Vermeidung thermisch bedingter Verzüge bei der Zerspanung von Ti-6Al-4V durch lokale kryogene Zerspanung

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Maas; Professor Dr.-Ing. Volker Schulze
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290476012

Ziel des Vorhabens ist die Kompensation von hohen Zerspanungstemperaturen beim Fräsen von Titan durch gezielte kryogene Kühlung des Werkzeugs mit flüssigem Stickstoff. Als wichtiges Teilziel muss dabei die Absicht hervorgehoben werden, nur die Wirkzone zu kühlen und nicht das gesamte Bauteil oder die Umgebung. Der Prozess soll im Ergebnis so eingestellt werden, dass nur genau so viel Kühlung mittels Stickstoff in den Prozess eingebracht wird, wie durch den Prozess selbst entsteht. Ziel ist es also, dass nur in der Scherzone die hohen Temperaturen herrschen, die notwendig sind, um den Zerspanungsprozess zu ermöglichen. Um dieses Ziel erreichen zu können, soll zunächst untersucht werden, wie sich eine kryogene Kühlung mit flüssigem Stickstoff auf die Zerspanungseigenschaften auswirkt. Hierfür soll ein vorhandenes Spanbildungssimulationsmodell für den Werkstoff Ti 6Al 4V so erweitert werden, dass die tiefkalte Kühlung des Werkzeugs abgebildet und der Einfluss auf die Spanbildung, die Zerspanungskräfte und -temperaturen ohne aufwändige Versuche untersucht werden kann. Parallel dazu soll die Verdampfung und Expansion des flüssigen Stickstoffs im Zerspanungswerkzeug genau analysiert werden. Dieser Vorgang ist stark von der Geometrie der Expansionskammer im Schneidwerkzeug abhängig und hat einen großen Einfluss auf die sich einstellende Stickstoffzusammensetzung, die Temperaturen an der Schneide und den Stickstoffverbrauch. Ziel ist es, die ablaufenden Vorgänge und deren Abhängigkeiten möglichst genau zu kennen, um sie im weiteren Verlauf des Projekts gezielt beeinflussen zu können. Mittels Drehversuchen im orthogonalen Schnitt soll das Kryo-FE-Spanbildungssimulationsmodell validiert werden. Um das übergeordnete Gesamtziel erreichen zu können, soll das System Werkzeug-Stickstoff-Werkstück so ausgelegt werden, dass ideale Schnittbedingungen hinsichtlich produktiver Prozessparameter bei gleichzeitig niedrigem Werkzeugverschleiß und guter Qualität der gefertigten Bauteiloberflächen für die Zerspanung der Titanlegierung Ti 6Al 4V herrschen. Da der Einsatz von flüssigem Stickstoff in einer Fertigungsumgebung bisher nicht den Stand der Technik darstellt, ist ein weiteres Ziel dieses Forschungsvorhabens die Betrachtung des Einflusses der sich einstellenden tiefen Temperaturen auf das Werkzeug, die Maschine und die Umgebung. Da eine Vielzahl von Titanbauteilen in der tatsächlichen Anwendung durch Fräsoperationen hergestellt wird, soll das Forschungsvorhaben in der zweiten Antragsphase in einer Übertragung der Ergebnisse auf das Nutfräsen münden. Zum Abschluss des Projekts ist die kryogene Fertigung eines Realbauteils geplant sowie die Ableitung von Kompensationsstrategien für ein optimales Wärmemanagement bei der Fräsbearbeitung von Titan.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Frederik Zanger