Hohe Energiekosten stellen die spanabhebende Fertigungstechnik vor große Herausforderungen. Es zeigt sich, dass ein hoher Anteil der Energieaufnahme moderner Werkzeugmaschinen auf die Kühlschmierstoffzufuhr zurückzuführen ist. Optimierungen in diesem Bereich weisen daher einen weitreichenden Hebel zur Steigerung der Nachhaltigkeit auf. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) befasst sich aktuell im Rahmen des DFG-geförderten Schwerpunktprogramms 2231 FluSimPro – Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – mit grundlegenden Wirkmechanismen des Kühlschmierstoffs (KSS) im Kontaktbereich Werkzeug-Span. Aufbauend auf diesen Grundlagenerkenntnissen können Fertigungsprozesse hinsichtlich des Kühlschmierbedarfs ausgelegt und somit Nachhaltigkeit sowie Effizienz von Produktionsprozessen gesteigert werden.

Neben Aufgaben wie der Spanabfuhr sind die Hauptfunktionen von Kühlschmierstoff die Reduktion der Reibung im Prozess und die Abfuhr von Wärme. In vorangegangenen Forschungsarbeiten hat das IFW ein erhebliches Potenzial der Volumenstromregelung zur Verbesserung von Zerspanprozessen aufgezeigt. Hierbei konnten bei verringertem Volumenstrom sogar Standzeitgewinne der Werkzeuge bei deutlicher Reduktion der elektrischen Leistungsaufnahme der KSS-Pumpe erzielt werden – ohne das Bearbeitungsergebnis zu beeinflussen. Die Auslegung von KSS-Volumenströmen kann daher die Nachhaltigkeit und Effizienz in der Fertigungstechnik steigern.

Auf entsprechendes Grundlagenwissen kann bei der Auslegung jedoch nicht zurückgegriffen werden, da die Wirkmechanismen des KSS im Kontakt von Werkzeug-Span-Werkstück nicht hinreichend bekannt sind. Aus diesem Grund liegt auch keine Methodik vor, die eine gezielte Auslegung der KSS-Zufuhrbedingungen erlaubt. Ein Ansatz hierfür sind Simulationsmethoden, die tribologische, tribochemische und mechanische Einflüsse des KSS berücksichtigen. In einem Teilprojekt des DFG-geförderten Schwerpunktprogramms 2231 FluSimPro – Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren erforscht das IFW mehrskalig die Wirkmechanismen von Kühlschmierstrategien in Zerspanprozessen. Hierbei erfolgt eine enge Zusammenarbeit mit dem Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT).

In dem Projekt soll Grundlagenwissen der Tribologie des Werkstück-Span-Werkzeug-Kontakts generiert werden. Besonders herausfordernd ist dabei die schlechte Zugänglichkeit der Wirkzone des Zerspanprozesses. Um dieser Herausforderung zu begegnen, steht am IFW ein einzigartiger Hobelversuchsstand zur Verfügung. Dieser erlaubt, aufgrund des stationären Werkzeugs, die Hochgeschwindigkeitsanalyse des Spanbildungsprozesses bei Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 500 m/min. Hierfür wird modernste Kameratechnik genutzt, die die Analyse der Materialtrennmechanismen bei Bildwiederholraten von bis zu 200.000 FPS bei Belichtungszeiten von 1‘000 ns ermöglicht. Hierdurch können beispielsweise die mechanische Belastung am Schneidkeil berechnet oder das Materialstauch- und -trennverhalten analysiert werden. Durch die Erweiterung um eine Hochdruck-KSS Zufuhr können zudem in-situ Erkenntnisse bei der Nassbearbeitung gewonnen werden. Der modulare Aufbau der KSS-Zufuhr erlaubt die gezielte Variation der Parameter der KSS-Zufuhr wie beispielsweise Düsendurchmesser, Winkel und Abständen. Durch die Handpumpe samt Druckspeicher können Drücke bis p = 70 bar sowie der Einfluss diverser Kühlschmierstoffmedien untersucht werden.

In der vorangegangen Förderphase des Projektes wurde bei gleichbleibenden Prozesskräften eine Zunahme der Normalspannung im Bereich der Schneidkante festgestellt. Diese resultierte im Wesentlichen aus einer Reduktion der Kontaktlänge infolge einer Hochdruck-KSS-Zufuhr. Die Ursache für die Abnahme der Kontaktlänge ist der Fokus der aktuellen Untersuchungen. „Mithilfe der Hochgeschwindigkeitsmikrokinematographie ist es möglich, den mechanischen Einfluss des Fluids auf die Spanformung systematisch zu analysieren und die Effekte zu modellieren.“, so Projektingenieur Jan Schenzel. Dieser mechanische Einfluss konnte mithilfe einer Subroutine in eine FE-Spanbildungssimulation implementiert werden. Er kann zukünftig für die Prozess- und Werkzeugauslegung und zur Effizienzoptimierung verwendet werden.

Die aktuelle Forschung hat jedoch aufgezeigt, dass der thermische Einfluss bei der Zerspanung mit Kühlschmierstoff einen signifikanten Effekt auf die Tribologie am Schneidkeil aufweist. Infolgedessen soll der Effekt der Temperatur im stationären Zustand tiefgreifend betrachtet werden, um auch tribochemische Effekte zu erforschen und in der Simulationsumgebung zu berücksichtigen. Zusätzlich sollen die vorhandenen Erkenntnisse auf den gesamten Schneidkeil erweitert werden. Insbesondere die für die Bauteilentstehung wichtige Freifläche des Schneidkeils soll dabei hinsichtlich des Effekts einer Kühlschmierung untersucht werden.

Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), die im Rahmen des Projekts SPP2231 FLUSIMPRO "Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse" Mittel bereitgestellt hat.

Für weitere Informationen steht Ihnen Jan Schenzel, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 (0) 511 – 762 4299 oder per E-Mail (schenzel@ifw.uni-hannover.de) gern zur Verfügung.