2002 06 20 Trocken- und Nasszerspanung

Gegenüberstellung von Trocken- und Nasszerspanung mit besonderem Augenmerk

auf die verschiedenen Anwendungsbereiche

Seminarvortrag von Vincent Fetzer

20. Juni 2002

Gliederung

I Zerspanung als eine Art von Metallarbeitung

II Nasszerspanung

III Trocknenzerspanung

I Zerspanung als eine Art von Metallarbeitung

I.1 Hauptoperationen der spanenden Metallformgebung

I.2 Spanbildung beim Orthogonalschnitt

I.3 Konsequenz der Reibung

I.4 Einflußgruppen der Temperatur an der Schneide

I.5 Temperatur an der Schneide mit verscheidenen Werzeugen

I.6 Temperaturfeld und Wärmebilanz

I.7 Wärmeentstehung und -verbleib beim Drehen

Bild I.a

I.1 Hauptoperationen der spanenden Metallformung

Bild I.b a Spanungsdicke

b Spandicke

c primäre Scherzone

d sekundäre Scherzone

e Kontaktzone

f Spanfläche

g Freifläche

h Scherwinkel

i Scherebene b/a Spanstauchung

I.2 Spanbildung beim Orthogonalschnitt

Bild I.c Temparaturfeld im Werkzeug und Span beim Drehen von Stahl mit

einer Hartmetallschneide

Bild I.d Wichtige Verschließ-

formen an spanenden Werkzeugen

I.3 Konzequenz der Reibung

1 ) Werkstück - Werkstoffeigenschaften - Werkstücktemperatur - Werkstückform - Spanform

I.4 Einflußgruppen der Temperatur an der Schneide

2 ) Werkzeug - Schneidstoff - Scneidengeometrie - Verschleißzustand - Spanflächenrauheit

3 ) Schnittbedingungen - Scnittgeschwindigkeit - Kühlung und Schmierung - Scnitttiefe - Vorschub

Bild 1.e Schneidstoffe :

a C 100

b C 10

c Ck 35

d GGL-26

b Ms58

I.5 Temperatur an der Schneide mit verscheidenen Werzeugen

Bild I.f Temparaturfeld in Werkzeug und Span beim Drehen von Stahl mit einer Hartmetallschneide

Bild I.g

I.6 Temperaturfeld und Wärmebilanz

Trockenschnitt Qges=QSP+QWZ+QWS+QKSS,Luft

Bild I.h

I.7 Wärmeentstehung und -verbleib beim Drehen

II Nasszerspanung II.1 Aufgaben einer Scneidflussigkeit und

Lamellenstruktur von Festschmierstoffen II.2 KSS Kühlschmierstoff

II.2.1 Unterschiede in den kalorischen Daten zwischen Mineralöl und Wasser

II.2.2 Mineralöl : Wirksame Temperaturbereiche von Schneidölwirkstoffen

II.2.3 Wassergemischte Kühlschmierstoffe II.2.3.1 Aufbau eines Emulsionteilchens II.2.3.2 Zulässige Werte von Emulsionsansetzwasser II.2.3.3 Konzentrationen in wassergemischten Kühlschmier-

stoffen bei unterschiedlichen Zerspanungsverfahren II.3 Schematische Beispiele der Kühlschmierstoffzuführung II.4 Schneidstoffübersicht II.5 Beispiele für Nasszerpanende Fertigung II.6 Charakterisierung der Situation

Wärme abführen

II.1 Aufgaben einer Scneidflüssigkeit

Reibung vermindern

Späne abschwemmen

Bild II.1

Bild II.2

II.1 Lamelenstruktur von Festschmierstoffen

a ) senkrechte Belastung b ) tangential Belastung

II.2 KSS Kühlschmierstoff

II.2.1 Unterschiede in den kalorischen Daten zwischen Mineralöl und Wasser

Mineralöl Wasser Wärmeleitfähigkeit (W/mK) : 0.1 0.6 Speziefische Wärmekapazität (kW s/kg K) : 1.9 4.2 Verdampfungswärme bei 40°C (kW s/kg) : xxx 2400

Tabelle II.1

Bild II.3 a ) Seife c ) Phosphore b ) Chlor d ) Schwefel

II.2.2 Mineralöl : Wirksame Temperaturbereiche von Schneidölwirkstoffen

Bild II.4 Wasserhülle : A - anionaktive K - kationaktive

II.2.3 Aufbau eines Emulsionteilchens

II.2.3.2 Zulässige Werte von Emulsionsansetzwasser Tabelle II.2

II.2.3.3 Konzentrationen in wassergemischten Kühlschmierstoffen bei unterschiedlichen Zerspanungsverfahren

Tabelle II.3

Bild II.5 Drehen a häufig angewandte Sattstrahlüberluftung b Sprühnebel c "Hi-Jet", geziehlter Hochdruckstrahl

Bohren d Überluftung aus Düse Äußere beim Tiefbohren e Ejektor-Verfahren f BTA-Verfahren g Innere beim Tiefbohren

II.3 Schematische Kühlschmierstoff- zuführungsbeispiele

Scneidstoffanforderungen " Das Geld in der Zerspanung wird an der Schneide verdient ! "

•  große Härte und Druckfestigkeit

•  große Biegefestigkeit

•  Hohe Verschleißfestigkeit

•  Hohe Temperaturbeständigkeit

•  Wirtschaftlichkeit

II.4 Schneidstoffübersicht

II.5 Beispiele für Nasszerpanende Fertigung Metallische Schneidstoffe

- unlegierter Werkzeugstahl (Wärmharte bis ca. 200°C) - legierter Werkzeugstahl (Wärmharte bis ca. 300°C) - Schnellarbeitstahl (Wärmharte bis ca. 600°C) - Mishkarbidhartmetalle (Wärmharte bis ca. 1000°C) - beschichtete Hartmetalle - Cermet

Keramische Schneidstoffe - Oxidkeramik - Mischkeramik - Nitroxidkeramik - Nichtoxidkeramik - whiskerverstärkerte Keramik

Diamant - monokristalliner Naturdiamant - polykristalliner synthetischer Diamant

Kubisches Bornitrid

Bild II.6 beschichtetes und unbeschichtetes Hartmetall

II.5 Schneidstoffe für Dreh- und Fräsbearbeitung

Bild II.8

Keramic

Bild II.7

CBN und PKD

Bild II.9 Edelkornung

II.5 Schleifmittel aus Edelkornung, Siliciumkarbid, CBN

Bild II.11 CBN

Bild II.10 Siliciumkarbid

II.5 Beispiele für nasszerpanende Fertigung

ZENSIERT

FILM

Film II.1

II.6 Charakteriesierung des Situations

•  Kosten

•  Ökologie

•  Gesundheitsgefahren

III Trocknenzerspanung und MMKS

III.1 Trockenbearbeitung und Minimalmengenschmierung III.2 MMKS (Minimalmengenkühlschmierstoffe) III.3 Minimalschmiersysteme III.4 Schematische MMKS-zuführungsbeispiele III.5 Schneidstoffe III.5.1 Typisches Werkzeugerliegen in Al III.5.2 Themische Isolierung des Werkzeug III.5.3 Verbesserung der Reibwerte III.6 Anpassung der Produktionsprozesse III.7 Beispiele für trockenzerpanende Fertigung III.8 Technische & ökonomische Grenzen

III.1 Trockenbearbeitung und Minimalmengen-schmierung : warum trockenbearbeiten ?

Bild III.1 Der koventionelle Einsatz von KSS belastet die Umwelt und kostet Geld

Bild III.2 Saubere und bilige Fertigungs- technologien : MMKS und Trockenbearbeitung

Einhaltung der geforderten Fertigungstoleranzen

III.2 MMKS (Minimalmengenkühlschmierstoffen)

Tabelle III.1 : Physikalische Daten, Kohlenwasserstoffe als MMSK

III.3 Minimalschmiersysteme

Bild III.4 : Druckbeaufschlagter Behälter

Bild III.5 : Dosierpumpengerät

Bild III.3 : Druckbeaufschlagter Behälter

III.4 Schematische MMKS-zuführungsbeispiele

Bild III.6 Innere Zufuhr (über Spindel)

Bild III.7 Äußere Zufuhr (über Düsen)

" Minimal ist Optimal "

III.5 Schneidstoffe :

Bild III.9 : MoS2 Schmierschichten mit MMKS

Bild III.8 : Basis Werkstoffe mit Trockenbearbeitung

III.5.1 Typisches Werkzeugerliegen in Al

III.5.2 Themische Isolierung des Werkzeug

Bild III.10

Trockenbohren in Stahl und Al mit oder ohne MoS2-beschichtetem Werkzeug

III.5 Schneidstoffe :

•  Schmierschichten aus MoS2 (cf. Bild III.11)

•  Schichten mit mechanisch erzeugten geringen Rauheiten

•  Beschichtungen mit werkstoffbedingt niedriegen Reibwerten (Diamant oder DLC)

Bild III.11

III.5.3 Verbesserung der Reibwerte

III.5 Schneidstoffe :

Bild III.13 MMKS-Düse

Bild III.12 : Aerosol von MMKS und Luft MMKS-Volumenströme unter 50 mL/h gespritzt

III.6 Anpassung der Produktionsprozess

•  Ausgangssituation : Verbindungsprofile aus AlMgSiO.5 Polyamid 6.6 und PUR-Schaum

•  Problem : Da es durch Quellen des Polyamids zu Maß- änderungen kommt, ist aus Qualitätsgründen keine Nassbearbeitung möglich

•  Aufgabe : Trockenbearbeitung, Rauheitmax = 15 µm •  Lösung : Kreissägen mit MMKS

Bild III.14

III.7 Sägen von Al-polyamid-PUR-Verbungsprofilen

•  Qualitätsanforderungen des zu fertigenden Bauteils

•  Bestimmte Werkstoff-/Verfahrenskombinationen

•  Eigenschaften von Maschinen oder Vorichtungen

III.8.1 Technische Grenzen

III.8 Grenzen der Trockenbearbeitung

•  Können alle Arbeitsgänge auf einer Maschine trocken realisiert werden?

•  Welche KSS-Versorgung ist vorhanden ?

•  Wie ändert sich die Bearbeitungzeit und die Standzeit der Werkzeuge ?

•  Ist eine Reinigung der Werkstücke nach dem Zerspanen erforderlich ?

III.8.2 Ökonomische Grenzen

III.8 Grenzen der Trockenbearbeitung

Literatur Bücher, Fachzeitschriften und -Berricht :

Schmierstoffe im Betrieb, U.J. Möller & U. Boor VDI, VERLAG, 1997.

Die Schmierung in der Metallbearbeitung, T. Mang, VOGEL-BUCHVERLAG, 1983.

Zerspantechnik, E. Paucksch, Viegegs, 1992.

Umweltfreundlich Zerspanen, VDI Berichte 1339, 1997.

Zerspanungsversuchsbericht

Websites :

http://www.smbg.de/Sites/arbeitsschutz/chemische_gefaerdung/schmierung/

http://www. wbk.mach.uni-karlsruhe.de/Forschung/Projekte/TTB/warum_trocken.html

http://www.htwm.de/ft/deutsch/Abtrenntechnik/Versuchbasis/schneistoffe.htm