Zerspanprozesse kommen bald ohne Kühlschmiermittel aus.
Bild: Fraunhofer IPT, Heidi Peters
Saubere Sache: Die „trockene“ Fabrik
Mit der Trockenzerspanung erhalten Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit in der Fertigung einen neuen Impuls. Bosch-Forscher entwickeln gemeinsam mit Partnern aus der Automobil- und Werkzeugindustrie Techniken und Werkzeuge, um beim Bohren, Fräsen, Drehen und Reiben auf die bisher riesigen Mengen an Kühlschmierstoffen zu verzichten.
Diese Kühlschmierstoffe haben – wie der Name andeutet – zwei wesentliche Funktionen: Sie kühlen Werkzeug und Werkstück beim Zerspanen und temperieren die gesamte Werkzeugmaschine. Außerdem wirken sie als Schmiermittel im Bearbeitungsprozess und führen die abgetragenen Späne fort. Der Aufwand für dieses klassische Nasszerspanen ist enorm: In der Großserienfertigung wälzt manche Anlage Flüssigkeitsmengen von bis zu 200000 Litern um. Nach dem Zerspanprozess muss das Kühlschmiermittel aufwändig aufbereitet werden. Das kostet Raum und Geld. Bis zu 5000 Liter Kühlschmierstoff gehen zudem täglich in einer Fertigungsanlage verloren: Er haftet am Werkstück, an den abgetragenen Spänen oder bleibt im Abluftfilter hängen.
Mit all dem soll künftig Schluss sein: In verschiedenen Projekten untersucht die Bosch-Forschung, wie die Zerspanprozesse trocken geführt werden können. Wo dies an technische Grenzen stößt, soll eine Minimalmengenschmierung (MMS) zum Einsatz kommen. Pro Arbeitsstunde und Werkzeugspindel werden dann nur noch weniger als 100 Milliliter Kühlschmierstoff eingesetzt.
Die Vorteile sind offenkundig: Die riesigen Anlagen zum Aufbereiten und Bereitstellen des Kühlschmierstoffes werden ebenso überflüssig wie die große Kühlschmierstoffmenge selbst. Dies spart Investitions- und Betriebskosten. Der Verzicht auf die teils umweltbelastenden Stoffe bedeutet ein großes Plus für die Umwelt.
Die Herausforderung packen die Verfahrenstechniker an drei Stellen an:
– Ein neues Maschinendesign ist erforderlich, da die abgetragenen Späne nicht mehr vom Kühlschmiermittel fortgenommen werden. Maschineninnenraum und Zerspanprozess müssen so abgestimmt sein, dass die Späne in eine vorgegebene Richtung auf eine Fördereinrichtung fliegen.
– Die Werkzeuge müssen höheren thermischen und tribologischen Beanspruchungen Stand halten: Nun dringen sie ohne Kühlschmiermittel in den Stahl oder das Aluminium ein. Dazu werden neue, selbstschmierende und dabei extrem harte Beschichtungen untersucht.
– Ist eine trockene Bearbeitung nicht möglich, so wird mit Minimalmengenschmierung gearbeitet. Hier muss der Kühlschmierstoff punktgenau an die Bearbeitungsstelle herangeführt werden.
Innerhalb eines Projektes des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und anhand weiterer Studien konnten die Ingenieure zeigen, wo die Grenzen der Trockenzerspanung liegen und wo auf die Minimalmengenschmierung zurückgegriffen werden muss.
Beim „trockenen“ Bohren von Stahl verdoppeln sich die Temperaturen an der Schneide auf etwa 600 Grad Celsius gegenüber dem Nassprozess. Bei dieser Temperatur drohen bereits Gefügeänderungen an Werkstück und Werkzeug. Mit Minimalmengenschmierung lässt sich die Wärmebelastung auf unter 500 Grad Celsius drücken. Auch Aluminium macht „trocken“ noch Probleme: Es neigt dazu, an der Werkzeugschneide festzukleben.
Bei niedrig legierten Stählen, Grauguss und Messing hingegen kann auf eine Minimalmengenschmierung oft ganz verzichtet werden.
Mit all dem soll künftig Schluss sein: In verschiedenen Projekten untersucht die Bosch-Forschung, wie die Zerspanprozesse trocken geführt werden können. Wo dies an technische Grenzen stößt, soll eine Minimalmengenschmierung (MMS) zum Einsatz kommen. Pro Arbeitsstunde und Werkzeugspindel werden dann nur noch weniger als 100 Milliliter Kühlschmierstoff eingesetzt.
Die Vorteile sind offenkundig: Die riesigen Anlagen zum Aufbereiten und Bereitstellen des Kühlschmierstoffes werden ebenso überflüssig wie die große Kühlschmierstoffmenge selbst. Dies spart Investitions- und Betriebskosten. Der Verzicht auf die teils umweltbelastenden Stoffe bedeutet ein großes Plus für die Umwelt.
Die Herausforderung packen die Verfahrenstechniker an drei Stellen an:
– Ein neues Maschinendesign ist erforderlich, da die abgetragenen Späne nicht mehr vom Kühlschmiermittel fortgenommen werden. Maschineninnenraum und Zerspanprozess müssen so abgestimmt sein, dass die Späne in eine vorgegebene Richtung auf eine Fördereinrichtung fliegen.
– Die Werkzeuge müssen höheren thermischen und tribologischen Beanspruchungen Stand halten: Nun dringen sie ohne Kühlschmiermittel in den Stahl oder das Aluminium ein. Dazu werden neue, selbstschmierende und dabei extrem harte Beschichtungen untersucht.
– Ist eine trockene Bearbeitung nicht möglich, so wird mit Minimalmengenschmierung gearbeitet. Hier muss der Kühlschmierstoff punktgenau an die Bearbeitungsstelle herangeführt werden.
Innerhalb eines Projektes des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und anhand weiterer Studien konnten die Ingenieure zeigen, wo die Grenzen der Trockenzerspanung liegen und wo auf die Minimalmengenschmierung zurückgegriffen werden muss.
Beim „trockenen“ Bohren von Stahl verdoppeln sich die Temperaturen an der Schneide auf etwa 600 Grad Celsius gegenüber dem Nassprozess. Bei dieser Temperatur drohen bereits Gefügeänderungen an Werkstück und Werkzeug. Mit Minimalmengenschmierung lässt sich die Wärmebelastung auf unter 500 Grad Celsius drücken. Auch Aluminium macht „trocken“ noch Probleme: Es neigt dazu, an der Werkzeugschneide festzukleben.
Bei niedrig legierten Stählen, Grauguss und Messing hingegen kann auf eine Minimalmengenschmierung oft ganz verzichtet werden.
