Angepasste Kühlschmierstofflösungen für schwer zerspanbare Werkstoffe Dr. Nicolas Jochum

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1 Angepasste Kühlschmierstofflösungen für schwer zerspanbare Werkstoffe Dr. Nicolas Jochum Industrielle Partnerschaften / Zerspanungs- und Prozesstechnologie

2 Gliederung Einleitung Firma Blaser Labore und TechnologieCenter Blaser Vorgehen Einfluss des KSS auf die Zerspanung Wo und wie wirkt der KSS Zerspanversuche Optimierung der Prozesse und Energiebilanz Belastung und Kosten des KSS Produktivität, Kostenreduktion durch richtige KSS-Wahl Beispiel für Optimierung des gesamten Zerspanprozesses

3 Gliederung Einleitung Firma Blaser Labore und TechnologieCenter Blaser Vorgehen Einfluss des KSS auf die Zerspanung Wo und wie wirkt der KSS Zerspanversuche Optimierung der Prozesse und Energiebilanz Belastung und Kosten des KSS Produktivität, Kostenreduktion durch richtige KSS-Wahl Beispiel für Optimierung des gesamten Zerspanprozesses

4 Firma Blaser Gründungsjahr 1936 Hauptsitz Hasle-Rüegsau, Schweiz CEO Marc Blaser Mitarbeitende 500 weltweit, davon 250 in der Schweiz Produktion Schweiz, USA, Indien und China Niederlassungen 15 Tochtergesellschaften und 46 Vertretungen Als Familienunternehmen sind wir den Kunden bzw. Partnern und nicht dem Börsenkurs verpflichtet. Marc Blaser CEO Willy Blaser Firmengründer Peter Blaser VR-Präsident

5 Labor und TechnologieCenter liquidtool Bio-Chemielabor: Analysen von Prozesswasser, KSS im Einsatz (Monitoring, Verträglichkeit) Kundespezifische Betreuung bzgl. der Kühlschmierstoffe Unterstützung und Schulung der Anwender Forschung und Entwicklung (F&E) TechCenter: reproduzierbare Ergebnisse mit einheitlichen Verschleisskriterien Zerspanungstechnische Lösungen Vergleich der KSS im Zerspanungsprozess Abbildung kundenspezifischer Prozesse im Zerspanungslabor

6 Bio-Chemielabor: 4 Labore auf 3500 m 2 für F&E, Analytik, Mikrobiologie und Kundendienst

7 Zerspanungstechnische Lösungen im TechCenter KSS in der Anwendung 5 6 Werkzeugmaschinen für Zerspantest, Kundenprojekte und F&E

8 Gliederung Einleitung Firma Blaser Labore und TechnologieCenter Blaser Vorgehen Einfluss des KSS auf die Zerspanung Wo und wie wirkt der KSS Zerspanversuche Optimierung der Prozesse und Energiebilanz Belastung und Kosten des KSS Produktivität, Kostenreduktion durch richtige KSS-Wahl Beispiel für Optimierung des gesamten Zerspanprozesses

9 Prozesssicherheit durch kompletten Ansatz [ [ = sicherer, ökonomischer, ökologischer Prozess

10 Interaktion von KSS, Werkstück und Werkzeug: Wärmeeintrag und Verhalten am Werkzeug Konventionelle Zerspanung von Stahl 80 % 75 % 5 % 20 % Wärmeentstehung Wärmeverteilung Nach Kronenberg 18 % 2 % Nach Vieregge Temperatureinfluss Tribologie und TE Chemie und TE unterschiedlichste Materialpaarungen (Beschichtung, WZ, WS, KSS) Leidenfrost-Effekt Benetzung & Kontaktwinkel optimierte KSS- Zufuhr, damit KSS möglichst in die Prozesszone kommt O 2 -Gehalt / Sättigung Luftblasen

11 Benetzung der Spanfläche und Freifläche Wo wirkt der KSS tatsächlich? Kommt ausreichend KSS in die PZ? Wieviel KSS braucht es auf Span- und Freifläche? Abbildung 1*: Starke elastisch-plastische Verformungen, Material fliesst unter der Hauptschneide vorbei. Abbildung 1 Abbildung 2*: Chip roots from machining Ti-6Al-4V with cutting edge radii of r n = 10 µm (left) and r n = 50 µm (right); the area in front of the larger cutting edge radius is deformed more heavily * C.Wyen, Rounded cutting edges and their influence in machining titanium, dissertation, ETH-Zürich, Abbildung 2

12 Beispiel für Zerspanuntersuchung / angepasste Kühlschmierstofflösungen Nr mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm Ausgangslage: neue Materialien (1.4849), 180 Bohrungen mm Bohrungen Ø 1,9 mm mm Erreicht: Bohrbilder bis 2300 Bohrungen mm Vermessung der Toleranz der Bohrung Härtemessung der Materialplatten (Werkstücke) an verschiedenen Stellen ungünstige KSS-Bedingungen 35 bar. Ø

13 Beispiel für Zerspanuntersuchung neu Leckage KSS- Austritt

14 Einfluss des Kühlschmierstoffes auf die Titanzerspanung (Ti6Al4V) Werkzeugverschleiss als Indikator WZ: a e = 3.0 mm a p = 3.0 mm v c = 80 m / min f z = 0.1 mm KSS = 1, 2, 3 Konz. 8 % Kühlschmierstoff 1 Kühlschmierstoff 2 Kühlschmierstoff 3 Konventioneller, gealterter Kühlschmierstoff Optimaler Kühlschmierstoff

15 Einfluss des KSS auf Zerspanprozess / Auswirkung auf die Oberflächenqualität Bsp. Gewindescheiden ungünstiger und geeigneter Kühlschmierstoff Werkzeug: Manigley M16-ISO2 HSS KSS 1 Material: Aluminium 6082 Maschine: Mazak Nexus 410 KSS

16 Einfluss des Kühlschmierstoffs: niedriger Mineralölgehalt, Inhaltsstoffe Werkzeugstandzeit [m] konv. KSS 1 opt. KSS WZ: - / AlTiN a e = 3 mm a p = 12 mm v c = 70 m / min f z = 0.06 mm WS = Ti6Al4V KSS = 8 % wmb Fuchs Ecocool SLF Blaser B-Cool 755 Mineralöl % Wassergehalt % 47 4 Borhaltig ja/nein Ja Nein Formaldehyd Ja Nein ja/nein Amine Ja Ja Schmierfähigkeit, Reichert 5% in 20 dh Wasser Schaumverhalten - Schaumvolumen - Zerfallszeit - Restvolumen Mikroschaum 164 bar 139 bar 9 mm 300 s 6 mm 5 mm 4 s 1 mm

17 Einfluss des Kühlschmierstoffs und der Werkzeugspannung: hoher Mineralölgehalt IKZ_V1 IKZ _V2 IKZ + Aussen Weldon Δ30 45 % konv. KSS 2 opt. KSS WZ: - d WZ = 10 mm a e = 12 mm a p = 9 mm v c = 90 m / min f z = 0.06 mm f = 678 mm / min WS = Ti6Al4V KSS = 8 % wmb

18 Einfluss des Kühlschmierstoffs, Mineralölgehalt und Inhaltsstoffe Inhaltstoffe / Kenngrössen optimierter KSS (Blaser) konventioneller KSS 1 (Mitbewerber) konventioneller KSS 2 (Mitbewerber) Mineralölgehalt [%] Wassergehalt Borhaltig nein ja nein Formaldehyd nein ja nein Amine ja nein ja Schmierfähigkeit, Reichert (5 %, 20 dh, Wasser) Schaumverhalten - Schaumvolumen - Zerfallszeit - Restvolumen/ Mikroschaum 139 bar 164 bar - 5 mm 4 s 1 mm 9 mm 300 s 6 mm

19 Einfluss des KSS-Bedingungen auf den Ti-Zerspanprozess (Titan: , Ti6Al4V) Werkzeugstandweg [m] trocken Wasser ungeeig. KSS opt. KSS WZ: - d WZ = 20 mm a e = 3 mm a p = 3 mm v c = 80 m / min f z = 0.1 mm WS = KSS = 8 % wmb Nur Kühlen mit Wasser alleine ist nicht zielführend! Einfluss von Schmierwirkung und anderen Einflüssen (Benetzung, Tribologie, ) spielen eine erhebliche Rolle!

20 Einfluss der Kühlschmierstoffzufuhr Optimierte KSS- Zufuhr mit kl. Düsenaustritt (Ø = 2 mm) geringer benötigter Volumenstrom gut ausgeprägter (pseudolaminarer) KSS-Strahl optimierte KS-Bedingungen führen zu hohen Zeitspanvolumen resp. Standzeiten und geringeren benötigten Volumenströmen prozesssicher und energieeffizient Werkzeugtype d WZ = 6 mm v f = 9000 mm / min a e = 0.04 mm a p = 2 mm v c = 30 m / s V w = 69 mm³ / mms Q w = 6.0 mm³ / mms KSS = Öl

21 Einfluss der KSS-Zufuhr auf die Prozesskräfte Tangentialkraft F t [N] Kraft in Vorschubrichtung ungünstige Kühlschmierbedingungen in der Prozesszone geeignete Kühlschmierbedingungen in der Prozesszone Werkzeugtype d WZ = 6 mm v f = 9000 mm / min a e = 0.04 mm a p = 2 mm v c = 30 m / s V w = 69 mm³ / mms Q w = 6.0 mm³ / mms KSS = Öl Zeit[s] Kühlschmierstoff erreicht die Prozesszone Reduzierung der Tangentialkraft führt direkt zur Reduzierung der Spindelleistung (P c = F t v c ) und des Werkzeugverschleisses

22 Energiebilanz: Optimierung des Kühlschmierstoffs Spindellast [kw] ΔE KSS 1 KSS 2 Einfluss des KSS (Öl): Ein geeigneter KSS führt zur Reduktion der Prozesskräfte Reduktion der Spindellast mit dem geeigneten KSS ( ) führt zu verringerter Leistungsaufnahme ΔE der Maschine 1 0 Zeit [s]

23 Energiebilanz: Optimierung des Kühlschmierstoffs Spindellast [kw] KSS 1 KSS 2 Einfluss des KSS (Öl): Ein geeigneter KSS führt zur Reduktion der Prozesskräfte Reduktion der Spindellast mit dem geeigneten KSS ( ) führt zu verringerter Leistungsaufnahme ΔE der Maschine Nutzung der gewonnen Leistungsreserve zur Erhöhung des Vorschubs: Erhöhung der Produktivität um Δt (blauer KSS ) Reduktion des Fixanteils der Energie pro Bauteil Zeit [s] Δt

24 Optimierte KSS und KSS-Zufuhr Energiebilanz Drehen von Inconel 600 Optimierung des Werkzeuges Steigerung der Schnittgeschw. v c von 60 auf 80 m/min Drehen Optimierung der Zufuhr und des KSS Steigerung der Schnittgeschw. v c von 80 auf 160 m/min Weiter Vorteile: Bessere Werkstückoberfläche Reduzierung des benötigten KSS- Drucks von 80 auf 40 bar Reduzierung der Betriebszeit des KSS-Kühlgerätes um 80 % (7 kw Kühlleistung bei 25 C) evtl. anderer KSS einsetzbar (weiche Faktoren) optimierte KSM-Düse konventionelle KSM-Düse

25 Gliederung Einleitung Firma Blaser Labore und TechnologieCenter Blaser Vorgehen Einfluss des KSS auf die Zerspanung Wo und wie wirkt der KSS Zerspanversuche Optimierung der Prozesse und Energiebilanz Wirtschaftlichkeit und Kosten des KSS Produktivität, Kostenreduktion durch richtige KSS-Wahl Beispiel für Optimierung des gesamten Zerspanprozesses

26 Einfluss des KSS auf die durchschnittlichen Fertigungskosten Durchschnittliche Fertigungskosten eines Werkstücks* konventioneller Kühlschmierstoff optimierter Kühlschmierstoff Kühlschmierstoff 0,5% Personal 60% Maschinen 30% Werkzeuge 5% * Studie Saint-Gobain, Frankreich Verschiedenes 4,5%

27 Beispiel für Optimierung des gesamten Zerspanprozesses Ausgangslage: Fertigungszeit 3 min Standzeit 90 Bohr

28 Beispiel für Optimierung des gesamten Zerspanprozesses Resultate: Verschleiss nach 90 Bohrungen: Verlauf der Bohrungen: Werkstückqualität / Oberfläche: 0.03 mm 0.1 mm sehr gut

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!