Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Pulsierende Zuführung des Kühlschmierstoffes bei der Drehbearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien unter erhöhten Drücken - PulsKühl

Das Vorhaben zielt auf die Lösung eines bekannten Problems bei der Drehbearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen ab. Die bislang angewandte konstante Zufuhr von Kühlschmierstoffen (KSS) minimiert zwar durch eine weitgehende Vermeidung von Band- und Wirrspänen die Maschinenstillstandszeiten, erzeugt aber umherfliegende kurzbrüchige Späne mit hohem Impuls, die zur Verschmutzung des Arbeitsraums beitragen und Werkstücke beschädigen können, was Ausschuss zur Folge hat.

Die zielgerichtete Zuführung des Kühlschmierstoffs zur Zerspanstelle mit hohem Druck (Hochdruck-KSS-Zufuhr) stellt vor allem bei der Drehbearbeitung eine potentialträchtige Technologie zur Erhöhung der Produktivität und Prozesssicherheit dar. Trotz des hohen Leistungspotentials wird diese innovative KSS-Strategie bis heute vorwiegend in der Schruppbearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen eingesetzt. Verfahrensbedingt entstehen bei der Zerspanung unter Hochdruck-KSS-Zufuhr häufig kurzbrüchige Späne, die durch den hohen dynamischen Druck und der daraus resultierenden Austrittsgeschwindigkeit des Kühlschmierstoffs im Arbeitsraum der Maschine umher gewirbelt werden. Dies erschwert zum einen die Säuberung der Abluft durch starke Nebel- bzw. Aerosolbildung. Zum anderen kollidieren die kurz gebrochenen Späne mit der neu generierten Werkstückoberfläche. Dadurch kann es zu unerwünschten Oberflächenanomalien kommen, sodass die Bauteile als Ausschuss aussortiert werden müssen. Hiervon ausgehend ist es die Zielsetzung des vorliegenden Forschungsvorhabens, durch eine innovative KSS-Pulsationstechnologie die technologischen Nachteile einer dauerhaften Hochdruck-KSS-Zufuhr zu eliminieren und somit eine Erweiterung der Einsatzgebiete der Hochdruck-Technologie, insbesondere bei KMU´s zu ermöglichen. Im Fokus der Arbeiten stehen die Wirkmechanismen bei der Drehbearbeitung mit pulsierender Hochdruck-KSS-Zufuhr, die Erarbeitung technisch geeigneter Zuführungskonzepte, die Ermittlung geeigneter Einsatzbedingungen und die Bewertung des energetischen und ökonomischen Potentials der pulsierenden Hochdruck-KSS-Zufuhr insbesondere bei KMU´s.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Projekt „PulsKühl“ erarbeiten Ergebnisse zur Realisierung und Anwendung der pulsierenden Kühlschmierstoff-Zufuhr (P-KSS-Zufuhr) ermöglichen es, die Vorteile der Hochdruck-Kühlschmierstoff-Zufuhr (HD-KSS-Zufuhr) auf das Schlichtdrehen zu übertragen. Der KSS-Puls ermöglicht eine gezielte Einstellung der Spanlänge, sodass bei der HD-KSS-Zufuhr auftretende spankollisionsbedingte Oberflächenschädigungen minimiert und die Produktivität und Prozesssicherheit gesteigert werden.

Ein System für die Realisierung der P-KSS-Zufuhr wurde entwickelt, erprobt und strömungstechnisch charakterisiert. Anschließend erfolgte die Analyse der Korrelationen zwischen den Schnittparametern, den Stellgrößen der P-KSS-Zufuhr und den Spanlängen beim Schlichtdrehen von Inconel 718 und TiAl6V4. Die Ergebnisse wurden in ein Gestaltungsmodell für die industrielle Anwendung in Form eines Softwaretools und einer Intensitäts-Beziehungs-Matrix zur Prozessoptimierung überführt. Die Anwendung des Gestaltungsmodells beim Schlichtdrehen von Beispielwerkstücken führte zur Minimierung der Oberflächenschädigungen. Darüber hinaus ermöglicht sie dem Anwender eine an den Drehprozess angepasste, sinnvolle Parametrisierung der P-KSS-Zufuhr. Die technologische, ökonomische und ökologische Bewertung der Technologie ergab, dass die Potenziale der HD-KSS-Zufuhr bei Anwendung der P-KSS-Zufuhr für das Schlichtdrehen vollumfänglich nutzbar werden.

Die entwickelte Anlagentechnik ist kostengünstig, mit handelsüblicher Ventiltechnik realisierbar und kann einfach in einen bestehenden KSS-Kreislauf integriert werden. Für KMU ist es möglich die P-KSS-Zufuhr mit geringen Investitionskosten kurzfristig einzusetzen und ihre Fertigungskosten beim Schlichtdrehen maßgeblich zu senken. In der Folge können sie ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern. Neben der verarbeitenden Industrie profitieren Werkzeug-, Maschinen- und Anlagenhersteller von der Technologie, da sie ihr Produktportfolio durch Neuentwicklungen erweitern können.