naar top
Menu
Logo Print

VOORDELEN CRYOGEEN KOELEN OVERSCHAT?

Nog geen ideale oplossing

Een aantal jaren terug werd cryogeen koelen geïntroduceerd als een belangrijke oplossing om de productiviteit bij het verspanen van exotische materialen zoals titanium te verbeteren. Vloeibaar stikstof werd gebruikt als middel om het gereedschap te koelen. Ondertussen zijn er meerdere gassen die hiervoor worden ingezet maar nog niet alle vragen zijn echter afdoende beantwoord. Sommige problemen of aandachtspunten blijven overeind. Met andere woorden: op de echte doorbraak is het voorlopig nog wachten.


PRODUCTIVITEITSVERBETERING

Titanium en andere exotische metalen zoals Inconel zijn in de aerospace-, offshore-, en olie- en gasindustrie populair. Met name de hoeveelheid titanium die verspaand moet worden voor de vliegtuigbouwers, stelt de fabrikanten van CNC-gereedschapsmachines en verspanende gereedschappen voor een enorme uitdaging. De Material Removal Rate, een kengetal voor de hoeveelheid materiaal die in een minuut wordt verwijderd, ligt voor titanium fors lager dan voor aluminium. Bovendien is de gereedschapsslijtage extreem hoog. De vraag naar titanium freesdelen zal de komende jaren met een factor drie toenemen als de groeiverwachtingen voor de luchtvaartindustrie bewaarheid worden. Het aandeel titanium in een modern vliegtuig neemt namelijk toe, ook als meer composieten worden ingezet. Cryogeen koelen met bijvoorbeeld vloeibaar stikstof moet voor de nodige productiviteitsverbetering gaan zorgen.

Langere standtijden

De lage temperatuur heeft allereerst een positief effect op de standtijd van de gereedschappen. Onderzoeken laten bijvoorbeeld bij uitwendig draaien van TiAl6V4 een gereedschapsslijtage zien die tot slechts een vijfde bedraagt van normaal gekoelde gereedschappen. Vooral bij hogere snijsnelheden komen de voordelen goed naar voren. Hierin ligt dan ook de verbetering van de productiviteit opgesloten: verspanen met cryogene koeling laat doorgaans hogere snijsnelheden toe. De ervaringen van sommige luchtvaarttoeleveranciers spreken over een productiviteitsverbetering van 1,5 tot 5 keer.

Verbeterde oppervlaktekwaliteit

Niet alleen de standtijd en/of productiviteit neemt toe, ook de oppervlaktekwaliteit verbetert. In dit geval gaat het om gecoate gereedschappen. Bijzonder effectief zijn snijmaterialen met een hoge thermische geleiding, zoals CBN en diamant. In plaats van de warmte af te voeren via de spanen, wordt bij cryogene koeling de warmte via het gereedschap uit het werkstuk weggevoerd. Een voordeel dat bij specifieke toepassingen, zoals het verspanen van blisks, naar voren komt, is dat er geen Heat Affected Zone aan het werkstuk ontstaat. De witte oppervlaktelaag die soms kan optreden, blijft bij het koelen met stikstof achterwege.


HALVE EEUW OUDE TECHNOLOGIE HEEFT HET MOEILIJK DOOR TE BREKEN

De technologie is eigenlijk al meer dan een halve eeuw oud. Vloeibaar stikstof wordt ook in andere toepassingen gebruikt om iets snel te koelen of in te vriezen. De eerste proeven om met stikstof het frees- of draaigereedschap te koelen, dateren uit het begin van de jaren 1960. Dat het tot het tweede decennium van de 21e eeuw zou duren voordat cryogeen koelen daadwerkelijk in de metaalindustrie industrieel wordt ingezet, had toen niemand kunnen bevroeden. Dit heeft er onder andere mee te maken dat het niet makkelijk is om het vloeibare stikstof tot aan de snijkant van het gereedschap te brengen. In de verspaning wordt het vloeibare stikstof gasvormig zodra het het gereedschap verlaat. Hierbij wordt zoveel energie onttrokken dat de temperatuur daalt tot -196 °C (het absolute nulpunt is -273,15 °C).

Aangepast gereedschap

De laatste jaren heeft men (vooral in de VS) veel ervaring met cryogene koeling opgedaan. Daar is men tot het inzicht gekomen dat het aanvankelijke idee om het stikstof aan de buitenkant toe te voeren minder goede resultaten geeft dan wanneer de koeling door de spindel en het gereedschap plaatsvindt. De verklaring hiervoor zit in het feit dat door extern te koelen het hele werkstuk extreem gekoeld wordt. Vaak leidt dit ertoe dat het materiaal nog moeilijker verspaanbaar wordt, doordat het verhardt. Cryogeen koelen bemoeilijkt dan in feite de bewerking. Recent is daarom een methode ontwikkeld waarbij het vloeibare stikstof door het gereedschap wordt geleid. Het treedt naar buiten direct onder het snijvlak. Dat blijkt een optimaal resultaat te geven. Er zijn wel een paar voorwaarden. Zo heb je daar speciale gereedschappen voor nodig die geschikt zijn voor de koelkanalen én die het gas wegleiden van het werkstuk. Het idee is namelijk dat het vloeibare stikstof wel het snijvlak koelt door de warmte weg te voeren, maar niet het werkstuk zelf. Dat blijft op een constante temperatuur. Precies om te voorkomen dat het brosser wordt. Daarnaast moet natuurlijk het hardmetaal bestand zijn tegen de extreem lage temperaturen.


Aanpassing machines
 

Niet alleen het gereedschap moet aangepast worden, ook voor de machine is dat het geval. Machines met koeling door de spindel zijn geschikt. In dit geval wordt de interne koelbuis, waardoor normaal het koelsmeermiddel gaat, vervangen door een speciale cryogene koelbuis. Dit is een vacuüm geïsoleerde buis waardoor het vloeibare stikstof wordt geleid. Hierdoor heeftde lage temperatuur geen effect op de spindel. Het systeem zelf is een lagedruksysteem dat geen aanvullende pompen nodig heeft. De stikstoftanks staan meestal buiten de productiehal. Ondertussen zijn er al retrokits op de markt om bestaande machines mee om te bouwen naar cryogene koeling. Misschien ligt hier wel een reden waarom de technologie nog niet echt doorbreekt in de algemene verspaning. Als men pompen en andere onderdelen van het koelsmeersysteem laat zitten, kan een machine in theorie wisselen tussen cryogene en traditionele koeling. Dat betekent echter wel telkens uren ombouwen. Een andere optie is dat men ofwel cryogeen koelt ofwel droog verspaant. Daarom ligt het voor de hand dat cryogene koeling met name wordt toegepast op machines die uitsluitend voor specifieke materialen zoals Inconel en titanium worden ingezet. Het komt er dus op neer dat cryogeen koelen een extra investering in de installatie en de aanpassing van de machine betekent.


Hoge kosten

Behalve de aanpassingen aan machine en gereedschap zijn ook de kosten van het stikstof relatief hoog. Afhankelijk van de druk waarmee wordt gewerkt, nemen de kosten weliswaar af, maar bij 12 bar kost vloeibaar stikstof aan gebruikskosten ongeveer 1 euro per minuut. Hier staan dus wel lagere gereedschapskosten en een hogere productiviteit tegenover. Daarnaast blijven de spanen droog. Ze hoeven dus niet eerst te worden ontdaan van koelsmeeremulsies.


OP ZOEK NAAR ALTERNATIEVEN

Op tal van plaatsen doet men ondertussen onderzoek naar alternatieven voor vloeibaar stikstof.De belangrijkste reden hiervoor is dat koelen met stikstof hoge extra investeringen met zich meebrengt.

Vloeibaar co2

Vloeibaar CO2 is een alternatief, evenals droogijs. Dit laatste levert niet alleen bij titanium maar ook bij austenitisch staal goede resultaten op, zowel qua standtijd, productiviteit als oppervlakte- ruwheid. Omdat de temperatuur van vloeibaar kooldioxide veel hoger is dan die van vloeibaar stikstof, kan men hiermee wel buiten spindel en gereedschap om koelen, zonder de eigenschappen van het werkstukmateriaal te beïnvloeden.Bij Sirris in Diepenbeek wordt inmiddels onderzoek gedaan naar het extern koelen met stikstof. Het gaat met name om het bewerken van gehard staal en titanium. Naast het in kaart brengen van de effecten op het verspaningsproces, wil Sirris meer zicht krijgen op de kosten en andere praktische zaken rondom cryogene koeling. Een van de eerste resultaten die uit het onderzoek naar voren komen, is dat deze wijze van koelen een positief effect heeftop de oppervlakteruwheid bij het verspanen van gehard staal.

Combinaties

Dubbel gebruik
traditionele koeling door de spindel en cryogene koeling van buitenaf
is soms mogelijk. Nog betere resultaten worden behaald als men een combinatie kiest van cryogene koeling met droogijs en MMS, het vernevelen van olie. De smerende werking die soms nodig is, komt dan van de nevel in het MMS-systeem. ?