Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Implementierung eines Konzepts zum Einsatz einer Tieftemperaturemulsion (TTE) in der Bohrbearbeitung von Inconel 718

Nickelbasislegierungen zeichnen sich vor allem durch ihre mechanische Festigkeit aus, die sie bis in hohe Temperaturbereiche beibehalten. Bei der Bohrbearbeitung dieser anspruchsvollen Werkstoffe kommt zumeist Hochdruck-Kühlschmierung zum Einsatz. Dabei wird der Kühlschmierstoff (KSS) dem Prozess bei Raumtemperatur zugeführt, um die eingebrachte thermische Energie abzutransportieren. Trotz der aktiven Kühlung können bislang zur Bearbeitung von Nickelbasislegierungen nur moderate Schnittwerte eingesetzt werden, um den Werkzeugverschleiß und die Beeinflussung der Bohrungsrandzone gering zu halten. In diesem Forschungsvorhaben wird eine Leistungssteigerung des Bohrprozesses durch Einsatz eines auf T = -20 °C herabgekühlten KSS angestrebt, der durch seine gesteigerte Wärmekapazität eine effektivere Prozesskühlung ermöglicht. Das Ziel ist die Produktivitätssteigerung bei gleichbleibendem Prozessergebnis.

Dazu wird zunächst ein geeignetes Fluid entwickelt. Neben den grundsätzlich an KSS gestellten Anforderungen muss dieses bei tiefen Temperaturen prozesssicher zuführbar sein. Dazu wird eine geeignete Maschinenperipherie ausgelegt, um den Einsatz des tiefkalten KSS an einer konventionellen Maschine zu ermöglichen. Anschließend folgen systematische Untersuchungen zum Einfluss auf den Prozess. Anspruchsvolle Zerspanungsaufgaben werden häufig in hoch spezialisierten KMU ausgeführt. Da diese unter hohem wirtschaftlichem Druck arbeiten, stehen eine geringe Zahl an Prozessschritten, eine hohe Bearbeitungsqualität und vor allem die Produktivität der Prozesse im Fokus. Zentraler Aspekt ist dabei die Prozesssicherheit, die durch effektive Kühlschmierung sichergestellt werden kann. Der Einsatz tiefkalter Emulsion in dafür ausgelegten oder angepassten Werkzeugmaschinen ermöglicht eine erhebliche Wirtschaftlichkeitssteigerung. Im Gegensatz zur kryogenen Kühlung können die KMU dabei auf bewährte, günstige und gut handhabbare Technologien zurückgreifen, die lediglich modifiziert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurde eine Tieftemperaturemulsion für die Bohrbearbeitung von Inconel 718 entwickelt und eingesetzt. Hierfür wurde zunächst eine gefrierbeständige Emulsion auf Wasserbasis ausgelegt und untersucht. Weiterhin wurde ein neuartiger KSS-Kreislauf konzeptioniert, bei welchem die Emulsion gezielt gekühlt sowie bevorratet werden kann und alle beteiligten Komponenten an die veränderten Prozessbedingungen adaptiert sind. Die Entwicklungsschritte haben im Anschluss die erstmalige Verwendung einer Emulsion bei Temperaturen von TKSS = -10 °C beim Bohren ermöglicht. Nachfolgend wurden verschiedene Versuchsreihen mit variierenden Emulsionstemperaturen, Bohrwerkzeugen und Schnittparametern umgesetzt. Die Tests konnten die vollständige Funktionsfähigkeit des Kreislaufes sowie die Anpassungsfähigkeit hinsichtlich der KSS-Strategie (Druck, Durchflussvolumen, Temperatur) aufzeigen. Im Spezifischen wurden diverse prozessbegleitende und –angeschlossene Untersuchungen durchgeführt. Hierbei konnten geringere thermische Belastungen der Werkzeugschneide experimentell bei Verwendung von gekühlter Emulsion bestimmt werden. Ebenso kann durch die Tieftemperaturemulsion die Bohrungsintegrität der Werkstücke in der Bohrungsrandzone durch die Vermeidung von White-Layer-Bildung und die Einbringung von Druckeigenspannungen verbessert werden. Für Werkzeuge mit einem Durchmesser von d = 14 mm konnten Standwegverlängerungen von ca. 60 % erzielt werden. Hierdurch ergeben sich Einsparungen der Werkzeugkosten sowie ein verringerter Hartmetalleinsatz. Eine weiterführende energetische Bilanzierung des gesamten Kreislaufes konnte den nur geringen finanziellen Mehraufwand für den Betrieb aufzeigen. Zusammenfassend konnte vorwettbewerbliches Wissen für eine angeschlossene industrielle Umsetzung dieser neuartigen KSS-Strategie generiert werden. Die beschriebenen wirtschaftlichen Einsparungen können die notwendigen Investitionskosten für den Einsatz der Tieftemperaturemulsion übersteigen.