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Kühlschmierstoffe Kühlschmiertechnologien im Vergleich

| Autor/ Redakteur: Marc Sieber, Dennis Korff und Dal Ho Lee / Mag. Victoria Sonnenberg

Hyundai WIA hat sich mit den Auswirkungen unterschiedlicher Kühlschmiertechnologien befasst. Im Fokus standen der Einfluss auf den Zerspanprozess sowie die wirtschaftliche Bewertung. Verglichen wurden Überflutungskühlung, Trockenbearbeitung sowie die Aerosol-Trockenschmierung (ATS).

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Bild 1: Die XF6300 mit integriertem Rother Aerosolmaster 4000.
Bild 1: Die XF6300 mit integriertem Rother Aerosolmaster 4000.
(Bild: Hyundai WIA)
  • Hyundai WIA untersuchte im Detail die Auswirkungen unterschiedlicher Kühlschmiertechnologien: Überflutungskühlung, Trockenbearbeitung und Aerosol-Trockenschmierung (ATS).
  • Die Untersuchungen zeigen, dass die ATS-Technologie als Alternative zur Überflutungskühlung Potenzial hat.
  • Dennoch gilt es anwendungstechnisch zu überprüfen, welche Kühlstrategie sich am besten eignet.

Während des Zerspanprozesses treten in der Schnittzone hohe Temperaturen auf. Um diesen entgegenzuwirken, wird heute noch üblicherweise die Überflutungskühlung mittels Kühlschmierstoffen eingesetzt. Neben den positiven Effekten wie Kühlung, Schmierung und Spänespülung können jedoch hierbei auch Beschädigungen an Werkzeug und Werkstück durch thermischen Schock auftreten. Außerdem ist die Speicherung und Pflege des Kühlschmierstoffes mit dem Invest in teure Anlagen verbunden und deren Verwendung ist aus ökologischer Sicht eher negativ zu bewerten. Die am Markt zur Verfügung stehenden Alternativen, wie zum Beispiel die Minimalmengenschmierung (MMS), kommen bis heute nur sehr eingeschränkt und nicht flächendeckend zum Einsatz, da zum einen das technologische Know-how bezüglich der Prozessauslegung beim Endanwender nicht ausreichend vorhanden ist und zum anderen die Maschinen nicht für den produktiven Einsatz der MMS-Technologie ausgelegt sind (Stichwort: Späneabtransport und -nesting).

Hyundai WIA hat sich im Rahmen einer durchgeführten Untersuchung im Detail mit den Auswirkungen unterschiedlicher Kühlschmiertechnologien befasst. Dabei standen der Einfluss auf den Zerspanprozess sowie die wirtschaftliche Bewertung mit ganzheitlichem Ansatz im Fokus der Betrachtung. Die in den Vergleichsbetrachungen zur Anwendung kommenden Technologien waren neben der Überflutungskühlung die Trockenbearbeitung sowie die Aerosol-Trockenschmierung (ATS) der Rother Technologie GmbH. Die Umsetzung der Versuchsreihe erfolgte auf der hauseigenen XF6300, einem dynamischen und präzisen 5-Achs-Bearbeitungszentrum, welches durch seinen konstruktiven Aufbau für die Trockenbearbeitung beziehungsweis den Einsatz der ATS-Technologie geeignet ist. Grund dafür ist die optimale Späneentsorgung in einen Späneförderer direkt unter der Zerspanungszone. Da im Arbeitsraum keine horizontalen und keine flach ansteigenden Flächen vorliegen, können die Späne schwerkraftbedingt direkt abgeführt werden, ohne dass die Gefahr von Spänenestbildung vorliegt.

Die für die Testdurchführung gewählte ATS-Technologie zeichnet sich durch die Erzeugung eines Aerosols aus feinsten Öltröpfchen aus, die deutlich kleiner als die Öltropfen einer konventionellen Minimalmengenschmierung sind. Hierdurch kann trotz reduzierter Ölmenge eine bessere Benetzung der Werkzeugoberflächen erfolgen, was zu einer deutlichen Reduzierung der Reibung und damit Wärmeentwicklung in der Schnittzone führt. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass das Öl am besten durch Arbeitsspindel und Werkzeug direkt zum Zerspanprozess geleitet wird.

Einfluss auf den Werkzeugverschleiß

Ein bedeutendes Kriterium zur Bewertung der Prozessqualität ist neben den erzeugten Oberflächen am Werkstück der auftretende Werkzeugverschleiß. Von großem Interesse ist der Einfluss der Kühlstrategie auf den Werkzeugstandweg beziehungsweise die Werkzeugstandzeit unter definierten Schnittbedingungen. Für die Fräsversuche fand ein dreischneidiges Plattenwerkzeug mit Durchmesser 25 mm Verwendung. Jede der drei Wendeschneidplatten wird über einen im Werkzeuggrundkörper eingebrachten Kühlkanal direkt mit dem Aerosol versorgt. Auf Basis der Katalogangaben des Werkzeugherstellers wurden die Schnittparameter für die Zerspanung des Testwerkstoffes 1.0570 (St52) wie folgt gewählt:

  • Eingriffsbreite ae = 17,5 mm,
  • Zahnvorschub fz = 0,117 mm,
  • Schnittgeschwindigkeit
    vc = 400 m/min,
  • Schnitttiefe ap = 2 mm.

Während der Zerspanversuche wurde kontinuierlich der Verschleißzustand an der Freifläche jeder Schneidplatte ermittelt. Als Abbruchkriterium wurde eine Verschleißmarkenbreite von 300 µm definiert. Zwei der ermittelten Verschleißkurven sind in Bild 2 dargestellt. Es zeigt die Ergebnisse des gemittelten Freiflächenverschleißes jeweils aller drei Schneiden und deren Abweichungen vom Mittelwert in Abhängigkeit der Schnittzeit bei der Trockenzerspanung wie auch bei der Anwendung von ATS.

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Die in den Testreihen zur Anwendung kommende ATS-Technologie kühlt und schmiert den Bearbeitungsprozess mit einem Esteröl, welches vom Hersteller für die Bearbeitung von Aluminium und Stahl empfohlen wird. Der Rother Aerosolmaster 4000 ermöglicht die Wahl eines von 27 unterschiedlichen Schmierprogrammen, die sich alle in der zur Verfügung gestellten Schmiermittelmenge und dem Luftdruck unterscheiden, wie auch von drei zusätzlichen Programmen mit reiner Druckluftkühlung. Für die Durchführung der Zerspanversuche wurden zwei repräsentative Schmierprogramme ausgewählt (P7: ≈ 5 ml/h Öl, P9: ≈ 20 ml/h Öl, je bei 4,7 bar Luftdruck). Demgegenüber wurde bei der Versuchsreihe mit Überflutungskühlung eine 8%ige Emulsion mit 10 bar Druck durch Kühlmitteldüsen dem Prozess zugeführt.

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