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Einsatzverhalten und Leistungsbedarfe unterschiedlicher Kühlkonzepte beim Außen-Längs-Runddrehen
Fürstmann, Paul Günter
Hochwarmfeste Werkstoffe bewirken bei der Drehbearbeitung eine hohe thermo-mechanische Beanspruchung der Zerspanwerkzeuge. Neben der Erforschung neuer Schneidstoffe und Hartstoffschichten ist die Kühlschmierung der Zerspanzone das wirksamste Mittel, die Produktivität zu steigern und den Werkzeugverschleiß zu verringern. Neben der Überflutungskühlung mit Kühlschmierstoff können auch geschlossen-innengekühlte Drehwerkzeuge eingesetzt werden, um die Werkzeugschneide zu kühlen. Diese technische Alternative konnte sich im industriellen Einsatz nicht durchsetzen.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die allgemeinen Grenzen und Möglichkeiten geschlossen-innengekühlter Drehwerkzeuge aufgezeigt. Dafür sind das Einsatzverhalten unterschiedlicher Zerspanwerkzeuge und der Energiebedarf eines CNC-Dreh-Fräszentrums bei Außen-Längs-Runddrehprozessen für die reine Trockenzerspanung, die Trockenzerspanung mit geschlossenem Innenkühlsystem und die Überflutungskühlung mit Kühlschmierstoff analysiert worden. Durch eine Variation der Hartmetallsubstrate, Hartstoffbeschichtungen und Wendeschneidplattenmikrogeometrien konnte nachgewiesen werden, dass sich tiefkalter Stickstoff für die Kühlung von Hartmetallwerkzeugen nicht eignet. Weiterhin konnten durch den Vergleich zur Trockenzerspanung und Überflutungskühlung neue Erkenntnisse über die Verschleißmechanismen beim Zerspanen von TiAl6V4 gewonnenen werden. Für die verschiedenen Kühlungsmethoden ist ein Energiebilanzierungsmodell erstellt worden, welches die Energiebedarfe der Werkzeugmaschine, der Werkzeugherstellung und der Prozesskühlung berücksichtigt. Anhand dieses Modells wurde mit Parameterstudien die energetisch effizienteste und wirtschaftlichste Kühlschmiermethode bestimmt. Durch das Energiebilanzierungsmodell ist es möglich, die Wirkung technischer Verbesserungen auf den Prozesswirkungsgrad zu berechnen. Dadurch lassen sich frühzeitig technische Fehlentwicklungen vermeiden und die Entwicklung besonders effizienzsteigernder Maßnahmen forcieren.
Cutting tools have to withstand high thermo-mechanical loads when turning materials that are difficult to cut, e. g. stainless steel, titanium or nickel alloys. Over a long term, the devel-opment of novel high temperature resistant cutting materials or chemically inert super hard coatings is the most efficient way to improve the productivity of cutting processes. The productivity and tool lifetime can be improved within a short time frame by optimising the flood cooling supply. As an alternative to flood cooling with cooling liquid, it is possible to apply internally cooled closed-loop turning tools to cool the cutting wedge. Unfortunately, internally cooled tools are not used in the shop floor, yet.
This dissertation evaluates general limits and opportunities for internally cooled closed-loop turning tools. For this purpose, the performance of different cutting tools and the energy demand of a CNC turn-mill-centre were measured for dry cutting without any cooling, dry cutting with a closed-loop tool system and flood cooling with cooling liquid.
The comparison of dry cutting, dry cutting with internally cooled tool and flood cooling revealed new insights on tool wear mechanisms when cutting Ti-6Al-4V. Another important result is that cryogenic nitrogen is not suitable to cool cemented carbides. An energy balance model considering the energy demands of the machine tool, the cutting tool production and the cutting process cooling was drawn up for all different cooling methods. Based on that model, parameter studies determined the most energy efficient and economic cooling method for different cutting parameters. The energy balance model allows for forecasting the effects of future technical improvements on the degree of efficiency of the process. Like this, wrong technical developments can be avoided and the progress of highly efficiency-raising methods can be forced.
