MINIMALMENGENSCHMIERUNG KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG

Transkript

1 MINIMALMENGENSCHMIERUNG KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.1

2 Einführung KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.2

3 Kühlschm. f. d. Zerspan.04.3

4 Metallbearbeitung: Kühlschmierstoffe wichtigste Hilfsstoffe Kühlschmierstoffe: Beeinflussung des Arbeitsergebnisses - Standzeit - Oberflächengüte - Maßgenauigkeit - Spänetransport - Wäremeabfuhr Aber: Ökonomie und ökologische Belastung Alternativen: - Mindermengenschmierung - Minimalmengen(kühl)schmierung - Trockenbearbeitung KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Einführung Kühlschm. f. d. Zerspan.04.4

5 Definitionen KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.5

6 Alternativen zu wassergemischten Kühlschmierstoffen nichtwassermischbare Kühlschmierstoffe Trockenbearbeitung MINIMALMENGENSCHMIERUNG Einführung Kühlschm. f. d. Zerspan.04.6

7 Überflutungsschmierung (Naßbearbeitung) Mindermengenschmierung Minimalmengen(kühl)schmierung Trockenbearbeitung KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Definitionen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.7

8 Überflutungsschmierung (Naßbearbeitung) Keine Anpassung der Kühlschmierstoffmenge an Bearbeitungsprozess, bearbeiteten Werkstoff und Werkzeug Zugeführte Menge: >2 l/min Mindermengenkühlschmierung Anpassung an Zerspanungsbedingungen Zugeführte Menge: Geom. best. Schneide: < 2 l/min Schleifen < 1 l/min pro mm Schleifscheibenbreite KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Definitionen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.8

9 Minimalmengen(kühl)schmierung (MMKS) Optimierte Anpassung an Zerspanungsbedingungen Zugeführte Menge: < 50 ml/h Hinweise: - Begriff Minimalmengen(kühl)schmierung unzutreffend, besser (MMS) - Bei korrektem Einsatz bleiben Werkzeuge, Werkstücke und Späne trocken - Begriff Trockenschmierung ist gerechtfertigt - Zielgerichtete Zuführung im Druckluftstrom zur Zerspanstelle oder zum Werkzeug KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Definitionen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.9

10 Trockenbearbeitung - Im weiteren Sinne: und ohne jede Schmierstoffzufuhr - Im engeren Sinne: Ohne jede Schmierstoffzufuhr KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Definitionen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.10

11 Kühlschmierstoffkonzepte KSS-Kreislauf Verlustschmierung Kühlschmierstofffrei Vollstrahlkühlschmierung Minimalmengenkühlschmierung Trockenbearbeitung Emulsion Öl ohne Druckluftunterstützung mit Druckluftunterstützung mit Druckluftunterstützung ohne Druckluftunterstützung Zentralanlage Einzelversorgte Maschinen (nach Weinert) Eingesetzte Kühlschmierstoffmenge KÜHLSCHMIERSTOFFE Kühlschm. f. d. Zerspan.04.11

12 Grundlagen und Allgemeines KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.12

15 Technologische Grenzen KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.15

16 Primäre Funktionen der Kühlschmierstoffe Kühlen Schmieren Spänetransport 2 Funktionen - Kühlen und Spänetransport - entfallen bei der Vorteile und Nachteile KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Technologische Grenzen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.16

17 Vorteile und Nachteile der Vorteile Nachteile Reduzierung der benötigten KSS Menge keine Badüberwachung und -pflege erforderlich keine verbrauchten KSS sowie Filterhilfsmittel zur Entsorgung geringer Reinigungsaufwand für Werkstücke, Maschine und Umgebung problemloses Recycling der Späne (quasi ölfrei) Umrüstung vorhandener Maschinen möglich eingeschränkte Einsatzmöglichkeiten Späneabfuhr muss gewährleistet sein Kühlfunktion nur sehr eingeschränkt vorhanden meist hochwertige, d.h. teure KSS erforderlich Reaktionsprodukte bisher nicht untersucht - Absaugung notwendig Verträglichkeit mit Dichtungen und Kabelmaterialien Höhere Anforderungen an das Werkzeug (nach Schulz, 2000) KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Technologische Grenzen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.17

18 Überwindung technologischer Grenzen Minder- und (nach Lung, 2000) Kühlschmierstoffe zur Zerspanung und Umformung Technologische Grenzen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.18

19 Von der Nassbearbeitung über die zur Trockenbearbeitung Vorteile: Verringerung oder Wegfall des Kühlschmierstoffes höhere Verfahrensflexibilität durch Wegfall einer Verfahrenskomponente (Vereinfachung) leichtere Aufbereitung der Späne Nachteile: kühlen, spülen, schmieren, transportieren und konservieren - für diese Funktionen müssen Alternativen gefunden werden Produktivitätsverluste möglich Wärmebilanz und Eigenspannungen problematisch KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Technologische Grenzen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.19

20 Temperaturen KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.20

21 Beispiel: Werkzeugtemperatur über der Schnittgeschwindigkeit Bohrer mit Thermoelementen Nahe der Hauptschneide positionierte Thermoelemente Werkzeug: HC-P + TiN Ø 11,8 mm f = 0,2 mm (nach Lung, 2000) Kühlschmierstoffe zur Zerspanung und Umformung Temperaturen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.21

22 Schmierstoffzufuhr KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.22

23 Applikationstechniken Druckluft Kühlung, Abtransport von Spänen gekühlte Druckluft stärkere Kühlung, Abtransport von Spänen airless Einstellbarkeit Dosiermenge und Tröpfchengröße MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffzufuhr Kühlschm. f. d. Zerspan.04.23

24 Der zielgerichteten Zufuhr der geringen Schmierstoffmenge zur Zerspanungsstelle kommt höchste Bedeutung zu. Es gibt zwei Grundprinzipien: Äußere Gemischzuführung durch Düse Innere Gemischzuführung durch das Werkzeug - Gemischerzeugung vor der Spindel - Gemischerzeugung im Bereich der Werkzeugaufnahme Versorgungseinrichtungen (Druckluft/Schmierstoff-Gemisch) Druckbeaufschlagter Behälter Dosierpumpengeräte KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Schmierstoffzufuhr Kühlschm. f. d. Zerspan.04.24

25 Innere und äußere Gemischzufuhr MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffzufuhr Kühlschm. f. d. Zerspan.04.25

26 Minimalmengenzuführung bei Bohrungsbearbeitung Minimalmengenzuführung äußere Zuführung innere Zuführung Besprühen des Wz. vor jeder Bohroperation Besprühen des Wst. vor jeder Bohroperation Zuführen von geimpfter Druckluft durch die Maschinenspindel Zuführen von geimpfter Druckluft über seitliche Zuführung Auftragen von (Fest-) Schmierstoffen auf Wz. Vor jeder Bohroperation (Quasi-) kontinuierliches Zuführen in Wst.-Richtung während der Bearbeitung Druckluft durch die Maschinenspindel, Schmierstoff aus Wz.-Reservoir Druckluft durch die Maschinenspindel, Schmierstoff aus Wz.-Reservoir (nach Weinert) KÜHLSCHMIERSTOFFE Schmierstoffzufuhr Kühlschm. f. d. Zerspan.04.26

27 An Hand der folgenden Prinzipskizze ist die Funktionsweise eines Minimalmengensprühgerätes dargestellt Prinzipskizze eines Minimalmengensprühsystems MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffzufuhr Kühlschm. f. d. Zerspan.04.27

28 Äussere Gemischzufuhr durch Düse Varianten: 1 Düse mehrere Düsen Übliche Düsenform: Zweistoffdüse Gemisch Verbindung Düse/Schlauch Medium Ringdüse Mischkammer Schlauch mantelförmiger Luftstrahl Druckluft Vorteile der äußeren Zuführung: geringer Nachrüstaufwand keine Hohlspindel o. ä. erforderlich keine Werkzeuganpassung notwendig preiswert Einsatzbereiche: Blechbearbeitung Sägen, Drehen, Fräsen Bohren, Gewindebohren, Reiben mit l/d <2 (nach Lung, 2000) Kühlschmierstoffe zur Zerspanung und Umformung Schmierstoffzufuhr Kühlschm. f. d. Zerspan.04.28

29 Innere Gemischzufuhr durch das Werkzeug Gewendelte Kühlschmiermittelkanäle Austrittsöffnung auf der Freifläche Geometrieoptimierung: zentraler Kühlschmiermittelkanal Austrittsöffnung in der Spannut Vorteile der inneren Zuführung: keine Einschränkung des Arbeitsraums auch für Bohrtiefen l/d > 2 Medium tritt in unmittelbarer Nähe der Wirkstelle aus Unterstützung der Spanabfuhr aus Sacklochbohrungen keine Positionierfehler durch Bediener Vorteile der Geometrieoptimierung: geringe Zentrifugalkräfte auf das Medium Austritt in der Nähe der Kontaktzone Einsatzbereiche: Bohren, Gewindebohren, Reiben mit d > 4 mm Kühlschmierstoffe zur Zerspanung und Umformung Schmierstoffzufuhr (nach Lung, 2000) Kühlschm. f. d. Zerspan.04.29

30 Gemischerzeugung und Zufuhr (Details) Äußere Zuführung Düse Drehdurchführung Innere Zuführung Spindel Mischkopf Hohlspindel Gemischerzeugung in der Düse Gemischerzeugung vor der Spindel Drehdurchführung (alternativ) Mischkopf Hohlspindel Gemischerzeugung im Bereich der Werkzeugaufnahme (derzeitig in der Entwicklung (nach Lung, 2000) Kühlschmierstoffe zur Zerspanung und Umformung Schmierstoffzufuhr Kühlschm. f. d. Zerspan.04.30

32 Schmierstoffe KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.32

33 Anforderungen an die Medien arbeitshygienisch unbedenklich geringe Wassergefährdung möglichst rückstandsfreie Verdampfung thermisch beständig gute Schmierwirkung akzeptabler Einkaufspreis MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.33

34 Basismedien für die Mineralölbasis - Hydrocracköle - Polyalphaolefine Fettalkohole Ester auf nativer Basis Ester auf synthetischer Basis wassergemische Kühlschmierstoffe Fette und Wachse MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.34

35 Grundöle für Minimalmengenschmierstoffe Kohlenwasserstoff mineralölbasich oder synthetisch - mäßige Benetzungs- und Schmierungswirkung (unpolar) - Gemisch sehr vieler Einzelkomponenten (gilt für mineralölbasisch) Fettalkohole - bessere Schmierungsleistung als Mineral (polar) - gewisse Kühlwirkung durch höhere Verdampfungsenthalpie des Alkohols Polyglykole - sehr gute Schmierungseigenschaften - wasserlöslich: Basis für wmb MMKS Fettsäurester (nativ oder synthetisch) - sehr gute Schmierungsleistung (polar) - hoher Flammpunkt KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.35

36 Basismedien für die Fettalkohole gute Affinität zur Metalloberfläche (Aluminium) gute Verdampfung teilweise starke Rauchentwicklung teilweise Atemwegreizungen teilweise Rückstände auf Teilen MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.36

37 Basismedien für die Ester auf nativer Basis ungenügende Oxidationsstabilität Neigung zu Verharzungen MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.37

38 Basismedien für die Synthetische Ester gute Schmierwirkung Additivierung gut möglich unterschiedliche Viskositäten ggfs. Angriff auf Elastomere MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.38

39 Basismedien für die Fette und Wachse Einsatz bei der Mindermengenschmierung vor Umformprozessen MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.39

40 Additive zur Verbesserung der Primärfunktion SCHMIEREN Schwefelträger Phosphorhaltige Wirkstoffe Zinkhaltige Wirkstoffe Additivierungshöhe : 1-3 % (Ausnahmen bis 6 %) KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.40

41 Größte Bedeutung haben Ester und Fettalkohole Wichtige Eigenschaften Ester Fettalkohole Verdampfung sehr niedrig hoch Schmierungswirkung sehr gut niedrig Flammpunkt hoch niedrig Konsequenzen auf Einsatz (nach Freiler 2000) KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.41

42 Konsequenzen für die Anwendung Ester Einsatz: Vorteil: bessere Schmierungswirkung als Fettalkohole Wenn Schmierwirkung wichtig ist. Beispiele: Gewindeschneiden, Bohren, Reiben Hoher Flammpunkt und niedrige Verdampfung Film verbleibt auf Werkstück Korrosionsschutz KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.42

45 Gegenüberstellung der Eigenschaften verschiedener Basisflüssigkeiten Basisflüssigkeiten Vorteile Nachteile Wasser preiswert Schmierwirkung vernachlässigbar gute Kühlwirkung Mineralöle gute Schmierwirkung können Aromaten enthalten viele Viskositäten mögl. uneinheitliche Molekülstruktur Polyalphaolefine mittlere Schmierwirkung Produkte relativ teuer aromatenfrei geringe Alterung Ester sehr gute Schmierwirkung Verharzung möglich (synthetisch & nativ) aromatenfrei synthetische Produkte teuer Dichtungsangriff möglich Polyglykole mittlere Schmierwirkung Produkte relativ teuer aromatenfrei Dichtungsangriff möglich MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.45

46 Praxiserfahrung KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.46

47 Anwendungsbeispiele für MMS-Grundöl Werkstoff Bearbeitung Werkstück Ester Alu-Druckguss Sägen Profile Fettalkohol CK 45 Bohren, Reiben Gehäuseteile Fräsen Ester 42 MrMo4 Gewindewalzen Kerbverzahnung mit hoher Oberflächengüte Fettalkohol St 37 Rohrbiegen Auspuffrohre Ester 17 MnCr5 Bohren,Walzen Verzahnungen von Stoßen Antriebswellen Ester CK 45 Gewindewalzen Verzahnungen Stoßen Fettalkohol AlSi9Cu3 Sägen Gehäuseteile (nach Freiler 2000) KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Praxiserfahrung Kühlschm. f. d. Zerspan.04.47

48 Laborergebnisse mit unterschiedlichen MMS-Formulierungen Produkt Chem. Charakterisierung VKA Reichert Brugger (N) (mm 2 ) (N/ mm 2 ) 1 synthet. Ester (Praxisprod.) <2000 8, Polyglykole (Praxisprod.) < Fettalkohole < Produkt 1 + Schwefelträger + Verschleißschutz (Praxisprod.) , Produkt 1 + Schwefelträger + Verschleißschutz (Praxisprod.) ,8 86 (nach Schulz, 2002) KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Praxiserfahrungen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.48

49 Gute Praxiserfahrungen mit unterschiedlichen MMS- Formulierungen Produkt Produkt 20 - Produkt 21 - Sägen, Fräsen von Aluminium, Kupfer und einfachen Stählen Umformungen bis zu mittleren Umformgraden allgemeine Bearbeitung höherwertiger Materialien (auch Buntmetall) spanende Bearbeitung von hochlegierten C-Stählen, Titan, Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle, Nickel-Basislegierungen anspruchsvollere Umformungen (nach Schulz 2002) KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Praxiserfahrungen Kühlschm. f. d. Zerspan.04.49

50 Entwicklungstrends bei der höherviskose Medien weisen gute Schmier- und Trenneigenschaften auf, auch bei höheren Temperaturen und Druckbelastungen viele Dosiergeräte aber nur bis 50 mm²/s geeignet für Aluminium-Bearbeitung zeigen hochviskose und additivierte Fettalkohole die besten Ergebnisse synthetische Ester für Bohren in Stahl MINIMALMENGENSCHMIERUNG Schmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan.04.50

51 Zusammenfassung KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan.04.51

52 Abschätzung der Einsatzmöglichkeiten der MMKS heute möglich MMKS Entwicklungsphase MMKS nicht möglich Kühlschmierstoffe zur Zerspanung und Umformung Zusammenfassung (nach Walter, 2000) Kühlschm. f. d. Zerspan.04.52