Flutkühlung vs. MQL bei der Taschenbearbeitung von Titan

Titaniumlegierungen schlechte Wärmeleitfähigkeit (6,7 W/m·K für Ti-6Al-4V) und chemische Reaktivität stellen besondere Herausforderungen bei der Taschenbearbeitung dar fräsen verfahren. Während die Flutkühlung bisher der Industriestandard zur Wärmeabfuhr war, haben wachsende Umweltbedenken und Kostendruck das Interesse an MQL-Alternativen beflügelt. Neueste Entwicklungen bei Düsenkonstruktionen und biologisch abbaubaren Schmierstoffen (z. B. esterhaltige Formulierungen) haben die Diskussion um die Wirtschaftlichkeit wieder neu entfacht. Diese Studie schließt die Wissenslücke durch einen systematischen Vergleich beider Methoden unter industriell relevanten Bedingungen, wobei insbesondere die Zerspanmechanik und metallurgischen Effekte nach der Bearbeitung untersucht werden.

Methodik

1. Versuchsplanung

Ein vollfaktorieller Versuchsplan (3×3-Matrix) testete Kühlstrategien (Flutkühlung, MQL, Hybrid) in Abhängigkeit von Zerspanparametern. Das MQL-System applizierte 50 mL/h Aerosolschmierstoff (Accu-Lube LB-12) durch eine 0,5-mm-Düse bei 6 bar Druck.

2. Datenerfassung

• Schneidkräfte: Kistler 9257B Dynamometer

• Werkzeugverschleiß: Keyence VHX-7000 Digitalmikroskop (ISO 3685 Standards)

• Thermische Daten: FLIR A655sc IR-Kamera (±2 °C Genauigkeit)

Ergebnisse und Analyse

1. Schneidkraft-Dynamik

MQL wies geringere mittlere resultierende Kräfte auf (Fxy = 210 N gegenüber 265 N beim Flutkühlen), aufgrund reduzierter Reibungskoeffizienten. Die Frequenzbereichsanalyse zeigte 25–30 % kleinere Schwingungsamplituden bei MQL.

2. Werkzeuglebensdauer-Vergleich

Die Flankenverschleiß-Entwicklungsverläufe zeigten, dass MQL die Werkzeuglebensdauer auf 148 Minuten verlängerte im Vergleich zu 112 Minuten (Flutkühlen), bevor VBmax = 0,3 mm erreicht wurde. Mit der EDS-Analyse wurde 60 % weniger Titan-Adhäsion auf Werkzeugen nach MQL-Bearbeitung festgestellt.

Diskussion

Die überlegene Leistung von MQL stimmt mit tribologischen Modellen überein, die darauf hindeuten, dass Mikrotropfen in die Werkzeug-Span-Schnittstellen eindringen. Allerdings führten Probleme bei der Spanabfuhr in tiefen Taschen (Verhältnis >5:1) vorübergehend zu einer Erhöhung der Kräfte um 15 %, was auf anwendungsspezifische Einschränkungen hindeutet. Industrielle Anwender sollten diese Erkenntnisse angesichts der Kosten für Kühlmittel-Recycling-Infrastrukturen abwägen.

Fazit

MQL zeigt bei der Taschenbearbeitung von Titan klar erkennbare Vorteile hinsichtlich der Werkzeugstandzeit (32 % Verbesserung) und der Oberflächenqualität. Künftige Arbeiten sollten die gepulste MQL-Zufuhr für Geometrien mit hohem Seitenverhältnis und nanobasierte Schmierstoffe untersuchen.