Cryogene koeling vermindert slijtage en de standtijd

Bovenal zet de hausse in grote vliegtuigen ze op hun kop Materiele wereld um: Plots moeten titanium, legeringen op nikkelbasis, hogesterktestaal en koolstofvezelplastics (CFRP) op grote schaal en met een hoge productiviteit worden bewerkt. Conventionele koelsmeermiddelconcepten in de productie bereiken hier vaak hun fysieke grenzen. Een nieuw koelconcept is de cryogene koeling, bij de ISF TU Dortmund Universiteit wordt onderzocht. 

Cryogene koeling is op zichzelf niet echt nieuw, aangezien het al in de jaren vijftig in de VS bestond eerste koelpogingen met CO₂. Eind jaren negentig liep er een groot onderzoeksproject aan de Columbia University met twaalf industriële bedrijven naar stikstofkoeling. Het Institute for Machining Production (ISF) startte aanvankelijk met hooggelegeerde staalsoorten in 1990 en is de laatste jaren intensief bezig geweest met cryogene koeling bij het verspanen van speciale materialen zoals titanium en legeringen op nikkelbasis.

Cryogene koeling bij het bewerken van titaniumlegeringen

Cryogene koeling is vooral gunstig voor de Titaniumlegeringendat we qua snijmateriaal zeer beperkt zijn. Het is hier te vinden met de gereedschap Gebruik alleen harde metalen, omdat snijkanten van keramiek en CBN na korte tijd slijten. Om de productiviteit te verhogen bij het bewerken van titanium met hardmetalen gereedschappen, is een aangepast koelproces vereist. Hier heeft bijvoorbeeld hogedrukkoelsmering zich bewezen.

Met het nieuwe koelproces, de Standtijd of verhoog de snijsnelheid en daarmee de productiviteit van de bewerking. Dit is zeker een zeer motiverende factor, bijvoorbeeld in de snelgroeiende luchtvaartindustrie, die vanwege het groeiende CFRP-aandeel steeds vaker titanium moet gebruiken.

Onderzoek naar verschillende koelconcepten

de ISF uitgevoerde experimenten met de overstroming, hoge druk, CO₂-Schneestrahlkühlung en combinaties van cryogene technologie en minimale hoeveelheid smering door. Voor Inconel 718, een op nikkel gebaseerde legering voor het hoge temperatuurbereik, bleek dat met pure CO₂-Koeling door gebrek aan smering leidt tot ernstige slijtage. Een combinatie met minimale hoeveelheid smering (MQL) - een quasi-droge bewerking - vermindert de flank- en kerfslijtage.

Ergonomische computerwerkplek op kantoor en thuiskantoor

Succes staat en valt echter met de Type voer, de druk van de minimale toevoerhoeveelheid en de juiste selectie van de koudebestendige MQL-olie. Er moet nog actie worden ondernomen bij het ontwerp. We richten ons alleen op CO bij cryogene koeling₂, het hangt af van het type gereedschapskoeling.

De interne gereedschapskoeling, dat door het inbrengen van koelgaten technisch zeer complex is, kan alleen met stikstof worden gerealiseerd, aangezien stikstof aanwezig is bij een temperatuur van bijna -200 graden Celsius gedurende de gehele aanvoer. Als het koelmedium via nozzles extern wordt aangevoerd, kan zowel stikstof als CO₂ geschikt. De uitgaande CO₂ Hoewel met min 82 graden Celsius een lagere temperatuur heeft dan stikstof, is de specifieke warmtecapaciteit hoger, omdat de CO₂ is aanwezig in vloeibare vorm tot de mondstukuitlaat.

Nieuwe trend in koelingstechnologie

Cryogene koeling is trouwens een echte trend en geen hype: Enerzijds heeft de luchtvaartindustrie een duidelijke behoefte aan efficiëntere processen en anderzijds hebben we vanuit onderzoeksperspectief de essentiële voordelen van cryogene technologie bewezen als manier om de productiviteit te verhogen. De interesse is er: dit wordt bewezen door Premium Aerotec GmbH, een toonaangevende leverancier in de branche die al machines met cryogene koeling heeft gekocht en de technologie aan het testen is.

De economie van cryogene koeling hangt daarvan af CO₂verbruik van. Om de kosten van het koolstofdioxideverbruik te verlagen, hebben we al studies uitgevoerd om het verbruik te verminderen. We hebben aangetoond dat met een aanzienlijk verminderde CO₂ Massastroom kan precies worden bewerkt van 2,7 tot 0,6 kilogram per minuut met even goede resultaten. Met verdere optimalisatie en reductie van de CO₂Het verbruik is te verwachten bij een aanzienlijke toename van de productiviteit, die de cryogene koeling loont.

Aanpassing aan gereedschap en machine

Voor het cryogene Sneeuwstraalkoeling we hebben aangepaste tools nodig. De gereedschappen voor hogedrukkoeling kunnen worden gebruikt waarvan de nozzles zijn aangesloten op de CO₂-Sneeuwstraal kan worden aangepast in termen van afstand, vorm, diameter en eventueel de positie. Bij werktuigmachines een gas- en drukdichte toevoer van CO₂-Sneeuwstraal door de koepel en bij het frezen door de spil.

Geoptimaliseerde koeling bij wrijving op basis van additieve fabricage

In tegenstelling tot stikstofkoeling met zijn extreem lage temperaturen van rond minus 200 graden Celsius Maak je geen zorgen over thermische compensatie bij het ontwerpen van de machines. Bij de CO₂Koelen is al met al vrij eenvoudig: een tank in de machine en drukbestendige leidingen zijn vereist. Dit type cryogene koeling kan daarom ook relatief eenvoudig achteraf worden aangebracht: het leent zich daarom ook voor werktuigbouwkundigen die er ervaring mee willen opdoen. Met stikstof is het hele ontwerp ingewikkelder.

Overigens hebben we in tests aangetoond dat slijtage significant kan worden verminderd met titaniumlegeringen in vergelijking met hogedrukkoeling. tevens de effectieve koeling het actiepunt en de verplaatsing van zuurstof naar een verminderde invloed op de randzones.