Zerspanung Kryogene Kühlung mit CO2 reduziert Werkzeugverschleiß

Autor / Redakteur: Volker Böhm / Rüdiger Kroh

Mithilfe der CO2-Kühlung kann die Zerspanung, speziell die Schruppbearbeitung, hochtemperaturfester Werkstoffe deutlich verbessert werden. Der geringere Werkzeugverschleiß erhöht die Standzeiten und steigert die Schnittwerte im Vergleich zu konventionellen Kühlschmierstrategien.

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Bild 1: Blick aus ein Fräswerkzeug nach der Bearbeitung mit Kohlendioxid als Kühlmittel.
Bild 1: Blick aus ein Fräswerkzeug nach der Bearbeitung mit Kohlendioxid als Kühlmittel.
(Bild: Hamuel)

Bei der spanenden Bearbeitung von hochtemperaturfesten Stählen und Superlegierungen in der Energietechnik, der Luftfahrtindustrie aber auch im Automobilbau können sehr hohe Prozesstemperaturen entstehen. Dies ist besonders bei der Schruppbearbeitung solcher Materialien der Fall. Die Folge sind hoher Werkzeugverschleiß, reduzierte Schnittwerte und somit hohe Bearbeitungszeiten und -kosten. Für die wirtschaftliche Bearbeitung solcher Werkstoffgruppen sind konventionelle Kühlschmierstrategien (Vollstrahlkühlung mit Emulsion, Öl oder Minimalmengenschmierung MMS) häufig ungeeignet. Die Gründe dafür sind vielfältig.

Konventionelle Kühlstrategien sind oft technisch und wirtschaftlich nicht optimal

Die Nachteile konventioneller Kühlschmierstrategien sind zum Beispiel:

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  • Gefahr durch Thermoschock am Werkzeug durch große Temperaturdifferenzen (Vollstrahlkühlung mit Emulsion zum Beispiel bei Stählen)
  • Gute Schmierung bei schlechter Kühlwirkung mit erhöhtem Werkzeugverschleiß (MMS zum Beispiel bei Superlegierungen)

Insgesamt sind konventionelle Kühlstrategien für viele spezielle Prozesse technisch und wirtschaftlich nicht optimal. Aus diesem Grund sind innovative Kühlschmierstrategien erforderlich. Nach neuesten Erkenntnissen aus Forschung und Entwicklung ist deshalb die kryogene Kühlung als ein neues Kühlkonzept die vielversprechendste Möglichkeit. Darunter versteht man das zielgerichtete Kühlen mit sehr 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 (Bild 1)

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.

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.

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 zum Beispiel Medizin- oder Luftfahrtanwendungen.
  • Geringer Werkstückverzug infolge geringerer Werkstücktemperaturen.
  • Nachrüstbare CO2-Gerätetechnik am Markt verfügbar.

Entwicklung kälteverträglicherer Sprühöle

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

* Volker Böhm ist Key Account Manager bei der Hamuel Maschinenbau GmbH & Co. KG in 96484 Meeder

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