• Uni/Hochschule: Westsächsischen Hochschule Zwickau
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Michael Schneeweiß, Jan Glühmann
  • Artikel vom: 26 September 2016
  • Seitenaufrufe: 3264
  • Artikel Nummer: 058-012-de
  • Kategorie(n): Zerspanen, WERKZEUG ANWENDUNGEN, CVD bestückte Werkzeuge, Fräswerkzeug, Nichteisenhaltige (NE)-Werkstoffe
  • Schlüsselbegriffe: Spanungswerkzeuge, Standzeiterhöhung, Wendeplatten
  • Tieftemperaturmedien beim Fräsen schwer spanbarer und konventioneller Materialien

    Die Freisetzung von Leistungsreserven beim Fräsen schwer spanbarer, als auch konventioneller Materialien, kann durch die Nutzung von Tieftemperaturmedien zur Prozesskühlung erreicht werden. Standzeitsteigerungen von bis zu 30% an Vergütungsstählen und bis zu 85% an hitzebeständigem Stahlguss, wurden beim Fräsen mit CO2-Kühlung nachgewiesen. Mit dem entsprechenden Prozessverständnis, kann mittels kryogener Zerspanung eine weitere Reduzierung der zeitabhängigen oder aber der werkzeugabhängigen Kosten in den Teilefertigungen erzielt werden.

    Einleitung

    In der Zerspanungstechnik ergeben sich stetig neue Anforderungen an die Werkzeug- und Prozessgestaltung, welche unter anderem auf den wachsenden Einsatz schwer spanbarer Materialien wie Nickelbasis- und Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder aber hitzebeständigen Stahlgusssorten und modernen Leichtbauwerkstoffen im Automobilbau, zurückzuführen sind. Um hier eine spanende Bearbeitung wirtschaftlich realisieren zu können bzw. vorhandene Leistungsreserven zu entfalten, müssen zum Teil neue Bearbeitungskonzepte verfolgt werden. Eine vielversprechende Variante stellt dabei der Einsatz von Kryogenen, zur extremen Absenkung der Temperaturen in der Spanbildungszone, dar. Als Kryogene bieten sich dabei verflüssigte Gase wie Stickstoff, Helium oder Kohlenstoffdioxid an (siehe Abb. 1).

    Das primäre Ziel beim Einsatz von Kryogenen ist die weitere Absenkung der Spanungstemperatur, die mit einer Verringerung der thermischen Belastung der Schneide einhergeht und den Werkzeugverschleiß deutlich reduziert. Zusätzlich kann die Temperaturabsenkung eine unzulässige Erwärmung des Bauteiles verhindern, so dass bspw. bei der Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen eine Matrixschädigung ausgeschlossen wird.

    Aktuell bestehen noch erhebliche Kenntnisdefizite zu dieser innovativen Kühltechnologie, die z. B. die geeigneten Kühlmedien, die bearbeitbaren Werkstoffe, die anwendbaren Fertigungsverfahren, die Bearbeitungsbedingungen und die Arbeits- und Prozesssicherheit betreffen. Aus diesem Grund ist nach wie vor eine starke Zurückhaltung der Industrie gegenüber der Nutzung kryogener Kühlkonzepte in den Teilefertigungen zu beobachten.

    Zum Abbau dieser Kenntnisdefizite, wurde am IfP der WHZ unter anderem das Forschungsvorhaben KryoPro initiiert, aus dem nachfolgend Ergebnisse zum kryogenen Fräsen der schwer spanbaren Materialien 3.7165, 1.4849 sowie dem konventionellen Vergütungsstahl 1.7225 vorgestellt werden.

    Randbedingungen

    Teilziele im Forschungsvorhaben sind unter anderem die Ermittlung der Werkzeugstandzeiten beim Fräsen mit CO2, die Analyse der dabei wirkenden  Verschleißmechanismen sowie die Bewertung möglicher Werkstückrandzonenveränderungen infolge des CO2-Einsatzes. Dies erfolgt vergleichend zu Bearbeitungsbedingungen, die dem Stand der Technik entsprechen. Sämtliche Spanungsversuche erfolgen hierzu auf einem Fräszentrum, in das die CO2-Anlage AEROSOL MASTER 4000cryolub integriert ist (vgl. Abb. 2). Die CO2-Zufuhr wird von außen realisiert, wobei die Kühlleistung zum einen durch die CO2-Durchflussmenge und zum anderen durch den Einsatz von einer oder aber mehreren Austrittsdüsen gesteuert werden kann. Als Fräswerkzeug findet der Rundplattenfräser Typ F2334 Verwendung, der mit beschichteten Hartmetallwendeschneidplatten bestückt ist.

    Kernergebnisse

    Entsprechend Abb. 3 zeigt sich unter Einsatz einer Kühldüse und konstanter CO2-Durchflussmenge, die positive Beeinflussung des Verschleißverhaltens beim Fräsen des Vergütungsstahls 1.7225 im Schnittgeschwindigkeitsbereich von 300 m/min – 400 m/min. Generell werden höhere Standzeiten gegenüber der Referenzbedingung erzielt, wobei mit anwachsender Schnittgeschwindigkeit, der prozentuale Standzeitzuwachs zunimmt.

    Neben den erzielten Standzeitsteigerungen von 20% bis maximal 32% gegenüber der reinen Trockenbearbeitung, ist ein moderaterer Verschleißfortschritt bei Nutzung der kryogenen Kühltechnik zu verzeichnen. Das Standkriterium wird dann ohne die Gefahr eines plötzlichen Schneidstoffversagens erreicht, so dass ein sicherer und gleichfalls berechenbarer Bearbeitungsprozess vorliegt.

    Kann beim Vergütungsstahl im gesamten betrachteten Schnittgeschwindigkeitsbereich ein Standzeitzuwachs durch die kryogene Kühltechnik erreicht werden, so existiert demgegenüber am schwer spanbaren Stahlgusswerkstoff 1.4849 lediglich ein eingeengtes VCFenster, in dem mittels kryogener Kühlung Vorteile hinsichtlich des Verschleißverhaltens zu erzielen sind. Abb. 4 verdeutlicht hierzu die experimentell ermittelte Standzeitgerade für die Referenzbearbeitung (schwarz), die auf einer Regression aus 4 Punkten basiert. Zusätzlich sind die Messwerte für die Fräsbearbeitung mit CO2 (blau) dargestellt. Es ist zu erkennen, dass im VCBereich von 180 m/min bis 220 m/min wesentliche Standzeitvorteile auftreten, die unter den betrachteten Randbedingungen zwischen 20% und 85% betragen. Ober- bzw. unterhalb dieses VCBereiches bewirkt der CO2-Einsatz keine nennenswerten, positiven Standzeiteffekte. Ein vergleichbares Verhalten tritt an der betrachteten Titanlegierung TiAl6V4 auf. Auch für diesen schwer spanbaren Werkstoff existiert ein beschränktes Prozessfenster, in dem die kryogene Kühlung mittels CO2 zu signifikanten Standzeitvorteilen beim Fräsen führt. Gemäß Abb. 5 wurde dieser VCBereich zwischen 90 m/min und 110 m/min experimentell ermittelt. Die erzielten Standzeitgewinne gegenüber der Referenzbearbeitung betragen hier mehr als 200%.

    Bemerkenswert ist weiterhin, dass durch die CO2-Kühlung die üblichen Schnittgeschwindigkeiten beim Fräsen von max. 90 m/min, in Richtung höherer Geschwindigkeiten, bei gleichzeitig starker Standzeiterhöhung, verschoben werden können.

    Bei allen bisher betrachteten Werkstoffen treten die Standzeitvorteile – infolge des Einsatzes eines Kryogens – im erhöhten Schnittgeschwindigkeitsbereich auf. Es ist davon auszugehen, dass die kryogene Kühlung immer dann zu Vorteilen bei der spanenden Bearbeitung führt, wenn die Prozesstemperatur eine bestimmte Grenze überschreitet, die unter konventionellen Bearbeitungsbedingungen eine thermische Überbelastung des Schneidstoffes zur Folge hat.

    Resümee

    Die bisherigen Forschungsergebnisse zum kryogenen Fräsen, belegen das Potenzial dieser innovativen Kühltechnik zur Steigerung der Leistungsfähigkeit bei der Bearbeitung konventioneller und schwer spanbarer Materialien. Neben der zum Teil erheblichen Lebensdauersteigerung, kann die kryogene Kühlung den Verschleißfortschritt an spanenden Bearbeitungswerkzeugen positiv beeinflussen und somit plötzliches Schneidstoffversagen verhindern. Der erfolgreiche Einsatz kryogener Kühlkonzepte bedingt jedoch eine werkstoffabhängige Anpassung der Bearbeitungsbedingungen, da – vorrangig bei anspruchsvollen Materialien – mit einem eingeengten Prozessfenster für die leistungsgesteigerte Bearbeitung zu rechnen ist.

    Weiterführende Untersuchungen im Forschungsvorhaben betreffen die Erfassung der Temperaturen in der Wirkzone mittels IR-Kamera, die zur Klärung elementarer Vorgänge bei der kryogenen Zerspanung dienen sollen. Zusätzlich werden Analysen der Bauteilrandzonen mittels röntgenografischer Methoden durchgeführt, um eine schädigungsfreie Bearbeitung unter den Bedingungen der kryogenen Zerspanung zu gewährleisten. Die Änderung der Oberflächenhärte und des Eigenspannungszustandes stehen dann im Mittelpunkt der Betrachtungen.

    Die Arbeiten wurden 2015/16 im Rahmen der Forschungsförderung an Fachhochschulen vom Sächsischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst unter der Nummer 100234684 gefördert.

    Info

    Prof. Dr. sc. techn. Michael Schneeweiß

    Professor für Fertigungstechnik / Spanungstechnik
    Fakultät Automobil- und Maschinenbau
    Institut für Produktionstechnik IfP an der Westsächsischen Hochschule Zwickau

    Tel.: +49 (0) 375/5361720
    Fax: +49 (0) 375/5361763
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    Dr.-Ing. Jan Glühmann

    Wissenschaftlicher Mitarbeiter
    Fakultät Automobil- und Maschinenbau
    Institut für Produktionstechnik IfP an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
    Tel.: +49 (0) 375/5361727
    Fax: +49 (0) 375/5361763
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