Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Oberflächen- und Randzonenbeeinflussung sowie Ressourceneffizienz beim Einsatz der Hochdruck-KSS-Zufuhr

Bei der Schlichtbearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen kommt es häufig aufgrund des kontinuierlichen Schnitts und der geringen Spanungsquerschnitte zur Bildung von langen Spänen, die sich um den Werkzeughalter und/oder um rotierende Maschinenkomponenten wicklen, das Werkzeug beschädigen und die Werkstückoberfläche verkratzen können. Die zielgerichtete Zuführung des Kühlschmierstoffs (KSS) mit erhöhtem Druck (Hochdruck-KSS-Zufuhr) stellt in diesem Zusammenhang eine potenzialträchtige Technologie dar, um den Spanbruch bei gleichzeitiger Reduzierung des Werkzeugverschleißes herbeizuführen, wie jüngste Ergebnisse aus dem Vorgängerprojekt "ProHoKühl" zeigen. In der Praxis wird die HD-KSS-Zufuhr bislang beim Schlichtdrehen aufgrund fehlender Erfahrungen hinsichtlich der Oberflächen- und Randzonenbeeinflussung nicht eingesetzt. Zudem bestehenden häufig Unsicherheiten bezüglich des Einsatzes der Hochdrucktechnologie, da zunächst zusätzliche Anlagen-, Werkzeug- und Energiekosten entstehen und hierzu kein Berechnungsschema vorliegt, mit Hilfe dessen ein potentieller Anwender die mit der Technologieeinführung verbundenen Kosten und erzielten Nutzen gegenüberstellen kann. Anwender berichten von der Problematik, dass die gebrochenen Späne vom KSS-Freistrahl auf die Werkstückoberfläche beschleunigt werden und Oberflächenanomalien erzeugen, die die Lebensdauer von sicherheitskritischen Bauteilen negativ beeinflussen können. In diesem Foschungsvorhaben soll daher die oben beschriebene Wissenslücke zur Oberflächen- und Randzonenbeeinflussung durch die HD-KSS-Zufuhr bei der Schlichtbearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen geschlossen werden und zum anderen ein Berechnungsschema implementiert werden, mit dessen Hilfe (potentielle) Anwender insbesondere KMU´s Investitionsrechnungen im Rahmen einer Technologieeinführung durchführen kann.

Ergebniszusammenfassung:

In dem durchgeführten Projekt „ORaKühl" wurden systematische Zerspanversuche durchgeführt, um den Einfluss der Hochdruck-KSS-Zufuhr auf die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften grundlegend zu untersuchen. Es wurde herausgefunden, dass die Energieumwandlung während der Spankollision die Art und das Ausmaß der Oberflächenanomalien bestimmt, die sich in Materialanhaftung und Materialabtrag kategorisieren lassen. Ferner wurde herausgefunden, dass die Hochdruck-KSS-Zufuhr bereits bei einem KSS-Druck von 80 bar die Spankrümmung signifikant beeinflussen kann. Mit Einsatz der Hochdruck-KSS-Zufuhr nahm der Scherwinkel signifikant zu. Mit zunehmendem Scherwinkel sinkt der Lamellenabstand, sodass die Anzahl der Lamellen zunimmt. Dies bedeutet jedoch, dass die erhöhte Spanlamellenbildungsfrequenz zu einer höheren dynamischen Werkzeugbelastung beim Einsatz der Hochdruck-KSS-Zufuhr führen kann. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die maximale Spanungsdicke mit zunehmendem KSS-Druck signifikant reduziert wird. Insbesondere bei Werkzeugen mit einer Schneidkantenverrundung kann die Reduktion der maximalen Spanungsdicke zu Ploughing-Effekten führen. Diese Erkenntnisse sollten Anwender der Hochdruck-Technologie bei der Prozessauslegung unbedingt beachten. Aus diesem Grund leistete das Projekt einen signifikanten Beitrag zur Erweiterung des Prozessverständnisses. Die gewonnenen Erkenntnisse zu den Entstehungsmechanismen von Oberflächenanomalien und zu der Randzonenbeeinflussung ermöglicht die Ermittlung von geeigneten Einsatzbedingungen in der Schlichtbearbeitung. Daher versetzt die Kenntnis des kritischen Energieeintrags durch die Kühlschmierstrategie, (potentielle) Anwender in die Lage, die zu Oberflächenanomalien führenden physikalischen Mechanismen zu unterbinden und versetzt somit insbesondere deutsche KMU's in die Lage, kundenspezifische Problemlösungen im Themenfeld der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen mit Hochdruck-Kühlschmierstoff-Zufuhr anzubieten.