In der heutigen Welt werden große Anstrengungen unternommen, um sicherzustellen, dass Industrieprozesse so produktiv und effizient wie möglich sind. Von 1751 bis 2000 wurden etwa 337×109 t CO2 in die Atmosphäre emittiert, was zu einer globalen Erwärmung und Umweltverschmutzung führte (Jaffery et al., 2014). Der Industriesektor trägt etwa 26 % der Gesamt-CO2-Emissionen bei (Birol, 2017). Der Fertigungssektor macht fast 50 % dieser Emissionen aus. Umweltbedenken sowie Energieprobleme haben die Forschung in Richtung Nachhaltigkeit, Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Fertigungsprozesse gelenkt. Dies hat zum Ziel der Prozessoptimierung geführt, bei der die Ausgabewerte durch sorgfältige Auswahl der Eingabeparameter erhöht werden.
Die Herausforderungen der Zerspanung von Titanlegierungen
Die Zerspanung ist ein wichtiger Bereich in der Fertigungsindustrie, der in der Lage ist, Teile mit Präzision und Genauigkeit aus verschiedenen Materialien wie Metallen, Nichtmetallen und Polymeren herzustellen (Childs et al., 2000). Die Zerspanung macht etwa 10 % des gesamten Energieverbrauchs in der Fertigungsindustrie aus (Zhao et al., 2016). In verschiedenen Branchen macht die Drehtechnik einen großen Teil der Zerspanungsprozesse aus, während sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie etwa 85 % der Gesamtzerspanungszeit bei einem Flugzeugtriebwerk ausmacht (Bermingham et al., 2012a). Titanlegierungen erfüllen aufgrund ihrer guten Korrosionsbeständigkeit und des hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht die Anforderungen in verschiedenen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt (Boyer, 1996), der Schifffahrt (Ezugwu and Wang, 1997) und der Medizin (Lundgren et al., 1997). Etwa 60 % aller Titanlegierungsbearbeitungen entfallen auf Ti-6Al-4V (López de lacalle et al., 2000) aufgrund seiner ausgezeichneten Eigenschaften.
Die Zerspanung von Titanlegierungen birgt mehrere Herausforderungen in Bezug auf Werkzeugstandzeit und Zerspanbarkeit. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Titans führt zu einer erheblichen Erwärmung der Schneidkante, was die Werkzeugstandzeit verringert (Donachie, 2000). Die erhöhte Temperaturfestigkeit von Titanlegierungen führt zu Verformungen des Schneidwerkzeugs (Ezugwu et al., 2003). Aufgrund des geringeren elastischen Moduls treten Vibrationen und Toleranzprobleme auf (Bridges and Magnus, 2001). Die chemische Reaktivität von Titanlegierungen wirkt als Katalysator für Verschleißmechanismen (Hong et al., 2001). Obwohl die Trockenzerspanung aufgrund der Umweltbedenken im Zusammenhang mit ölbasierten Kühlschmierstoffen stark favorisiert wird, erfordert der Einsatz von Kühlschmierstoffen aufgrund des schwierig zu bearbeitenden Zustands von Titanlegierungen besondere Aufmerksamkeit.
Die Bedeutung der richtigen Kühlschmierstoffauswahl
Um den Werkzeugverschleiß zu reduzieren, wird von Forschern eine Schnittgeschwindigkeit zwischen 30 und 60 m min−1 empfohlen (Komanduri and Von Turkovich, 1981; Kitagawa et al., 1997), doch dies geht zu Lasten der Produktivität. Um die Geschwindigkeit von 60 auf 120 m min−1 und sogar darüber hinaus zu erhöhen (das Ziel der Industrie liegt bei 100 m min−1 und höher; Bermingham et al., 2011), kommt die Verwendung von Kühlschmierstoffen ins Spiel. Es ist bekannt, dass Kühlschmierstoffe von herkömmlichen Hochdruck-Kühlsystemen (HPC) (Sivaiah and Chakradhar, 2018; Sun et al., 2015) bis hin zur minimalen Mengenschmierung (MQL) (Kaynak et al., 2014; Senevirathne and Punchihewa, 2017; Khatri and Jahan, 2018) und der Verwendung von Kryogenien wie Flüssigstickstoff und Argon (Aramcharoen, 2016; Bagherzadeh and Budak, 2018; Bermingham et al., 2011; Bordin et al., 2015; Zhao and Hong, 1992a; Lu et al., 2018; Hong et al., 1999) reichen. Die Kosten für Kühlschmierstoffe müssen gegen die Vorteile abgewogen werden, da sie etwa 20 % der Gesamtkosten der Fertigung ausmachen (Shokrani et al., 2012; Sreejith and Ngoi, 2000). Erst zukünftige Arbeiten der Autoren werden sich mit diesem wichtigen Aspekt beschäftigen. Bermingham et al. (2011) kamen zu dem Schluss, dass die richtige Auswahl der Zerspanungsparameter die Standzeit des Werkzeugs genauso effektiv verbessern kann wie der Einsatz von Kühlschmierstoffen. Dennoch können durch den Einsatz geeigneter Kühlschmierstoffe bei bereits optimierten Zerspanungsparametern eine höhere Produktivität und Wirtschaftlichkeit erreicht werden. Eine Optimierung kann durch die Bestimmung der besten Zerspanungsbedingungen für eine bestimmte Ausgabe erreicht werden. Forscher haben verschiedene Zerspanungsreaktionen verschiedener Werkstoffe unter Berücksichtigung verschiedener Eingabeparameter optimiert.
Perfektionierung der Zerspanung von Titanlegierungen
Die Motivation der vorliegenden Studie besteht darin, trockene, nasse und kryogene Bedingungen als einzige Eingabevariable für den Vergleich zu kombinieren. Zusätzlich wurde die Schnitttiefe in die Studie aufgenommen, um ihre Auswirkungen auf die Ausgabewerte zu untersuchen. Die Neuheit beruht darauf, dass Kühlungs- und Schmierungsbedingungen und Schnitttiefe als Eingabevariablen weitere Verbesserungen der Nachhaltigkeit und Effizienz des Fertigungssystems ermöglichen. Diese Forschung basiert auf dem Konzept, dass Produktivität das Produkt aus Qualität, Auslastung und Effizienz ist (Laperrire and Reinhart, 2014). Diese Begriffe umfassen den Fertigungsprozess unter Berücksichtigung wichtiger Parameter wie Energie, Verschleiß und Ausgabequalität. Diese Reaktionen werden durch konstruktive Kombinationen von Eingabeparametern wie Vorschub, Geschwindigkeit und Schnitttiefe optimiert. Das Taguchi-Versuchsdesign wird verwendet, um die Eingabeparameter zu optimieren, die sich sonst unterschiedlich auf verschiedene Reaktionen auswirken. Das Ziel besteht darin, nachhaltige und produktive Antwortmöglichkeiten in Bezug auf Eingabeparameter zu formulieren und zu optimieren.
