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Die Erfindung richtet sich auf eine Düse zum gemeinsamen Versprühen zweier unterschiedlicher, flüssiger Medien, insbesondere von Kühl- und Schmierstoffen für Berarbeitungsmaschinen.
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Bisher war es kaum oder nur mit sehr großem Aufwand möglich, Emulsionen, Dispersionen oder sonstige Flüssigkeitsgemische in ihre Bestandteile zu zerlegen bzw. zu trennen. Man verwendete daher bei Bearbeitungsprozessen meistens nur eine einzige Emulsion, Öl oder nur ein einziges Flüssigkeitsgemisch zu Schmierungs- und Kühlzwecken. Dabei gibt es zwar für viele Anwendungsfälle jeweils optimierte Kühl- und Schmierstoffe (KSS); dennoch erweisen sich dieselben oftmals für die gestellten Aufgaben als unzulänglich. Denn neben der Schmierung einer Schneide, aber auch eines spanlosen Umformungswerkzeugs, und dem Abtransport der überschüssigen Energie der Umformung gibt es eine Reihe weiterer Faktoren, welche zu beachten sind: Oftmals soll ein Medium die bearbeiteten Teile zusätzlich reinigen und/oder passivieren; oftmals ist wiederum ein starker Kühleffekt gar nicht erwünscht, bspw. beim Arbeiten mit Werkzeugen aus Diamant (C) oder kubisches Bornitrid (CBN), wo ein Kühlmedium die erhitzten C- oder CBN-Körner zu rasch abkühlt und durch dieses Abschrecken platzen läßt (Thermoschock), so dass sie ihre Schneid- oder Schmirgelaufgaben nur noch unter hohen Einfurchkräften und somit großer Stromaufnahme der Schleifmaschine und bald gar nicht mehr erfüllen können.
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Da ferner oftmals aus Kostengründen für mehrere Bearbeitungsmaschinen ein gemeinsames Kühlschmiersystem verwendet wird, müssen nicht selten unterschiedliche Bearbeitungsmaschinen mit dem selben KSS betrieben werden. In einem solchen Fall hat bei der Erstellung eines Anforderungsprofils an den KSS normalerweise die für den schwierigsten Bearbeitungsprozess optimale Schmierwirkung höchste Priorität. In vielen bekannten KSS-Anwendungen werden sodann Emulsionen in sehr hohen Konzentrationen (typischerweise c = 10 - 12%, teilweise c ≥ 15%) verwendet, nur mit dem Ziel einer verbesserten Schmierwirkung.
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Dementsprechend werden den eigentlich erwünschten Schmierkomponenten (mineralisch-synthetische Basisöle; EP - AW - Additive ...), wie in einem Monophasensystem unvermeidbar, auch alle anderen KSS-Komponenten (Emulgatoren, Inhibitoren, Passivierungsmittel, Biozide ...) ebenfalls in diesen Konzentrationen gezogen. Die daraus oftmals folgenden, sehr negativen Auswirkungen auf die KSS-Sekundärfunktionen wie Emulsions- und/oder Biostabilität, Fremdölverträglichkeit, Arbeitshygiene, Hautverträglichkeit, Ökologie Kosten, Pflege- u. Serviceaufwand, etc. sind hinreichend bekannt.
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Andererseits werden in besonders schwierigen Bearbeitungsprozessen mit tribotechnisch hohen Anforderungen bezüglich Bearbeitungsqualitäten, Werkzeugstandzeiten, optimierte Bearbeitungszeiten (z. B. Tieflochbohren mit großen L/D-Relationen, HSC-Prozesse, CBN-HSG-Schleifen, Al-Feinbearbeitung, etc.) unabdingbar reine Schneidöle benötigt. Die daraus resultierenden Begleitumstände wie Ölnebel, Verpuffungs- und Explosionsgefahr, mangelnde Kühlwirkung, erschwerte Filtration und Abluftreinigung stellen in der Praxis große Herausforderungen dar.
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Als Betriebsstoffe herkömmlich verwendete Kühlschmierstoffe führen demnach in modernen Bearbeitungsprozessen häufig zu komplizierten und teuren Teilprozessen der Produktion.
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Der Erfinder hat erkannt, dass die Verwendung von Kühl- und Schmierstoffen in Form von praktisch untrennbaren Substanzen, insbesondere Emulsionen oder Flüssigkeitsgemischen, bei Bearbeitungsmaschinen große Nachteile hat, weil das verwendete KSS nicht für alle Anforderungen gleichermaßen optimiert sein kann. Würden wenigstens zwei Komponenten verwendet und jeweils dort gezielt eingesetzt, wo sie benötigt werden, ließen sich weit bessere Ergebnisse erzielen.
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Bearbeitungstechnische Vorteile ergeben sich vielmehr durch das Versprühen von Kühl- und Schmiermitteln in Form zweier unterschiedlicher Sprühstrahlen, welche vorzugsweise konzentrisch zueinander verlaufen. Kühl- und Schmiermittel werden der Düse zu diesem Zweck getrennt zugeführt. Hierbei ist es jedoch erforderlich, die Düse stets mit der gewünschten Menge beider Medien zu versorgen. Da beide Medien im Kreislauf geführt werden, können dieselben zwar voneinander getrennt werden; sie befinden sich jedoch nach ihrer Trennung noch in einem gemeinsamen Behältnis, dessen Füllstand nicht notwendigerweise konstant bleibt. Selbst das Verhältnis beider Medien kann sich im Laufe der Zeit ändern, so dass Absaugvorrichtungen sich nicht stets auf der selben Höhe befinden können.
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Daraus resultiert das die Erfindung initiierende Aufgabe Problem, Sorge dafür zu tragen, dass von einer Düse zwei unterschiedliche Medien in einem gegenseitigen Verhältnis versprüht werden, welches optimal an den betreffenden Bearbeitungsprozeß anpaßbar ist.
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Zu diesem Zweck zeichnet sich eine erfindungsgemäße Düse zum gemeinsamen Versprühen zweier unterschiedlicher, flüssiger Medien, insbesondere von Kühl- und Schmierstoffen für Berarbeitungsmaschinen, aus durch eine Einrichtung zur Steuerung des (Strömungs-) Druckes, der Strömungsgeschwindigkeit und/oder des Durchsatzes des einen Mediums (gesteuertes Medium) in Abhängigkeit von dem (Strömungs-) Druck, der Strömungsgeschwindigkeit und/oder dem Durchsatz des anderen Mediums (steuerndes Medium).
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Damit wird erreicht, dass bei Veränderung der Fördermenge eines Mediums der Durchsatz des anderen Mediums entsprechend angepaßt wird. Das Verhältnis zwischen den beiden Medien bleibt daher näherungsweise gleich oder verändert sich nur unwesentlich, wenn von der Bearbeitungsmaschine bspw. mehr Kühlschmierstoff angefordert wird.
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Bevorzugt handelt es sich dabei um ein KSS-System für die Kühlung/Reinigung/Passivierung einerseits und für die Schmierung andererseits im Rahmen von Bearbeitungsprozessen, insbesondere bei der spanenden und/oder spanlosen Formgebung. Die Charakteristik beruht im wesentlichen auf der gleichzeitigen Verwendung von mindestens zwei völlig unterschiedlichen KSS-Medien, welche stets in voneinander getrenntem Zustand bevorratet und zugeführt werden und daher gezielt eingesetzt werden können. Diese Medien können je nach der Applikation jeweils pur oder in beliebigen Mischungsverhältnissen (bspw. MI : MII = 10 % : 90 %, oder 20 % : 80 %, oder 40 % : 60 %, etc.) dem Bearbeitungsprozeß beliebig angepaßt werden.
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Flexibel angewendet, bietet das erfindungsgemäße Konzept nun die Möglichkeit, mit wenigstens/nur zwei unterschiedlichen Kühlschmierstoffen eine signifikante Leistungssteigerung bei reduzierten Kosten im Gesamtprozess zu erzielen, wobei gleichzeitig auch die Sekundärfunktionen wie Arbeitshygiene und Arbeitssicherheit erheblich verbessert werden.
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Dabei stehen zwei in der Praxis bewährte KSS-Medien in ständigem funktionalem Synergismus, nämlich einerseits
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Medium I (KSSI):
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Schneidöl, Schleiföl und/oder Umformöl (bevorzugt auf nativer, mineralischer und/oder synthetischer Basis; variabel 6 - 220 cSt / 40°), vorzugsweise für die direkte Zuführung in die Tribozone; bspw. über einen Werkzeug-Innenkanal, einen getrennten Hochdruck-Kreislauf oder zentrisch über eine Mehrphasendüse;
sowie andererseits
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Medium II (KSSII):
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Kühlmittel, Schleiflösung, Passivierungs- und/oder Reinigungsmittellösung (bevorzugt öl- und aminfrei; Einsatzkonzentration: 2 - 4 %), vorzugsweise für die periphere Zuführung im Anschluss an die Tribozone, bspw. über Niederdruckdüsen / Schwalldüsen und/oder konzentrisch oder exzentrisch über eine Mehrphasendüse bzw. Mehrstoffdüse.
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Die bevorzugte chemische Komposition sieht demnach ein natives, mineralisches oder synthetisches Bearbeitungsöl einerseits vor (KSSI), sowie eine KSS-Lösung andererseits (KSSII).
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Das Prinzip erlaubt die getrennte Medienführung zur Tribozone und zur Triboperipherie; oder ein temporär rein physikalisch gemischtes KSS-Gemisch in ständig (je nach Bearbeitungsprozess) variierbaren Mischungsverhältnissen, z.B. MI : MII = 10 % : 90 %, oder 20 % : 80 %, oder 40 % : 60 %, etc.
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KSSI bzw. Medium I (MI) dient der Schmierung sowie ggf. Kühlung und gelangt direkt in die Tribozone; es handelt sich um ein homogenes Fluid, insbesondere Öl.
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KSSII bzw. Medium II (MII) dient der Kühlung, Spülung und Bindung des Feinabriebs und der Ölaerosole mit wmb KSS und gelangt als Lösung in die Triboperipherie.
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Diese Medien (MI und MII) vermischen sich an bzw. in der Bearbeitungsmaschine, werden anschließend aufgefangen und zurückgeleitet. Nach einer prozeßspezifischen Filtration erfolgt die erfindungsgemäße Separation der Medien vor sowie ggf. zusätzlich in einem Sammelbehälter.
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Damit lassen sich bspw. die Vorteile von Bearbeitungsölen einerseits und von wässrigen KSS-Lösungen andererseits zu jeweils 100 % nutzen. D.h., grundsätzlich lassen sich mit der Erfindung Eigenschaften erzielen, welche aus den Vorteilen von reinem Öl einerseits resultieren (Schmierung / Homogenität / Kompressibilität) sowie aus den Vorteilen von optimierten KSS-Lösungen andererseits (Kühlung / Spülung / Koaleszenz von Ölaerosolen und schwebenden Feinpigmenten).
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Fundierte Untersuchungen und Erkenntnisse in der Praxis zeigen, dass auch bei ungünstiger Fluidführung max. 10 % des Öles in die wässrige Phase (wmb KSS) dispergieren und diese anschließend in der Fluid-Ruhezone auf einen Öl-Restgehalt von etwa 2 - 5 % - abhängig von der Verweildauer - separieren und flotieren. Dieser feindispergierte Ölanteil im KSSII / MII hat einen sehr positiven, schmiertechnischen Einfluss auf die KSS-Lösung bei HSC-Bearbeitungen mit der wässrigen Phase wie z. B. Drehen, Fräsen, Abstechen, Schleifen, etc. „HSC“ bedeutet dabei High Speed Cutting, d.h. Zerspanung mit hoher Schnittgeschwindigkeit; hierbei dominiert die Anforderung hinsichtlich einer optimalen Kühlung.
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Die nach der Anwendung temporär gemischten KSS-Medien werden in einem Trenn- und/oder Tanksystem kontinuierlich voneinander getrennt und bevorratet. Diese kontinuierliche Medienseparation gewährleistet die ursprüngliche und individuelle Funktionalität der Medien. Diese Separationstechnik ist im Baukastensystem mit praktisch jeder KSS-Anlagentechnik (Tank - Filter - Pflegesysteme ...), ohne aufwendige Umbauarbeiten, flexibel kombinierbar. Bereits in dieser Phase lassen sich weitere, anwendungsspezifische Optimierungen erreichen, bspw. eine verbesserte Schaumstabilität, Arbeitshygiene, Reinigungs- und/oder Pflegemaßnahmen, etc. Aufgrund der ständig einwirkenden Ölphase in der Grenzfläche dient diese als permanente Schaumbremse. Der in allen Bearbeitungsprozessen so gefürchtete Schaum ist bei der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen.
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Im weiteren Verfahrensablauf und entsprechend dem Bearbeitungsprogramm (bspw. hinsichtlich Förderdruck und -menge) können diese sehr spezifischen KSS-Medien gemäß ihren spezifischen Anwendungsqualitäten direkt den differenzierten Applikationszonen zugeführt werden. D.h., Öl direkt in die Tribozone - wegen seiner exzellente Schmierwirkung insbesondere an der Werkzeugschneide - wäßrige Lösung in die Tribo-Peripherie zur optimalen Kühl- und Spülwirkung, Bindung von Ölaerosolen und Feinstabrieb sowie zum Schutz gegen Verpuffungen.
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Bei der konventionellen Bearbeitung (ausschließlich mit Mineralöl) mußten die Prozesse, z.B. Tieflochbohren, Gewindeformen, Gewindeschneiden, etc. auf einer „Ölmaschine“ durchgeführt werden - aufgrund der dabei notwendigen Schmierwirkung. Für die HSC-Bearbeitungsprozesse Fräsen, Längsdrehen, Abstechen war aufgrund der hohen Wärmeentwicklung dagegen eine separate Bearbeitung auf einer speziellen „Emulsionsmaschine“ unabdingbar, insbesondere aufgrund der ansonsten gegebenen Brand- und Explosionsgefahr, zwecks Abluftfiltrierung, zur Verbesserung der Arbeitshygiene, etc. Somit mußte zwischenzeitlich ein Umspannen von einer Maschine auf eine andere erfolgen. Mit der Erfindung kann dagegen ein Werkstück komplett auf einer Maschine und mit einer einzigen Aufspannung bearbeitet werden, selbst wenn dabei Bearbeitungsschritte erforderlich sind, von denen einige eine reine „Ölmaschine“ erfordern, während andere eine reine „Emulsionsmaschine“ erfordern - da entsprechend dem aktuellen Verfahrensschritt unterschiedliche KSS-Medien zugeführt und/oder variabel dosiert werden können. Dadurch ist immer ein konstantes Bearbeitungszentrum gegeben, d.h., alle Bearbeitungsschritte können in der selben Aufspannung vorgenommen werden, was völlig neue Bearbeitungsqualitäten, z.B. hinsichtlich Formtoleranzen wie Rundlauf, Koaxialität, Konzentrizität, ermöglicht bzw. garanmtiert. Außerdem kann mit der Erfindung der Verbrauch an KSSI (Schneidöl, bspw. auf nativer Basis) um mindestens 50 % reduziert werden, in Relation zur konventionellen Bearbeitung mit Mineralöl.
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Diese Technologie erlaubt damit bisher nicht mögliche Bearbeitungskombinationen mit völlig unterschiedlichen Anforderungsprofilen und höchsten Qualitätsansprüchen auf einer einzigen Maschine, also ohne Umspannen des Werkstücks. Daher können die zu bearbeitenden Werkstücke vom Rohmaterial ausgehend bis zum fertigen Endprodukt in nur einer Werkzeugmaschine und kontinuierlicher Prozeßfolge gefertigt werden. Insbesondere die Fähigkeiten moderner Werkzeugmaschinen zur Komplettbearbeitung ganzer Werkstücke kommen damit zur vollen Entfaltung, einschließlich der von solchen Maschinen beherrschten modernen Techniken wie Schleiftechnologie, Härten mit Laser oder Plasmalanze, Abschrecken, Weich- und Hartbearbeitung (Härten, geschmeidig machen), etc.
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Mit der Erfindung kann aufgrund der praktisch unbegrenzten System-Flexibilität die Gesamtheit der mechanischen Fertigungsprozesse, insbesondere sowohl spanende als auch spanlose Formgebung, abgedeckt werden. In der Praxis wurde diese Technologie bereits in den verschiedensten Komplett-Bearbeitungsprozessen (z. B. Kombinationen bestehend aus HSC-Drehen-Fräsen, Tiefbohren, Gewindeschneiden, -formen, Feindrehen, Phasendrehen) mit Erfolg erprobt. Beispiele hierfür sind hochpräzise Funktionsteile mit unterschiedlichsten Anforderungsprofilen aus der Luftfahrtindustrie, Raumfahrtindustrie, dem Schiffsmotorenbau, Werkzeugbau.
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Bevorzugte Anwendungsfelder sind spezielle CBN-Schleifprozesse mit Schleifkörnern aus Kohlenstoff (Diamant) und/oder Bornitrid, z. B. HSG, HEDG. Dabei kann ein Thermoschock für die CBN-Körner vermieden werden, wie er ansonsten durch die wässrige Phase unweigerlich ausgelöst würde. Dies ist darauf zurückzuführen, dass nur pures Öl direkt in die Tribozone an das eingreifende Korn geführt wird und damit eine schroffe Temperaturabschreckung, wie sie vom Wasser ausgelöst würde, ausgeschlossen wird. MII wird zur Kühlung und Spülung in die Triboperipherie appliziert. Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Prinzip vor allem für schwierige Massivumformungen, wobei Aufschweißungen, wie sie ansonsten infolge von „Memory-Effekten“ aufgrund fehlender Kompressibilität wässriger Medien/Emulsionen aufträten, vermieden werden können, sowie für das Tieflochbohren von besonders kleinen und tiefen Bohrungen mit großen L/D-Relationen. Auch die Feinbearbeitung duktiler Werkstoffe wird begünstigt, z. B. das Reiben von Al-Legierungen mit 1 bzw. 2 Schneidreibahlen.
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Es hat sich als günstig erwiesen, dass die beiden Medien durch getrennte Strömungskanäle zu der Düse geführt werden. Damit ist sichergestellt, dass die beiden unterschiedlichen Medien sich nicht vermischen, bevor sie ihren Einsatzort erreicht haben.
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Die Regelungseinrichtung zur Nachführung des Durchsatzes des gesteuerten Mediums gemäß dem Durchsatz des steuernden Mediums befindet sich vorzugsweise im Bereich der voneinander getrennten Strömungskanäle, also stromaufwärts der Düsenmündung. Von der Regelungsstelle bis zur Düsenmündung ergibt sich ein langgestreckter Strömungspfad, welcher der sanften Führung des Mediums dient, ohne dass dadurch eine turbulente Strömung verursacht wäre. Die Vermeidung jeglicher Turbulenzen ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Gestaltung der erfindungsgemäßen Düse, weil dadurch Schwingungen und Pulsationen des Düsenstrahls vermieden werden.
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Ein erster Bestandteil der Regelungseinrichtung wird gebildet durch eine Einrichtung zum Sensieren der Strömungsgeschwindigkeit, des Strömungsdruckes und/oder des Durchsatzes eines Mediums. Diese SensorEinrichtung befindet sich in oder an dem Strömungspfad des steuernden Mediums und überträgt ihre Information an ein Stellglied in oder an dem Strömungspfad des gesteuerten Mediums.
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Bevorzugt ist die Sensierungseinrichtung als Körper mit einem definierten Strömungswiderstand ausgebildet, der sich in dem Strömungskanal des steuernden Mediums befindet und dort einen von der Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Staudruck erfährt, der sich als Kraft an das Stellglied übertragen läßt.
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Der Sensierungskörper kann verschieblich gelagert sein, insbesondere entlang der Strömungsrichtung des steuernden Mediums verschiebbar. Eine besondere Führungseinrichtung könnte vorhanden sind, ist aber nicht erforderlich, weil der Sensierungskörper durch den engen Strömungskanal für das steuernde Medium nur einen engen Bewegungsspielraum erfährt.
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Das Pendant zu der Sensierungseinrichtung wird gebildet durch eine Einrichtung zur Einflußnahme auf die Strömungsgeschwindigkeit, den Strömungsdruck und/oder den Durchsatz eines Mediums, nämlich des gesteuerten Mediums. Diese beiden Einrichtungen wirken zusammen, um eine definierte Übertragungs-Kennlinie zwischen den Durchströmungsraten der beiden Medien zu erzeugen. Wenn diese Kennlinie durch den gemeinsamen Nullpunkt geht, und vorzugsweise linear ist, so ergibt sich (näherungsweise) Proportionalverhalten zwischen den beiden Medien.
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Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Einflußnahme auf einen Druck- oder Strömungsparameter eines Mediums als verstellbare Strömungsblende und/oder verstellbares Ventil ausgebildet. Damit kann der Durchfluß - getrieben von dem maximalen statischen Druck des gesteuerten Mediums - je nach Bedarf eingestellt bzw. geregelt werden.
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Als zentrales Bestandteil für ein verstellbares Ventil sieht die Erfindung einen Ventilkörper vor, der verschiebbar gelagert ist. Durch Einstellung des Abstandes zum Ventilsitz kann der für das gesteuerte Medium offene Strömungsquerschnitt beeinflußt werden.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die verstellbare Strömungsblende und/oder das verstellbare Ventil, insbesondere der verschiebbare Ventilkörper, durch eine Feder in Richtung zu ihrer/seiner Schließstellung hin vorgespannt ist. Damit ergibt sich eine definierte Schließstellung, wenn die Bearbeitungsmaschine keinen Kühlschmierstoff anfordert und der Durchsatz des steuernden Mediums auf Null zurückgeht.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die verstellbare Strömungsblende und/oder das verstellbare Ventil, insbesondere der verschiebbare Ventilkörper, bewegungsmäßig mit dem Körper mit einem definierten Strömungswiderstand gekoppelt ist. Bei dieser Konstruktionsvorschrift macht die Erfindung von der Tatsache Gebrauch, dass die Auslenkung des Sensierungskörpers eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des steuernden Mediums ist, während die Auslenkung des Ventilkörpers von dem Ventilsitz die Strömungsgeschwindigkeit des gesteuerten Mediums beeinflußt.
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Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass die Kopplung durch ein Verbindungsteil erfolgt. Diesem obliegt es, die Information des Sensierungskörpers von dem ersten Strömungskanal für das steuernde Medium zu dem Ventilkörper oder sonstigen Verstellmittel in dem zweiten Strömungskanal für das gesteuerte Medium zu übertragen. Dieses Verbindungsmittel muß daher die Abgrenzung zwischen diesen beiden Strömungskanälen durchsetzen.
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Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass das Verbindungsteil durch ein Zugmittel, insbesondere durch einen Draht, gebildet ist. Ein flexibler Draht kann auch dazu verwendet werden, um die Kraft einer Sensierurigseinrichtung umzulenken in eine andere Kraftrichtung, nämlich bspw. parallel zu der Bewegungsrichtung eines Ventilkörpers.
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Die Erfindung empfiehlt, dass die beiden Medien im Bereich der Düse konzentrisch zueinander geführt sind. Dabei ist vorzugsweise ein Öl oder ein sonstiger Schmierstoff im Zentrum geführt, während ein Kühlmittel - bspw. Wasser oder eine wäßrige Lösung - den Schmierstoff umgibt. Diese Ausrichtung de beiden Medien bleibt dann im Großen und Ganzen erhalten, wenn die beiden Medien die Düse verlassen - das Kühlmittel umgibt das Schmiermittel im Zentrum - das Schmiermittel gelangt in die Tribozone, das Kühlmittel in die Peripherie.
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Bevorzugt ist das steuernde Medium koaxial innerhalb des gesteuerten Mediums geführt. Dabei macht die Erfindung Gebrauch von der Tatsache, dass sich ein Sensierungskörper in einem zentralen Rohr von kreisförmigem Querschnitt leichter anordnen läßt als in einem vergleichsweise dünnen, exzentrischen Ringraum.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass der zentrale Strömungskanal im Bereich der Austrittsmündung verjüngt ist. Infolge eines daraus resultierenden, zusätzlichen Staudrucks erhält das Medium hier einen besonders hohen Druck und kann zielgerichtet versprüht werden.
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Es hat sich als günstig erwiesen, dass das gesteuerte Medium in einem Ringraum geführt ist. Dieser umgibt den zentralen Hohlraum für das steuernde Medium konzentrisch. Das gesteuerte Medium wird zumeist ein unbrennbares, wässriges Medium sein, welches einen zentralen Strahl eines brennbaren Öl-Mediums als schützender Mantel umgibt. Ein zweifach zusammenhängender Ringraum erzeugt dabei einen rundum geschlossenen Mantel um das zentrale Medium, so dass dieses vor chemischen Reaktionen vollständig geschützt ist.
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Strömungstechnische Vorteile ergeben sich dadurch, dass der Ringraum im Bereich der Austrittsmündung an seiner Innenseite von einem verdickten Kern begrenzt wird, vorzugsweise von einem sog. „Prandtl-Tropfen“. Ein solcher etwa tropfenförmiger oder etwa zigarrenförmiger Kern hat einen besonders niedrigen Staudruck und sorgt daher für eine besonders laminare Strömung des Mediums in dem äußeren Strömungskanal, ohne jegliche Turbulenzen. Dies wiederum hat zur Folge, dass das betreffende Medium in einem gleichförmigen, nicht pulsierenden Strahl austritt und also auch einen zeitlich konstanten Mantel um den inneren Medienstrahl bildet.
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Um Platz für den „Prandtl-Tropfen“ zu schaffen, kann der Ringraum im Bereich der Austrittsmündung radial nach außen zurückweichend ausgebildet sein, so dass sein maximaler Gesamtquerschnitt näherungsweise konstant bleibt. Die Innenkontur der radialen Erweiterung kann etwa als Pendant zu dem Prandtl-Tropfen ausgebildet sein, also bspw. mit einem elliptischen Querschnitt. Im Bereich der Mündungskante kann sich die Innenkontur dieser Erweiterung in Strömungsrichtung sogar wieder verjüngen, so dass das Medium beim Versprühen zum Zentrum des inneren Strahls hin umgelenkt wird - der Idealfall ist ein gerader, kaum oder gar nicht aufgeweiteter, zylindrischer Strahl mit einer konstanten Mantelstärke.
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Die Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass der Querschnitt des Ringraums im Bereich der Austrittsmündung verstellbar ist. Damit ist eine Adaptionsmöglichkeit geschaffen, um die „Schärfe“ bzw. Geschwindigkeit des Strahls an dessen Strömungsmenge anpassen zu können. Bspw. kann bei einer geringen Strömungsmenge die Strahlschärfe und damit die Geschwindigkeit des Strahls erhöht werden, so dass dieser trotz seiner verringerten Masse mit einer etwa vergleichbaren Wucht aus der Düse austritt und seine Form über eine große Distanz hinweg beibehält.
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Bevorzugt umfaßt die Einrichtung zur Verstellung der Strahlschärfe wenigstens ein in axialer Richtung der Düse verstellbares Element. Hierbei kann es sich um einen Teil - bspw. eine Art Außenschale - des Prandtl-Tropfens handeln, mit einer gewölbten Außenkontur. Da dieses Teil sich innerhalb der radialen Erweiterung des ringförmigen Strömungskanals befindet, der auch in Längsrichtung eine Wölbung aufweist, wird durch eine Verschiebung in Längsrichtung der Düse - bzw. in Strömungsrichtung des betreffenden Mediums - der Minimalquerschnitt des Ringraums variiert werden. Befindet sich der verstellbare Bereich in Längsrichtung etwa mittig innerhalb der radialen Erweiterung, weist der dazwischen verbleibende Ringraum eine etwa konstante Stärke auf - das Strömungsmedium wird kaum behindert und kann ohne größeren Staudruck austreten. Wird der verstellbare Bereich dagegen in Längsrichtung außermittig aus dem Zentrum des radial erweiterten Bereichs verschoben - bspw. entgegen der Strömungsrichtung - so nähert er sich dessen Bereich verjüngten Querschnitts - die Dicke des Strömungskanals nimmt an dieser Stelle ab, der zusätzliche Staudruck erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des austretenden Mediums - der Strahl wird steifer.
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Die Erfindung läßt sich dahingehend weiterbilden, dass der Kern bzw. Prandtl-Tropfen unterteilt ist in zwei in axialer Richtung der Düse gegeneinander verstellbare Elemente. Während das äußere, vorzugsweise stromaufwärtige, schalenförmige Teil der Verstellung der Strahlschärfe dient, sorgt der stromabwärtige Teil für optimale Strömungsverhältnisse an der Düsenmündung. Aufgrund ihrer Verstellbarkeit wirken die beiden Teile solchermaßen zusammen, dass die Länge des „Prandtl-Tropfens“ variiert wird.
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Dabei kann ein axial verstellbares Element durch Drehen entlang eines Gewindes in Strömungsrichtung verstellbar sein. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um den strömungsabwärtigen Teil des Prandtl-Tropfens direkt an der Mündung der Düse. Damit kann die Düsencharakteristik voreingestellt werden, hinsichtlich einer optimalen Geometrie des austretenden Strahls, d.h. ein für den betreffenden Anwendungsfall geeigneter Mittelwert für das Verhältnis von Strahlschärfe zu Strömungsgeschwindigkeit.
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Andererseits kann ein axial verstellbares Element durch Federdruck entgegen der Strömungsrichtung vorgespannt sein. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um den stromaufwärtigen, schalenförmigen Teil des Prandtl-Tropfens, welcher den anderen Teil zumindest bereichsweise schalenförmig umgreift. Infolge der Federspannung kann dieser Teil des Prandtl-Tropfens selbsttätig auf veränderte Strömungsverhältnisse, insbesondere -mengen, innerhalb der Düse reagieren. Bei geringerer Strömungsmenge sinkt der Staudruck, die Feder drückt das betreffende Teil entgegen der Strömungsrichtung aus der Mitte des radial erweiterten Hohlraums und erzeugt dadurch eine Verengung in dem Ringraum, so dass infolge des solchermaßen gesteigerten Drucks die Strahlschärfe zunimmt. Es handelt sich um eine Art Selbstregulierung der Strahlschärfe oder - geschwindigkeit, die zur Folge hat, dass auch bei einer Verringerung der Strömungsmenge die erreichbare Strahlweite etwa konstant bleibt.
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Ein axial verstellbares Element - insbesondere der stromaufwärtige, schalenförmige Teil des Prandtl-Tropfens - kann derart ausgebildet oder angeordnet sein, dass es ohne inneren Gegendruck aufgrund seiner Vorspannung in eine Verschlußstellung gedrückt wird. Damit funktioniert die Strahlaufweitung in weiten Grenzen der Strömungsmenge, und schließlich kann der Ringraum der Düse vollständig verschlossen werden, wenn die Strömungsmenge gegen Null geht.
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Indem das durch Federkraft vorgespannte Element in Strömungsrichtung vor, d.h., stromaufwärts des entlang eines Gewindes verstellbaren Elements angeordnet ist, ist der Spalt zwischen den beiden, gegeneinander verstellbaren Teilen des Prandtl-Tropfens der Strömungsrichtung abgewandt und bildet somit kein Hindernis für den austretenden Strahl.
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Schließlich entspricht es der Lehre der Erfindung, dass der Außenmantel der Düse im Bereich seiner Mündung nicht verstellbar ist. Dieses Teil soll die Strömungskanäle sowie ggf. den Prandtl-Tropfen schützend umgeben. Diese Aufgabe kann am besten von einem massiven Mantel- bzw. Gehäuseteil übernommen werden, der sich auch bei unvorhergesehenen Stößen od. dgl. nicht verformt. Eine gleichbleibende Geometrie ist auch deshalb wichtig, damit die dem Prandtl-Tropfen zugewandte Innenkontur des radial erweiterten Bereichs möglichst konstant bleibt.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:
- 1 eine Bearbeitungsmaschine mit einem Sammelbehälter für die gemeinsame Bevorratung zweier verschiedener flüssiger Bearbeitungsmedien;
- 2 eine Seitenansicht auf die 2 in Richtung des Pfeils II; sowie
- 3 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Düse.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen unterschiedlicher flüssiger Medien und ist damit Bestandteil eines neuen Systems für die Kühlung und Schmierung von Bearbeitungsprozessen. Die Charakteristik beruht im Wesentlichen auf der gleichzeitigen Verwendung zweier völlig unterschiedlicher Kühlschmierstoffe (KSS-Medien). Diese beiden getrennt zugeführten Medien garantieren synergetisch die Vorteile von Bearbeitungsölen einerseits und von wässrigen KSS-Lösungen andererseits zu jeweils 100%.
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Das aus Werkstoff, Werkzeug und Fertigungsparametern resultierende Tribosystem bestimmt die Festlegung der Mediensteuerung (Medium 1 und 2 bzw. KSS 1 und 2) für die fertigungsspezifischen Bearbeitungsprogramme. Die Parameter dieser Medien- bzw. KSS-Steuerung, bspw. Fördervolumen und/oder - druck, ergeben zusammen mit deren praktisch konstanten chemischphysikalischen Produkteigenschaften die KSS-Primärfunktionen, nämlich die Schmierwirkung einerseits und die Kühlwirkung andererseits.
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Dabei lassen sich bekannte Kühl- und/oder Schmierprodukte nahezu unbegrenzt miteinander kombinieren, um eine optimale Anpassung an die verschiedensten Bearbeitungsprozesse und Tribosysteme zu erzielen.
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1 zeigt eine Bearbeitungsmaschine 2 in der Draufsicht, 2 in einer Seitenansicht, teilweise als Vertikalschnitt. Man erkennt neben der Bearbeitungmaschine 2 eine CNC-Steuerung 3 und ein Teilemagazin 4.
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Als moderne Maschine kann die Bearbeitungsmaschine 2 unterschiedliche Arbeitsgänge ausführen, je nach dem gerade verwendeten Werkzeug, welches rasch ausgetauscht werden kann, um so unterschiedliche Vorgänge wie Bohren, Fräsen, Stoßen od. dgl. ausführen zu können. In jedem Fall handelt es sich dabei - auch - um spanende Umformvorgänge von metallischen Werkstücken.
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Bei derartigen, schneidenden bzw. spanenden Bearbeitungen sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen:
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Einerseits muß zur Reduzierung des Verschleißes am Werkzeug ein Schmiermittel verwendet werden, insbesondere ein Öl. Dieses ist jedoch nur direkt am Ort des Schneideneingriffs erforderlich, in der sogenannten „Tribozone“.
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Andererseits muß die beim Umformvorgang aufgewandte und in Wärme umgesetzte, überschüssige Energie abtransportiert werden, um ein Überhitzen von Werkzeug und/oder Werkstück zu vermeiden. Allerdings braucht dieser Wärmetransport nicht unbedingt am Schneideneingriff zu erfolgen, also in der Tribozone, sondern es genügt, die Umgebung der Tribozone zu kühlen, damit sich innerhalb der metallischen und damit Wärme gut leitenden Komponenten des Schneidvorgangs - Werkzeug einerseits sowie Werkstück samt dessen Aufspannung andererseits - ein ausreichend hoher Temperaturgradient ergibt, der für einen schnellen Abzug der Wärme aus der Tribozone sorgt. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Grundprinzips wird demnach im Umfeld der Tribozone ein anderes Medium verwendet, insbesondere eine Lösung auf Wasserbasis, welches besonders gute Kühleigenschaften hat; eine Schmierwirkung ist hier jedoch nicht erforderlich.
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Diese unterschiedlichen Medien - Öl einerseits sowie eine wässrige Lösung andererseits - vermischen sich bei ihrem Einsatz in der Maschine und können naturgemäß nicht getrennt aufgefangen werden, sondern nur gemeinsam. Dieses Gemisch wird über eine Leitung 5 - bspw. einen Schlauch oder ein Rohr - von der Bearbeitungsmaschine 2 zu einer erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 6 geführt, bspw. angesaugt und vorangetrieben von einer Tauchpumpe im Ölsumpf der Bearbeitungsmaschine 2.
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Die beiden Kühlschmierstoff-Medien KSSI (Öl) und KSSII (wässrige Lösung) sind zwar miteinander vermischt; sie lösen sich jedoch gegenseitig nicht, sondern lassen sich wieder voneinander trennen, wenngleich dies nicht ganz einfach ist. Das einzige dabei verwendbare Unterscheidungsmerkmal ist das untersschiedliche spezifische Gewicht von KSSI (Öl) und KSSII (wässrige Lösung) - Öl ist leichter als Wasser und schwimmt daher oben auf der Wasseroberfläche. Allerdings muß dazu dem Flüssigkeitsgemisch ausreichend Zeit gegeben werden.
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Denn einerseits können die einzelnen Flüssigkeitströpfchen infolge inniger Durchmischung oftmals mikrsokopisch klein sein, wobei die zum Gewicht, also zum Volumen proportionale Auftriebskraft mit r3 abnimmt, während der Strömungswiderstand in der jeweils anderen Phase nur mit dem Tropfenquerschnitt, also r2 abnimmt, so dass sich erst kleinere Tröpfchen zu größeren agglomerieren müssen, bevor sich überhaupt erst etwas bewegt; andererseits hat der Trennungsvorgang auch wegen der zu überwindenden, makroskopischen Entfernungen nur eine vergleichsweise langsame Dynamik.
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Aus diesem Grunde wird von dem Erfinder eine Trennvorrichtung 6 verwendet.
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Diese umfaßt in ihrem unteren Teil einen Sammelbehälter 7, auf dessen Oberseite sich eine Säule 8 mit mehreren gleichartigen, vorzugsweise trichterförmigen Elementen 9 befindet, welche das Flüssigkeitsgemisch zunächst überwinden muß, um - aufgrund der Schwerkraft - zu dem darunter befindlichen Sammelbehälter 7 zu gelangen.
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Der Sammelbehälter 7 hat im dargestellten Beispiel etwa die Gestalt eines Quaders mit einem vorzugsweise quadratischen Boden 10, vier vertikalen Seitenwänden 11 und einer flächenmäßig dem Boden 10 entsprechenden Oberseite 12. Zur Aussteifung sind diagonale Streben 13 zwischen diametral gegenüberliegenden Ecken 14 vorgesehen. Vier Rollen 15 an der Unterseite des Bodens 10 erlauben es, die Trennvorrichtung 6 bei Bedarf verfahren zu können. Ein Schauglas 16 in einer Seitenwand 11 ermöglicht die visuelle Überprüfung des Füllstandes in dem Sammelbehälter 7.
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In der Oberseite 12 ist eine kreisrunde Ausnehmung vorgesehen, worin der untere Teil eines vorzugsweise zylindrischen, die Säule 8 umgebenden Gehäuses 17 eingesetzt ist. Dieses hat seinerseits eine kreisrunde Grundfläche, eine dazu deckungsgleiche Oberseite 18 und eine deren beiden Umfangsbereiche miteinander verbindende Mantelfläche 19. Dieses Gehäuse 17 ist unten nicht verschlossen, d.h., eine Bodenfläche 20 - falls vorhanden - weist Durchbrechungen auf, oder kann sogar auch nur durch einige Verstrebungen gebildet sein, welche die Mantelfläche 19 stabilisieren.
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Damit das Gehäuse 17 nicht in den Sammelbehälter 7 rutscht, verfügt es an der Außenseite seines Mantels 19 - knapp oberhalb der (zumindest teilweise offenen) Unterseite 20 - über einen rundumlaufenden Bund 21, dessen Außendurchmesser wiederum größer ist als der Innendurchmesser der Ausnehmung in der Oberseite 12 des Sammelbehälters 7. Die Oberseite 18 des Säulengehäuses 17 kann als abnehmbarer Deckel ausgebildet sein.
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Die Bodenseite 20 des Säulengehäuses 17 ist jedenfalls mit einer zentrischen Ausnehmung versehen, vorzugsweise von kreisrundem Querschnitt. Diese Ausnehmung im Boden 20 wird von einem vertikalen Rohr 22 durchgriffen. Die Länge des Rohrs 22 ist nur geringfügig, d.h., bspw. um 10 bis 20 Zentimeter, kleiner als die Höhe der gesamten Trennvorrichtung 6, gemessen vom Boden 10 des Sammelbehälters 7 bis zur Oberseite 18 des Säulengehäuses 17, so dass sich sein unteres Ende im unteren Bereich des Sammelbehälters 7, sein oberes Ende knapp unterhalb der Oberseite 18 des Säulengehäuses 17 befindet. Das Rohr 22 ist oben und unten offen oder zumindest nicht fluiddicht verschlossen.
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Der in den Sammelbehälter 7 eintauchende Teil des Rohrs 22 weist - mit Ausnahme der stirnseitigen Öffnung am unteren Ende - keine Öffnungen auf, im Gegensatz zu dem oberen Teil des Rohrs 22, der in das Säulengehäuse 17 hineinragt.
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Dieser obere Teil des Rohrs 22 dient gleichzeitig der Fixierung der Trichter oder trichterförmigen Teller 9. Diese haben allesamt die selbe Gestalt: Sie entsprechen der Mantelfläche eines um 180° umgestülpten Stumpfs eines geraden Kreiskegels mit einem Öffnungswinkel von etwa 90°. Keiner dieser Trichter oder Teller 9 verfügt über eine Stirnseite, sondern ist an beiden jeweils kreisförmigen - Stirnseiten jeweils offen. Infolge der Trichterform ist der Durchmesser der offenen Unterseite kleiner als der Durchmesser der ebenfalls offenen Oberseite der Trichter oder trichterförmigen Teller 9.
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Während das von der Bearbeitungsmaschine zurücklaufende Gemisch der beiden Medien MI und MII langsam von Trichter zu Trichter bzw. Teller zu Teller 9 herabläuft, findet eine kontinuierliche Trennung statt. Schließlich gelangt das schwerere Medium - Wasser oder eine wässrige Lösung - durch das zentrale Rohr 22 direkt in den unteren Bereich des Sammelbehälters 7, während das leichtere Medium - Öl - außen über die Teller- bzw. Trichterkanten herabläuft und von oben in den Sammelbehälter 7 gelangt, so dass sich dort eine Trennschicht ausbildet.
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Diese Trennvorrichtung 6 ist sehr effizient und kann im kontinuierlichen Betrieb bei einem hohen Durchsatz eine nahezu vollständige Entmischung zweier Medien bewirken. In dem Sammelbehälter 7 liegen damit die beiden Medien (KSSI und KSSII) im Normalfall in ausreichender Menge übereinander geschichtet vor und werden durch geeignete, mit Schwimmer versehene Einrichtungen abgesaugt. Über zwei getrennte Schläuche 23, 24 gelangen die beiden Medien KSSI bzw. MI einerseits sowie KSSII und MII andererseits zu einer Düse 25, die in 3 dargestellt ist.
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Die Düse 25 hat eine langgestreckte Gestalt mit einem zumindest im rückwärtigen Bereich etwa zylindrischen Gehäuse 26. An seiner rückwärtigen Stirnseite wird das Gehäuse 26 verschlossen durch eine Stirnplatte 27, die mit mehreren, achsparallelen Schrauben 28 an dem Gehäuse 26 festgeschraubt ist, unter Einlegen einer rundumlaufenden Dichtung 28. Die Stirnplatte 27 verfügt über eine zentrale Ausnehmung 29 mit einem Innengewinde 30. Die Berandung dieser Ausnehmung ist von einer angeformten, in das Düseninnere vorspringenden Hülse 31 umgeben, so dass die achsparallele Länge des Innengewindes 30 um ein Mehrfaches größer ist als die Stärke des peripheren Bereichs der Stirnplatte 27.
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In der rückwärtigen Mündung der Ausnehmung 29 ist in das dortige Innengewinde 30 ein Anschlußstutzen 32 für einen Schlauch 23 eingeschraubt. Im Bereich der Hülse 32 ist in das Innengewinde 30 ein zentrales Rohr 33 eingeschraubt, welches sich konzentrisch zu dem Gehäuse 26 durch nahezu die gesamte Düse 25 erstreckt. Dieses Rohr 33 trennt den Hohlraum innerhalb der Düse 25 in zwei voneinander getrennte Strömungskanäle für die beiden KSS-Medien I und II (MI bzw. MII): Der Raum innerhalb des Rohrs 33 bildet einen zentralen Strömungskanal für das Medium MI, welches durch den Schlauch 23 zugeführt wird, während sich zwischen der Außenwand des Rohrs 33 und der Innenseite des Gehäuses 26 ein dezentraler Strömungskanal 35 mit einem ringförmigen Querschnitt ergibt für das Medium MII, welches durch den Schlauch 24 zu der Düse 25 geführt wird. Der Anschluß 36 für diesen Schlauch befindet sich in dem rückwärtigen, der Stirnplatte 27 zugewandten Bereich des Gehäusemantels 26.
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Zu diesem Zweck ist in dem Gehäusemantel 26 eine radiale Bohrung 37 vorgesehen mit einem Innengewinde. Darin ist ein etwa hülsenförmiger Verschlußkörper 38 eingeschraubt, mit einer zentralen, durchgehende Ausnehmung zur Leitung des Mediums MII. Zu diesem Zweck ist in ein Innengewinde der Hülse 38 ein Anschlußstutzen 39 eingeschraubt, auf den außen der Schlauch 24 aufgesteckt und fixiert ist.
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Die innere Mündung der Hülse 38 steht in Strömungsverbindung mit dem ringförmigen Strömungskanal 35 und ist gleichzeitig mit einer etwa hohlkegelförmigen Erweiterung versehen, nach Art eines Ventilsitzes 40. Darin ist ein Ventilkörper 41 teilweise aufgenommen, mit einer kegelförmigen Vorderseite 42, deren Öffnungswinkel dem Öffnungswinkel des Ventilsitzes 40 entspricht. Der Ventilkörper 41 ist radial zu der Düsenlängsachse beweglich. Wird er ganz nach außen bewegt bis zur Anlage an dem Ventilsitz 40, ist das Ventil 43 verschlossen - es kann kein Medium MII zu dem Strömungskanal 35 gelangen. Wird der Ventilkörper 42 dagegen radial nach innen bewegt - im Grenzfall bis zur Anlage seiner Rückseite an dem Rohr 33 - so ist das Ventil 43 offen.
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Vorzugsweise ist die Rückseite des Ventilkörpers 42 durch eine rohrförmige Hülse 44 gebildet, die in eine mit Innengewinde versehene Sacklochbohrung in der ebenen Rückseite des kegelförmigen Vorderteils eingeschraubt ist und als Anschlagelement gegenüber dem Rohr 33 fungiert. Darüber hinaus dient diese Hülse 44 als Führung für eine übergestülpte Spiralfeder 45, die als Druckfeder ausgebildet ist und sich an dem Rohr 33 einerseits sowie an der ebenen Rückseite des kegelförmigen Vorderteils des Ventilkörpers 41 andererseits anliegt. Diese Feder 45 ist derart vorgespannt, dass sie bestrebt ist, den Ventilkörper 41 in von äußeren Kräften freiem Zustand fest in den Ventilsitz 40 hineinzupressen. Vorzugsweise ist die Feder 45 so stark, dass sie das Ventil 43 selbst gegenüber dem Druck des in dem Schlauch 24 anstehenden Mediums MII geschlossen hält.
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Das Ventil 43 wird daher nur dann geöffnet, wenn ein an dem Ventilkörper 42 befestigter Draht 46 in radialer Richtung zur Längsachse der Düse 25 hin gezogen wird. Der Draht 46 erstreckt sich durch eine enge Ausnehmung 47 in dem Rohr 33 von dem äußeren, dezentralen Strömungskanal 35 in den zentralen Strömungskanal 34. Dort ist er an einem Staukörper 48 befestigt, der stromabwärts der Ausnehmung 47 in dem zentralen Strömungskanal 34 „schwimmt“. Der Staukörper 48 hat vorzugsweise eine längliche, etwa tropfenförmige Gestalt, dessen maximaler Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des zentralen Strömungskanals 34. Er wird etwa konzentrisch innerhalb dieses Strömungskanals 34 gehalten durch mehrere „Flügel“, welche seitlich an der Mantelfläche des Staukörpers 48 angesetzt sind und gerade bis an verschiedene Bereiche der Innenseite des Strömungskanals 34 heranreichen, um den Staukörper 48 darin zu zentrieren. Je nach der Strömungsmenge bzw. - geschwindigkeit innerhalb des zentralen Strömungskanals 34 verändert sich der Staudruck stromaufwärts des Staukörpers 48. Dieser variierende Staudruck übt eine entsprechende Kraft auf den Staukörper 48 aus, die von dem Draht 46 umgelenkt und als radial nach innen gerichtete Zugkraft auf den Ventilkörper 41 übertragen, wirkt dort also der Kraft der Feder 45 entgegen. Es bildet sich ein Gleichgewicht der Kräfte aus, wobei die primären, einander gegenüberstehenden Kräfte der Staudruck stromaufwärts des Staukörpers 48 einerseits und die Kraft der Feder 45 andererseits sind. Zwar wirkt auf den Ventilkörper 41 auch noch der Druck des Mediums MII ein; diese Kraft ist jedoch schwächer als die Kraft der Feder 45. Somit haben die Strömungsverhältnisse in dem zentralen Strömungskanal 34 entscheidenden Einfluß auf die Strömungsmenge in dem dezentralen Strömungskanal 35, bspw. derart, dass das Mengenverhältnis der beiden Medien MI und MII auch bei in weiten Grenzen variiertem Durchsatz des Mediums MI etwa konstant bleibt.
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Andererseits sinkt bei einem stark reduzierten Durchsatz auch der Druck in dem dezentralen Strömungskanal 35 erheblich. In diesem Fall könnte der Druck so gering werden, dass die Reichweite des an der Düsenmündung 49 austretenden Strahls des Mediums MII drastisch reduziert würde. Um dies zu verhindern, ist an der Düsenmündung 49 eine Einrichtung 50 zur Anpassung der „Strahlschärfe“ vorhanden. Diese stellt eine Abwandlung des sog. „Prandtl-Tropfens“ dar, der seinerzeit von Prof. Dr. Ludwig Prandtl entwickelt worden war, um eine optimale, d.h. laminare Strömung zu gewährleisten. Im vorliegenden Fall hat dieser zigarren- oder etwa eiförmige Körper erhebliche Abwandlungen erfahren:
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Im Bereich seiner vorderen Mündung weist das Rohr 33 ein Außengewinde auf. Darauf ist zunächst ein verschiebbares Teil 51 gesteckt und sodann ein hülsenförmiges Teil 52 mit Innengewinde aufgeschraubt, welches das verschiebbare Teil 51 innerhalb der Düse zurückhält.
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Das aufgeschraubte, hülsenförmige Teil 52 ist hinsichtlich seines Querschnitts gegenüber einem Prandtl-Tropfen abgewandelt, indem es sich von seiner rückwärtigen bzw. stromaufwärtigen Seite - dort, wo sich das Rohr 33 anschließt - zu seiner stromabwärtigen Mündungsseite 53 hin kontinuierlich erweitert; erst im Bereich der Kante zur Mündungsseite 53 findet eine Verjüngung statt. Die Bohrung 54 im Inneren der Hülse 52 verjüngt sich dagegen im vorderen Teil erheblich, bspw. auf etwa den halben Durchmesser des Rohres 33, so dass das Medium MI dort gestaut wird und beim Austritt aus der Düse 25 einen harten Strahl bildet.
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Die zu seinem stromaufwärtigen Ende hin beständig verjüngte Außenfläche der Hülse 52 ist umgeben von dem verschiebbaren Teil 51; diese beiden Teile zusammen ergeben in etwa die Form einer (kurzen) Zigarre oder Bohne. Damit dieser insgesamt verdickte Bereich innerhalb des Düsengehäuses 26 Platz findet, ist die Innenseite 55 des Gehäuses 26 entsprechend radial erweitert, bspw. ähnlich einem Rotationsparaboloid, welches sich zu dem stromaufwärts sich anschließenden Strömungskanal 35 hin kontinuierlich verjüngt.
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Das verschiebbare Teil 51 hat etwa die Gestalt eines Bechers mit einem sich nach oben erweiternden Umfang, jedoch ohne Boden, wobei die periphere Umfangskante 56 sich zwischen der radial erweiterten Innenseite 55 des Gehäuses 26 und der Gewindehülse 52 befindet. Zwischen diesen beiden Teilen 51, 52 ist auf dem Rohr 33 eine Spiralfeder 57 aufgesteckt, die bestrebt ist, diese beiden Teile 51, 52 in axialer Richtung auseinanderzudrücken. Da das Teil 52 infolge seines Gewindes unverrückbar abgestützt ist, drückt die Feder 57 statt dessen das bewegliche Teil 51 entgegen der Strömungsrichtung nach hinten, und zwar maximal so weit, bis es an der Kante zwischen dem stromaufwärtigen, zylindrischen Strömungskanal 35 und dessen stromabwärtiger, radialer Erweiterung anliegt und dadurch den Strömungskanal 35 verschließt. Je nach der Strömungsgeschwindigkeit und -menge in dem Strömungskanal 35 variiert der Staudruck stromaufwärts des beweglichen Teils 51 - dieses stellt sich in Zusammenwirken mit der entgegenwirkenden Druckfeder 57 ein, bis die beiden Kräfte im Gleichgewicht sind. Daher wird der Staudruck vor dem beweglichen Teil 51 mit steigendem Durchsatz geringer bzw. steigt mit fallendem Durchsatz an - somit bleibt die Austrittsgeschwindigkeit des Mediums MII beim Verlassen der Düse 25 unabhängig von der Strömungsmenge etwa konstant, und damit auch die Reichweite des Strahls.
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An der Außenseite des Düsengehäuses 26 sind mehrere Gewindebohrungen 58 vorgesehen, wo ein oder mehrere Standfüße 59 festgeschraubt werden können. Es kann sich hierbei um magnetische Befestigungsmittel handeln mit Magnetkörpern 60, ferner um Klemmeinrichtungen, Schraubverbindungen, etc. Ferner kann ein ggf. arretierbares Gelenk vorhanden sein, um die Düse gegenüber dem Standfuß 59 einzustellen und auf den betreffenden Bearbeitungsbereich, d.h. in die Tribozone auszurichten bzw. zu zielen.
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Besonders bevorzugte Anwendungsformen der Erfindung sind sehr komplexe und verschiedenartige Zerspanungsprozesse (z. B. Tieflochbohren, Drehen, Fräsen, CBN-HSG-Schleifen in einer Werkstückaufnahme). Die dazu notwendige KSS-Kombination „Mehrphasen-Medium“ (z. B. Phase) 1 = Schneidöl auf mineralischer, synthetischer oder nativer Basis / Phase 2 = Schleifwasser oder Passiverungslösung) wird im automatischen Dauerbetrieb permanent überwacht, gesteuert und filtriert.
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Besonders geeignete Prozesse sind das Tieflochbohren, Umformprozesse, spezielle CBN-Schleifprozesse (HSG, HEDG, DFG), kombinierte Bearbeitungsprozesse (z. B. Drehen, Fräsen, Abstechen mit KSS-Lösung und Tieflochbohren mit Öl in einer Maschine und einer Werkstückaufnahme, Feinbearbeitung auch von Al-Legierungen. Weitere Applikationsmöglichkeiten sind die Weich- und/oder Hartbearbeitung, vor allem gezielte Härte-Prozesse, z.B. mittels Laser (Abschrecken je nach gewünschter Härte: Elastizitäts-Relation mit Öl/MI, wäsrige Lösung/MII oder beliebigem Gemisch aus MI/MII) und anschließende Hartbearbeitung (Schleifen) und Endbearbeitung.
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Mit der Erfindung lassen sich eine Vielzahl von Vorteilen erzielen:
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Die erreichbaren Werkzeugstandzeiten sind im Vergleich zu Spezial-Tiefbohröl (hochaddiviert auf Mineralölbasis) um mindestens 100 %, vorzugsweise um mindestens 150 %, erhöht, und im Vergleich zu hochmineralölhaltigen EP-Emulsionen sogar um mindestens 250 %, vorzugsweise um mindestens 350 % erhöht, was bisherige Praxistestläufe signifikant und reproduzierbar bestätigen.
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Aufgrund der gleichbleibenden KSS-Temperatur lassen sich konstante Bearbeitungsqualitäten in stationären Longlifebereichen hinsichtlich Toleranz und Oberflächengüte erreichen. Diese gleichbleibende, über die gesamte Zeitachse gewährleistete Medientemperatur wird durch die extrem günstige Wärmekonvektion Öl zu Wasser und die sehr große Thermo-Wirkfläche Medium/Umgebungsatmosphäre (konstante Werkhallenluft) mit optionalem Wärmeübergang und Wärmestrahlung garantiert.
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Im Hinblick auf die Arbeitshygiene ergeben sich praktisch kein Ölnebel im Bereich der Maschinenperipherie, keine Haut- und Schleimhautreizungen, ein sauberer Maschinenraum, eine konstante KSS-Temperatur infolge der hervorragenden Kühlleistung der Wasserphase.
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Aufgrund der ständig einwirkenden Wasserphase ist eine Brand- und Explosionsgefahr ausgeschlossen, so dass die Arbeitssicherheit gewährleistet ist. Mit der Erfindung erhält man die Kombination der Vorteile der Verwendung von reinem Öl einerseits und von reinem Wasser andererseits in jeweils getrennten Kreislaufsystemen wie bei einer Hochdruck-Niederdruckzuführung z. B. beim Tiefbohren, selbst wenn die Kreisläufe nicht getrennt sind, z.B. bei HSC-Zerspanungen (Drehen, Fräsen, etc.).
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In der Tribozone erfolgt eine Schmierwirkung mittels purem, homogenem Fluid (Öl bzw. Pflanzenöl), während in der Tribzonenperipherie eine Kühlung, Spülung und Bindung des Feinabriebs und/oder Passivierung mit einer geeigneten Lösung stattfindet.
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Die Erfindung bietet eine sehr gute Filtration der Feststoffe (insbesondere der kritischen Feinpigmente) in der separaten Wasserphase aufgrund der sehr geringen Grenzflächenspannungen zwischen den Feinstpigmenten und der umgebenden Wasserphase.
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Es gibt praktisch keine Emulgierwirkung der Fremdöle mit Wasser, da keine Emulgatoren bzw. angepasste Emulgatorensysteme verwendet werden.
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Die Schmiereigenschaften der wässrigen Phase (KSS II) sind weitgehend bedeutungslos.
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Es ist nur ein Rücklaufsystem notwendig, da die Phasentrennung in einem autarken Separationssystem und anschließend in einem gemeinsamen Sammelbehälter erfolgt.
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Feinstabrieb (z. B. Schleifschlamm) wird optimal (z. B. Magnetabschneider, Zyklone, Zentrifuge, ...) wird über eine Bypassführung aus der Wasserphase separiert - man erhält praktisch ölfreie Schleifschlämme.
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Es ergibt sich eine optimale Fluidkosteneinsparung (100% Nutzen einer Ölanwendung bei nur -40% Öleinsatz im System).
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Eine „Thermoschockwirkung“ (z. B. bei CBN-HEDG-Schleifen) wird vermieden, da nur reines Öl als homogenes Fluid direkt in die Tribozone gelangt, das am Schleifkorn im Gegensatz zu Wasser nur „milde“ Abschreckeffekte erzeugt.
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Trotz purer Ölanwendung ergibt sich infolge der umgebenden Wasserphase keine Verpuffungs- und Explosionsgefahr (inerte Wasserglocke, welche die in der Tribozone entstehenden Ölaerosole umhüllt und die oxidative Reaktion mit dem Luftsauerstoff entscheidend verhindert).
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Die Entsorgung der Kühlschmierstoffe ist unproblematisch, da „KSS I“ (pures Öl) und „KSS II“ (Lösung) vollständig getrennt werden.
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Infolge kontinuierlicher Kühlung über KSS II (Lösung) während der Rückführung zum Separationssystem und Sammelbehälter behält KSS I (z. B. natives Öl) nahezu eine konstante Temperatur bei. Dies ist besonders bei der optionalen Umstellung auf „Grüne Maschine“ (Verwendung von nativen, paraffinischen Ölen, Esterölen, etc. als MI) von größter Bedeutung, weil diese Öle bei allen anderen Vorteilen eine nur mäßige Thermostabilität besitzen.
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Bei Bedarf - bspw. beim Tieflochbohren - ist eine getrennte Fluidzuführung möglich. Bspw. kann der KSSI (Öl) über Innenkühlkanäle im Werkzeug direkt in die Tribozone, d.h., gezielt an die Werkzeugschneide, geführt werden, während der KSSII (Lösung) über einen Wasserschwall zur Peripherie der Tribozone geleitet wird.
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Die Erfindung bietet die Basis für eine Maschinenauslegung gemäß sog. „Grüner Maschine“, wobei für sämtliche Öle native Öle verwendet werden wie z. B. als Bearbeitungsöl (MI, KSSI), Hydrauliköl, Bettbahnöl, Öl für die Umlaufschmiersysteme, in Kombination mit einem ölfreien KSS (KSSII; MII).
