Kühlung mit flüssigem Stickstoff

 

 

Titanlegierungen werden als Werkstoff immer beliebter, sind jedoch nach wie vor eine Herausforderung für jeden Zerspaner. Was sich hier bei der Kühlung mit Flüssigstickstoff verbessern lässt, lesen Sie im Fachbeitrag von Prof. Fritz Klocke für MM Maschinenmarkt

 

Werkzeugkühlung

Kühlung mit flüssigem Stickstoff erhöht Werkzeugstandzeit

Titanlegierungen werden aufgrund der hohen Warmfestigkeit zunehmend als Konstruktionswerkstoff verwendet. Die schwere Zerspanbarkeit führt jedoch zu hohem Werkzeugverschleiß. Abhilfe schafft die Kühlung mit flüssigem Stickstoff: die Werkzeugstandzeit steigt signifikant.

Die Bearbeitung von hochwarmfesten Legierungen wie Titan- und Nickelbasislegierungen stellt besondere Anforderungen an die Schneidstoffe, Beschichtungen und die Kühlschmierstrategie. Aufgrund der hohen Zerspantemperaturen wird die Titanbearbeitung nahezu ausschließlich nass durchgeführt, eine Trockenbearbeitung kommt nur in Ausnahmefällen in Betracht.

Doch trotz der Kühlschmierstoffe und der Hochdruck-Kühlschmierstoffzufuhr erliegen die Werkzeuge innerhalb kurzer Zeit thermisch bedingten Verschleißmechanismen. Eine Möglichkeit, die Zerspantemperaturen zu senken und thermische Verschleißmechanismen am Werkzeug deutlich zu reduzieren, ist flüssiger Stickstoff (-196 °C) als Kühlmittel.

Produktivität steigern bei der Zerspanung von Titanlegierungen

Titanlegierungen finden als Konstruktionswerkstoff ein immer breiteres Anwendungsfeld. Dies ist zum einen auf ihre sehr hohe spezifische Festigkeit zurückzuführen, die sie bis zu hohen Temperaturen aufrechterhalten können, und zum anderen auf ihre sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Titanlegierungen sind bis etwa 550 °C temperaturbeständig.

Sie werden deshalb häufig für Turbinenbauteile eingesetzt, die hohen Zentrifugalkräften unterliegen, wie Turbinenscheiben und -schaufeln. Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt die Werkstoffvielfalt eines Triebwerks GP700, wie es im Airbus A380 eingesetzt wird.

Titanlegierungen immer gefragter

Im Triebwerksbereich werden Titanlegierungen vor allem in den FAN- und Verdichterstufen verwendet, in den heißeren Bereichen des Triebwerks sind es vornehmlich Nickelbasislegierungen. Titanlegierungen werden aber auch für Bauteile der Flugzeugstruktur eingesetzt, bei denen die Temperaturen zu hoch für den Einsatz von Aluminiumlegierungen sind (> 130 °C) oder die Festigkeit von Aluminium nicht ausreicht.

Insgesamt nimmt der Anteil an Titankomponenten sowie Titan/CFK-Verbundbauteilen vor allem im Flugzeugbau seit vielen Jahren kontinuierlich zu. Einer Produktivitätssteigerung bei der spanenden Bearbeitung von Titanwerkstoffen kommt deshalb eine zunehmend hohe Bedeutung zu.

Spanende Bearbeitung von Titan gilt als sehr schwierig

Die spanende Bearbeitung von Titanlegierungen gilt aufgrund ihrer mechanischen und physikalischen Eigenschaften als schwierig. Die Festigkeit ist hoch, die Bruchdehnung gering. Eine für die Zerspanbarkeit von Titanlegierungen bedeutsame physikalische Eigenschaft ist deren geringe Wärmeleitfähigkeit, die nur etwa 10 bis 20% der von ferritischen Stählen beträgt.

Als Folge davon wird nur ein geringer Teil der entstehenden Wärme über den Span abgeführt, folglich müssen beispielsweise im Vergleich zur Bearbeitung des Stahlwerkstoffs 42CrMo4 20 bis 30% mehr Wärme vom Werkzeug aufgenommen werden [1]. Außer der hohen thermischen Werkzeugbelastung reagiert Titan mit den meisten Schneidstoffen [2 und 3].

Übliche Zerspanungswerkzeuge verschleißen bei Titanbearbeitung sehr schnell

Die Kombination der hohen Zerspantemperaturen und der Reaktionsfreudigkeit der Titanlegierungen resultiert meist in starkem Diffusionsverschleiß der Werkzeuge. Zudem ist für die Zerspanung von Titanlegierungen die Lamellenspanbildung typisch. Aus der diskontinuierlichen Spanentstehung bei der Lamellenspanbildung resultieren periodisch an- und abschwellende mechanische und thermische Wechselbeanspruchungen der Werkzeuge.

Daraus folgt, dass vor allem bei längeren Schnittzeiten Ermüdungsvorgänge am Gesamtverschleiß der Werkzeuge beteiligt sind. Für die Drehbearbeitung von Titanlegierungen werden deshalb meist unbeschichtete Hartmetalle der Anwendungsgruppe S eingesetzt.

Aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Werkzeugbelastung können Hartmetallwerkzeuge jedoch nur bei relativ niedrigen Schnittgeschwindigkeiten zwischen 50 und 90 m/min eingesetzt werden [4]. Die in der Technik am häufigsten verwendete Titanlegierung ist die im Rahmen der in diesem Beitrag beschriebenen Forschungsarbeiten untersuchte α-β-Legierung TiAl6V4.

Flüssiger Stickstoff und Trockeneis beliebteste Kühlmittel zur Kryokühlung beim Zerspanen

Bei der Kryokühlung in der Zerspantechnik werden Stoffe mit extrem niedrigen Temperaturen zur Prozesskühlung verwendet. Die bekanntesten Kryogene sind flüssiger Wasserstoff (Siedepunkt 20,268 K = -252,882 °C), flüssiger Stickstoff LN2 (Siedepunkt 77,35 K = -195,80 °C), flüssiger Sauerstoff (Siedepunkt 90,18 K = -182,97 °C) und Trockeneis (gefrorenes Kohlenstoffdioxid, Sublimationspunkt 194,5 K = -78,5 °C). Für die Zerspanprozesskühlung werden aufgrund der guten Verfügbarkeit und der verhältnismäßig sicheren Handhabung insbesondere flüssiger Stickstoff und Trockeneis eingesetzt.

Die Vorteile der Kryokühlung sind reduzierte Zerspantemperaturen und daraus folgend deutlich geringerer Werkzeugverschleiß beziehungsweise höhere Schnittparameter. Bereits in den 1960er-Jahren wurden Zerspanversuche unter Einsatz der Kryokühlung durchgeführt und bis heute wurde kontinuierlich weiter an dieser Thematik geforscht.

Der größte Anteil der Forschungsarbeiten beschäftigt sich mit der Kryokühlung bei der Zerspanung von Stahlwerkstoffen. Beim Außenlängsdrehen von austenitischem Stahl wird unter Einsatz der Kryokühlung (LN2) von mehr als viermal so hohen Werkzeugstandzeiten im Vergleich zur konventionellen Überflutungskühlung berichtet [5].

Kryokühlung reduziert thermisch bedingten Verschleiß der Zerspanungswerkzeuge

Aufgrund der beschriebenen Eigenschaften bietet die Kryokühlung aber auch bei der Zerspanung der Titanlegierungen ein großes Potenzial, die thermisch bedingten Verschleißmechanismen am Werkzeug zu reduzieren. Untersuchungen beim Außenlängsdrehen von TiAl6V4 haben gezeigt, dass durch den Einsatz der Kryokühlung (LN2) anstelle der konventionellen Überflutungskühlung der Werkzeugverschleiß auf ein Fünftel reduziert werden konnte [6].

Vor allem bei höheren Schnittgeschwindigkeiten kam die höhere Kühlwirkung des flüssigen Stickstoffs zum Tragen. Durch die Reduktion des Werkzeugverschleißes bei der Anwendung von flüssigem Stickstoff zur Prozesskühlung anstelle von konventioneller Überflutungskühlung konnten die mit arbeitsscharfen Schneiden erreichbaren hohen Oberflächengüten auch bis zu deutlich höheren Werkzeugeinsatzzeiten aufrechterhalten werden [7].

Kryokühlung bei der Titanzerspanung bisher wenig erforscht

Für die Bohr- und Fräsbearbeitung von Titanlegierungen gibt es hingegen kaum Ergebnisse zum Einsatz der Kryokühlung. Deshalb wurden Versuche zum Schaftfräsen von TiAl6V4 unter Einsatz von flüssigem Stickstoff als Kühlmedium durchgeführt, die in diesem Beitrag vorgestellt werden. Es wurden beschichtete Vollhartmetallschaft-Fräser (Al-Cr-N-PVD-Beschichtung) mit einem Durchmesser von 12 mm bei identischen Schnittparametern unter konventioneller Überflutungskühlung (6%ige Emulsion) und unter Kühlung mit flüssigem Stickstoff ohne Schmiermittelanteil eingesetzt.

Der flüssige Stickstoff wurde durch eine Düse extern an die Schnittstelle Werkzeug/Werkstück zugeführt. Als Versuchswerkstücke wurden Platten aus TiAl6V4 genutzt, die in geraden Fräsbahnen mit einer Länge von 435 mm im Gleichlauf bearbeitet wurden.

Zerspanungswerkzeuge verschleißen bei Überflutungskühlung stärker als bei LN2-Kühlung

Bild 2 zeigt die Werkzeugschneiden nach einer Einsatzzeit von 16,4 min mit den angegebenen Schnittparametern. Auf den Spanflächen wird der Unterschied zwischen der Überflutungskühlung und der LN2-Kühlung am deutlichsten sichtbar. Während die Schneidkante nach einer Einsatzzeit von 16,4 min unter Überflutungskühlung freigelegt ist und Riefen aufweist, zeigt die Schneidkante unter Einsatz der LN2-Kühlung lediglich leichte Materialanhaftungen und Kratzer auf der Beschichtung.

Durch den Schneidkantenversatz, der aufgrund des stärkeren Verschleißes unter Einsatz der Überflutungskühlung zustande kommt, tritt der Unterschied in den Bildern der Freiflächen nicht so deutlich hervor. Wird der Schneidkantenversatz bei der Verschleißmessung berücksichtigt, zeigt sich jedoch auch dort der Vorteil der LN2-Kühlung (Verschleißmarkenbreite VB = 98 µm bei Überflutungskühlung und VB = 10 µm bei LN2-Kühlung).

Der Flächenverschleiß konnte deutlich reduziert werden

Der geringere Freiflächenverschleiß unter Einsatz der LN2-Kühlung wird auch aus dem Diagramm des Verschleißanstiegs über der Einsatzzeit ersichtlich (Bild 3). Aufgrund des unterbrochenen Schnittes unterliegen die Schneidkanten der Fräser, insbesondere unter Einsatz der LN2-Kühlung, einer enormen thermischen Wechselbelastung. Über die gesamte Einsatzzeit haben sich jedoch keine negativen Effekte des Thermoschocks auf den Werkzeugverschleiß gezeigt.

Wie diese Untersuchungen zeigen, ist das technologische und wirtschaftliche Potenzial der Kühlung mit Stockstoff bei der Fräsbearbeitung von Titanlegierungen sehr groß. Durch die Nutzung der Stickstoffkühlung ist es möglich, den Werkzeugverschleiß deutlich zu reduzieren, beziehungsweise die Schnittparameter zu steigern. Bei gleichen Schnittparametern betrug der Freiflächenverschleiß unter Einsatz der LN2-Kühlung etwa 10% des Freiflächenverschleißes, der unter konventioneller Überflutungskühlung auftrat.

Ein weiterer Vorteil der LN2-Kühlung bei der Zerspanung ist die Eigenschaft, dass der flüssige Stickstoff noch während der Bearbeitung vollständig vergast und dadurch Werkstücke, Späne und Maschineninnenräume trocken und sauber bleiben. Weil die Umgebungsluft zu 78% aus Stickstoff besteht, sind durch die LN2-Kühlung keine gesundheitlichen Risiken der Maschinenbediener zu befürchten.

Trotz der Vorteile wird die Kryokühlung kaum angewendet

Trotz dieser Vorteile wird die Kryokühlung bei der Zerspanung metallischer Werkstoffe in der produzierenden Industrie kaum angewendet. Es sind deshalb weiterführende Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Kryokühlung erforderlich, um die Einsatzgebiete und das Potenzial der Stickstoffkühlung genauer festzustellen und so eine Grundlage für die industrielle Anwendung der Kryokühlung zu schaffen.