Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Hauptziel des Forschungsvorhabens ist ein Werkzeugsystem mit geschlossener Innenk\u00fchlung f\u00fcr die industrielle Anwendung zu konzipieren und umzusetzen. Das Werkzeugsystem besteht aus Wende-schneidplatte (WSP), Werkzeughalter, Werkzeugaufnahme mit einem an der Werkzeugmaschine angeschlossenen K\u00fchlkreislauf sowie Steuer- und Analyseeinheit. Bisherige Erkenntnisse derartiger Werk-zeugsysteme basieren lediglich auf Untersuchungen im Laborma\u00dfstab. WSP welche auf Anforderungen an geschlossenen innengek\u00fchlten Werkzeugsysteme angepasst sind, werden derzeit nicht auf dem Markt angeboten. Auch fehlt es an Werkzeughaltern, welche den Anschluss des geschlossen-innengek\u00fchlten Werkzeugsystems an eine Werkzeugmaschine erm\u00f6glichen. Zudem befinden sich derzeit K\u00fchlperipherie und Steuerungseinheit aus den eigenen Vorarbeiten au\u00dferhalb der Werkzeugmaschine und sind in dieser nicht integrierbar. Die Tauglichkeit eines geschlossen-innengek\u00fchlten Werkzeugsystems im industriellen Umfeld ist derzeit nicht gegeben<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur erfolgreichen Bearbeitung des Forschungsvorhabens waren mehrere Arbeitspakete (AP) notwendig, welche inhaltlich die Entwicklung, die Fertigung und die Erprobung des geschlossen-innengek\u00fchlten Werkzeugsystems umfassten.
\nIn AP A erfolgte die Konzeption des geschlossen-innengek\u00fchlten Werkzeugsystems auf Grundlage der durch EMAG und TESCH aufgestellten, industriellen Rahmenbedingungen. Hierbei erfolgte die Definition des Anwendungsgebiets, der Werkzeugmaschinenintegration, der K\u00fchlfl\u00fcssigkeit sowie die Konzeption notwendiger Komponenten.
\nDie Werkzeugentwicklung erfolgte in AP B, welche das thermo-mechanische Lastkollektiv w\u00e4hrend des Au\u00dfenl\u00e4ngs-Runddrehens f\u00fcr variierende Prozess- und Geometrieparameter simulativ ermittelte. In diesem Zusammenhang konnten Konzepte zum effizienten W\u00e4rmetransport innerhalb des K\u00fchlk\u00f6rpers entwickelt und sich daraus ableitende Werkzeuggeometrien gefertigt werden.
\nDer Fokus in AP C lag in der konstruktiven Auslegung der Fluidzufuhr innerhalb des Werkzeughalters und dessen Werkzeugaufnahme. Die Entwicklung der Komponenten basiert auf Ergebnissen numeri-scher Festigkeits- und Str\u00f6mungsanalysen. Dar\u00fcber hinaus wurden bestehende Werkzeugmaschinen-komponenten f\u00fcr das geschlossen-innengek\u00fchlte Werkzeugsystem modifiziert, um die M\u00f6glichkeit der Aufnahme von Messtechnik erweitert und gefertigt.
\nDie Maschinenintegration seitens EMAG wurde in AP D durchgef\u00fchrt. Unter Verwendung der numeri-schen und konstruktiven Ergebnisse wurden sowohl hydraulische als auch elektrische Komponenten ausgelegt und in eine bestehende Werkzeugmaschine sowie in dessen Steuerung integriert. Zus\u00e4tzlich erfolgte die Auslegung von Kraft- und Temperaturmesstechnik.
\nEine finale Erprobung und eine Evaluierung des geschlossen-innengek\u00fchlten Werkzeugsystems erfolgten in AP E auf Grundlage technologischer Untersuchungen. Es wurden sowohl die Einzelkomponenten durch entwickelte Versuchsst\u00e4nde erprobt und die Vorteile geschlossen-innengek\u00fchlter Werkzeuge im Zerspanprozess durch Aufnahme der Fluidtemperaturen TF, Zerspankraftkomponenten Fx und der maximalen Verschlei\u00dfmarkenbreite VBmax ermittelt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Innerhalb des Forschungsvorhabens konnte ein geschlossen-innengek\u00fchltes Werkzeugsystem erfolgreich entwickelt werden. Das Funktionsmuster stellt auf Grund der geschlossenen Innenk\u00fchlung erstmals ein industriell verwertbares Gesamtsystem dar, welches keine signifikanten Nachteile gegen\u00fcber konventionellen Werkzeugsystemen aufweist. Innerhalb des Forschungsvorhabens wurden ferner folgende Erkenntnisse erzeugt.
\n? Das geschlossen-innengek\u00fchlte Werkzeugsystem ist sowohl f\u00fcr konventionelle Vierkant- als auch f\u00fcr Capto\u00ae-Werkzeughalter einsetzbar. Dar\u00fcber hinaus sind unterschiedliche Dicken der Wendeschneidplattenspezifikation CNMN12* einsetzbar.
\n? Der Einsatz von Wasser als K\u00fchlfluid stellt die wirtschaftlichste und nachhaltigste L\u00f6sung innerhalb einer Innenk\u00fchlung dar. Jedoch sind Korrosionsinhibitoren f\u00fcr das aktuelle Funktionsmuster notwendig, welche die thermischen Eigenschaften nachteilig beeinflussen.
\n? Der Temperatureinfluss des K\u00fchlfluids ist im Hinblick auf die Temperaturdifferenz ?T des Werkzeugs nur bei niedrigen Volumenstr\u00f6men V? von Relevanz. Die Erh\u00f6hung des Volumenstroms V? innerhalb des im Forschungsvorhabens festgelegten Bereichs ist energiesparender und effekti-ver als die Reduzierung der K\u00fchlfluidtemperatur TF.
\n? Die Messung der eingangs- und ausgangsseitigen Fluidtemperatur Tein und Taus gibt Aufschluss \u00fcber den Werkzeugeingriff sowie dessen Verschlei\u00df.
\n? Technologische Untersuchungen mit geschlossen-innengek\u00fchlten Werkzeugen zeigen eine Reduzierung der Werkzeugtemperatur TWZ sowie ein schnelleres Erreichen des thermischen Gleichgewichts gegen\u00fcber ungek\u00fchlten Werkzeugen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte bisher eine Publikation ver\u00f6ffentlicht werden:
\nUhlmann, E.; Meier, P.: Numerical investigation on the process behavior of a closed-loop internal cooling system for turning operations. In: Procedia CIRP. Proceedings of the 18th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations.; Band N. N.. Hrsg.: Govekar, E. Amsterdam: Elsevier, 2021, Manuskript eingereicht.
\nDar\u00fcber hinaus ist es geplant, die Resultate der Zerspanuntersuchungen am IWF in einer weiteren Publikation darzulegen und innerhalb institutseigener Industrie-Arbeitskreise vorzustellen.
\nAuf Grund der pandemiebedingten Einschr\u00e4nkungen, welche durch COVID-19 verursacht wurden, war es dem Projektkonsortium nicht m\u00f6glich, die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse auf Fachmessen vorzustellen. Es ist jedoch zuk\u00fcnftig durch EMAG geplant, das einsatzf\u00e4hige Funktionsmuster bei Kunden und auf Fachmessen zu bewerben.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde ein geschlossen-innengek\u00fchltes Werkzeugsystem mit Hilfe der methodischen Produktentwicklung nach VDI 2221 entwickelt. Im Vordergrund stand die Realisierung einer Innenk\u00fchlung f\u00fcr die Drehbearbeitung mit WSP, welche unter industriellen Rahmenbedingungen einsetzbar ist. Die hierbei abgeleiteten Anforderungen, wie eine hohe K\u00fchleffizienz, niedrige Ferti-gungskosten, Kompatibilit\u00e4t durch standardisierte Schnittstellen und keine negative Beeintr\u00e4chtigung be-stehender Systeme konnte erfolgreich umgesetzt werden. So wurden unterschiedliche Varianten des Werkzeugsystems realisiert, welche eine externe und interne K\u00fchlfluidf\u00fchrung f\u00fcr konventionelle Vierkant- als auch f\u00fcr Capto\u00ae-Werkzeughalter erm\u00f6glicht. Dar\u00fcber hinaus sind unterschiedliche WSP-Dicken und Spannkonzepte einsetzbar. Der modulare Aufbau des innengek\u00fchlten Gesamtsystems erm\u00f6glicht den beteiligten Kooperationspartnern hierbei eine einfache Weiterentwicklung im Hinblick auf zus\u00e4tzliche Geometriespezifikationen der WSP. Dar\u00fcber hinaus wurde eine nahtlose Integration der ausgelegten Werkzeugperipherie, der Messtechnik innerhalb der Werkzeugmaschine und dessen Steuerung erfolgreich umgesetzt. Im Ergebnis kann festgestellt werden, dass infolge einer thermischen Lastreduzierung der Einsatz des entwickelten geschlossen-innengek\u00fchlten Werkzeugsystems eine Werkzeugstandzeiterh\u00f6hung im Bereich der Weich- und Hartbearbeitung von Stahl erm\u00f6glicht. Aus \u00f6kologischer Sicht ist zus\u00e4tzlich von reduzierten CO2-Emissionen durch den Einsatz von WSP-Dicken mit s < 4,76 mm und einer Erh\u00f6hung des Standvolumens VT von bis zu 35 % unter Verwendung der Innenk\u00fchlung auszugehen.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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