Minimalmengenschmierung - Eine Alternative bei der Zerspanung?

Die Minimalmengenschmierung (MMS) in eine Technologie aus der Zerspantechnik zur Versorgung einer Bearbeitungsaufgabe mit Schmierstoff, bei der erheblich kleinere Schmierstoffmengen als bei konventionellen Kühlschmierstoffversorgungsstrategien benötigt werden. Die Einsparung an Schmiermittel ist dabei so groß, dass der Name „Minimalmengenschmierung“ für diese Technik geprägt wurde.

Heute etabliert ist meist die „Überflutungskühlung“, bei der die Bearbeitungsaufgabe mit Kühlschmierstoff überversorgt wird und aus dem hohen verwendeten Volumenstrom hohe Kosten für die Aufbereitung des Kühlschmierstoffes entstehen.

Vor- und Nachteile der Minimalmengenschmierung

Verfahrensbedingt ergeben sich bei der Minimalmengenschmierung (MMS) einige Vor- und Nachteile, die vor der Implementierung der MMS in eine Werkzeugmaschine gegenübergestellt und evaluiert werden sollten:

+ Geringster Schmiermittelaufwand (wenige ml pro Stunde)
+ Entfall von Kühlschmierstoff-Filtration und –Rückführung
+ Sehr zielgerichtete Zuführung über das Werkzeug möglich
+ Keine Bio- und Fungizide notwendig

- Einmalige Verwendung des Schmiermittels (Verlustschmierung)
- Erhöhtes thermisches Risiko
- Nicht für alle Bearbeitungsverfahren wirtschaftlich einsetzbar
- Entfernung von Bearbeitungsrückständen nur händisch möglich
- Erhöhte Werkzeugkosten

Schmiermittelmenge bei Minimalmengenschmierung

Bei der Minimalmengenschmierung wird statt mit einem Kühlmittelstrahl mit einem Aerosol (KSS-Nebelgemisch) des Schmierstoffs geschmiert. Das Aerosol wird vor dem Einbringen in die Bearbeitungszone mithilfe von Druckluft, ähnlich dem Prinzip eines Vergasers, generiert. Durch die sehr geringe eingesetzte Schmiermittelmenge können gegenüber konventionellen Kühlschmierstrategien einige kostenverursachende Faktoren abgestellt werden, da die Bearbeitung nahezu trocken erfolgt:

-       Minimierung der eingesetzten Schmierstoffmenge
-       Entfall von Filtration und Aufarbeitung

Mengenvergleich der Schmiermittelaufwände

Anwendungsbereiche für Minimalmengenschmierung

Die Minimalmengenschmierung wurde schrittweise und mit Verbesserung der Technologie, in immer mehr Bearbeitungsverfahren eingesetzt. Dabei eignen sich Zerspanungsverfahren mit geometrisch definierter Schneide grundsätzlich besser für die Anwendung der Minimalmengenschmierung, als Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide. Wurden zunächst einfache Verfahren, wie z.B. das Sägen mit einer Minimalmengenschmierung ausgestattet, so ist es heute bereits möglich auch beim Fräsen und Drehen eine anforderungsgerechte Kühlschmierung zu gewährleisten. Ein wesentlicher Faktor ist hierbei die Entwicklung von Werkzeugen mit integrierter Schmiermittelzuführung. Durch feine Kanäle innerhalb des Werkzeuges wird das Schmiermittel direkt in die Bearbeitungszone eingebracht. Ebenfalls üblich ist die deutlich weniger aufwändige Zuführung des Schmiermittelnebels von außen an das Werkzeug.  

    

 Schematische Darstellung der Schmierstoffzuführung von außen, sowie durch Kanäle im Werkzeug

Minimalmengenschmierung beim Schleifen

Wenngleich die Minimalmengenschmierung bereits erfolgreich bei Zerspanungsverfahren mit geometrisch definierter Schneide eingesetzt wird, so ist das Schleifen ein Bearbeitungsverfahren, bei dem die Minimalmengenschmierung noch nicht wirtschaftlich eingesetzt werden kann. Dies hat mehrere Gründe, die in den Eigenheiten des Schleifens begründet liegen:

- Das Schmierstoffaerosol kann das mit der Schleifscheibe rotierende Luftpolster nicht durchdringen, wird daher abgelenkt und erreicht den Schleifspalt nicht.

- Beim Schleifen besteht ein besonders hohes thermisches Risiko (Schleifbrand), was eine zuverlässige Kühlung durch den Abtransport der Wärme vom Werkstück erforderlich macht. Dies ist mit MMS nicht oder nur unzureichend möglich. Der Wärmeeintrag in das Werkstück kann zwar durch herabsetzen der Zerspanleistung reduziert werden. Dies ist allerdings aufgrund der signifikanten Verlängerung der Bearbeitungsdauer nicht wirtschaftlich.

- Es ist aktuell nicht möglich Schleifscheiben mit Kanälen auszustatten, die ähnlich den Werkzeugen der Verfahren mit geometrisch definierter Schneide, das Schmiermittel direkt in die Bearbeitungszone bringen.

Optimale Kühlschmierstoffzuführung beim Schleifen

Der Ausfall der Minimalmengenschmierung für das Schleifen heißt allerdings nicht, dass Bearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide unwirtschaftlich und mit immensem Kühlschmierstoffbedarf verbunden sein müssen. Durch ausgeklügelte KSS-Zuführsysteme kann sowohl eine signifikante Kühlmittel-Einsparung erzielt und zudem eine Steigerung der Zerspanleistung erreicht werden. Neben der eigentlichen Zuführung kann aber auch die nachgelagerte Filtration und Aufbereitung des Kühlschmierstoffes optimiert werden. Durch die Mehrfachnutzung des aufbereiteten Kühlschmiermittels entfallen wesentliche Anteile der Wiederbeschaffungskosten.

Schleifen mit geringstmöglicher Kühlschmierstoffmenge  

Am wichtigsten bei allen Einsparmaßnahmen von Kühlschmierstoff ist die sinnvolle Abstimmung zwischen einzusparender Schmierstoffmenge und den Prozessparametern der Bearbeitungsaufgabe. Denn die größte KSS-Einsparung bringt bei hierdurch gleichzeitig bedingter Reduktion der Zerspanleistung keinen Mehrwert hinsichtlich der Prozesseffizienz und Wirtschaftlichkeit.

Die Prozessoptimierung durch Applizierung der exakt erforderlichen Menge Kühlschmierstoff in Kombination mit den erforderlichen Prozessparametern (KSS-Austrittsgeschwindigkeit, KSS-Volumenstrom) ist das geeignetste Vorgehen bei der Optimierung der KSS-Zuführung beim Schleifen. Hierdurch wird die Nische beim KSS-Aufwand zwischen der Minimalmengenschmierung und der Überflutungskühlung geschlossen.

Mengenvergleich der Schmiermittelaufwände mit optimierter KSS-Zuführung

Durch die Verwendung von Grindaix-Düsen lassen sich die oben genannten Prozessparameter besonders zuverlässig realisieren und sind daher ebenso für eine Optimierung der KSS-Anlage besonders geeignet. Durch eine Abstimmung aller Komponenten der KSS-Filtrationsanlage (Pumpen, Ventile, Filterprinzip, etc.) können trotz der im Vergleich zur MMS großen Kühlschmierstoffmenge im Umlauf, signifikante Einsparungen erreicht werden. Durch den Betrieb von Reinigungs- und Spüldüsen kann mithilfe von Kühlschmierstoff die Reinigung der Maschine von Bearbeitungsrückständen während der Hauptzeiten/Nebenzeit erfolgen. Hierdurch lässt sich der händische Reinigungsaufwand erheblich reduzieren, der bei der MMS zwangsläufig anfällt.

Zusammenfassung

Die Minimalmengenschmierung (MMS) ist ein Verfahren zur Schmierstoffzuführung bei der zerspanenden Metallbearbeitung. Hierbei werden nur sehr geringe Mengen Schmiermittel benötigt, da der Schmierstoff in Form eines KSS-Aerosols in die Bearbeitungszone eingebracht wird. Bei der Minimalmengenschmierung handelt es sich um eine sogenannte Verlustschmierung, der Schmierstoff kann nur einfach verwendet werden und wird nicht aufbereitet. Vornehmlich wirtschaftlich angewendet wird die MMS bei Verfahren mit geometrisch definierter Schneide (z.B. Fräsen, Bohren). Bei den Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide ist jedoch eine wirtschaftliche Anwendung eher fragwürdig. Dennoch können auch diese Verfahren hinsichtlich der konventionellen Schmierung mit KSS optimiert und bezüglich der Effizienz und Wirtschaftlichkeit wesentlich verbessert werden.

Hierzu bietet die Grindaix GmbH ein umfassendes Produktportfolio von der Analyse bis zur vollständigen Maschinenoptimierung an, sodass die Bearbeitungsaufgaben mit geometrisch unbestimmter Schneide mit der exakt benötigten KSS-Menge versorgt werden. Derzeit ist dies deutlich sinnvoller und vor Allem wirtschaftlicher als eine Umstellung auf die Minimalmengenschmierung.

Tipp: Wir bieten regelmäßig ein praxisorientiertes Fachseminar zum Thema „Schleifbrand vermeiden“ in Köln an. Hier finden Sie weitere Informationen:

https://grindaix.de/unternehmen/schleifen-seminare/

Tagungsleitung: Dr.-Ing. D. Friedrich

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