Zerspanung

Kryogene Kühlung mit CO2 reduziert Werkzeugverschleiß

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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).
  • Aufwendiges Handling.

Deswegen wird vor allem der praktikablere Einsatz von Kohlendioxid (CO2) bevorzugt, weil die Temperatur bei der Expansion bei etwa -50°C liegt. Mithilfe dieses Kühlmediums kann die Zerspanung, speziell die temperaturintensive Schruppbearbeitung von hochtemperaturfesten Werkstoffen signifikant verbessert werden. Das zeigen ausführliche Untersuchungen, die am Forschungs- und Transferzentrum e.V. (FTZ) der Westsächsischen Hochschule in Zusammenarbeit mit Alstom Power und dem Werkzeugmaschinenhersteller Hamuel an Turbinenschaufeln aus verschiedenen hochwarmfesten Stählen durchgeführt worden sind.

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CO2-Kühlung führt zu erhöhten Werkzeugstandzeiten

Dabei wurden an einem ausgewählten Turbinenschaufeltyp bei der Schruppbearbeitung Vergleichsuntersuchungen hinsichtlich Temperaturverhalten an Werkzeug und Werkstück sowie dem Verschleißfortschritt an den Werkzeugschneiden durchgeführt. Es wurden dazu verschiedene Kühlschmierstrategien unter genau gleichen Versuchsbedingungen mittels Fünf-Achs-Drehfräsen bei der Turbinenschaufelherstellung untersucht. Die beiden Diagramme zeigen, dass beim Einsatz von kryogener Kühlung die Werkzeugtemperatur (Bild 2) und der Werkzeugverschleiß (Bild 3) in einem idealen Verhältnis zueinander stehen. Die spezielle gleichmäßige Kühlwirkung an Wendeschneidplatte und Grundkörper führt im Vergleich zu den anderen Kühlschmierstrategien zum geringsten Werkzeugverschleiß.

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 Fertigungskosten führt in der Praxis die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit und des Zahnvorschubes zu den höchsten Einspareffekten.

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