Hochdruck-Kühlschmierstoff-Zuführung

Kühlschmierstoff mit Hochdruck steigert Produktivität und Prozesssicherheit beim Fräsen

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Bei der Hochdruck-KSS-Zufuhr gilt es, den Einsatz der Kühlschmierstoffe in der Zerspanung effektiver und effizienter auszulegen, um somit nur das technologisch notwendige KSS-Volumen der Zerspanstelle zuzuführen.
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Wird beim Zerspanen Kühlschmierstoff zielgerichtet mit Hochdruck zugeführt, steigert dies die Produktivität und Prozesssicherheit deutlich. Wie bereits das Drehen soll auch der Fräsprozess davon profitieren. Wissenschaftler des Aachener WZL untersuchen dies im Projekt ProMill.

Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke
Thomas Lakner, M.Sc.
Dr.-Ing. Benjamin Döbbeler

Zahlreiche Fertigungsprozesse laufen heute voll- oder teilautomatisiert ab. Dies stellt hohe Anforderungen an die Prozesssicherheit und die Produktivität. Die zielgerichtete Zufuhr des Kühlschmierstoffs (KSS) mit erhöhtem Druck (Hochdruck-KSS-Zufuhr) kann in diesem Zusammenhang die Produktivität deutlich steigern und die Prozesssicherheit erhöhen. Allerdings ist der Kühlschmierstoffeinsatz durch die potenziellen Risiken für Mensch und Umwelt nicht unumstritten. Der Gesetzgeber hat darauf durch strengere Gesetze und Verordnungen im Arbeits- und Umweltschutz reagiert. Im Zuge dieser Entwicklungen sind die Anforderungen an moderne Kühlschmierstoffe sowie die Weiterentwicklung von ökologisch und ökonomisch günstigen Kühlschmierstoffzuführungssystemen stetig gestiegen.

Um deshalb nur das technologisch notwendige KSS-Volumen der Zerspanstelle zuzuführen, gilt es bei der Hochdruck-KSS-Zufuhr, den Einsatz wasserbasierter Kühlschmierstoffe in der Zerspanung effektiver und effizienter auszulegen. Im Gegensatz zur konventionellen Überflutungskühlung, die immer noch in vielen Zerspanprozessen angewendet werden, wird der KSS nicht großflächig zugeführt, sondern durch Düsen zielgerichtet in die Kontaktzone zwischen Spanunterseite und Spanfläche eingebracht. Somit kann der Kühlschmierstoff direkt dort effektiv kühlen und schmieren, wo ein Großteil der Wärme im Zerspanprozess entsteht. Die wichtigsten Einstellparameter sind hierbei der Druck und Volumenstrom des KSS. Darüber hinaus ist die Anzahl, Größe und Ausrichtung der Zuführdüsen für das Zerspanergebnis entscheidend.

Diese potenzialträchtige Technologie bei der Fräsbearbeitung wird am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University in einem aktuellen Forschungsvorhaben grundlegend untersucht. Das Vorhaben läuft unter dem Projekttitel „Steigerung der Produktivität beim Fräsen durch die zielgerichtete Zufuhr des Kühlschmierstoffs mit Hochdruck“, kurz ProMill.

Die bereits beim Drehen erforschten vorteilhaften Auswirkungen der gezielten Hochdruck-Kühlschmierstoffzufuhr werden dabei auf den Fräsprozess übertragen. Dies sind

  • deutlich höhere Standzeiten der Werkzeuge aufgrund der gezielten Kühlung und Schmierung sowie
  • die Steigerung der Prozesssicherheit durch kurzbrechende Späne aufgrund der kinetischen Energie des KSS-Strahls.

Demgegenüber ist beim Fräsen ein vorzeitiger Spanbruch unerwünscht, da dies die Gefahr des Doppelschneidens birgt. Von Doppelschneiden wird gesprochen, wenn der Span von der Schneide eingezogen wird, wodurch Ausbrüche an der Schneidkante auftreten können.

Aus diesem Grund soll beim Fräsen die kinetische Energie der Kühlschmierstoffstrahlen durch die gerichtete Kühlschmierstoffzufuhr auf die Rückseite der Späne genutzt werden, um die Späne stärker umzuformen, wodurch der Spankrümmungsradius sinkt. Durch die engere Einrollung der Späne benötigen diese weniger große Spankammern und ermöglicht somit Werkzeuge mit mehr Schneiden bei gleichem Fräserdurchmesser. Als Resultat soll die Produktivität beim Stirnumfangsplanfräsen von Stahl- und Titanwerkstoffen mit mehrreihigen Fräswerkzeugen um 25 % gegenüber dem Stand der Technik gesteigert werden.

Um dieses Forschungsziel zu erreichen, werden grundlegende Mechanismen und die Wirkungsweisen der KSS-Zufuhr unter erhöhten Drücken systematisch beim Fräsen untersucht. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sollen generelle Gestaltungsmerkmale zur Auslegung an die Hochdruckzufuhr angepasster und effizienter Werkzeuge abgeleitet werden. Darüber hinaus gehört zur Zielsetzung, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Parameter für den Zuführdruck und den Volumenstrom des Kühlschmierstoffs zu ermitteln (siehe Grafik). Der essentielle Aspekt dieses Projekts – die Steigerung der Schneidenanzahl bei gleichem Fräserdurchmesser – ist möglich. Aus der Erhöhung der Schneidenanzahl soll die Produktivitätssteigerung hervorgehen. In einer Versuchsreihe wurde ein mit wendeschneidplattenbestückter Messerkopffräser im Vollnutenschnitt eingesetzt. Dabei wurde eine 8%ige Emulsion mit unterschiedlichen KSS-Drücken zugeführt. Beim niedrigen KSS-Zufuhrdruck von 17 bar war kaum ein Einfluss des Kühlschmierstoffstrahls auf die Spanformung feststellbar. Hierbei wurden die Späne vielmehr durch die Spankammer umgeformt. Beim großen KSS-Zufuhrdruck von 103 bar hingegen ließ sich ein deutlicher Einfluss des auf die Rückseite des Spans gerichteten Kühlschmierstoffstrahls auf die Spankrümmung feststellen. Die Späne rollten sich deutlich enger ein und benötigen somit weniger Platz in der Spankammer.

Im Umkehrschluss erlaubt dies die Konstruktion von Werkzeugen mit mehr Schneiden bei gleichem Fräserdurchmesser. Neben der Untersuchung des KSS-Zufuhrdrucks stehen in weiteren Untersuchungen besonders die Einflüsse der Lage, Größe, Anzahl und Ausrichtung der KSS-Zufuhrdüsen auf die Spanbildung und den Werkzeugverschleiß im Fokus.

Das IGF-Vorhaben 18401 N/1 der Forschungsvereinigung Werkzeuge und Werkstoffe e.V. (FGW) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Weitere Informationen rund um das Thema Kühlschmierstoffe geben die Referenten der 5. Aachener Kühlschmierstoff-Tagung am 22. und 23. November 2017 (siehe Infokasten).

WZL der RWTH Aachen University


Informationenzur Tagung

Auf der 5. Aachener Kühlschmierstoff-Tagung am 22. und 23. November präsentieren Experten aus Industrie und Forschung praxisnahe Lösungen für einen ökonomischen und ökologischen Einsatz von Kühlschmierstoffen in der Fertigung. Veranstaltungsort ist das Manfred-Weck-Haus des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen. Beiträge kommen beispielsweise von Fuchs Petrolub, Houghton Deutschland, Blaser Swisslube, Chip Blaster, Polo Filter-Technik Bremen, Ott-Jakob Spanntechnik, ZF Friedrichshafen und dem Werkzeugmaschinenlabor.

Ausrichter der Tagung ist das WZL zusammen mit dem Fraunhofer IPT in Kooperation mit dem Verband Schmierstoff-Industrie e.V. sowie dem VDMA.

Anmeldung unter www.wzlforum.de

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