Adaptive kryogene Hochleistungskühlung für Drehwerkzeuge

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Dix
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 540971848

Die steigenden Leistungsdichten in allen Produktbereichen führen zu einer verstärkten Nachfrage nach Hochleistungswerkstoffen (Nickelbasis- und Titanlegierungen, wie z. B. Inconel 718 oder Ti 6Al 4V). Die damit verbundenen hohen Kennwerte für Warmfestigkeit und Warmhärte führen bei der Zerspanung zu hohen Temperaturen in der primären Scherzone (über 1000°C) in Kombination mit hohen mechanischen Belastungen der Schneide. Dadurch werden Werkzeugstandzeiten und -wege signifikant reduziert. Eine Reduzierung der Prozesstemperaturen erfolgt durch Kühlschmierung als nicht wertschöpfendes Zusatzsystem der Werkzeugmaschine. Bei den hohen Prozesstemperaturen ist die Kühlleistung der konventionellen KSS-Vollstrahlkühlung häufig nicht ausreichend, um die Werkzeugschneide ausreichend zu kühlen. Kryogene Kühlung hat das Potential, den Temperaturgradienten zu erhöhen und die Prozesswärme schnell abzuführen, jedoch bringt das Sieden an einer warmen Kontaktfläche (Leidenfrosteffekt) eine unerwünschte Isolationswirkung und damit einen geringen Wirkungsgrad der Kühlleistung mit sich. Eine Erhöhung der Schmierstoffzufuhr insbesondere durch Hochdruckkühlung mit liquider Phase des Kryogens steigert die Wirkung, bricht außerdem die Isolationsschicht durch die siedende Flüssigkeit auf und verbessert so das Eindringen des KSS in die Prozesszone. Die indirekte Kühlung der Werkzeugschneide lässt sich somit verbessern, indem durch Erhöhung der Geschwindigkeit bzw. des Massenstroms das Filmsieden in Blasensieden gewandelt und dadurch der Wärmeübergang zur Werkzeugschneide vergrößert wird. Ziel im geplanten Forschungsvorhaben ist die Entwicklung einer überwiegend primären indirekten kryogenen Werkzeugkühlung mit flüssigem Stickstoff (LN2) für die Drehbearbeitung (Außenrundlängs- und Einstechdrehen), bei der die Temperatur der Werkzeugschneide minimiert wird, ohne jedoch die notwendig hohen Temperaturen in der primären Scherzone für minimale Prozesskräfte bei Hochleistungswerkstoffen zu senken. Dafür muss die kryogene Kühlwirkung im Bereich der Schneide lokalisiert und maximiert werden. Die Gestaltung und die Festlegung der Innengeometrie des additiv zu fertigenden Werkzeugträgers sowie der notwendigen Parameter des LN2-Massestroms erfolgen simulationsgestützt. Die simulationsgestützte Auslegung kryogener Kühlung ist aufgrund fehlender Wärmeübergangsparameter für spezifische Geometrien und der seriellen Aneinanderreihung von Teilmodellen jedoch sehr unsicher. Deshalb werden im beantragten Vorhaben die notwendigen Berechnungsparameter der LN2-Zuführung, der internen Weiterleitung im Werkzeugträger, des Innenstrahlbereiches und der Gasabführung in die Prozesszone gestuft identifiziert. Dafür werden spezielle Versuchseinrichtungen umgesetzt, die eine sichere Messung der Temperatur an den Außenflächen gekühlter Komponenten zulassen. Ebenso werden Grundlagen für ein Steuer- und Regelungskonzept unter den spezifischen Bedingungen der kryogenen Kühlung erstellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen