 20 kg/min benötigt, sind weitere Systemanpassungen für einen wirtschaftlichen Betrieb nötig.

Um die maximale Leistung der Kälteanlagen voll auszunutzen zu können, kann das Kühlmedium bereits im KSS-Vorratsbehälter vorgekühlt werden. Die Maschinenperipherie sollte wärmeisoliert ausgeführt werden, damit die MEKSS-Erwärmung minimiert wird. Wärmeentkoppelte Werkzeugmaschinen-Baugruppen und Abdeckungen ermöglichen weitere Energieeinsparungen. Moderne Werkzeugmaschinenkonzepte enthalten jedoch Wärmebrücken vom Maschineninnenraum in Motorspindeln oder ins Maschinenbett, damit diese gekühlt werden. Maschinenneukonstruktionen wären daher notwendig, verbunden mit hohen Entwicklungs- und Investitionskosten.

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Die Versuchsanlage der TU Kaiserslautern stellt einen Kompromiss zwischen beiden Varianten dar. Eine Schraubenspindelpumpe ermöglicht hohe Zuführdrücke und Massenströme bei niedrigen Zulauftemperaturen. Ein vakuumisolierter Behälter mit integriertem Wärmetauscher in Kombination mit einem Kryostat ermöglicht einen stationären Betrieb bei Zulauftemperaturen bis etwa -50 °C. Die Maschinenperipherie, wie zum Beispiel Filterelemente, ist wärmeisoliert ausgeführt. Mit dieser Versuchsanlage sind Massenströme bis zu 110 kg/min bei Zulauftemperaturen bis -50 °C möglich.

Versuche zur Kühlwirkung

Die mechanische Arbeit der Drehmaschine wird in der Zerspanungswirkzone vorwiegend in Wärme umgewandelt. Diese Wärme fließt in den Span, das Werkstück, das Werkzeug, den Kühlschmierstoff und die Umgebung. Ziel einer jeden Kühlung ist ein möglichst geringer Anteil an Wärme, die in das Werkstück und das Werkzeug fließt, beziehungsweise ein möglichst hoher Anteil an Wärme, der in den Kühlschmierstoff fließt. So sind die Verschleißmechanismen bei der Zerspanung von Titanlegierungen auf eine Diffusion und Hochtemperaturkorrosion der Kobalt-Matrix des Hartmetalls zurückzuführen [12]. Da diese Mechanismen temperaturgesteuert ablaufen, ist eine niedrigere Werkzeugtemperatur mit längeren Werkzeugstandzeiten verbunden. In diesem Beitrag wurde zur Bewertung der Kühlwirkung die Temperatur an der Rückseite der Wendeschneidplatte während des Prozesses gemessen (siehe Bild 4).

Auf einer Drehmaschine wurden Werkstücke (Ø = 49,5 mm, Länge = 130 mm) aus einer Charge Ti6Al4V mittels Außen-Längsrunddrehen zerspant (Bild 3). Die Drehproben wurden mithilfe eines Stirnseitenmitnehmers zwischen Spitzen eingespannt. Jeder Versuch wurde mit einer neuen Wendeschneidplatte durchgeführt und einheitliche Starttemperaturen von 20 °C im Werkstück und Werkzeug wurden durch Verweilzeiten sichergestellt. Folgende Strategien wurden untersucht:

  • Trockenbearbeitung,
  • LN2-Kühlung,
  • CO2-Schnee-Kühlung,
  • MEKSS-Kühlung.

Die Zulauftemperatur des MEKSS wurde über die gesamte Versuchszeit mit einem Thermoelement gemessen und betrug -38 °C. Die Düsenausrichtung war bei allen Kühlstrategien identisch.

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