Die Filtration im Kühlschmierstoff-Kreislauf
Kühlschmierstoffe werden aus ökonomischen und ökologischen Gründen in sogenannte Kühlschmierstoff-Kreisläufen geführt. Der Aufbau eines Kühlschmierstoff-Kreislaufes ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Kühlschmierstoff-Kreisläufe sollen eine konstante Versorgung der Werkzeugmaschine mit Kühlschmierstoff gewährleisten und entsprechend dem Bedarf der Werkzeugmaschine kontinuierlich Kühlschmierstoff der geforderten Reinheit liefern.
Abbildung 1: Die Filtration im Kühlschmierstoff-Kreislauf [VDI3397]
Einen wichtigen und zentralen Bestandteil des Kühlschmierstoff-Kreislaufes bildet dabei die Kühlschmierstoff-Filtrationseinheit. Die Hauptaufgabe der Kühlschmierstoff-Filtrationseinheit ist das filtrieren bzw. abtrennen von Fremdpartikeln aus dem Kühlschmierstoff, damit dieser möglichst die Eigenschaften des Anlieferungszustandes, vor allem hinsichtlich der Reinheit, aufrechthält. Im Kühlschmierstoff-Kreislauf folgt die Kühlschmierstoff-Filtration auf die Kühlschmierstoff-Rückführung. Nachdem der Kühlschmierstoff, entsprechend der geforderten Reinheit, von Fremdstoffen befreit ist, steht der Kühlschmierstoff den folgenden Kreislaufstufen der Kühlschmierstoff-Versorgung und Kühlschmierstoff-Temperierung zur Verfügung.
Schließlich wird er wieder der Werkzeugmaschine zugeführt und der Kreislauf wird erneut durchlaufen. Während des Durchlaufens des Kreislaufes geht zwangsläufig Kühlschmierstoff verloren. Die maßgebende Ursache dafür liegt in der Verschleppung des Kühlschmierstoffes durch das Werkstück und die Filtrationseinheit.
Übersicht der Stoffströme
In das System "Filter" treten verschiedene Stoffströme sowohl ein als auch aus. Am besten lässt sich dieser Sachverhalt anhand eines Diagramms darstellen. Abbildung 2 liefert solch ein Diagramm und ermöglicht damit die Veranschaulichung der, die Filtration maßgebend beeinflussenden, Stoffströme.
Abbildung 2: Übersicht der Stoffströme
Während der Filtration strömt verschmutzter Kühlschmierstoff, das sogenannte Unfiltrat, in den Filter ein. Das Unfiltrat setzt sich dabei aus den beiden Stoffströmen reiner Kühlschmierstoff, der im Kühlschmierstoff-Kreislauf vor der Bearbeitung vorliegt und Schmutz, der sich aus der spanenden Fertigung ergibt, zusammen. Des Weiteren strömt bei der Verwendung eines Filters mit Anschwemmtechnik Anschwemmmittel in den Filter.
Das Anschwemmmittel kann dabei kontinuierlich zudosiert werden oder vor der eigentlichen Filtration vorangeschwemmt werden. Eine Kombination aus Voranschwemmung und kontinuierlicher Zudosierung ist dabei in der Praxis üblich. [Luc04, S.191 ff.], [Gas00, S.48 ff.]
Aus dem Filter treten das Filtrat und der Schmutzkuchen aus. Dabei verbleibt das Filtrat im Kühlschmierstoff-Kreislauf. Der Schmutzkuchen wird jedoch aus dem Kühlschmierstoff-Kreislauf entfernt. Das Filtrat setzt sich aus den Stoffströmen des verbliebenen Schmutzes, des Kühlschmierstoffes und des Filterhilfsmittels zusammen. Wobei Filterhilfsmittel im Filtrat normalerweise nicht vorkommen sollte, dies jedoch aufgrund der technischen Gegebenheiten nicht auszuschließen ist. [Gas00, S.48 ff.]
Der Schmutzkuchen setzt sich ebenfalls aus den drei Bestandteilen Schmutz, Kühlschmierstoff und Filterhilfsmittel zusammen. Der Schmutzkuchen sollte einen hohen Schmutzgehalt und einen möglichst geringen Kühlschmierstoff-Gehalt haben.
Aus der Massenerhaltung für das betrachtete System "Filter" ergeben sich folgende Zusammenhänge. Die Filterhilfsmittelmasse im Schmutzkuchen addiert sich mit der Filterhilfsmittelmasse im Filtrat zu der in den Filter eintretenden Filterhilfsmittelmasse.
Die in den Filter eintretende Schmutzmasse teilt sich in die Schmutzmasse, die im Filtrat verbleibt und die Schmutzmasse, die mit dem Schmutzkuchen ausgetragen wird, auf. Die in den Filter einströmende Kühlschmierstoff-Masse teilt sich in die Kühlschmierstoff-Masse des Filtrats und die Kühlschmierstoff-Masse, die mit dem Schmutzkuchen verschleppt wird, auf.
Technisch sinnvolle Struktur der Filtrationsprinzipien
Abbildung 3: Technisch sinnvolle Struktur der Filtrationsprinzipien
In der Literatur zur allgemeinen Fest-Flüssig-Trennung gibt es unterschiedliche Ansätze zur Strukturierung der Filtrationsverfahren. Betrachtet man die Filtrationsverfahren hinsichtlich der Kühlschmierstoff-Filtration, so liefert Abbildung 3 eine technisch sinnvolle und praxisbezogene Struktur, die einen schnellen Überblick und leichte Orientierung ermöglicht.
Die zur Kühlschmierstoff-Filtration praktisch eingesetzten Filtrationsanlagen können in die vier grundlegenden Filtrationsprinzipien:
- Filtration durch Sedimentation
- Filtration durch Zentrifugalkraftwirkung
- Filtration durch Größenunterschiede
- Filtration durch magnetische Kraftwirkung
eingeteilt werden.
Filtration durch Sedimentation
Bei der Filtration durch Sedimentation wird der Schmutz aus dem Kühlschmierstoff durch unterschiedliches Absetzverhalten getrennt. Auf Grund des Dichte- unterschiedes von Schmutz und Kühlschmierstoff, setzt sich der Schmutz auf dem Boden der Sedimentationsanlage ab und bildet ein Sediment, was schließlich als feuchtes Haufwerk ausgetragen werden kann. [VDI 3397]
Filtration durch Zentrifugalkraftwirkung
Bei der Filtration durch Zentrifugalkraftwirkung wird, ähnlich der Filtration durch Sedimentation, die unterschiedliche Dichte von Kühlschmierstoff und Schmutz genutzt um die Fest-Flüssig-Trennung zu erreichen. Kühlschmierstoff und Schmutz rotieren bei diesem Prinzip auf einer Kreisbahn und durch die sich ergebende Zentrifugalkraftwirkung wird der Schmutz, der eine höhere Dichte als der Kühlschmierstoff besitzt, auf der äußeren Kreisbahn konzentriert und dann ausgetragen.
Filtration durch Größenunterschiede
Die Filtration durch Größenunterschiede, auch als Siebfiltration bezeichnet, macht sich den Größenunterschied zwischen Schmutzpartikel und Kühlschmierstoff-Partikel zu nutze.
Ein Filtermittel, das im Prinzip wie ein Sieb wirkt, hält dabei die Schmutzpartikel zurück und lässt die Kühlschmierstoff-Partikel passieren.
Filtration durch magnetische Kraftwirkung
Bei der Filtration durch magnetische Kraftwirkung werden die Schmutzpartikel aus dem Kühlschmierstoff getrennt, die auf magnetische Anziehungskraft reagieren. Die abzutrennenden Schmutzpartikel sollten sich durch einen Magneten anziehen lassen. Im optimalen Fall sind sie ferromagnetisch und können selbst zu Magneten werden.
Quellenangaben
[VDI 3397]: Richtlinie VDI 3397, Pflege von Kühlschmierstoffen für die Metallbe- und –verarbeitung, 2005
[Luc04]: Luckert, K.: Handbuch der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung, Essen, Vulkan, 2004
[Gas00]: Gasper, H.; Oechsle, D.; et al.: Handbuch der indust-riellen Fest/Flüssig-Filtration, 2. Auflage, Weinheim, Wiley-VCH, 2000
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