Entwicklung und Implementierung eines Konzepts zum Einsatz einer Tieftemperaturemulsion (TTE) in der Bohrbearbeitung von Inconel 718

Anspruchsvolle, warmfeste Werkstoffe stellen ein Kernelement bei der Fertigung hoch belastbarer, qualitativ hochwertiger Bauteile dar. Zu diesen Werkstoffen zählen Nickelbasislegierungen, von denen insbesondere Inconel 718 in Anwendungsfeldern wie der Luft- und Raumfahrt Einsatz findet. Nickelbasislegierungen zeichnen sich durch ihre Hochtemperaturfestigkeit, ihre Kriechbeständigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion und chemischen Einflüssen aus. Diese Eigenschaften resultieren in besonderen Herausforderungen bei der Bearbeitung, im Speziellen der Bohrbearbeitung, dieser meist kostenintensiven, sicherheitskritischen Bauteile. Die Legierungen begünstigen bedingt durch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit einen verstärkten thermischen Energiefluss zum Schneidstoff. Um einen intensiven Werkzeugverschleiß der VHM-Werkzeuge, welche bei der Bohrbearbeitung von Inconel 718 oftmals eingesetzt werden, und der damit verbundenen Verschlechterung der Bohrungsqualitäten vorzubeugen, müssen die bei der Bearbeitung auftretenden Temperaturen folglich gering gehalten werden. Die erschwerte Zugänglichkeit der Wirkstelle beim Bohren limitiert die Möglichkeiten der Prozesskühlung und hiermit die einsetzbaren Schnittgeschwindigkeiten.

Um die Schnittgeschwindigkeit und in dieser Weise auch die Prozessproduktivität zu erhöhen, strebt das Forschungsprojekt eine Anpassung des KSS-Konzepts an. Die Vorteile der bestehenden Konzepte, welche die innere Hochdrückkühlung mit Emulsion sowie die kyrogene Kühlung mit Flüssigstickstoff oder Kohlendioxid umfassen, sollen bei der Entwicklung einer Tieftemperaturemulsion vereint werden. Die tiefkalte Emulsion kombiniert dabei eine hohe Wärmekapazität und -leitfähigkeit mit einer effektiven Prozesskühlung sowie einer verbesserten Wärmeabfuhr. Dies soll höhere Schnittwerte, längere Werkzeugstandzeiten und verbesserte Bauteiloberflächen sowie -randzonen ermöglichen. Im Forschungsprojekt werden hierfür eine bis T = -20°C abkühlbare Emulsion und ein zugehöriges KSS-System, welches unter anderem einen isolierten Tank und ein Kühlaggregat beinhaltet, entwickelt. Darüber hinaus müssen die Werkzeugmaschine und ihre Peripherie auf die neuen Einsatzbedingungen angepasst werden. Die Einsatzfähigkeit des neuartigen Systems wird im Anschluss umfassend technologisch untersucht und einem Referenz-KSS gegenübergestellt. Hierfür werden auf einem auf die Projektbedingungen adaptierten Bearbeitungszentrum Versuche mit verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten und KSS-Zuführtemperaturen durchgeführt. Die zu untersuchenden Aspekte beinhalten den Werkzeugverschleiß, die Prozesskräfte, die Spanbildung, die Bohrungsqualität und -genauigkeit, die Schneiden- sowie die Bauteiltemperatur und die resultierende Bohrungsrandzonenintegrität.

Abb.: Schematische Darstellung einer möglichen Maschinenperipherie zum Einsatz der TTE


Bei erfolgreicher Umsetzung des Forschungsvorhabens können eine höhere Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Ressourceneffizienz bei der Bohrbearbeitung von Nickelbasislegierungen wie Inconel 718 erzielt werden. Die Ergebnisse sind für Hersteller von KSS, Werkzeugen, Maschinen und Peripherien sowie die eigentlichen Produktionsanwender von besonderer Relevanz und können zur Etablierung des erweiterten Einsatzes von Emulsion beitragen.



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