Versuchsmaschine: HSC-Drehfräszentrum HSTM 300 HD
Kryogene Kühleffekte

Untersuchungen des Forschungs- und Transferzentrum e.V. (FTZ) an der Westsächsischen Hochschule in Zusammenarbeit mit Alstom Power und dem Werkzeugmaschinenhersteller Hamuel belegen Verbesserungen bei Werkzeugstandzeiten und Schnittwerten beim Zerspanen von Turbinenschaufeln.

VOLKER BOEHM, MEEDER 

Bei der spanenden Bearbeitung von hochtemperaturfesten Stählen und Superlegierungen im Bereich der Energietechnik, der Luftfahrtindustrie, aber auch im Automobilbau können extrem hohe Prozesstemperaturen entstehen.

 

Dies ist besonders bei der Schruppbearbeitung solcher Materialen der Fall. Die Folge sind extremer Werkzeugverschleiß, reduzierte Schnittwerte und somit hohe Bearbeitungszeiten und -kosten. Für die wirtschaftliche Bearbeitung solcher Werkstoffgruppen kommen konventionelle Kühlschmierstrategien (Vollstrahlkühlung mit Emulsion, Öl oder Minimalmengenschmierung (MMS) sehr schnell an ihre Grenzen. So besteht beispielsweise die Gefahr eines Thermoschocks am Werkzeug durch große Temperaturdifferenzen (Vollstrahlkühlung mit Emulsion z.B. bei Stählen). MMS-Konzepte beim Zerspanen von Superlegierungen bieten zwar eine gute Schmierwirkung, allerdings bei schlechter Kühlwirkung mit erhöhtem Werkzeugverschleiß.


Aus diesem Grund sind in diesem Zerspansegment neue, innovative Kühlschmierstrategien gefragt, wie beispielsweise die kryogene Kühlung als ein neues Kühlkonzept. Darunter versteht man das zielgerichtete Kühlen mit extrem niedrigen Temperaturen des Kühlmediums. Ziel ist es, das Entstehen hoher Prozesstemperaturen bei der Zerspanung grundsätzlich zu vermeiden. Erreicht wird dies, indem das Kühlmedium nahezu verlustfrei, meist in flüssiger Form, bis zur Werkzeugschneide transportiert wird und erst dort durch Expansion seine volle Kühlwirkung entfaltet.

 

Stickstoff oder Kohlendioxid


Eine Möglichkeit ist die Verwendung von Stickstoff (N2) als Kühlmedium, wobei aber folgende Nachteile den Einsatz erschweren:

– Sehr starkes Abkühlen von Maschinenkomponenten und Werkzeugen (N2 flüssig = -196°C),
– hoher Arbeitsschutzaufwand (Gefahr von Erfrierungen für den Menschen) und
– aufwändiges Handling.

Deswegen wird vor allem der praktikablere Einsatz von Kohlendioxid (CO2) bevorzugt, da der Temperaturbereich bei der Expansion bei ca. -50°C liegt. Mithilfe dieses Kühlmediums kann die Zerspanung, speziell die temperaturintensive Schruppbearbeitung von hochtemperaturfesten Werkstoffen, signifikant verbessert werden. Dies belegen ausführliche Untersuchungen des Forschungs- und Transferzentrum e.V. (FTZ) an der Westsächsischen Hochschule in Zusammenarbeit mit Alstom Power und dem Werkzeugmaschinenhersteller Hamuel unter anderem an Turbinenschaufeln aus verschiedenen hoch-warmfesten Stählen. Untersucht wurden dabei das Temperaturverhalten an Werkzeug/Werkstück und der Verschleißfortschritt an den Werkzeugschneiden bei der Schruppbearbeitung mittels 5-Achs- Drehfräsen an einem ausgewählten Turbinenschaufeltyp unter Berücksichtigung verschiedener Kühlschmierstrategien.


Die beiden Diagramme zeigen, dass beim Einsatz von kryogener Kühlung die Werkzeugtemperatur und der Werkzeugverschleiß in einem idealen Verhältnis zueinander stehen. Die spezielle gleichmäßige Kühlwirkung an Wendeschneidplatte und Grundkörper führt im Vergleich mit den anderen Kühlschmierstrategien zum geringsten Werkzeugverschleiß.

 

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung


Aufgrund des wesentlich günstigeren Verschleißverhaltens sind bei Einsatz der CO2-Kühlung eine Erhöhung der Werkzeugstandzeiten und/oder eine signifikante Steigerung der Schnittwerte, also höhere Zerspanungsproduktivität im Vergleich zu konventionellen Kühlschmierstrategien möglich. Unter dem Aspekt der Fertigungskostenbetrachtung führt in der Praxis die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit und des Zahnvorschubes zu den höchsten Einspareffekten. Daneben gibt es weitere Vorteile der CO2- Kühlung:

– Ein trockener Zerspanungsprozess und somit trockene Späne,
– keine gesundheitsgefährdenden Kühlschmierstoff- Emissionen,
– keine Kosten für Wartung, Pflege, und Entsorgung von Kühlschmierstoff,
– kontaminationsfreie Bearbeitung für z.B. Medizin- oder Luftfahrtanwendungen,
– geringer Werkstückverzug infolge geringerer Werkstücktemperaturen und
– nachrüstbare CO2-Gerätetechnik ist am Markt verfügbar.

 

Kombination mit MMS


Bei bestimmten Bearbeitungsaufgaben besteht die Möglichkeit einer Kombination von CO2-Kühlung mit Minimalmengenschmierung, wodurch weitere Vorteile infolge zusätzlicher Schmierwirkung zu erwarten sind. Schwerpunkt ist hier die Entwicklung kälteverträglicherer Sprühöle.


Die aktuelle Gerätetechnik erlaubt sowohl den getrennten Einsatz von CO2 oder Minimalmengenschmierung mittels Zuführung von innen oder außen, aber auch gleichzeitige Kombinationen beider Medien. Weitere Untersuchungen sind deshalb unter anderem in Richtung Gerätevergleich, Einfluss der Zuführungsstrategie und kombinierbare Sprühöle geplant. 

www.hamuel.de

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Beitrag aus dima 5/2014:

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