DE102007041372A1

DE102007041372A1 - Kühlschmierstoff

Info

Publication number: DE102007041372A1
Application number: DE102007041372A
Authority: DE
Inventors: Müfit Prof. Dr. Bahadir; Hubertus Dr. Wichmann; Jürgen Prof. Dr. Hesselbach; Ralf Dr. Bock; Christoph Herrmann
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-05
Also published as: EP2185671A2; WO2009026916A3; WO2009026916A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlschmierstoff für Werkzeugmaschinen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlschmierstoff einen Alkoholanteil von mehr als 50 Masse-% an einem oder mehreren mehrwertigen Alkoholen mit mindestens drei C-Atomen aufweist und alkalisch ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlschmierstoff für Werkzeugmaschinen. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Zerspanverfahren.
Kühlschmierstoffe dienen in der Fertigungstechnik beim Trennen und Umformen auf Werkzeugmaschinen der Wärmeabfuhr und der Verminderung der Reibung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück durch Schmierung. Zusätzlich dienen sie bei Zerspanungsprozessen zur Entfernung der Späne durch Abspülen aus dem Arbeitsumfeld. Bei Spanen und Umformen tritt Reibung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück auf. Kühlschmierstoffe vermindern den Verschleiß des Werkzeugs, indem sie diese Reibung vermindern und einer Erwärmung des Werkstücks und des Werkzeugs entgegenwirken.
Bekannt ist aus der DE 196 37 168 A1 ein Kühlschmierstoff, der aus Glycerin, Wasser, Zucker, Speisestärke, Gelatine, Tortenguss, Zwetschgensaft, Kaffee, Hefe, Milch und Holzgeist besteht. Nachteilig an dem bekannten Kühlschmierstoff ist dessen teure Herstellung, da insbesondere Fruchtsäfte aufwendig herzustellen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden. Die Erfindung löst das Problem durch einen Kühlschmierstoff für Werkzeugmaschinen für die industrielle Metallbearbeitung, der einen Alkoholanteil von mehr 50 Masse-% an einem oder mehreren mehrwertigen Alkoholen mit mindestens drei C-Atomen aufweist, und der alkalisch ist. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Zerspanverfahren, bei dem ein Kühlschmierstoff eingesetzt wird, der einen Alkoholanteil von mehr als 20 Masse-%, insbesondere mehr als 50 Masse-%, an einem oder mehreren mehrwertigen Alkoholen mit mindestens drei C-Atomen aufweist, und der alkalisch ist.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Kühlschmierstoff auf kostengünstig zur Verfügung stehendes Glycerin zurückgreifen kann. Durch Verarbeitung von Rapsöl zu Rapsölmethylester entstehen große Mengen an Glycerin. Glycerin ist daher kostengünstig verfügbar. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass er im Wesentlichen ungiftig ist. Das erhöht die Arbeitssicherheit und senkt Entsorgungskosten. Vorteilhaft ist zudem, dass der Kühlschmierstoff ohne Biozide, insbesondere ohne Fungizide und Bakterizide, auskommt. Auch ist es vorteilhaft, dass der Kühlschmierstoff korrosionsinhibierend wirkt, ohne auf ölhaltige Komponenten angewiesen zu sein.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Alkoholanteil diejenige Menge in Masse-% verstanden, die die mehrwertigen Alkohole mit mindestens drei C-Atomen an dem Kühlschmierstoff besitzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Alkoholanteil überwiegend aus 1,2,3-Propantriol. Diese Komponente sorgt für eine biozide Wirkung, ohne selbst für den Menschen in geringen Dosen toxisch zu sein. Besonders bevorzugt weist der Kühlschmierstoff mehr als 50 Masse-%, insbesondere mehr als 80 Masse-%, an 1,2,3-Propantriol auf. Um durch Verdunstungskühlung eine erhöhte Kühlwirkung erzielen zu können, umfasst der Kühlschmierstoff mindestens 25 Masse-% Wasser. Es hat sich herausgestellt, dass ein Wasseranteil von höchstens 45 Masse-% besonders vorteilhaft ist. Im Folgenden sind Prozentangaben, soweit nichts anderes angegeben ist, Angaben in Masse-%.
Der Kühlschmierstoff ist besonders leicht zu entsorgen und weist eine geringe Toxizität auf, wenn er im Wesentlich rein hydrophil ist, insbesondere ist er im Wesentlichen mineralölfrei. Unter im Wesentlichen „mineralölfrei" ist zu verstehen, dass der Mineralölgehalt unterhalb von 0,1% liegt. Unter dem Merkmal, dass der Kühlschmierstoff rein hydrophil ist, ist zu verstehen, dass der Alkoholanteil vollständig in Wasser gelöst ist oder umgekehrt Wasser vollständig in dem Alkoholanteil gelöst ist. In anderen Worten ist der Kühlschmierstoff insbesondere einphasig und beispielsweise keine Emulsion oder Suspension.
Hinsichtlich der Toxizität ergeben sich besonders vorteilhafte Eigenschaften, wenn im Wesentlichen nur Stoffe mit einem Molekulargewicht von unter 200 g/mol enthalten sind. Es ergibt sich so zudem ein Kühlschmierstoff, bei dem eine Bildung von Ablagerungen im Wesentlichen unterdrückt ist. Bei einem derartigen Kühlschmierstoff ist zudem die Gefahr einer Karbonisierung (Verkohlung) gering. Insbesondere ist der Kühlschmierstoff kohlenhydratfrei und fruchtsaftfrei, wodurch vermieden wird, dass bearbeitete Werkstücke kleben und Staub anziehen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Kühlschmierstoff auf einen pH-Wert von mindestens 7,5, insbesondere mehr als 8, gepuffert ist. Vorteilhaft ist zudem ein pH-Wert von unter 10. Für die Pufferung sind Dinatriumtetraborat-Decahydrat, beispielsweise von 0,5 bis 5 Masse-%, Trikaliumphosphat, beispielsweise von 0,5 bis 5 Masse-%, Dikaliumhydrogenposhphat, insbesondere von 0,5 bis 5 Masse-%, und/oder Fettsäuren bzw. deren Salze oder Derivate, beispielsweise von 0,5 bis 5 Masse-%, vorteilhaft.
Bevorzugt umfasst der Kühlschmierstoff zudem einen Korrosionsinhibitor, beispielsweise Triethanolamin, wobei die Konzentration 0,5 bis 10 Masse-% reichen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kühlschmierstoff einen Verschleißminderer. Geeignete Verschleißminderer sind beispielsweise geschwefelte Fettsäuren, deren Derivate, Phosphatsalze und/oder Dialkyldithiosphosphatsäuren. Die Verschleißminderer sind insbesondere in einer Konzentration von jeweils 0,5 bis 5 Masse-% zugesetzt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine spanende Werkzeugmaschine, die einen oben beschriebenen Kühlschmierstoff umfasst. Dieser Kühlschmierstoff kann beispielsweise auch mit Wasser verdünnt sein.
Im Folgenden werden Beispiele für die erfindungsgemäße Zusammensetzung eines Kühlschmierstoffs aufgeführt:
Beispiel 1:

60% Propylenglykol
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
4% K₂HPO₄
ad 100% Wasser
pH = 8,4

Beispiel 2:

60% Glycerin
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
4% K₂HPO₄
ad 100% Wasser
pH = 7,6

Beispiel 3:

60% Propylenglykol
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
2,4% K₂HPO₄
ad 100% Wasser
pH = 9,1

Beispiel 4:

60% Glycerin
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
2,4% K₃PO₄
ad 100% Wasser
pH = 8,7

Beispiel 5:

60% Ethylenglykol
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
4% K₂HPO₄
ad 100% Wasser

Beispiel 6:

60% Glycerin
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
2,4% K₃PO₄
1% geschwefelte Fettsäure(n)
ad 100% Wasser

Beispiel 7:

60% Glycerin
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
2,4% K₃PO₄
1% Di-(4-methyl-2-pentyl)-di-thiophosphorsäure
ad 100% Wasser

Beispiel 8:

60% Glycerin
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
2,4% K₃PO₄
1% Di-(3-methyl-1-butyl)-di-thiophosphorsäure
ad 100% Wasser

Beispiel 9:

60% Glycerin
1,5% Triethanolamin
2,3% Na₂B₄O₇·10 H₂O
2% Fettsäuren/Fettsäurederivate
ad 100% Wasser

Die Flüssigkeiten gemäß Beispiel 2 und 4, die 60% Glycerin enthalten, sind zähflüssiger als die Flüssigkeiten mit Propylenglykol. In allen Fällen war die Viskosität aber niedrig genug, um eine Förderung der Flüssigkeiten mit einer Pumpe zu ermöglichen.
Die Siedetemperaturen der Flüssigkeiten gemäß den Beispielen 1 bis 4 betragen

Beispiel 1: 110°C
Beispiel 2: 113°C
Beispiel 3: 109°C
Beispiel 4: 111°C.

Die Lösungen dieser Beispiele sind daher in dem vorgesehenen Temperaturbereich bis +110°C unproblematisch einsetzbar und als Lösung stabil.
Das Beispiel 5 führt ebenfalls zu einem einsetzbaren Kühlschmierstoff. Die Siedetemperatur liegt bei ca. 115°C. Nachteilig ist jedoch die Toxizität von Ethylenglykol gegenüber Propylenglykol oder Glycerin, die bei der Verwendung und der Entsorgung ohne besondere Maßnahmen zu einer Gefährdung von Personen und Umwelt führen kann.
Die bevorzugten Flüssigkeiten gemäß den Beispielen 1 bis 4 verändern beim Erhitzen mit oder ohne Eisenpulver den pH-Wert nicht signifikant.
Korrosionstests haben ferner ergeben, dass alle Beispielflüssigkeiten aufgrund ihres pH-Wertes und aufgrund ihrer Zusammensetzung keine relevanten Oxidationen an blanken Eisenoberflächen verursachten.
Weitere Untersuchungen haben ferner ergeben, dass die Zugabe von K₂HPO₄ oder K₃PO₄ als Puffer stark variieren kann und dass beispielsweise eine Erhöhung des Anteils an K₂HPO₄ oder K₃PO₄ auf 12,5 Masse-% (zu Lasten des Wassers) zu keinen nachteiligen Wirkungen führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19637168 A1 [0003]

Claims

Kühlschmierstoff für Werkzeugmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass er (a) einen Alkoholanteil von mehr als 50 Masse-% an einem oder mehreren mehrwertigen Alkoholen mit mindestens drei C-Atomen aufweist und (b) alkalisch ist.
Kühlschmierstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkoholanteil überwiegend aus 1,2,3-Propantriol besteht.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mehr als 50 Masse-%, insbesondere von mehr als 80 Masse-%, 1,2,3-Propantriol aufweist.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens 25 Masse-% Wasser enthält.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er höchstens 45 Masse-% Wasser enthält.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er rein hydrophil, insbesondere im Wesentlichen mineralölfrei, ist.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Bestandteile zu mehr als Gew.-90% ein Molekulargewicht von unter 200 g/mol besitzen.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er auf einen pH-Wert von mindestens 7,5 gepuffert ist.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Korrosionsinhibitor umfasst.
Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Verschleißminderer umfasst.
Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kühlschmierstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Zerspanverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlschmierstoff, der (a) einen Alkoholanteil von mehr als 20 Masse-%, insbesondere mehr als 50 Masse-%, an einem oder mehreren mehrwertigen Alkoholen mit mindestens drei C-Atomen aufweist und (b) alkalisch ist, eingesetzt wird.
Zerspanverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Zerspanverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide ist, insbesondere ein Drehen oder Fräsen.
Zerspanverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Zerspanverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide, insbesondere ein Schleifen oder Lappen, ist.
Verwendung einer Flüssigkeit mit den Merkmalen aus einem der Ansprüche 1 bis 10 als Kühlschmierstoff.