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 ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452408713

Bei der Tiefbohrbearbeitung von Nickelbasislegierungen mit kleinen Durchmessern spielt die Wärme- und Spanabfuhr aus der Wirkzone eine zentrale Rolle. Die geringe Wärmeleitfähigkeit sowie hohe Duktilität, Härte und Warmfestigkeit erschweren den Spanbruch und resultieren in einer hohen thermomechanischen Belastung von Werkzeug und Werkstück. Klassische Kühlschmiermethoden wie die Überflutungskühlung sowie die Minimalmengenschmierung liefern hier unzureichende Ergebnisse. Ein vielversprechender Ansatz ist die kryogene Minimalmengenschmierung (kMMS) mit einer Mischung aus Schmierstoff und flüssigem oder überkritischem Kohlendioxid. Beim Austritt aus den Kühlkanälen des Bohrers expandiert das CO2 zu Trockeneis, entzieht der Wirkstelle Wärme und setzt das vorher gelöste Öl frei, das dann seine Schmierwirkung entfaltet. In der ersten Förderphase wurden umfangreiche Ergebnisse zur komplexen kMMS beim Tiefbohren erzielt, die einen wichtigen Beitrag zum Prozessverständnis leisten. Die zentrale Forschungshypothese, dass eine einphasige Lösung aus Schmierstoff und CO2 aufgrund des vollständigen Transports beider Medien in die Spanbildungszone zu besseren Ergebnissen führt, konnte jedoch nicht bestätigt werden. Besonders Öle mit verzögerter Einlösung zeigten herausragende Ergebnisse hinsichtlich der Werkzeugstandzeit, führten jedoch zu instabilen Förderbedingungen im Zusammenwirken mit CO2. Ferner wurde bei einigen Ölen eine Aufspaltung im flüssigen CO2 beobachtet, die den kMMS-Prozess negativ beeinflusst. In der nun beantragten Projektfortsetzung soll ein bereits identifizierter, performanter Schmierstoff vertiefend untersucht und weiterentwickelt werden. Ziel ist es, die chemische Zusammensetzung sowie das Verhalten des CO2-Schmierstoff-Gemisches in der Werkzeugmaschine und der Spanbildungszone mithilfe eines sensorisierten Versuchsstandes und Simulationen besser zu verstehen, um daraus optimierte Varianten mit verbesserter Einlösefähigkeit, höherer Prozessstabilität und gleichbleibend hoher tribologischer Leistung abzuleiten. Des Weiteren ermöglicht der bisher verwendete Aufbau es nicht, CO2-Druck und Massenstrom unabhängig voneinander zu regeln. Zur bedarfsgerechten Zufuhr des Schmierstoffgemischs wird die Werkzeugaufnahme konstruktiv angepasst, um CO₂-Druck und Massenstrom künftig unabhängig voneinander regeln zu können. Dies erlaubt es, die Gefahr einer Überkühlung zu minimieren und gleichzeitig eine konstante Schmierstoffversorgung sicherzustellen. Durch die Kombination aus experimenteller Analyse, Variation der Schmierstoffformulierungen, visualisierender Prozessdiagnose und Simulation entsteht ein tiefgreifendes Verständnis der maßgeblichen Einflussgrößen innerhalb des kMMS-Systems. Dies schafft die Grundlage für eine robuste, übertragbare und nachhaltige Prozessauslegung auch mit Blick auf den industriellen Einsatz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen