KOBLENZ. Überwachung des Kühlschmiermittels. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht KOBLENZ Überwachung des Kühlschmiermittels an einer Drehmaschine Jannik Ahej Lars Schaupeter Thorsten Schütz Schule: GmbH Koblenzer Straße Andernach Jugend forscht 2011

2 Ein Projekt von: Jannik Ahej, Lars Schaupeter und Thorsten Schütz Projektbetreuer: Leo Fromm

3 Inhaltsverzeichnis Einführung: Drehmaschinen...3 Optimaler Zustand von Kühlschmierstoffen...4 Gesundheitsgefahren...4 Erhaltung der Güte...4 Zustand in der Praxis...5 Die Idee...5 Die Umsetzung...7 Modifikation der Drehmaschine...9 Fazit...10 Anhang

4 Einführung: Drehmaschinen Drehmaschinen werden zur Herstellung von metallischen und drehsymmetrischen Werkstücken genutzt. Dies geschieht durch eine zerspanende Bearbeitung. Hierbei wird aber nur der zu bearbeitende Werkstoff (Werkstück) in eine Drehbewegung versetzt, das bearbeitende Werkzeug (Drehmeißel, Bohrer) wird nicht bewegt. Außerdem sind durch die Verwendung von verschiedenen Werkzeugen unterschiedliche Drehverfahren, wie beispielsweise: Plan-Drehen, LängsrundDrehen, usw. möglich. Auch längere Drehteile lassen sich problemlos in die Drehmaschine einspannen. Hierzu benötigt man lediglich einen Reitstock und eine Zentrierspitze. Damit man allerdings das Werkstück abstützen kann, benötigt man hierfür noch eine Zentrierbohrung, um das drehende Werkstück fixieren zu können. Allerdings wird bei der Zerspanung Wärme erzeugt. Dies führt zu einer Standzeitverkürzung des Werkzeuges. Um dieser Verkürzung entgegen zu wirken, setzt man heutzutage in der Fertigungstechnik Kühlschmierstoffe (KSS) ein. Diese sorgen für ein Herabsenken der Reibung. Durch das Vermindern der Reibungswärme wird die Standzeit der Werkzeuge verlängert. Desweiteren werden die Kühlschmierstoffe zur Entfernung der Späne, die beim Drehvorgang entstehen, genutzt. Außerdem wird die Oberflächengüte durch die KSS verbessert. Um einen einwandfreien Zustand des Kühlschmiermittels zu gewährleisten, sollte der Tank immer aufgefüllt werden. Dadurch wird ein Bakterien- und Pilzbefall eingedämmt. Im Idealfall sollte der Tank nicht weniger als dreiviertel gefüllt sein. Desweiteren müssen regelmäßige Kontrollen von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden. Auch die Entsorgung muss durch spezialisierte Unternehmen durchgeführt werden, damit keine Gefahr für Umwelt und Gesundheit entsteht. 3

5 Optimaler Zustand von Kühlschmierstoffen Die Güte von wassergemischten Kühlschmiermitteln kann an folgenden Punkten festgemacht werden: Konzentration Ph-Wert Nitritgehalt Keimzahl Dabei gibt es gewisse Grenzwerte, die das Kühlschmiermittel nicht überschreiten darf, da sonst eine ernste Gefahr für die Gesundheit bestehen kann. Auch kann dadurch die Qualität der damit bearbeiteten Werkstück sinken (z.b. erhöhte Korrosion bei falschem Ph-Wert). Die Soll-Konzentration bei unserem Kühlschmierstoff liegt für Universaldrehmaschinen bei 5,7%. Dieser Wert sollte immer angestrebt werden, um ein optimales Ergebnis des Werkstücks zu erhalten. Auch erhöht sich bei zu geringer Konzentration die Temperatur des Kühlschmiermittels zu stark. Der Ph-Wert sollte in einem Bereich zwischen 8.5 und 9.5 liegen. In diesem Bereich ist das Kühlschmiermittel für die Haut nur wenig bedenklich, jedoch nicht ungefährlich. Daher ist es Pflicht, vor dem Drehen seine Hände mit einer speziellen Creme einzucremen. Außerhalb dieses Bereiches kann die Emulsion kippen und Bakterien und Pilze vermehren sich stark. Der Nitrit- und Nitratgehalt kann Rückschlüsse auf die Verkeimung der Emulsion geben. Beide Stoffe sollten im Idealfall nicht im Kühlschmiermittel enthalten sein. Gesundheitsgefahren Kühlschmierstoffe als chemisches Produkt bergen einige gesundheitliche Gefahren. Diese Emulsionen auf Mineralölbasis sind ein guter Nährboden für Bakterien aller Art. Diese Bakterien können bei Verletzungen der Haut zu starken Entzündungen führen. Ferner können Kühlschmierstoffe Nitrosamine enthalten, welche stark karzinogen sind. Auch ein falscher Ph-Wert kann zu Hautkrankheiten führen. Erhaltung der Güte Um einen einwandfreien Zustand des Kühlschmiermittels zu gewährleisten, sollte der Tank immer aufgefüllt werden. Dadurch wird ein Bakterien- und Pilzbefall eingedämmt. Im Idealfall sollte der Tank nicht weniger als dreiviertel gefüllt sein. Desweiteren müssen regelmäßige Kontrollen von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden. Auch die Entsorgung muss durch spezialisierte Unternehmen durchgeführt werden. Damit keine Gefahr für Umwelt und Gesundheit entsteht. 4

6 Zustand in der Praxis In der Praxis sind die Drehbänke oft in gebrauch. So erfährt das Kühlschmiermittel eine starke Durchmischung, sofern viel Material mit HSS-Werkzeugen bearbeitet wird. Jedoch ist es oft auch so, dass monatelang das Kühlschmiermittel nicht gebraucht wird. So kann es unter anderem vorkommen, dass das Kühlschmiermittel eine Zeit lang steht. Dies ist bei niedrigen Tankfüllständen suboptimal für den Zustand der Emulsion. Auch kommt es beim Arbeiten vor, dass die Maschinen ein wenig Emulsion verlieren. So sinkt der Tankfüllstand kontinuierlich während des Bearbeitungsvorganges. Dies hat eine Erhöhung der Temperatur des Kühlschmiermittels zur Folge, welche wiederum das Wachstum von Pilzen und Bakterien fördert. Problematisch ist es auch, dass der Füllstand der Gallic-Drehmaschinen nicht so einfach überprüft werden kann, da der Tank zu alles Seiten geschlossen ist. Die Anbringung eines Schauglases würde Abhilfe schaffen, jedoch besteht die Gefahr, dass der Tank undicht wird, da er aus einem Gussteil besteht. Die Überprüfung des Kühlschmiermittels findet in regelmäßigen Abständen durch die Firma statt, von der wir die Kühlschmierstoffe beziehen. So kann man, wenn man eine Veränderung im Kühlschmierstoff erkennt, frühzeitig eingreifen und Additive in die Stoffe einfügen. Jedoch weiß keiner, welchen Zustand das Kühlschmiermittel zwischen den Überprüfungen hat. Die Idee Wir überlegten uns, wie wir die Situation an den Drehbänken verbessern könnten. Zumal es auch beim Arbeiten schlecht war, wenn das Kühlschmiermittel auf einmal leer war, da man den Füllstand des Tanks ja nicht beobachten konnte. Auch führten wir einen Langzeittest durch, der uns bestätigte, dass Kühlschmiermittel in Maschinen mit Vollem Tank bessere Werte hat als Kühlschmiermittel in Maschinen mit halbvollem Tank. Dazu befüllten wir zwei Maschinen mit frischem Kühlschmiermittel. Dabei wurde ein Tank voll gefüllt und der andere nur halbvoll. Dann versahen wir die Maschinen mit Schildern, die den Anwender darauf hinwiesen, dass er den Tank nur bis zu einem bestimmten Füllstand füllen sollte. Auch wurden die Kollegen darauf hingewiesen, dass sie die beiden Maschinen bevorzugt benutzen sollen, damit auch mit dem Kühlschmiermittel gearbeitet wird. Wir überprüften beide Maschinen zu Beginn und Ende der Messung auf Ph-Wert, Nitritgehalt, Nitratgehalt und Konzentration. 5

7 Abbildung 1: Ermittlung des Ph-Wertes, sowie der Nitrit -und Nitratkonzentration Messprotokoll zu Beginn der Messung Ph-Wert Nitritgehalt Nitratgehalt Konzentration Maschine Voll 9 0% 0% 5% Maschine Halb 9 0% 0% 5% Messprotokoll zu Ende der Messung (nach 3 Monaten) Ph-Wert Nitritgehalt Nitratgehalt Konzentration Maschine Voll 9 0% 0% 4,8% Maschine Halb 8,5 0,1% 0% 6% Man sieht, dass die Maschine mit dem halbvollem Kühlschmiermitteltank, nach diesem Test die wesentlich schlechteren Werte hat. Da dies jedoch nur ein einzelner Versuch war, sprachen wir unseren Kühlschmiermittellieferanten auf den Sachverhalt an, um statistische Fehler auszuschließen. Der Lieferant bestätigte jedoch das Ergebnis. 6

8 Die Umsetzung Mit dieser Erkenntnis machten wir uns Gedanken, wie wir den Füllstand am besten überprüfen können. Beim Studieren eines Kataloges, entdeckten wir Pegelschalter, die komplett eingegossen waren, und mit einem Reedkontakt arbeiten. Somit ist es möglich, die Schalter mit einem Blech im Tank zu befestigen ohne den Tank zu beschädigen. Da die Elektronik eingegossen ist, ist der Unterwasserbetrieb möglich. Ferner wollten wir die Emulsion auf den Ph-Wert prüfen, da dieser Wert ein wichtiger Indikator ist, ob die Emulsion noch gut ist. Auch können so Hautprobleme vermieden werden, da ein stark abweichender Ph-Wert sehr haut schädigend ist. Zur Ansteuerung und Auswertung der Daten wollten wir zuerst eine Kleinsteuerung der Firma Siemens einsetzen, da diese auch die analogen Signale der Ph-Messsonde auswerten kann. Da jedoch in den Drehmaschinen nicht viel Platz zur Verfügung steht, haben wir uns dazu entschieden, die Logikschaltung der Füllstandsüberwachung mittels einer VPS, mit Hilfe von 3 Relais, zu realisieren. Der Ph-Wert wird über einen Messwandler der Herstellerfirma des Sensors abgefragt. Nach einigen Überlegungen entschlossen wir uns, eine Schaltung zu bauen, welche folgende Funktionen hat: Bei vollem Füllstand: Anzeige über eine grüne Lampe Bei niedrigerem Füllstand: Anzeige über eine Gelbe Lampe Bei Unterschreitung der minimal Grenze: Anzeige über eine Rote Lampe und gleichzeitiges Abschalten der Pumpe um ein Trockenlaufen zu vermeiden. Bei kritischem Ph-Wert: Anzeige über eine Rote Lampe. Außerdem hat der Bediener die Möglichkeit den Ph-Wert jederzeit über ein Display abzulesen. Diese Schaltung kann problemlos in den vorhandenen Schaltkasten der Drehbank eingefügt werden. Bevor die Schaltung in die Drehbänke eingebaut wird, musste eine Versuchs und Demonstrationsapparatur gebaut werden, um die Betriebssicherheit der Schaltung zu testen. Dazu fertigten wir einen Probetank an, in welchem die Pumpe und die Sensoren eingebaut wurden. Um unsere Schaltung zu realisieren, wählten wir aus Kostengründen einen ausrangierten Schaltkasten, sowie bereits vorhandene Komponenten. Lediglich die Pegelschalter, die Ph-Messsonde sowie der Messwandler der Ph-Messsonde mussten bestellt werden. 7

9 Abbildung 2: Blick in den Schaltkasten des Versuchsaufbaus Abbildung 3: Der Schaltkasten des Versuchsaufbaus 8

10 Modifikation der Drehmaschine Im zweiten Schritt wurde die Logikschaltung für Füllstandüberwachung in die Drehmaschinen eingebaut. Abbildung 4: Bedienfeld mit Füllstandsampel 9

11 Diese Ausführung stellt die einfache Version unserer Ausarbeitung dar (nur die Füllstandsüberwachung). So kann man mit geringem Kosteneinsatz und Aufwand die Arbeitsbedingungen an den Maschinen stark verbessern. Die Kosten für diese Version belaufen sich auf etwa: 2 Pegelschalter 20 3 Relais incl. Sockel 30 3 Leuchtmelder incl. Sockel 20 Materialkosten 70 Bei der Ausführung mit Ph-Sensor kommen noch Kosten in Höhe von etwa 200 hinzu. Fazit Mit unseren Nachforschungen und der Modifikation ist es uns gelungen, das Arbeiten an den Drehmaschinen bedienerfreundlicher zu gestalten. In zweierlei Hinsichten: 1. Der Arbeitsablauf wird vereinfacht, da der Füllstand der Emulsion mittels einer Ampel dargestellt wird. 2. Das Arbeiten an solchen Drehbänken ist nun weniger gesundheitsschädlich, da die Ausbreitung von Pilzen und Bakterien stärker gehemmt wird. Diese Vorrichtung ist auch an Bohrmaschinen und Fräsmaschinen einsetzbar. Praktisch an allen Maschinen mit Kühlschmiermitteltank. Wir finden: Ein sinnvoller Beitrag zur Gesundheit! 10

12 Anhang Prüfprotokoll einer Drehmaschine Stromlaufplan der Demonstrationsapparatur 11

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