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WB Werkstatt + Betrieb 06/2017

Effizientere Kühlschmierung mit optimierten Innenkühlkanälen

Computational Fluid Dynamics (CFD), Gewindebohren, Kühlschmiermittelverteilung

Effizientere Kühlschmierung mit optimierten Innenkühlkanälen

Eine CFD-Simulation ergab, dass die Wirkzonen eines Standard-Gewindebohrers nur unzureichend mit KSS versorgt werden und die Strömung entgegengesetzt zu den Schneiden verläuft. Eine Modifikation der Anordnung der IK-Kanäle reduzierte den Freiflächenverschleiß deutlich.

Sowohl Hochleistungsgewindebohrer als auch Gewindebohrer für die Bearbeitung hochlegierter Werkstoffe sind in der Regel mit Innenkühlkanälen ausgestattet, um so eine direkte Versorgung an den Schneiden zu gewährleisten. Aufgrund der Unzugänglichkeiten beim Gewindebohren kann jedoch die tatsächlich stattfindende Strömungsverteilung experimentell nicht im Detail untersucht werden. Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics ) stellt hier ein bedeutendes Forschungs- und Entwicklungsinstrument dar, mit dem die geometrische Auslegung der Innenkühlkanäle in Abhängigkeit des Kühlschmierstoffs untersucht und entsprechend optimiert werden kann, was zu einer effizienteren Strömungsverteilung führt.

Modellierung des Gewindebohrer-Fluidmodells

Obwohl das Gewindebohren eines der am häufigsten eingesetzten Fertigungsverfahren für die Herstellung von Innengewinden ist, wurde dieser Prozess bis heute nur geringfügig analysiert [1, 2]. Die Untersuchung der Kühlschmierstoffverteilung in Abhängigkeit der geometrischen Anordnung der Innenkühl- (IK-) Kanäle mittels CFD-Simulation stellt daher sowohl im Bereich des Gewindebohrens als auch in der allgemeinen Zerspanungstechnik eine innovative Herausforderung dar. Die Anordnung der IK-Kanäle verläuft bei Grundbohrungen meistens durchgehend koaxial zur Achse des Werkzeugs, und bei Durchgangsbohrungen verzweigen sich diese seitlich in Richtung der Spannuten. Für die dreidimensionale Fluidmodellierung wurde ein herkömmlicher Gewindebohrer mit gerader Nut für Durchgangsbohrungen eingesetzt. Die Volumenmodellierung erforderte hierbei im Gegensatz zu orthogonalen Modellen ein exaktes 1:1-Verhältnis. Durch die hohe Werkzeugkomplexität, das heißt eine Vielzahl an Schneiden mit unterschiedlichen Eingriffssituationen, konnte die CFD-Spiegelfunktion, die eine synchrone Austragung ermöglicht, nicht eingesetzt werden. Da jeder einzelne Gewindebohrerzahn auf der Anschnittlänge eine andere Geometrie aufweist, erforderte die Fluidmodellierung daher eine besondere Aufmerksamkeit mit einem sehr umfassenden Aufwand.

von Ekrem Özkaya und Dirk Biermann

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