Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung einer einphasigen CO2-Schmierstofflösung für eine gezielte kryogene Minimalmengenschmierung beim Tiefbohren von schwer zerspanbaren Werkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Marcus Petermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452408713

Die stetig steigenden Anforderungen an Bauteile, die z. B. in Triebwerken oder PKW Motoren eingesetzt werden, resultieren in einem zunehmenden Einsatz von schwer zerspanbaren Werkstoffen. Insbesondere die geringe Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Duktilität, Härte und Warmfestigkeit erschweren den Spanbruch und führen zu großen thermomechanischen Belastungen Werkzeug- und Werkstückbelastungen. In diesem Forschungsvorhaben soll der vielversprechende Ansatz verfolgt werden, den Bohrprozess durch den Einsatz der kryogenen Minimalmengenschmierung (kMMS) zu unterstützen. Dabei besteht eine Herausforderung in der Kombination aus Kühl- und Schmierwirkung, für die ein Schmiermedium in den CO2-Strom injiziert und innerhalb kürzester Zeit gelöst werden muss. Das Zusammenwirken zwischen dem Zerspanprozess und der kMMS ist bislang ebenso unerforscht, wie die Wechselwirkungen zwischen dem Schmiermedium und dem flüssigen/ expandierenden CO2. Dabei bietet die Methode das Potential, die Vorteile der MMS- und Emulsions-Bearbeitung zu kombinieren ohne auf Komponenten für die Hochdruckzufuhr von Kühlschmierstoffen zurückzugreifen. Um dieses Potential voll auszuschöpfen soll, seitens der Produktionstechnik, der Spanbildungsprozess, die Beeinflussung der Mikrostruktur durch den Bohrprozess sowie das Verschleiß- und Standwegverhalten der Werkzeuge am Beispiel des Tiefbohren der Nickelbasislegierung Inconel 718 untersucht werden. Die Verfahrenstechnik untersucht das statische und dynamische Phasengleichgewicht ausgewählter Schmierstoffe mit flüssigem CO2 sowie deren Lösungskinematik und das Phasenwechselverhalten flüssig-gasförmig, um eine gezielte Lösung des Schmierstoffes für die kMMS zu ermöglichen. Die Ergebnisse sollen ein grundlegendes Verständnis über die Wirkmechanismen der kMMS schaffen und den Zerspanprozess im Hinblick auf ökonomische sowie ökologische Aspekte optimieren. Weiterhin wird der Kenntnisstand in Bezug auf die Beeinflussung der Werkstückqualität sowie der Werkzeuglebensdauer bei Verwendung der kMMS ausgebaut. Hierzu sollen etablierte Versuche der zerstörenden und zerstörungsfreien Werkstoff- und Bauteilprüfung zur Anwendung kommen, die hinsichtlich der Charakterisierung der Bauteilmikrostruktur, der Spanbildung und dem Spantransport beim Tiefbohren entwickelt wurden. Weiterhin sollen zur Untersuchung des Lösungsverhaltens der Schmierstoffe in flüssigem CO2 Verfahren zur Bestimmung des Phasenverhaltens, der Lösungskinematik und der Schneestrahlbildung zum Einsatz kommen. In diesem interdisziplinären Vorhaben wird somit durch das Zusammenführen der produktions- und verfahrenstechnischen Expertise der Forschungspartner eine neuartige Lösung zur kMMS im spanenden Bearbeitungsprozess angestrebt. Diese Lösung bietet enorme Vorteile gegenüber der konventionellen Hochdruckkühlung und überwindet die Prozessgrenzen der MMS, sodass deren Vorteile auch bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe in anspruchsvollen Dimensionen nutzbar werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen