Vademecum Kontaktleistung und Wärmefluss beim Schleifen

Redakteur: Anne Richter

>> Teil 1: Das Vademecum des Schleifens [1], seit zwei Jahren im Buchhandel, erklärt das Basiswissen der modernen Schleiftechnologie für Anwender, Operateure und Schleiftechnologen. Passend dazu gibt es ein Excel-Prozess-Berechnungsprogramm [2] für die Standardschleifverfahren und die Kühlung (Anlagen-, Mengen-, Druck- und Düsendimensionierung). Ein Fachbuch animiert immer zu Fragen. Einige Antworten sollen im SMM in loser Folge wiedergegeben werden. Vademecum-Leser können sie als Ergänzung zum Buch betrachten.

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Tabelle 1: Zusammenhänge zwischen den wichtigsten Einflussgrössen beim Kühlen [4].
Tabelle 1: Zusammenhänge zwischen den wichtigsten Einflussgrössen beim Kühlen [4].
(Bild: Helmut W. Ott)

Das Thema Wärme, Wärmemenge und -Verteilung beim Schleifen wird im Buch behandelt, allerdings unter dem üblicheren Begriff Kontaktleistung P’’c. Leser fanden in anderen Publikationen die Bezeichnung Wärmefluss Qh und wollen nun wissen, was man darunter versteht. Die Kontaktleistung P’’c und der Wärmefluss haben dieselbe Einheit, nämlich W/mm2. Es muss sich also um äquivalente Grössen handeln. Im Gegensatz zur Kontaktleistung P’’c zeigt der Wärmefluss Qh — gemäss Definition — auch die Verteilung und Ausdehnung der pro mm2 Kontaktfläche erzeugten Wärme in der Scheibenumgebung. Aber wie sich die Wärme von Fall zu Fall im Werkstück ausbreitet, ist rechnerisch kaum bestimmbar. Es dürfte eines der komplexesten Probleme beim Schleifen sein und bleiben. Auch wissenschaftliche Arbeiten über den Wärmefluss deuten dies an, wo zum Teil subjektive Annahmen und nicht ganz unkritische Messmethoden nur schwer nachvollziehbare Ergebnisse erbrachten.

Die Kontaktleistung P’’c wird im Vademecum (S. 204 ff) ausführlich beschrieben. Die aufgeführten Formeln gelten auch uneingeschränkt für den Wärmefluss Qh. Verwirrend ist, dass man für ein und denselben Effekt unterschiedliche Auslegungen «erfunden» hat. Die Kontaktleistung P’’c ist ein berechenbarer Wert, welcher die pro mm2 Kontaktfläche investierte Leistung zur Beurteilung von Schleifbrandtendenz ergibt (siehe Erklärungen auch weiter hinten). Beim Wärmefluss Qh geht man weiter, indem auch noch Vorstellungen über die Wärmeausdehnung (Horizontal, vertikal und seitlich) damit verbunden werden. Aber wie sich die Wärme in einem Werkstück ausdehnt, ist nicht so einfach zu erklären. Die Schleifscheibe erzeugt mit der von ihr konsumierten Leistung etwa 92–95 % Reibungswärme (Vademecum S. 47 ff — Kapitel 2.7/2.8). Diese Wärme muss so gut abgeleitet werden, dass der in der Randzone des Werkstücks verbleibende Rest dort keinen thermischen Schaden hinterlassen kann. Wichtig ist deshalb in erster Linie der «Wärmeabtransport». An diesem sind beteiligt: die Schleifscheibe, das Werkstück und dessen Form sowie der Werkstoff (Wärmeleitfähigkeit), der Kühlschmierstoff (spezifische Wärmekapazität und Schmierfähigkeit) und in begrenztem Masse die Umgebung und die Scheiben- und Werkstückaufnahme.

Keramisch gebundene Schleifscheiben sind schlechte Wärmeleiter, weshalb ihr Einfluss auf die Wärmeableitung gering ist. Metallisch gebundene Schleifscheiben (CBN- und Diamantscheiben mit galvanischer Bindung) weisen eine deutlich bessere Wärmeableitung auf. Das Werkstück ist dagegen, abhängig von dessen Werkstoff-Wärmeleitfähigkeit Lambda in W/(m•C°), an der Wärmeableitung bzw. -aufnahme wesentlich stärker beteiligt. Dominieren dürften aber die Wärmekapazität cp in J/(kg•C°) und die Schmierfähigkeit (CL-Wert nach OTT [3]) des verwendeten Kühlschmierstoffs (KSS). Die von OTT [3] entwickelte Formel (Bild 1) für den Kühlschmierstoffbedarf Qk in Abhängigkeit der momentanen Prozessleistung zeigt dies deutlich. Es muss ein Zusammenhang zwischen der notwendigen Prozessleistung Pc und der dazu notwendigen Kühlschmierstoffmenge Qk bestehen, je nachdem, welche Werte die spez. Wärmekapazität cp und die KSS-Schmierfähigkeit CL aufweisen (Bild 1). Der KSS-Bedarf Qk sinkt mit zunehmendem CL-Wert unterschiedlich stark, weil zwischen der spez. Wärmekapazität cp und dem CL-Wert keine Proportionalität besteht. Für die erzeugte Wärme bleibt aber die investierte Prozessleistung Pc immer «tonangebend». Wird ein Schleiföl eingesetzt, müsste – der tieferen spez. Wärmekapazität cp wegen – der KSS-Bedarf stark ansteigen. In der Praxis zeigt sich aber, dass durch die besseren Schmiereigenschaften, besonders von hoch additivierten Schleifölen, genau das Gegenteil der Fall ist. Schleiföle und ihre polaren Additive reduzieren die Reibung zwischen der Scheibe und den ablaufenden Spänen wesentlich besser als wasserbasierte Kühlschmierstoffe (reine Lösungen und halb-synthetische Emulsionen). Die zu investierende Schleifleistung Pc sinkt drastisch mit besserer Schmierwirkung. Somit ist der Wärmefluss bzw. die Kontaktleistung auch stark von der Art und der Schmierfähigkeit des eingesetzten Kühlschmierstoffs, und nicht etwa nur – wie oft behauptet wird – von der zugeführten KSS-Menge und der spez. Wärmekapazität cp oder sogar von der Viskosität abhängig, denn es gilt doch: «Weniger Reibung = weniger Leistungsbedarf = weniger Wärme = weniger KSS-Bedarf». Diese «Weisheit» gehört an den Anfang von einer geplanten Prozessoptimierung oder von einer neuen Schleifaufgabe.

Den Zusammenhang verdeutlicht Tabelle 1 [3], ausgehend von einem Schleifprozess mit ungeschmierter Lösung (CL = 1), welcher 10 kW konsumiert. Was dabei zerspant wird und wie gross das bezogene Zeitspanvolumen Q’w ist, spielt hierbei keine Rolle. Wichtig sind die Veränderungen des Prozessleistungsbedarfs Pc durch Kühlschmierstoffe mit höherer Schmierwirkung CL [3], berechnet mit dem Excel-Programm von OTT [4]. Zu beachten sind die Werte in den rot und gelb unterlegten Zellen von Pc, CL und Qk. Das wurde noch nie in dieser Form in einer Publikation gezeigt. Man erkennt die Wirkung der ansteigenden Schmierfähigkeit CL des KSS auf die Prozessleistung Pc und auf die dazu benötigte Kühlmittelmenge Qk. Mit CL = 3.0, das ist eine gut geschmierte Emulsion (ca. 50 % Öl sowie FM- und AW-Additive im Konzentrat) etwa 6%-ig angesetzt, (Begriffe Vademecum S. 295 ff), ist ein KSS-Bedarf von nur 47,7 l/min notwendig. Der Leistungsbedarf Pc fällt auf 7,1 kW gegenüber der Vorgabe von 10 kW mit ungeschmierter Lösung und einer KSS-Menge Qk von 80,5 l/min ab. Mit einem additivierten Schleiföl CL = 5.0 müsste die Kühlmittelmenge etwa 66,2 l/min betragen, weil die spezifische Wärmekapazität tiefer als bei CL = 3.0 liegt. Dafür beträgt die aufzuwendende Prozessleistung Pc nur noch 5,6 kW. Mit einem Schleiföl CL = 6, – schmiertechnisch das Maximum –, wäre die resultierende Kontaktleistung P’’c bei Pc = 5,1 kW am tiefsten. Die Gefahr von thermischen Randzonenschäden würde gegenüber einem Kühlverfahren mit einem wasserbasierten KSS drastisch sinken. Ob wasser- oder ölbasiert, hängt von der vorhandenen Ausrüstung und/oder von der anstehenden Schleifaufgabe ab. Übrigens, vom Programmanwender wird nur der Ausgangswert für Pc oben links und dazu die Schmierfähigkeit CL sowie der Zuführungswirkungsgrad Eca der Düsen (Art, Formgebung, Ausrichtung, usw.) und die gewünschte Temperaturdifferenz dt zwischen dem KSS-Zulauf zur Kontaktzone und dessen Rücklauf verlangt. Alles andere wird berechnet.

Da hier die Kontaktleistung P’’c behandelt wird, welche auch von Pc abhängt, dürften die berechneten Werte in Tabelle 1 bestimmt interessant sein, zumal alle die Wärme direkt beeinflussenden Grössen berücksichtigt werden. Es fehlt lediglich die Viskosität, wobei die fachlichen Meinungen über deren Einfluss auf die Wärmeentwicklung und Ausbreitung zum Teil weit auseinanderliegen. Auch wenn niedrige Viskositäten unterhalb von etwa 5–7 mm2/s (bei 40 °C) Vorteile bezüglich der Kühl-, Spül- und Reinigungswirkung haben und das Ausschleppen mit den Spänen äusserst gering ist, so bleibt die Tragfähigkeit (Schmierfilm) zwischen der Scheibe und dem Werkstück weit hinter «dickeren» Ölen zurück. Dazu sind auch noch die stärkere Tendenz der Ölnebelbildung und der niedrige Flammpunkt zu erwähnen.

Somit lässt sich folgern: Auf Schleifmaschinen, welche nicht für den Einsatz hoher Schnittgeschwindigkeiten vc >80 m/s zugelassen und – wie der Gesetzgeber vorschreibt – auch abgenommen sind, dürfte eine hochgeschmierte Emulsion eine optimale Lösung darstellen. Sie sollte einen CL-Wert (nach OTT) von 3.0 bis 3.5 oder sogar noch höher aufweisen (Mineralöl, Weissöl oder Hydrocracköl mit FM-, AW- und EP-Additiven) und nach den Vorgaben des Herstellers angesetzt sein. Erfüllt dagegen die Schleifmaschine alle Sicherheitsbedingungen (Ölnebelabsaugung, Ölnebelrückführung, Explosionsklappe, Feuersensoren, CO2-Löscheinrichtung, usw.) und ist sie abgenommen und zertifiziert, so ist der Einsatz von «hochwertigem» Schleiföl in vielen Fällen zweifellos die beste Lösung. Das gilt speziell für Schleifprozesse mit hohem Leistungsbedarf und/oder hohen Schnittgeschwindigkeiten bei der Forderung von sehr guten Oberflächenqualitäten – eben, das Korn stumpft durch geringere Reibung stärker und hinterlässt deshalb weniger tiefe «Kratzer».

Noch etwas zur Wärmeeindringgeschwindigkeit und den von [5] hierzu publizierten Werten: Liegt die aufgenommene Wärme weit über dem Schmelzpunkt, so soll der Werkstoff im Schnitt 3–4 µs benötigen, um seinen Aggregatzustand von fest auf flüssig zu ändern. Das Vordringen der Schmelzwärme im Span wird mit etwa 1 µm/µs angegeben. Somit würde die Wärme innerhalb von 3–4 µs eine theoretische Spandicke hm von 3 bis 4 µm «verflüssigen» oder anders ausgedrückt, plastifizieren. Diese Hinweise sind beim Hochgeschwindigkeitsschleifen HSG von Bedeutung. Sie begründen die grossen Vorteile dieses Schleifverfahrens. Die erzeugte Wärme wird, der hohen Abtragsgeschwindigkeit und der extrem kurzen Kontaktzeit der Einzelkornschneiden wegen, im Span abtransportiert und in der Werkstückrandzone verbleibt nur ein geringer Rest.

Die vorgängigen Erklärungen beweisen einmal mehr, dass es zweifellos nicht einfach ist, sich vorzustellen, was wärmetechnisch zwischen der Schleifscheibe und dem Werkstück in der Kontaktzone wirklich geschieht (Wärmefluss). Man kann’s ja nicht sehen, weil «thermische Schäden» erst im Nachhinein zum Vorschein kommen. Das können Verfärbungen, Rissbildungen, aber auch Zugspannungen in der Randzone sein.

Der Leser weiss jetzt: Werden in wissenschaftlichen Arbeiten Kräfte- und Leistungswerte in Diagrammen gezeigt und fehlen dabei konkrete Angaben über den dazu eingesetzten KSS, sind Zweifel an deren Aussagekraft durchaus angebracht. Mit einem anderen Kühlmittel könnten nicht nur der Leistungsbedarf wie auch die Kräfte Ft und Fn und deren Verhältnis Sc (Sc = Schleiffaktor nach OTT) völlig andere Grössenordnungen annehmen, sondern auch die gesamte «Wärmebilanz». Die in solchen Publikationen oft verwendete Angabe «Emulsion 4%» kann bei einem Schleiffachmann meist nur ein Kopfschütteln bewirken, verbunden mit der berechtigten Frage: «Welche Emulsion wurde hier eingesetzt (Ölart, Ölgehalt im Konzentrat, Art der Additive)?» Also Vorsicht, wenn die KSS-Angaben fehlen oder unvollständig [6] sind. Mehr zu diesen Themen im Teil 2 – erscheint in der nächsten SMM-Ausgabe. <<

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