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SMM InnovationsForum Fertigung Der Kühlschmierstoff in der modernen Fertigung

Redakteur: Anne Richter

Der Fertigungsstandort Schweiz ist laufend gefordert, die Produktivität zu steigern und die Kosten pro Teil zu senken. Der Kühlschmierstoff (KSS) kann hier einen erheblichen Beitrag leisten, wenn er auf Werkzeuge, Prozesse und Materialien optimal abgestimmt ist.

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Bild 1: Bearbeitungsresultate mit optimierter MMS Auslegung.
Bild 1: Bearbeitungsresultate mit optimierter MMS Auslegung.
(Bild: Blaser)

Ein richtig ausgewählter und eingesetzter KSS hat das Potenzial, die Kosten pro Werkstück massiv zu senken. Dies zeigt sich auf der Kostenseite durch tieferen Werkzeugverschleiss. Auf der Produktivseite können mit aggressiveren Zerspanstrategien die Bearbeitungszeiten gesenkt werden.

Maschinen- und Lohnkosten machen 50 % und mehr der Produktionskosten aus, während Werkzeug- und KSS-Kosten nur mit 10–20 % ins Gewicht fallen. Dieses Verhältnis erlaubt mit einer Mehrinvestition in Werkzeug und KSS eine effiziente Produktion sowie Einsparungen auf der Maschinen- und Lohnseite. Diese Einsparungen können um ein Vielfaches grösser sein als die getätigten Investitionen. Oft besteht der Trugschluss, dass ein tiefer Literpreis mit tiefen KSS-Kosten einhergeht. Unter dem Gesichtspunkt der Total Cost of Ownership (TCO) ist dieser Preis nur einer von verschiedenen Faktoren. Viel wichtiger sind die Faktoren Emulsionsstandzeit, Einsatzkonzentration und Nachfahrrate. Diese nämlich definieren den Gesamtverbrauch an Konzentrat und somit die tatsächlichen Kosten. Folgende Berechnungen verdeutlichen dies:

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  • Nachfahrrate: KSS wird während der Bearbeitung durch Vernebelung, Anhaften von KSS an Spänen und Werkstücken laufend ausgetragen. Pro Jahr kann dies die doppelte bis 3-fache Menge der Erstbefüllung ausmachen. Die Kühlschmierstofflösungen von Blaser Swisslube benötigen typischerweise eine Nachfahrkonzentration von 1–2 %, während andere KSS auf eine Nachfahrkonzentration von 4–5 % kommen. Dies kann die Gesamtkosten auch bei einem tieferen Literpreis nach oben treiben.
  • Emulsionsstandzeit: Moderne KSS, richtig gepflegt, erreichen eine Standzeit von mehr als 12 Monaten – auch ohne den massiven Einsatz von Biozid und Chemikalien. KSS-Wechsel in kürzeren Intervallen bedeuten neben den KSS-Kosten zusätzliche Maschinenstillstände und somit Produktionseinbussen.

Hochdruck- und Freiflächenkühlung

Bei der Hochdruckkühlung ist mit der klassischen Spanflächenkühlung eine klare Leistungssteigerung realisierbar. Dies kann anhand des Drehens von Ti-Al6-V4 gezeigt werden (Bild 3). Hier kann mit einem Wechsel von Überflutungskühlung auf eine Hochdruckkühlung von 80 Bar eine Steigerung von bis zu 90 % erreicht werden. Eine Erhöhung des Drucks um 50 % auf 120 Bar bringt eine weitere Verbesserung von 25 % der Standmenge mit sich. Berücksichtigt werden müssen hier die Kosten für die Hochdruckpumpen und der dafür nötigen Energie. Erfahrungsgemäss rechnet sich eine solche Investition vor allem dann, wenn mit der Einführung der Hochdruckkühlung auch der Prozess auf Leistung getrimmt wird. Die optimierte Standzeit erlaubt höhere Abtragsraten, welche über den Hebel der Maschinen- und Lohnkosten zu grossen Kosteneinsparungen führen.

Eventtipp: SMM InnovationsFORUM FertigungstechnikDas SMM InnovationsFORUM ist der Treffpunkt der Schweizer Fertigungsindustrie, an dem ausgewiesene Fertigungsexperten über die aktuellsten Trends der Branche informieren. Nutzen Sie die Gelegenheit mit den Referenten zu diskutieren und sich mit den anderen Teilnehmern auszutauschen.
Wann: Mittwoch, 14. November 2018
Wo: Forum der Messe Luzern
Preis: 150.-- CHF (exkl. MwSt.)
Informationen: www.smm-innovationsforum-fertigung.ch

Weniger klar ist die Lage mit den Freiflächenkühlungen (Bild 2). Die bisher in internen Untersuchungen erzielten Resultate zeigen ein uneinheitliches Bild. Teilweise konnten grosse Verbesserungen der Standzeit generiert werden. In anderen internen Tests wurde die Prozesssicherheit radikal reduziert. Im hier vorliegenden Beispiel (Bild 3) zeigt sich ein zweiseitiges Bild: Bei tiefen Drücken konnte eine Steigerung der Standmenge um 70–100 % erzielt werden. Bei höheren Drücken kam es jedoch zu katastrophalen Ausbrüchen der Schneidenecken. Eine mögliche Ursache ist, dass die Spanzone soweit heruntergekühlt wurde, dass die vorher bestehende thermische Entfestigung wegfiel und das Werkzeug durch die nun höhere Spanformkraft überlastet wird. Dies führte in kürzester Zeit zum Werkzeugbruch. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Kühlung über die Freifläche bei höheren Drücken grundsätzlich nicht funktioniert. Bei einer Änderung muss der Gesamtprozess neu bewertet und eventuell angepasst werden.

Minimalmengenschmierung: Chancen und Herausforderungen

Die Minimalmengenschmierung (MMS) hat in der letzten Zeit grosse Entwicklungsschritte gemacht. Heute sind Operationen im Bereich des Tieflochbohrens und Gewindeformen in Titan-Legierungen mit MMS prozesssicher und wirtschaftlich, was vor fünf Jahren noch undenkbar gewesen wäre. Möglich wurde dies durch Fortschritte bei MMS-Geräten, Zufuhrsystemen und bei den Schneidwerkzeugen selbst. Eines der grössten Potenziale der MMS besteht in der Zerspanung von hochfesten und korrosionsbeständigen Stählen. Die Zerspanwerkzeuge haben mit der Entwicklung zu härteren aber spröden Substraten und Beschichtungen den Verschleiss in der Trockenbearbeitung markant reduziert, sind dadurch aber anfällig auf Kammrisse der Schneidkante geworden. Ursache dieser Risse ist die thermische Wechselwirkung, die mit dem Einsatz von KSS entsteht. MMS kann in diesem Bereich ansetzen und durch die Schmierung des Ölnebels einen Beitrag zur Verbesserung der Werkzeugstandzeit und Oberflächengüte leisten.

Das Potenzial von MSS soll am Beispiel des Fräsens von Stahl 1.4837 (Bild 1) illustriert werden. Mit MMS konnte hier eine Verbesserung der Standzeit gegenüber KSS um einen Faktor 6 generiert werden, da die Werkzeuge keine Kammrisse mehr aufwiesen. Mit der Wahl des optimalen MMS-Öls ist eine weitere Verbesserung um einen Faktor 2 möglich. Eine Umstellung auf MMS verlangt eine Anpassung von Werkzeugen und Prozessparametern. Die Erfahrung mit MMS-Prozessen fehlt aber bei vielen Anwendern, was durch das Hinzuziehen von Experten und dem Wissen von Werkzeug-, Geräte- und KSS Lieferanten kompensiert werden muss. Deswegen findet heute die MMS meist in der Grossserien-Fertigung ihre Verwendung, in denen die zu erzielenden Einsparungen und Prozessverbesserungen die Investitionen in die Umstellung leichter rechtfertigen können.

Regulative Auflagen als Innovationsfaktor

Der Bereich der klassischen KSS wird in den nächsten Jahren durch strengere Gesetze bezüglich Inhaltsstoffe geprägt werden. Chemikalien, die bisher zu den Standard-Inhaltsstoffen der Branche gehörten, werden als umwelt- oder humangefährdend eingeschätzt und fallen weg. Mit solchen Stoffen formulierte KSS müssen dann umformuliert oder vom Markt genommen werden. Dies kann für Kunden zur Konsequenz haben, dass in kürzester Zeit ein neuer KSS evaluiert werden muss, weil die bisherige Lösung nicht mehr lieferbar ist. Die Firma Blaser Swisslube befindet sich hier in der glücklichen Lage, dass durch ihre Leitlinien zur bioverträglichen Produktentwicklung viele dieser Schritte schon vorweggenommen wurden, sodass diese Umstellungen an Blaser-KSS grösstenteils vorbeiziehen. SMM

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