Kühlschmierstoff-Konzepte

Punktgenauer Kühlstrahl erzielt beste Wirkung

31.07.15 | Autor / Redakteur: Rüdiger Kroh / Rüdiger Kroh

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Die innere Kühlmittelzufuhr durch das Werkzeug bringt den Kühlschmierstoff genau an die Bearbeitungsstelle.

Die beste Kühlung nutzt nichts, wenn sie nicht an die Schneide kommt. Kühlschmiermittel können ihre Wirkung nur dann voll entfalten, wenn sie auch zielgerichtet zugeführt werden. Bei der klassischen Überflutungskühlung ist das nur unzureichend möglich. Daher werden immer häufiger Werkzeuge mit integrierter Kühlmittelzuführung eingesetzt. Bei den Kühlmittelstrategien geht laut Experteneinschätzung der Trend in Richtung Minimalmengenschmierung und Hochdruckkühlung.

Sie sollen kühlen, schmieren und Späne wegspülen. Kühlschmierstoffe (KSS) sind mit ihren vielfältigen Aufgaben in der Zerspanung wahre Multitalente. Damit sorgen sie letztendlich für höhere Werkzeugstandzeiten, bessere Werkstückoberflächen sowie eine zuverlässige Spanabfuhr und tragen so entscheidend zur wirtschaftlichen Zerspanung bei. „Kühlschmiermittel sollen die Wärme möglichst schnell von der Bearbeitungsstelle entfernen, um eine Veränderung des Gefüges in den Randschichten von Werkzeug und Werkstück zu vermeiden”, beschreibt Jens Thing, Geschäftsführer von Haas Automation Europe, die Aufgabe. „Auch die Bearbeitungsgenauigkeit profitiert von einer guten Kühlung und es sind höhere Bearbeitungsparameter möglich.”

Auf den Kühlschmierstoff entfallen 8 bis 16 % der gesamten Zerspanungskosten

Allerdings entfallen laut Angaben des Statistischen Bundesamts auch zwischen 8 und 16 % der gesamten Zerspanungskosten auf den Kühlschmierstoff. Dazu gehören die Bereitstellung und Entsorgung des Kühlmittels sowie die Kosten während des Maschinenbetriebs. „Der Anteil der Kühlschmierstoff-Kosten an den Stückkosten zum Herstellen eines Bauteils hängt stark von Werkstück, Material, Maschine und Fertigungskonzept ab”, erläutert Dr. Klaus Christoffel, Manager Product Management & Design bei der Sandvik Tooling Deutschland GmbH, Geschäftsbereich Sandvik Coromant. „In vielen Fällen ist es ein Betrag, der nicht zu vernachlässigen ist und der über den anteiligen Werkzeugkosten liegt.”

Die Überflutungskühlung ist wohl noch am stärksten verbreitet

Grund genug, sich nicht nur den Kühlschmierstoff selbst anzuschauen, sondern auch, in welcher Form und Menge er an die Bearbeitungsstelle kommt. Dabei kann man verschiedene Konzepte unterscheiden. Bei der klassischen Nassbearbeitung werden Werkzeuge und Werkstück mit Kühlschmierstoff überflutet. „Diese Überflutungskühlung scheint gefühlsmäßig auch noch am stärksten verbreitet zu sein”, vermutet Christoffel. „Denn Sie ist einfach umzusetzen und bedarf keiner besonderen Anforderungen an Werkzeuge und Maschine”, erklärt Markus Kannwischer, technischer Leiter und Mitglied der Geschäftsleitung bei der Paul Horn GmbH. Jedoch sei der Energiebedarf hoch und nur wenige Prozent des eingesetzten Kühlschmiermittels würden die eigentliche Stelle der Schneide treffen. Einen weiteren Nachteil nennt Jochen Nahl, Geschäftsführer Vertrieb bei der Grob-Werke GmbH & Co. KG: „Der Aufwand für die Versorgung der Maschine sowie für die Aufbereitung und Entsorgung des Kühlschmierstoffs ist hoch.”

Aus Kostengesichtspunkten spricht also vieles für andere Kühlstrategien, wie die Minimalmengenschmierung (MMS) mit typischen Dosiermengen von 5 bis 50 ml pro Prozessstunde, die Hochdruckkühlung ab 80 bar oder die Trockenbearbeitung. Der grundsätzliche Rat von Kannwischer für die Anwender lautet dabei: „Weniger ist mehr – denn die zielgerichtete Zuführung durch Werkzeuge mit integrierter Kühlmittelzuführung bringt sehr gute Ergebnisse sowohl in Bezug auf den Kühl- und Schmiereffekt als auch beim Späneabtransport.”

Die MMS-Bearbeitung wird laut Nahl aufgrund der niedrigeren Energiekosten gerade im Bereich der Serienfertigung eingesetzt. Sie biete Vorteile wie Kostensenkung durch die Einsparung der KSS-Anlage (Ver- und Entsorgung), einen geringeren Energieverbrauch (Wegfall von KSS-Pumpen) und reduzierte Entsorgungs- und Wiederaufbereitungskosten der Späne.

„Die Auslegung des Prozesses ist allerdings aufwendiger”, erklärt der Grob-Geschäftsführer, „weil gewisse Bearbeitungsreihenfolgen aufgrund der Wärmeeinbringung beachtet werden müssen.” Bei MMS sei es notwendig, die Wärmeeinbringung durch den Prozess sowie durch die Umwelteinflüsse zu berücksichtigen und an den Maschinen die Vorkehrungen zur Temperaturkompensation zu betrachten.

Hochdruckkühlung mit genauer Zuführung ist zunehmend gefragt

Im Anwendungsbereich Powertrain ist aus Sicht von Grob ein Umbruch zur MMS-Bearbeitung zu verzeichnen. Aufgrund der europäischen Vorgaben zur Energieeinsparung werde in Europa zunehmend die MMS-Technologie eingesetzt. „Es gibt teilweise weltweit agierende Unternehmen, die die MMS-Bearbeitung als Standard gesetzt haben”, so Nahl. „Im asiatischen Raum wird fast nur mit Emulsion produziert und ähnlich verhält es sich im südamerikanischen Raum.” Als Abschätzung für den Powertrain beziffert er die Überflutungskühlung auf einen Anteil von 60 % und MMS auf 35 %.

Zunehmend gefragt ist die sogenannte Hochdruckkühlung. Dabei wird die Spanzone nicht einfach mit Kühlmittel geflutet, sondern der Kühlschmierstoff gelangt gezielt und mit Hochdruck zwischen Span und Werkzeugschneide. „Wenn auf Kühlschmierstoff nicht verzichtet werden kann, ist die Hochdruckkühlung – zusammen mit einer präzise ausgerichteten Zuführung – sicherlich von Vorteil”, urteilt Sandvik-Manager Christoffel. „Daher sehen wir dort auch die größten Zuwächse.” Er verweist aber darauf, dass Hochdruck nicht mit großer Menge gleichzusetzten sei. Die Volumenströme könnten bei der Hochdruckkühlung durchaus gering sein.

Steigende Tendenz zur Hochdruck-Innenkühlung

Auch bei Haas hat man eine steigende Tendenz zur Hochdruck-Innenkühlung registriert. „Die Kunden erkennen zunehmend die höhere Wirtschaftlichkeit dieser Option”, sagt Geschäftsführer Thing. Für das Anwendungsgebiet Drehen schätzt Horn-Technikleiter Kannwischer, dass etwa 20 % der Maschinen über Hochdrucksysteme mit 80 bar verfügen. „Die Hersteller liefern neue Maschinen vermehrt mit 80 bar durch den Revolver, daher gibt es hier eine steigende Tendenz. Höhere Drücke mit 150 bar werden bisher nur punktuell für Spezialanwendungen genutzt.”

Ein Ansatz zur gänzlichen Vermeidung des Kühlschmierstoff-Einsatzes ist die Trockenbearbeitung, bei der entweder die eingeschränkte Kühlung durch Luft realisiert oder auf eine Kühlung vollständig verzichtet wird. Haas bietet dafür gleich zwei Lösungen. Bei der externen automatischen Druckluftzufuhr wird ein konstanter Druckluftstrom auf das Schneidwerkzeug gerichtet, um die Späne wegzublasen. Alternativ kann die Luft auch durch die Spindel zugeführt werden. Dabei wird der Luftstrom mit hohem Druck und großer Durchflussmenge durch das Werkzeug hindurch auf die Schnittkante gerichtet.

Kryogene Kühlung ist derzeit am Anfang der Implementierungsphase

Für Diskussionsstoff sorgt schon seit mehreren Jahren die kryogene Kühlung, entweder mit Stickstoff oder mit Kohlendioxid. Aktuell die Nase vorn hat das CO2-Konzept, welches die Walter AG und die Starrag-Gruppe in einer Technologiepartnerschaft entwickelt haben. Aber trotz der enormen Vorteile – bei den Unternehmen nennt man je nach Anwendungsfall Produktivitätssteigerungen bis 70 % und Standzeitsteigerungen bis 100 % – gibt es noch keinen Endkunden, der die kryogene Kühlung in der Serienfertigung im Einsatz hat. „Wir stehen derzeit am Anfang der Implementierungsphase”, berichtet Thomas Schaarschmidt, Segment Manager Energy Business & Application Development bei der Walter AG.

Drei konkrete Projekte würden momentan laufen. Dabei geht es um die Bearbeitung von Turbinenschaufeln aus nicht rostendem Stahl X20Cr13, die Turboladerfertigung und das Bearbeiten von Strukturbauteilen aus Ti64 bei einem Aerospace-Kunden. Die besten Realisierungschancen sieht Schaarschmidt bei der Turbinenschaufelfertigung. „Dort lassen sich nach bisherigen Erkenntnissen die größten Potenziale abschöpfen. Bearbeitungsstrategien, Maschinenkonzepte, Materialien, zerspantes Volumen, Stückzahlen und eingesetzte Werkzeugsysteme sind für die kryogene Kühlung prädestiniert.”

Frage der Arbeitssicherheit muss noch geklärt werden

Laut Einschätzung des Experten ist die kryogene Zerspanung vor allem für die Luftfahrtindustrie und den Energiesektor interessant. „Aber auch in der Automobilindustrie erwarten wir Anwendungen, bei denen die kryogene Kühlung bei entsprechend angepasster Bearbeitungsstrategie Standzeitvorteile bringt.” Spezifische Bauteile seien Strukturbauteile, Turbinenschaufeln und Turbolader. „Hinsichtlich der Materialien sehen wir großes Potenzial bei Titanlegierungen wie TiAl6V4, martensitisch und austenitisch rostfreien Stählen sowie hochwarmfestem Stahlguss.”

Warum es dennoch mit der Umsetzung stockt, erklärt Schaarschmidt so: „Die Hemmnisse liegen meines Erachtens in der fehlenden Risikobereitschaft eines Technologiepioniers, der bei der Entwicklung zur finalen Serienreife beiträgt. Um diesen zu finden, muss noch die ein oder andere Fragestellung beantwortet werden.” Damit meint er beispielsweise die Bereitstellung des CO2. Die Zuführung aus Flaschen könne für eine Großserienfertigung keine langfristige Lösung sein. „Dazu sind wir bereits in Kontakt mit den entsprechenden Gaslieferanten.”

Auch die Frage der Arbeitssicherheit sei von unabhängiger Stelle noch nicht betrachtet worden. Zwar könne über entsprechende Sensoriken die Sicherheit der Arbeiter gewährleistet werden, eine Richtlinie zum Umgang mit CO2 in der spanenden Fertigung, wie sie von den Großkunden häufig gefordert werde, existiere jedoch noch nicht. „Wir planen derzeit ein Konsortialprojekt zusammen mit Endkunden, Maschinenherstellern, Systemlieferanten, Gaslieferanten und einem Institut, das sich mit dem Thema Arbeitssicherheit und dem entsprechenden unabhängigen Gutachten befassen wird”, sagt der Walter-Manager.

Nachrüstung ist in vielen Fällen möglich

Schließlich gehe es auch noch um die Verfügbarkeit der CO2-Technologie bei den unterschiedlichen Maschinenherstellern. Jeder Kunde habe seinen Maschinenpark, jedoch verfüge nicht jeder Maschinenhersteller über die Technologie. „Obwohl die Nachrüstung in vielen Fällen möglich ist, wird die CO2-Technologie vorwiegend im Rahmen von Neuanschaffungen diskutiert”, berichtet Schaarschmidt. Die Mehrkosten für die Modifikationen würden bei schätzungsweise etwa 50.000 Euro liegen.

Ebenfalls bereits interne Versuche zur kryogenen Zerspanung hat Grob durchgeführt und dazu eine Prototypenmaschine aufgebaut. Wie Geschäftsführer Nahl erklärt, gibt es jedoch aktuell zu wenige gezielte Nachfragen von Kunden. „Sollte es in größerem Maße Anfragen geben, wird Grob die Fertigung einer kryogenen Maschine erneut betrachten. Die bisherigen Versuche haben aber keine wirtschaftlichen Vorteile durch die kryogene Zerspanung erkennen lassen.” Auch bei Sandvik reagiert man zurückhaltend: „Die kryogene Kühlung hat ihre Berechtigung beim Zerspanen spezieller Materialien, eine flächendeckende Ausbreitung ist eher nicht zu erwarten”, so Christoffel.

Alle Möglichkeiten für den Bediener einfach kombinieren

Während der Anwender bei der Kühlung also durchaus die Qual der Wahl hat, müssen die Hersteller von Maschinen und Werkzeugen Lösungen bereitstellen, die den verschiedenen Konzepten gerecht werden. „Für den Maschinenhersteller ist die Herausforderung, alle Möglichkeiten für den Bediener einfach zu kombinieren und zu einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis anzubieten”, urteilt Haas-Manager Thing. „Bei uns kann der Kunde die verschiedenen Optionen einfach zusammenstellen und da alle Lösungen von Haas Automation entwickelt und hergestellt werden, liegt die Gesamtverantwortung für das ganze System in einer Hand.” MM