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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

MEKSS-Kühlstrategie überzeugt

Prozessbedingt benötigen die LN2- und die MEKSS-Kühlstrategie einen kurzen Vorlauf, damit stationäre Kühlungsparameter erzeugt werden können. Daraus folgt eine Vorkühlung des Werkzeugs von 3 s (Bild 4). Weitere Kühlungsparameter sind in Bild 3 aufgelistet.

In Bild 4 ist die Werkzeugtemperatur an der Rückseite der Wendeschneidplatte als Funktion der Bearbeitungszeit dargestellt. Bei der Trockenzerspanung steigt diese Werkzeugtemperatur im Verlauf der Bearbeitung auf 189 °C an. Eine stationäre Werkzeugtemperatur unter der Trockenbearbeitung wird nicht erreicht. Die eingesetzten Kühlstrategien kühlen das Werkstück, Werkzeug und die Zerspanungswirkstelle und führen nach unterschiedlichen Zeiten zu stationären Werkzeugtemperaturen an der Rückseite der Wendeschneidplatte. Die stationäre Werkzeugtemperatur unter Einsatz der LN2- Kühlung beträgt 52 °C, die der CO2-Kühlstrategie 4 °C. Die MEKSS-Kühlstrategie zeigt bei diesen Versuchen mit einer stationären Temperatur von -4 °C die besten Ergebnisse. Weiterhin wird die stationäre Temperatur sehr schnell, bereits nach wenigen Sekunden, erreicht.

Die untersuchten Parameter sind verbreitet für eine Schruppzerspanung von Ti6Al4V. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Titanlegierung wird nur wenig Wärme in das Werkstück geleitet. Viel Wärme wird über die Späne und das Werkzeug abgeleitet. Am Temperaturverlauf der Trockenbearbeitung ist ersichtlich, dass bereits bei der hier vergleichsweise geringen eingesetzten Schnittgeschwindigkeit die Temperatur an der Rückseite der Wendeschneidplatte auf 200 °C ansteigen kann.

Beim Einsatz der LN2-Kühlstrategie wird aufgrund des Filmsiedens des Stickstoffs und des damit verbundenen schlechten Wärmeübergangs trotz der geringen Zulauftemperatur von -196 °C die Werkzeugtemperatur nur auf 52 °C gesenkt. Bei der CO2-Kühlstrategie kommt es nicht zum Filmsieden; es werden ein besserer Wärmeübergang und folglich geringere Werkzeugtemperaturen erreicht. Der flüssige MEKSS tritt mit einem Zulaufdruck von 11 bar als turbulenter Freistrahl mit einer mittleren Düsenaustrittsgeschwindigkeit von 25,5 m/s aus. Aufgrund des geringen MEKSS-Düsendurchmessers ist die Kontaktfläche des MEKSS mit dem Werkzeug und dem Werkstück gering. Auch die Zulauftemperatur der MEKSS-Kühlstrategie ist im Vergleich zu den konventionellen kryogenen Kühlstrategien höher. Die geringe Werkzeugtemperatur, die dazu sehr schnell erreicht wird, belegt jedoch die überlegene Kühlwirkung des MEKSS. Dies kann auf die bessere Benetzung, den besseren Wärmeübergang und die höhere Wärmekapazität zurückgeführt werden.

Hohe Werkzeugstandzeit

In diesem Beitrag wurde die Kühlwirkung verschiedener Kühlstrategien anhand der ermittelten Werkzeugtemperatur verglichen. Mit der neuen Kühlstrategie unter Verwendung einer temperierten Monoethylenglykol-Wasser-Mischung konnte eine wesentlich bessere Kühlwirkung erreicht werden als bei der CO2- und LN2-Kühlstrategie. Mit vergleichsweise geringen eingesetzten Volumenströmen (10 l/min) und geringen Zuführdrücken (11 bar) konnte nach einer Einlaufzeit von wenigen Sekunden eine stationäre Temperatur von -4 °C auf der Rückseite der Wendeschneidplatte erreicht werden. Dies belegt das große Potenzial der MEKSS-Kühlstrategie, auch im Vergleich zu Hochdruckkühlungen mit Emulsion.

Aus der geringen Werkzeugtemperatur während der Zerspanung ist eine hohe Werkzeugstandzeit zu erwarten. In zukünftigen Versuchen wird daher die Werkzeugstandzeit bei der Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstoffe unter Einsatz der MEKSS-Kühlstrategie untersucht.

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 926 (Bauteiloberflächen-Morphologie auf der Mikroskala) und weiterhin der Petrofer Chemie GmbH sowie der Borg Warner Turbo Systems GmbH für die Zusammenarbeit und die Bereitstellung von Versuchsmaterialien. MM

Literatur

[1] Bermingham, M.: A comparison of cryogenic and high pressure emulsion cooling technologies on tool life and chip morphology in Ti6Al4V cutting. Journal of Materials Processing Technology 212 (2012), S. 752 - 765.[2] Pusavec, F.: Transitioning to sustainable production – part II: evaluation of sustainable machining technologies. Journal of Cleaner Production 18 (2010), S. 1211 - 1221.[3] Yildiz, Y.; Nalbant, M.: A Review of Cryogenic Cooling in Machining Processes. International Journal of Machine Tools and Manufacture 48 (2008) 9, S. 947 - 964.[4] Shokrani, A.; Dhokia, V.: State-of-the-art cryogenic machining and processing. International Journal of Computer Integrated Manufacturing 26 (2013) 7, S. 616 - 648.[5] Rotella G.: The effects of cooling conditions on surface integrity in machining of Ti6Al4V alloy. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 71 (2014) S. 47 - 55.[6] MAG IAS: Werkzeugrevolver zum Bearbeiten von Werkstücken und Bearbeitungssystem mit einem derartigen Werkzeugrevolver. DPMA Patent DE202012013145U1, 19.02.2015.[7] Pusavec, F.: Analysis of the influence of nitrogen phase and surface heat transfer coefficient on cryogenic machining performance. Journal of Material Processing Technology 233 (2016), S. 19 - 28.[8] Pusavec, F.: Sustainable machining of high temperature Nickel alloy – Inconel 718: part 2 – chip breakability and optimization. Journal of Cleaner Production 87 (2015) S. 941 - 952 [9] Ott, J.: Solid-liquid Phase Equilibria in Water + Ethylene Glycol. Journal Chemical Thermodynamics 4 (1972) 1, S. 123 - 126.[10] Stichel, W.: Use and ageing of anti-freeze mixtures in heating systems – Materials and Corrosion 49 (1998), S. 88 - 97.[11] Basten, S.: Kryogener Kühlschmierstoff auf der Basis von Ethylenglykol. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb ZWF 111 (2016) 7-8, S. 444 - 448.[12] Dearnley, P.; Grearson, A.: Evaluation of principal wear mechanisms of cemented carbides and ceramics used for machining titanium alloy IMI 318. Materials Science and Technology 47 (1986) 2, S. 47 - 58.

* Stephan Basten ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation FBK, Benjamin Kirsch ist Oberingenieur am FBK, Hans Hasse ist Professor am Lehrstuhl für Thermodynamik, Jan. C. Aurich ist Professor am FBK, alle an der TU Kaiserslautern. Kontakt: Stephan Basten, Tel. (06 31) 2 05 37 21, stephan.basten@mv.uni-kl.de

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