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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