Abschlussbericht. zum Verbundvorhaben

Transkript

1 Abschlussbericht zum Verbundvorhaben Schmierstoff auf Polymerbasis zum Ersatz von Mineralöl in der spanenden Fertigung Integration in die industrielle Produktion Kurztitel: Polymerer Schmierstoff - Phase 2 Technologische, ökonomische und ökologische Bewertung [01RI0901B] gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) betreut durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Projektträger im DLR, Bonn Seite 1 von 86

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Technologische Bewertung Versuchsdurchführung Innenrundschleifen Außenrundschleifen Stell-, Mess- und Bewertungsgrößen für die Schleifversuche Ergebnis der Außenrund- und Innenrundschleifversuche Benchmarkversuche Innenrundschleifen Versuche Edelkorundschleifscheibe Versuche cbn-schleifscheibe Benchmarkversuche Außenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe cbn-schleifscheibe Normalgeschwindigkeitsschleifen (NSG) cbn-schleifscheibe Hochgeschwindigkeitsschleifen (HSG) Diamantschleifscheibe Einsatz eines Polymer-basierten Hydraulikmediums in einer Werkzeugmaschine Vorbereitung der Umstellung Durchführung der Umstellung und Erprobung des polymeren Hydraulikmediums Wirtschaftliche Bewertung Ergebniszusammenfassung der ökonomischen Betrachtung Stoffstrombasiertes Life-Cycle-Costing Aufbau des Szenarios Randbedingungen der Stoffströme über den Lebenszyklus Lebenszyklusphase I Kühlschmierstofferstbefüllung Lebenszyklusphase II Kühlschmierstoffnutzung Lebenszyklusphase III Kühlschmierstoffentsorgung Ergebnisse des Life-Cycle-Costings Seite 2 von 86

3 3.6 Sekundäre wirtschaftliche Wirkungen durch die Nutzung der Polymeren Lösung Diskussion Ökologische Bewertung des polymeren Schmierstoffs Zieldefinition Untersuchungsrahmen Sachbilanz Wirkungsabschätzung Ergebnisse der Wirkungsabschätzung Sensitivitätsanalysen Zusammenfassung der Ergebnisse Generierung von Produktmustern aus der spanenden Fertigung Anwender A - Messingbearbeitung Kurzprofil des Unternehmens Randbedingungen des Produktivversuchs Erfahrungen des Anwenders Chemisch-Analytische Untersuchung Anwender B - Stahlbearbeitung Kurzprofil des Unternehmens Randbedingungen des Produktivversuchs Erfahrungen des Anwenders Chemisch-Analytische Untersuchung Zusammenfassung und Ausblick Veröffentlichungen Literatur Seite 3 von 86

4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe I Abbildung 2: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe II Abbildung 3: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe III Abbildung 4: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe I Abbildung 5: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe II Abbildung 6: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe III Abbildung 7: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe IV Abbildung 8: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe VI Abbildung 9: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 10: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 11: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 12: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 13: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 14: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 15: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 16: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 17: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 18: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 19: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 20: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 21: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 22: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 23: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s Abbildung 24: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 2,0 mm 3 mm -1 s Abbildung 25: Werkzeugmaschine (A) und Hydraulikaggregate (B, C) Abbildung 26: Schüttel- und Durchmischungsversuch Hydraulik- und Spülmedien Abbildung 27: Systemgrenze Abbildung 28: Prozentuale Zusammensetzung der Aufwendungen bei der Polymeren Lösung Abbildung 29: Vergleich Standmenge: Polymere Lösung vs. Emulsion Abbildung 30: Elemente einer ökologischen Lebensweganalyse, Ökobilanz Abbildung 31: Systemgrenze zum Lebensweg eines Kühlschmierstoffs Abbildung 32: Lebenswegabschnitte der polymer- und mineralölbasierten Kühlschmierstoffsysteme Seite 4 von 86

5 Abbildung 33: Ausschnitt des Stoffstrommodells der Polymeren Lösung im Drehprozess, Sankey-Darstellung Abbildung 34: Ausschnitt des Stoffstrommodells der mineralölbasierten KSS-Emulsion im Drehprozess, Sankey-Darstellung Abbildung 35: Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen (normiert) einer mineralölbasierten Emulsion und einer Polymeren Lösung über den gesamten Lebensweg Abbildung 36: Verteilung der relativen Umweltwirkungen nach Lebensphasen Abbildung 37: Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen für die Bereitstellung von je 1 kg Schmierstoff Abbildung 38: Sensitiver Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen der Schmierstoffe über den gesamten Lebensweg unter Variation der Emulsionskonzentration Abbildung 39: Sensitiver Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen unter Variation der Rohölzusammensetzung in der Raffination Abbildung 40: Sensitiver Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen unter Variation der Standzeit Abbildung 41: Bearbeitungszentrum CTX 420 linear [Quelle: DMG] Abbildung 42: Produzierte Bauteile [Quelle: Anwender A] Abbildung 43: Ergebnis der chemisch-analytischen Untersuchung der Carl Bechem GmbH für den Zeitraum Anfang Januar 2010 bis Ende Juni Abbildung 44: Ergebnis der chemisch-analytischen Untersuchung der Carl Bechem GmbH und Anwender B für den Zeitraum Mitte März 2011 bis Ende April Seite 5 von 86

6 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Stell- und Messgrößen bei den Innenrundschleifversuchen Tabelle 2: Stell- und Messgrößen bei den Außenrundschleifversuchen Tabelle 3: Elektrische Leistungsaufnahme der beiden Hydraulikaggregate Tabelle 4: Randbedingungen des Szenarios Tabelle 5: Ergebnis Ist-Aufnahme Anwender A Tabelle 6: Ergebnis Ist-Aufnahme Anwender B Seite 6 von 86

7 1 Einleitung Kühlschmierstoffe werden in der spanenden Bearbeitung als Hilfsstoffe eingesetzt, um die Reibung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug zu verringern sowie die entstehende Reibungswärme in der Kontaktzone und die Späne abzuführen. Schmierstoffe auf Basis von Mineralöl können jedoch zu arbeitsphysiologischen Belastungen des Maschinenpersonals (Atemwegserkrankungen und Hautunverträglichkeiten) führen und sind hinsichtlich der ökologischen Wirkungen (insbesondere durch den Verbrauch an endlichen Ressourcen) als problematisch anzusehen. Innovationen im Bereich der Schmierstoffe verfolgen ein nachhaltiges Wirtschaften mit dem Ziel, Mineralöl als umwelt- und gesundheitsgefährdende Ressource durch unbedenkliche Stoffe zu ersetzen. Beispiele sind der Einsatz von Pflanzenölen wie Rapsöl und Palmöl oder der Einsatz von Abfallfetten. 1 Kühlschmierstoffe (KSS) werden nach der DIN unterschieden in nichtwassermischbare und wassermischbare Schmierstoffe. Spezifische Kennzeichen der zwei Schmierstoffarten sind die definierte Schmierwirkung des viskosen, nichtwassermischbaren und die Kühlwirkung eines nicht-viskosen, wassergemischten KSS. Die besondere Eigenschaft von Polymeren ist es, auf die Viskosität von Wasser einzuwirken und eine Schmierwirkung zu erzeugen. Diese Eigenschaft bildet den Ausgangspunkt für die Entwicklung eines neuartigen umweltverträglichen, wasserhaltigen Schmierstoffs auf Polymerbasis mit definierten Schmiereigenschaften (siehe Bild 1). Kühlschmierstoffe Rapsöl nichtwassermischbar (Schmieren) wassermischbar (Kühlen) Lösung mit H 2 O Mineralöl Polymerer Schmierstoff (Schmieren + Kühlen) Emulsion mit H 2 O Bild 1: Einordnung eines polymeren Schmierstoffs in Schmierstoffarten 1 Vgl. Dettmer, T. (6) und Herrmann, C. et al. (7). Seite 7 von 86

8 Im Rahmen des Verbundvorhabens Mineralölfreier Schmierstoff auf Polymerbasis zur Kostensenkung und Ressourcenschonung in Prozessen der spanenden Fertigung und der Oberflächenbehandlung wurden im Teilprojekt 2 Zerspanungsuntersuchungen und ökologische Bewertung [01RI05055] am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig technologische Untersuchungen von polymeren Flüssigkeiten, Filtrationsversuche sowie eine ökologische Analyse und Bewertung des Schmierstoffkonzepts durchgeführt. Seite 8 von 86

9 2 Technologische Bewertung 2.1 Versuchsdurchführung Im Rahmen der technologischen Untersuchungen, gemäß Arbeitspaket 1.1 des Antrags, wird polymerbasierter Schmierstoff als Versuchsfluid in spanenden Prozessen mit geometrisch unbestimmter Schneide eingesetzt. Dabei wird das Fluid hinsichtlich ihrer Eignung zur Substitution von mineralölhaltigen (vorwiegend nichtwassermischbaren) Kühlschmierstoffen bewertet Innenrundschleifen Die Versuche werden an einer Innenrundschleifmaschine TYP S120 der Firma Fritz Studer AG durchgeführt. Der Maschine verfügt über eine wälzgelagerte Schleifspindel der Firma Fischer, die eine maximale Drehzahl n max von min -1 erreicht. Als Werkstücke für die Zerspanung werden Stahlringe mit einem Ausgangsinnendurchmesser von 50 mm verwendet, die aus Kugellagerstahl 100Cr6 mit einer Härte von 62 HRC bestehen. Die Legierung des Stahls enthält 1 % C, 0,25 % Si, 0,3 % Mn, 0,03 % P, 0,03 % und 1,5 % Cr. Die Stahlringe werden bis zu einem Innendurchmesser von maximal 120 mm zerspant. Als Werkzeuge werden keramisch gebundene Schleifscheiben von der TYROLIT SCHLEIFMITTELWERKE SWAROVSKI KG aus kubischem Bornitrid (cbn) und Edelkorund (Al 2 O 3 ) verwendet. Die Abmessungen der Scheiben betragen 40 x 15 x 13 mm mit den Spezifikationen B 126 M 8 VD 49 für das Bornitridwerkzeug und der 452 A 120 K 9 V 3 für das Edelkorundwerkzeug. Die Zerspanungsversuche werden mit einer überflutenden Schmierung durchgeführt, d.h. in Abhängigkeit von der Viskosität fördert eine Pumpe kontinuierlich bis zu 40 l min -1 KSS aus einem 120 Liter Schmierstoffvorrat in die Bearbeitungsstelle. Der KSS wird erneut ohne weitere Aufbereitung im Umlaufsystem zurückgeführt. Die Schmierstoffmenge im Sammelbehälter gleicht einen Temperaturanstieg des KSS aus, so dass für alle Proben ein Temperatureinfluss auf die Viskosität ausgeschlossen werden kann. Grundsätzlich wurden in den Versuchen die Temperaturen der Fluide kontinuierlich erfasst. Der Schmierstoff gelangt in die Zerspanungszone über eine Spaltdüse mit dem Öffnungsdicke von 1 mm und breite von 12 mm. Seite 9 von 86

10 2.1.2 Außenrundschleifen Die Außenrundschleifversuche werden an einer Studer S40 Universalschleifmaschine der Fritz Studer AG durchgeführt. Die Maschine verfügt über zwei Außenschleifspindeln, mit einer maximalen Schnittgeschwindigkeit von 140 m/s an der einen Spindeln und 50 m/s an der zweiten Spindel. Des Weiteren ist eine Innenrundschleifspindel der Firma Fischer verbaut, die eine maximale Drehzahl n max von min -1 erreicht. Die Versuchswerkstücke sind zum einen Hartmetallstäbe der Sorte K 40 UF mit einer chemischen Zusammensetzung von 90 % WC+Cr 3 C 2 +VC und 10 % Co, sowie einer Härte von 1610 HV 30. Die Hartmetallstäbe werden mit einer Diamantschleifscheibe (D) der Spezifikation 14A1 D 91 C 125 M 6 VD 46 sowie den Abmessungen x 10 x 127 mm von einen Ausgangsdurchmesser von 20,9 mm auf 9,0 mm zerspant. Des Weiteren werden 100Cr6 Wellen mit einer Härte von 62 HRC geschliffen. Die Legierung des Stahls enthält 1 % C, 0,25 % Si, 0,3 % Mn, 0,03 % P, 0,03 % und 1,5 % Cr. Die Wellen werden ausgehend von einem Ausgangsdurchmesser von 50 mm auf einen Enddurchmesser von 20 mm reduziert. Als Werkzeuge werden keramisch gebundene Schleifscheiben von der TYROLIT SCHLEIFMITTELWERKE SWAROVSKI KG aus kubischem Bornitrid (cbn) und Edelkorund (Al 2 O 3 ) verwendet. Die Abmessungen der cbn-schleifscheibe beträgt x 10 x 127 mm mit der Spezifikationen B 107 V ST 140 und die Abmessung der Edelkorundschleifscheibe beträgt x 40 x 127 mm mit der Spezifikationen 454A 120 K10 V3 50. Bei den Versuchen wird der Bearbeitungsprozess mit einer überflutenden Schmierung durchgeführt, d.h. in Abhängigkeit von der Viskosität und der jeweiligen Schnittgeschwindigkeit fördert eine Pumpe kontinuierlich bis zu 100 l min -1 KSS aus einem 1 Liter Schmierstoffvorrat. Diese Schmierstoffmenge gleicht Temperaturveränderungen des Mediums aus. Das Medium wird über einen Hydrostatfilter nach dem Schwerkraftprinzip gefiltert. Nach der Filtration wird der Schmierstoff aus dem Saubertank eine Freistrahlspaltdüse mit dem Öffnungsdicke von 2 mm und breite von 12,5 mm der Zerspanungszone zugeführt Stell-, Mess- und Bewertungsgrößen für die Schleifversuche Im Rahmen von Benchmarkversuchen erfolgt die spezifische, technologische Bewertung. Dazu sind jeweils die Schnittgeschwindigkeit v c [m s -1 ], das bezogene Zerspanungsvolumen V w [mm 3 mm -1 ] und das bezogene Zeitspanvolumen Q w [mm 3 mm -1 s -1 ] festgelegt. Die -1 Belastung beim Innenrundschleifen mit Q w = 2 mm 3 mm -1 s ist übertragbar auf einen Seite 10 von 86

11 Außenrundschleifprozess mit einem Schleifscheibendurchmesser von 300 mm und einem Werkstückdurchmesser von 250 mm bei einem bez. Zeitspanvolumen von 8 mm³ mm -1 s -1. Aufgrund von hohen Beschaffungskosten stellt der Verschleiß von Schleifscheiben eine wichtige Wirtschaftlichkeitskenngröße dar. Somit ist dieser neben den Schleifkräften und der Oberflächengüte bei der Prozessbewertung zu berücksichtigen. Der Verschleißzustand wird anhand von Abdrücken der Schleifscheibe mit der Plättchenmethode ermittelt. Mit einem vorund nachgelagerten Abdruck der Schleifscheibe wird dabei die Veränderung der Schleifscheibengeometrie analysiert und der Verschleiß bestimmt. Des Weiteren kann zur Bewertung der Werkzeugstandzeit das Schleifverhältnis G berechnet und als Bewertungsgröße des jeweiligen Kühlschmierstoffs verwendet werden. Das Schleifverhältnis G beschreibt das Verhältnis von zerspantem Werkstück- und verschlissenem Schleifscheibenvolumen. Zur Bewertung der Auswirkungen der eingesetzten KSS beim Innenrundschleifen werden die prozessbeschreibenden Größen und Ergebnisgrößen beim Schleifen ermittelt. Hierzu zählen die Schnittkräfte F n und F t (normal und tangential), die Oberflächengüte R z und der radiale Schleifscheibenverschleiß. Zur Messung der Schleifkräfte werden 3-Komponenten-Piezo- Kraftelemente der Firma Kistler vom Typ 9251A eingesetzt, welches über einen Vier-Kanal- Schreiber ausgelesen werden. Die Kraftelemente sind als Vierpunktauflage in den Spindelstock eingebaut. Anhand der Prozesskräfte können Aussagen zum Schleifverhalten abgeleitet werden. Grundsätzlich können vereinfacht folgende Angaben zu den Prozesskräften gemacht werden. Hohe Normalkräfte lassen grundsätzlich auf ein schlechtes Materialabtragevermögen beim Schleifprozess schließen. Die Schleifscheibe drückt gegen das Werkstück und übt somit eine Kraft auf die Spindel aus. Demgegenüber stellen hohe Tangentialkräfte ein Indiz für eine gute Materialabnahme dar. Anhand des Quotienten aus Tangential- zu Normalkraft (dem sog. Schnittkraftverhältnis) können beide Prozesskräfte in einem Indikator abgebildet werden. Ein hohes Schnittkraftverhältnis ist folglich anzustreben. Beim Außenrundschleifen wird nur die Tangentialkraft ermittelt. Diese berechnet sich aus dem Quotient zwischen Spindelleistung und Schnittgeschwindigkeit. Die Spindelleistung wird über das Leistungsmessgerät PPC-3 der Firma Load Controls erfasst und aufgezeichnet. Der radiale Schleifscheibenverschleiß rs wird anhand der Plättchenmethode bestimmt. Die Schleifscheibe sticht hierbei in ein dünnes Stahlplättchen (0,25 mm) ein, so dass ein Abdruck des Schleifscheibenprofils entsteht. Dieser Abdruck wird mit einen Messtaster abgefahren und der radiale Schleifscheibenverschleiß kann ermittelt werden. Als Ergebnisgröße wird die Oberflächengüte R z des Werkstücks ermittelt. Die Rauheit erfasst die Riefen auf der Werkstückoberfläche, die durch die Kornschneiden der Schleifscheibe Seite 11 von 86

12 entstehen. Die Rauhtiefenmessung erfolgt mit einem T Basic der Firma Hommel. Beim Tastschrittverfahren wird das Oberflächenprofil über einen Tastweg von 4,8 mm mit einer Diamantnadel (Messbereich 80 μm) erfasst. Die gemittelte Rauhtiefe R z wird an drei Punkten in Einzelmessungen aufgenommen und für die Bewertung der KSS jeweils als Mittelwert erfasst. In Tabelle 1 sind die Stell- und Messgrößen beim Innenrundschleifen mit der Studer S120 dargestellt. Im Rahmen des Versuches mit 100Cr6 werden bei der Verwendung der cbn- Schleifscheibe vier unterschiedliche bez. Zeitspanungsvolumina eingestellt (in den Schritten: 0,5 1,0 1,5 2,0 mm 3 mm -1 s -1 ) und bei der Verwendung der Edelkorundschleifscheibe drei unterschiedliche bez. Zeitspanungsvolumina eingestellt (in den Schritten: 0,5 1,0 1,5 mm 3 mm -1 s -1 ), um eine Aussage über den Einfluss des Kühlschmierstoffes auf die Messgrößen feststellen zu können. Des Weiteren sind die Schnittgeschwindigkeiten so gewählt worden, um eine übermäßig starke Belastung der Schleifscheibe zu vermeiden, die aus der jeweiligen Werkzeug-Werkstoff-Beziehung resultieren kann. Bei allen Versuchen werden als Messgrößen die Kräfte, die Oberflächenrauheit und der radiale Schleifscheibenverschleiß erfasst. Tabelle 1: Verfahren Stell- und Messgrößen bei den Innenrundschleifversuchen Innenrundschleifen Werkzeug B 126 M 8 VD 49 A 120 K9 V3 Werkstoff 100Cr6 62 HRC 100Cr6 62 HRC v c (m s -1 ) v w (m s -1 ) 0,3 0,3 V w (mm 3 mm -1 ) Q w (mm 3 mm -1 s -1 ) 0,5 1,0 1,5 2,0 0,5 1,0 1,5 Messgrößen Kräfte, Rauheit, Radialverschleiß Kräfte, Rauheit, Radialverschleiß Beim Außenrundschleifen werden die Stell- und Messgrößen gemäß der Tabelle 2 angewendet. Die Schleifversuche mit der cbn Schleifscheibe werden in zwei verschieden Varianten durchgeführt, die lediglich sich hinsichtlich der eingestellten Schnittgeschwindigkeit unterscheiden. In der ersten Variante wird, im Rahmen des konventionellen Schleifens bzw. Seite 12 von 86

13 im Folgenden als Normal Speed Grinding (NSG) bezeichnet, mit einer Schnittgeschwindigkeit von 50 m/s geschliffen. In der zweiten Variante wird, im Rahmen des Hochgeschwindigkeitsschleifens bzw. im Folgenden als High Speed Grinding (HSG) bezeichnet, mit einer Schnittgeschwindigkeit von 100 m/s geschliffen. Die weiteren Parameter, wie bez. Zeitspanungs- und bez. Zerspanungsvolumen, sowie die erfassten Messgrößen unterscheiden sich bei den beiden Schleifverfahren nicht. Die Edelkorundschleifscheibe wird, im Rahmen einer konventionellen Schleifbearbeitung, mit einer Schnittgeschwindigkeit von 45 m/s gefahren. Die Diamantschleifscheibe wird auf eine Schnittgeschwindigkeit von 25 m/s beschleunigt. Im Rahmen des Versuches werden, sowohl bei der cbn-, Edelkorund- und Diamantschleifscheibe, vier unterschiedliche bez. Zeitspanungsvolumina eingestellt, um eine Aussage über den Einfluss des Kühlschmierstoffes auf die Messgrößen feststellen zu können. Bei der Zerspanung des 100Cr6 Wälzlagerstahls wird mit einen bez. Zeitspanungsvolumen von 2,5 5,0 7,5 10,0 mm 3 mm -1 s -1 geschliffen. Beim Hartmetall wird ein bez. Zeitspanungsvolumen von 0,5 1,0 1,5 2,0 mm 3 mm -1 s -1 angewendet. Diese Unterscheidung wird vorgenommen aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften des Materials und der jeweiligen Schleifscheiben. Tabelle 2: Verfahren Stell- und Messgrößen bei den Außenrundschleifversuchen Außenrundschleifen Werkzeug B 107 V ST 140 A 120 K10 V3 50 D91 C125 M6 VD46 Werkstoff 100Cr6 100Cr6 K 40 UF v c (m s -1 ) v c (m s -1 ) 0,50 1,00 0,45 0,20 V w (mm 3 mm -1 ) 100 Q w (mm 3 mm -1 s -1 ) 2,5 5,0 7,5 10,0 2,5 5,0 7,5 10,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Messgrößen Kräfte, Rauheit, Kräfte, Rauheit, Kräfte, Rauheit, Radial Verschleiß Radial Verschleiß Radial Verschleiß Ergebnis der Außenrund- und Innenrundschleifversuche Im Folgenden werden die Ergebnisse der Außenrund- und Innenrundschleifversuche zusammengefasst dargestellt. Eine ausführliche Beschreibung der Ergebnisse erfolgt in den Abschnitten 2.2 und 2.3. Seite 13 von 86

14 Die Innenrundschleifversuche unter Verwendung drei verschiedener Kühlschmierstoffe haben ergeben, dass die entwickelte Polymere Lösung vergleichbare oder bessere technologische Eigenschaften beim Innenrundschleifen aufweist wie marktgängige konventionelle Schmierstoffe (Schneidöl oder Emulsion auf Mineralölbasis). Dieses Ergebnis zeigte sich an Zerspanungsversuchen mit unterschiedlichen Werkzeugen sowie steigende und vergleichsweise Anspruchsvollen Prozessparametern, wie zum Beispiel ein hohes bez. Zeitspanungsvolumen. Insbesondere bei hohen bez. Zeitspanungsvolumen zeigte die Polymere Lösung ein besseres Leistungsverhältnis als eine Emulsion. Die Außenrundschleifversuche führten zu vergleichbaren Ergebnissen wie die Innenrundschleifversuche. Die Verwendung der Polymeren Lösung führte sowohl bei konventionellen Schleifprozessen als auch bei Hochleistungsschleifprozessen zu vergleichbaren oder sogar besseren Versuchsergebnissen gegenüber der Verwendung marktgängiger Kühlschmierstoffe. Neben dem verwendeten Kühlschmierstoff ist auch die jeweilige Werkzeug-Werkstoff-Kombination entscheidend für die Versuchsresultate. So führte die Nutzung der wasserbasierten Kühlschmierstoffe (Emulsion und Polymere Lösung) beim Schleifen von Hartmetall mit einer keramisch gebunden Diamantschleifscheibe zu deutlich schlechteren Ergebnissen als die Nutzung des Schneidöls. Bei der Durchführung desselben Versuchs durch die Carl Bechem GmbH, aber unter Verwendung einer metallisch gebundenen Diamantschleifscheibe, führte die Nutzung der Polymeren Lösungen zu besseren Versuchsergebnissen als bei der Verwendung konventioneller Schmierstoffe. 2.2 Benchmarkversuche Innenrundschleifen Im Rahmen der Benchmarkversuche wird die Polymere Lösung mit marktgängigen Schmierstoffen verglichen. Diese sind ein mineralölbasiertes Schneidöl und eine mineralölhaltige Emulsion. Der Versuchsaufbau ist so gestaltet, dass die Messgrößen des radialen Schleifscheibenverschleißes, die Werkstückoberflächenrauheit sowie die Tangential- und Normalkraft beim Schleifen von 100Cr6 erfasst werden. Die kinematische Viskosität der Schmierstoffe wurde durch kontinuierliche Messung erfasst und insbesondere bei den beiden wasserbasierten Kühlschmierstoffen durch die Zugabe von KSS oder Wasser konstant gehalten. Somit ergaben sich die folgenden Werte für die kinematische Viskosität: Schneidöl: 1 ν 40 C = 10,9 m 2 s Polymere Lösung: 1 ν 40 C = 4,6 m 2 s Emulsion: 1 ν 40 C = 1,1 m 2 s Seite 14 von 86

15 2.2.1 Versuche Edelkorundschleifscheibe Ergebniszusammenfassung Versuche Edelkorundschleifscheibe Die Benchmarkversuche der drei Kühlschmierstoffe beim Innenrundschleifen mit Edelkorund haben ergeben, dass die Polymere Lösung über vergleichbare technologische Eigenschaften verfügt wie marktgängige Kühlschmierstoffe. Insbesondere bei höheren bezogenen Zeitspanungsvolumina zeigt die Polymere Lösung ein länger stabiles Leistungsverhalten, wie zum Beispiel eine Emulsion auf Mineralölbasis Innenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe Versuchsreihe I Nachstehend sind die Versuchsergebnisse für die Zerspanung mit einer Edelkorundschleifscheibe dargestellt. Die Spezifikation der Schleifscheibe ist 452 A 120 K 9 V 3. Die Versuche werden mit einer Schnittgeschwindigkeit von v c = 40 m s durchgeführt. Dabei wird fünfmal ins Werkstück eingestochen bis ein bezogenes Zerspanungsvolumen von 250 mm 3 mm -1 erreicht wird. Zwischen den einzelnen Versuchen wird als Variable das bez. Zeitspanungsvolumen verändert. In der nachstehenden Abbildung 1 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die -1 Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s Der Vergleich der Normal- und Tangentialkraft der drei Schmierstoffe zeigt, dass die Polymere Lösung zu den konventionellen Schmierstoffen ein vergleichbares Verhalten bei der Zerspanung aufweist. Dies zeigt sich insbesondere beim Kraftverhältnis. Hierbei ordnet sich die Polymere Lösung zwischen Mineralöl und Emulsion ein. So verfügt die Polymere Lösung über ein durchschnittlichen Kraftverhältnis von μ = 0,19. Die Emulsion hat ein durchschnittliches Kraftverhältnis von μ = 0,26. Das Kraftverhältnis vom Schleiföl beträgt durchschnittlich μ = 0,18. Bei der Oberflächenrauheit zeigt sich keine bedeutend starke Abweichung bei der Zerspanung mit den unterschiedlichen Schmierstoffen. Bedingt durch die vergleichsweise niedrigen Prozessparameter bricht die Topografie der Schleifscheibe nicht ein. Beim radialen Schleifscheibenverschleiß zeigt sich ein unterschiedlicher Einfluss des Kühlschmierstoffs auf das Standzeitverhalten der Schleifscheibe. So ist der Verschleiß beim Schneidöl über den Versuchsverlauf geringer als bei der Emulsion und bei der Polymeren Lösung. Seite 15 von 86

16 Normalkraft Oberflächenrauheit R z 8 6,00 Normalkraft Fn [N] Rauheit Rz [µm] 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Tangentialkraft Schleifscheibenradialverschleiß 2 1 Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5,00 Verschleiß Δrs [µm] 8,00 6,00 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Kraftverhältnis Ft / Fn [N] Kraftverhältnis Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeug: Edelkorund, keram. gebunden 1,00 Werkzeugspezifikation: 452 A 120 K 9 V 3 0,80 Werkstück: 100Cr6-62 HRC 0,60 KSS-Menge: 20 l/min 0,40 Art KSS-Düsen: Freistrahldüse 0,20 Schnittgeschwindigkeit: v c = 40 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 50 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Abrichtzustellung: a ed = 3 µm Abbildung 1: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe I Innenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe Versuchsreihe II In der nachstehenden Abbildung 2 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1. Der Vergleich der Oberflächenrauheit zeigt Anfangs ein sehr ähnliches Verhalten der drei Schmierstoffe. Die Verwendung der Emulsion führte aber zu einem Einbruch der Topografie nach einem bezogenen Zerspanungsvolumen von ca. 80 mm 3 /mm, danach steigen die Oberflächenrauheiten stark an. Beim fünften Einstich brach die Topografie zweimal im Lauf des Versuchs ein. Bei der Verwendung der Polymere Lösung erfolgte ein Einbruch der Topografie erst nach einem bezogenen Zerspanungsvolumen von ca. 220 mm 3 /mm. Dementsprechend erfolgte eine Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit. Beim Mineralöl erfolgte Seite 16 von 86

17 kein Einbruch der Topografie. Die Oberflächenrauhigkeit erhöhte sich gleichmäßig. Ursache hierfür ist die gute Schmierwirkung des Mineralöls. Normalkraft Oberflächenrauheit R z 8 6,00 Normalkraft Fn [N] Rauheit Rz [µm] 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Tangentialkraft Schleifscheibenradialverschleiß 2 1 Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5,00 Verschleiß Δrs [µm] 8,00 6,00 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Kraftverhältnis Ft / Fn [N] Kraftverhältnis Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeug: Edelkorund, keram. gebunden 1,00 Werkzeugspezifikation: 452 A 120 K 9 V 3 0,80 Werkstück: 100Cr6-62 HRC 0,60 KSS-Menge: 20 l/min 0,40 Art KSS-Düsen: Freistrahldüse 0,20 Schnittgeschwindigkeit: v c = 40 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 50 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Abrichtzustellung: a ed = 3 µm Abbildung 2: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe II Die Veränderung der Normal- und Tangentialkräfte wurde durch die Einbrüche der Schleifenscheibentopografie deutlich geprägt. Im ersten Einstich, bei dem noch kein Einbruch vorlag, hat die Emulsion, im Vergleich zum Mineralöl und dem Polymer-basierten Schmierstoff, das höchste Kraftverhältnis von µ = 0,29. Das Mineralöl verfügte über ein Kraftverhältnis von µ = 0,25 und die Polymere Lösung von µ = 0,17. Im Laufe der Versuchsreihe erhöht sich das Kraftverhältnis des Polymer-basierten Schmierstoff sich auf einen durchschnittlichen Wert von µ = 0,21 und nähert sich somit dem Kraftverhältnis des Mineralöls an (durchschnittlich µ = 0,23). Seite 17 von 86

18 Bedingt durch die Topografieeinbrüche der Schleifscheibe bei der Verwendung der wasserbasierten Kühlschmierstoffe steigt der Schleifscheibenverschleiß mit zunehmender bezogenen Zerspanungsvolumen deutlich an. Insbesondere beim letzten Einstich mit der Emulsion erfolgt ein starker Anstieg des Verschleißes, da die Schleifscheibentopografie zweimal im Lauf des Einstichs einbricht Innenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe Versuchsreihe III In der nachstehenden Abbildung 3 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die -1 Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s Normalkraft Oberflächenrauheit R z Normalkraft Fn [N] Rauheit Rz [µm] 6,00 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Tangentialkraft Schleifscheibenradialverschleiß Tangentialkraft Ft [N] 2 15,00 1 5, Verschleiß Δrs [µm] 1 8,00 6,00 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Kraftverhältnis Ft / Fn [N] Kraftverhältnis Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeug: Edelkorund, keram. gebunden 1,00 Werkzeugspezifikation: 452 A 120 K 9 V 3 0,80 Werkstück: 100Cr6-62 HRC 0,60 KSS-Menge: 20 l/min 0,40 Art KSS-Düsen: Freistrahldüse 0,20 Schnittgeschwindigkeit: v c = 40 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 50 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Abrichtzustellung: a ed = 3 µm Abbildung 3: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe III Die Betrachtung der Normal- und Tangentialkraft, sowie auch der Oberflächenrauigkeit, zeigt ein Einbrechen der Schleifscheibentopografie bei der Verwendung der Emulsion und dem Seite 18 von 86

19 Polymer-basierten Kühlschmierstoff. Bei der Verwendung der Emulsion erfolgt ein Topografieeinbruch der Schleifscheibe vergleichsweise schnell bei einem bezogenen Zerspanungsvolumen von ca. 25 mm 3 mm -1. Beim Einsatz der Polymeren Lösung erfolgt der Topografieeinbruch bei einem bezogenen Zerspanungsvolumen von ca. 115 mm 3 mm -1. Die Verwendung des Mineralöls führt im Rahmen dieses Versuches zu keinen Einbruch der Topografie. Wie auch in der Versuchsreihe mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1, verfügt die Emulsion über das höchste Kraftverhältnis, jedoch sind die erreichten Werte aufgrund der Topografieeinbrüche nicht vergleichbar mit den beiden anderen getesteten Schmierstoffen. Die Polymere Lösung verfügt im zweiten Einstich über ein Kraftverhältnis von µ = 0,21, sowie das Mineralöl von µ = 0,26. Die Oberflächenrauhigkeit verändert sich beim Einsatz des Mineralöls nur minimal. Ähnliches gilt für die Verwendung der Polymeren Lösung bevor die Topografie einbricht. Die Versuche mit der Emulsion führen, aufgrund des frühen Topografieeinbruchs, zu einer hohen und gleichmäßig steigenden Oberflächenrauhigkeit. Wie schon zuvor angesprochen erfolgte, bedingt durch die vergleichsweisen anspruchsvollen Versuchsparameter, ein schneller Einbruch der Topografie bei der Verwendung der Emulsion und etwas später bei dem Polymer-basierten Schmierstoff. Dies zeigt sich beim radialen Schleifscheibenverschleiß durch die hohen Werte im Laufe des Versuchs. Insbesondere die Verwendung der Emulsion führt zu einem deutlichen Anstieg auf 9,82 µm beim letzten Einstich. Beim der Polymeren Lösung erfolgen zwar auch Einbrüche, diese aber im Vergleich zur Emulsion später. Somit kann eine bessere Leistungsfähigkeit der Polymeren Lösung angenommen werden Versuche cbn-schleifscheibe Ergebniszusammenfassung Versuche cbn-schleifscheibe Die Verwendung der Polymere Lösung zeigt ein vergleichbares und stellenweises besseres Leistungsverhalten als konventionelle Schmierstoffe auf Mineralölbasis. Insbesondere unter Anwendung anspruchsvolleren Prozessparametern zeigt die Polymere Lösung ein positives Leistungsverhalten, zum Beispiel hinsichtlich der hohen Schnittfähigkeit der Schleifscheibe und der erzielten Oberflächenrauhigkeit. Jedoch wurde gleichzeitig ein vergleichsweise höherer Verschleiß an der Schleifscheibe gemessen. Seite 19 von 86

20 Innenrundschleifen cbn-schleifscheibe Versuchsreihe I Beim Innenrundschleifen von 100Cr6 mit einer cbn-schleifscheibe dargestellt. Im Rahmen des Versuches wurden die drei Schmierstoffe: Schneidöl, Emulsion und Polymere Lösung beim Schleifen mit unterschiedlichen bez. Zeitspanungsvolumen, einer Schnittgeschwindigkeit von v c = 60 m s -1 und einen bez. Zerspanungsvolumen bis V w = 500 mm 3 mm -1 miteinander verglichen. In der nachfolgenden Abbildung 4 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1. Normalkraft Oberflächenrauheit R z 8 4,00 Normalkraft Fn [N] Rauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Tangentialkraft Schleifscheibenradialverschleiß 2 6,00 Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5,00 Verschleiß Δrs [µm] 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Kraftverhältnis Ft / Fn [N] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Kraftverhältnis Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeug: cbn, keram. gebunden Werkzeugspezifikation: B 126 M 8 VD 49 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 20 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 60 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 1 µm Abbildung 4: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe I Im Rahmen der Versuche verändert sich die gemessene Oberflächenrauheit des Werkstücks vergleichsweise bei der Polymeren Lösung und der Emulsion am stärksten. Die Oberflächenrauheit des Schneidöls steigt vergleichsweise gering an. Seite 20 von 86

21 Diese bei der Oberflächenrauheit festgestellt gleichmäßige und geringe Veränderung spiegelt sich bei der Normal- und Tangentialkraft wieder. Bei den drei betrachteten Schmierstoffen wurde ein Absinken der Kräfte mit zunehmenden bez. Zerspanungsvolumen festgestellt, aufgrund des zunehmenden Verschleißes und dem Zusetzten der Schleifscheibe. Die Veränderung der Kräfte beim Schneidöl fällt über den Versuchsverlauf minimal aus. Die Kräfte bei der Polymeren Lösung sind Anfangs doppelt so hoch wie am Versuchsende. Dieses ist durch die gute Schmierwirkung des Schneidöls zu erklären, die in diesem Umfang bei den beiden wasserbasierten Schmierstoffen nicht vorhanden ist. Das durchschnittliche Kraftverhältnis beträgt beim Schneidöl µ = 0,13, bei der Emulsion µ = 0,25 und bei der Polymeren Lösung µ = 0,32. Ein hohes Kraftverhältnis deutet auf eine gute Schnittfähigkeit der Schleifscheibe im Verbund mit dem Kühlschmierstoff hin. Der radiale Schleifscheibenverschleiß erhöht sich mit zunehmenden bez. Zerspanungsvolumen gleichmäßig. Es wurden keine Topografieeinbrüche festgestellt Innenrundschleifen cbn-schleifscheibe Versuchsreihe II In der nachstehenden Abbildung 5 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1. Die Veränderung der Oberflächenrauhigkeit erfolgt bei allen Schmierstoffen recht gleichmäßig. Beim Schneidöl ist die Veränderung der Oberflächenrauhigkeit nur marginal. Bei der Emulsion und der Polymeren Lösung wurde hingegen ein gleichmäßiger Anstieg festgestellt. Der Vergleich der Normal- und Tangentialkraft der drei Schmierstoffe zeigt, dass die Polymere Lösung zu den konventionellen Schmierstoffen ein vergleichbares Verhalten bei der Zerspanung aufweist. Die gemessen Tangentialkräfte des Schneidöls fallen deutlich geringer aus als bei den beiden wasserbasierten Schmierstoffen, dies liegt an der guten Schmierwirkung des Kühlschmierstoffs. Das durchschnittliche Kraftverhältnis ist beim Schneidöl mit μ = 0,15 am geringsten, die Emulsion hat den nächst höheren durchschnittlicheren Wert mit μ = 0,28, den höchsten Wert weist die Polymere Lösung mit durchschnittlich μ = 0,33 auf. Seite 21 von 86

22 Normalkraft Oberflächenrauheit R z 8 4,00 Normalkraft Fn [N] Rauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Tangentialkraft Schleifscheibenradialverschleiß 2 6,00 Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5,00 Verschleiß Δrs [µm] 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Kraftverhältnis Ft / Fn [N] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Kraftverhältnis Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeug: cbn, keram. gebunden Werkzeugspezifikation: B 126 M 8 VD 49 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 20 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 60 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 1 µm Abbildung 5: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe II Beim radialen Schleifscheibenverschleiß zeigt sich ein anderer Einfluss des Kühlschmierstoffs auf das Standzeitverhalten der Schleifscheibe. So ist der Verschleiß beim Schneidöl über den Versuchsverlauf geringer als bei der Emulsion und der Polymeren Lösung. Insgesamt steigt der Schleifscheibenverschleiß beim Schneidöl und der Emulsion gleichmäßig an, bei der Polymeren Lösung ist beim letzten Einstich ein vergleichsweiser hoher Wert feststellbar, was auf eine Beeinträchtigung der Schleifscheiben-topografie durch den Schleifprozess hinweisen könnte Innenrundschleifen cbn-schleifscheibe Versuchsreihe III In der nachfolgenden Abbildung 6 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s -1. Seite 22 von 86

23 Normalkraft Oberflächenrauheit R z 8 4,00 Normalkraft Fn [N] Rauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Tangentialkraft Schleifscheibenradialverschleiß 2 6,00 Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5,00 Verschleiß Δrs [µm] 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Kraftverhältnis Ft / Fn [N] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Kraftverhältnis Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeug: cbn, keram. gebunden Werkzeugspezifikation: B 126 M 8 VD 49 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 20 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 60 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 1 µm Abbildung 6: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe III Im Rahmen des Versuches kommt es zu einer deutlichen Veränderung der Normal- und Tangentialkraft bei der Verwendung der Polymeren Lösung. Die Anfangs gemessenen Kräfte halbieren sich im Vergleich zu der Messung beim letzten Einstich. Gleichzeitig erhöht sich das Kraftverhältnis der Polymeren Lösung. Das durchschnittliche Kraftverhältnis betrug µ = 0,34. Die Betrachtung des gemessenen Wertes der Oberflächenrauheit und des radialen Schleifscheibenverschleißes beim letzten Einstich könnten auf einen Topografieeinbruch der Schleifscheibe hinweisen, was sich bei der Auswertung der erfassten Kraftkurven beim letzten Einstich nicht bestätigte. Somit kann eine gleichmäßiger Verschleiß angenommen werden. Die Kräfte beim Schneidöl und der Emulsion verringern sich mit zunehmendem bez. Zerspanungsvolumen gleichmäßig. Wie auch bei der Versuchsreihe zuvor, bei der mit einem bez. Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,0 mm 3 /mm s eingestochen wurde, konnte eine Seite 23 von 86

24 Vergleichsweise niedrige Tangentialkraft beim Schneidöl ermittelt werden. Gleichzeitig ist die Normalkraft in ihrem Wert ähnlich zur Emulsion, somit ergibt sich ein durchschnittliches Kraftverhältnis von µ = 0,18 beim Schneidöl und µ = 0,29 bei der Emulsion. Die Oberflächenrauheit zeigt auch eine gleichmäßige und ansteigende Entwicklung. Auch der radiale Schleifscheibenverschleiß steigt mit zunehmendem bez. Zerspanungsvolumen gleichmäßig an Innenrundschleifen cbn-schleifscheibe Versuchsreihe IV In der nachstehenden Abbildung 7 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 2,0 mm 3 mm -1 s -1. Bei der Zerspanung mit Schneidöl wurde bereits nach dem dritten Einstich eine übermäßig hohe Oberflächenrauheit und hoher radialer Schleifscheibenverschleiß festgestellt, so dass diese Versuchsreihe hier abgebrochen wurde, bevor eine vollständige Zerstörung der Schleifscheibe eintrat. Ursache der hohen Rauheit und des Verschleißes war ein Einbruch der Schleifscheibentopografie. Dieses zeigte sich am gemessenen Kraftverlauf und an den angegebenen Werten für Tangential- und Normalkraft. Diese beiden Werte halbieren sich beim dritten Einstich im Vergleich zum zweiten Einstich. Das durchschnittliche Kraftverhältnis beträgt µ = 0,26 beim Schneidöl. Die Versuchsreihen mit der Polymeren Lösung und der Emulsion verliefen ohne feststellbare Topografieeinbrüche der Schleifscheibenoberfläche. Die Kräfte sinken gleichmäßig bei beiden Schmierstoffen ab. Das durchschnittliche Kraftverhältnis der Polymeren Lösung und der Emulsion beträgt µ = 0,30. Die resultierende Oberflächenrauheit bei der Verwendung beider Schmierstoffe steigt gleichmäßig an, wobei der gemessene Wert der Emulsion beim letzten Einstich über dem der Polymeren Lösung liegt. Der radiale Schleifscheibenverschleiß von Polymerer Lösung und Emulsion steigt mit zunehmenden bez. Zerspanungsvolumen gleichmäßig an, wobei der Anstieg bei der Polymeren Lösung im Vergleich zur Emulsion ausgeprägter war. Seite 24 von 86

25 Normalkraft Oberflächenrauheit R z 8 4,00 Normalkraft Fn [N] Rauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Tangentialkraft Schleifscheibenradialverschleiß 2 6,00 Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5,00 Verschleiß Δrs [µm] 4,00 2, Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Kraftverhältnis Ft / Fn [N] 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Kraftverhältnis Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeug: cbn, keram. gebunden Werkzeugspezifikation: B 126 M 8 VD 49 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 20 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 60 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 2,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen V`w [mm 3 /mm] Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Schneidöl Emulsion Polymere Lösung Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 1 µm Abbildung 7: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe IV Innenrundschleifen cbn-schleifscheibe Versuchsreihe V In der in Abbildung 8 dargestellten Versuchsreihe wird die Schleifscheibe mit bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1 und einer Schnittgeschwindigkeit von v c = 60 m s -1 bis zu einen bezogenen Zerspanungsvolumen von V w = 150 mm 3 mm -1 in den quasistationären Zustand eingeschliffen. Nach dieser Präparation wird unter Einsatz des Schleiföls in vier Einstichen jeweils ein bezogenes Zerspanungsvolumen von V w = 50 mm 3 mm -1 vom Werkstück abgenommen. Ohne erneut abzurichten und einzuschleifen wird anschließend auf die Emulsion gewechselt und wieder mit V w = 4 x 50 mm 3 mm- 1 zerspant. Anschließend wird dieses mit der Polymeren Lösung wiederholt. Durch diese Versuchsführung können die Randbedingungen konstant gehalten werden und als Folge Seite 25 von 86

26 Veränderungen des Schleifprozesses weitestgehend auf den KSS zurückgeführt werden. Ein direkter Vergleich der verschiedenen Schmierstoffe ist möglich. Die Versuchsergebnisse zeigen einen kühlschmierstoffbedingten Einfluss auf die Normal- und Tangentialkraft sowie auf die Oberflächenrauhigkeit. Schleifprozess: Innenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 126 M 8 VD 49 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 20 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse 30 Schnittgeschwindigkeit: v c = 60 m s -1 Schleifbreite: a p = 10 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 50 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 1 µm 2,00 Normalkraft Fn [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 1,50 1,00 0, bez. Zerspanungsvolumen V'w [mm³/mm] Polymer Emulsion Schneidöl Polymer Emulsion Schneidöl 7,50 0,50 Tangentialkraft Ft [N] 5,00 2,50 Kraftverhältnis (Ft/Fn) [ ] 0, Polymer Emulsion Schneidöl Polymer Emulsion Schneidöl Abbildung 8: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe VI Die Gegenüberstellung der Normal- und Tangentialkraft sowie das daraus resultierende Kraftverhältnis, wie es in Abbildung 8 dargestellt ist, zeigt einen deutlichen Einfluss des Kühlschmierstoffs. Wie in den vorherigen Versuchen führt die Verwendung des Schleiföls zu einer vergleichsweisen hohen Normalkraft, was auf ein Drücken der Schleifscheibe hinweist. Ein ähnliches Verhalten zeigt die fünf-prozentige Emulsion. Die niedrigste Normalkraft weist die Polymere Lösung auf. Eine ähnliche Aufteilung, wie bei der Normalkraft, zeigt sich bei der Tangentialkraft. Jedoch sind die Unterschiede zwischen den einzelnen Tangentialkraftverläufen nicht so stark ausgeprägt wie bei der Normalkraft. Das somit resultierende Kraftverhältnis zeigt eine hohe Schnittfreudigkeit der Schleifscheibe bei der Verwendung der Polymere Lösung, so liegt diese bei durchschnittlich μ = 0,30. Das Schleiföl verfügt in diesen Zusammenhang nur über ein vergleichsweises geringes Kraftverhältnis von μ = 0,19. Das Kraftverhältnis der Emulsion liegt bei μ = 0,25. Seite 26 von 86

27 Die Oberflächenrauhigkeit steigt mit zunehmenden zerspanten Materialvolumen kontinuierlich an. Jedoch ist nach jedem Wechsel auf einen neuen Kühlschmierstoff ein marginaler Abfall zwischen dem letzten Rauheitswert des vorherigen Schmierstoffs und den ersten Rauheitswert des neuen Schmierstoffs festzustellen. 2.3 Benchmarkversuche Außenrundschleifen Im Rahmen der Benchmarkversuche wird der Polymer-basierte Schmierstoff ebenfalls mit marktgängigen Schmierstoffen verglichen. Diese sind ein mineralölbasiertes Schneidöl und eine mineralölhaltige Emulsion. Der Versuchsaufbau ist so gestaltet, dass die Messgrößen des radialen Schleifscheibenverschleißes, die Werkstückoberflächenrauheit sowie die Tangential- und Normalkraft beim Schleifen von 100Cr6 erfasst werden. Die dynamische Viskosität der Schmierstoffe wurde durch kontinuierliche Messung erfasst und insbesondere bei den beiden wasserbasierten Kühlschmierstoffen durch die Zugabe von KSS oder Wasser konstant gehalten. Somit ergaben sich die folgenden Werte für die kinematische Viskosität: Schneidöl: 1 ν 40 C = 10,9 m 2 s Polymere Lösung: 1 ν 40 C = 4,6 m 2 s Polymere Lösung Hartmetall: 1 ν 40 C = 0,8 m 2 s Emulsion: 1 ν 40 C = 1,1 m 2 s Edelkorundschleifscheibe Ergebniszusammenfassung Versuche Edelkorundschleifscheibe Die Benchmarkversuche haben ergeben, dass die Polymere Lösung über vergleichbare technologische Eigenschaften verfügt wie marktgängige Kühlschmierstoffe auf Mineralölbasis. So hat die Polymere Lösung im Vergleich zur mineralölbasierten Emulsion bessere Resultate bei höheren bezogenen Zeitspanungsvolumina erzielt. Dies zeigt sich insbesondere an der höheren Schleifscheibenstandzeit und der resultierenden Werkstückoberfläche. Seite 27 von 86

28 Außenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe Versuchsreihe I In der Nachstehenden Abbildung 9 sind die Versuchsergebnisse beim Außenrundschleifen von 100Cr6 Wälzlagerstahl mit einen Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1, einer Schnittgeschwindigkeit von v c = 45 m/s und einen bez. Zerspanungsvolumen bis V w = 1 mm 3 /mm dargestellt. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: 454A 120 K10 V3 50 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 74 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 45 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 10 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] 2 15,00 1 5,00 1 Oberflächenrauheit Rz [µm] 15,00 1 5,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 1 Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 9: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1 Im Rahmen des Versuches erhöht sich der Verlauf Tangentialkraft bei jedem Schmierstoff nur marginal. Es ist anzunehmen, dass dies durch das vergleichsweise niedrige bez. Zerspanungsvolumen bedingt ist. Ähnliches zeigt sich auch bei der marginalen Zunahme der Oberflächenrauigkeit des Werkstücks mit zunehmenden bez. Zerspanungsvolumen. Bei den einzelnen Zerspanungsversuchen erfolgt ein vergleichsweise geringer radialer Schleifscheibenverschleiß, wobei der Verschleiß bei der polymeren Lösung im Laufe des Versuches im Vergleich zum Schneidöl und der Emulsion geringer ist. Dementsprechendes gilt für den Verlauf des Schleifverhältnisses, das sich für die Polymere Lösung vergleichsweise besser entwickelt. Seite 28 von 86

29 Außenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe Versuchsreihe II In der Nachstehenden Abbildung 10 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: 454A 120 K10 V3 50 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 74 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Tangentialkraft Tangentialkraft Ft [N] 2 15,00 1 5,00 1 Schnittgeschwindigkeit: v c = 45 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 10 µm Oberflächenrauheit Rz [µm] 15,00 1 5,00 Oberflächenrauheit R z 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 12,00 1 8,00 6,00 4,00 2, Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 10: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1 Der Verlauf der Tangentialkräfte ist bei den drei betrachteten Schmierstoffen vergleichsweise ähnlich, so ist noch kein Einbruch der Schleifscheibentopografie zu erkennen, der auch zu einer erhöhte Oberflächenrauigkeit des Werkstücks führen würde. Insgesamt steigt die Oberflächenrauigkeit mit zunehmenden bez. Zerspanungsvolumen nur marginal an. Ähnlich wie in der Versuchsreihe mit einen bez. Zeitspanungsvolumen von 2,5 mm 3 mm -1 s -1, erfolgt eine vergleichsweise geringe Erhöhung des radialen Schleifscheibenverschleiß. Wie auch zuvor zeichnet sich der Schleifprozess mit der Polymeren Lösung mit einen geringen Radialverschleiß und somit über den Versuchsverlauf hohen Schleifverhältnis aus. Seite 29 von 86

30 Außenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe Versuchsreihe III In der Nachstehenden Abbildung 11 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: 454A 120 K10 V3 50 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 74 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 45 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 10 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] 2 15,00 1 5,00 1 Oberflächenrauheit Rz [µm] 15,00 1 5,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 6 45, ,00 1 Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 11: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1 Der Tangentialkraftverlauf nimmt mit zunehmenden bezogen Zerspanungsvolumen bei allen drei betrachteten Schmierstoffen ab. Insbesondere die letzten drei Einstiche bei der Verwendung der Emulsion als Kühlschmierstoff zeigen einen deutlichen Abfall der Tangentialkraft. Dieser Abfall resultierte aus einen Topografieeinbruch der Schleifscheibe, was auch in der Entwicklung der Verläufe von Oberflächenrauigkeit, Radialverschleiß und Schleifverhältnis zeigt. Bei der Verwendung der Polymeren Lösung und des Schneidöls ist kein Topografieeinbruch ersichtlich, dementsprechend gleichmäßig erhöhen sich die Oberflächenrauigkeit, der Radialverschleiß und das Schleifverhältnis. Seite 30 von 86

31 Außenrundschleifen Edelkorundschleifscheibe Versuchsreihe IV In der Nachstehenden Abbildung 12 sind die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: 454A 120 K10 V3 50 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 74 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 45 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 10 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] 2 15,00 1 5,00 1 Oberflächenrauheit Rz [µm] 15,00 1 5,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] Schleifverhältnis G [ ] Abbruch Abbruch Abbruch Abbruch 1 Abbruch Abbildung 12: Vergleich KSS, Edelkorundschleifscheibe Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1 Im Rahmen dieses Versuchs erfolgt ein Einbruch der Schleifscheibentopografie sowohl bei der Verwendung der Emulsion als auch bei der Polymeren Lösung. Jedoch ist der Verschleiß bei der Verwendung der Emulsion so stark, dass der Versuch nach dem ersten Einstich abgebrochen wurde. Der Verlauf der Tangentialkraft zeigt bei der Verwendung des Schneidöls nur eine marginale Veränderung über den gesamten Versuch, gleiches gilt für die Oberflächenrauigkeit, dem Radialschleiß und dem Schleifverhältnis. Bei der Polymeren Lösung erfolgt der schon angesprochene Einbruch der Schleifscheibentopografie bei einem bez. Zerspanungsvolumen von ca. 700 mm 3 mm -1. Dieses zeigt sich, am deutlichen und starken Anstieg der Oberflächenrauigkeit, sowie des radialen Schleifscheibenverschleiß. Seite 31 von 86

32 2.3.2 cbn-schleifscheibe Normalgeschwindigkeitsschleifen (NSG) Ergebniszusammenfassung Versuche cbn-schleifscheibe (NSG) Bedingt durch die hohe Härte der cbn-schleifkörner verschleißt die Schleifscheibe, trotz steigenden bezogen Zeitspanungsvolumen nur marginal schneller. Insgesamt ist ein recht ähnliches Verhalten beim Einsatz der Kühlschmierstoffe im Rahmen des Versuches feststellbar. Insbesondere zeigt sich wieder das unterschiedliche Verhalten zwischen den beiden wasserbasierten Medien und dem Schneidöl Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (NSG) Versuchsreihe I Nachstehend sind in Abbildung 13 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1.. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 82 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 50 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2,00 1,50 1,00 0,50 1 Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 13: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1 Im Rahmen des Versuches erhöht sich die Tangentialkraft bei jedem verwendeten Schmierstoff nur marginal. Es ist anzunehmen, dass dies durch das vergleichsweise niedrige bez. Zerspanungsvolumen bedingt ist. Ähnliches zeigt sich auch bei der marginalen Seite 32 von 86

33 Zunahme der Oberflächenrauigkeit des Werkstücks mit zunehmenden bez. Zerspanungsvolumen. Bei den einzelnen Zerspanungsversuchen erfolgt ein vergleichsweise geringer radialer Schleifscheibenverschleiß, wobei der Verschleiß bei der polymeren Lösung im Laufe des Versuches im Vergleich zur Emulsion geringer ist, im Vergleich zum Schneidöl jedoch höher. Dementsprechendes gilt für den Verlauf des Schleifverhältnisses, hierbei weist das Schneidöl, bedingt durch den niedrigen Verschleiß, ein hohes Schleifverhältnis auf Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (NSG) Versuchsreihe II Nachstehend sind in Abbildung 14 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 82 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 50 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2,00 1,50 1,00 0,50 1 Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 14: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1 Im Rahmen des Zerspanungsversuchs wurde beim Einsatz der drei Kühlschmierstoffe ein vergleichbarer Verlauf der Tangentialkraft erreicht. Beim Verlauf der jeweilig erzielten Oberflächenrauigkeit bei der Verwendung der drei Kühlschmierstoffe erkennt man schon deutlichere Unterschiede als bei den Tangentialkräften. So führt die Verwendung des Schneidöls zu einer marginalen Erhöhung der Oberflächenrauigkeit des Versuchs- Seite 33 von 86

34 werkstücks bei jedem Einstich. Im Vergleich hierzu steigt die Oberflächenrauigkeit bei der Verwendung der Polymeren Lösung schon stärker über den Versuchsverlauf an. Den stärksten Anstieg über den Versuchsverlauf verzeichnet die Verwendung der Emulsion. Ein ähnliches Verhalten zeigt sich beim Schleifscheibenverschleiß, hierbei führt der Einsatz der Emulsion zum stärksten Verschleiß, gefolgt von der Polymeren Lösung und dem Schneidöl. Dieses Verhalten zeigt sich auch beim Schleifverhältnis Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (NSG) Versuchsreihe III Nachstehend sind in Abbildung 15 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 82 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 50 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2,00 1,50 1,00 0,50 1 Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 15: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1 Die Betrachtung der Tangentialkraftverläufe der drei Schmierstoffe zeigt, insbesondere bei der Polymeren Lösung, deutliche Unterschiede. In diesem Rahmen erzielt der Einsatz von Schneidöl und Emulsion vergleichbare Tangentialkräfte, die Verwendung der Polymeren Lösung führt zu niedrigeren Messwerten. Eine Erklärung hierzu kann durch die Betrachtung der Oberflächenrauheitsverläufe gegeben werden. So wird bei den Werkstücken, die mit der Seite 34 von 86

35 Polymeren Lösung bearbeitet wurden, eine höhere Oberflächenrauigkeit gemessen. Dies kann auf einen schnittfreudigeren Zustand der Schleifscheibenoberfläche zurückgeführt werden. Des Weiteren kann dieser Effekt auch mit der guten Schmierwirkung der Polymeren Lösung bei einen steigenden bez. Zeitspanungsvolumen erklärt werden. Der radiale Schleifscheibenverschleiß ist, wie auch schon zuvor, bei den wasserbasierten Kühlschmierstoffen höher als beim Schneidöl. Beim Vergleich der wasserbasierten Kühlschmierstoffe zeigt beide Schmierstoffe ein ähnliches Verschleißverhalten. Dies spiegelt sich beim Schleifverhältnis wieder Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (NSG) Versuchsreihe IV Nachstehend sind in Abbildung 16 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 82 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 50 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 3,00 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2,00 1,50 1,00 0,50 1 Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 16: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (NSG) Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1 Der Tangentialkraftverlauf bei der Verwendung der drei Kühlschmierstoffe ist prinzipiell ähnlich. Wie auch in der Versuchsreihe zuvor führt die Verwendung der Polymeren Lösung zu vergleichsweise niedrigen Tangentialkräften. Diesmal ist keine Beeinflussung über die Seite 35 von 86

36 Oberflächenrauhigkeit feststellbar, da die gemessenen Werte ähnlich sind und über den Versuchsverlauf nur marginal ansteigen. Ein gleichmäßiger Anstieg ist auch beim Schleifscheibenverschleiß feststellbar. Wobei die Verwendung der wasserbasierten Schmierstoffe wieder zu einem höheren Verschleiß führt. Gleiches zeigt sich beim Schleifverhältnis, wo ein gleichmäßiger Verlauf bei allen drei Schmierstoffen festgestellt werden kann cbn-schleifscheibe Hochgeschwindigkeitsschleifen (HSG) Ergebniszusammenfassung Versuche cbn-schleifscheibe (HSG) Die Zerspanungsversuche mit der keramisch gebundenen cbn-schleifscheibe haben gezeigt, dass der Kühlschmierstoff deutlichen Einfluss auf das Verschleißverhalten der Schleifscheibe hat. Wobei insbesondere die Verwendung wasserbasierten Kühlschmierstoffe zu einem höheren Verschleiß führen, bedingt durch die im Vergleich zum Schneidöl geringere Schmierwirkung. Der Vergleich zwischen Emulsion und Polymerer Lösung zeigt, dass die Polymere Lösung bei höheren bez. Zeitspanungsvolumen ein besseres Prozessverhalten aufweist als die Emulsion. Dies äußert sich durch einen geringeren Verschleiß und vergleichsweise bessere Oberflächenrauheiten, auch ist die Tangentialkraft bei der Verwendung der Polymeren Lösung niedriger Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (HSG) Versuchsreihe I Nachstehend sind in Abbildung 17 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung von 100Cr6 mit einer cbn-schleifscheibe. Es wurden in sechs Einstichen bis zu einen bez. Zerspanungsvolumen von 1 mm3 mm-1, mit einen bez. Zeitspanungsvolumen von 2,5 mm3 mm-1 s-1 und einer Schnittgeschwindigkeit 100 m s-1 geschliffen. Sowohl Tangentialkraft als auch Oberflächenrauheit zeigen marginale Unterschiede bei der Verwendung der drei unterschiedlichen Schmierstoffe. Ursache hierfür ist das vergleichsweise niedrige bez. Zeitspanungsvolumen, sowie die hohe Schnittgeschwindigkeit, wodurch die Schnitttiefe pro Umdrehung der Schleifscheibe niedriger ist und somit auch die Kräfte, die auf die Schleifkörner wirken. Über den Versuchsverlauf kommt es zu einem leichten Anstieg der ermittelten Oberflächenrauheit. Der radiale Schleifscheibenverschleiß zeigt bei der Verwendung der drei Schmierstoffe den erwarteten gleichmäßigen Anstieg. Die Verwendung des Schneidöls führt zu einem niedrigeren Anstieg, bedingt durch die bessere Schmierwirkung. Dieses zeigt sich auch in dem Verlauf des. Seite 36 von 86

37 Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 100 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 100 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2 15,00 1 5,00 1 Schleifverhältnis G [ ] , ,00 1 Abbildung 17: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (HSG) Versuchsreihe II Nachstehend sind in Abbildung 18 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1. Im Rahmen des Versuches erhöht sich die Tangentialkraft bei jedem Schmierstoff nur marginal. An dieser Stelle ist ein Vergleich mit den Versuchsergebnissen aus Abschnitt möglich, da die Höhe der Tangentialkräfte den Werten beim Schleifen mit einen bez. Zeitspanungsvolumen von Q w = 2,5 mm 3 mm -1 s -1 und einer Schnittgeschwindigkeit von v c = 50 m s -1 entspricht. Bei der Oberflächenrauigkeit zeigt sich ein ähnliches Verhalten aufgrund einer leichten Zunahme der Oberflächenrauigkeit. Bei den einzelnen Zerspanungsversuchen erfolgte ein vergleichsweise geringer radialer Schleifscheibenverschleiß, wobei der Verschleiß bei der polymeren Lösung im Laufe des Versuches im Vergleich zur Emulsion nur unwesentlich niedriger ist. Den niedrigsten Verschleiß weist die Verwendung des Schneidöl auf, bedingt durch die gute Schmierwirkung. Dementsprechendes gilt das Seite 37 von 86

38 Schleifverhältnisses, hierbei weist das Schneidöl, bedingt durch den niedrigen Verschleiß, die besseren Werte auf. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 100 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 100 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2 15,00 1 5,00 1 Schleifverhältnis G [ ] , ,00 1 Abbildung 18: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 5,0 mm 3 mm -1 s Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (HSG) Versuchsreihe III Nachstehend sind in Abbildung 19 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1. Bei der Versuchsreihe zeigen sich bezüglich der Tangentialkräfte beim Schleiföl deutliche Unterschiede im Vergleich zum besten wasserbasierten Kühlschmierstoff. Bedingt durch die bessere Schmierwirkung sind beim Schleiföl die Oberflächenrauheiten deutlich geringer. Auch ist der Anstieg über den bez. Zerspanungsvolumen ausgeprägter. Der radiale Schleifscheibenverschleiß ist, wie auch schon zuvor, bei den wasserbasierten Kühlschmierstoffen höher als beim Schneidöl. Beim Vergleich der wasserbasierten Kühlschmierstoffe zeigt jedoch einen deutlicher Unterschied zwischen der Emulsion und der Polymeren Lösung. Die Verwendung der Polymeren Lösung führt zu einem deutlich niedrigeren Verschleiß als die Verwendung der Emulsion. Dies spiegelt sich beim Seite 38 von 86

39 Schleifverhältnis wieder, wobei bei Verwendung von Schneidöl die besten Ergebnisse erzielt wurden. Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 100 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 100 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2 15,00 1 5,00 1 Schleifverhältnis G [ ] , ,00 1 Abbildung 19: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 7,5 mm 3 mm -1 s Außenrundschleifen cbn-schleifscheibe (HSG) Versuchsreihe IV Nachstehend sind in Abbildung 20 die Versuchsergebnisse dargestellt für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1. Durch die bessere Schmierung verschleißbedingte bessere Topografie der Schleifscheibe führt bei Schleiföl sowohl zu geringeren Werkstückrauheiten und zu höheren Tangentialkräften. Über den gesamten Versuchslauf ist zudem eine Verringerung der Tangentialkräfte feststellbar. Dies stimmt überein mit dem Ansteigenden der Oberflächenrauigkeit. Insbesondere Verwendung der beiden wasserbasierten Kühlschmierstoffe führt zu einem deutlicheren Anstieg der Oberflächenrauigkeit. Ein gleichmäßiger Anstieg ist auch beim Schleifscheibenverschleiß feststellbar. Wobei die wasserbasierten Schmierstoffe wieder einen höheren Verschleiß bzw. ein geringen Schleifverhältnis aufweisen. Seite 39 von 86

40 Schleifprozess: Außenrundschleifen Werkzeugbindung: keramisch gebunden Spezifikation: B 107 V ST 140 Werkstück: 100Cr6-62 HRC KSS-Menge: 100 l/min Art KSS-Düsen: Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 100 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,4 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] Oberflächenrauheit Rz [µm] 2,00 1,00 1 Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 2 15,00 1 5,00 1 Schleifverhältnis G [ ] , ,00 1 Abbildung 20: Vergleich KSS, cbn-schleifscheibe (HSG) Q w = 10,0 mm 3 mm -1 s Diamantschleifscheibe Ergebniszusammenfassung Versuche Diamantschleifscheibe Die Außenrundschleifversuche mit einer keramisch gebundenen Diamantschleifscheibe zeigten einen deutlichen Einfluss des verwendeten Kühlschmierstoffs auf das Prozessergebnis. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass wasserbasierte Kühlschmierstoffe, wie die Polymere Lösung oder die mineralölbasierte Emulsion, nicht für die Zerspanung von Hartmetall mit keramisch gebundenen Schleifscheiben eingesetzt werden sollten, aufgrund eines hohen Verschleißes der Schleifscheibe Außenrundschleifen Diamantschleifscheibe Versuchsreihe I Nachfolgend sind die Versuchsergebnisse beim Schleifen mit Diamant unter der Verwendung unterschiedlicher Kühlschmierstoffe in der Abbildung 21 dargestellt. Es wird mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1 geschliffen und eine Seite 40 von 86

41 Schnittgeschwindigkeit von v c = 25 m s -1 eingestellt. Insgesamt wird zwölfmal mit einem bezogenen Zerspanungsvolumen von V w = 100 mm 3 mm -1 eingestochen. Schleifprozess: Werkzeugbindung: Spezifikation: Werkstück: KSS-Menge: Art KSS-Düsen: Außenrundschleifen keramisch gebunden D91 C125 M6 VD46 K 40 UF HV30 41 l/min Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 25 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5, Oberflächenrauheit Rz [µm] 8,00 6,00 4,00 2, Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] 10 75, , Schleifverhältnis G [ ] , , , Abbildung 21: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 0,5 mm 3 mm -1 s -1 Die Tangentialkräfte bei den drei verwendeten Kühlschmierstoffen zeigen keine ausgeprägten Unterschiede. Bei der Tangentialkraft ist quasi ein Sägezahnverlauf zu erkennen. So ist die Tangentialkraft bei V w = 300 mm 3 mm -1 höher als bei V w = 300 mm 3 mm -1. Der Einstich bei V w = 300 mm 3 mm -1 ist wiederum auf dem Niveau vom ersten Einstich bei 300 mm 3 mm -1. Hintergrund hierfür ist, dass jeweils dreimal hintereinander an einer Stelle eingestochen wurde bis der Enddurchmesser von 9 mm erreicht wurde, beim vierten Einstich wurde wieder beim Ausgangsdurchmesser von 20,6 mm angefangen und wieder dreimal eingestochen. Hierdurch ergeben sich Änderungen in der Leistungsaufnahme bedingt durch Veränderungen der Drehzahl von Werkzeug und Werkstück.Der Verlauf der Oberflächenrauhigkeit des Werkstücks zeigt ein bei allen Schmierstoffen ein gleichmäßigen und nur geringfügigen Anstieg. Deutliche Unterschiede wurden jedoch beim Radialverschleiß festgestellt. Insbesondere die wasserbasierten Produkte führten zu einen ausgeprägten Verschleiß im Vergleich zum Schleiföl, wobei die Ergebnisse bei der Verwendung der Seite 41 von 86

42 Emulsion am ungünstigsten zu bewerten sind. Gleiches gilt für das Schleifverhältnis, wo die wasserbasierten Stoffe ebenfalls schlechter abschnitten Außenrundschleifen Diamantschleifscheibe Versuchsreihe II Nachfolgend sind die Versuchsergebnisse beim Schleifen mit Diamant unter der Verwendung unterschiedlicher Kühlschmierstoffe in der Abbildung 22 für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Werkzeugbindung: Spezifikation: Werkstück: KSS-Menge: Art KSS-Düsen: Außenrundschleifen keramisch gebunden D91 C125 M6 VD46 K 40 UF HV30 41 l/min Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 25 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5, Oberflächenrauheit Rz [µm] 8,00 6,00 4,00 2, Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] Schleifverhältnis G [ ] 25, ,00 1 5, Abbildung 22: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 1,0 mm 3 mm -1 s -1 Im Rahmen der Versuchsdurchführung erfolgte ein Abbruch der Zerspanungsversuche beim Einsatz der beiden wasserbasierten Kühlschmierstoffe nach jeweils dem dritten Einstich, aufgrund eines zu hohen Schleifscheibenverschleißes. Der Schleifscheibenverschleiß beim -1 Schneidöl wird erst ab einen bezogenen Zerspanungsvolumen von V w = 900 mm 3 mm kritisch. Ab diesen Punkt überschreitet der Verschleiß den Vorgegebenen Grenzwert von 100 µm. Eine eindeutige Bewertung der Versuchsergebnisse kann Aufgrund des frühen Versuchsabbruchs bei den wasserbasierten Medien nicht durchgeführt werden. Seite 42 von 86

43 Außenrundschleifen Diamantschleifscheibe Versuchsreihe III Nachfolgend sind die Versuchsergebnisse beim Schleifen mit Diamant unter der Verwendung unterschiedlicher Kühlschmierstoffe in der Abbildung 23 für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s -1. Schleifprozess: Werkzeugbindung: Spezifikation: Werkstück: KSS-Menge: Art KSS-Düsen: Außenrundschleifen keramisch gebunden D91 C125 M6 VD46 K 40 UF HV30 41 l/min Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 25 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5, Oberflächenrauheit Rz [µm] 8,00 6,00 4,00 2, Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 23: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 1,5 mm 3 mm -1 s -1 Eine eindeutige Bewertung der Versuchsergebnisse kann nicht durchgeführt werden. Aufgrund des frühen Versuchsabbruchs beim Schneidöl und der nicht Durchführung der Versuche mit den wasserbasierten Kühlschmierstoffen Außenrundschleifen Diamantschleifscheibe Versuchsreihe IV Nachfolgend sind die Versuchsergebnisse beim Schleifen mit Diamant unter der Verwendung unterschiedlicher Kühlschmierstoffe in der Abbildung 24 für die Zerspanung mit einem bezogenen Zeitspanungsvolumen von Q w = 2,0 mm 3 mm -1 s -1. Seite 43 von 86

44 Eine eindeutige Bewertung der Versuchsergebnisse kann nicht durchgeführt werden. Aufgrund des frühen Versuchsabbruchs beim Schneidöl und der nicht Durchführung der Versuche mit den wasserbasierten Kühlschmierstoffen. Schleifprozess: Werkzeugbindung: Spezifikation: Werkstück: KSS-Menge: Art KSS-Düsen: Außenrundschleifen keramisch gebunden D91 C125 M6 VD46 K 40 UF HV30 41 l/min Freistrahldüse Schnittgeschwindigkeit: v c = 25 m s -1 Schleifbreite: a p = 5 mm Bez. Zeitspanungsvolumen: Q w = 2,0 mm 3 mm -1 s -1 Bez. Zerspanungsvolumen: V w = 100 mm 3 mm -1 Abrichtquotient: q d = +0,8 Abrichtzustellung: a ed = 2 µm Tangentialkraft Oberflächenrauheit R z Tangentialkraft Ft [N] 15,00 1 5, Oberflächenrauheit Rz [µm] 8,00 6,00 4,00 2, Radialverschleiß Δr s Schleifverhältnis G Radialverschleiß Δrs [µm] Schleifverhältnis G [ ] Abbildung 24: Vergleich KSS, Diamantschleifscheibe Q w = 2,0 mm 3 mm -1 s Einsatz eines Polymer-basierten Hydraulikmediums in einer Werkzeugmaschine Neben der entwickelten Polymeren Lösung wurde auch ein Polymer-basiertes Hydraulikmedium entwickelt. Durch den Einsatz der beiden Medien in einer Werkzeugmaschine wird die Möglichkeit gegeben eine quasi mineralölfreie Werkzeugmaschine zu betreiben. Im Folgenden werden die Umsetzung und Erprobung des Polymer-basierten Hydraulikmediums in einer Werkzeugmaschine vorgestellt, gemäß Arbeitspaket 1.3 des Antrags. Seite 44 von 86

45 2.4.1 Vorbereitung der Umstellung Im Vorfeld der Umstellung wurde das Polymer-basierte Hydraulikfluid bei der Firma Günther Till GmbH & Co. KG im Rahmen von Langzeituntersuchungen hinsichtlich der technischen Leistungsfähig evaluiert. Hierbei zeigte das polymere Hydraulikfluid vergleichbare technische Eigenschaften wie marktgängige Hydraulikmedien. Auf dieser Basis wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik eine Werkzeugmaschine ausgewählt die mit dem Polymer-basierten Fluid befüllt und betrieben wurde. A B C Abbildung 25: Werkzeugmaschine (A) und Hydraulikaggregate (B, C) Als Werkzeugmaschine wurde eine Overbeck Außenrundschleifmaschine mit Produktbezeichnung RU, Baujahr 1989, ausgewählt. Die Werkzeugmaschine und die beiden Hydraulikaggregate sind in der Abbildung 25 dargestellt. Die Werkzeugmaschine (A) wird über zwei Hydraulikaggregate versorgt. Die Hydraulikaggregate (B, C) werden separat von einander betrieben. Das Hydraulikaggregat (B) versorgt die hydrodynamische Gleitlagerung des Schleifspindelstocks mit Hydraulikfluid aus einen 40 l Reservoir, sodass eine Verfahrbewegung in X-Richtung ermöglicht wird. Das Hydraulikaggregat (C) dient zur Versorgung bzw. zur Ansteuerung des Maschinentischs und ermöglicht Verfahrbewegung in Z-Richtung. Hierbei wird das Hydraulikfluid aus einen 110 l Reservoir versorgt. Das Öl-basierte Hydraulikfluid hatte eine Viskosität von ν 40 C = 10 m 2 s 1. Diese Viskosität wurde auch für das Polymer-basierte Fluid gewählt. Seite 45 von 86

46 2.4.2 Durchführung der Umstellung und Erprobung des polymeren Hydraulikmediums Vor dem eigentlichen Einsatz des Hydraulikmediums in der Werkzeugmaschine, wurden die beiden Hydraulikaggregate sowie Rohr- und Schlauchleitungen in der Werkzeugmaschine mit einer Spülflüssigkeit durchgespült. In diesem Rahmen wurden die folgenden Verfahrensschritte zur Umstellung durchgeführt: Warmfahren der Hydraulik, Ablassen des bisherigen Hydraulikfluids, mehrmaliges Einfüllen, Durchspülen und Ablassen eines Lösungsesters zur Reinigung, sowie anschließendes Befüllen der Anlage mit dem Polymer-basiertem Hydraulikfluid. Zur Beurteilung des Reaktions- und Durchmischungsverhalten der drei Medien (Öl-basiertes Hydraulikfluid, Lösungsester und Polymer-basiertes Hydraulikfluid) wurden im Vorfeld Mischungsversuche durchgeführt. Die Versuchsergebnisse sind Abbildung 26 dargestellt. Die Abbildung zeigt die Durchmischung von fünf Proben, des Weiteren wird das Verhalten der Proben nach 0 h, 3 h und 17 h Wartezeit ohne Bewegung der Proben dargestellt. Die inhaltliche Zusammensetzung der fünf Proben setzte sich wie folgt zusammen: Bei der Untersuchung wurde keine Ausfällung in den Proben festgestellt, es stellte sich mit zunehmender Wartezeit eine deutlich sichtbare Phasentrennung zwischen den Medien ein. Seite 46 von 86

47 Bild 1: 0 h (nach dem Schütteln) Bild 2: 3 h (nach dem Schütteln) Bild 3: 17 h (nach dem Schütteln) Kennzeichnung der Proben: 1 75 % VPN % H % VPN % H % VPN % C % VPN % H % C % VPN % H % C7 Legende: VPN 45: Lösungsester H1: Aggregat für Hydrodynamische Gleitlagerung (Schleifspindelblock) H2: Aggregat für Maschinenhydraulik (Maschinentisch) C7: Polymer basiertes Hydraulikfluid Abbildung 26: Schüttel- und Durchmischungsversuch Hydraulik- und Spülmedien Seite 47 von 86

48 Betriebsverhalten des Polymer-basierten Hydraulikfluids Zum Vergleich des Betriebsverhaltens des konventionellen Öl-basierten Hydraulikfluid mit dem Polymer-basierten Hydraulikfluid erfolgt die Messung der elektrischen Leistungsaufnahme der beiden Hydraulikaggregate (B) und (C). Die elektrische Leistungsaufnahme dient somit zur Verifizierung des Einflusses des Hydraulikmediums auf die Pumpen bzw. die Leistungsaufnahme der Pumpen im Leerlauf. Hierzu wurde die Leistungsaufnahme der beiden Hydraulikaggregat im warmgelaufenen Zustand gemessen, die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3: Elektrische Leistungsaufnahme der beiden Hydraulikaggregate Durchschnittliche Leistungsaufnahme [W] Öl-basiertes Fluid Durchschnittliche Leistungsaufnahme [W] Polymer-basiertes Fluid Aggregat für die hydrodynamische Gleitlagerung (Schleifspindelblock) Maschinenhydraulik (Maschinentisch) 107 W 150 W 491 W 486 W Durch die eingestellte Viskosität von ν 40 C = 10 m 2 s 1 beim Polymer-basierten Hydraulikfluid ist eine gute Vergleichbarkeit der elektrischen Leistungsaufnahme der beiden Hydraulikaggregate gegeben. Es konnte bei der Nutzung der Schleifmaschine zur Bearbeitung von Wellen aus S235 Baustahl keine nennenswerte Veränderung hinsichtlich des Bedienverhaltens, Arbeitsverhaltens oder des Arbeitsergebnis (Nichteinhalten von Genauigkeit, Rauheit, Rundlauf, etc.) festgestellt werden. Die Werkzeugmaschinen Hydraulik ist auch Monate nach der Umstellung Betriebsbereit. Hinsichtlich der eingefüllten Menge konnte noch kein nennenswerter Verlust bedingt durch Leckage oder Evaporation des Wasseranteils festgestellt werden. Seite 48 von 86

49 3 Wirtschaftliche Bewertung 3.1 Ergebniszusammenfassung der ökonomischen Betrachtung Im Rahmen der wirtschaftlichen Betrachtung wurde die Substitution von Emulsion durch eine Polymere Lösung untersucht. Die Betrachtung ergab, dass im zugrundeliegenden Anwendungsfall die Polymere Lösung sowohl in den primären Nutzungsaufwendungen (Befüllung, Nachfüllung und Entsorgung) als auch bei den sekundären Nutzungsaufwendungen (Werkzeugstandzeit, Maschinentechnik, etc.) über wirtschaftliche Vorteile verfügt. Bei den primären Nutzungsaufwendungen konnten durch die Substitution einer Emulsion durch eine die Polymeren Lösung 9,4 % eingespart werden, bei den Sekundärenaufwendungen sogar 25,3 % allein bei den Werkzeugen durch die Erhöhung der Werkzeugstandzeit. 3.2 Stoffstrombasiertes Life-Cycle-Costing Das klassische Life Cycle Costing (LCC) bzw. die klassische Lebenszykluskostenrechnung gemäß der VDI-Richtline 2884 dient dazu, die Summe der möglich anfallenden Kosten über den Lebenszyklus zu erfassen. 2 Sie stellt somit eine Erweiterung der statischen oder dynamischen Investitionsrechnung dar, da eine LCC-Analyse sämtliche Phasen eines Produktes beim Nutzer abbildet, vom Kauf bis zur Entsorgung des Produktes. Es stellt somit eine ein umfassendes, periodenübergreifendes Planungs- und Überwachungsinstrumentarium dar, das die mit einem strategischen Projekt über dessen gesamte Laufzeit verbundenen wirtschaftlichen Wirkungen zu berechnen versucht. 3 Eine Variation des klassischen Life-Cycle-Costing stellt die Kostenberechnung unter stoffstrombasierten Gesichtspunkten dar. 4 Das weitere Vorgehen orientiert sich am stoffstromorientierten Ansatz der Kostenrechnung, nicht an der klassischen Lebenszykluskostenrechnung. 2 Vgl. VDI-Norm 2884 (5) 3 Vgl. Lay (5) 4 Vgl. Möller (0) Seite 49 von 86

50 3.3 Aufbau des Szenarios Während des Einsatzes von Kühlschmierstoff in der Metall bearbeitenden Produktion entstehen Wechselwirkungen mit dem Produktionsumfeld. Diese Wechselwirkungen sind aus der schmierstoffseitigen Perspektive davon gekennzeichnet, dass Kühlschmierstoff aus dem Kreislauf zwischen Werkzeugmaschine und Kühlschmierstofffilter in die Umgebung ausgeschleppt wird und Fremdstoffe in den Schmierstoff eingeschleppt werden. Damit diese Wechselwirkung abbildbar gemacht werden können, muss eine Abgrenzung des Systems durch eine entsprechende Systemgrenze vorgenommen werden, dieses wird in der Abbildung 27 dargestellt. Abbildung 27: Systemgrenze Die Systemgrenze umschließt die drei Komponenten Werkzeugmaschine, Kühlschmierstofftank und Kühlschmierstoffherstellung bzw. Anmischung im Unternehmen, diese Komponenten werden mit Inputflüssen außerhalb der Systemgrenze versorgt und geben Outputflüsse über die Systemgrenzen an die Umwelt ab. Die Inputflüsse sind der frische und unbenutzte Kühlschmierstoff sowie die unbearbeiteten Werkstücke. Die Outputflüsse sind die bearbeiteten Werkstücke sowie Kühlschmierstoffausschleppungen. Diese Input- und Outputflüsse werden als Grundlage zur ökonomischen Betrachtung eines Szenarios verwendet. Das Szenario basiert auf einen reellen Anwendungsfall, zur Vereinfachung wurde der Umfang des Szenarios auf die wesentlichen Faktoren reduziert. Im Szenario wird ein Achsbolzen für einen PKW als Beispiel angeführt. Der Achsbolzen besteht aus unlegiertem Stahl und wird als vorgepresster Rohling durch einen Bohr- und Gewindeformprozess bearbeitet. Die Bearbeitungsmaschine ist mit einem extern stehenden Seite 50 von 86

51 Kühlschmierstofftank ausgerüstet, dessen Fassungsvolumen l beträgt. Im Rahmen des Drehprozesses können pro Stunde durchschnittlich 225 Achsbolzen hergestellt werden, bei jedem Achsbolzen entsteht eine Spanmenge von durchschnittlich 0,112 kg. Die Randbedingungen der beiden Szenarien ist in der nachstehenden Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4: Randbedingungen des Szenarios Einheit Prozess [ ] Drehen Material [ ] Unlegierter Stahl Bauteil [ ] Achsbolzen Bisheriger Kühlschmierstoff [ ] Emulsion Neuer Kühlschmierstoff [ ] Polymere Lösung 5 Betrachtungszeitraum [Jahr] 1 Abluftfilter [ ] Ja Tankvolumen [l] Zerspante Materialmenge [kg/stück] 0,112 Produktionsmenge pro Stunde [Stück/h] 225 Im Rahmen des Szenarios wurde der bisher verwendete konventionelle Kühlschmierstoff mit der neuen Polymeren Lösung verglichen, um somit eine erste Aussage über die wirtschaftlichen Potentiale des entwickelten Schmierstoffs gegenüber handelsüblichen Schmierstoffen zu ermöglichen. Es werden die folgenden Kühlschmierstoffe betrachtet: eine Emulsion bzw. ein wassermischbarer Kühlschmierstoff der mit einer Konzentration von 16 % zur Herstellung einer Emulsion eingesetzt wird. Die Emulsion ist universell einsetzbar für die Zerspanung von Guss-, Stahl- und Aluminiumwerkstoffen. Als Einkaufspreis für das Konzentrat wurden 4,00 /kg angenommen. die Polymere Lösung 5 ist ein wassermischbarer Kühlschmierstoff. Der Schmierstoff ist ein mineralölfreies, viskoses Schleif- und Zerspanungs-Fluid mit sehr guten Kühleigenschaften und Zerspanungsleistungen. Es wurde mit einen Einkaufspreis 4,00 /kg gerechnet. ein Konzentrat zur Herstellung einer Polymeren Lösung. Das Konzentrat wird zum Nachsetzen von Kühlschmierstoffausschleppungen eingesetzt. Es wird zusammen mit Seite 51 von 86

52 Wasser in einer festen Einsatzkonzentration angesetzt. Als Einkaufspreis für das Konzentrat wurden 12,00 /kg angenommen. 3.4 Randbedingungen der Stoffströme über den Lebenszyklus Abhängig von der aktuellen Position im Produktlebenszyklus des Kühlschmierstoffs treten die die Input- und Outputflüsse in unterschiedlich starker Ausprägung auf. Diese Flüsse und die damit verbundenen Kosten können unter der Nutzung der stoffstrombasierten Methode genauer aufgeschlüsselt und in Aufwendungen und Erträge überführt werden. Der Lebenszyklus des Schmierstoffs kann beim Anwender in allgemein drei Phasen untergliedert werden: die Beschaffung und Erstbefüllung, die Schmierstoffnutzung und die Schmierstoffentsorgung. Im Folgenden werden die genannten Phasen spezifiziert, sowie die getroffenen Annahmen im Rahmen der Berechnung erläutert Lebenszyklusphase I Kühlschmierstofferstbefüllung Es wird davon ausgegangen, dass der jeweilige Kühlschmierstofftank leer und gereinigt vorliegt, sodass etwaige Kosten für die Vorbereitung der Kühlschmierstoffumstellung gleich und somit, beim direkten Vergleich der Schmierstoffe, vernachlässigbar sind. Zur Erstbefüllung des Kühlschmierstofftanks wurde bei der Polymeren Lösungen ein unvermischtes Fluid verwendet. Die Emulsion wurde in einer Konzentration von 16 % mit Wasser angesetzt. Das Wasser ist herkömmliches Leitungswasser, welches zu einen Preis von 1,80 /m 3 beim lokalen Anbieter beschafft wird Lebenszyklusphase II Kühlschmierstoffnutzung Im Rahmen der Kühlschmierstoffnutzungsphase entstehen hauptsächlich Aufwendungen für die Nachfüllung von KSS-Ausschleppungen und für die KSS-Pflege. Die KSS-Pflege wird in diesen Zusammenhang vernachlässigt, da Erfahrungen aus Unternehmen gezeigt haben, dass es ökonomisch sinnvoller ist den Schmierstoff zu wechseln als Pflegemittel einzusetzen. Ursache dieser Abwägung sind wirtschaftliche Bedenken in den Unternehmen, mit der Argumentation, dass ein KSS-Austausch langfristig gesehen kostengünstiger ist als 5 Vgl. BS ENERGY (2011) Seite 52 von 86

53 die KSS-Pflege. Die Ausschleppung des Kühlschmierstoffs ist hauptsächlich vom Bearbeitungsprozess abhängig. Die betrachteten Ausschleppungen sind: durch die Metallspäne und den Schleifschlamm: Aufgrund der Form und Oberfläche der Späne und des Schlamms haftet KSS an, der über den Späneförderer oder den Kühlschmierstofffilter aus der Maschine ausgetragen wird. Es wird für den über die Späne ausgetragenen Kühlschmierstoff angenommen, dass dieser vollständig durch neuen Kühlschmierstoff ersetzt wird. durch die Entnahme der bearbeiteten Werkstücke: Hierbei haftet der KSS an der Werkstückoberfläche an. Es wird für den über die Werkstücke ausgetragenen Kühlschmierstoff angenommen, dass dieser vollständig durch neuen Kühlschmierstoff ersetzt wird. durch die Abluftfilterung: Der KSS-Nebel wird innerhalb des Maschinenraums abgesaugt, hierbei werden feine KSS-Tropfen mit ausgetragen. 6 Es wird für den über die Abluftfilterung ausgetragenen Kühlschmierstoff angenommen, dass dieser vollständig durch neuen Kühlschmierstoff ersetzt wird. Der Ersatz dieser Ausschleppungen erfolgt abhängig vom verwendeten Kühlschmierstoff. Verluste beim Schleiföl wurden mit dem unvermischten Fluid nachgesetzt. Bei der Emulsion und der Polymeren Lösung wurden die Ausschleppungen über die Anmischung von Kühlschmierstoff aus Wasser und Konzentrat aufgefüllt Lebenszyklusphase III Kühlschmierstoffentsorgung Über den Lebenszyklus hinweg verändert sich der Zustand des Kühlschmierstoffes aufgrund des Eintrags von Fremdstoffen oder des Austrags von KSS-Inhaltsstoffen. Zwar kann durch entsprechende Pflegemaßnahmen der Zustand und die Qualität des Schmierstoffs erhalten bzw. konserviert werden, jedoch ist dies nur bis zu einen gewissen Grad möglich. Dieser Grad kann durch die Alterung des Schmierstoffs, starken Pilz- und Bakterienbefall oder Verunreinigung des Schmierstoffs mit Fremdölen und stoffen überschritten werden. Tritt dieser Fall ein, muss der Schmierstoff abgesaugt und entsorgt werden. Bei der Verwendung von der Polymeren Lösung kann bei der Nachstellung mit dem Konzentrat-Wasser-Gemisch eine hohe Standzeit erreichen, sodass hier eine Lebensdauer von 12 Monaten angenommen werden kann. Bei der Verwendung der Emulsion wurde auch eine Standzeit von 12 Monaten angenommen. 6 Vgl. Volkswagen Arbeitsumwelt (1995) Seite 53 von 86

54 Bei der Berechnung der Entsorgungskosten wird ein Kostensatz von 92,5 /m 3 für wassermischbare und nicht-wassermischbare Schmierstoffe zugrunde gelegt. Dieser Wert ergab sich durch eine Umfrage, die die Carl Bechem GmbH durchgeführt hat. 3.5 Ergebnisse des Life-Cycle-Costings Im Folgenden werden die Ergebnisse des Life-Cycle-Costings vorgestellt. Grundlage der Berechnung sind die in den vorherigen Abschnitten vorgestellten Randbedingungen sowie experimentelle Untersuchungen am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik sowie dem Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung bezüglich der Ausschleppung über Schleifschlamm, Metallspäne, Werkstücke, Abluftabsaugung und Evaporation. Des Weiteren stellen die Carl Bechem GmbH und verschiedene industrielle Anwender Daten zum Umgang mit den verschiedenen Kühlschmierstoffen in realen Produktionsprozessen zur Verfügung. Die Lebenszykluskostenbetrachtung ergab, dass die Verwendung der Polymere Lösung im Vergleich zur Emulsion zu niedrigeren Aufwendungen in Höhe von 9,4 % führt. Die prozentuale Zusammensetzung der Lebenszykluskosten für die Nutzungsdauer von einem Jahr ist in der nachstehenden Abbildung 28 dargestellt. Prozentuale Zusammensetzung des Life Cycle Costings Emulsion vs. Polymere Lösung 100% 2,6% 3,9% 80% 60% 40% 92,9% 65,2% 20% 0% 4,5% 30,9% Emulsion Polymer Lösung LCC Phase I Erstbefüllung LCC Phase II Nachstellung LCC Phase III Entsorgung Abbildung 28: Prozentuale Zusammensetzung der Aufwendungen bei der Polymeren Lösung Beim Vergleich der Polymeren Lösung mit der Emulsion zeigt sich, dass die Erstbefüllung mit der Polymeren Lösung zu deutlich höheren Aufwendungen führt als im Falle der Emulsion. Dies ist dadurch bedingt, dass die Emulsion im Rahmen der Erstbefüllung als Seite 54 von 86

55 Konzentrat vorliegt, welches mit Wasser vermischt wird. Die Polymere Lösung wird unverdünnt bei der Erstbefüllung eingesetzt. Im Rahmen der Nutzungsphase ergeben sich die Vorteile der Polymeren Lösung bedingt durch eine niedrigere Einsatzsatzkonzentration als bei der Emulsion. Bei der unterschiedlichen Höhe der Entsorgungsaufwendungen ist zugrunde gelegte Betrachtungszeitraum relevant. Es wurde hierbei nicht nur die Entsorgungsmenge aus dem Kühlschmierstofftank berücksichtigt, sondern auch die Reststoffe aus der Abluftreinigungsanlage und der Werkstückreinigung berücksichtigt. 3.6 Sekundäre wirtschaftliche Wirkungen durch die Nutzung der Polymeren Lösung Neben der primären wirtschaftlichen Wirkung durch die Nutzung der unterschiedlichen Kühlschmierstoffe, ergeben sich auch sekundäre wirtschaftliche Wirkungen im Rahmen der Nutzung der Polymeren Lösung im Vergleich zu anderen Kühlschmierstoffen. Unter dem Begriff sekundäre Wirkungen ist die Beeinflussung aller Aufwendungen zu verstehen, die nicht in die Kategorie der Befüllung, Nachfüllung und Entsorgung von Kühlschmierstoff fallen. Dabei ergeben sich die nachstehenden Punkte: Erhöhung der Werkzeugstandzeit Die Werkzeugstandzeit gibt an wie lange ein Werkzeug verwendet werden kann bevor der Verschleiß zu hoch ist, sodass geforderte Qualitätsansprüche nicht mehr erfüllt werden. Die Werkzeugstandzeit ist von den folgenden Punkten unter anderen abhängig: dem zu bearbeiteten Material, Aufbau und Umfang des Bearbeitungsprozesses sowie dem verwendeten Kühlschmierstoff. Zur Feststellung des Kühlschmierstoffeinflusses wurde im Rahmen eines Produktivversuchs die Polymere Lösung als Substitut für eine mineralölbasierte Emulsion in einen Bohrbearbeitung und Gewindeformung eingesetzt. Ergebnis dieser Untersuchung war, dass die Aufwendungen, bedingt durch den Ersatz verschlissener Werkzeuge, bei der Verwendung der Polymeren Lösung, im Vergleich zur Nutzung einer mineralölbasierten Emulsion, um 25,3 % reduziert wurden. Die Erhöhung der Werkzeugstandzeit ist in der Abbildung 29 dargestellt. Bei allen der im Bearbeitungsprozess eingesetzten Werkzeuge erhöhte sich die Werkzeugstandzeit um mehr als 20 %. Insbesondere die Standzeiterhöhung beim Bohrer 1 und Bohrer 2 ist ökonomisch interessant, da beide Werkzeuge für 96,5 % der Werkzeugkosten verantwortlich sind. Seite 55 von 86

56 Standmenge je Werkzeug ,9 % + 31,3 % + 20,0 % 0 Werkstücke [Stück] Bohrer 1 Bohrer 2 Gewindeformer Polymere Lösung Mineralölbasierte Emulsion Abbildung 29: Vergleich Standmenge: Polymere Lösung vs. Emulsion Einsparung einer Feuerlöschanlage Feuerlöschanlagen werden eingesetzt, wenn mit brennbaren Kühlschmierstoffen gearbeitet wird. Brennbare Kühlschmierstoff können, wenn dieser zum Beispiel feinzerstäubt wird, durch Funkenflug entzündet werden. Zur Minderung der Verpuffungsbzw. Brandgefahr wird der Ölnebel im Maschinenraum ständig abgesaugt. Neben der Absaugung des Kühlschmierstoffnebels aus dem Maschinenraum werden bei der Nutzung von mineralölbasierten Schneid- oder Schleifölen auch Feuerlöschanlagen installiert. Durch die Nutzung der Polymeren Lösung würde keine Feuerlöschanlage innerhalb der Werkzeugmaschine mehr benötigt. Somit könnte neben den Aufwendungen für die Beschaffung der Feuerlöschanlage auch die jährlichen Wartungs- und Betriebskosten eingespart werden. Erhöhung der Standzeit von Abrichtwerkzeuge Bisherige Erfahrungen in der Verwendung der Polymeren Lösung in Schleifprozessen haben gezeigt, dass der Verschleiß der Schleifwerkzeuge niedriger ist als bei der Verwendung von Schleifölen oder Emulsionen. Neben dem Vorteil, dass die Werkzeugstandzeit höher ist, ergibt sich auch der Vorteil, dass die Werkzeuge nicht in der gleichen Häufigkeit abgerichtet werden müssen, wie bei der Verwendung von konventionellen Kühlschmierstoffen. Somit erhöht sich auch die Standzeit von teuren Abrichtwerkzeugen. Seite 56 von 86

57 Verkürzung der Produktionszeit Die Benchmarkversuche im IWF sowie Versuche in produzierenden Unternehmen 7 haben gezeigt, dass die Polymeren Lösung ein höheres Leistungspotential als konventionelle Schmierstoffe besitzen. Somit können bei Fertigungsprozessen höhere Zeitspanungsvolumina eingestellt werden, sodass Produkte schneller bei gleichbleibender Qualität gefertigt werden können. Verringerung der Kühlschmierstoffrückkühlung Zur Einhaltung einer vorgegeben Bearbeitungsgenauigkeit ist es entscheidend, dass die Werkzeugmaschine auf einen konstanten Temperaturniveau gehalten wird, sodass keine thermische Verlagerungen der Komponenten erfolgen kann. Einflussparameter ist in diesen Zusammenhang der Kühlschmierstoff, der die Maschinenkomponenten benetzt und umspült. Durch die spezifischen physikalischen Eigenschaften von Kühlschmierstoffen kommt es zu einem unterschiedlichen Verhalten innerhalb der Werkzeugmaschine und Kühlschmierstofffilters. So erwärmen sich Schneid- oder Schleiföle, bedingt durch die geringere spezifische Wärmekapazität, schneller als wasserbasierte Kühlschmierstoffe. Des Weiteren verfügen Schneid- oder Schleiföle über eine schlechtere spezifische Wärmeleitfähigkeit wodurch die Wärme langsam abgegeben wird und auch eine höhere Temperatur erreicht wird. Bedingt durch diese Zusammenhänge müssen Schneid- oder Schleiföle stärker und aufwendiger zurückgekühlt werden als wasserbasierte Kühlschmierstoffe. Diese Rückkühlung wird im Kühlschmierstofftank durchgeführt. Durch die Nutzung der Polymeren Lösung kann aufgrund der vergleichsweise besseren physikalischen Eigenschaften benötigte elektrische Leistung zum aktiven Rückkühlen eingespart werden. Da das Kühlaggregat zum Beispiel kleiner dimensioniert werden kann oder nicht solange betrieben werden muss wie bei der Rückkühlung von Schneidoder Schleiföle. Dies führt dann zu Einsparungen in Betriebs- sowie in den Beschaffungskosten des Kühlaggregats 7 Vgl. Dwuletzki (2010) Seite 57 von 86

58 3.7 Diskussion Die durchgeführte Kostenbetrachtung wurde anhand eines realen Anwendungsfalles in der Industriellen Metallverarbeitung durchgeführt. Kritisch kann angemerkt werden, dass eine Linearisierung im Rahmen der Berechnung vorgenommen wurde und somit dynamische Effekte unberücksichtigt bleiben. Diese Aussage kann aber soweit abgeschwächt werden, da die Berechnung auf Messdaten beruhen, die mehrfach validiert wurden, um eine hohe Sicherheit in der Berechnung zu ermöglichen. Des Weiteren kann durchaus hinterfragt werden, ob eine Übertragbarkeit der Berechnung auf andere Prozesse und Bauteilgeometrien möglich ist. Da diese beiden Punkte, Fertigungsprozess und Bauteilgeometrie, einen starken Einfluss auf die Ausschleppung des Kühlschmierstoffes haben. Die Ergebnisse konnten jedoch unabhängig von diesem Anwendungsfall auch bei anderen Anwendern bestätigt werden. Seite 58 von 86

59 4 Ökologische Bewertung des polymeren Schmierstoffs Um das entwickelte, polymere Schmierstoffkonzept aus ökologischer Sicht bewerten zu können, sind die potentiellen Umweltwirkungen für den Kühlschmierstoff anhand einer Ökobilanz zu ermitteln. Eine Ökobilanz ist eine Methode zur Abschätzung der mit einem Produkt verbundenen potentiellen Umweltauswirkungen entlang des gesamten Lebensweges von der Wiege bis zur Bahre. Bei der Erstellung einer Ökobilanz werden dabei die verschiedenen Lebenszyklusphasen des zu untersuchenden Produktes bzw. Verfahrens auf ihre Umweltrelevanz untersucht, angefangen bei der Gewinnung von Rohstoffen über die Nutzung bis zur Entsorgung am Ende des Lebenszyklus (siehe Abbildung 30). Lebenszyklus Rohmaterialbereitstellung Produktion Nutzung Entsorgung CO 2 VOC NO x CO 2 VOC CO 2 VOC NO x CO 2 SO 2 NO x Life Cycle Inventory Sachbilanz Σ CO 2 Σ NO x Σ CH 4 Life Cycle Impact Assessment Wirkungsabschätzung Treibhauseffekt, Versauerung, Abbildung 30: Elemente einer ökologischen Lebensweganalyse, Ökobilanz Zielsetzung einer vergleichenden Ökobilanz ist die Abwägung der Vor- und Nachteile von Produkten und Verfahren mit vergleichbaren Funktionen. Die ökologische Bewertung der Substitution eines mineralölbasierten Kühlschmierstoffs durch eine Polymere Lösung wird daher in Form einer vergleichenden Ökobilanz ausgeführt. Für die Durchführung der Ökobilanz wurde die Software Umberto der ifu Hamburg GmbH, mit der Ökobilanzen auf Basis von Stoffstromnetzen berechnet werden, sowie das Datenverzeichnis Ecoinvent, ein Inventarverzeichnis für Prozesse mit generischen Energie- Seite 59 von 86

60 und Stoffströmen, verwendet. Die Ökobilanz wurde gemäß der Vorgaben der DIN EN ISO durchgeführt. 4.1 Zieldefinition Es soll geprüft werden, wie die neu entwickelte Polymere Lösung im Vergleich zu mineralölbasierten Kühlschmierstoffen aus ökologischer Sicht zu beurteilen ist und ob eine Substitution der konventionellen Schmierstoffe ökologisch vorteilhaft ist. Daher ist das Ziel dieser Ökobilanz, die jeweiligen potentiellen Umweltwirkungen über den gesamten Lebensweg zu ermitteln und in Relation zueinander zu bewerten. 4.2 Untersuchungsrahmen Beschreibung des Produktsystems Kühlschmierstoffe werden als Hilfsmittel in der spanenden Metallbearbeitung eingesetzt. Sie wirken kühlend, schmierend und reinigend und ermöglichen die Fertigung von Werkstücken in einer bestimmten Qualität. Die Formulierung eines Kühlschmierstoffs wird auf die spezifischen Anforderungen in einem Bearbeitungsprozess abgestimmt. Grundsätzlich sind hier die nicht-wassermischbaren Schmierstoffe mit hoher Schmierwirkung von den wassermischbaren mit hoher Kühlwirkung zu unterscheiden. Die Polymere Lösung kann technologisch beide Schmierstoffarten substituieren. Hier wird repräsentativ anhand eines Praxisbeispiels die Substitution einer mineralölbasierten Emulsion betrachtet. Die Lebenswege dieser Schmierstoffsysteme werden im Abschnitt 4.3 eingehender beschrieben. Funktionelle Einheit Um die verschiedenen Schmierstoffsysteme miteinander vergleichen zu können, müssen sie auf dieselbe funktionelle Einheit bezogen werden. Die Funktion eines Schmierstoffs liegt wie beschrieben in der Unterstützung der Fertigung von Werkstücken. Der Nutzen kann somit durch die Anzahl der bearbeiteten Werkstücke in einem bestimmten Bearbeitungsverfahren quantifiziert werden. Für den zu betrachtenden Beispielprozess wird die Anzahl der in einem Jahr bearbeiteten Werkstücke als funktionelle Einheit zugrunde gelegt. 8 DIN EN ISO (9-11) Seite 60 von 86

61 Systemgrenzen Die Lebenszyklusanalyse umfasst alle Lebenswegabschnitte von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung und Nutzung bis zur Entsorgung des Schmierstoffs (siehe Abbildung 31). Rohstoffe Werkstück Grundstoff Herstellung Additiv Herstellung Wasser Aufbereitung Herstellung KSS Nutzung in der spanenden Metallbearbeitung Entsorgung, gemäß Abfallschlüssel Emissionen Abfälle Werkstück, bearbeitet, gereinigt Span, mit Rest KSS Abbildung 31: Systemgrenze zum Lebensweg eines Kühlschmierstoffs Dabei werden neben der Grundstoffherstellung (Mineralöl bzw. Polymer) und der Wasserbereitstellung auch die Vorketten der jeweiligen Additivsysteme berücksichtigt. Dagegen überschreiten periphere Produkte, wie Werkstücke und Werkzeuge sowie der zu entsorgende Metallabtrag (Span), die Systemgrenze ohne weitergehende Belastungen, da sie nicht Ziel dieser Studie sind. Der Kühlschmierstoffaustrag über das Werkstück wird der Schmierstoffentsorgung zugeführt, wobei die Aufwendungen für die Werkstückreinigung außerhalb der Systemgrenze liegen, da dieser Prozessschritt für die zu vergleichenden Systeme identisch ist. Die Restanhaftung des Kühlschmierstoffs am Span verbleibt in der Praxis am Span und wird mit diesem entsorgt. Der Kühlschmierstoffanteil liegt im gewählten Praxisfall für beide Schmierstoffsysteme unter 3% und hat keinen Einfluss auf das Entsorgungsverfahren des Spans. Auch die Energie- und Druckluftbereitstellung für den Betrieb der Werkzeugmaschine sind gemäß der Zielsetzung nicht berücksichtigt. Räumliche und zeitliche Bilanzgrenzen Die Stoffstrommodelle beziehen sich auf Produkte, deren Produktions-, Einsatz- und Verwertungsraum die Bundesrepublik Deutschland ist. Die spezifischen Prozessdaten wurden im Projektzeitraum erhoben, generische Daten wurden der Datenbank Ecoinvent entnommen mit den jeweils dort aktuell zugrundeliegenden Bezugsjahren. Seite 61 von 86

62 Allokationsverfahren Die Mineralölraffination ist eine typische Kuppelproduktion, bei der die Stoff- und Energieflüsse auf die einzelnen Raffinationsprodukte durch Allokation verteilt werden müssen. Hierfür wurden massebezogene Allokationsfaktoren gewählt Sachbilanz In der Sachbilanz erfolgt die Identifizierung und Quantifizierung der Stoff- und Energieströme für die einzelnen Prozesse innerhalb des definierten Untersuchungsrahmens. Im Folgenden werden die Lebenswege der betrachteten Schmierstoffsysteme dargestellt, die identifizierten Prozessschritte beschrieben und die getroffenen Annahmen und Randbedingungen für die Überführung in das Stoffstrommodell dokumentiert. Die Lebenswegabschnitte der einzelnen Schmierstoffsysteme sind in Abbildung 32 dargestellt. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen in der KSS-Bereitstellung. Rohöl Bereitstellung Polymer Herstellung Additiv Herstellung Wasser Aufbereitung Mineralöl Raffination Additiv Herstellung Wasser Aufbereitung Herstellung KSS Herstellung KSS Nutzung in der spanenden Metallbearbeitung Nutzung in der spanenden Metallbearbeitung Entsorgung, Abfallschlüssel Entsorgung, Abfallschlüssel Polymere Lösung Emulsion, mineralölbasiert Abbildung 32: Lebenswegabschnitte der polymer- und mineralölbasierten Kühlschmierstoffsysteme 9 In Anlehnung an Dettmer (6). Seite 62 von 86

63 Herstellung des Polymers Polymere zur Einstellung der Viskosität können auf natürliche oder chemisch modifizierte oder synthetische Polymere zurückgehen. Hier wird repräsentativ ein chemisch modifiziertes Polymer betrachtet. 10 Rohölbereitstellung Die Rohölbereitstellung umfasst die Rohölförderung sowie den Ferntransport zur Raffination und wurde mit Sachbilanzmodulen aus der Datenbank Ecoinvent abgebildet. Gemäß dem definierten Bilanzraum wurde hier ein Rohölmix entsprechend dem Primäraufkommen von Rohöl in Deutschland zugrunde gelegt. 11 In Sensitivitätsanalysen wurde der Einfluss verschiedener Rohölmixe geprüft. Mineralölraffination Bei der Raffination von Rohöl werden diverse Ölfraktionen unter Atmosphären- und Vakuumdruck aufgetrennt und zu verschiedenen Produkten weiterverarbeitet. Für die Gewinnung des Grundöls eines Kühlschmierstoffs wird vorwiegend der atmosphärische Rückstand genutzt, der ab einem Siedebereich von 360 C gewonnen und weiterverarbeitet wird. Die Prozessschritte wurden im Rahmen dieser Ökobilanz in Anlehnung an das Modell von Dettmer abgebildet und auf die Nomenklatur von Ecoinvent übertragen. 12 Im Ergebnis konnte somit die Modellcharakteristik der Grundölraffination mit den Massenverhältnissen sowie Allokationen erhalten bleiben und erweitert werden um sämtliche Rohstoffvorketten für die eingesetzten Prozess- und Hilfsstoffe in den Raffinationsprozessen. Die Datenverfügbarkeit des Sachbilanzmoduls ist durch die Berücksichtigung eines detaillierteren Raffinationsprozesses als sehr umfassend zu bezeichnen. Bereitstellung von Trinkwasser Die Bereitstellung von Trinkwasser für die Zubereitung der Polymeren Lösung und der Emulsion berücksichtigt die Aufwendungen und Emissionen für die Förderung, Aufbereitung und Bereitstellung von Wasser. Die Energie- und Stoffströme in dem Sachbilanzmodul sind dabei der Datenbank Ecoinvent entnommen. 10 Römpp (2011). 11 Nach BAFA (0). 12 Nach Dettmer (6). Seite 63 von 86

64 Herstellung der Additive KSS-Systeme schließen neben dem Basisfluid verschiedene Additive zur Stabilisierung und Leistungssteigerung ein. Nicht-wassermischbare KSS auf Basis von Mineralöl enthalten im Wesentlichen Additive zur Leistungssteigerung. Demgegenüber kommen wässrige KSS- Systeme nicht ohne eine wirksame Biostabilisierung sowie einen geeigneten Korrosionsschutz aus. Für die umfassende, ökologische Bewertung der KSS-Systeme wurden erstmals die Herstellungsprozesse der Additive berücksichtigt. Aufgrund unzureichender Datenlage in verfügbaren Datenbanken wurden die Prozesse durch dokumentierte Annahmen und Näherungen auf Basis von Literaturangaben zu den Reaktionsmechanismen selbst modelliert und mit modifizierten Modulen aus der Datenbank Ecoinvent verknüpft. Nutzung in einem Metallbearbeitungsprozess Die Polymere Lösung kann in unterschiedlichen Metallbearbeitungsprozessen eingesetzt werden. Für die ökologische Betrachtung wurde ein realer, repräsentativer Bearbeitungsfall herausgegriffen und analysiert. Dafür wurden die erforderlichen Daten über einen längeren Zeitraum bei einem Anwender eines Drehprozesses mit Serienfertigung erhoben (vergleiche Abschnitt 3.3) und die Substitution einer mineralölbasierten Emulsion durch die Polymere Lösung untersucht. Anhand von speziell durchgeführten Anhaftungsversuchen mit den zu vergleichenden KSS- Proben an Werkstück- und Spanproben wurden die jeweiligen Austragsmengen pro Werkstück ermittelt. Die Nachfüllmengen an Schmierstoff bzw. Konzentrat und Wasser innerhalb eines bestimmten Betrachtungszeitraums wurden gemessen und protokolliert. Die Nachfüllmenge entspricht der Summe der Austräge während des Bearbeitungsprozesses. Neben der ermittelten Verschleppung von Kühlschmierstoff über Werkstück und Span finden eine Reihe anderer Austrags- und Verlustströme statt. Einen erheblichen Anteil nimmt erfahrungsgemäß bei den wassergemischten Schmierstoffen die Verdunstung ein. Ebenso werden über eine Absauganlage Dämpfe und Aerosole ausgetragen und es können diverse andere Verluste z.b. durch Leckagen, Maschinenanhaftungen, Rüstvorgänge usw. stattfinden. Diese verschiedenen Austragsströme lassen sich nicht einzeln quantifizieren. Modellhaft wurde daher aus der Differenz zwischen bekannter Nachfüllmenge und ermittelter Ausschleppmenge ein gemeinsamer Output-Strom angenommen, der nach Abzug eines erfahrungsgemäß verdunsteten Wasseranteils einer Entsorgung zugeführt wird. Im betrachteten realen Anwendungsfall wird der entstandene Span nicht weiter aufgereinigt und inklusive der KSS-Anhaftungen einer Entsorgung zugeführt. Je nach Standzeit eines Kühlschmierstoffs fallen zusätzliche Nachfüll- und Entsorgungsmengen an, die im Modell Seite 64 von 86

65 berücksichtigt sind. Für den untersuchten Anwendungsfall wurde für beide Schmierstoffsysteme eine Standzeit von einem Jahr zugrunde gelegt. Entsorgung Abfälle werden nach der Abfallverzeichnisverordnung AVV 13 bestimmten Abfallschlüsseln zugeordnet und nach ihrer Gefährlichkeit eingestuft. Kühlschmierstoff-Abfälle aus der Metallbearbeitung fallen allgemein unter die Kategorie 12 Abfälle aus Prozessen der mechanischen Formgebung sowie der physikalischen und mechanischen Oberflächenbearbeitung von Metallen und Kunststoffen und im Speziellen unter die Abfallschlüssel / Halogenhaltige/-freie Bearbeitungsöle auf Mineralölbasis (außer Emulsionen und Lösungen) und / Halogenhaltige/-freie Bearbeitungsemulsionen und lösungen. Sie sind als besonders überwachungsbedürftig eingestuft. Die Bearbeitungsöle unterliegen der Altöl-Verordnung 14 und sind dort der Sammelkategorie 2 zugewiesen. Damit dürfen sie nicht mit Altölen der Sammelkategorie 1, die zur Aufbereitung geeignet sind und vorrangig zu Basisölen reraffiniert werden, vermischt werden. In der Praxis werden Altöle der Sammelkategorie 2 entweder energetisch in der Zementindustrie als Sekundärbrennstoff verwertet oder als Sondermüll verbrannt. 15 Emulsionen und wässrige Lösungen dagegen unterliegen nicht der Altöl-Verordnung. Sie werden entweder in Chemisch-Physikalischen Behandlungsanlagen (CPB) gespalten und entsorgt oder in Sekundär-Raffinerien energetisch verwertet. In beiden Fällen findet zunächst eine Trennung von Wasser- und Ölphase statt. Die vorbehandelte Wasserphase wird einer Kläranlage zugeführt, die Ölphase wird verbrannt. 16 Ergänzend zu den industriell etablierten Entsorgungsoptionen für Kühlschmierstoffe sind vom Fraunhofer IVV innovative Ansätze zur Entsorgung des polymeren Schmierstoffs entwickelt worden. Obwohl eine labortechnische Prüfung möglich war, sind Näherungen bzw. Abschätzungen von Energie- und Stoffströmen bei einer industrienahen Umsetzung nicht möglich. Eine Bewertung der Alternativen wurde in dieser Ökobilanz nicht vorgenommen. 13 Abfallverzeichnisverordnung (1). 14 Altölverordnung (2). 15 Vgl. Dettmer (6). 16 Nach Dollbergen (2011). Seite 65 von 86

66 Stoffstrommodelle Die beschriebenen Prozessschritte wurden mithilfe der Software Umberto in ein Stoffstrommodell überführt und durch Verwendung von Subnetzen über mehrere Modellebenen spezifiziert. Die Berechnung erfolgte in Bezug auf die funktionelle Einheit die Jahresproduktion im betrachteten Drehprozess. Das Ergebnis ist ausschnittweise in Abbildung 33 und Abbildung 34 in Form von Sankey-Diagrammen vergleichend dargestellt. Die Sankey-Pfeile spiegeln hier die Kühlschmierstoffflüsse in der Nutzungsphase masseproportional wider. P7:tool P13:workpiece P2:emissions P3:lubricant-Polymer, new P4:concentrate T4:Supply of lubricant T5:Machining Operation P8:output lubricant, different T6:Evaportion of water P12:residues, for disposal P5:water P6:lubricant, in use T7:Cleaning of workpiece P9:workpiece, machined, with lubricant P14:lubricant, from workpiece P17:lubricant, used, after lifetime P10:tool, used P11:swarf, with lubricant P15:workpiece, machined, cleaned Abbildung 33: Ausschnitt des Stoffstrommodells der Polymeren Lösung im Drehprozess, Sankey- Darstellung P19:tool P10:workpiece P2:emissions P4:concentrate T3:Lubricant production T5:Supply of lubricant T6:Machining Operation P12:output lubricant, different T11:Evaporation of water P13:residues, for disposal P7:water P6:lubricant, new P8:lubricant, in use T9:Cleaning of workpiece P14:workpiece, machined, with lubricant P18:lubricant, from workpiece P9:lubricant, used, after lifetime P20:tool, used P11:swarf, with lubricant P17:workpiece, machined, cleaned Abbildung 34: Ausschnitt des Stoffstrommodells der mineralölbasierten KSS-Emulsion im Drehprozess, Sankey-Darstellung Die Stoffstromanalyse lässt erkennen, dass in beiden betrachteten Szenarien der KSS- Austrag über den Span größer ist als über das Werkstück. Den größten Beitrag liefert jedoch Seite 66 von 86

67 der Differenzstrom, wobei der Hauptverlust auf den verdunsteten Wasseranteil zurückzuführen ist. Die standzeitbedingten Entsorgungsmengen sind verhältnismäßig gering. Im Vergleich zueinander sind bei der Emulsion ähnliche Ausschleppungen über den Span zu verzeichnen wie bei der Polymeren Lösung. 4.4 Wirkungsabschätzung In der Wirkungsabschätzung werden die Energie- und Stoffströme aus der Sachbilanz gemäß ihrer Umweltwirkungen verschiedenen Wirkungskategorien zugeordnet und anhand von Charakterisierungsfaktoren in Äquivalenzwerte der Referenzsubstanzen umgerechnet und zu Indikatorwerten zusammengefasst (z.b. CO 2 -Äquivalente). Die Auswahl der Wirkungskategorien richtet sich nach dem Untersuchungsziel der Ökobilanz. Zur Abschätzung der potentiellen Umweltwirkungen wurde im Rahmen dieser Ökobilanz die Bewertungsmethodik CML der Universität Leiden eingesetzt. Diese repräsentiert eine international etablierte Bewertungsmethode und ist mit der ISO konform. 17 Die Analyse nach CML ist dabei keine aggregierende Methode, sondern stellt Ergebnisse nach Wirkungskategorien getrennt dar. Es erfolgt keine weitere Aggregation und Gewichtung der Wirkungskategorien zu einem Single-point-Indicator wie beim Eco-Indicator 18. Aus den verfügbaren Wirkungskategorien der CML-Methode wurden vier Kategorien ausgewählt, die für den ökologischen Vergleich der Polymeren Lösung betrachtet werden. Die Auswahl der Indikatoren berücksichtigte dabei das Untersuchungsziel der Umweltbewertung, die Güte der Charakterisierungsmodelle sowie die allgemeine Anwendungspraxis. Die folgenden Wirkungskategorien sind in der Ökobilanz für den polymeren Schmierstoff berücksichtigt 19 : Rohstoffbedarf / Abiotischer Ressourcenverbrauch (ADP), kg Antimon-Äquivalente Der abiotische Ressourcenverbrauch quantifiziert als inputbezogene Wirkungskategorie die Verbrauchsmenge an fossilen Energieträgern und anderen abiotischen Rohstoffen. 17 DIN ISO (9). 18 Guinée, Jeroen B. (2). 19 Nach Guinée, Jeroen B. (2). Seite 67 von 86

68 Klimarelevanz / Treibhauseffekt (GWP), kg CO 2 -Äquivalente Der Treibhauseffekt steht für die Erwärmung der Erdatmosphäre und die resultierenden Veränderungen des Erdklimas. Ursache für die Erwärmung ist die zunehmende Ausbringung von Treibhausgasen wie z.b. Kohlendioxid, Methan, Distickstoffoxid (Lachgas), halogenierte Kohlenwasserstoffe und Schwefelhexafluorid (SF 6 ). Das Treibhauspotential umfasst alle Stoffströme der Sachbilanz, die zum Treibhauseffekt beitragen. Versauerung (AP), kg SO 2 -Äquivalente Das Versauerungspotential erfasst die Einbringung von Säuren in Böden. Die Versauerung resultiert aus der Emission von Säuren und Säure bildenden Gasen in die Atmosphäre, welche über den Niederschlag von Pflanzen, Böden und Oberflächenwasser aufgenommen werden. Saure Böden waschen aus und lösen vermehrt Schwermetalle, welche schädlich für Pflanzen und das Grundwasser sind. Eutrophierung (EP), kg PO 4 -Äquivalente Eutrophierung bezeichnet die Nährstoffanreicherung in einem Gewässer und damit verbundenes übermäßiges Wachstum von Wasserpflanzen, welches beim Absterben der Pflanzen zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf führt. Durch Sauerstoffmangel werden Zersetzungsprozesse initiiert, die mit anaeroben Bakterien zur Bildung von giftigen Stoffen führen Ergebnisse der Wirkungsabschätzung Die ökologische Bewertung der untersuchten Schmierstoffsysteme erfolgte anhand der vier ausgewählten Wirkungskategorien zunächst für ein Grundszenario des betrachteten Anwendungsfalls. Zur einheitlichen Darstellung wurden die Indikatorwerte auf den jeweils höchsten Wert einer Wirkungskategorie normiert. Die Ergebnisse sind in Abbildung 35 dargestellt. Beim Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen ist eine ökologische Vorteilhaftigkeit in allen betrachteten Wirkungskategorien der Polymeren Lösung gegenüber der mineralölbasierten Emulsion zu erkennen. Seite 68 von 86

69 100% 80% 60% 40% 20% 0% ADP GWP AP EP Emulsion Polymer Abbildung 35: Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen (normiert) einer mineralölbasierten Emulsion und einer Polymeren Lösung über den gesamten Lebensweg Durch eine Prozesskettenanalyse können die Prozessschritte identifiziert werden, die die potentiellen Umweltwirkungen eines Produktsystems hauptsächlich verursachen. Die Analyse des betrachteten Anwendungsprozesses ergab, dass der Hauptbeitrag an den potentiellen Umweltwirkungen auf die Bereitstellungsphase der Schmierstoffe zurückgeht (siehe Abbildung 36). Nur in der Wirkungskategorie Treibhauseffekt GWP ist der Entsorgung 100% 80% 60% 40% 20% 0% ADP GWP AP EP Emulsion Bereitstellung Polymer Bereitstellung Emulsion Entsorgung Polymer Entsorgung Abbildung 36: Verteilung der relativen Umweltwirkungen nach Lebensphasen ein signifikanter Beitrag an der Umweltwirkung zuzuschreiben. Dies spiegelt den Anteil der Verbrennung im Entsorgungsprozess und die damit verbundenen CO 2 -Emissionen wider. Seite 69 von 86

70 4.4.2 Sensitivitätsanalysen In Sensitivitätsanalysen werden verschiedene Parameter in den Stoffstrommodellen variiert und der Einfluss auf die Ergebnisse der ökologischen Wirkungsabschätzung untersucht. Sie geben Aufschluss über die Belastbarkeit der Ergebnisse. Betrachtung der Bereitstellungsprozesse Die Prozesskettenanalyse hat gezeigt, dass die Umweltwirkungen im Wesentlichen aus den Bereitstellungsprozessen stammen. Ein Vergleich der Prozesse für die Bereitstellung von je 1 kg Schmierstoff zeigt die potentiellen Umweltwirkungen der verschiedenen Schmierstoffsysteme unabhängig von einer Nutzungsphase. Die Ergebnisse sind in Abbildung 37 dargestellt und zeigen, dass in Abhängigkeit von der Konzentration der Emulsion eine Vorteilhaftigkeit für die Polymere Lösung ermittelt werden kann. Im Vergleich zur Bereitstellung einer 16%igen mineralölbasierten Emulsion wie im vorliegenden Anwendungsfall konnten in allen betrachteten Wirkungskategorien geringere Umweltwirkungen für die Polymere Lösung ermittelt werden. Bei einer Reduktion der Emulsionskonzentration auf 8% bleibt die Vorteilhaftigkeit für die Wirkungskategorien Abiotischer Ressourcenverbrauch (ADP) und Versauerungspotential (AP) erhalten. Der Einfluss der Emulsionskonzentration wird nachfolgend sensitiv auch für den gesamten Lebensweg untersucht. 100% 80% 60% 40% 20% 0% ADP GWP AP EP Emulsion 8% Emulsion 16% Polymer Abbildung 37: Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen für die Bereitstellung von je 1 kg Schmierstoff Seite 70 von 86

71 Einfluss der Emulsionskonzentration über den Lebenszyklus Im Grundszenario des betrachteten Anwendungsfalls, in dem der gesamte Lebensweg der Schmierstoffe berücksichtigt ist, wurde eine ökologische Vorteilhaftigkeit der Polymeren Lösung gegenüber einer mineralölbasierten Emulsion festgestellt. Da im betrachteten realen Untersuchungsfall die Einsatzkonzentration der Emulsion 16% beträgt, wurde die Abhängigkeit von der Emulsionskonzentration sensitiv geprüft (siehe Abbildung 38). Es zeigt sich, dass auch bei Variation der Einsatzkonzentration die ökologische Vorteilhaftigkeit über den gesamten Lebensweg in allen betrachteten Wirkungskategorien erhalten bleibt. Dies lässt sich auf die Art und Menge der Nachstellkomponenten in der Nutzungsphase zurückführen, wo sich insbesondere der hohe Wasseranteil beim polymeren Schmierstoff positiv auswirkt. 100% 80% 60% 40% 20% 0% ADP GWP AP EP Emulsion 16% Emulsion 8% Polymer Abbildung 38: Sensitiver Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen der Schmierstoffe über den gesamten Lebensweg unter Variation der Emulsionskonzentration Seite 71 von 86

72 Variation der Rohölzusammensetzung in der Rohölbereitstellung In der Vorkette der Emulsion wird neben der Bereitstellung von Wasser insbesondere die Bereitstellung von Mineralöl berücksichtigt. Für die Rohölbereitstellung wurde als Referenz ein Rohölmix gemäß der Versorgungssituation in Deutschland zugrunde gelegt. Die Daten beziehen sich, wie die verwendeten Sachbilanzmodule der Ecoinvent-Datenbank, auf das Jahr 0. Zur Verifizierung dieser Annahme wurden zwei alternative Versorgungsmixe ermittelt und mit der Referenz verglichen. In Abbildung 39 sind die Umweltwirkungen für die Raffination von 1 kg Mineralöl bei einem Rohölbezug entsprechend der Versorgungssituation in der EU im Jahr 0 und der aktuellen Versorgung von Rohöl in Deutschland gegenübergestellt. 100% 80% 60% 40% 20% 0% ADP GWP AP EP MIN_EU Mix_0 MIN_DE Mix_0 MIN_DE Mix_2010 Abbildung 39: Sensitiver Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen unter Variation der Rohölzusammensetzung in der Raffination Der Vergleich zeigt, dass die potentiellen Umweltwirkungen in den betrachteten Kategorien ADP und GWP relativ konstant sind, in den Wirkungskategorien AP und EP stärker variieren. Im Mittel spiegelt die verwendete Datenbasis aus dem Jahr 0 für Deutschland die potentiellen Umweltwirkungen der Versorgungssituation mit Rohöl gut wider. Seite 72 von 86

73 Einfluss der Standzeit Ein wichtiger Parameter für die Bewertung eines Kühlschmierstoffs ist seine Standzeit. Die Standzeit ist jedoch nicht nur vom Schmierstoff sondern in besonderem Maße von der Anlagengröße und dem Pflegeaufwand abhängig und wird meist unter technischen und ökonomischen Gesichtspunkten betrachtet. Für die ökologische Beurteilung dieses Parametereinflusses wurden die Stoffstrommodelle mit unterschiedlichen, erfahrungsbasierten Standzeiten berechnet und bewertet. Vergleichend zu der im Grundszenario festgelegten Standzeit von einem Jahr für beide Schmierstoffsysteme wurde sensitiv für die Emulsion eine Standzeit von einem halben Jahr gewählt, da deren Standzeit in einzelversorgten Anlagen häufig schon in diesem Zeitintervall erschöpft ist. Dagegen hat die polymere Schmierstofflösung auch deutlich höhere Standzeiten bewiesen. Das Ergebnis ist in Abbildung 40 dargestellt. Die Auswertung der Ergebnisse bei einer Verdopplung der Standzeit beider Kühlschmierstoffe zeigt, dass der Einfluss aus ökologischer Sicht nur gering ist. Das lässt sich im analysierten Fall darauf zurückführen, dass das Füllvolumen der Anlage im Vergleich zur gesamten Nachfüllmenge im betrachteten Zeitraum gering ist. 100% 80% 60% 40% 20% 0% ADP GWP AP EP Emulsion, 0,5a Emulsion, 1a Polymer, 1a Polymer, 2a Abbildung 40: Sensitiver Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen unter Variation der Standzeit 4.5 Zusammenfassung der Ergebnisse Die potentiellen Umweltwirkungen bei der Herstellung, Nutzung und Entsorgung eines polymeren Kühlschmierstoffs wurden in einer vergleichenden Ökobilanz ermittelt und einer marktverfügbaren Emulsion gegenübergestellt. Beim Vergleich der potentiellen Umweltwirkungen ließ sich eine ökologische Vorteilhaftigkeit des polymeren Schmierstoffs Seite 73 von 86

74 gegenüber einer mineralölhaltigen Emulsion in allen betrachteten Wirkungskategorien feststellen. In Sensitivitätsanalysen konnten die Annahmen und verwendeten Modelle validiert werden. Ergänzend zur Substitution einer Emulsion wurden in einer alternativen Rechnung die potentiellen Umweltwirkungen für Prozesse mit nicht-wassermischbaren Schmierstoffen bewertet. 20 Die Ergebnisse zeigen am Beispiel einer modellbasierten Schleifanwendung ebenfalls geringere Umweltwirkungen beim Einsatz der Polymeren Lösung. Die Ergebnisse sind in zwei Veröffentlichungen auf internationalen Konferenzen dokumentiert und dem Abschlussbericht beigefügt. 21 Eine ausführliche Dokumentation der Ökobilanz befindet sich in der Erstellung und kann bei Bedarf bereitgestellt werden. Teile davon sollen in Fachjournalen veröffentlicht werden bzw. sind als Konferenzbeiträge vorgesehen. 20 Zein, Öhlschläger, Herrmann (2011). 21 Siehe Kapitel 7. Seite 74 von 86

75 5 Generierung von Produktmustern aus der spanenden Fertigung Im Rahmen des Projektpunktes Generierung von Produktmustern durch Anwender aus der spanenden Fertigung wurden Unternehmen der Metallverarbeitung zur Durchführung von Feldversuchen im industriellen Maßstab über die Kooperationsinitiative Mittelstand e.v. (KIM; made-in-braunschweig.de) gemeinsam von der FMA Elstermann und dem IWF angesprochen. Es haben sich insgesamt zwei Unternehmen aus dem KIM-Kreis zu an Zerspanungsversuchen im realen Anwendungsumfeld bereit erklärt und diese durchgeführt. Beide Unternehmen haben den polymeren Schmierstoff in ihrer Fertigung eingesetzt, die Eigenschaften bewerten und die gebrauchten Medien für die weiteren Entwicklungsarbeiten zur Verfügung stellen. 5.1 Anwender A - Messingbearbeitung Kurzprofil des Unternehmens Der Anwender A ist ein mittelständisches Familienunternehmen. Das Unternehmen produziert Armaturen und Rohrleitungszubehör für Wasser und Gas sowie Abwasser- Hausanschlüsse Randbedingungen des Produktivversuchs Im Unternehmen wird eine polymere Lösung mit der Handelsbezeichnung BERUFLUID NE 5 von der Carl Bechem GmbH verwendet. Das Kürzel NE steht als Abkürzung für den Einsatz des Schmierstoffes zur Bearbeitung von Nichteisenmetallen. Die 5 beschreibt die Viskosität des Schmierstoffes. Im Rahmen der spanenden Fertigung wird der polymere Schmierstoff eingesetzt zur Bearbeitung von Messingstangenmaterial oder -pressteilen (überwiegend CuZn40Pb2) sowie von Polyvinylchlorid (PVC). Im Rahmen der spanenden Fertigung wird die Polymere Lösung zur Bearbeitung (Drehen, Fräsen und Bohren) von Messingbauteilen auf einem Bearbeitungszentrum eingesetzt, mit der Bezeichnung DMG CTX 420 linear (siehe Abbildung 41 und Tabelle 5). Seite 75 von 86

76 Abbildung 41: Bearbeitungszentrum CTX 420 linear [Quelle: DMG] Tabelle 5: Ergebnis Ist-Aufnahme Anwender A Bearbeitungsverfahren Maschine Werkstück Werkstückmaterial Bisheriger Schmierstoff Aktuelle Additive Tankfüllvolumen Nachfüllmenge Drehen, Bohren, Fräsen DMG - Bearbeitungszentrum CTX 420 linear Armaturen und Rohrleitungszubehör CuZn40Pb2, Polyvinylchlorid (PVC). Houghton Hocut M 724 (Emulsion) keine l 20 l/tag Anforderungen Keine bis geringe Schaumbildung Hohe Wärmeleitfähigkeit Gute Hautverträglichkeit In Abbildung 42 sind Beispielbauteile dargestellt die auf dem Bearbeitungszentrum gefertigt werden. Im Rahmen der Bearbeitung wird Material innen und außen durch Verfahren mit bestimmter Schneide abgetragen. Die Halbzeuge werden zum Beispiel im Rahmen der Innenbearbeitung aufgebohrt und anschließend gedreht oder das Gewinde geschnitten. Die Außenbearbeitung wird durch drehende Arbeitsverfahren durchgeführt. Seite 76 von 86

77 Abbildung 42: Produzierte Bauteile [Quelle: Anwender A] Erfahrungen des Anwenders Im Rahmen eines achtzehnmonatigen Schmierstoffeinsatzes, mit Unterbrechungen, konnten die nachstehend genannten Erkenntnisse gesammelt werden. Die Auflistung beruht auf eigenen Beobachtungen und verschiedener Befragungen der Maschinenbediener. Pro: Maschine ist im Vergleich zum vorher genutzten Schmierstoff sauberer, Späne haften nicht mehr so stark in der Maschine wie vorher, Bauteile sind sauberer und keine gesundheitlichen Probleme. Contra: Erhöhter Austrag von Kühlschmierstoff, aufgrund Evaporation und Spanausschleppung und Werker bezeichnen den Schmierstoff als klebrig an den Händen, jedoch mit Wasser schnell zu entfernen Chemisch-Analytische Untersuchung Zur Überwachung der Wechselwirkungen und der Beeinflussung des Schmierstoffes durch die spanende Fertigung werden jede Woche Proben entnommen, an die Carl Bechem GmbH verschickt und dort ausgewertet. Des Weiteren sind in der nachstehenden Abbildung 43 die Ergebnisse der chemischanalytischen Untersuchung der Carl Bechem GmbH für den Zeitraum Anfang Januar 2010 bis Ende Juni 2011 dargestellt. In diesem Zeitraum wurde die Polymere Lösung NE 5 und die Polymere Lösung NE 5 K als Schmierstoff ein- und nachgesetzt. Das NE steht für Nicht- Eisen-Metalle. Die Polymere Lösung NE 5 K ist ein Konzentrat aus der Polymeren Lösung NE 5. Das Konzentrat wurde in einen Dosatron mit Wasser vermengt in den Kühlschmierstofftank der Maschine gefördert. Die KSS-Bereitstellung über das Dosatron Seite 77 von 86