Zerspanungsoptimierung Kryogene Kühltechnik für Zerspanungsprozesse einfach nachrüsten

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Forscher aus Stuttgart haben mit der MHT GmbH Merz & Haag eine Nachrüsteinheit entwickelt, mit der die kryogene Kühlung per Kohlendioxid an Bestandsmaschinen relativ einfach nachgerüstet werden kann.

Durch den Einsatz von Kohlenstoffdioxid als Kühlmedium kann die Wirtschaftlichkeit im Zerspanungsprozess deutlich verbessert werden. Für die einfache Nachrüstung der kryogenen Kühltechnik in Bestandsmaschinen hat die MHT GmbH Merz & Haag zusammen mit dem Fraunhofer IPA eine Alternative entwickelt und erfolgreich getestet.

Im Zerspanungsprozess unterliegen Werkzeug und Werkstück hohen mechanischen Belastungen, wobei die zur Spanentstehung nötige mechanische Energie in der Scher- und Reibzone fast vollständig in Wärme umgesetzt wird (Bild 2). Die dabei entstehenden Wärmeströme werden nur zu gut 75 Prozent mit dem Span abgeführt, während die restlichen circa 25 Prozent in das Werkzeug respektive in das Werkstück eingeleitet werden. Diese thermische Belastung führt einerseits zu einer starken Aufheizung der Werkstücke, die mit einer entsprechenden Ausdehnung derselben verbunden ist. Darüber hinaus verursachen die hohen Temperaturen Verschleißerscheinungen am Zerspanungswerkzeug wie beispielsweise mechanischer Abrieb, Diffusionsvorgänge oder Verzunderungen. Diese Effekte wirken sich negativ auf die Bearbeitungsqualität und Bearbeitungsgenauigkeit der Werkstücke sowie die Standzeit der Zerspanungswerkzeuge aus (Klocke und König 2008; Lang 2012).

Die üblichen Kühlstrategien bei der Zerspanung

Um die Temperaturbelastung im Zerspanungsprozess zu vermeiden respektive zu verringern, werden typischerweise Kühlschmierstoffe (KSS) eingesetzt, die meist als Öl-Wasser-Emulsion vorliegen, wobei Zerspanungswerkzeuge und Werkstück in der Regel mit denselben überflutet werden. Diese als Nasszerspanung bezeichnete Kühlstrategie erlaubt neben einer Abfuhr der Prozesswärme aus der Kontaktstelle Werkzeug-Werkstück auch eine Reduktion von Reibwärme durch Schmierwirkung. Damit tragen Kühlschmierstoffe zu einem hohen Leistungsniveau einer Vielzahl spanender Fertigungsprozesse bei (Lang 2012).

Außer den technischen Vorteilen, die mit dem Einsatz von KSS verbunden sind, stellen sie jedoch eine nicht unerhebliche Gefährdung für Mensch und Umwelt dar. So können Kühlschmierstoff-Bestandteile wie beispielsweise Bakterizide und Fungizide bei Kontakt oder Aspiration Auslöser für Erkrankungen sein. Darüber hinaus führen Leckage- und Ausschleppverluste, Waschwasser oder die Entsorgung verbrauchter Kühlschmierstoffe zu einer Belastung von Boden, Wasser und Luft. Der Gesetzgeber hat deshalb den Umgang und die Entsorgung von Kühlschmierstoffen mit strengen Auflagen geregelt. Für die Unternehmen bedeuten die Einhaltung sowohl eine hohen Verantwortung gegenüber ihren Mitarbeitern als auch eine hohe finanzielle Belastung – zum Beispiel Entsorgungskosten. (siehe Klocke und König 2008; Koch 2015).

Einen Ansatz, um auf den Einsatz von Kühlschmierstoffen vollständig zu verzichten, stellt die sogenannte Trockenbearbeitung dar, wobei entweder eine eingeschränkte Kühlung durch Luft realisiert, oder auf eine Kühlung vollständig verzichtet wird. Bei der Trockenbearbeitung kommt daher den Beschichtungen der eingesetzten Zerspanungswerkzeuge eine besondere Bedeutung zu, mit deren Hilfe die thermische Belastung der Schneidstoffe reduziert und Adhäsions- und Reibvorgänge zwischen Zerspanwerkzeug und Werkstück verringert werden sollen. Die Nachteile der Trockenbearbeitung liegen unter anderem in einer höheren Wärmeentwicklung im Prozess, welche die Maßhaltigkeit des Bauteils negativ beeinflussen kann und im nicht mehr vorhandenen Späneabtransport durch die Spülwirkung der Kühlschmierstoffe.

Kann auf die schmierende Wirkung von Kühlschmierstoffen nicht vollständig verzichtet werden, empfiehlt sich bei der spanenden Bearbeitung auch die sogenannte Minimalmengenschmierung (MMS). Dabei wird der Zerspanungsstelle ein Aerosol aus Luft und Schmierstoff zugeführt (Lang 2012).

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