Holistic evaluation of titanium machining using cryogenic cooling (CO2)
Final Report Abstract
Die im Rahmen dieses Forschungsprojekts gewonnenen Ergebnisse tragen zur Erweiterung des Kenntnisstandes in Bezug auf das Einsatzverhalten von beschichteten Hartmetallwerkzeugen für die Zerspanung von TiAl6V4 bei. Zur Beurteilung des thermischen Belastungskollektivs wurden Versuchsreihen zum Einfluss der Kühlwirkung auf Schnittkräfte und den Wärmeeintrag durchgeführt. Mit CO2-Kühlung konnte gegenüber Trockenbearbeitung eine deutliche Reduzierung der Spanflächentemperatur erzielt werden, was jedoch von einem Anstieg der Schnittkräfte begleitet wurde. Durch die Anfertigung von detaillierten High-Speed-Aufnahmen der Spanbildung im Quick-Stop-Versuch konnten wertvolle Informationen bezüglich Erzeugung und Segmentierungsverhalten von TiAl6V4 unter kryogener Kühlung gewonnen werden, die zur Steigerung des Prozessverständnisses beitragen. Es konnte gegenüber Trockenbearbeitung eine Verbesserung des duktilen Spanbruchverhaltens beobachtet werden. Durch Anfertigung metallographischer Schliffproben konnten die entstandenen Spanwurzeln untersucht werden. Der Gefügezustand war durchgehend homogen und zeigte keine Anzeichen von Versprödung oder Rissbildung unter CO2-Kühlung. Die im Zerspanungsprozess freiwerdende Wärme wurde durch Analogieversuche näherungsweise bestimmt und zusammen mit mehreren Analogieversuchen zur mittels CO2-Schneestrahlkühlung erzielbaren Kühlleistung in einem Regressionsmodell zur Bestimmung der minimal benötigten CO2-Menge für die Prozesskühlung zusammengeführt. Die Erkenntnisse aus dem Modell wurden zur Auslegung eines im SLM-Verfahren additiv gefertigten externen Düsensystems genutzt, dessen Fähigkeit zur adäquaten Prozesskühlung in Standweguntersuchungen in Abhängigkeit der Kühlstrategie nachgewiesen wurde. Es zeigte sich, dass die Art des verwendeten Kühlschmiermediums einen entscheidenden Einfluss auf die erreichbare Prozesssicherheit beschichteter Hartmetallwerkzeuge hat. Der primäre Verschleißmechanismus konnte bei Druckluft- und CO2-Druckluft-Kühlung durchgehend auf Materialaufschweißungen und zugesetzten Spanräume zurückgeführt werden, welche sich zunächst in einer Erhöhung der Prozesskräfte äußerten und anschließend zum Werkzeugbruch führten. Um eine umfassende Einordnung der Kühlschmierstrategien über die reine Werkzeugstandzeit heraus zu ermöglichen, wurden sowohl ökologische als auch ökonomische Analysen des gesamten Zerspanungsprozesses durchgeführt. CO2-Kühlung zeigte sich in sämtlichen Wirkungskategorien als umweltfreundlicher als KSS-Kühlung, insbesondere in Hinblick auf Ressourcennutzung. Weiterhin konnten die gesundheitlichen Risiken für den Menschen bei Einsatz von CO2-Kühlung als gering herausgestellt werden. Es wurden dennoch Maßnahmen zur weiteren Steigerung der Arbeitssicherheit definiert. Die wirtschaftliche Analyse ergab einen Vorteil der Emulsions- gegenüber der CO2- Kühlung insbesondere bedingt durch die bisher noch geringere erzielbare Werkzeugstandzeit unter CO2. Hier besteht noch technologisches Verbesserungpotenzial. In Hinblick auf weiterführende Untersuchungen bezüglich additiv gefertigter Zuführungssysteme besteht die Möglichkeit der spanenden Nachbearbeitung der Auslässe. Dadurch werden insbesondere die Oberflächenrauheit und die Formtoleranzen kontrollierbarer, wodurch eine einheitlichere Strahlausbildung resultiert, womit auch das entwickelte Modell für die Kühlleistung deutlich besser zum Einsatz kommen könnte. Auf Basis der Zerspanversuche wurde das Versagen des Fräswerkzeuges bedingt durch die hohe Duktilität und Schmierneigung von TiAl6V4 primär auf fehlende Schmierwirkung zurückgeführt. In ersten Tests wurde der zugeführten Druckluft einen Volumenstrom von 20 ml/h tieftemperaturfestem Minimalmengenschmieröl zugesetzt, womit die Eignung der additiv gefertigten Kühlkanalsysteme zur prozesssicheren Zuführung eines CO2-MMS-Gemischs nachgewiesen werden konnte. Somit ergeben sich Potenziale für zukünftige Untersuchungen zum Einfluss einer kombinierten kryogenen Minimalmengenschmierung auf das Verschleißverhalten bei der Zerspanung von TiAl6V4.
Publications
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Additiv hergestellter Drehklemmhalter. Schwingfestigkeit additiver Werkzeugstrukturen und Freistrahlverhalten kryogener Kohlenstoffdioxidkühlung. WT Online 108 (2018) 1/2, S. 100–106
Abele, E., Heep, T., Bickert, C., Pyttel, B. u. Kirilov, K.
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Application of Carbon Dioxide Snow in Machining of CGI using an Additively Manufactured Turning Tool. Journal of Manufacturing and Materials Processing 3 (2019) 1, S. 15
Heep, T., Bickert, C. u. Abele, E.
