Kühlschmierstoff Minimalmengen-Kühlschmierung steigert Standzeit beim Bohren

Der Entwicklungsmannschaft von Oelheld gelang es, die Minimalmengen-Kühlschmierung für das Bohren des harten und korrosionsbeständigen Edelstahls X90CrMoV18 profitabel nutzbar zu machen. Ergebnis: Der Standweg des Werkzeugs verlängerte sich um 60%.

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Der Einsatz großer Mengen Kühlschmierstoffe ist in der metallbe- und -verarbeitenden Industrie weit verbreitet, bringt aber auch einige Nachteile mit sich: Die Kosten für die Anlagentechnik zur Kühlschmierstoffversorgung können einige Prozent der Investitionskosten für eine Werkzeugmaschine betragen. Umweltsteuern, Sonderabfallabgaben und Entsorgungsgebühren stellen zusätzlich eine wachsende Kostenbelastung dar. Nicht richtig gehandhabt, können die Kühlschmiermittel Umwelt und Gesundheit belasten. In den vergangenen Jahren gab es deshalb Bestrebungen, auf trockenbearbeitende Verfahren auszuweichen. Doch bis heute erreichen die dabei erzielten Ergebnisse meist keine wirtschaftlichen Standzeiten bei gleichzeitig hohen Oberflächengüten. Eine Alternative mit großem Potenzial ist die Minimalmengenkühlschmierung (MMKS).

Luft-/Öl-Gemisch kühlt

Diese Methode, bei der ein Luft-/Öl-Gemisch auf die Wirkstelle aufgesprüht wird, hat sich in zahlreichen Verfahren bewährt. Erfolgreich angewendet wird sie beim Fräsen und Drehen von Aluminium- und Buntmetalllegierungen sowie von niedriglegierten Einsatz- und Werkzeugstählen. Der Kühlschmierstoffhersteller Oelheld arbeitet in zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten mit, um weitere Einsatzfelder für die MMKS zu erschließen.

Ziel eines Projektes war es, beim Bohren von schwer zerspanbarem Edelstahl die überflutende Kühlschmieremulsion durch eine äußere MMKS zu ersetzen (Bild). Bei einem Werkstoff wie dem hochlegierten Stahl X90CrMoV18 (18% Chrom; 1,3% Molybdän; 0,12% Vanadium) eine anspruchsvolle Aufgabe. Dieser Stahl ist korrosionsbeständig und für Teile mit höchster Verschleißfestigkeit wie Kugellager oder auch schneidende chirurgische Instrumente geeignet. In solch einem Werkstoff ist gerade beim Bohren die hohe Wärmebelastung der Schneidkanten ein Problem.

Unzureichende Kühlung führt schnell zu erhöhtem Verschleiß, plastischen Verformungen an der Schneide und schließlich zum Verlust der Schneidfähigkeit. Üblicherweise werden Minimalmengen-Kühlschmiersysteme auf der Basis von Mineralölen, Estern und Polyglykolen aufgebaut. Die Ergebnisse damit waren jedoch wenig überzeugend: Auch unter Zusatz verschiedener Additive konnten nicht die selben Standzeiten gesichert werden wie durch die Überflutung mit Kühlschmieremulsion.

Zudem neigte der Werkstoff aufgrund der mangelnden Kühlung verstärkt zur Aufbauschneidenbildung, und der Spanbruch wurde durch die heißen und sehr verformungsfähigen Späne verschlechtert. Darum war es nötig, die verwendeten Bohrer hinsichtlich Geometrie, Substrat und Beschichtung zu optimieren. Die besten Standwegergebnisse ließen sich durch die Verwendung von TiAlN/MoS2-beschichteten Bohrern aus Feinstkornhartmetall mit einer angepassten Mikrogeometrie erzielen.

Baukastensystem für optimalen Kühlschmierstoff

Um den geeigneten Minimalmengen-Kühlschmierstoff zu finden, gingen die Oelheld-Forscher nach ihrem bewährten Baukastensystem vor. Das heißt, zunächst wird eine Grundkomponente ausgewählt und diese dann durch Additive optimiert. Dabei arbeiteten die Wissenschaftler mit fünf grundlegenden Additivklassen:

• Verschleißschutzwirkstoffe (AW) bilden durch Reaktion mit der Metalloberfläche plastisch deformierbare Schichten, welche den Verschleiß des Werkzeugs vermindern.
• Hochdruckwirkstoffe (EP) bilden Verbindungen mit geringerer Scherfestigkeit und verhindern so Mikroverschweißungen zwischen den Oberflächen bei hohen Drücken und Temperaturen.
• Reibwertverbesserer (FM) verringern die Reibung zwischen den sich berührenden Metalloberflächen und senken so die thermische Belastung.
• Oxidationsinhibitoren verhindern oxidationsbedingte Verharzung und Säurebildung, indem sie Sauerstoffradikale eliminieren.
• Korrosionsinhibitoren schützen Metalloberflächen mittels Filmbildung vor dem Angriff durch Säure oder Sauerstoff, bilden eine Barriere gegen Wasser oder bewirken in wässrigen Systemen einen basischen pH-Wert.

Am Ende entschieden sich die Wissenschaftler für eine Basis von wasserlöslichen organischen Salzen. Der hohe Wassergehalt war wichtig, denn schon in den vorherigen Testreihen hatte sich gezeigt, dass bereits ein geringer Zusatz an Wasser erheblichen positiven Einfluss auf das Verschleißverhalten des Werkzeuges hat. So kann mit Recht von einer Minimalmengenkühlschmierung gesprochen werden. Und die nach Verdunstung des Wassers verbleibenden Salze bilden auf dem Werkzeug einen Reibung verringernden Film mit großer Haftfestigkeit.

Die Eigenschaften dieser Lösung organischer Salze in Wasser verbesserten die Oelheld-Forscher noch weiter, indem sie zunächst AW- und schließlich auch EP-Additive hinzufügten. Aufgrund dieser optimierten Kombination konnte eine Standzeiterhöhung um mehr als 60% im Vergleich zu der Überflutungskühlung erreicht werden.

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