Durchbruch beim Bearbeitungsprozess mit Stickstoff / Breakthrough in cryogenic machining dramatically increases hard-metal removal rates

Neues System sorgt für drastische Verbesserung bei Hartmetall-Abtragsraten sowie Werkzeugstandzeit

(PresseBox) (Göppingen, ) MAG schafft mit einem neu entwickelten System zur Spindel/Werkzeug-Innenkühlung den Durchbruch bei der kryogenen Zerspanung. Diese Neuentwicklung, die für mehrere Patente angemeldet ist, kühlt die Schneide effektiver als alle bisherigen Methoden und ermöglicht so erheblich höhere Schnittgeschwindigkeiten für höhere Zerspanungsproduktivität, längere Werkzeugstandzeiten oder eine Kombination dieser beiden Vorteile. Das Flüssigstickstoff-Kühlsystem (-196 °C) kann auch mit MMS (Minimalmengenschmierung) kombiniert werden, um Werkzeugreibung und Adhäsion zu reduzieren, was höhere Abtragsraten pro Zeiteinheit bzw. eine längere Werkzeugstandzeit ermöglicht. Zu den ideal geeigneten Anwendungen gehört aggressives Bearbeiten von schwer zu zerspanenden Werkstoffen, z. B. Titan, nickelbasierte Legierungen und Sphäroguss oder Gusseisen mit Vermiculargraphit (GGV).

"Wir sind noch in der Entwicklungsphase, haben jedoch Geschwindigkeitszunahmen von 60 Prozent beim Fräsen von GGV mit Carbid und eine bis zu viermal höhere Geschwindigkeit unter Anwendung von PKD-Werkzeugen (polykrystalliner Diamant) erzielt. Durch den Einsatz von Minimalmengenschmierung (MMS) haben wir die Geschwindigkeiten mit Carbid verdreifacht, konnten aber keinen weiteren Vorteil gegenüber der ursprünglichen Vervierfachung mit PKD erzielen", so Dr. Wolfgang Horn, MAG Vice Chairman Technology Global. "Bei diesen Tests ging es hauptsächlich um höhere Abtragraten unter Beibehaltung der Werkzeugstandzeit verglichen mit der mit normalen Kühlmitteln erzielten Standzeit. Die ersten Ergebnisse lassen vermuten, dass diese Technologie die Lebenszykluskosten für Zerspanaufgaben in einem ‚Hartmetall' -Umfeld immens verbessern könnte, indem sie die erforderliche Anzahl an Maschinen und die zugehörige Werksinfrastruktur reduziert oder möglicherweise die Werkzeugstandzeit weit über das heute vorstellbare Maß hinaus verlängert. Ein zusätzlicher Kostenvorteil ergibt sich aus der Umweltfreundlichkeit des Kühlmittels. Es muss kein Sprühnebel aufgefangen werden, es gibt weder Filtration noch nasse Späne, kontaminierte Werkstücke oder Entsorgungskosten. Durch den Wegfall der vielen Pumpen, Ventilatoren und Antriebe für den Umgang mit Kühlmitteln ist zudem der Energieverbrauch wesentlich geringer".

Laut Horn liegt der Schlüssel für die Effizienz des neuen Systems in der Fähigkeit, den Kühleffekt im Körper des Schneideinsatzes zu konzentrieren. "Die kryogene Bearbeitung war nie zuvor so effektiv wie jetzt, da wir die Kühlung durch die Spindel direkt an das Zentrum des Schneidstoffs leiten können", so Dr. Horn. "Werkzeug-Innenkühlung ist das effizienteste Wärmetransportmodell und verbraucht die geringste Menge Flüssigstickstoff. Unsere Entwicklungsarbeit konzentrierte sich bisher auf das Fräsen und Feinbohren, wo der Verbrauch bei etwa 0,04 Liter pro Minute pro Schneide lag. Wir glauben, dass er beim Bohren und Gewindeschneiden noch niedriger sein wird."

Prüfungen durch MAG zeigten, dass die Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten für Diamantwerkzeuge durch kryogenes Kühlen erheblich erweitert werden kann; so lässt sich beispielsweise die Wärmegrenze bei GGV um das Drei- bis Vierfache erhöhen. Carbid-Werkzeuge, die eher abrasivem Verschleiß unterliegen, reagieren am besten, wenn MMS mit Kryokühlung kombiniert wird.

Dr. Wolfgang Horn, MAG Vice Chairman Technology Global
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Das Diagramm zeigt Steigerungen bei der Werkzeugstandzeit und der Geschwindigkeit für ein Karbid-Werkzeug in GGV bei der Verwendung von Stickstoffkühlung mit Minimalmengenschmierung.
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Infrarot (IR)-Thermogramm einer (horizontalen) Spindel und der Werkzeug/Werkstück-Schnittstelle in Aktion mit kryogenem Kühlsystem durch die Spindel. Das IR-Bild zeigt die kältesten Bereiche in schwarz und die wärmsten in weiß. Die Schnittwerkzeugtemperatur ist -32 °C. Der heißeste Bereich am Schnitt misst 82 °C.
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Titanzerspanung auf einer Vertikalfräsmaschine von MAG. Die Live-Demonstration bei der diesjährigen IMTS in Chicago beeindruckte das Fachpublikum sichtlich und belegte die Praxistauglichkeit der neuen Anwendung.
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Hintergrund:
MAG ist einer der führenden Anbieter individueller Produktions- und Technologielösungen. Aus Traditionsmarken der internationalen Werkzeugmaschinenindustrie wie Cincinnati, Cross Hüller, Fadal, Giddings & Lewis, Hüller Hille, Witzig & Frank, Hessapp, Ex-Cell-O, Honsberg und Boehringer entstand seit 2005 ein neues, global erfolgreich und profitabel operierendes Unternehmen. Schwerpunkte der globalen Aktivitäten von MAG sind die Luft- und Raumfahrt, Automotive und Nutzfahrzeugbau, Schwerindustrie, Energie- und Förderanlagen, Schienenverkehr, Solarenergie, Windkraftanlagen und der Maschinenbau.

MAG liefert Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme und Dienstleistungen im Bereich der automatisierten Fertigung, Dreh- und Frästechnologie, Fertigung von Fahrzeugantrieben, Verbundwerkstoff-Verarbeitung, Wartung und Instandhaltung, Automations- und Steuerungstechnik sowie Kernkomponenten für Werkzeugmaschinen.

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PRESS INFORMATION

Breakthrough in cryogenic machining dramatically increases hard-metal removal rates and/or tool life

A patent pending through-tool design cools cutting edge more efficiently than ever before possible. The system can be combined with minimum quantity lubrication for even greater speeds and tool life.

Göppingen, October 15, 2010 - MAG presents a new development that utilizes a unique through-spindle, through-tool cooling system. The multi-patent pending development cools the cutting edge more efficiently than ever before possible, enabling dramatically higher cutting speeds for increased metal removal, longer tool life or a blend of the two advantages. The liquid-nitrogen (-321°F) cooling system can also be combined with MQL (minimum quantity lubrication) to reduce tool friction and adhesion, enabling even higher metal removal rates or longer tool life. Ideal applications involve aggressive metal removal in the hardest workpiece materials, such as titanium, nickel-based alloys, and nodular or compacted-graphite iron (CGI).

"We are still in development, but have achieved 60 percent speed increases in milling CGI with carbide, and up to four times using PCD (Polycrystalline Diamond) tooling. With the addition of MQL, we tripled speeds with carbide, but showed no further benefit to the fourfold increase with PCD," said MAG Vice Chairman Technology Global Dr. Wolfgang Horn. "These tests focused on metal removal increases, while keeping tool life equal to what would be achieved with conventional coolants. Early results indicate this technology could dramatically improve the lifecycle cost model for machining in a 'hard-metal' environment by reducing the required number of machines and associated plant infrastructure, or possibly increasing tool life beyond anything thought possible today. Cost-wise, cryogenic machining becomes even more competitive when you consider it's a non-issue environmentally. There is no mist collection, filtration, wet chips, contaminated workpieces or disposal cost, and certainly less energy consumption without all the pumps, fans and drives that go into handling coolant."

According to Horn, the key to the new system's efficiency is its ability to concentrate the cooling effect in the body of the cutting insert. "Cryogenic machining has never been done this efficiently before, with liquid nitrogen passed through the spindle and into the insert," he explained. "Through-tool cooling provides the most efficient heat transfer model, and consumes the least amount of liquid nitrogen. Our development work to date has focused on milling and boring, where consumption has been about 0.04 liters per minute per cutting edge. We believe drilling and tapping should be even less."

Horn added that tests by MAG have shown the range of capabilities for diamond tooling can be expanded significantly with cryogenic cooling, for example extending the heat limit in CGI by 3 to 4 times. Carbide tooling, which is more affected by abrasive wear, responds best when MQL is combined with cryo cooling.

The through spindle cryogenic cooling system is suitable for motorized, belt-driven or geared spindles.

Dr. Wolfgang Horn, MAG Vice Chairman Technology Global
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Infrared (IR) thermograph of (horizontal) spindle and tool/workpiece interface in action with through-spindle cryogenic cooling system. IR image shows coldest areas as black, hottest as white. Cutting tool body is -32°C. Hottest area near cut measures 82°C.
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Chart shows tool life and speed gains for carbide tool in CGI when using through-tool cryogenic cooling, and cryogenic cooling with Minimum Quantity Lubrication.
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Live cryogenic machining of titanium at this year's IMTS in Chicago demonstrated the capabilities of the new system. http://www.pr-x.de/...

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MAG is a leading machine tool and systems company serving the durable goods industry worldwide with complete manufacturing solutions. With a strong foundation based upon renowned brands such as Cincinnati, Cross Hüller, Fadal, Giddings & Lewis, Hüller Hille, Witzig & Frank, Hessapp, Ex-Cell-O, Honsberg and Boehringer, MAG is recognized as the preeminent provider of tailored production solutions based on state-of-the-art technology. Key industrial markets served include aerospace, automotive and truck, heavy equipment, oil and gas, rail, solar energy, wind turbine production and general machining.

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