DE102004061412B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Schmiermittelstroms - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Schmiermittelstroms bei der Minimalmengenkühlschmierung (MMKS). Bekannte Verfahren messen durch den MMKS-Zuführkanal relativ weit von der eigentlichen Bearbeitungsstelle entfernt. Sie erfordern den Einbau von Sensoren in den rotierenden Werkzeughalter, was sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden ist. DOLLAR A Diese Nachteile werden erfindungsgemäß überwunden, indem eine Messung am Schmiermittelaustritt in einem separaten Messbehälter erfolgt, wobei der Aerosolanteil optisch und der Schmierfilmanteil gravimetrisch gemessen werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Schmiermittelstroms gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4. Ein solches Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind bereits aus der
DE 10231300 A1 bekannt. - Bei der spanenden Bearbeitung treten zwischen Werkzeug und Werkstück hohe Reibungskräfte auf, die zu einer starken Wärmeentwicklung führen. Zu deren Verminderung ist es seit langem üblich, Schmiermittel einzusetzen. Dies wurde ursprünglich durch die Vollstrahlschmierung erreicht, bei der das Schmiermittel in einem Flüssigkeitsstrahl auf die Bearbeitungsstelle aufgebracht wurde. Heute wird häufig auch die sogenannte Minimalmengenkühlschmierung (MMKS) eingesetzt. Dabei werden kleinste Mengen an Schmiermittel (Öl oder Fettalkohol) zu einem Aerosol vernebelt und mittels einer Luftströmung durch einen Aerosolkanal zur Bearbeitungsstelle transportiert. Die MMKS weist einen wesentlich geringeren Verbrauch an Schmiermittel und damit erheblich geringere Kosten und Umweltbelastung auf.
- Die Schmiermittel-Mengen sind bei der MMKS so gering, dass sie von einem Beobachter mit bloßem Auge nicht kontrolliert und quantifiziert werden können. Dies erschwert die Funktionskontrolle der MMKS. Somit besteht die Gefahr, dass Funktionsstörungen gar nicht oder erst verspätet erkannt werden, woraus Schädigungen von Werkzeug und Werkstück resultieren können.
- Deshalb werden bereits verschiedene Einrichtungen zur Überwachung der Aerosolerzeugung eingesetzt, z.B. zur Überwachung des Schmiermittelstandes, des Schmiermittelvolumenstroms zum Aerosolerzeuger und des Volumenstroms der Luft für die Vernebelung des Schmiermittels zu einem Aerosol.
- Eine derartige Einrichtung kann jedoch keine Veränderung auf dem Weg vom Aerosolerzeuger zur Bearbeitungsstelle ermitteln, die beispielsweise resultiert aus Leckage, Toträumen, Querschnittsänderungen des Aerosolkanals und auf das Aerosol einwirkenden Massenkräften.
- Zur Ermittlung des Schmiermittelstroms näher an der Bearbeitungsstelle wird daher in der
DE 10231300 A1 vorgeschlagen, in den Werkzeughalter zwei gewinkelt zu einander angeordnete Beobachtungsfenster einzubringen, die senkrecht zum Aerosolkanal angeordnet sind und die Überwachung des Aerosols mittels Messung von transmittiertem und gestreutem Licht ermöglichen. Eine solche Anordnung ermöglicht Aussagen sowohl über den Schmiermittelstrom des Aerosols als auch den Schmiermittelstrom eines Schmiermittelfilms an der Innenwand des Aerosolkanals, der aus dem Niederschlag des Aerosols resultiert. - Eine solche Anordnung ist aber einerseits immer noch relativ weit von der eigentlichen Bearbeitungsstelle entfernt.
- Anderseits ist der Einbau in den rotierenden Werkzeughalter sehr aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass der Schmiermittelfilm am Übergang von Innenwand des Aerosolkanals zum Beobachtungsfenster gestört wird oder sogar reißt, was zu einer ungewollten Beeinträchtigung des gesamten Schmiermittelstroms führt.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine kostengünstige Alternative zur Ermittlung des Schmiermittelstroms näher an der Bearbeitungsstelle zu schaffen.
- Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und die zu schaffende Vorrichtung durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- Diese Nachteile werden erfindungsgemäß überwunden, indem eine Messung am Schmiermittelaustritt in einem separaten Messbehälter erfolgt, wobei der Aerosolanteil optisch und der Schmierfilmanteil gravimetrisch gemessen werden.
- Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Ermittlung eines Schmiermittelstroms in einer Schmiervorrichtung einer Werkzeugmaschine, wobei das Schmiermittel zu einem ersten Teil als Schmiermittel-Luft-Nebel (Aerosol) in einem Aerosolkanal einem Werkzeug zugeführt wird, wobei das Schmiermittel zu einem zweiten Teil als Schmiermittelfilm auf der Innenwand des Aerosolkanals dem Werkzeug zugeführt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Werkzeug zur Ermittlung des Schmiermittelstroms in einen Messbehälter eingefahren wird, der relativ zur Umgebung abgedichtet ist, dass der Aerosol-Anteil des Schmiermittelstroms mittels eines optischen Sensorsystems ermittelt wird, dass der Schmiermittelfilm-Anteil des Schmiermittelstroms gravimetrisch ermittelt wird.
- Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass beide Anteile des Schmiermittelstroms direkt am Schmiermittelaustritt ermittelt werden, d.h. in nächster Nähe der Bearbeitungsstelle. Darüber hinaus ist kein aufwendiger Umbau des Werkzeugs und Einbau von Sensorsystem(komponenten) in das rotierende System erforderlich.
- Geeignete optische Sensorsysteme sind bekannt. Sie können transmittierte und/oder gestreute Lichtsignale auswerten. Dazu können geeignete Lichtimpulse durch den Aerosolstrom im Messbehälter geleitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Aerosol mittels eines weiteren Luftstroms aus dem Messbehälter zu einem externen optischen Sensorsystem zu führen. Auf beide Arten lässt sich der anteilige Schmiermittelstrom der schwebefähigen Schmiermittel-Tröpfchen und dessen zeitlicher Verlauf ermitteln.
- Geeignete gravimetrische Sensorsysteme sind ebenfalls bekannt. Sie können aus einem in den Messbehälter integrierten Wägeelement bestehen, welches seine Messergebnisse automatisch an eine Auswerteeinheit weitergibt oder der Messbehälter kann in definierten zeitlichen Intervallen, z.B. nach Abkopplung von dem Werkzeug mittels eines Schnellverschlusses, gewogen werden. Mittels des gravimetrischen Sensorsystems lässt sich der anteilige Schmiermittelstrom der nicht-schwebefähigen Schmiermittel-Tropfen ermitteln, die aus dem am Schmiermittelaustritt abreißenden und von dem Messbehälter aufgefangenen Schmiermittelfilm entstehen, sowie dessen zeitlicher Verlauf messen.
- Insbesondere die Messung der zeitlichen Veränderungen beider Anteile des Schmiermittelstroms am Schmiermittelaustritt ermöglicht noch genauere Aussagen über evtl. Verluste oder Unregelmäßigkeiten des Schmiermittelstroms von der Aerosolerzeugung bis zur Bearbeitungsstelle.
- Die einzelnen Anteile des Schmiermittelstroms am Schmiermittelaustritt können dann in der Auswerteeinheit zu einem Gesamt-Schmiermittelstrom am Schmiermittelaustritt verrechnet werden.
- Die ermittelten Anteile des Schmiermittelstroms können jeweils einzeln bei einer Regelung des Gesamtvolumenstroms des Schmiermittels am Ort der Aerosolerzeugung berücksichtigt werden. Alternativ oder additiv kann auch der Gesamt-Schmiermittelstrom am Schmiermittelaustritt als Regelgröße eingesetzt werden. Die additive Berücksichtigung spiegelt das Verhältnis der schwebefähigen Aerosoltröpfchen und der nichtschwebefähigen Film-Tropfen zu der Gesamtmenge an Schmiermittel wider und alle drei stellen eine optimale Kombination von Regelgrößen dar. Dies erlaubt – in Abhängigkeit von Werkzeug und Drehzahl – eine optimale Einstellung des Schmiermittelstroms am Ort der Aerosolerzeugung und über die Rückkopplung der Regelung auch an der Bearbeitungsstelle. Die genaue Kenntnis von Quantität (Gesamt-Schmiermittelstrom) und Qualität (Verhältnis des anteiligen Schmiermittelstroms der schwebefähigen Schmiermittel-Tröpfchen zu dem anteiligen Schmiermittelstrom der nicht-schwebefähigen Schmiermittelfilm-Tropfen) des Schmiermittelstroms am Schmiermittelaustritt bzw. der Bearbeitungsstelle ist die Grundvoraussetzung zur Gewährleistung einer prozesssicheren Bearbeitung auch im Serieneinsatz.
- Die Aufgabe wird bezüglich der zu schaffenden Vorrichtung zur Ermittlung eines Schmiermittelstroms in einer Schmiervorrichtung einer Werkzeugmaschine,
wobei die Werkzeugmaschine einen Aerosolkanal aufweist, durch den das Schmiermittel zu einem ersten Teil als Schmiermittel-Luft-Nebel (Aerosol) und zu einem zweiten Teil als Schmiermittelfilm auf der Innenwand des Aerosolkanals einem Werkzeug zuführbar ist,
erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Vorrichtung einen relativ zur Umgebung abgedichteten Messbehälter aufweist, in den das Werkzeug zur Ermittlung des Schmiermittelstroms einführbar ist,
dass die Vorrichtung ein optisches Sensorsystem aufweist zur Ermittlung der Aerosol-Anteils des Schmiermittelstroms,
dass die Vorrichtung ein gravimetrisches Sensorsystem aufweist zur Ermittlung des Schmiermittelfilm-Anteils des Schmiermittelstroms. - Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass mit ihr beide Anteile des Schmiermittelstroms direkt am Schmiermittelaustritt ermittelbar sind, d.h. in nächster Nähe der Bearbeitungsstelle. Darüber hinaus ist kein aufwendiger Umbau des Werkzeugs und Einbau von Sensorsystem(komponenten) in das rotierende System erforderlich.
- In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung dieser Vorrichtung sind das optische Sensorsystem und das gravimetrische Sensorsystem mit einer Regelungseinheit für den Gesamtvolumenstrom des Schmiermittels am Ort der Aerosolerzeugung verbunden.
- Dies erlaubt – in Abhängigkeit von Werkzeug und Drehzahl – eine optimale Einstellung des Schmiermittelstroms am Ort der Aerosolerzeugung und über die Rückkopplung der Regelung auch an der Bearbeitungsstelle.
- Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert:
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Schmiermittelstrom aus Fettalkohol (2 bis 200 ml/h) am Schmiermittelaustritt eines dreh-angetriebenen, spanabhebenden MMKS-Werkzeuges mit innen liegendem Aeorosolkanal ermittelt. - Zu dieser Ermittlung wird das Werkzeug in einen Messbehälter eingefahren. Der Messbehälter ist mit einer Bürstendichtung gegen die Umgebung abgedichtet. Dies verhindert eine Störung des Aerosolstroms während der Messung.
- Der am Schmiermittelaustritt des Werkzeugs austretende Aerosolstrom aus schwebefähigen Schmiermittel-Tröpfchen wird im oberen Bereich des Messbehälters von einem Transport-Luftstrom erfasst und durch einen Führungsschlauch zu einem optischen Sensorsystem geführt. Das optische Sensorsystem ist als Laser-Streulicht-Intensitätsmessgerät ausgelegt, dessen Messrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung durch den Aerosolstrom verläuft. Das optische Sensorsystem bestimmt anhand der Differenz der Lichtintensität mit und ohne Aerosolstrom anhand einer empirisch ermittelten und in einer Auswerteeinheit abgelegten Referenztabelle die Konzentration des Aerosols, respektive den Schmiermittelstrom, sowie deren zeitlichen Verlauf. Die Messwerte werden an eine Auswerteeinheit (PC) weitergegeben.
- Die am Schmiermittelaustritt des Werkzeugs durch Abreissen des Schmiermittelfilms austretenden nicht-schwebefähigen Schmiermittel-Tropfen fallen in den Messbehälter, in dessen Boden eine Wägeeinheit als gravimetrisches Sensorsystem integriert ist. Das gravimetrische Sensorsystem wiegt die im Messbehälter gesammelten Schmiermittel-Tropfen, respektive bestimmt den Schmiermittelstrom, sowie deren zeitlichen Verlauf. Die Messwerte werden an die Auswerteeinheit (PC) weitergegeben.
- Die pro Zeiteinheit erzeugte Aerosolmenge sowie deren zeitlicher Verlauf werden am Ort der Aerosolerzeugung ebenfalls erfasst und der Auswerteeinheit übermittelt.
- In der Auswerteeinheit werden die beiden Schmiermittelstromanteile am Schmiermittelaustritt zusammengeführt und mit dem Schmiermittelstrom am Ort der Aerosolerzeugung verglichen. Dies ermöglicht eine gute Kontrolle der Prozessführung bei der Bearbeitung und eine optimale Regelung der Aerosolerzeugung entsprechend dem jeweiligen Bedarf in Abhängigkeit von Werkzeug und Drehzahl.
- Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind hinsichtlich des Aufbaus wesentlich einfacher als bekannte Verfahren und damit auch kostengünstiger. Außerdem befindet sich der Messort in unmittelbarer Nähe der Bearbeitungsstelle und deshalb ist das Messergebnis repräsentativer.
- Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
- Für den variablen Einsatz in der Fertigung kann ein Satz aus unterschiedlich großen Messbehältern bereitgestellt werden, der an unterschiedliche Werkzeuge jeweils hinsichtlich Einlassöffnung und Abdichtung angepasst ist oder variiert werden kann. Entsprechendes gilt für die Zuführverbindung vom Messbehälter zum optischen Sensor. Hierfür können beispielsweise frei anordbare flexible Schläuche unterschiedlicher Länge oder variabel verbindbare feste Rohre verwendet werden.
Claims (5)
- Verfahren zur Ermittlung eines Schmiermittelstroms in einer Schmiervorrichtung einer Werkzeugmaschine, wobei das Schmiermittel zu einem ersten Teil als Schmiermittel-Luft-Nebel (Aerosol) in einem Aerosolkanal einem Werkzeug zugeführt wird, wobei das Schmiermittel zu einem zweiten Teil als Schmiermittelfilm auf der Innenwand des Aerosolkanals dem Werkzeug zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug zur Ermittlung des Schmiermittelstroms in einen Messbehälter eingefahren wird, der relativ zur Umgebung abgedichtet ist, dass der Aerosol-Anteil des Schmiermittelstroms mittels eines optischen Sensorsystems ermittelt wird, dass der Schmiermittelfilm-Anteil des Schmiermittelstroms gravimetrisch ermittelt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Veränderungen beider Anteile des Schmiermittelstroms ermittelt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Anteile des Schmiermittelstroms bei einer Regelung des Gesamtvolumenstroms des Schmiermittels am Ort der Aerosolerzeugung berücksichtigt werden.
- Vorrichtung zur Ermittlung eines Schmiermittelstroms in einer Schmiervorrichtung einer Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine einen Aerosolkanal aufweist, durch den das Schmiermittel zu einem ersten Teil als Schmiermittel-Luft-Nebel (Aerosol) und zu einem zweiten Teil als Schmiermittelfilm auf der Innenwand des Aerosolkanals einem Werkzeug zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen relativ zur Umgebung abgedichteten Messbehälter aufweist, in den das Werkzeug zur Ermittlung des Schmiermittelstroms einführbar ist, dass die Vorrichtung ein optisches Sensorsystem aufweist zur Ermittlung der Aerosol-Anteils des Schmiermittelstroms, dass die Vorrichtung ein gravimetrisches Sensorsystem aufweist zur Ermittlung des Schmiermittelfilm-Anteils des Schmiermittelstroms.
- Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sensorsystem und das gravimetrische Sensorsystem mit einer Regelungseinheit für den Gesamtvolumenstrom des Schmiermittels am Ort der Aerosolerzeugung verbunden sind.
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