SCHMIERSTOFFE UND KÜHLSCHMIERSTOFFE FÜR DIE ZERSPANUNG UND UMFORMUNG

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1 In Zusammenarbeit mit VSS Verband der Schweizerischen Schmierstoffindustrie Association de l industrie suisse des lubrifiants Associazione dell industria svizzera dei lubrificanti Swiss Association of Lubricants Industry SCHMIERSTOFFE UND KÜHLSCHMIERSTOFFE FÜR DIE ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz T-S Tribologie und Schmierungstechnik, Denkendorf Kühlschm. f. d. Zerspan

2 In Zusammenarbeit mit VSS Verband der Schweizerischen Schmierstoffindustrie Association de l industrie suisse des lubrifiants Associazione dell industria svizzera dei lubrificanti Swiss Association of Lubricants Industry Grundlagen der Umformung Aufbau und Formulierung der Kühlschmierstoffe Minimalmengenschmierung Betriebliche und praktische Aspekte der Anwendung Hyygienische und gesundheitliche Aspekte SCHMIERSTOFFE UNF KÜHLSCHMIERSTOFFE Inhalt Kühlschm. f. d. Zerspan

3 Kühlschmierstoffe für die Zerspanung und Umformung Kühlschm. f. d. Zerspan

4 Verfahren der Metallbearbeitung Urformen (Giessen) Zerspanen (Materialabtrag) Umformen (Materialdeformation) KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Kühlschm. f. d. Zerspan

5 Grundlagen der Umformung Schmierstoffe und Kühlschmierstoffe Besonderheiten der Trocken- und Minimalmengenschmierung Hygienische und gesundheitliche Aspekte Betriebliche Aspekte Umformung Inhalt Kühlschm. f. d. Zerspan

6 Kühlschm. f. d. Zerspan

7 Einführung Kühlschm. f. d. Zerspan

8 Kühlschmierstoffe spielen beim Zerspanen eine wichtige Rolle. Der Zerspanungsvorgang gehört zu einem Fachgebiet, das mit Tribologie bezeichnet wird. Darunter versteht man die Gesetzmäßigkeiten bei sich gegeneinander bewegenden Oberflächen im Hinblick auf Reibung, Schmierung und Verschleiß. Wie die Bezeichnung Kühlschmiermittel besagt, hat das Medium eine Doppelaufgabe zu erfüllen, nämlich zu kühlen und zu schmieren. Während unter"schmieren" unter anderem das Vermeiden der Wärmeentwicklung verstanden wird, bedeutet "Kühlen" Wärmeabfuhr. Einführung - 1 Kühlschm. f. d. Zerspan

9 Zerspanungsverfahren Zerspanung und Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

10 Zerspanungsverfahren Zuordnung zwischen Verfahrensgruppen u. Zerspanungsprozess SPANEN Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden Drehen Hobeln Schleifen Bohren Räumen Honen Fräsen Sägen Läppen u. a. u. a. Zerspanung und Kühlschmierstoff Kühlschm. f. d. Zerspan

11 Zerspanen mit unbestimmten Schneiden Honen Schleifen Läppen Verfahren der Zerspanung Kühlschm. f. d. Zerspan

12 Zerspanen mit bestimmten Schneiden - 1 Drehen Normalbohren Tieflochbohren Verfahren der Zerspanung Kühlschm. f. d. Zerspan

13 Zerspanen mit bestimmten Schneiden - 2 Fräsen Räumen Hobeln Verfahren der Zerspanung Kühlschm. f. d. Zerspan

14 Zerspanen mit bestimmten Schneiden - 3 Gewindeschneiden Zahnradherstellung Verfahren der Zerspanung Kühlschm. f. d. Zerspan

15 Aufgaben des Kühlschmierstoffs Zerspanung und Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

16 Aufgaben des Schmierstoffs Kühlschmierstoffe ermöglichen eine verbesserte Zerspanbarkeit und damit ein wirtschaftliches Zerspanen. Gegenüber der Zerspanung ohne Kühlschmierstoffe bewirken sie niedrigere Schnittkräfte und weniger Energieverbrauch, bessere Oberflächengüte und bessere Maßhaltigkeit, höhere Werkzeugstandzeiten, besseres Abführen der Späne, Korrosionsschutz des Werkstücks sowie Temperatursenkung des Werkstücks und damit seine leichtere Handhabung. Darüber hinaus haben die Kühlschmierstoffe die Werkzeugmaschine zu schmieren. Zerspanung und Kühlschmierstoff Kühlschm. f. d. Zerspan

17 Einflüsse auf die Zerspanungsleistung Zerspanung und Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

18 Einflüsse auf die Zerspanungsleistung Die folgenden Faktoren beeinflussen die Zerspanungsleistung: Werkstoff (Zerspanbarkeit) Werkzeug (Material) Zerspanungsbedingungen Schmierung Kühlschmierstoff Schmierstoffzufuhr Zerspanung und Kühlschmierstoff Kühlschm. f. d. Zerspan

19 Einflüsse auf die Zerspanungsleistung Zerspanbarkeit des Werkstoffes Als Maß für die Zerspanbarkeit wurde der sogenannte Zerspanbarkeitsindex I definiert. I = (Schnittgeschwindigkeit bei dem zu prüfenden Werkstoff/ Schnittgeschwindigkeit bei einem Referenzwerkstoff) x 100 Der Zerspanbarkeitsindex ist auf eine Werkzeugstandzeit von jeweils 20 min bezogen. Es wird mit Kühlschmierstoff gearbeitet. Die weiteren Bedingungen zum Ermitteln des Zerspanbarkeitsindex sind: Werkstück-Referenzwerkstoff: SAE 1212 (kaltgewalzt), Werkstoffnummer (Automatenstahl) Werkzeug: Gerader Drehmeißel aus Schnellarbeitsstahl (63 bis 65 HRC), Schnittgeschwindigkeit v = 55 m/min, Schnittiefe a = 6,35 mm, Vorschub s = 0,18 mm/u. Der Referenzwerkstoff hat den Zerspanbarkeitsindex I = 100. Zerspanung und Kühlschmierstoff Kühlschm. f. d. Zerspan

20 Einflüsse auf die Zerspanungsleistung Zerspanbarkeit des Werkstoffes Schwerer zerspanbarer Werkstoff: I < 100, z. B. Chrom-Nickel-Stähle I = Leichter zerspanbarer Werkstoff: I > 100, z. B. Magnesium I = Zerspanung und Kühlschmierstoff Kühlschm. f. d. Zerspan

21 Werkstück Einteilung der zu zerspanenden Werkstoffe nach Zerspanbarkeitsklassen Werkstoff- Werkstoff Zerspanbarkeitsindex gruppe Gruppe 1 Normal zerspanbare Stähle ca. 80 Gruppe 2 Schwer zerspanbare Stähle ca. 50 Gruppe 3 Schwerst zerspanbare Stähle ca. 25 Gruppe 4 Grau- und Temperguss ca Gruppe 5 Buntmetalle ca Gruppe 6 Leichtmetalle ca KÜHLSCHMIERSTOFFE ZUR ZERSPANUNG UND UMFORMUNG Werkstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

22 Einflüsse auf die Zerspanungsleistung Werkzeug-Werkstoff Produktionszeit, min/teil Kohlenstoffstahl Schnellstahl Stellit Hartmetall Verbessertes Hartmetall 1, Einfach beschichtetes Hartmetall Doppelt beschichtetes Hartmetall Anstieg der Produktionsgeschwindigkeit durch Weiterentwicklung Schnittwerkzeug-Werkstoffe im 20. Jahrhundert Zerspanung und Kühlschmierstoff Kühlschm. f. d. Zerspan

23 Einflüsse auf die Zerspanungsleistung Werkzeug-Werkstoff Kolkverschleiß- und Aufbauschneiden-Lage am Werkzeug (nach Holmberg/Matthews: Coatings Tribology. Tribology Series 28, 1994) Span Kolkverschleiß Aufbauschneide Freifläche Werkzeug Schneidfläche Schneideverschleiß Werkstück Zerspanung und Kühlschmierstoff Kühlschm. f. d. Zerspan

24 Werkzeug Verschleißformen an spanenden Werkzeugen Auskolkung, Kolkverschleiß Freiflächenverschleiß Schneidenverschleiß Spanflächenverschleiß Werkstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

25 Zerspanungsvorgang und Wärmeentwicklung Kühlschm. f. d. Zerspan

26 Schematische Darstellung des Zerspanungs-Vorgangs Freifläche Werkzeug Werkstück-Oberfläche Span Schneidfläche Frische Werkstückoberfläche Werkstück Zerspanungsvorgang und Wärmeentwicklung Kühlschm. f. d. Zerspan

27 Deformations- und Reibungszonen beim Zerspanen 1 Werkzeug 2 Spanfläche 3 Span 4 Primär-Deformationszone 5 Sekundär-Deformationszone 6 Primär-Reibungszone 7 Sekundär-Reibungszone Zerspanungsvorgang und Wärmeentwicklung Kühlschm. f. d. Zerspan

28 - Gute Beschreibung der Deformationsund Reibungszonen im Orthogonalschnitt erläutern. - Durch den Scherwinkel ergibt sich die Scherebene und damit die Primär-Deformationszone 4. - Schnittgeschwindigkeit und Kaltverfestigungseigenschaften beeinflussen die Aufbauschneidenbildung im Bereich der Sekundär-Deformationszone 5. - Primär-Reibungszone 6 liegt zwischen Spanfläche und Span. - Es ist Scherwinkel = f (1/µ), und Wärme = f (1/Φ) daher Wärme = (Reibungszahl 1) - Sekundär-Reibungszone 7 liegt zwischen Freifläche und Werkstück. 1 Werkzeug 2 Spanfläche 3 Span 4 Primär-Deformationszone 5 Sekundär- Deformationszone 6 Primär-Reibungszone 7 Sekundär-Reibungszone Zerspanungsvorgang und Wärmeentwicklung Kühlschm. f. d. Zerspan

29 Wärmezentren beim Zerspanen W 1 Zerreißwärme W 2 Stauchwärme W 3 Reibungswärme Werkzeugfreifläche/Werkstück W 4 Reibungswärme Span/Spanfläche W 2 W 4 W 1 W 3 Zerspanungsvorgang und Wärmeentwicklung Kühlschm. f. d. Zerspan

30 Temperatur-Verteilung im Werkzeug und Werkstück beim Zerspanen von Stahl Span Werkzeug Werkstück (Schnittgeschwindigkeit 23 m/min, Schnittbreite 6,3 mm, Hinterdrehwinkel 30 und Freiwinkel 7 ) (nach Holmberg/Matthews:Coatings Tribology. Tribology Series 28, 1994) Zerspanungsvorgang und Wärmeentwicklung Kühlschm. f. d. Zerspan

31 Wirkungsweise des Kühlschmierstoffs Kühlschm. f. d. Zerspan

32 Allgemeine Zusammenhänge Wirkungsweise des Kühlschmierstoffs Kühlschm. f. d. Zerspan

33 Allgemeine Zusammenhänge Schmierende Anteil des Kühlschmierstoffs: Reibfläche zwischen Span und Spanfläche (hoher Anteil) Reibfläche zwischen Freifläche und Kühlender Anteil des Kühlschmierstoffs: Werkstück (niedriger Anteil) Abfuhr der nicht zu vermeidenden Wärme Unterstützung bei höheren Schnittgeschwindigkeiten (v s = 80 m/min): 80 % der Wärmeabfuhr durch Späne 20 % der Wärmeabfuhr durch KSS Trotzdem: Einfluß des Kühlschmierstoffs darf nicht unterschätzt werden. Grenzen des Kühlschmierstoffs: Eignung, zugeführte Menge, Zufuhrverfahren Wirkungsweise des Kühlschmierstoffs Kühlschm. f. d. Zerspan

34 Kühlungsmechanismus Wirkungsweise des Kühlschmierstoffs Kühlschm. f. d. Zerspan

35 Kühlmechanismus Vereinfachte Annahme: Wasserhaltige KSS: Wasserhaltige KSS nur Kühl- aber keine Schmierwirkung Nichtwasserhaltigen KSS nur Schmierund keine Kühlwirkung Nur Wärmeabfuhr, daher kein Fressen aber höherer Verschleiß Nichtwasserhaltige KSS: Durch Schmierwirkung Verringerung der Wärmeentwicklung Wirkungsweise der Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

36 Schmierungsmechanismus Wirkungsweise des Kühlschmierstoffs Kühlschm. f. d. Zerspan

37 Schmierungsmechanismus Beim Zerspanen an Werkzeugschneide Mischschmierung Chemische und physikalische Reaktionen auf Oberflächen von Werkzeug und Werkstück Scherfestigkeit dieser Schutzschichten ist niedriger als die des Grundwerkstoffes Durch Abrieb und Neubildung dieser Schutzschichten gezielter Verschleiß ohne Zerstörung der Oberflächen Wirksamkeit des KSS hängt auch von Schmelztemperaturen dieser Schichten ab. Wirkungsweise der Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

38 Schmierungsmechanismus Die Wirksamkeit reicht z. B. bei Fettseifen bis zu 100 C, bei Eisenchloriden bis zu 600 C, bei Eisensulfiden bis zu 1000 C. Diesem Wirkungsmechanismus lassen sich auch feinzerteilte (kolloidale) Festschmierstoffe, wie Graphit und Molybdändisulfid, zuordnen. Daß letztere ebenfalls chemisch reagieren und Eisensulfid bilden, ist längst nachgewiesen worden. Wirkungsweise der Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

39 Schmierungsmechanismus Wirksamkeit von KSS hängt stark von ihrem Benetzungsvermögen ab Eindringen der KSS in Mikrorisse auf Oberflächen hängt von Benetzung ab Dieser Effekt wird durch polare Wirkstoffe unterstützt. Wirkungsweise der Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

40 Kombinierter Kühlungs- und Schmierungsmechanismus Wirkungsweise des Kühlschmierstoffs Kühlschm. f. d. Zerspan

41 Kombinierte Kühl- und Schmierwirkung a) Trockenschnitt b) Nichtwassermischbarer Kühlschmierstoff Schneidöl) c) Wassergemischter Kühlschmierstoff, 10 %ig Schneidentemperatur 600 C a b c m/min 30 Schnittgeschwindigkeit Wirkungsweise der Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

42 Kombinierte Kühl- und Schmierwirkung Einfluß der Kühlschmierung auf die Werkzeugstandzeit beim Drehen von Guß 70 min 60 a) Trockenschnitt b) Kühlung mit Wasser c) Kühlschmierung mit 10 %iger Emulsion d) Kühlschmierung mit 20 %iger Emulsion Standzeit a b c d m/min 42 Schnittgeschwindigkeit Wirkungsweise der Kühlschmierstoffe Kühlschm. f. d. Zerspan

43 Hieraus ergeben sich Folgerungen für die optimale Verwendung unterschiedlicher Kühlschmierstoffe, wobei deren Wirksamkeit mit zunehmender Verfahrensschärfe und sinkender Schnittgeschwindigkeit ansteigt. Zerspanungsverfahren Verfahrensschärfe Schnittgeschwindigkeit Kühlschmierstoff- Wirksamkeit Räumen (innen) Hoch Niedrig Hoch Läppen Räumen (Oberfläche) Gewindeschneiden Tieflochbohren Bohren Fräsen Drehen Niedrig Hoch Niedrig Zusammenfassung Kühlschm. f. d. Zerspan