Stephan Basten

• Die für die Kühlung und Schmierung eingesetzte Technologie ist für die Leistungsfähigkeit fertigungstechnischer Prozesse von hoher Bedeutung, sowohl für die Produktivität und Prozessstabilität als auch hinsichtlich der Qualität gefertigter Werkstücke. Beim Drehen werden dazu üblicherweise Emulsionen eingesetzt. Der Einsatz kryogener Medien weist zwar ein hohes Verbesserungspotential auf, wird aber bislang nur selten industriell eingesetzt. In dieser Arbeit wird auf Basis einer umfangreichen Analyse der strömungsmechanischen, thermodynamischen und tribologischen Vorgänge verschiedener Kühlschmierstrategien eine neuartige sub-zero Kühlschmierstrategie motiviert und entwickelt. Zu diesem Zweck werden sub-zero Kühlschmierstoffe formuliert, die einen Gefrierpunkt von weit unter 0 °C aufweisen und dadurch unter geringen Zufuhrtemperaturen in einem flüssigen stabilen Zustand eingesetzt werden können. In dieser Arbeit wird die sub-zero Kühlschmierstrategie ganzheitlich mit Blick auf die Strahlerzeugung, die Zufuhrmethodik sowie hinsichtlich der Kühl- und Schmierwirkung erforscht. Auf Basis dieser Erkenntnisse wird eine optimierte sub-zero Kühlschmierstrategie am Beispiel der Drehbearbeitung von Titanlegierungen und Stahlwerkstoffen analysiert. Im Vergleich zur Trockenzerspanung sowie der Verwendung kryogener und herkömmlicher KSS weist der neuartige sub-zero Ansatz ein hohes Potenzial auf. Die sub-zero Kühlschmierstrategie ist eine universell einsetzbare Kühlschmierstrategie, mit der die Vorteile der kryogenen Zerspanung mit den Vorteilen herkömmlicher Emulsion kombiniert werden können. Weitgehend unabhängig von dem zerspanten Werkstoff, der Werkstückgeometrie, den Zerspanungswerkzeugen oder den Stellgrößen wird der Drehprozess durch die Kombination aus hoher Kühl- und Schmierwirkung verbessert.
• The technology used for cooling and lubrication plays an important role in the performance of manufacturing processes, in terms of the productivity and process stability as well as the quality of the machined workpieces. In turning, emulsions are commonly used for this purpose. Although the use of cryogenic media has an enormous potential for further improvements, they are rarely used on an industrial scale. In this work, a novel sub-zero cooling approach is motivated and developed as a result of a detailed analysis of fluid-mechanical, thermodynamic and tribological aspects of various cooling and lubrication methods. In this context, sub-zero metalworking fluids are developed, which exhibit freezing points of far below 0 °C and can thus be used in a liquid stable state at sub-zero temperatures. The novel sub-zero cooling and lubrication strategy is investigated in its entirety with regard to the formation of free jets, the supply methods and the cooling and lubricating effect. Based on these findings, it is analysed whether an optimised sub-zero cooling approach can be used for turning of titanium alloys and steels. The novel sub-zero approach has a high potential in comparison to dry machining and the use of cryogenic media as well as emulsion. The sub-zero cooling approach is a robust and all-purpose cooling and lubrication strategy that combines the advantages of cryogenic machining with the advantages of emulsion. The combination of a high cooling and lubricating effect improves the turning process widely irrespective of the machined work material and the geometry of the workpieces as well as the cutting tools or the control variables used.