Trockenbearbeitung ist wirtschaftlich und umweltfreundlich

Die Vorteile der Trockenbearbeitung sind vor allem Kosteneinsparung und Wegfall der Thermoschockbelastung der Werkzeugschneide. Um effizient trocken zu bearbeiten, sind detaillierte Kenntnisse über...

Anbieter zum Thema

Flow Europe GmbH

Renishaw GmbH

Fastems Systems GmbH

Die Vorteile der Trockenbearbeitung sind vor allem Kosteneinsparung und Wegfall der Thermoschockbelastung der Werkzeugschneide. Um effizient trocken zu bearbeiten, sind detaillierte Kenntnisse über das komplexe Zusammenwirken von Werkstück, Werkstoff, Bearbeitungsverfahren, Werkzeug, Bearbeitungsbedingungen und Werkzeugmaschine notwendig. Mit abgestimmten Parametern ist bei zahlreichen Fertigungsaufgaben Trockenbearbeitung möglich.Ein derzeit in der Fertigungstechnik heiß diskutiertes Thema stellen die Minimalmengenschmierung (MMS) und Trockenbearbeitung dar. Die Motivation Kühlschmiermittel vollständig aus dem Arbeitsraum der Bearbeitungsmaschine zu entfernen liegt im Potenzial zur beträchtlichen Kosteneinsparung, dem Wegfall des Entsorgungsproblems und der Beseitigung der gesundheitlichen Belastungen im näheren Maschinenumfeld.Diese Argumente gelten gleichermaßen für kleine und mittelständische wie für große Betriebe. In bisherigen Untersuchungen schwankt das wirtschaftliche Potenzial zwischen 1,8 und 18% der Produktionskosten. Solche Angaben sind selbstverständlich individuell auf eine Ausgangsituation, einen Standort und das Produkt selbst bezogen. Fest steht allerdings, dass der Wegfall der Vollstrahlkühlung bei der Metallzerspanung auch den Wegfall der Thermoschockbelastung der Werkzeugschneide bedeutet.Dass dadurch der Einsatz von einigen superharten Schneidstoffen überhaupt erst möglich wird, eröffnet weitaus höhere Schnittwerte, aber auch in klassischen Einsatzgebieten für Hartmetalle macht sich dieser Vorteil durch längere Werkzeugstandzeiten deutlich bemerkbar. Darüber hinaus hat die Entwicklung der Schneidstoffe und Werkzeuggeometrien für die Trockenbearbeitung weiteres Potenzial für Zerspanleistungen und Standzeiten geschaffen. Ziel ist es also diese Entwicklung im Betrieb einzusetzen und die Vorteile zu realisieren.Um Trockenbearbeitung effektiv zu praktizieren sind detaillierte Kenntnisse über das komplexe Zusammenwirken von Bauteil, Werkstoff, Bearbeitungsverfahren, Werkzeug, Bearbeitungsbedingungen sowie Werkzeugmaschine notwendig. Die Kombination und sorgfältige Abstimmung dieser Parameter auf die Belange der Trockenbearbeitungstechnologie zeigen, dass bei zahlreichen Aufgabenstellungen eine kühlschmierstofffreie Bearbeitung möglich ist.Ein in der Anwendung häufig auftauchendes Problem ist zum Beispiel das Finden und prozesssichere Erhalten der richtigen Einstellung für eine Minimalmengenschmierung. Gerade bei diesem Thema muss das Wissen des Herstellers für Minimalmengenschmiertechnik mit dem Wissen von Werkzeughersteller, Maschinenhersteller und Prozesstechniker zusammengeführt werden. Einstellwerte für Minimalmengenschmierung hinsichtlich Bearbeitungsoperation, Werkstück und Material sind derzeit leider noch nicht als Katalog vorhanden, lassen sich aber im Versuch problemlos bestimmen.Minimale Schmierstoffmengen als Aerosol zuführenUnter Minimalmengenschmierung (MMS) versteht man die Zuführung des Schmiermediums als Aerosol, als feinste Tröpfchen im Druckluftstrom. Hierbei werden deutlich weniger als 50 ml je Prozessstunde zur Zerspanungswirkstelle zugeführt. Wesentliches Merkmal ist, dass bei korrektem Einsatz Werkzeug, Werkstück und Späne trocken bleiben, so dass die Verwendung des Begriffs Trockenbearbeitung durchaus gerechtfertigt ist. Aufgrund dieser Mengenverhältnisse ergibt sich ein Problem.Häufig ist der Sprühnebel mit dem Auge nicht mehr zu sehen. Das macht den Umgang mit dem MMS-System für den Werker an der Maschine schwierig, denn erhöht er die Dosierung, führt dies häufig wieder zu Spänen, die in der Entsorgung nicht mehr als trockenes Material angenommen werden. Des Weiteren wird bei zu hoher Dosierung die Maschine mit einer Schicht aus Schmiermittel und Feinspänen verschmutzt. Ebenso muss bei äußerer Zufuhr des Aerosols die Einstellung zur exakten Benetzung der Wirkstelle gefunden und auch gegen Stossberührungen beim Werkzeugwechsel und ähnliches gesichert werden.Zur Minimalmengenschmierung geeignete Substanzen sind im Wesentlichen Emulsionen, die wegen ihres hohen Wasseranteils gute Spantransporteigenschaften haben, und Öle mit hervorragender Schmierwirkung. Die Reduktion der Prozesstemperatur bei Minimalmengenschmierung wird vorwiegend durch die deutliche Herabsetzung der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück erreicht, die Energieaufnahme bei der Verdampfung hat nur marginalen Einfluss.Die an die Zerspanstelle herangeführte Luft unterstützt dabei den Späneabtransport. Grundsätzlich wird bei MMS-Systemen zwischen äußerer und innerer Zuführung des MMS-Gemisches unterschieden (Bild 1). Ein Beispiel für das Einsatzgebiet der äußeren MMS-Zuführung ist die Fräsbearbeitung, weil die Schnitttiefen so gering sind, dass eine ausreichende Benetzung des Werkzeugs jederzeit gewährleistet ist.Systeme mit innerer Zuführung werden häufig bei Bohr- und Reiboperationen eingesetzt, da bei großen Bohrungslänge/Durchmesser-Verhältnissen (l/d > 3) eine Versorgung von außen nicht mehr sichergestellt werden kann. Diese Applikation hat sich als universell einsetzbar herausgestellt, sie ist bei Werkzeugmaschinen mit schon vorhandener innerer Kühlschmierstoffzufuhr mit geringem zeitlichem und finanziellem Aufwand nachzurüsten.Allerdings müssen auch Werkzeuge mit speziell für den Aerosoltransport gestalteten inneren Kanälen angeschafft werden. Zudem sollte zur Vermeidung von Ölnebelemissionen eine Absauganlage an der Werkzeugmaschine vorhanden sein; dies ist aber auch wieder stark von der Dosierung abhängig.Ein Einsatz der Minimalmengenschmiersysteme erscheint deshalb erst dann sinnvoll, wenn durch Werkzeug- und Beschichtungsoptimierungen keine signifikanten Erfolge erzielt werden. In einigen Fällen ist die Anwendung der Minimalmengenschmiertechnik jedoch der einzig gangbare Weg zur prozesssicheren Realisierung der Trockenbearbeitung.Die Trockenbearbeitung stellt umfangreiche Anforderungen an das gesamte Umfeld der Fertigungstechnik. Es sind sowohl von der Forschung als auch von Beschichtungs- und Werkzeugherstellern umfangreiche Ansätze vorhanden, die den Verzicht von Kühlschmierstoff an der Schneide ermöglichen. Dabei werden sowohl die Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide betrachtet, als auch bei Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide Alternativen zur Kühlschmierstoff-Bearbeitung gesucht. Zu beobachten ist, dass auch zunehmend von der Werkzeugmaschinenindustrie Konzepte angeboten werden, die auf die Trockenbearbeitung ausgerichtet sind. Die Tabelle zeigt für verschiedene Fertigungsverfahren mit mehrschneidigen Werkzeugen, durch welche Lösungswege Erfolge bei der Trockenbearbeitung erzielt worden sind.Die Randbedingungen sind entscheidendDie Lösungswege haben verschiedene Entwicklungsstadien erreicht und müssen deshalb differenziert bewertet werden. Teilweise stellt der in Bild 1 wiedergegebene Weg erste Grundsatzuntersuchungen dar (beispielsweise Tieflochbohren oder Räumen), teilweise wird die Trockenbearbeitung mit dem angegebenen Lösungsweg schon in der Serienfertigung eingesetzt (zum Beispiel Fräsen von Aluminium-Knetlegierungen). Die Ergebnisse müssen zudem unter den betrachteten Randbedingungen gesehen werden. Als Beispiele sind geforderte Bauteilqualität, Vergütungszustand des Werkstückstoffes oder auch der eingesetzten Werkzeugmaschine zu nennen.Eine direkte Übertragung der Lösungswege bei geänderten Randbedingungen ist meist nicht erfolgversprechend. Weil bei der Trockenbearbeitung die Schneiden einer erhöhten thermischen Belastung ausgesetzt sind, ist zu überprüfen, inwieweit das konventionelle (Nass-)Werkzeug den gestiegenen Anforderungen genügt. Dabei muss die Werkzeuggeometrie wie Frei- und Spanwinkel, Spanbrechernuten und der Neigungswinkel bei Fräswerkzeugen optimiert werden. So minimiert ein angepasster Spanwinkel die Schnittkraft, ein großer Spanraum optimiert den Spanabtransport und schmale Führungsleisten minimieren die Reibung, Ein verjüngter Schaft berücksichtigt die Wärmeausdehnung.Geänderte tribologische Zustände am Schneidkeil können beim trockenen Einsatz von Standardsubstraten zu signifikanten Leistungsverlusten führen. Dabei bleibt offen, ob zur Trockenbearbeitung ein vollkommen neuer Werkstoff eingesetzt werden muss (beispielsweise Wechsel von HSS auf HM) oder ob eine Verbesserung des konventionellen Substrats ausreichend ist. Die derzeitige Entwicklung beim Substrat geht in Richtung der Feinstkornhartmetalle, die sowohl Zähigkeit als auch Härte steigern. Die Zukunft sind Werkzeuge mit anforderungsgerechten Eigenschaften des Substrats (harte Schneide, zäher Kern).Eine zentrale Rolle bei der Trockenbearbeitung kommt sicherlich der Auswahl einer geeigneten Beschichtung zu, weil durch verbesserte chemische Schichteigenschaften und optimierte Werkzeug-vorbehandlungen große Leistungsreserven erschlossen werden können. Die physikalischen Eigenschaften der Beschichtungen, die die Trennfläche zwischen Werkzeug und Werkstoff darstellen und hier den Schmierstoff ersetzen sollen, müssen allerdings speziell auf das Eigenschaftsprofil der Trockenbearbeitung abgestimmt sein.Höhere Schnittwerte und die damit höheren Temperaturen an der Wirkstelle erfordern höhere chemische Beständigkeit. Zusätzlich schützt geringe Warmleitfähigkeit das Substrat. Die entstehende Zerspanungswärme soll nahezu vollständig in den Span eingeleitet werden, so dass Schneidkörper und Werkstück weitestgehend kühl bleiben.Um die Erzeugung von Wärme zu minimieren und gleichzeitig Werkstoffanhaftungen zu vermeiden, soll die Beschichtung die Reibung der Werkzeugflächen mit Span und Werkstück verringern. Hier gibt es zwei Konzepte: besonders harte und gleichzeitig glatte Beschichtungen sowie Beschichtungen mit auf die Oberfläche aufgebrachten oder in der Schicht eingelagerten trockenen Schmierstoffen, beispielsweise MOS2.Schnittbedingungen und Werkzeug abstimmenDie eingesetzte Technik darf nicht unabhängig vom Werkzeug betrachtet werden. Vielmehr müssen Werkzeug und Schnittbedingungen aufeinander abgestimmt sein. Bei neuartigen Beschichtungen müssen die Bearbeitungsdaten angepasst werden, denn erst die Kombination aus angepasster Technik und verbessertem Schneidstoff entscheidet über den Erfolg der Trockenbearbeitung.Es hat sich gezeigt, dass durch höhere Schnittwerte die entstehende Prozesswärme in den Span geht und dadurch Werkzeug und Werkstück weniger thermisch belastet werden. Ein vielfach vernachlässigter Lösungsweg für die Realisierung der Trockenbearbeitung ist die Anpassung der Zerspanstrategie. So konnte bei der Trockenbearbeitung von Aluminium-Knetlegierungen gezeigt werden, dass durch geänderte Frässtrategien der Späneabtransport von der Zerspanstelle ermöglicht wird.Die Umgebung kann bei Trockenbearbeitung durch verdampfende Konservierungsstoffe und/oder durch Feinstäube aus der Zerspanung zusätzlich belastet werden. Diese Emissionen müssen vermieden oder adäquat entsorgt werden, um nicht den Maschinenbediener einem erhöhten Gesundheitsrisiko auszusetzen oder Verpuffungen in der Werkzeugmaschine zu provozieren. Als ein Lösungsweg bietet sich hier die Installation von Absaugvorrichtungen mit entsprechenden Filtersystemen an.Eine Schlüsselstellung für den Erfolg der Trockenbearbeitung nimmt die Werkzeugmaschine ein. Das größte Problem stellt hierbei der Späneabtransport dar, der schnell und prozesssicher erfolgen muss, damit die Späne die Wärme nicht in die Werkzeugmaschine abgeben. Gelingt dies nicht, so kann dies zu thermischen Verlagerungen der Fertigungseinheit führen. Dies hat Qualitätseinbußen zur Folge. Die Dichtungen der Maschine müssen in jedem Fall an die erhöhte abrasive Wirkung der trockenen Späne angepasst sein.Die Vorteile der Trockenbearbeitung sowie die mittlerweile dazu einsatzfähige Technik lassen erwarten, dass diese Technologie die konventionelle Bearbeitung bei der Einrichtung neuer Fertigungsstätten und einzelner Produktionsprozesse ablösen wird. Anforderungen bezüglich Wirtschaftlichkeit, Qualitätssicherung, Arbeitsicherheit und Kundenwünsche sind weitere unterstützende Faktoren. Dies betont die Wichtigkeit für Unternehmen jeder Größenordnung, sich mit der neuen Technologie auseinander zu setzen, um so schnell wie möglich an den Vorteilen der Trockenbearbeitung teilzuhaben oder spätestens bei der Investition einer neuen Maschine oder der Erweiterung der Fertigungskapazitäten die richtige Entscheidung fällen zu können.Zur Trockenbearbeitung gibt es heute noch wenig ,,Plug-und-Play-Lösungen", weshalb an dieser Stelle auf das ,,Technologienetz Trockenbearbeitung" hingewiesen wird, das die Verbreitung der Trockenbearbeitung zur Aufgabe hat und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Es bietet interessierten Unternehmen Unterstützung bei der ,,Trockenlegung" von Fertigungsprozessen, sowohl mit experimenteller Betrachtung zum Finden von geeigneten Schnittparametern, als auch mit übergreifenden Informationen zur Werkzeugmaschinen, zu Werkzeugen und zur Technik rund um die Trockenbearbeitung.