05Anlagen, Verfahren Mit pulsierender Kühlschmierstoffzufuhr zur gewünschten Spanlänge Hochdruckkühlung – produktiv und sicher Moderne Fertigungsprozesse müssen hohen Produktivitätsanforderungen bei Gewährleistung gleichbleibend hoher Qualität der gefertigten Werkstücke genügen. Um dies bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen zu realisieren, wird häufig die Hochdruck-Kühlschmierstoffzufuhr angewandt, welche sich sowohl auf den Werkzeugverschleiß als auch auf die Spanbildung positiv auswirkt. ■■■■■■ Das Potenzial der Hochdruck-Kühlschmierstoffzufuhr wird bisher jedoch vorwiegend bei der Schrupp- und weniger bei der Schlichtbearbeitung genutzt, da durch den KSS-Strahl beschleunigte, kurze Späne auf bereits fertig bearbeitete Oberflächen auftreffen und diese beschädigen können [CAYL18]. Am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University wird nun eine innovative, pulsierende Hochdruck-KSS-Zufuhrstrategie entwickelt. Diese ermöglicht eine gezielte Einstellung von günstigen Spanlängen und somit die Nutzung der Vorteile der Hochdruck- KSS-Zufuhr beim Schlichtdrehen schwer zerspanbarer Werkstoffe. In der Luftfahrtindustrie werden für die Herstellung von Triebwerkskomponenten aufgrund ihrer Temperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig Nickelbasislegierungen verwendet. Nickelbasislegierungen weisen etwa 30 % der Wärmeleitfähigkeit der Stahlwerkstoffe auf. In der Folge wird bei der Bearbeitung weniger Wärme über den Span und das Werkstück abgeführt und das Werkzeug erfährt eine erhöhte thermische Hochleistungszerspanung im Fokus Weitere Informationen rund um das Thema der Hochleistungszerspanung bietet die 7. Aachener High-Performance-Cutting (HPC) Konferenz am 23. und 24. Oktober 2018 am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen. Renommierte Experten aus Industrie und Forschung berichten hier über ihre Erkenntnisse und Erfahrungen im Bereich der Hochleistungszerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Die Konferenz dient als Diskussionsforum und beinhaltet die Demonstration von aktuellen Forschungsergebnissen aus dem Bereich der Zerspanungstechnologie an zahlreichen Prüfständen. Programm der Konferenz und Anmeldung unter www.wzlforum.rwth-aachen.de Beanspruchung. Weiterhin neigt das Werkzeug bei der Bearbeitung von Nickelbasislegierungen zur Aufbauschneidenbildung und es tritt Abrasionsverschleiß auf. Aufgrund ihres einzigartigen Dichte-Festigkeitsverhältnisses, bei guter Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit, spielen auch Titanlegierungen eine wichtige Rolle bei der Fertigung von Komponenten für Luftfahrtanwendungen [MSAO15]. Ihre Wärmeleitfähigkeit entspricht etwa 10 bis 20 % der Wärmeleitfähigkeit von Stahlwerkstoffen. Die elastische Verformung des Werkstoffs führt bei der Zerspanung von Titanlegierungen zusätzlich zu einer starken thermischen und mechanischen Wechselbelastung der Schneide. Aufgrund der beschriebenen hohen Belastungen der Werkzeugschneide, werden beide Werkstoffe als schwer zerspanbar eingestuft [KLOC18]. Bei der Bearbeitung solcher Werkstoffe mit konventioneller Überflutungskühlung treten oftmals ungünstige Spanformen auf. Band- oder Wirrspäne verursachen zusätzliche Stillstandzeiten, da der Maschinenbediener die Späne entfernen muss. Neben der Verletzungsgefahr für den Bediener besteht durch die langen Späne auch das Risiko der Beschädigung des Werkstücks und der Maschine. Verbesserte Kühlung steigert Werkzeugstandzeit Die gerichtete Zufuhr von Kühlschmierstoff unter erhöhten Drücken in die Zerspanzone führt zu einer verbesserten Kühlwirkung und damit zu einer Steigerung 92 Oktober 2018
des Werkzeugstandvermögens gegenüber der konventionellen Überflutungskühlung. Durch den auftreffenden KSS-Strahl wird Kraft auf den sich bildenden Span ausgeübt, wodurch dieser bereits bei einer geringen erreichten Länge bricht und keine Band- oder Wirrspäne entstehen [KLOC18]. Die durch den dauerhaft auf die Zerspanzone gerichteten KSS-Strahl kurz ge- brochenen Späne, werden durch diesen beschleunigt und können bereits bearbeitete Flächen beim Auftreffen beschädigen. In Abbildung 1 ist eine Beschädigung der Werkstückoberfläche durch einen anhaftenden Span nach einem Außenlängsdrehprozess gezeigt. Durch Spankollisionen können jedoch auch weniger offensichtliche Oberflächenschädigungen in Form von Werkstoffabtrag oder Anhaftungen auftreten [CAYL18]. Beim Schlichtdrehen rotierender Komponenten für Luftfahrtanwendungen ist es besonders wichtig, Beeinträchtigung der Oberfläche durch Spankollision zu unterbinden. Ihre Qualität ist häufig ausschlaggebend für die Sicherheit eines Flugzeugs, da ein Versagen beispielsweise zu einem Triebwerksausfall führen kann [ULUT11]. Um dieser Problematik der Hochdruck-KSS-Zufuhr entgegenzuwirken und ihre technologischen und ökonomischen Potenziale bei der Schlichtbearbeitung besser nutzen zu können, wird im Rahmen des Projektes „Pulskühl“ eine innovative pulsierende Zufuhrstrategie entwickelt. Diese ermöglicht die gezielte Einstellung der resultierenden Spanlängen. Auf diese Weise wird sowohl die Entstehung von ungünstigen Band- und Wirrspänen verhindert, als auch der Schwerpunkt des brechenden Spans aus dem Fokus des KSS-Strahls bewegt, wodurch die Beschleunigung in Strahlrichtung und somit in Richtung bereits bearbeiteter Flächen vermindert wird [CAYL18]. Die Einstellung der Spanlänge erfolgt über die Zeitintervalle t on und t off , welche in Summe die Periodendauer bestimmen. Jedem Intervall ist eine Ventilstellung der Pulsationseinheit zugeordnet. Wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, bestimmt die Dauer des Zeitintervalls t off in Abhängigkeit von der Abbildung 1: Durch auftreffende beschleunigte Späne entstehen beim Außenlängsdrehen Oberflächenbeschädigungen nach [CAYL18]. Bild: WZL RWTH Aachen Schnittgeschwindigkeit die Länge des Spans. Sobald der in der Zerspanzone auftreffende KSS-Strahl die, abhängig von Werkstoff und Schnittbedingungen, für den Spanbruch benötigte Kraft nach Beginn des Zeitintervalls t on aufbringt, bricht der Span [CAYL18]. In Abbildung 2 ist ein idealisierter Druckverlauf dargestellt. In bereits durchgeführten Voruntersuchungen konnte die resultierende Spanlänge beim Drehen der Nickelbasislegierung Inconel 718 mittels der pulsierenden KSS- Zufuhr variiert werden. In Abbildung 3 sind charakteristische Spanformen für die drei beschriebenen KSS- Zufuhrstrategien gegenübergestellt. Bei Anwendung der konventionellen Überflutungskühlung, ohne den Einsatz erhöhter Drücke, bilden sich Spannester aus langen Spänen. Die KSS-Zufuhr unter dauerhaft erhöhtem Druck führt dagegen zum frühzeitigen Bruch der Späne Abbildung 2: Der KSS- Zufuhrdruck variiert bei der pulsierenden Zufuhr mit der Ventilstellung der Pulsationseinheit nach [CAYL18]. Bild: WZL RWTH Aachen Oktober 2018 93
