Herausforderung und Lösungsansätze in der Zerspanung von heute und morgen

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1 Herausforderung und Lösungsansätze in der Zerspanung von heute und morgen Dr. Nicolas Jochum industry partnerships machining & process engineering Blaser Swisslube AG 1

2 Gliederung Einleitung Firma Blaser Swisslube Labors und Technologie Center Einflüsse und Wirkbereiche im Zerspanprozess allgemeine Einflüsse im Zerspanprozess Prozesssicherheit Wirkbereiche und Einflüsse des Kühlschmierstoffes (KSS) im Zerspanprozess Anwendungen in der Zerspanung und Potential Herausforderungen in der Zerspanung Vergleich von KSS und KSS-Zufuhr Beispiel für Optimierung des Zerspanprozesses Produktivität und Prozesssicherheit Beispiel verschiedener Optimierungen in der Zerspanung 2

3 Gliederung Einleitung Firma Blaser Swisslube Labors und Technologie Center Einflüsse und Wirkbereiche im Zerspanprozess allgemeine Einflüsse im Zerspanprozess Prozesssicherheit Wirkbereiche und Einflüsse des Kühlschmierstoffes (KSS) im Zerspanprozess Anwendungen in der Zerspanung und Potential Herausforderungen in der Zerspanung Vergleich von KSS und KSS-Zufuhr Beispiel für Optimierung des Zerspanprozesses Produktivität und Prozesssicherheit Beispiel verschiedener Optimierungen in der Zerspanung 3

4 Firma Blaser Swisslube Gründungsjahr 1936 Hauptsitz CEO Mitarbeitende Produktion Niederlassungen Hasle-Rüegsau, Schweiz Marc Blaser 550 weltweit, davon 280 in der Schweiz Schweiz, USA, Indien und China 15 Tochtergesellschaften und 46 Vertretungen Marc Blaser CEO Willy Blaser ( 2008) Firmengründer Peter Blaser VR-Präsident Als unabhängiges Familienunternehmen sind wir den Kunden bzw. Partnern und nicht dem Börsenkurs verpflichtet. 4

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

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

7 Technologie Center KSS in der Anwendung 5 6 Werkzeugmaschinen für Zerspantests, Kundenprojekte und F&E 7

8 Gliederung Einleitung Firma Blaser Swisslube Labore und Technologie Center Einflüsse und Wirkbereiche im Zerspanprozess allgemeine Einflüsse im Zerspanprozess Prozesssicherheit Wirkbereiche und Einflüsse des Kühlschmierstoffes (KSS) im Zerspanprozess Anwendungen in der Zerspanung und Potential Herausforderungen in der Zerspanung Vergleich von KSS und KSS-Zufuhr Beispiel für Optimierung des Zerspanprozesses Produktivität und Prozesssicherheit Beispiel verschiedener Optimierungen in der Zerspanung 8

9 Produktivität, Prozesssicherheit & Energieeffizienz Maschine / Umgebung Werkzeug / Halter Material / Strategie Kühlschmierstoff / Zuführung [ = sicherer, ökonomischer, ökologischer Prozess durch kompletten Ansatz 9

10 (Haupt-) Aufgaben des Kühlschmierstoffes (KSS) Schmieren Tribologie Spülen Schutzfilme Humanverträglich Umweltfreundlich Maschinenverträglich Kühlen Benetzung 10

11 Interaktion Kühlschmierstoff, Werkstück und Werkzeug Nach Kronenberg Nach Vieregge Span Scherebene 80 % 5 % 18 % 75 % Werkstück Wärmeentstehung Wärmeverteilung Konventionelle Zerspanung von Stahl 20 % Werkzeug Spanfläche Freifläche 2 % Span Werkstück Werkzeug 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 komplexe Zusammenhänge 11

12 Leidenfrost-Effekt und Benetzung Benetzung ist in erster Linie abhängig von Kühlschmierstoff Werkzeug Werkstück Temperatur Druck ineffektive Kühlung durch hohe Temperatur schlechte Benetzung / kleine Kontaktzone 12

13 Einfluss der Luftanreicherung im KSS d = mm d = mm WZ: d WZ = 20 mm a e = 3 mm a p = 5 mm v c = 120 m / min z = 2 f z = 0.01 mm KSS = wmb WZ: d WZ = 20 mm a e = 3 mm a p = 5 mm v c = 120 m / min z = 2 f z = 0.01 mm KSS = wmb hoher Luftanteil im Kühlschmiermittel geringer Luftanteil im Kühlschmiermittel 13

14 Einfluss des KSS Ti-Zerspanprozess (3.7164) 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 14

15 Einfluss des KSS Ti-Zerspanprozess (3.7164) Versuch: Taschenfräsen Werkstoff: Titan Abbruchskriterium: WZ-Bruch oder zu hohe Spindellast Indikator: Spanungsvolumen V W [mm 3 ] 140% mehr Spanungsvolumen durch Änderung des Kühlschmierstoffs Spanvolumen V W [mm 3 ] 45'000 40'000 35'000 30'000 25'000 20'000 15'000 10'000 Reduzierung der benötigten Energie 5'000 0 Blaser Vasco 7000 Konventioneller KSS 15

16 Einfluss des KSS auf die Aluminium Zerspanung Werkzeug: Manigley M16-ISO2 - HSS Material: Aluminium 6082 KSS 1 ungeeignet Maschine: Mazak Nexus 410 KSS 2 geeignet 16

17 Einfluss des KSS auf die CFK-Zerspanung Vorteile KSS: Aussen- und Innenkontur fräsen Bindung von Spänen / Partikeln präzise Fertigung saubere Maschine, Abspülen von abrassiv-wirkenden Partikeln Verlängerung der Werkzeugstandzeit Reduzierung des Wärmeeintrags Reduzierung von Nachbearbeitungsschritten Untersuchung der mechanischen Eigenschaften des CFK nach DIN EN 2563 Innenkontur WZ: zyl. Fräser d WZ = 3 mm v f = mm / min a e = 0.6 mm a p = 0.3 mm v c = 100 m / min f z = 0.02 mm KSS = TP, 8% wmb trocken Aussenkontur nass WZ: zyl. Fräser d WZ = 8 mm v f = mm / min a e = 0.3 / 3 mm a p = --- mm v c = 100 m / min f z = mm KSS = TP, 8% wmb 17

18 Gliederung Einleitung Firma Blaser Swisslube Labore und Technologie Center Einflüsse und Wirkbereiche im Zerspanprozess allgemeine Einflüsse im Zerspanprozess Prozesssicherheit Wirkbereiche und Einflüsse des Kühlschmierstoffes (KSS) im Zerspanprozess Anwendungen in der Zerspanung und Potential Herausforderungen in der Zerspanung Vergleich von KSS und KSS-Zufuhr Beispiel für Optimierung des Zerspanprozesses Produktivität und Prozesssicherheit Beispiel verschiedener Optimierungen in der Zerspanung 18

19 Zerspanungstechnik aus heutiger Anwendersicht Ausgangslage Bohrungen Ø 1,9 mm neue Materialien: Standzeit:180 Bohrungen Erreicht: Bohrbilder bis Bohrungen trotz ungünstige KSS-Bedingungen bei 35 bar (siehe nächste Folie) Vermessung der Toleranz der Bohrung Härtemessung der Materialplatten (Werkstücke) an verschiedenen Stellen Ø Nr mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm mm 19

20 Anforderungen an moderne Kühlschmierstoffe Steigende Beanspruchung von Maschine, Werkzeug und KSS: zielgerichtete Zufuhr, hoher Druck, Anwendungen bis zu 400 bar (Drehen) grosse Kräfte / mechanische Last (z.b. Zentrifugen, KSS-Filtration) hohe Temperaturen (Hitze) 1'900 g 2'500 g [ [ 20

21 Zerspanungstechnik aus heutiger Anwendersicht neu Leckage KSS- Austritt 21

22 Hartbearbeitung mit geometrisch best. Schneide Maschine Werkstück Werkzeug unterschiedlicher MMS-/ KSS-Bedienungen möglich Kriterien: gute Oberfläche gute WZ-Standzeit 22

23 Hartbearbeitung mit geometrisch best. Schneide Werkstücke von Ceratizit 155 [SixSigma] unterschiedlicher KSS- Bedienungen: Fluten KSS 1 Fluten KSS 2 Fluten Öl 1 Fluten Öl 2 MMS 1 MMS 2 Luft Kaltluftdüse Zerspanungsvolumen V W [mm 3 ] konvent. MMS Blaser MMS MMS Prozessgrössen Gegenlauf / Gleichlauf n = 24'000 U/min v f = 900 mm/min f z = mm a p = 0.5 mm a e = 0.01 mm v c = 150 m/min V W = 4.5 mm 3 /min Werkzeuge Kugel- / Torusfräser: D2 R0.1 z = 2 CVD-Dicke = ~0.020 mm(schicht) 23

24 Optimierte KSS-Zufuhr Lufteinschlüsse und Auffächern bei schlechter KSS-Zufuhr führen zu: geringe Kühl- (Luft = Isolator) und Schmierwirkung Thermoschock grossem benötigtem Volumenstrom IKZ - Bohren Nadeldüsen - Schleifen Fräsen 24

25 Gliederung Einleitung Firma Blaser Swisslube Labore und Technologie Center Einflüsse und Wirkbereiche im Zerspanprozess allgemeine Einflüsse im Zerspanprozess Prozesssicherheit Wirkbereiche und Einflüsse des Kühlschmierstoffes (KSS) im Zerspanprozess Anwendungen in der Zerspanung und Potential Herausforderungen in der Zerspanung Vergleich von KSS und KSS-Zufuhr Beispiel für Optimierung des Zerspanprozesses Produktivität und Prozesssicherheit Beispiele verschiedener Optimierungen in der Zerspanung 25

26 Kostenkalkulation $4'500'000 $4'000'000 $3'500'000 $3'000'000 $2'500'000 $2'000'000 $1'500'000 $1'000'000 $500'000 $0 Jährliche Kosten und Kostenreduktion Werkzeuge *KSS Total jährliche Ersparnis Blaser KSS Nalco Konventioneller KSS Aspekte / jährliche Ersparnisse: Erhöhen der Werkzeugstandzeit um 27 % / 765'354 $ Einsparen von Additive VE-H 2 O, Rost-, dermatologischer Schutz / 97'696 $ Erhöhen der Badstandzeit von 3 auf 12 Monate / 201'510 $ geringe Ausbringrate reduziert deutlich weitere KSS-Kosten Folgen: trotz teurerem KSS-Produkt günstigere KSS- Kosten geringe Maschinenstillstandzeiten durch seltene KSS-Wechsel und hohe Werkzeugstandzeiten führen zu: Erhöhten Hauptzeiten + ~ $ (Annahmen: Maschinenstunde = 100 $, 8 h pro KSS-Wechsel) geringer KSS-Managementaufwand Erhöhen der Produktivität +? $ 26

27 Optimierung des gesamten Zerspanprozesses Optimierung des Werkzeuges Steigerung der Schnittgeschw. v c von 60 auf 80 m/min Optimierung der Zufuhr und des KSS Steigerung der Schnittgeschw. v c von 80 auf 160 m/min Drehen 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. anderes KSS einsetzbar (weiche Faktoren) optimierte KSM-Düse konventionelle KSM-Düse 27

28 Optimierung des gesamten Zerspanprozesses Ausgangslage: Fertigungszeit 3 min Standzeit 90 Bohr. 28

29 Optimierung des gesamten Zerspanprozesses Resultate: Verschleiss nach 90 Bohrungen: Verlauf der Bohrungen: Werkstückqualität / Oberfläche: 0.03 mm 0.1 mm sehr gut 29

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 30