Cryogenic cooling for machining cast iron materials using PCD tools
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Die im Rahmen dieses Forschungsprojekts gewonnenen Ergebnisse tragen zur Erweiterung des Kenntnisstandes in Bezug auf das Einsatzverhalten von polykristallinen Diamantschneidstoffen für die Zerspanung von Vermicularguss bei. Bei den Untersuchungen zur quasistatischen mechanischen Werkzeugbelastung stellte sich unabhängig von der gewählten Gusscharge eine Reduzierung der Zerspankräfte mit steigender CO2-Kühlrate ein. Weiterhin wurde zur Beurteilung des thermischen Belastungskollektivs eine phänomenologische Versuchsreihe zum Einfluss der Kühlwirkung auf das Werkzeugverschleißverhalten und den Wärmeeintrag durchgeführt. Unter Variation der Kühlstrategie und der zugeführten CO2-Menge kam es sowohl mit Kühlschmierstoff als auch mit kryogener CO2-Schneekühlung zu adhäsiver Verschleißentwicklung. Eine abrasive Verschleißentwicklung an der Freifläche konnte bei allen Kühlstrategien beobachtet werden. Der Einsatz von CO2-Schneekühlung trägt wesentlich zur Reduktion der Wärmeausbreitung im Schneidstoff bei. In tribologischen Teiluntersuchungen mittels Schwing-Reib-Verschleiß-Versuch konnte das Reibungsverhalten im direkten Kontakt zwischen dem Werkstoff EN-GJL-450 und dem PKD untersucht werden. Durch bedarfsgerechte CO2-Schneestrahlkühlung mit angepasster Düsenausrichtung bei hohen Temperaturen ergab sich eine Reduktion des Reibwerts im Vergleich zu trocken gefahrenen Versuchen. Ein adhäsiver Verschleiß konnte bei trocken durchgeführten Versuchen detektiert werden, wohingegen bei CO2-Schneestrahlkühlung ein überwiegend abrasiver Verschleiß auftrat. Ein stabiles Reibwertverhalten zwischen den Tribopartnern mit stark reduziertem Verschleißmechanismus unter CO2-Schneestrahlkühlung konnte über den Untersuchungszeitraum festgestellt werden. Eine Erhöhung der CO2-Kühlmittelmenge von 380 g/min auf 500 g/min trug zu keiner Reibwertminderung im Analogieprozess bei. Die Ergebnisse der tribologischen Untersuchungen bestätigen dabei die in den Zerspanungsprozessen gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf die Reduzierung des Verschleißverhaltens. Zerspanungstechnologische Untersuchungen zeigten, dass temperaturinduzierte Verschleißmechanismen bei PKD-Schneidstoffen nicht gänzlich unterdrückt werden können. Jedoch kann durch eine angepasste Wahl von Vorschub und Düsenausrichtung bei konstanter CO2-Kühlrate das Verschleißverhalten von PKD-Schneidstoffen deutlich verbessert werden. Weiterhin konnten aus den metallografischen Schliffproben keine Gefügeveränderungen in der Bauteilrandzone für die gewählten Prozessparameter festgestellt werden. Der Gefügezustand in der Werkstoffrandschicht lag sowohl vor als auch nach der Bearbeitung ferritisch / perlitisch vor. Eine negative Beeinflussung der Bauteilrandzone durch die spanende Bearbeitung unter CO2-Schneestrahlkühlung kann deshalb ausgeschlossen werden. Standweguntersuchungen in Abhängigkeit der Kühlstrategie bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 200 m/min, f = ap = 0,15 mm zeigen, dass die Art des Kühlschmiermediums einen entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Prozesssicherheit der PKD-Werkzeuge hat. Bei dieser Versuchsreihe wurde das Kühlschmiermedium über die Spanfläche zugeführt und die Kühlschmierstrategie variiert. Ebenfalls wurde ein tieftemperaturbeständiges Minimalmengenschmieröl der Fa. Rother Technologie verwendet. Im direkten Vergleich der Kühlstrategien CO2-Schnee mit Minimalmengenschmierung (MMS) und CO2-Schnee mit Druckluft besitzt die Kombination aus CO2-Schnee und Druckluft das größere Potential, zum einen die Grafitisierung und zum anderen die Entstehung von Schneidkantenausbrüchen zu unterdrücken. Aufgrund ähnlicher Ergebnisse bei der Bearbeitung der beiden Stahlsorten 42CrMo4V und X155CrVMo12-1 hinsichtlich der wirkenden Verschleißmechanismen erscheint ein Erkenntnistransfer als vielversprechend. Es ist zu erwarten, dass durch den Einsatz der CO2-Kühlstrategie das Einsatzverhalten von PKD-Schneidstoffen bei der Zerspanung von Stahlwerkstoffen weiter verbessert werden kann. Des Weiteren besteht Verbesserungspotenzial bei der Entwicklung einer prozesssicheren Zufuhr der CO2-Schneestrahlkühlung, um eine optimale Kühlung der Zerspanungszone gewährleisten zu können. Die im Rahmen dieses Projektes erzielten Empfehlungen können zukünftig für eine Integration von Zuführdüsen in bestehende Werkzeugaufnahmen dienen, um kryogene Kühlstrategien zielgerichtet und prozesssicher an die Zerspanungszone führen zu können.
Publications
- Einfluss kryogener Kühlung auf die Zerspanung von Gusseisen. In: wt Werkstattstechnik online, Ausgabe 1-2, Jahrgang 104 (2014), S. 40-48
Abele, E.; Pfeiffer, P.; Heep, T.
- Einsatz kryogener Kühlstrategien bei der Schlichtbearbeitung von Vermicularguss mit polykristallinen Diamantschneidstoffen. In: Diamond Business, H. 3 (2015), S. 34-41
Abele, E.; Heep, T.; Oechsner, M.; Siebers, M.
- Zerspanung von Gusseisen mit PKD-Schneidstoffen. In: wt Werkstattstechnik online, Ausgabe 1-2, Jahrgang 106 (2016), S. 21-26
Abele, E.; Heep, T.
- Drehen von Vermicularguss unter kryogener Kühlung - Untersuchungen zum Einfluss der Prozesskühlung auf Werkstoff- und Spanbildungseigenschaften. In: wt Werkstattstechnik online, 107 (1-2) pp. 14-20, 2017
Oechsner, M.; Siebers, M., Andersohn G., Scheerer H., Abele, E.; Heep, T.
