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Kryogene Kühlung beim Zerspanen


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Abbildung 1: Extreme Kühlung beim Drehen

Die kryogene Kühlung beim Zerspanen ist ein fortschrittliches Verfahren in der Metallbearbeitung und anderen Bereichen, bei dem niedrige Temperaturen, normalerweise unterhalb des Gefrierpunkts, zur Kühlung des Werkzeugs und des Werkstücks während des Zerspanungsprozesses verwendet werden. Dieses Verfahren bietet im Vergleich zur herkömmlichen Kühlung mit Kühlschmierstoffen einige Vorteile. Kryogene Kühlung beinhaltet die Verwendung von flüssigem Stickstoff oder anderen Kältemitteln, um die Temperatur während des Zerspanungsprozesses stark zu senken. Die Temperaturen können auf -196 Grad Celsius oder niedriger gesenkt werden.


Vorteile


Kryogene Kühlung bietet verschiedene Vorteile, darunter eine erhebliche Reduzierung der Reibung und Wärmeentwicklung beim Zerspanen. Dadurch werden Werkzeugstandzeiten verlängert, die Oberflächengüte der Werkstücke verbessert und die Bildung von Spänen erleichtert. Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlschmierstoffen, die oft umweltbelastende Chemikalien enthalten, ist die kryogene Kühlung umweltfreundlicher, da sie keine schädlichen Chemikalien freisetzt. Kryogene Kühlung wird vor allem bei der Bearbeitung von schwer zu zerspanenden Materialien wie Titanlegierungen, gehärtetem Stahl und Keramik eingesetzt. Sie werden in verschiedenen Industriebereichen verwendet, einschließlich Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Medizintechnik.


Herausforderungen


Die Implementierung der kryogenen Kühlung erfordert spezielle Ausrüstung und die Verfügbarkeit von flüssigem Stickstoff oder anderen Kältemitteln. Außerdem kann die Handhabung von extrem niedrigen Temperaturen strenge Sicherheitsvorkehrungen erfordern. Die Bearbeitung von Legierungen, die in der Orthopädie aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften weit verbreitet sind, kann durch eine erhebliche Verringerung der Werkzeuglebensdauer, der Produktivität des Spanprozesses und der Verschlechterung der Oberflächenqualität erschwert werden. Vor dem Hintergrund der obergenannten Komplexitäten wurde kryogene Kühlmethode entwickelt. Sie impliziert die Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kältemittel bei einer Temperatur von 197︒С, um den Wärmeableitung zu erhöhen und die chemische Reaktion zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstückmaterial zu reduzieren. Shokrani und andere haben in ihrer Studie die Auswirkungen des Bearbeitungsmediums beim Fräsen des Materials CopraBond K (466 HV) mit einem Fräserdurchmesser von 12 mm, bei einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min und einem Vorschub von 636,6 mm/min gezeigt. Es wurde eine deutliche Verbesserung der Rauheitsparameters Ra beim Kryogenfräsen im Vergleich zu dem schmiermittelarmen und schmiermittellosen Fräsen um 35 % bzw. 42 % dementsprechend festgestellt (Abbildung 2).


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Abbildung 2: Schaubild der durchschnittlichen Oberflächenrauheit je nach Bearbeitungsmedium (Kryogenfräsen (Cryogenic), schmiermittelarmes (MQL) und schmiermittelloses (Flood) Fräsen) und REM-Aufnahmen der Frei- (a) und Spanflächen (b) nach dem Versuch [1]

Signifikante Reduzierung des Schneidkantenverschleißes um 91 % sowie effektive Kontrolle des Verschleißgrades, indem Kolkverschleiß minimiert wird, müssen auch nicht unbeachtet bleiben [1].

Insgesamt ermöglicht die kryogene Kühlung beim Zerspanen eine effizientere und präzisere Zerspanung, insbesondere bei anspruchsvollen Materialien. Sie bietet Lösungen für Herausforderungen in der Fertigung, die mit herkömmlichen Kühlmitteln schwer zu bewältigen sind und trägt dazu bei, die Qualität der hergestellten Werkstücke zu verbessern.



Quelle:

[1] Alborz Shokrania, Vimal Dhokia, Stephen T, Newman “Cryogenic high speed machining of cobalt chromium alloy” University of Bath, Bath, United Kingdom


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