Prozesssicheres Trockenbearbeiten erfordert Systemoptimierung

Nicht nur weil die Fertigungskosten gesenkt werden, gewinnt die Trockenbearbeitung an Bedeutung, sondern auch aus Gründen des Umweltschutzes. Das Spanen ohne Kühlschmiermittel setzt allerdings...

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Nicht nur weil die Fertigungskosten gesenkt werden, gewinnt die Trockenbearbeitung an Bedeutung, sondern auch aus Gründen des Umweltschutzes. Das Spanen ohne Kühlschmiermittel setzt allerdings entsprechend angepasste Werkzeugmaschinen und Werkzeuge voraus. Nicht minder wichtig ist die Optimierung der Prozessparameter. Der Einstieg in die Trockenbearbeitung kann durch die Umrüstung herkömmlicher Werkzeugmaschinen vereinfacht werden.Unterstützt durch das Bundesministerium für Forschung und Technologie und unter der Führerschaft der deutschen Automobilindustrie wurden bundesweit im Zeitraum 1995 bis 2000 von 34 Industriepartnern, neun Forschungseinrichtungen und vier industriellen Unterauftragnehmen breitfächernde Untersuchungen zur Trockenbearbeitung durchgeführt. Es bestand die Zielstellung, den Kühlschmierstoffeinsatz bei der Metallzerspanung zu verringern.Neben den durch die wissenschaftlichen Einrichtungen geleisteten Grundlagenarbeiten waren es die industriellen Unternehmen und Werkzeughersteller, die umfassende Erkenntnisse zu den Möglichkeiten und Grenzen der Trockenbearbeitung gewonnen und Prozesslösungen eingeführt haben [1 bis 5]. Dabei darf man nicht übersehen, dass das hohe Leistungsniveau und die Zuverlässigkeit zahlreicher spanender Fertigungsprozesse unter anderen durch das wirksame Kühlen und Schmieren in der Wirkzone des Spanens, durch den Späneabtransport von der Schneide und aus der Maschine sowie durch die thermische Beeinflussung wichtiger Maschinenbaugruppen erreicht worden ist. Trotz der großen technischen Bedeutung sind die Kühlschmierstoffe (KSS) in den vergangenen Jahren zunehmend in das Kreuzfeuer der Kritik geraten. Auslöser hierfür waren, bedingt durch verschärfte Umweltauflagen, steigende Kosten bei ihrem Einsatz und bei der Entsorgung der KSS und Späne. Durch die Trockenbearbeitung kann bei der Zerspanung metallischer Werkstoffe mit geometrisch bestimmter Schneide das Kühlschmiermittel wegfallen. Damit bestehen Möglichkeiten, die beim unsachgemäßen Umgang mit den Kühlschmierstoffen auftretenden gesundheitlichen Gefährdungspotenziale für den Menschen sowie die Kosten für die Pflege und für die Entsorgung von Kühlschmierstoffen sowie bei der Späneentsorgung und der Reinigung der bearbeiteten Werkstücke zu reduzieren und/oder einzusparen.Technologisch ist der Wegfall des Kühlschmierstoffes nicht einfach zu vollziehen. Vielfältig und wechselseitig können die Auswirkungen auf das Werkzeug, das Werkstück und auf die Werkzeugmaschine sein. Die wirtschaftliche, prozesssichere und qualitätsgerechte trockene Werkstückbearbeitung erfordert eine ganzheitliche Betrachtung aller das Bearbeitungsergebnis beeinflussenden Größen sowie solcher Maßnahmen, die geeignet sind, die primären Funktionen des KSS zu kompensieren. Diese komplexe Betrachtung der Einflüsse auf den Fertigungsprozess ist zwar keine Besonderheit der Trockenbearbeitung, aber der Wegfall der primären Funktionen des Schmiermittels bedingt eine eingehende und sehr sorgfältige Analyse der Randbedingungen der Spanungsprozesse.Durch die stärkeren Reibungs- und Adhäsionsvorgänge zwischen Werkzeug und Werkstoff kommt es unter anderen zu höheren mechanischen und thermischen Belastungen der Werkzeuge verbunden mit größerem Span- oder Freiflächenverschleiß. Diesem wird mit den beschichteten Hartmetallen entgegengewirkt. Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass unter den Bedingungen der Trockenbearbeitung an beschichteten Hartmetallwerkzeugen eine reduzierte und sehr gleichmäßige Ausbildung von Span- und Freiflächenverschleiß zu verzeichnen ist. Im unterbrochenen Trockenschnitt kann im Vergleich zur Nassbearbeitung das Leistungsvermögen eingesetzter Hartmetalle - wegen des geringeren Thermoschockes - sogar um ein Vielfaches höher sein. Erforderlich sind Werkzeuge mit optimierten GeometrienDie Erfolge der Trockenbearbeitung, basieren aber auch auf bedeutenden Entwicklungen von Werkzeugen mit optimierten Geometrien. Erst damit und mit den neuen Beschichtungssystemen konnte die sichere Beherrschung von Spanbildung und Spanabfuhr sowie eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet werden.Im Hinblick auf eine zu erreichende hohe Prozesssicherheit bei der Trockenbearbeitung auf hochproduktiven, automatischen Fertigungsanlagen mit Werkstückwechsel- und Messeinrichtungen werden von den eingesetzten Werkzeugen nicht nur ein reproduzierbares Verschleißverhalten und eine hohe Bruchsicherheit, sondern insbesondere eine sichere Spanformung verlangt. Der Wegfall der Kühlschmiermittel führt zu höhere Spanungstemperaturen und beeinflusst die Spanbildung. Gegenüber dem Nassschnitt sind bei der Trockenbearbeitung die Späne heißer und damit verformungsfähiger. Als Folge der hohen Verformungsfähigkeit bilden sich bevorzugt Band- und Wirrspäne, die sich um Werkzeug und Werkstück wickeln, diese beschädigen, die im Span enthaltene große Wärmemenge auf Werkzeug und Werkstück übertragen. Vielfach stellt daher bei der Realisierung einer Trockenbearbeitung nicht das Verschleißverhalten der Schneidstoffe, sondern die sichere Spanbildung das Hauptproblem dar. Über Vorschub, Spantiefe, Schnittgeschwindigkeit und Werkzeuggeometrie (angepasste Spanformrillen) wird die Spanausbildung stark beeinflusst. Gelingt es dennoch nicht, kurzbrüchige Späne zu erzeugen, ist das Einfügen einer Verweilzeit (kurzzeitige Abstoppen der Vorschubbewegung) eine, wenn auch nicht gerade elegante Möglichkeit zur Spanbruchbeherrschung.Die fehlende Spülwirkung des Kühlschmiermittels führt bei vorhandenen Werkzeugmaschinen oft zu Ansammlungen heißer Späne im Maschinenraum. Dies hat Auswirkungen auf die thermische Stabilität einzelner Funktionsbaugruppen sowie der Gesamtmaschine und in deren Folge beeinflussen die erhöhten Bauteiltemperaturen die geometrischen und stofflichen Werkstückqualitäten und insbesondere die Prozessfähigkeit nachteilig. Der Trockenbearbeitungsprozess muss so ausgelegt werden, dass möglichst wenig Wärme in das Werkstück eingebracht wird. Die entstehende Zerspanungswärmemenge lässt sich berechnen (Qges = Fc ? lc). Ansatzpunkte zur Verringerung der Zerspanwärme bieten sich beim Zerspanen mit geometrisch bestimmter Schneide von Seiten der Werkzeuggeometrie (beispielsweise Reduzierung der Schnittkraft Fc durch einen größeren positiven Spanwinkel), der Werkzeugbeschichtung (Reduzierung von Fc durch Verringerung von Reibung, Adhäsion und Verschleiß), der Schnittbedingungen (Reduzierung der Schnittkraft durch eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit; Verkürzung des Schnittweges lc durch eine Vergrößerung des Vorschubes, was aber wiederum höhere Schnittkräfte zur Folge hat, aber auch von Seiten des Werkstückes durch eine Reduzierung des abzuspanenden Volumens (Near-Net-Shape-Teile), 1-Schnitt-Bearbeitung, dadurch Verringerung der Schnitttiefe ap (Fc senken ) sowie der Anzahl an Schnitten (lc veringern). Die Wirkmechanismen sind sehr komplexWie diese Ausführungen zeigen, ist das Zusammenwirken der die Wärmebildung und Wärmeverteilung beeinflussenden Größen außerordentlich komplex. Hinzu kommt, dass einzelne Maßnahmen teilweise mehrere Effekte bewirken. Die Frage, welche konkreten Maßnahmen geeignet und notwendig sind, um bei einer Trockenbearbeitung die fehlenden Kühl- und Schmierfunktionen zu kompensieren, kann nur im Zusammenhang mit der jeweils gestellten Bearbeitungsaufgabe und der daraus resultierenden thermischen und mechanischen Belastung von Bauteil und Werkzeug beantwortet werden.Bei den Betrachtungen zu erreichbaren Bauteilgenauigkeiten kommt dem thermoelastischen Verhalten der Werkzeugmaschine eine zentrale Bedeutung zu. Angesammelte und aufgrund des fehlenden Kühlschmierstoffes nicht aus dem Maschinenraum gespülte Späne, aber auch Wärmeübergänge von der Schneide auf den Werkzeugträger und das Maschinenbett oder Wärmestrahlungen vom Hydraulikkreislaufsystem auf den Maschinenkörper sind einige Ursachen für thermische Verlagerungen in der Maschine.Werkzeugmaschinen müssen angepasst werdenFür viele potentielle Anwender einer Trockenbearbeitung stellt sich deshalb die Frage, ob diese auf den verfügbaren Werkzeugmaschinen zu realisieren ist. Dies ist für eine Endbearbeitung zu verneinen. Oftmals genügen aber verhältnismäßig einfache Maßnahmen, um auch vorhandene Werkzeugmaschinen für eine Trockenbearbeitung umzurüsten, wie Anbau einer Minimalmengenkühlschmierung, Absaugung der von dem MMKS-System stammenden Dämpfe und Aerosole, Absaugung von Metallstäuben, Entfernen der sich im Maschinenraum ablagernden Späne mit einem Industriesauger.Die Umrüstung vorhandener Werkzeugmaschinen erleichtert den Einstieg in eine Trockenbearbeitung. Bei Neuinvestitionen sollte jedoch die Möglichkeit einer Trockenbearbeitung in das Pflichtenheft für die zu beschaffende Werkzeugmaschine mit aufgenommen werden. Von Seiten der Werkzeugmaschinenhersteller ist damit zu rechnen, dass diese in Zukunft verstärkt Maschinen und Maschinenkomponenten anbieten, die speziell auf die Belange einer Trockenbearbeitung abgestimmt sind. Zur Beantwortung der Frage, ob und unter welchen Randbedingungen eine Trockenbearbeitung möglich ist, sollte man möglichst alle das Bearbeitungsergebnis beeinflussenden Größen in die Betrachtungen einbeziehen und ihre gegenseitigen Wechselwirkungen versuchen zu berücksichtigen. Im Mittelpunkt aller Betrachtungen stehen das Bauteil, seine wirtschaftliche, qualitätsgerechte und prozesssichere Herstellbarkeit und die sich entwickelnden Kostenanteile für die Kühlschmiermittelbeschaffung, -wartung und -entsorgung sowie die Späneentsorgung.Im Hinblick auf eine breite Umsetzung der Trockenbearbeitung, besonders in kleinen und mittelständischen Unternehmen, kommt vor allem der Beherrschung der Bohrungsherstellung und der entsprechenden Folgeoperationen in Stahl- und Aluminiumwerkstoffen ohne Kühlschmierstoff eine Schlüsselposition zu. Auch werden bei diesen Unternehmen sehr viele Bearbeitungszentren mit Einzelbefüllung eingesetzt, teilweise sehr unterschiedliche Werkstücke und Werkstoffe auf einer Maschine bearbeitet und deshalb muss auch eine sehr hohe Flexibilität gefordert werden. Dies bedingt gegenwärtig noch die Hilfe des Technologienetzes und wissenschaftlicher Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen.Mitarbeiter rechtzeitig und umfassend informierenErfahrungen der Heidelberger Druckmaschinenwerke AG - dort sind mehr als 100 Maschinen auf die Trockenbearbeitung umgestellt - zeigen aber auch, dass neben einer Vielzahl im Verbund mit Werkzeug- und Maschinenhersteller sowie Forschungseinrichtungen zu lösender bedeutender technischer und organisatorischer Probleme die erfolgreiche Einführung der Trockenbearbeitung durch die rechtzeitige und umfangreiche Information, Schulung und Anlaufbetreuung der Mitarbeiter möglich wurde. Die Trockenbearbeitung wurde letztendlich erst dann an allen dafür geeigneten Arbeitsplätzen eingeführt, wenn den Mitarbeitern positive Erfahrungen bei der Prozessstabilität, Verfügbarkeit der Werkzeuge und notwendige Systemkenntnisse vorlagen.Literatur[1]Auf dem Weg zur Trockenbearbeitung - Herausforderungen an die Fertigungstechnik. VDI-Tagung Düsseldorf, 13. Februar 1996.[2]Auf dem Weg zur Trockenbearbeitung - Herausforderung an die Fertigungstechnik. VDI-Bericht 1240. Düsseldorf: VDI-Verlag 1996.[3]Trockenbearbeitung prismatischer Teile. VDI-Bericht 1375. Düsseldorf: VDI-Verlag 1998.[4] Praxis der Trockenbearbeitung. VDI-Bericht 1458. Düsseldorf: VDI-Verlag 1999. [5]Trockenbearbeitung: Drehen, Fräsen, Bohren. VDI-Bericht 1532. Düsseldorf: VDI-Verlag 2000.