Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss einer kryogenen Prozesskühlung auf das Einsatzverhalten von Bohrwerkzeugen
In dem hier vorgestellten und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt wird die Zielstellung verfolgt, grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Einsatz des neuartigen Kühlkonzeptes der CO2-Schneestrahlkühlung und dem Verhalten unterschiedlicher Werkzeuge im Bohrprozess zu erforschen. Hierbei soll durch eine Kühlung der Werkstückaustrittskante eine Gratreduzierung gegenüber konventionellen Trockenbearbeitungsprozessen erzielt werden. Dabei dient die Kühlung dazu, die durch die Prozesswärme hervorgerufene Herabsetzung der Fließspannung des Werkstoffs zu vermeiden. Weiterhin wird beabsichtigt, die Kühlung zur Senkung der thermischen Werkzeugbelastung zu verwenden, um dadurch im Vergleich zu herkömmlichen Prozessen höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei vergleichbaren Schneidenbelastungen zu erzielen. Der dritte Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf einer Analyse der Eignung des Kühlmediums zur Beeinflussung der Spanform. Hierzu ist es geplant, eine Variation der Lage der Kühlkanalaustrittsbohrungen vorzunehmen, um das Kühlmedium in den Schnittspalt zwischen Spanfläche und Span zu applizieren. Neben umfangreichen experimentellen Untersuchungen ist eine FEM-Simulation projektiert, um die resultierenden Temperaturfelder im Bauteil zu berechnen und daraus günstige Prozessbedingungen abzuleiten.
Der erste Untersuchungsschwerpunkt liegt auf der Analyse des Einflusses der Prozesskühlung auf die Bohrungsqualität. Die für dieses Arbeiten zu Grunde liegende Hypothese beruht auf der Annahme, dass die Materialeigenschaften durch die Prozesskühlung hin zu einem spröderen Materialverhalten beeinflusst werden, was hinsichtlich einer Verbesserung der Bearbeitungsgüte ausgenutzt werden kann. Dazu wird bei der Herstellung von Durchgangsbohrungen die Werkstückrückseite im Bereich des Werkzeugaustrittes mit einem CO2-Schneestrahl gekühlt, um die Änderungen des Materialverhaltens hinsichtlich einer Gratreduzierung auszunutzen. Zur genauen Analyse der ablaufenden Prozesse werden sowohl die thermomechanischen Belastungen erfasst als auch die Gratbildung mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera analysiert.
- Bild 1: Ziele des Einsatzes einer CO2-Schneestrahlkühlung beim Bohren
Die zweite Zielsetzung beruht auf der Annahme, dass durch die Verwendung der Prozesskühlung und dem damit verbundenen Wärmeentzug während der Zerspanung eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten und eine gleichzeitige Reduzierung der Prozesszeiten bei vergleichbaren thermischen Belastungen erreicht werden kann. Diese Annahme soll untersucht werden, um eine Optimierung des Bohrprozesses durch die CO2-Kühlung zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Teils der experimentellen Untersuchungen werden Werkzeuge eingesetzt, die für den Einsatz einer inneren Zufuhr des Kühlmediums präpariert wurden. Diese Werkzeuge verfügen in den Austrittsöffnungen der Kühlkanäle zur Expansion des druckverflüssigten CO2 über Düsen. Durch die wirkstellennahe Kühlung soll, wie beschrieben, der Prozess gekühlt und dadurch Potenzial für eine Schnittwerteerhöhung geschaffen werden. Die dritte Zielsetzung dieses Vorhabens ist auf die eng mit der Gratbildung verbundene Spanbildung fokussiert. Es wird angestrebt, durch die Prozesskühlung und die damit einhergehende Beeinflussung des Werkstoffs zu einem spröderen Materialverhalten die Spanbildung hin zu kürzeren Spänen zu manipulieren und diese mithilfe des Schneestrahls sicher aus der Bohrung zu entfernen. Dabei stellen insbesondere die Lage der CO2-Düsen sowie die Kühlleistung wichtige Einflussgrößen dar, so dass die Auswirkungen der Wahl einzelner Düsenlagen und Kühlleistungen zu analysieren sind. Auch hierbei werden präparierte Werkzeuge eingesetzt. Diese verfügen jedoch über Kühlkanalöffnungen in den Spannuten, um das Kühlmedium zwischen der Spanfläche und der Spanunterseite zu applizieren, um die Spanbildung zu beeinflussen. Weiterhin ist eine Simulation nach der Finite-Elemente-Methode geplant. Dazu soll eine Berechnung der resultierenden Werkstücktemperatur, die sich aus der Überlagerung der im Zerspanprozess umgewandelten Wärme mit der von außen und von innen auf die Werkstückaustrittsfläche aufgebrachten Kühlung ergibt, erfolgen.