Kryogene Minimalmengenschmierung beim Bohren
Bohren zĂ€hlt zu den Ă€ltesten und am hĂ€ufigsten angewendeten Fertigungstechniken. Allerdings haben neue Materialien und Anwendungen die Anforderungen an den Bohrprozess deutlich gesteigert. Insbesondere die Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien wie Inconel 718 erfordern Ă€uĂerst effektive KĂŒhlung und Schmierung. Ohne diese Komponenten ist das Bohren in solchen Materialien schlichtweg nicht möglich. Kleine Bohrdurchmesser und eine lange Bohrtiefe lassen nur eine interne, durch den Bohrer zugefĂŒhrte Schmierung zu. Somit kommt nur die Minimalmengenschmierung (MMS) in betracht. Diese nutzt Druckluft, um gerrnge Mengen Schmieröl durch schmale KĂŒhlkanĂ€le im Bohrer bis zur Schneidkante zu befördern. Allerdings hat Luft nur eine unzureichende KĂŒhlwirkung und so versagen WĂ€rmeableitung und SpĂ€neabfuhr. Besonders bei hohen Drehzahlen, wie sie fĂŒr kleine Bohrdurchmesser erforderlich sind, besteht zudem das zusĂ€tzliche Risiko, dass die Spindel sich wie eine Zentrifuge verhĂ€lt und das Ăl von der Luft trennt. Der schwerere Schmierstoff kann sich in der Spindel mit gröĂerem Durchmesser ansammeln, was die Schmierwirkung erheblich beeintrĂ€chtigen kann.
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Die kryogene Minimalmengenschmierung (kMMS) unter Verwendung einer Mischung aus Ăl und flĂŒssigem CO2 bietet einen vielversprechenden Ansatz, um diese Herausforderungen zu bewĂ€ltigen. Sobald das CO2 mit etwa 1 Gew.-% gelöstem Schmierstoff die Kapillaren im Bohrer passiert, fĂ€llt der Druck rapide auf atmosphĂ€risches Niveau ab. Infolgedessen dehnt sich das CO2 aus und verwandelt sich in rĂŒckstandsfreies Gas und Trockeneis mit einer Temperatur von etwa -78,4 °C. Diese Umwandlung setzt ein erhebliches KĂŒhlpotenzial frei, und das zuvor gelöste Ăl bildet kleine Tröpfchen, die eine effektive Schmierung gewĂ€hrleisten.
Mehrere Experimente mit verschiedenen Ălen und CO2 haben gezeigt, dass die Lebensdauer des Bohrers signifikant verlĂ€ngert wird. Dennoch können sich Ăl und CO2 in der Spindel voneinander trennen, wenn sie nicht vollstĂ€ndig gemischt und in einem einphasigen Zustand vorliegen. Dies fĂŒhrt zu ProzessinstabilitĂ€t. Um dies zu verhindern, sind Bedingungen von Interesse, bei denen CO2 und Ăl bereits vor dem Eintritt in die Spindel eine einzige Phase bilden, da sie dann nicht mehr durch ZentrifugalkrĂ€fte getrennt werden können.
Das Ziel dieses Forschungsprojekts besteht darin, das thermophysikalische Verhalten von Mischungen aus verschiedenen esterbasierenden Schmierölen bzw. Ălmischungen und Additiven mit CO2 zu untersuchen. Diese Ăle sind umweltfreundlich und gesundheitlich unbedenklich, zeichnen sich jedoch durch hervorragende Schmiereigenschaften aus.
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Untersuchungsschwerpunkte:
- optische statische Untersuchung in der Hochdrucksichtzelle: Wie verhalten sich die Ăle mit CO2? Wie schnell lösen sich die Phasen ein? Schwillt eine Phase mehr an als die andere? Gibt es eine Phaseninversion?Â
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2. Messung der gegenseitigen Einlösung: Messung der maximalen gegenseitigen Einlösung bei unterschiedlichen DrĂŒcken und Temperaturen.
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3. dynamische FlieĂversuche: Wie verhĂ€t sich das in den CO2 Strom injetzierte Ăl bei verschiedenen Temperaturen und DrĂŒcken? Wie ist das FlieĂverhalten und wie schnell löst es sich in einem turbulentem Strom ein?
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Ansprechpartnerin fĂŒr Abschlussarbeiten zur kryogenen Minimalmengenschmierung
Nathalie Piche, M.Eng.
Raum: IC 3/167
Tel: +49-(0)234 32-22507
E-Mail: piche@fvt.rub.de
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