ISF INSTITUT FÜR SPANENDE FERTIGUNG

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1 CO 2 -Einsatz in der spanenden Fertigung 11. Tagung Industriearbeitskreis Trockeneisstrahlen Institut für Spanende Fertigung Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Klaus Weinert Universität Dortmund Anwendungsbeispiele Drehen eines austenitischferritischen Bohren eines austenitischferritischen Fräsen einer Aluminiumlegierung 1

2 Drehen und Bohren eines austenitisch-ferritischen experimentelle Randbedingungen X2CrNiMoN mechanische Eigenschaften Härte HRC Dehngrenze R p,2 Zugfestigkeit R m Bruchdehnung A min Brucheinschnürung Z min Kerbschlagarbeit A v bei RT Off-Shore-Technik 28,2 531 N/mm N/mm 2 36,7 % 75 % 1 J Chem. und petrochem. Industrie Zerspanungseigenschaften Gute Festigkeitswerte bei gleichzeitig guter Zähigkeit bewirken eine hohe thermomechanische Werkzeugbelastung. Niedrige Wärmeleitfähigkeit erhöht thermische Werkzeugbelastung. Adhäsionsneigung führt zu Materialaufrieb. Hohe Zähigkeit erschwert Spanbruch. Öl- und Gasförderung Drehen und Bohren eines austenitisch-ferritischen experimentelle Randbedingungen HC1 HC2 HC1- CVD1 12 µm ZrCN Al 2 O 3 TiN TiCN TiN HC1 HC 3 1,5 3, µm 6, Korngröße KG 1 2 N/mm² 4 Biegefestigkeit σ bb HC2- PVD 3 µm TiN TiCN HC2 5 1 HV3 2 Härte HC3- PVD1 3 µm TiAlN HC3 Drehversuche: Schneidstoff: HC 1 (M25), CVD multilayer Eckenradius: r ε =,8 mm Einstellwinkel: κ = 95 Spanwinkel: γ = 15 Freiwinkel: α = 6 Bohrversuche: Schneidstoff: HC2 (M35), PVD; HC3 (FK), PVD WSP: trigonförmig Eckenradius: r ε =,8 mm Spanwinkel: γ = 15 Freiwinkel: α = 8 2

3 Anwendungsbeispiele Drehen eines austenitischferritischen Bohren eines austenitischferritischen Fräsen einer Aluminiumlegierung Drehen eines austenitisch-ferritischen Versuchsaufbau Drehmaschine CO 2 -Steigrohrflasche Steuerleitung Zuführschlauch Vorrichtung Magnetventil CO 2 -Düse Drehwerkzeug Werkstück 3

4 Drehen eines austenitisch-ferritischen Drehprozess Drehen eines austenitisch-ferritischen Einfluss des KSS-Konzeptes auf den Werkzeugverschleiß Werkstoff: X2CrNiMoN Schnittgeschw.: v c = 1 m/min Schneidstoff: HC-1 (M25) Vorschub: f =,15 mm Zerspanvol.: V z = 5 cm³ Schnitttiefe: a p = 2,5 mm KSS-Konzept: Trocken / MMKS / Emulsion / Trockeneis (P = 8,6 kw) Trockenbearbeitung MMKS Adhäsive Werkstoffablagerungen Ablagerungen/ Verbrennungsprodukte Kerbverschleiß durch Gratbildung am Werkstück Emulsion Trockeneis Reduzierung der Adhäsion Verringerung des Kerbverschleißes 4

5 Drehen eines austenitisch-ferritischen Einfluss des KSS-Konzeptes auf den Werkzeugverschleiß Maximale Verschleißmarkenbreite VB max Mittlere Verschleißmarkenbreite VB,2 mm,1 Werkstoff: X2CrNiMoN Schnittgeschw.: v c = 1 m/min Schneidstoff: HC-1 (M25) Vorschub: f =,15 mm Zerspanvol.: V z = 5 cm³ Schnitttiefe: a p = 2,5 mm KSS-Konzept: Trocken / MMKS / Emulsion / Trockeneis (P = 8,6 kw) Trockenbearbeitung MMKS Emulsion Trockeneis KSS-Konzept mittlere Verschleißmarkenbreite VB max. Verschleißmarkenbreite VB max Drehen eines austenitisch-ferritischen Einfluss des KSS-Konzeptes auf das Einsatzverhalten Werkstoff: X2CrNiMoN Schnittgeschw.: v c = 2 m/min Werkzeug: HC1-CVD1-S1 Vorschub: f =,15 mm Zerspanvolumen: V z = 5 cm³ Schnitttiefe: a p = 2,5 mm Anstellwinkel: λ CO2 = 45 λ CO Späne Grat Oberfläche Randzone Trockenbearbeitung CO 2 - Schneestrahlen 3 mm 3 mm R z = 11,32 µm 1,6 vc mm R z = 9,85 µm 1,6 vc mm mm f mm f 1 µm 25 µm -1 1,6 1 µm 25 µm -1 1,6 v c v c 5

6 Drehen eines austenitisch-ferritischen Übersicht Werkstück- Temperatur 7 C MMKS Gratbildung Werkzeugverschleiß MMKS Spanbildung MMKS Trockeneis Emulsion MMKS Trocken 6 C 5 C 4 C 3 C 2 C 1 C Emulsion Trockeneis Emulsion Trockeneis Emulsion Trockeneis C Anwendungsbeispiele Drehen eines austenitischferritischen Bohren eines austenitischferritischen Fräsen einer Aluminiumlegierung 6

7 Bohren eines austenitisch-ferritischen Versuchsaufbau Versuchsaufbau Druckschlauch Tiefbohröl immks CO 2 + ammks Ventil-Steuerleitung Stromversorgung Steuereinheit CO 2 (P = 16 kw) Düsen Ansteuerung Magnetventil CO 2 -Steigrohrflasche Bohren eines austenitisch-ferritischen Bohrprozess 7

8 Bohren eines austenitisch-ferritischen Einfluss des KSS-Konzeptes auf den Werkzeugverschleiß Werkstoff: Schnittgeschw.: Schneidstoff: Vorschub: WSP: KSS: X2CrNiMoN v c = 2 m/min HC2-PVD f =,75 mm trigonförmig Variiert immks CO2+aMMKS Tiefbohröl Verschleißmarkenbreite VB max,45 mm,35,3,25,2,15,1, mm 8 Bohrweg L f Bohren eines austenitisch-ferritischen Einfluss des KSS-Konzeptes auf das Einsatzverhalten Werkstoff: X2CrNiMoN Schnittgeschw.: v c = 2 m/min Schneidstoff: HC2-PVD Vorschub: f =,75 mm WSP: trigonförmig KSS: Variiert Späne Bohrungsoberfläche Späne Bohrungsoberfläche Tiefbohröl 65 mm 1,5 mm 1,6 mm CO 2 + ammks 65 mm 1,5 mm 1,6 mm immks 65 mm 1,5 mm 1,6 mm CO 2 (P = 16 kw) 65 mm 1,5 mm 1,6 mm 8

9 Anwendungsbeispiele Drehen eines austenitischferritischen Bohren eines austenitischferritischen Fräsen einer Aluminiumlegierung Fräsen einer Aluminiumlegierung Experimental Boundaries AlMgSi.5 Mechanische Eigenschaften Härte HBW,2 % - Dehngrenze R p,2 Min. Zugfestigkeit R m Bruchdehnung A 5 6 N/mm 2 12 N/mm 2 16 % Chipping Properties Hohe Adhäsionsneigung führt zu Materialanhaftungen auf dem Werkzeug. Hohe Zähigkeit erschwert den Spanbruch. Aufgrund der Materialeigenschaften ist eine Trockenbearbeitung schwierig. 9

10 Fräsen einer Aluminiumlegierung experimentelle Randbedingungen CO 2 -Steigrohrfklasche Bearbeitungszentrum Fräswerkzeug CO 2 -Düse milling tool Werkstück Fräsen einer Aluminiumlegierung Fräsprozess 1

11 Fräsen einer Aluminiumlegierung Einfluss der Prozesskühlung auf die Gratbildung Werkstoff: AlMgSi.5 (EN AW-66) Kühlkonzept: CO 2 -Schneestrahlen, Trockenbearbeitung Schneidstoff: Hartmetall (N25), poliert Schnitttiefe: a P = 1 mm Werkzeugdurchmesser: d = 1 mm Kühlleistung: Düse A, P = 7.6 kw Düse B, P = 4.5 kw Schnittgeschwindigkeit: v f = 3 m/min Vorschub: f = 1. mm Ohne Kühlung Vorkühlung Prozesskühlung Düse A 2 µm µm 1 5 Prozesskühlung Düse B 2 µm µm 1 5 Fräsen einer Aluminiumlegierung Einfluss der Prozesskühlung auf die Gratbildung Werkstoff: AlMgSi.5 (EN AW-66) Kühlkonzept: CO 2 -Schneestrahlen, Trockenbearbeitung Schneidstoff: Hartmetall (N25), poliert Schnitttiefe: a P = 1 mm Werkzeugdurchmesser: d = 1 mm Kühlleistung: Düse A, P = 7.6 kw Düse B, P = 4.5 kw Schnittgeschwindigkeit: v f = 1 m/min bis v f = 3 m/min Vorschub: f =.4 mm bis f = 1. mm Gratvolumen Ohne Kühlung Mit Kühlung 2 Ohne Kühlung Vorkühlung Prozesskühlung, Prozesskühlung, Düse A Düse B 11

12 Zusammenfassung Drehen eines austenitisch-ferritischen : CO 2 -Schneestrahlen zeigen im Vergleich mit konventionellen KSS- Konzepten ein hohes Potential. Bohren eines austenitisch-ferritischen : Eine Kombination aus CO 2 -Schneestrahlkühlung und äußerer MMKS zeigen mit einer Vollstrahlkühlschmierung vergleichbare Ergebnisse. Fräsen einer Aluminiumlegierung: Der Einsatz von CO 2 -Schneestrahlen verfügt bezüglich einer Gratreduzierung über ein hohes Potential. 12