DE10121590A1 - Verfahren zur Kühlung und Vorrichtung hierzu - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung bei spanabhebenden Fertigungsprozessen, insbesondere bei Schleifprozessen von Mikrobohrern mit einem Durchmesser 1 mm, bei dem ein Kühl-Schmierstrahl, der einen Gasstrom (9) als Trägermedium aufweist, auf einen zu kühlenden bzw. zu schmierenden Ort strömt. Hierbei wird der zu kühlende bzw. zu schmierende Ort mit einem ölvernebelten, eine hohe Feuchtigkeit aufweisenden Gasstrom als Kühl-Schmierstrahl beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung bei spanabhebenden Fertigungsprozessen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung hierfür.

Aus dem Stand der Technik sind zur Kühlung eines Werkstücks und eines Werkzeugs, die während eines Bearbeitungsprozesses miteinander in Kontakt stehen, Kühlsysteme bekannt, die mit Schneidöl arbeiten. Insbesondere bei der Bearbeitung von Mikrobohrern, die einen Durchmesser ≦ 1 mm aufweisen, entstehen Probleme. Nachteilig ist, dass alle Schneidöle elektrolytisch hoch isolierend sind und deren Flammpunkt bei etwa 200°C liegt. Hierdurch kommt es bei einer Schmierung bzw. Kühlung mittels Schneidöl zu Problemen, wenn die Temperatur an der Schnitt- bzw. Kontaktstelle zwischen Werkstück und Werkzeug 200°C überschreitet. Dies führt zum Verdampfen des Schneidöls, was wiederum eine Trockenreibung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück nach sich zieht, durch welche die Temperatur an der Schnittstelle bzw. Kontaktstelle stark ansteigt. Dies bedeutet wiederum hohe Temperaturdifferenzen zwischen der Schnittstelle bzw. Kontaktstelle und den hierzu benachbarten Bereichen am Werkstück bzw. am Werkzeug, die zu Spannungsrissen am Werkstück bzw. zum vorzeitigen Verschleiß des Werkzeugs führen. Weiterhin behindert das Schneidöl, das die aktuelle Schnittstelle bzw. Kontaktstelle und die daneben liegenden Bereiche umhüllt bzw. überdeckt, aufgrund seines schlechten Wärmeleitwertes die Wärmeabfuhr. Hierdurch führt das Schneidöl indirekt zu einer Temperaturerhöhung von Werkstück und Werkzeug, die wiederum das Auftreten der oben genannten Probleme begünstigt. Um diese Nachteile zu verhindern, muss die Schnittgeschwindigkeit beim Zerspanungsprozess so weit reduziert werden, dass keine Spannungsrisse bei den hergestellten Werkstücken entstehen bzw. an den Werkzeugen bzw. Schleifscheiben kein vorzeitiger Verschleiß auftritt.

Aus der EP 0 321 954 B1 ist eine Kühlschmiervorrichtung bekannt, bei der in einer Mischkammer ein Flüssigkeitsstrom in einem Gasstrom versprüht bzw. vernebelt bzw. zerstäubt wird und durch eine der Mischkammer nachgeschaltete Ausströmöffnung auf einen zu kühlenden Ort strömen. Bei einer derartigen Vorrichtung entsteht ein mit Feuchtigkeit übersättigter Kühl-Schmierstrahl, der für den Einsatz zur Kühlung von Mikrobohrern auf Grund der im Kühl-Schmierstrahl enthaltenen Feuchtigkeitspartikel weniger geeignet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kühlschmierung bzw. eine Kühlschmiervorrichtung zu entwickeln, die auch bei der spanabhebenden Bearbeitung kleinster Bauteile eine effektive Schmierung und Kühlung gewährleistet.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren und die im Anspruch 3 bestimmte Vorrichtung gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung arbeitet mit einem Kühl-Schmierstrahl, der ölvernebelt ist und eine hohe Feuchtigkeit aufweist, wobei die Feuchtigkeit vollständig vom Trägermedium, dem Gasstrom aufgenommen ist. Somit liegt ein Kühl-Schmierstrahl vor, der im Gegensatz zu einem mit Flüssigkeit übersättigten Kühl-Schmierstahl, in dem eine Flüssigkeit versprüht bzw. vernebelt bzw. zerstäubt ist und der eine relative Feuchtigkeit von über 100% aufweist, keine Flüssigkeitspartikel aufweist. Somit ist der erfindungsgemäße Kühl-Schmierstrahl, der eine relative Feuchtigkeit von unter 100% aufweist, so fein, dass er auch in kleinste Spalte des zu kühlenden bzw. zu schmierenden Orts vordringen und diese Kühlen und/oder Schmieren kann. Durch den hohen Feuchtigkeitsanteil des Kühl-Schmierstrahls ist es möglich wirksam zu Kühlen, da die im Kühl-Schmierstrahl enthaltene Flüssigkeitsmenge, an der zu kühlenden bzw. zu schmierenden Stelle zum Verdampfen viel Energie benötigt und somit für eine wirksame Kühlung sorgt. Ingesamt wird hierdurch eine höhere Prozesssicherheit, eine höhere Standzeit der Werkzeuge, ein höherer Produktionsausstoß pro Maschine, ein höherer Gewinn durch geringere Herstellkosten, eine Reduzierung der Kapitalbindung im Unternehmen, ein Marktvorteile gegenüber den Wettbewerbern und somit ein langfristiges Überleben eines Unternehmens erreicht. Weiterhin bewirkt die Anwendung dieses Fertigungsverfahrens eine Reduzierung des Ausschusses und somit einen geringeren Rohstoffeinsatz, eine Reduzierung der Bearbeitungszeiten und somit eine Reduzierung der Durchlaufzeiten für einzelne Aufträge, eine geringeren Verschleiß von Werkzeugen wie zum Beispiel Schleifscheiben, eine geringer Anforderung an die Kühlleistung des Schneidöls und insgesamt Planungssicherheit für einzelne Aufträge, da der Fertigungsprozess mit weniger Risikofaktoren abläuft.

Weiterhin ist es vorteilhaft, den zunächst trockenen, eine vergleichsweise niedrige relative Feuchtigkeit aufweisenden Gasstrom zunächst bis maximal zum Sättigungsgrad anzufeuchten und anschließend den nahezu gesättigten Gasstrom mit Öl bzw. Schneidöl zu vernebeln. Hierdurch ist es möglich die einzelnen Verfahrensschritte Befeuchten und Vernebeln getrennt von einander zu kontrollieren und zu überwachen und durch unterschiedliche technische Hilfsmittel zu realisieren.

In der erfindungsgemäßen Kühlschmiervorrichtung erfolgt eine Befeuchtung des Gasstroms durch eine Flüssigkeit. Hierdurch wird die Wärmeleitfähigkeit des in der Mischkammer erzeugten Kühl-Schmierstrahls erhöht, ohne einen übersättigten Kühl- Schmierstrahl zu erzeugen, der Feuchtigkeitspartikel enthält. Ein derartiger aus Gas, Flüssigkeit und Kühlschmiermittel zusammengesetzter gasförmiger Kühl-Schmierstrahl stellt eine Schmierung der Schnittstelle bei gleichzeitiger hoher - . Wärmeabfuhr sicher.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, als Flüssigkeit insbesondere Wasser zu verwenden. Dies steht kostengünstig zur Verfügung und weist eine Verdampfungstemperatur auf, die unterhalb der Verdampfungstemperatur des Schmierstoffs liegt und somit sicherstellt, dass zunächst das Kühlmittel verdampft und für Kühlung sorgt. Somit kann der Bearbeitungsprozess in einem Temperaturbereich gefahren werden, der weitestgehend nur ein Verdampfen des Kühlmittels bewirkt und somit die Gefahr einer Trockenschmierung wirksam verhindert.

Weiterhin ist es vorgesehen, den Gasstrom als Druckluftstrom auszubilden. Druckluft ist problemlos aus einem nahezu in jeder Fertigung vorhandenen Druckluftnetz zur Verfügung zu stellen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist es vorgesehen, die Mischvorrichtung als Düse auszubilden, in welche der Schmiermittelstrom vorzugsweise quer zu einer Strömungsrichtung des Gasstroms einströmt. Hierdurch wird auf einfache Weise eine gute Verteilung des Schmiermittels im Gasstrom erreicht.

Es ist vorteilhaft, wenn der Behälter von der Flüssigkeit durchströmt ist, insbesondere wenn die Flüssigkeit und der Gasstrom im Behälter im Gegenstrom aufeinander treffen. Hierdurch kommt das Gas in guten Kontakt mit der Flüssigkeit.

Die Kühlschmiervorrichtung erzeugt einen drei Komponenten umfassenden gasförmigen Kühl-Schmierstrahl, der sich aus einer Trägerkomponente, dem Gas bzw. der Druckluft, einer Flüssigkeitskomponente, der vom Gas aufgenommenen Flüssigkeit bzw. dem vom Gas aufgenommenen Wasser und einer Schmiermittelkomponente, dem vom Gas aufgenommenen Schmiermittel bzw. Schneidöl zusammensetzt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 einen in eine Druckluftleitung integrierten Behälter und

Fig. 2 eine Düse mit Mischvorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Kühlschmiervorrichtung 1 teilweise dargestellt. Im Einzelnen sind ein Behälter 2 für eine Flüssigkeit 3 bzw. Wasser 4 mit einem Zulauf 5 und einem Ablauf 6, eine in den Behälter 2 mündende Druckluftleitung 7 und eine aus dem Behälter 2 austretende Druckluftleitung 8 dargestellt. In den Druckluftleitungen 7, 8 strömt in Strömungsrichtungen x bzw. x' ein Gasstrom 9, der vorzugsweise als Druckluftstrom 10 ausgebildet ist. Die Flüssigkeit 3 strömt in Pfeilrichtungen y, y', y" vom Zulauf 5 durch den Behälter 2 zum Ablauf 6. Der Zulauf 5 und der Ablauf 6 sind über Ventile 11, 12 mittels Handhebeln 13, 14 regelbar. Der Gasstrom 9, welcher den Behälter 2 in Pfeilrichtung x" in Form von Luftblasen 15 durchströmt, nimmt beim Durchströmen Feuchtigkeit auf und wird so von einem relativ trockenen Gasstrom 9' in einen relativ feuchten Gastrom 9" umgewandelt. Der Behälter 2 ist als Schauglas ausgebildet.

Dies bedeutet in der Praxis: Druckluft aus einem zur Verfügung stehenden Druckluftnetz wird durch ein mit leitfähigem Wasser gefülltes Spezialgefäß geleitet. Hierdurch wird die nicht leitfähige Druckluft elektrolytisch leitfähig. Diese elektrolytisch leitfähige Luft ist später in der Lage, die an der Zerspanungsstelle entstehende Wärme schnell und sicher abzuführen. Hierbei reicht der später zugemischte geringe Anteil von Schneidöl in die elektrolytisch leitfähige Luft aus, um die Schnittstelle bzw. Zerspanungsstelle ausreichend zu schmieren und den Wärmeabtransport nicht zu behindern. Beim Eintritt der Druckluft in das Spezialgefäß werden die großen Druckluftblasen in kleine Luftbläschen zerrissen, um eine höhere elektrolytische Leitfähigkeit der Luft zu erreichen. Die leitfähige Luft, welche aus dem Spezialgefäß austritt, wird über eine Druckluftleitung zu einer Düse geführt. Diese Düse erzeugt einen hohen dynamischen Druck des austretenden Luftstroms, wobei in der Düse über einen zweiten Anschluss eine definierte Menge Schneidöl in den Luftstrom eingebracht und mit der leitfähigen Luft vernebelt wird.

In Fig. 2 ist eine Mischvorrichtung 16 dargestellt, die als Düse 17 ausgebildet ist. Die Düse 17 steht mit einem Anschluss 18 der Druckluftleitung 8 (siehe Fig. 1) über einen Anschluss 19 in Verbindung. Der relativ feuchte Gasstrom 9" tritt somit in einer Pfeilrichtung z in einen Kanal 20 der Düse 17 ein. Der Kanal 20 verjüngt sich über drei Abschnitte I, II und III zu einer sich in Strömungsrichtung z aufweitenden Ausströmöffnung 21 hin. Über eine Zuleitung 22 wird ein Schmiermittelstrom 23 bzw. Schneidölstrom 24 dem Abschnitt II des Kanals 20 zugeführt. Der Schmiermittelstrom 23 trifft senkrecht auf den relativ feuchten Gasstrom 9" und wird in den Abschnitten II und III des Kanals 20 vernebelt. Der Schmiermittelstrom 23 bildet in vernebelter Form mit dem relativ feuchten Gasstrom 9" einen gasförmigen Kühl- Schmierstrahl 25, der über die Ausströmöffnung 21 aus der Düse 17 austritt und auf ein nicht dargestelltes Werkstück bzw. Werkzeug trifft, die Schnittstelle zwischen Werkstück und Werkzeug schmiert und deren Umgebung kühlt.

Die Erfindung ist nicht auf dargestellte oder beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie umfasst vielmehr Weiterbildungen der Erfindung im Rahmen der Schutzrechtsansprüche. Insbesondere sieht die Erfindung auch vor, den Gasstrom und den Schmiermittelstrom schon vor der Düse miteinander zu vernebeln.

Bezugszeichenliste

1

Kühlschmiervorrichtung

2

Behälter

3

Flüssigkeit

4

Wasser

5

Zulauf

6

Ablauf

7

Druckluftleitung

8

Druckluftleitung

9

Gasstrom

9

' relativ trockener Gasstrom

9

" relativ feuchter Gasstrom

10

Druckluftstrom

11

Ventil

12

Ventil

13

Handhebel

14

Handhebel

15

Luftblase

16

Mischvorrichtung

17

Düse

18

Anschluss

19

Anschluss

20

Kanal

21

Ausströmöffnung

22

Zuleitung

23

Schmiermittelstrom

24

Schneidölstrom

25

gasförmiger Kühl-Schmierstrahl

Claims (9)

1. Verfahren zur Kühlung bei spanabhebenden Fertigungsprozessen, insbesondere bei Schleifprozessen von Mikrobohrern mit einem Durchmesser 1 mm, bei dem ein Kühl- Schmierstrahl, der einen Gasstrom (9) als Trägermedium aufweist, auf einen zu kühlenden bzw. zu schmierenden Ort strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der zu kühlende bzw. zu schmierende Ort mit einem ölvernebelten, eine hohe Feuchtigkeit aufweisenden Gasstrom als Kühl-Schmierstrahl (25) beaufschlagt wird.

2. Verfahren zur Kühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem zunächst trockenen Gasstrom (9, 9') zunächst ein hoher Feuchtigkeitsanteil zugefügt wird und anschließend eine Vernebelung des feuchten Gasstroms (9") mit Öl (23, 24) zu einem Kühl-Schmierstrahl (25) erfolgt.

3. Kühlschmiervorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (9, 9') vor dem Eintritt in eine Mischvorrichtung (16) einen eine Flüssigkeit (3) enthaltenden Behälter (2) durchströmt.

4. Kühlschmiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3) als Wasser (4), insbesondere als leitfähiges Wasser vorliegt.

5. Kühlschmiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (9) als Druckluftstrom (10) ausgebildet ist.

6. Kühlschmiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmiermittelstrom (23) als Schneidölstrom (24) ausgebildet ist.

7. Kühlschmiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (16) als Düse (17) ausgebildet ist, in . welche der Schmiermittelstrom (23) vorzugsweise quer zu einer Strömungsrichtung (z) des Gasstroms (9, 9") einströmt.

8. Kühlschmiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) von der Flüssigkeit (3, 4) durchströmt ist.

9. Kühlschmiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (3, 4) und der Gasstrom (9, 9') im Behälter (2) im Gegenstrom aufeinander treffen.