Experimentelle und numerische Untersuchung der kryogenen Kühlung für Fertigungsprozesse

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Kühlung von Werkstücken aus Ti-6Al-4V während Zerspanungsprozessen mittels flüssigem Stickstoff (LN2). Das Ziel ist es, die Kühlleistung unter definierten Bedingungen präzise zu ermitteln. Dabei werden die physikalischen Prozesse der Kühlung sowohl experimentell als auch numerisch detailliert untersucht. Ein Großteil der Arbeit beschäftigt sich damit, die zugeführte LN2-Strömung experimentell zu charakterisieren, wodurch Anfangs- und Randbedingungen genau bekannt sind. Dies ermöglicht einen Vergleich zwischen Experiment und Simulation, sodass die ermittelten Wärmeübergänge gegeneinander validiert werden können. Die in dieser Arbeit vorgestellten Simulationsmodelle beinhalten verschiedene Detaillierungsstufen. Dabei wird der Phasenübergang von flüssig nach gasförmig in detaillierten Modellen für einen einzelnen Stickstofftropfen untersucht. Die Ergebnisse dienen dazu, empirische Verdampfungsmodelle abzuleiten, welche weniger rechenintensiv sind. Dies ermöglicht den Aufbau eines komplexen ganzheitlichen Simulationsmodells, welches die Kühlleistung von LN2 unter Berücksichtigung des Phasenübergangs präzise vorhersagen kann. Mit dem beschriebenen Modell werden Parameterstudien durchgeführt, um den Einfluss charakteristischer Größen des Stickstoffstrahls auf die Kühlleistung zu ermitteln. Die durchgeführten Untersuchungen ergaben, dass Größen wie die Anströmgeschwindigkeit, der Dampfgehalt, das Strömungsmuster sowie der Anströmwinkel einen erheblichen Einfluss auf den sich einstellenden Wärmeübergang haben. Abschließend wird ein ganzheitliches Simulationsmodell vorgestellt, das die Wechselwirkung zwischen der LN2-Strömung und dem Festkörper beschreibt. Hierbei wird nicht nur der Wärmeübergang an der Kontaktfläche Festkörper-Fluid beschrieben, sondern ebenfalls die Abkühlung des Festkörpers im Volumen zeitlich und örtlich aufgelöst und mit experimentellen Messungen verglichen. Es zeigt sich, dass die experimentell als auch die numerisch bestimmten Daten quantitativ und qualitativ sehr gut übereinstimmen. Die vorgestellten Modelle können ohne Weiteres auf andere Anwendungsgebiete erweitert werden und sind somit nicht auf den reinen Zerspanungsprozess beschränkt. Insgesamt liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse zur effizienten Optimierung der Kühlleistung von LN2

Cryogenic orthogonal turning of Ti-6Al-4V – Analysis of nitrogen supply pressure variation and subcooler usage

Cooling of machining operations by liquid nitrogen is a promising approach for reducing cutting temperatures, increasing tool life and improving the workpiece surface integrity. Unfortunately, the cooling fluid tends to evaporate within the supply channel. This induces process variations and hinders the use of nitrogen cooling in commercial applications. In this work, the coolant is applied via the tool’s rake face during orthogonal turning of Ti-6Al-4V. The effect of a nitrogen supply pressure adjustment and a subcooler usage—proposed here for the first time for machining—is analyzed in terms of process forces, tool temperatures and wear patterns, taken dry cutting as a reference. Thereby, reliable cooling strategies are identified for cryogenic cutting