DE102004058827A1 - Verfahren für die Schmierung/Kühlung eines Werkzeugs - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Schmierung/Kühlung eines Werkzeugs, bei dem man ein kolloides Medium einem in einer Spindel (13) gehaltenen Werkzeug (15) zuführt, wobei als kolloides Medium zur Schmierung ein Schaum bzw. Schaumblasen vorgesehen sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Schmierung/Kühlung eines Werkzeugs, bei dem man ein kolloides Medium einem in einer Spindel gehaltenen Werkzeug zuführt. Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur sogenannten Minimalmengenschmierung von Werkzeugen.
• Die Minimalmengenschmierung ist ein vielversprechender Weg in der spanenden und spanlosen Metallbearbeitung, die angewandt wird, um Kosten gegenüber der Fertigung mit Emulsionen zu senken, Werkstückoberflächen zu verbessern und die Umwelt zu entlasten. Das Prinzip der Minimalmengenschmierung besteht im Wesentlichen darin, dass man die verwendeten Kühlschmierstoffe meist in Form eines Aerosols in einer auf das unbedingt notwendige Maß reduzierten Menge verwendet. Im Vergleich zur Verwendung herkömmlicher Kühlschmierstofföle und -emulsionen führt die nahezu reststofffreie Verflüchtigung der verwendeten Medien im Bearbeitungsprozess zu einer Reihe von ökologischen und ökonomischen Vorteilen der Minimalschmiertechnik. Das Sonderabfallaufkommen wird vermieden und Kosten für ein Kühlschmierstoff-Handling entfallen weitgehend. Die Entsorgung der verbrauchten Kühlschmierstoffe entfällt. Die Späne lassen sich problemloser recyceln, da kaum Schmierstoff anhaftet. Die Reinigung (Entfettung, etc.) der Werkstoffe kann gegebenenfalls entfallen.
• Bei der gängigsten Technik der Minimalmengenschmierung wird der Schmierstoff aus einem Vorratsgefäß in eine Dosiereinheit gefördert, die eine definierte Menge Schmierstoff aufnimmt. Der Schmierstoff wird dann zielgerichtet zum Beispiel durch Beschleunigung mit Druckluft aus einer Düse gefördert und auf eine Wirkstelle aufgebracht. Alternativ zu dieser Außenschmierung über Sprühdüsen ist die Innenschmierung durch im Werkzeug angebrachte Kanäle bekannt. Hier treten jedoch Probleme auf beim Schmierstofftransport, wobei es insbesondere durch Versackungsräume in dem das Werkzeug aufnehmenden Futter dazu kommt, dass das Schmiermittel nicht in ausreichender Menge oder nicht rasch genug in die Kanäle des Werkzeugs transportiert wird.
• Das bei der herkömmlichen Minimalmengenschmierung verwendete kolloide Medium ist ein Aerosol, das heißt ein Gemisch aus Tröpfchen eines Schmiermittels in Luft. Problematisch ist dabei, dass es zum Beispiel beim Transport des Schmiermittels zur Werkzeugschneide zu einer Entmischung des Aerosols kommen kann. In der Regel wurde ein Aerosol mit Ölpartikeln als kolloides Schmiermittelmedium verwendet, wobei die beispielsweise etwa 0,5 μm oder etwa 3 μm großen Ölpartikelchen, je nachdem, ob ein Ein- oder Zwei-Kanalsystem verwendet wird, von einem Luftstrom transportiert werden müssen. Da es zu Aussetzern beziehungsweise Stoppern beim Austritt des Schmiermittel-Aerosols aus dem Werkzeug kommen konnte, war das bisherige Verfahren nicht zuverlässig. In der Regel erfolgte zudem bislang der Transport von Gas (zum Beispiel Luft) und der als Schmiermittel verwendeten Flüssigkeit zunächst getrennt in einem 2-Kanalsystem, so dass die Vermischung erst im Bereich der Spindelnase stattfand. Bei den bekannten Verfahren konnte es zu Unterbrechungen der Schmierung kommen, was zu Werkzeugfressern führte und deshalb dem Einsatz der Trockenbearbeitung oder Bearbeitung mit Minimalmengenschmierung bei anspruchsvollen Werkstücken im Wege steht.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren für die Schmierung/Kühlung eines Werkzeugs der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, welches effektiver und zuverlässiger ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Verfahren für die Schmierung/Kühlung eines Werkzeugs der eingangs genannten Gattung, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass man als kolloides Medium zur Schmierung einen Schaum verwendet. Die Schaumblasen des anstelle eines Aerosols erfindungsgemäß verwendeten Schaums verbleiben auch bei einer Nichtbenutzung des Schmiermittels in den für das Schmiermittel vorgesehenen Räumen des Werkzeugs, ohne abzufließen. Dadurch kommt es nicht zu Schmiermittelverlusten. Die Haltbarkeit der Schaumblasen erstreckt sich beispielsweise über mehrere Stunden, so dass auch während der Ablage im Werkzeugwechsler die Schaumblasen bestehen bleiben.
• Ein Schaum stellt eine Dispersion von kleinen, einander berührenden Blasen in einer Flüssigkeit dar. Ist bei homodisperser Verteilung die Volumenkonzentration des Gases kleiner als 74 %, so haben die Gasblasen ein kugelförmiges Aussehen. Dieser Kugelschaum ist jedoch nicht sehr stabil. Die kugelförmigen Blasen verändern ihre Form beim Zusammenstoß mit anderen Blasen. Es entstehen Polyeder verschiedener Flächenform und Größe. Die einzelnen Gasblasen werden von einer doppelwandigen Schaumlamelle umschlossen. Dieses Häutchen ist sehr dünn, beispielsweise 4 bis 600 nm. Das Innere der Doppelwand ist mit Flüssigkeit ausgefüllt. Der entstandene polyederförmige Schaum ist wesentlich stabiler als der zuvor erwähnte Kugelschaum. Damit die Blase durch den Normaldruck nicht zusammenfällt, herrscht in der Blase gegenüber der Umgebung ein Überdruck. Das Volumen des Schaums hängt unter anderem vom Flüssigkeitsvolumen, den mechanischen Bedingungen und der Temperatur ab. Durch geeignete Inhaltsstoffe kann man Einfluss nehmen auf die Schaumeigenschaften, insbesondere die Schaumstabilität.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man beispielsweise so vorgehen, dass man zunächst einen als Schmiermittelmedium dienenden Schaum erzeugt und diesen dann in Schaumform einer Spindel zuführt. Man kann beispielsweise eine Pumpe verwenden, um den Schaum zu fördern beziehungsweise zu dosieren. Eine solche Pumpe kann bezüglich der Spindel beziehungsweise des Werkzeugs extern angeordnet sein.
• Die Schaumbildung kann durch Strömungsturbulenz erzielt werden, die auf dem Weg des Mediums zum Werkzeugaustritt auftritt. Je nach Eigenschaften des eingesetzten Schmiermittels ist dessen Dosierung pulsierend oder kontinuierlich. Die Strömungsrichtung und Intensität des Gases kann auf das verwendete Schmiermittel abgestimmt werden.
• Vorzugsweise werden dem Schaum geeignete Mittel zugesetzt, um die Lebensdauer der Schaumblasen zu erhöhen. Hierzu eignen sich insbesondere oberflächenaktive Substanzen, durch die sich die Schaumhaltbarkeit erheblich verlängern lässt.
• Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines Schaums kann man erreichen, dass auch dann, wenn kein Schmiermittelmedium nachgeliefert wird, der Schaum in den dafür vorgesehenen Räumen verbleibt und nicht abfließt. Damit kommt es nicht zu einem Verlust an Schmiermittel. Durch entsprechende Zusätze zu Schaum kann man erreichen, dass die Schaumblasen erhalten bleiben, auch wenn Flüssigkeit aus den die Gasblasen umhüllenden Lamellen austritt.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man erreichen, dass das Zahlenverhältnis von Gas- zu Flüssigkeitsmolekülen beim Transport des Schmiermittelschaums zum Werkzeugaustritt in etwa gleich bleibt und somit unabhängig ist von etwaigen Kompressionsschwankungen.
• Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
• Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
• 1 eine schematisch stark vereinfachte Skizze eines Werkzeugs, für das eine erfindungsgemäße Minimalmengenschmierung vorgesehen ist,
• 2 eine schematisch vereinfachte vergrößerte Detailansicht eines Ausschnitts II aus 1 im Längsschnitt.
• Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Die Darstellung zeigt schematisch stark vereinfacht eine Einrichtung 10 zur Dosierung des Schmiermediums für die Minimalmengenschmierung. Diese Einrichtung umfasst eine Zufuhr 16 für Gas oder Luft sowie eine Zufuhr 17 für ein Öl, eine Emulsion oder allgemein ein Schmiermedium, welche in der Dosiereinrichtung 10 vermischt werden. Das Schmiermittelmedium gelangt dann über den Schlauch 11 und den Drehverteiler 12 in das Innere der Werkzeugspindel 13. Das kolloide Schmiermedium wird weiter in Pfeilrichtung über den Werkzeugspanner 14 in Kanäle eines Werkzeugs, beispielsweise eines Bohrers 15 eingeleitet, wobei es aus der Bohrerspitze austritt und dort zur Minimalmengenschmierung bei der spanenden Bearbeitung dient.
• Weitere Einzelheiten ergeben sich aus 2, die ebenfalls eine schematisch stark vereinfachte Darstellung zeigt, und werden nachfolgend anhand von 2 erläutert. 2 zeigt einen Hohlraum 18 innerhalb des Werkzeugs, welcher einen Kanal für das Schmiermittelmedium bildet. Der erfindungsgemäß erzeugte Schaum umfasst beispielsweise einzelne Schaumblasen 19, 20, die in Pfeilrichtung durch den Hohlraum 18 innerhalb des Werkzeugs zur Werkzeugspitze 15a gefördert werden und an deren vorderen Ende 15b austreten. Größere Schaumblasen 19 können an Turbulenzkanten 21 in dem Hohlraum beziehungsweise Kanal des Werkzeugs zerschellen, so dass sich neue kleinere Schaumblasen 20 bilden können, die so dimensioniert sind, dass sie durch den querschnittsengeren Kanal 22 in der Werkzeugspitze 15a zum vorderen Ende der Werkzeugspitze gelangen können.

10

Dosiereinrichtung

11

Schlauch

12

Drehverteiler

13

Werkzeugspindel

14

Werkzeugspanner

15

Bohrer

15a

Werkzeugspitze

15b

vorderes Ende des Werkzeugs

16

Zufuhr für Gas oder Luft

17

Zufuhr für Öl

18

Hohlraum

19

Schaumblase

20

Schaumblase

21

Turbulenzkanten

22

Kanal

Claims (8)

1. Verfahren für die Schmierung/Kühlung eines Werkzeugs, bei dem man ein kolloides Medium einem in einer Spindel gehaltenen Werkzeug zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass als kolloides Medium zur Schmierung ein Schaum bzw. Schaumblasen vorgesehen sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Minimalmengenschmierung eines Werkzeugs dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man einen als Schmiermittelmedium dienenden Schaum bzw. Schaumblasen erzeugt und einer Spindel zuführt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man mittels mindestens einer Pumpe oder eines unter Druck stehenden Gases den Schaum bzw. Schaumblasen fördert/dosiert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine bezüglich der Spindel/des Werkzeugs extern angeordnete Pumpe bzw. ein unter Druck stehendes Gas vorgesehen ist, um den Schaum zu dosieren.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Schaum wenigstens ein Mittel zusetzt, welches die Lebensdauer der Schaumblasen erhöht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Schaum mindestens eine oberflächenaktive Substanz zusetzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man das Verhältnis von Gas- und Flüssigkeitsmolekülen in der Dispersion während des Transports innerhalb der Spindel zum Werkzeugaustritt mindestens innerhalb eines Bereichs weitgehend konstant hält.