Kühlschmierung

Kühlung effizient einsetzen

Überflutungskühlung im konventionellen Kühlverfahren. Bilder: Paul Horn GmbH
Öl kommt vor allem dann zum Einsatz, wenn hohe Oberflächengüten gefragt sind.
Der Einsatz von flüssigem Stickstoff ist eine Möglichkeit, mit der sich kühlen lässt.
Christoph Lampert / Redaktor Smart Tech /

Die Aufgabe von Kühlschmierstoffen ist vielseitig. Sie vermindern beim Zerspanen die Reibung und führen die Wärme und Späne ab. Ausserdem haben sie Einfluss auf die Standzeit der Werkzeuge, die Oberflächengüte der Werkstücke sowie die Prozesssicherheit. Diese und weitere Parameter beschreibt dieser Beitrag.

Wie bei der Werkzeugauswahl kommt es auch beim Thema Kühlung immer auf den jeweiligen Anwendungsfall an. Dazu kommen die vorhandenen Möglichkeiten der Maschinen und die Infrastruktur. Welches Kühlverfahren und welcher Kühlschmierstoff (KSS) zum Einsatz kommen, klärt der Dialog zwischen Kunden und Aussendienst.

Bei der Anwendung wird nach der Art des Kühlschmierstoffs und der Applikation unterschieden. Nicht wassermischbare Kühlschmierstoffe wie Öle mit und ohne Zusätze kommen dann zum Einsatz, wenn beste Oberflächen gefordert sind und die Schmierwirkung im Vordergrund steht. Wassermischbare Kühlschmierstoffe, wie mineralölhaltige Öl-in-Wasser-Emulsionen oder mineralölfreie, seifige Lösungen, werden eingesetzt, wenn vor allem Kühlwirkung gefragt ist. Bei spanenden Bearbeitungen treten Mischreibungen auf. Kühlschmierstoffe verringern hier durch ihre Schmierwirkung die Reibung an der Schneide und vermindern damit, kombiniert mit ihrer Kühlwirkung, den Verschleiss der Werkzeugschneiden, die Erwärmung der Werkstücke sowie den Energieverbrauch.

Kühlschmierstoffe für hohe und höchste Beanspruchungen enthalten Additive, die bei hohen Schnittdrücken und Temperaturen mit dem Werkstoff reagieren und so verhindern, dass Rauhigkeitsspitzen von Werkzeug und Werkstück verschweissen (Adhäsionsverschleiss, Aufbauschneiden). Kühlmittel ohne Schmierwirkung sind Umgebungsluft, zum Beispiel bei der Trockenbearbeitung vor allem von Gusswerkstoffen, Druckluft und kryogene Gase, wie flüssiger Stickstoff oder flüssig zugeführtes CO2 im Schneestrahlverfahren.

Varianten der KSS-Applikation

Unterschieden wird nach Schwallkühlung oder Überflutungskühlung, nach gezielter Strahlkühlung mit unterschiedlichen Druckstufen über externe Düsen, die Minimalmengenschmierung von aussen sowie der Innenkühlung durch das Werkzeug. Als besonders standzeiterhöhend und produktivitätssteigernd erweisen sich moderne Werkzeugsysteme mit Innenkühlung durch den Halter, den Spannfinger oder durch die Schneidplatte mit Druckstufen bis 80 bar, Hochdruckkühlung über 80 bar und Ultrahochdruckkühlung ab 150 bar.

Minimalmengenschmierung

Im Bereich der spanenden Metallbearbeitung hält die Minimalmengenschmierung zunehmend Einzug und hat sich inzwischen in vielen Gebieten als Alternative zur konventionellen Nassbearbeitung etabliert. Die Minimalmengenschmierung (MMS) bezeichnet das Kühlen von Zerspanungsprozessen mit geringen Mengen Kühlschmiermittel. Dabei kommt ein Öl-Luft-Gemisch zum Einsatz, das durch optimale Schmierung die Entstehung von Reibungswärme verhindert. Die restliche Wärme wird über das Werkzeug und den Span abgeführt. Das Kühlschmiermittel muss dabei prozesssicher dosiert und zum Werkzeug geleitet werden. Dies muss auch bei häufig wechselnden, sehr unterschiedlichen Werkzeugen gewährleistet werden. Ausserdem ist der sichere Späneabtransport aus der Maschine wichtig, und ein Austreten von Aerosoldämpfen ist zu vermeiden.

Das Verfahren ist eine Weiterentwicklung der üblichen Nassbearbeitung, bei der die Werkzeuge regelrecht mit Kühlschmierstoff überflutet werden. Eine verwandte Disziplin ist die Trockenbearbeitung, die gänzlich auf Schmierung bei der Metallzerspanung verzichtet. Als Minimalmengenschmierung sind Zerspanungsprozesse definiert, welche weniger als 20 ml Kühlschmierstoff pro Stunde verwenden. Sie grenzt sich zu der konventionellen Nassbearbeitung ab. Die Menge des eingesetzten Kühlschmierstoffs wird bei der Minimalmengenschmierung durch Dosiertechnik auf das für die Schmierung und Kühlung tatsächlich benötigte Mass reduziert und unter Druck oder mit Pressluft direkt an die Eingriffsstelle der Werkzeugschneide gebracht.

Kühlung mit Luft

Im Zuge der Kostensenkung bei Zerspanungsprozessen hat sich in vielen Fällen die Trockenbearbeitung etabliert. Die Automobilindustrie hat schon vor Jahren errechnet, dass etwa 14 bis 16 Prozent der Zerspanungskosten auf das Konto der Anwendung, Pflege und Entsorgung der Kühlschmierstoffe zu buchen sind. Moderne Werkzeuge und Beschichtungen ermöglichen heute in vielen Fällen das Trockenbearbeiten nicht nur von Gusswerkstoffen. Druckluft, mit einer gewissen Kühlwirkung durch das Entspannen nach der Düse, wird vor allem beim Bearbeiten von faserverstärkten Kunststoffen, bei Keramik- oder Hartmetallgrünlingen und von Grafit eingesetzt. Ziel ist dabei, die abrasiven Faserstäube sowie den Grafit-, Keramik- und Hartmetallstaub effektiv und schnell aus der direkten Zerspanungszone herauszublasen und dann abzusaugen.

Kryogene Zerspanung 

Seit einigen Jahren sorgt die kryogene Kühlung bei schwer zerspanbaren Werkstoffen für Furore. Um jedoch eine kryogene Prozessführung mit flüssigem Stickstoff mit Temperaturen bis –196 °C bei der Zerspanung zu verwenden, bedarf es spezieller Zuführsysteme wie Isolierkannen zur Speicherung, vakuumisolierte Schläuche und entsprechend ausgelegte Zuführtechnik innerhalb der Werkzeugmaschine und des Werkzeugsystems. Ein weniger aufwendiges kryogenes Verfahren ist die Schneestrahlkühlung mittels flüssigem CO2 mit einer Kühlmitteltemperatur von –78 °C. Vorteile bieten diese Kühlverfahren insbesondere bei der Bearbeitung von Titan- und Nickellegierungen oder Duplexstählen und Werkstoffen, bei denen die hohe thermische Belastung der Schneide zu schnellem und hohem Schneidenverschleiss führt. Eine kryogene Kühlung ermöglicht bei diesen Werkstoffen eine erhebliche Erhöhung der Schnittparameter und auch der Standzeiten.

Innenkühlung

Werkzeuge mit innerer Kühlmittelzufuhr sind Stand der Technik und erlauben eine effektive Kühlung direkt an der Wirkstelle. Der KSS-Strahl trifft gezielt in die Schnittzone und verbessert erheblich die Zerspanungsbedingungen. Eine speziell konstruierte Düsenform in der Schneidplatte richtet den Kühlmittelstrahl direkt in die Wirkstelle, unterstützt die Spanformung und verhindert die Gefahr eines Spänestaus. Gleichzeitig kühlt der KSS direkt die durchströmte Schneidplatte, reduziert die Aufbauschneidenbildung und den vorzeitigen Schneidkantenverschleiss. Gegenüber herkömmlichen Kühlungen erhöht diese Entwicklung Standzeiten und Schnittparameter erheblich.