DE4326517A1 - Verfahren zur spanenden Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit Kühlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung von metallischen Werkstücken (zu spanenden Bearbeitungen siehe z. B. "Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau"), bei dem während des Bearbeitungsvorgangs durch Zufuhr eines Kühlmittels zur Bearbeitungsstelle gekühlt wird.

Zur spanenden Bearbeitung von metallischen Werkstücken, zum Beispiel beim Fräsen oder Drehen, ist es altbekannt, mit flüssigen Kühlmitteln, nämlich mit aus Wasser und Öl bestehenden Emulsionen oder gänzlich aus Ölen zusammen­ gesetzten Flüssigkeiten zu kühlen. Insbesondere bei spezifisch auf hohe Abtrags­ leistung ausgerichteten Verfahren oder auch bei Einsatzfällen, in denen besonders feste Werkstoffe zu bearbeiten sind, beispielsweise Titan oder hochfeste Stähle, sind den bekannten Bearbeitungsverfahren jedoch dahingehend Grenzen gesetzt, daß die Arbeitsgeschwindigkeit durch die mögliche Wärmeabfuhr durch die jeweiligen Kühlmittel begrenzt ist. In diesen Fällen wäre also grundsätzlich eine Steigerung der Abtragsleistung Leistungssteigerung erwünscht, bislang liegen jedoch gerade hinsichtlich des Kühlproblems keine grundsätzlich anderen, vom oben geschilderten sich unterscheidende Vorschläge vor. Die Ursache hierfür mag darin bestehen, daß die bisher eingesetzten Kühlflüssigkeiten durchaus auch akzeptabel leistungsfähig, außerdem preiswert und problemlos verfügbar und zudem einfach handhabbar sind.

In neuerer Zeit haben sich allerdings hinsichtlich der altbekannten Kühlflüssig­ keiten auch umweltschützerische Bedenken ergeben, da es sich mit diesen Kühl­ flüssigkeiten nach deren Einsatz um mit vielerlei Stoffen verschmutzten Flüssigkeiten handelt, die gesondert entsorgt werden müssen, und da während der Einsatzzeit der Kühlflüssigkeiten, in der diese immer wieder rezirkuliert werden, ein Bakterienbefall und Zersetzungsprozeß auftreten kann, der zudem aus gesundheitlichen Gründen nicht unbedenklich ist.

Aus den eingangs geschilderten Umständen hinsichtlich der Leistung bei konventionell gekühlten spanenden Bearbeitungsverfahren einerseits und aus den eben geschilderten nachteiligen Begleiterscheinungen bei den dabei angewandten Kühlflüssigkeiten andererseits hat sich für die Anmelderin die Aufgabe herausge­ bildet, eine alternative, die geschilderten Nachteile vermeidende und möglichst effektive Kühlmethode für den Einsatz bei spanenden Bearbeitungen von Metall­ werkstücken zu schaffen.

Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Kühlung bei spanenden Bearbeitungsvorgängen die Zufuhr eines zumindest überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Kühlmittelstrahls zur Bearbeitungsstelle vorgeschlagen wird, wobei dieser Kühlstrahl sich aus einem Gemisch aus kaltem CO₂-Gas und CO₂-Schneepartikeln zusammenzusetzen hat.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Kühlmittelstrahl aus Gas und Schnee liefert die hohe Kühlleistung, auf die abgezielt wird, in spezifisch vorteilhafter Weise. Zum einen ist der besagte Kühlstrahl auf relativ einfache Weise erzeugbar, nämlich durch geschickte Entspannung konventionell in Gasflaschen gespeicherten CO₂′s, zum anderen wird durch das gerichtet zugeführte, kalte Gas-/Schneegemisch eine besonders intensive Kühlung des beaufschlagten Bereichs bewirkt (Kühlstrahl weist negative Celsiustemperaturen auf), wobei gerade auch auf den Schneepar­ tikeln im Kühlstrahl ein wesentlicher Teil des Kühleffekts beruht (haften an und verdampfen am Werkstück) . Zudem handelt es sich mit dieser auf Kohlendioxid beruhenden Kühlmethode um eine trockene Kühlung, d. h., da das Kohlendioxid bei normaler Umgebungstemperatur den gasförmigen Zustand annimmt, verbleiben im Anschluß an die gekühlte Bearbeitung keinerlei Kühlmittelrückstände auf dem Werkstück. Darüber hinaus ergibt sich auch bei der Bearbeitung von auf Grund­ körpern aufgebrachten keramischen Schichten die vorteilhafte Situation, daß kein Kühlmittel in die poröse, keramische Schicht eindringen kann. Eine nachfolgende Versiegelung solcher Schichten wird somit optimal vorbereitet.

Vorteilhaft, weil besonders einfach, wird die Erfindung dadurch realisiert, daß der Kühlmittelstrahl aus unter entsprechendem Druck und Normaltemperatur stehendem, gasförmigen oder flüssigem CO₂ durch Entspannung über eine Standarddüse mit freiliegender rundlicher Öffnung erzeugt wird. Bereits mit diesen Maßgaben wird ein wie erfindungsgemäß geforderter Kühlmittelstrahl erhalten.

Eine besonders vorteilhafte Variante der Kühlmittelstrahlerzeugung besteht jedoch darin, daß dieser aus gasförmigem und einen entsprechenden Überdruck aufweisenden CO₂ gewonnen wird (Flüssig-CO₂ unter entsprechendem Druck ist prinzipiell auch möglich) und zwar derart, daß das CO₂-Gas über eine Schlitzdüse oder eine sonstige schlitzartige Öffnung zunächst in einen um diesen Schlitz herum angeordneten und weitgehend gegen die Umgebung abgeschlossenen Ex­ pansionsraum hineinexpandiert wird und ausgehend von diesem Expansionsraum und dessen Austrittsöffnung der Kühlstrahl ausgebildet und auf den zu kühlenden Werkstückbereich gerichtet wird. Diese Methode der Kühlstrahlbildung weist besondere Vorteile auf, die im weiteren Beschreibungstext noch näher erläutert werden.

Vorteilhafte Druckverhältnisse, wie sie in den oben geschilderten Erzeugungs­ verfahren des Kühlmittelstrahls zugrundeliegen sollten, bestehen dann, wenn das Ausgangsdruckniveau von normaltemperiertem Kohlendioxid vor der Kühlstrahl­ ausbildung bei mehr als 50 bar liegt. Diese Druckwerte liegen im Normalfall bei der üblichen Speicherung von Kohlendioxid in Gasflaschen bei Umgebungstemperatur vor (in CO₂-Gasflaschen befinden sich üblicherweise gasförmige und flüssige Phase nebeneinander auf einem Druckniveau von etwa 57 bar bei einer Umge­ bungstemperatur von ca. 20°C). Bei kalt und in Flüssigphase gespeichertem CO₂ sind zur Ausführung der Erfindung jeweils geeignete Anpassungen vorzunehmen.

Schließlich ist festzuhalten, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere bei der Bearbeitung von hochfesten Materialien wie Titan, hochfesten Stählen und dergleichen besondere Vorteile vor allem hinsichtlich der erzielbaren Leistung aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur beispielhaft näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Fräsbearbeitung eines Werkstücks W, wobei ein Fräser 1 gemäß Pfeil 2 über das Werkstück W geführt und eine Materialschicht dabei abgetragen wird. Hinsichtlich der Bewegung ist es hierbei ebenso möglich, das Werkzeug anstelle des Werkstücks gemäß Pfeil 2′ zu bewegen. Benachbart zum Fräser 1 sind des weiteren im gezeigten Fall zwei Kühlmitteldüsen 3 und 4 angeordnet und auf diejenigen Zonen des Werkstücks ausgerichtet, die gerade der Bearbeitung durch den Fräser 1 unterliegen. Fräser und Kühlmitteldüsen werden im gezeigten Fall (bei bewegtem Werkzeug) parallel miteinander vorwärtsbewegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nunmehr mit über die Kühlmitteldüsen 3 und 4 jeweils ein Kühlstrahl ausgebildet und diese auf die Bearbeitungszone gerichtet.

Um die Vorteile der Erfindung genauer erläutern zu können, sei zunächst ein Vergleich durchgeführt:
In einer gleichartigen Anordnung zu der gezeigten könnte nämlich auch ein konventioneller Fräsvorgang erfolgen, wobei jedoch anstelle des Kohlendioxidstrahls Kühlflüssigkeit zugeführt würde. Im Falle eines aus Titan bestehenden Werkstücks und eines Fräsvorgangs mit einer Drehzahl von 4000 Umdrehungen pro Minute und einem Abtrag von 2 mm pro Abtragsschicht sind unter Einsatz konventioneller Kühlflüssigkeiten Vorschubgeschwindigkeiten im Bereich von 0,03 bis 0,05 mm/Zahn günstig.

Mit der erfindungsgemäßen Kühlmethode können demgegenüber zumindest 10 bis 20% erhöhte Vorschubgeschwindigkeiten (unter Umständen bis zu etwa einem Faktor 2 größer) - allermindestens jedoch ebensolche Vorschubgeschwindigkeiten - bei gleicher Arbeitsqualität eingestellt werden. D.h., daß sich unter Einsatz eines erfindungsgemäßen CO₂-Kühlmittelstrahls bei gleichwertigem Arbeitsergebnis in aller Regel eine erhöhte Abtragsleistung erzielen läßt. Außerdem tritt dabei nur ein gleicher oder eher geringerer Verschleiß am Werkzeug auf. Dies gilt tendenziell für alle gängigen metallischen Werkstoffe, insbesondere ergeben sich jedoch Leistungsvorteile bei hochfesten Werkstoffen wie Titan und hochfesten Stählen. Über das Leistungskriterium hinaus werden mit der erfindungsgemäßen CO₂- Kühlung zudem die Nachteile klassischer Kühlmittel hinsichtlich Entsorgung und Gesundheit vermieden. Mit der Anwendung der Erfindung ergibt sich also eine Verbesserung sowohl hinsichtlich der Leistung als auch mit Blick auf den Umweltschutz, wobei der Zusatzaufwand, nämlich die zur Verfügungstellung von CO₂ in Gasflaschen relativ gering ist.

In der vorteilhaftesten Variante wird die hier vorgeschlagene Verfahrensweise mit Düsen ausgeführt, wie sie den Fig. 2 und 3 aus der DE 41 41 020 bzw. der korrespondierenden EP 0 546 359 entnehmbar sind. Für weitere Einzelheiten zu diesen Düsen wird an dieser Stelle zunächst auf die entsprechenden Beschreibungsteile der zitierten Schriften verwiesen. Generell ist nochmals anzumerken, daß die Effektivität der vorliegenden Erfindung insbesondere auf der hocheffizienten Kühlwirkung des mit diesen Düsen erzeugbaren Kühlstrahls aus Gas und Schnee beruht. Die notwendige Kälte für die Kühlstrahlausbildung kommt dabei prinzipiell aus der Expansionsabkühlung des CO₂-Gases, wobei vor allem die Entspannung über die betreffenden Schlitzdüsen besonders vorteilhaft ist. Dies beruht darauf, daß diese Schlitzdüsen mit ihrer länglichen Querschnittsöffnung einen Expansionsgasstrahl erzeugen, der im Vergleich zu einem aus einer Runddüse stammenden Expansionsgasstrahl eine wesentlich vergrößerte Oberfläche aufweist. Daraus resultiert eine verstärkte Wechselwirkung dieses Expansionsgasstrahles mit seiner Umgebung, die ja von einem abgeschirmten Raum (Expansionsvolumen) gebildet wird, zu dem insbesondere Umgebungsluft keinen unmittelbaren Zutritt hat. Warme Umgebungsluft kann sich also nicht in unmittelbarer Nachbarschaft zur Düse mit dem gerade expandierten CO₂ vermischen sondern lediglich im Expansionsvolumen befindliches, bereits expandiertes, kaltes CO₂. Mit dieser Entspannungsmethode wird im Vergleich zu einer unabgeschirmten Expansion von CO₂ über eine Runddüse ein einen größeren Kälteinhalt aufweisender, besser gebündelter, einen größeren Schneepartikelanteil besitzender Kühlstrahl gebildet, der eben die bereits mehrfach angesprochene besonders intensive Kühlwirkung liefert. Dabei und generell bei der Erfindung sind im Regelfall CO₂-Mengen von ca. 2 bis 30 Nm³ pro Stunde (gasförmiges CO₂!) für eine effiziente Kühlung einer Bearbeitung ausreichend.

Abschließend bleibt nochmals festzuhalten, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag und insbesondere der beschriebenen Kühlstrahlerzeugung eine sehr leistungsstarke und auch weitergehende Vorteile aufweisende Möglichkeit zur Kühlung von spanenden Bearbeitungsprozessen für metallische Werkstücke ergibt.

Claims (5)

1. Verfahren zur spanenden Bearbeitung von metallischen Werkstücken und auch keramischer Oberflächen, bei dem während des Bearbeitungsvorgangs durch Zufuhr eines Kühlmittels zur Bearbeitungsstelle gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung ein zumindest überwiegend aus Kohlendioxid (CO₂) bestehender Kühlmittelstrahl enthaltend kaltes Gas und Schneepartikel der Bearbeitungsstelle zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrahl aus unter geeignetem Überdruck stehendem, gasförmigem oder flüssigem CO₂ durch Entspannung über eine Düse mit freiliegender, rundlicher Öffnung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrahl aus vorzugsweise gasförmigem, unter geeignetem Überdruck stehendem CO₂ gewonnen wird und zwar derart, daß das CO₂-Gas über eine Schlitzdüse oder eine sonstige schlitzartige Öffnung zunächst in ein um diesen Expansionsschlitz herum ausgebildetes, weitgehend gegen die Umgebung abgeschlossenes Expansionsvolumen hinein expandiert wird und ausgehend von diesem Expansionsvolumen und dessen Austrittsöffnung der Kühlstrahl gebildet und auf den zu kühlenden Bereich gerichtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsdruckniveau für das CO₂ vor der Entspannung bei wenigstens 50 bar liegt.

5. Anwendung der Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 auf Titan, hochfeste Stähle und keramische Schichten.