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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