DE102016215545B3

DE102016215545B3 - Verfahren zum Betrieb einer spanenden Werkzeugmaschine und Werkzeugmaschine für die spanende Bearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE102016215545B3
Application number: DE102016215545.8A
Authority: DE
Inventors: Jan C. Aurich; Stephan Basten; Hans Hasse; Benjamin Kirsch; Patrick Mayer; Erik von Harbou; Eckard Ströfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-18
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-19
Also published as: WO2018033618A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer spanenden Werkzeugmaschine (1). Bei dem Verfahren wird zur Wärmeabfuhr und zur Verminderung von Reibung zwischen einem Werkzeug (6) und einem Werkstück (4) ein Kühlschmierstoff (52) einem Maschineninnenraum (3) der Werkzeugmaschine (1) zugeführt. In dem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine wird ein Zerspanprozess (60) ausgeführt. Ferner ist vorgesehen, dass eine Flüssigkeitsmischung, welche einen Gefrierpunkt unterhalb von 0°C aufweist und bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1013 mbar flüssig ist, als Kühlschmierstoff (52) verwendet wird und der Kühlschmierstoff (52) vor der Zuführung auf eine Temperatur im Bereich zwischen dem Gefrierpunkt des Kühlschmierstoffs und 0°C temperiert wird. Ein Weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine (1) mit einer Kühlvorrichtung (10), die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer spanenden Werkzeugmaschine, wobei zur Wärmeabfuhr und der Verminderung von Reibung zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück ein Kühlschmierstoff einem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine zugeführt wird, in dem ein Zerspanprozess ausgeführt wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine für die spanende Bearbeitung von Werkstücken, welche eingerichtet ist das Verfahren auszuführen.
Bei einer spanenden Bearbeitung von Werkstücken wird diesen durch mechanisches Abtrennen von überschüssigem Material in Form von Spänen mit einem Werkzeug eine bestimmte Form gegeben. Die spanenden Fertigungsverfahren umfassen beispielsweise Drehen, Fräsen und Schleifen. Aufgrund von Reibung wird dabei die eingebrachte mechanische Arbeit fast vollständig in Wärme umgewandelt.
Die zur Kühlung und Schmierung eingesetzte Strategie ist für die Produktivität von spanenden Fertigungsverfahren, die Standzeit der Bearbeitungswerkzeuge sowie für die erreichbare Oberflächengüte der gefertigten Bauteile von hoher Bedeutung. Eine übliche Kühlstrategie ist die Überflutungskühlung, bei der ein Kühlschmierstoff (KSS) in großer Menge auf das zu bearbeitende Werkstück und das Werkzeug aufgebracht wird. Typische eingesetzte Menge des Kühlschmierstoffs betragen bei der Überflutungskühlung im Bereich von 10 Liter bis 100 Liter pro Minute. Kühlschmierstoff(KSS)-medien für konventionelle Überflutungskühlungen sind z. B. wässrige Emulsionen, die hohe spezifische Wärmekapazitäten aufweisen. Die Massenströme der konventionellen Überflutungskühlungen können aufgrund des flüssigen Zustands der KSS-Medien den Anforderungen einer Zerspanung variabel angepasst werden. Minimalmengenschmierung (wenige ml/min) bis zu 100 l/min können im industriellen Einsatz realisiert werden.
Durch die hohen Temperaturen in der Wirkstelle von Zerspanprozessen, kann mit einer KSS-Zulauftemperatur bei Raumtemperatur bereits eine gute Kühlwirkung erzielt werden. Konventionelle Überflutungskühlungen ermöglichen daher eine gute Kühl- und Schmierwirkung, einen guten Wärmeübergang und damit gesteigerte Qualitätsmerkmale der spanenden Fertigungsprozesse. Die Qualitätsmerkmale umfassen dabei, insbesondere Produktivität, Werkzeugstandzeit und Oberflächengüte.
Je geringer die Zulauftemperatur des KSS-Mediums, desto höher ist die erzielte Kühlwirkung der Kühlstrategie im Zerspanungsprozess. Durch den Gefrierpunkt der konventionellen KSS-Medien ist die minimale Zulauftemperatur für eine Prozesskühlung auf 0°C beschränkt. Um geringere Zulauftemperaturen und damit höhere Kühlwirkungen in Prozesskühlungen für spanenden Fertigungsverfahren zu erreichen, können kryogene Kühlmedien wie Kohlendioxid (–78,5°C) oder flüssiger Stickstoff LN₂ (–196°C) eingesetzt werden.
Für eine Prozesskühlung verwendetes CO₂ kann bei Raumtemperatur und einem Betriebsdruck von ungefähr 70 bar in einer Steigrohrflasche flüssig-siedend gelagert werden, Solange flüssig-siedendes CO₂ in der Steigrohrflasche vorhanden ist bleibt der Druck während der CO₂-Entnahme konstant. Die Temperatur des flüssigen CO₂ in der Zuleitung zur Prozesskühlung beträgt ebenfalls Raumtemperatur. Eine Wärmeisolierung der Zulaufleitung ist an einer CO₂-Prozesskühlung daher nicht notwendig. Für eine CO₂-Kühlung von Zerspanprozessen werden Düsen eingesetzt, welche das flüssig-siedend zugeführte CO₂ expandieren lassen. Durch diese isenthalpe Expansion (Joule-Thompson-Effekt) kühlt sich das CO₂ bis zum Erreichen des Umgebungsdrucks am Düsenaustritt schlagartig auf ca. –78,5°C ab. Dieser Zustandspunkt liegt somit im fest-gasförmig Zweiphasengebiet und es findet somit eine Phasentransformation statt. Das austretende Medium besteht somit aus festem CO₂-Schnee und gasförmigen CO₂. Durch die im Vergleich zur flüssigen Phase geringere Benetzungsfähigkeit des festen CO₂-Schnees ist der Wärmeübergang zwischen Kühlmedium und Werkstück bei der Mischung aus festem und gasförmigen CO₂ geringer als bei flüssigen Medien gleicher Temperatur.
Verlustkühlungen sind die Folge, bei welcher nicht die Wirkstelle des Zerspanprozesses gekühlt wird, sondern die Umgebung bzw. der Maschineninnenraum und die Umgebung. Generell ist der Einsatz des CO₂ in einer solchen Prozesskühlung immer mit einem Totalverlust des Kühlmediums verbunden. Diese Kühlstrategien sind in industriellen Anwendungen daher immer mit einem hohen Verbrauch des CO₂ verbunden.
Flüssiger Stickstoff wird in einem isolierten Kryobehälter bei –196°C gelagert. Diese Temperatur wird durch langsames Sieden des Stickstoffs konstant bei –196°C gehalten, wobei gasförmiges Stickstoff entweicht. Die Stickstoff-Prozesskühlungen weisen daher bereits durch die Bevorratung des KSS-Mediums systembedingte Verluste auf. Ein durch den entstehenden gasförmigen Stickstoff auftretender Überdruck des Stickstoffs im Kryobehälters kann zur Zuführung des Mediums in die Prozesskühlung verwendet werden. Nach dem Austritt des Stickstoffs aus der Düse und einem Kontakt mit wärmeren Objekten, beispielsweise der Wirkstelle des Zerspanprozesses, dem Werkstück, dem Werkzeug oder Luft, siedet der flüssige Stickstoff sofort insbesondere in der Wirkstelle der Zerspanung, in welcher Temperaturen von 700°C vorliegen können, aber auch an anderen warmen Objekten im Maschineninnenraum. Auf Grund der großen Temperaturdifferenz zwischen dem Werkstück und dem siedenden Stickstoff läuft das Sieden weit oberhalb des Leidenfrostpunkts ab und es bildet sich ein stabiler gasförmiger Film an der Oberfläche des Kontaktobjekts (Filmsieden bzw. Leidenfrost-Effekt). Aufgrund dieses Gasfilms ist der Wärmeübergang zwischen dem Stickstoff und dem Werkstück deutlich schlechter als bei einem flüssigen Kühlmediums Durch diese Isolierschicht wird die Benetzungsfähigkeit des flüssigen Stickstoffs verringert und reduziert somit die maximal mögliche Kühlwirkung der Stickstoff-Kühlungen für Zerspanprozesse.
Die bisher eingesetzten kryogenen Kühlmedien weisen nicht vermeidbare und systembedingte Eigenschaften auf, welche die Benetzungsfähigkeit der Medien an der Wirkstelle des Zerspanprozesses verringern. Den hohen möglichen Kühlleistungen dieser Prozesskühlungen stehen durch die schlechten Benetzungseigenschaften der kryogenen Kühlmedien systembedingt hohe Verlustleistungen und Kosten entgegen.
Die generellen konstruktiven Merkmale sowie die Dimensionierung der KSS-Anlagen werden im industriellen Einsatz nach der Norm VDI 3035 vom Mai 2008 ausgelegt.
Derzeit werden in Prozesskühlungen, welche in spanenden Fertigungsverfahren eingesetzt werden, die KSS-Medien über eine möglichst große Oberfläche des KSS-Behälters und des Maschineninnenraums durch eine Verdunstung in die Umgebungs- oder Maschinenabluft gekühlt (Verdunstungskühlung). In Werkzeugmaschinen mit hohen Anforderungen bezüglich der geometrischen Maschinenfähigkeit respektive einer prozessbedingten hohen KSS-Erwärmung (z. B. Profilschleifmaschinen, Vollschnittschleifmaschinen), können unterstützend Temperieraggregate eingesetzt werden, um eine konstante Zulauftemperatur des KSS zu gewährleisten. Die Führungsgröße bei diesen KSS-Temperaturregelungen ist nach der Norm VDI 3035 vom Mai 2008 die Betriebstemperatur der Werkzeugmaschine unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur. Je nach Betriebszustand der Maschine und verwendeten Fertigungsprozessen wird der KSS daher erwärmt oder gekühlt. In der KSS-Technologie sind keine Anlagen bekannt, die für eine KSS-Temperierung unter 0°C eingesetzt werden.
Das Patent DE 10 2008 027 670 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Abluftreinigung an einer gekapselten Werkzeugmaschine. Die aus der Werkzeugmaschine abgesaugte Abluft ist mit KSS gesättigt und wird in eine externe Anlage abgesaugt. In dieser Anlage wird KSS eingespritzt, was eine Abscheidung der KSS-Dämpfe der abgesaugten Maschinenabluft zur Folge hat. Der in die externe Anlage eingespritzte KSS kann zusätzlich gekühlt werden, um die Abscheidung des KSS-Nebels weiter zu verbessern und die Maschinenabluft noch besser zu reinigen. Der gekühlte KSS wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung dieses Patents nicht als Kühlstrategie für Zerspanungsprozesse eingesetzt und kann nicht unter 0°C gekühlt werden.
Konventionelle KSS-Filtersysteme sind offen und nicht wärmeisoliert (z. B. Vliesfilter, Endlosbandfilter) oder geschlossen aber ebenfalls nicht wärmeisoliert (Zentrifugen, Slurry-Verfahren), um die KSS-Verdunstungskühlung weiter zu unterstützen. Druckfilter werden in der KSS-Technologie nur als Vorfiltereinheit im Nebenstrom für die Innenkühlung von Werkzeugen verwendet und sind ebenfalls nicht wärmeisoliert. Die KSS-Vorratsbehälter sind zudem generell als offene Systeme ausgelegt, damit auch hier eine möglichst starke Kühlung durch die Verdunstung des KSS erreicht werden kann. Prozesskühlungen für Zerspanprozesse unter Einsatz kryogener Kühlmedien benötigen keine Rückführung, da die Medien nur einmalig eingesetzt werden können Aus der Patentanmeldung DE 196 37 168 A1 ist ein Kühlschmierstoff bekannt, der zu 50% aus Glycerin besteht. Glycerin ist ein dreiwertiger Alkohol mit drei C-Atomen.
Das angemeldete Patent DE 10 2007 041 372 A1 betrifft den Einsatz von einem oder mehreren mehrwertigen Alkoholen mit mindestens drei C-Atomen mit einem Anteil an der Gesamtmasse des Kühlschmierstoffs von mehr als 50 Masse-%.
In dem Patent US 6,277,793 B1 wird Ethylenglycol als Additiv mit bis zu 10 Masse-% in einem Kühlschmierstoff für Werkzeugmaschinen beschrieben.
Das Patent US 5,419,661 A beschreibt eine drehbare Steilkegel-Werkzeugaufnahme für den Einsatz in Maschinenspindeln. Diese Aufnahme weist eine integrierte KSS-Zuführung auf, welche auch für den Einsatz einer Mischung aus Wasser und Ethylenglykol eingesetzt werden kann. Diese Werkzeugaufnahme schlägt jedoch keine wärmeisolierte Ausführung vor.
Es besteht im Stand der Technik Bedarf an Verfahren zur Kühlung bei spanenden Fertigungsprozessen, welche eine hohe Kühlleistung und eine gute Benetzung des Werkstücks und des Werkzeugs mit dem Kühlschmierstoff aufweisen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer spanenden Werkzeugmaschine vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird zur Wärmeabfuhr und zur Verminderung von Reibung zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück ein Kühlschmierstoff einem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine zugeführt. In dem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine wird ein Zerspanprozess ausgeführt. Der Kühlschmierstoff ist eine Flüssigkeitsmischung, die einen Gefrierpunkt unterhalb von 0°C hat und bei Raumtemperatur von 20°C und normalen Luftdruck von 1013 mbar in einem flüssigen Zustand ist. Vor der Zuführung wird der Kühlschmierstoff auf eine Temperatur im Bereich zwischen dem Gefrierpunkt des Kühlschmierstoffs und 0°C temperiert. Durch dieses Absenken der Temperatur wird die Kühlwirkung weiter verbessert.
Bei dem Zerspanprozess, der in dem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine ausgeführt wird, handelt es sich insbesondere um Dreh-, Fräs- und Schleifbearbeitungen eines Werkstücks. Dem Zerspanprozess wird der Kühlschmierstoff zugeführt, indem der Kühlschmierstoff auf das Werkstück und/oder auf das Werkzeug aufgetragen wird. Der Auftrag des Kühlschmierstoffs erfolgt bevorzugt über mindestens eine Düse. Mit der mindestens einen Düse wird der Kühlschmierstoff in flüssiger Form bevorzugt an der Wirkstelle aufgetragen, also dort aufgetragen, wo ein im Zerspanprozess eingesetztes Werkzeug auf das zu bearbeitende Werkstück trifft, so dass sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück mit dem Kühlschmierstoff zumindest teilweise benetzt werden. Die Kühlwirkung ist dabei insbesondere abhängig von der Wärmekapazität des eingesetzten Kühlschmierstoffs und der Temperaturdifferenz zwischen dem Werkzeug bzw. dem Werkstück und dem Kühlschmierstoff. Des Weiteren ist die Kühlwirkung davon abhängig, ob ein guter Kontakt zwischen dem Kühlschmierstoff und dem zu kühlenden Werkzeug bzw. Werkstück gewährleistet ist und somit ein guter Wärmeübergang erzielt wird.
Gegenüber den bisher im Stand der Technik eingesetzten kryogenen Kühlmedien, wie flüssiges CO₂ oder flüssigen Stickstoff, löst das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile in Bezug auf die geringe Benetzungsfähigkeit und dem damit verbundenen geringeren Wärmeübergang zwischen Kühlschmierstoff und Werkstück der bisher eingesetzten kryogenen Kühlmedien ab. Der im vorgeschlagenen Verfahren eingesetzte Kühlschmierstoff wird bei Zulauftemperaturen im Bereich zwischen dessen Gefrierpunkt und 0°C zugeführt. Der Kühlschmierstoff ist daher nach dem Austritt aus einer Düse der Prozesskühlung in einem flüssigen Zustand und siedet nach dem Austritt aus der Düse nicht. Der Kühlschmierstoff ist somit in einem stabilen flüssigen Zustand. Ein durch Verdampfung entstehender isolierender Gasfilm (Leidenfrost-Effekt), der insbesondere beim Einsatz von flüssigem Stickstoff auftritt, wird hierdurch vermieden. Der flüssige Kühlschmierstoff kann das Werkstück und/oder das Werkzeug optimal benetzen und somit einen guten Wärmeübergang sicherstellen. Eine teilweise auftretende Verdampfung an der Wirkstelle kann auch bei den im vorgeschlagenen Verfahren verwendeten Kühlschmierstoffen auftreten. Der dabei möglicherweise entstehende Gasfilm (Leidenfrost-Effekt) kann durch höhere Zulaufdrücke und den daraus resultierenden höheren Düsenaustrittsgeschwindigkeiten des KSS minimiert werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt eine Flüssigkeitsmischung als Kühlschmierstoff verwendet, bei dem im fest-flüssig Gleichgewicht ein Eutektikum auftritt, welches zu einer Erniedrigung des Gefrierpunkts unter 0°C führt.
Bevorzugt wird ein Wasser enthaltender Kühlschmierstoff (KSS) verwendet.
Bevorzugt wird als Kühlschmierstoff (KSS) ein Flüssigkeitsgemisch verwendet, welches Wasser und mindestens einen weiteren Stoff in einer definierten Konzentration enthält, sodass eine Gefrierpunktserniedrigung mindestens um 10°C, bevorzugt um mindestens 20°C und besonders bevorzugt um mindestens 40°C erfolgt.
Als derartiges Gemisch sind beispielsweise Salzwasser oder Zuckerlösungen geeignet, die Gefrierpunkterniedrigungen bis zu –21°C ermöglichen. Auch Lösungen von Wasser und Alkoholen weisen entsprechende Gefrierpunkterniedrigungen auf. Beispielsweise kann ein Kühlschmierstoff mit 1,2-Ethandiol (Ethylenglykol) bei 1,2-Ethandiol-Anteilen von 0,3 und 0,35 mol/mol stabile Zulauftemperaturen bis zu –48°C ermöglichen. Bevorzugte Zulauftemperaturen betragen beispielsweise von –45°C bis –10°C.
Besonders bevorzugt enthält der Kühlschmierstoff ein eutektisches Gemisch aus Wasser und mindestens einem weiteren Stoff ausgewählt aus Ethylenglykol, Propylenglykol und Glyzerin. Des Weiteren kann der Kühlschmierstoff Additive wie beispielsweise Korrosionsinhibitoren, EP-Additive (Extreme-Pressure-Additive), Biozide, Entschäumer, Stabilisatoren, Konservierungsstoffe oder Kombinationen mindestens zweier dieser Additive enthalten.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der Kühlschmierstoff bevorzugt in einem Kreislauf geführt. Dabei wird Kühlschmierstoff aus dem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine entnommen. Bevorzugt werden anschließend im Kühlschmierstoff enthaltene Feststoffe, die diesen verunreinigen, abgeschieden bzw. herausgefiltert. Der Kühlschmierstoff wird einem Vorratsbehälter zugeführt und aus dem Vorratsbehälter dem Maschineninnenraum erneut zugeführt.
Bevorzugt wird der Kühlschmierstoff außerhalb des Maschineninnenraums der Werkzeugmaschine in einem geschlossenen System geführt. Hierbei wird unter einem geschlossenen System verstanden, dass kein oder nur sehr geringer Kontakt mit Umgebungsluft erfolgt. Hierdurch wird vermieden, dass durch den Kontakt mit der Umgebung Wärme in den Kühlschmierstoff eingebracht wird.
Bevorzugt erfolgt die Temperierung des Kühlschmierstoffs über mindestens einen Wärmeübertrager. Der mindestens eine Wärmeübertrager ist bevorzugt in einem Vorratsbehälter, in einer stromabwärts des Vorratsbehälters angeordneten Leitung oder in einer Stromaufwärts des Vorratsbehälters angeordneten Leitung angeordnet.
Bei dem Vorratsbehälter handelt es sich um einen zur Lagerung des Kühlschmierstoffs eingerichteten Behälter. Von dem Behälter zweigt zumindest eine Zuführleitung ab, über die Kühlschmierstoff aus dem Behälter entnommen und dem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine zugeführt werden kann. Die Zuführleitung ist stromabwärts des Vorratsbehälters angeordnet.
Wird der Kühlschmierstoff im Kreislauf geführt, so mündet mindestens eine Rücklaufleitung in den Vorratsbehälter, mit der Kühlschmierstoff aus dem Maschineninnenraum der Werkzeugmaschine entnommen werden kann. Die Rücklaufleitung ist stromaufwärts des Vorratsbehälters angeordnet.
Zur Förderung des Kühlschmierstoffs ist in dem Kreislauf bevorzugt zumindest eine Pumpe angeordnet.
Zur Verminderung des Wärmeeintrags aus der Umgebung in den Kühlschmierstoff ist es bevorzugt, wenn der Vorratsbehälter und/oder Leitungen, die den Kühlschmierstoff führen, wärmeisoliert sind. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Verkleidung des Maschineninnenraums der Werkzeugmaschine mit einer Wärmeisolierung versehen ist. Zudem ist es bevorzugt, wenn ein Maschinentisch und/oder eine Arbeitsspindel, mit der das Werkstück aufgenommen wird, gegenüber dem Rest der Werkzeugmaschine wärmeentkoppelt ausgeführt ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine Werkzeugmaschine für die spanende Bearbeitung von Werkstücken umfassend eine Kühlvorrichtung bereitzustellen. Die Kühlvorrichtung ist eingerichtet, Kühlschmierstoff einem Maschineninnenraum der spanenden Werkzeugmaschine zuzuführen, wobei der Maschineninnenraum zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks eingerichtet ist und wobei die Kühlvorrichtung einen Vorratsbehälter, eine Auffangvorrichtung, eine Spanabscheidevorrichtung, eine Pumpe und eine Zuführeinrichtung umfasst. Die Auffangvorrichtung ist eingerichtet, Kühlschmierstoff aus dem Maschineninnenraum aufzufangen, so dass dieser aus dem Maschineninnenraum abgeführt werden kann. Die Pumpe ist eingerichtet, aus dem Maschineninnenraum abgeführten Kühlschmierstoff in den Vorratsbehälter zu fördern. Die Zuführeinrichtung ist eingerichtet, den Kühlschmierstoff auf ein zu bearbeitendes Werkstück und/oder auf ein Werkzeug aufzubringen. Die Kühlvorrichtung umfasst ferner mindestens einen Wärmeübertrager und ist eingerichtet, den Kühlschmierstoff auf eine Temperatur unterhalb von 0°C zu temperieren.
Die Werkzeugmaschine ist bevorzugt zur Ausführung eines der beschriebenen Verfahren eingerichtet und/oder ausgestaltet, so dass Merkmale betreffend das Verfahren entsprechend für die Werkzeugmaschine gelten und umgekehrt im Rahmen der Werkzeugmaschine beschriebene Merkmale entsprechend für das Verfahren gelten.
Die Werkzeugmaschine ist bevorzugt eingerichtet, ein Werkstück mittels Drehen, Fräsen oder Schleifen spanend zu bearbeiten. Dabei steht ein Werkzeug der Werkzeugmaschine mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt. Zur Schmierung und/oder Kühlung des Werkstücks und/oder des Werkzeugs verfügt die Werkzeugmaschine über eine Kühlvorrichtung zur Temperierung des KSS unter 0°C.
Die Kühlvorrichtung ist bevorzugt eingerichtet, einen Kühlschmierstoff mittels der Zuführeinrichtung auf das Werkstück und/oder das Werkzeug aufzubringen. Hierzu ist bevorzugt zumindest eine Düse vorgesehen, über die der Kühlschmierstoff in flüssiger Form abgegeben wird. Insbesondere wird der Kühlschmierstoff auf die Wirkstelle aufgesprüht, an der das Werkstück und das Werkzeug sich berühren.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks lösen sich Späne ab, die zusammen mit dem Kühlschmierstoff aufgrund der Schwerkraft nach unten gezogen werden und in die Auffangvorrichtung gelangen. Die Auffangvorrichtung weist bevorzugt einen Späneabscheider zur Abtrennung der Späne auf. Beispielsweise wird hierzu ausgenutzt, dass die Späne sich aufgrund ihres Gewichts am Boden der Auffangvorrichtung absetzen und von dort aus mit einem Förderer entnommen werden können.
Der von den Spänen befreite Kühlschmierstoff wird aus dem Maschineninnenraum abgeführt und über eine Rücklaufleitung in einen Vorratsbehälter gefördert. Vom Vorratsbehälter gelangt der Kühlschmierstoff über eine Zuführleitung wieder in den Maschineninnenraum, so dass ein Kreislauf entsteht.
Zur Temperierung des Kühlschmierstoffs ist der mindestens eine Wärmeübertrager bevorzugt in dem Vorratsbehälter oder in einer stromaufwärts oder stromabwärts des Vorratsbehälters angeordneten Leitung angeordnet. Mit dem Wärmeübertrager wird dem Kühlschmierstoff Wärme entzogen, die auf ein Temperiermedium übertragen wird. Der mindestens eine Wärmeübertrager ist beispielsweise als Rohrschlange in dem Vorratsbehälter ausgestaltet. Ein in einer Leitung angeordneter Wärmeübertrager kann beispielsweise als ein Rohrbündel ausgestaltet sein, wobei in einem ersten Teil der Rohre das Temperiermedium und in einem zweiten Teil der Rohre der Kühlschmierstoff strömt. Ein in einer Leitung angeordneter Wärmeübertrager kann auch als konzentrische Anordnung zweier Rohre ausgestaltet sein, wobei der durch eines der Rohre der Kühlschmierstoff und durch das andere Rohr das Temperiermedium strömt. Der Wärmeübertrager kann dabei insbesondere im Gegenstrom oder im Gleichstrom betrieben werden.
Der mindestens eine Wärmeübertrager wiederum steht mit einem Kühlaggregat in Verbindung, welches die Temperatur des Temperiermediums einstellt. Über das Kühlaggregat wird somit die durch den Wärmeübertrager dem Kühlschmierstoff entzogene Wärme abgeführt. Die durch das Kühlaggregat eingestellte Temperatur des Temperiermediums muss gleich oder niedriger sein als die Temperatur, auf die der Kühlschmierstoff temperiert wird. Das Kühlaggregat ist beispielsweise als eine Kältemaschine ausgeführt, insbesondere als Kompressionskältemaschine.
Der Vorratsbehälter ist bevorzugt als ein geschlossener Vorratsbehälter ausgeführt. Dies verringert zum einen den Wärmeeintrag in den Kühlschmierstoff aus der Umgebung durch direkten Luftkontakt. Zum anderen wird hierdurch ermöglicht, den Vorratsbehälter mit einem Überdruck zu beaufschlagen. Wird der Vorratsbehälter mit einem Überdruckt beaufschlagt, so kann Kühlschmierstoff über eine Zuführleitung aus dem Vorratsbehälter einem Zerspanprozess zugeführt werden, ohne das hierfür eine Pumpe erforderlich ist. Zur Kontrolle des Kühlschmierstoffflusses kann beispielsweise ein Ventil verwendet werden.
Bevorzugt ist der Vorratsbehälter als Druckbehälter ausgestaltet, wobei der Vorratsbehälter für einen Betriebsdruck im Bereich von 1 bis 20 bar, bevorzugt von 2 bis 15 bar und besonders bevorzugt im Bereich von 6 bis 12 bar eingerichtet ist. Durch den Überdruck im Vorratsbehälter kann der Kühlschmierstoff ohne eine weitere Pumpe direkt aus dem Vorratsbehälter in den Maschineninnenraum gefördert werden. Hierdurch wird zudem eine besonders gleichmäßige Förderung erreicht, die unabhängig von Pulsationen sind, die bei bestimmten Pumpentypen, wie beispielsweise Membranpumpen, auftreten können.
Bevorzugt ist der Vorratsbehälter wärmeisoliert ausgestaltet, beispielsweise durch das Anordnen eines Dämmmaterials. Des Weiteren kann der Vorratsbehälter als Dewargefäß ausgeführt sein. Hierbei ist der Vorratsbehälter doppelwandig ausgestaltet und der Bereich zwischen der Doppelwand ist evakuiert. Hierdurch wird ebenfalls ein Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Kühlschmierstoff reduziert.
Bevorzugt umfasst der Vorratsbehälter ein Rührwerk, über den der im Vorratsbehälter aufgenommene Kühlschmierstoff umgewälzt wird. Hierdurch wird bei Einsatz eines im Vorratsbehälter angeordneten Wärmeübertragers eine schnellere und gleichmäßige Temperierung des aufgenommenen Kühlschmierstoffs erzielt. Wenn der Wärmeübertrager nicht im Vorratsbehälter angeordnet ist wird durch das Rührwerk dennoch eine Durchmischung des Kühlschmierstoffs vorgenommen, durch die sich eine homogenere Temperaturverteilung erreichen lässt. Aufgrund der insbesondere bei niedrigen Temperaturen weist der Kühlschmierstoff typischerweise eine hohe Viskosität auf, durch die eine Konvektion im Vorratsbehälter aufgrund von Temperaturdifferenzen verringert ist. Durch das Rührwerk wird eine Konvektion erzwungen und somit eine gleichmäßige Temperierung unterstützt. Vorteilhafterweise ist es hierdurch möglich, auch mit einem vergleichsweis kleinen Wärmeübertrager einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Hierdurch kann gegebenenfalls ein kleinerer und preiswerterer Wärmeübertrager ausreichend sein, um den Kühlschmierstoff auf die gewünschte Temperatur zu temperieren.
Bevorzugt ist zwischen der Auffangvorrichtung und dem Vorratsbehälter ein Filter angeordnet. Mit dem Filter werden Verunreinigungen, die mit dem Späneabscheider nicht aus dem Kühlschmierstoff abgetrennt wurden, herausgefiltert. Der Filter ist bevorzugt als Druckfilter ausgeführt. Bevorzugt ist der Druckfilter so dimensioniert, dass ein Betrieb über einen Zeitraum von mehreren Wochen gewährleistet werden kann, bevor ein Wechsel oder eine Reinigung des Filters erforderlich ist. Hierzu wird der Filter mit einer großen Filterfläche versehen, die gemessen an der Durchflussmenge an Kühlschmierstoff und den darin enthaltenen Verunreinigungen größer als üblich bemessen ist. Bevorzugt werden Filter mit Filtereinsätzen verwendet, die auswaschbar sind.
Zusätzlich kann optional ein weiterer Filter zwischen dem Vorratsbehälter und dem Maschineninnenraum angeordnet sein.
Bevorzugt sind der Filter sowie gegebenenfalls der weitere Filter geschlossen ausgeführt. Unter geschlossen wird hierbei verstanden, dass der durch den Filter strömende Kühlschmierstoff nicht oder nur sehr gering mit Umgebungsluft in Kontakt steht. Hierdurch wird der Wärmeeintrag aus der Umgebungsluft in den Kühlschmierstoff reduziert.
Bevorzugt sind Leitungen, die den Kühlschmierstoff führen, der Filter, sowie gegebenenfalls der zusätzliche Filter wärmeisoliert ausgeführt. Hierdurch wird der Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Kühlschmierstoff weiter reduziert. Zur Wärmeisolierung einer Leitung kann diese aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein oder die Leitung kann mit einem Dämmmaterial umgeben werden. Beispielsweise sind wärmeisolierte PTFE-Schläuche geeignet, die zum Schutz vor Maschinenöl zusätzlich mit einer Silikonumhüllung eingesetzt werden können.
Der Kühlschmierstoff kann bei der Handhabung einen Schaum ausbilden. Insbesondere in der Auffangvorrichtung, im Filter und im Vorratsbehälter können sich Schäume bilden. Im Stand der Technik ist daher üblicherweise vorgesehen, die Auffangvorrichtung, den Filter und den Vorratsbehälter offen auszubilden, so dass der Kühlschmierstoff mit Umgebungsluft in Verbindung steht, durch deren Einwirkung, z. B. aufgrund von beschleunigter Verdunstung, der Schaum aufgelöst wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Pumpe zur Förderung des Kühlschmierstoffs eingerichtet ist, Schäume anzusaugen. Geeignete Pumpen sind beispielsweise Membranpumpen.
Zusätzlich zur der Pumpe, mit der Kühlschmierstoff aus der Auffangvorrichtung in den Vorratsbehälter gefördert wird, kann eine Zuführpumpe vorgesehen sein, mit der Kühlschmierstoff aus dem Vorratsbehälter entnommen und dem Maschineninnenraum zugeführt wird. Ist der Vorratsbehälter als Druckbehälter ausgestaltet, so ist in der Regel keine Zuführpumpe erforderlich, da der Kühlschmierstoff aufgrund eines Überdrucks ohne weitere Pumpe in den Maschineninnenraum gefördert werden kann.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass Entlüftungsventile in geschlossenen Teilen des Kühlschmierstoffkreislaufs eingesetzt werden. Insbesondere ist es bevorzugt, den Filter und/oder den Vorratsbehälter mit einem Entlüftungsventil zu versehen. Das Entlüftungsventil erlaubt es, Gas aus dem geschlossenen Filter bzw. dem geschlossenen Vorratsbehälter entweichen zu lassen, ohne dass Flüssigkeit austritt. Besonders bevorzugt wird ein automatisches Entlüftungsventil eingesetzt, welches selbsttätig öffnet, um Gas entweichen zu lassen und anschließend wieder selbsttätig schließt.
Um einen Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Kühlschmierstoff weiter zu reduzieren ist bevorzugt vorgesehen, Maschinenverkleidungen der Werkzeugmaschine wärmeisoliert auszuführen. Insbesondere ist es bevorzugt, die Verkleidung des Maschineninnenraums der Werkzeugmaschine mit einer Wärmeisolierung zu versehen.
Der Kühlschmierstoff steht im Inneren des Maschineninnenraums hauptsächlich mit dem Werkstück und dem Werkzeug in thermischen Kontakt. Um einen Wärmeeintrag durch Wärmeleitung zu reduzieren ist bevorzugt vorgesehen, einen Maschinentisch und/oder eine Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine gegenüber weiteren Komponenten der Werkzeugmaschine wärmeentkoppelt anzuordnen.
Hierzu kann der Werkzeugtisch bzw. die Arbeitsspindel beispielsweise über ein Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit mit den weiteren Komponenten verbunden sein. Unter einer geringen Wärmeleitfähigkeit wird in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden, dass die Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Materials der Arbeitsspindel bzw. des Werkzeugtisches.
Beispiel

Auf einer CNC-Drehmaschine wurden zylindrische Werkstücke aus Edelstahl (Werkstoff 1.4550) mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 100 mm unter Einsatz von drei verschiedenen Kühlstrategien durch Außen-Längs-Rund-Drehen zerspant. Bei jedem Werkstück wurde eine Strecke von 60 mm zerspant, wobei die Strecke in vier Segmente von jeweils 15 mm unterteilt wurde. Auf diesen Segmenten wurden die in Tabelle 1 angegebenen Parameterkombinationen untersucht. Dabei wurde die auftretende Passivkraft und der erzeugte Anteil an α'-Martensit bestimmt.

Parameter:
Drehhalter	DCNL2525M12
Schneidplatte	CNMA120416T02020
Schneidstoff	Hartmetall, beschichtet
Hartmetall	94,35% WC; 5,2%Co; 0,45% MC
Beschichtung (mehrlagig)	TiN, TiCN, Al₂O₃
Werkstückstoff	1.4550
Spanwinkel:	γ = –6°
Neigungswinkel	λ = –6°
Einstellwinkel	κ = 95°
Vorschub	f = 0,15 und 0,35 mm/U
Schnittgeschwindigkeit	v_c = 30 und 70 m/min
Schnitttiefe	a_p = 0,4 mm

(Tabelle 1)

Als Vergleichsbeispiele wurden A) eine trockene Bearbeitung ohne Zugabe eines Kühlschmierstoffes sowie B) eine kryogene Kühlung auf Basis von CO₂ durchgeführt.
Bei der erfindungsgemäßen Kühlstrategie C) wurde eine wässrige Kühlschmierstofflösung auf Basis von (Mono-)Ethylenglykol (MEG) eingesetzt. Im Folgenden wird dieser Kühlschmierstoff als MEKSS bezeichnet. In der 5 ist ein Phasendiagramm von Wasser-Ethylenglykol-Lösungen dargestellt. Je nach Temperatur und MEG-Anteil in Wasser ist die Lösung fest, flüssig oder es tritt ein Gemisch aus fester und flüssiger Phase auf. Für die Nutzung als Kühlschmierstoff müssen die Konzentration und die Temperatur so gewählt sein, dass ein stabiler flüssiger Zustand eingenommen wird. Aus dem Phasendiagramm lässt sich erkennen, dass bei Konzentrationen mit einem (Mono-)Ethylenklykol-Anteil zwischen 0,3 und 0,35 mol/mol Zulauftemperaturen im stabilen Zustand von bis zu –48°C möglich sind. In dem vorliegenden Beispiel wurde ein (Mono-)Ethylenklykol-Anteil von 0,325 mol/mol verwendet.

In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die für die Kühlstrategie verwendeten Parameter aufgelistet. Die für den Auftrag des Kühlmittels verwendeten Zuführeinrichtungen umfassten jeweils zwei Düsen.

Strategie	A (trocken)	B (CO₂)	C (MEKSS)
Anzahl der Düsen	-	2	2
Düsenaustrittsquerschnitt [mm²]	-	78,50	12,57
Massenstrom je Düse [g/min]	-	1400	700
Austretende Kühlleistung [kJ/min]	-	800	96,3
Zulauftemperatur [°C]	-	–78,5	–23

(Tabelle 2)

Die Ergebnisse der durchgeführten Versuche sind in den 6 und 7 dargestellt.
In 6 sind die ermittelten Passivkräfte für die variierten Schnittparameter für jede der drei untersuchten Kühlstrategien dargestellt. Die Unterschiede bei den Passivkräften sind in Abhängigkeit der Kühlung nur marginal. Bei einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit v_c sinken die Passivkräfte und bei höheren Vorschüben f steigen die Passivkräfte.
In 7 sind die Anteile an durch die Bearbeitung erzeugten α'-Martensit für die variierten Schnittparameter für jede der drei verschiedenen Kühlstrategien aufgetragen. Eine Phasentransformation im Material des Werkstücks in α'-Martensit tritt durch eine thermische und mechanische Belastung bei der Bearbeitung auf. Da bei den verschiedenen Kühlstrategien die mechanische Belastung nicht verändert wurde, wie die gemessenen Passivkräfte zeigen, sind die Unterschiede bei der α'-Martensit-Bildung nur durch die unterschiedliche thermische Belastung bedingt.
Bei der Trockenbearbeitung A) resultierte nur eine geringe Bildung von α'-Martensit, da durch das Fehlen eines Kühlmediums die zur Umwandlung erforderlichen niedrigen Temperaturen in der Werkstückrandzone überschritten wurden.
Ein Vergleich zwischen der CO₂ Kühlstrategie B) und der MEKSS-Kühlung C) zeigt, dass MEKSS bei einer geringen Schnittgeschwindigkeit mit einem geringen Vorschub etwa 50 Prozent des Umfangs der α'-Martensit Phasenumwandlung erzielen kann. Der Massenstrom der MEKSS Kühlung war nur halb so groß wie der Massenstrom der CO₂-Kühlung, wodurch die zur Verfügung stehende Kühlleistung am Düsenaustritt der MEKSS-Kühlung geringer ist. Die sehr geringe Zulauftemperatur der CO₂-Kühlung von ca. –78,5°C hat in diesen Versuchen offenbar niedrigere Werkstücktemperaturen als die MEKSS-Kühlung zur Folge. Aus diesen beiden Gründen liegen für die Drehversuche unter Einsatz der CO₂-Kühlung die höchsten α'-Martensitanteile vor, wobei die MEKSS-Kühlung durch die niedrige Zulauftemperatur ausreichend niedrige Temperaturen in der Werkstückrandzone generieren und α'-Martensitanteile erzeugen konnte. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten und größerem Vorschub nimmt der Unterschied bei der Generierung der α'-Martensitanteile zwischen der CO₂-Kühlung und der MEKSS Kühlung zunehmend ab und ist bei einer Schnittgeschwindigkeit von 70 m/min und einem Vorschub von 0,35 mm nur noch marginal. Dies kann damit erklärt werden, dass der Wärmeübergang in die Werkstückrandzone, infolge schlechterer Benetzungseigenschaften des CO₂-Schnees, vermindert wird und die vorhandene Kühlwirkung nicht weit genug in das Werkstück eindringt bzw. der gekühlte Bereich der Werkstückrandzone mit dem Span abgetragen wird. Dies resultiert in höheren Temperaturen besonders bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Die vergleichsweise höheren Zulauftemperaturen sowie der geringere Massenstrom der MEKSS-Kühlung können, durch eine bessere Benetzung und einen besseren Wärmeübergang, die vorhandene Kühlleistung wirkungsvoller in die Kontaktzone und in die Werkstückrandzone einleiten und erzeugen damit eine bessere Ausnutzung der Kühlleistung. Die thermische Belastung ist bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und großem Vorschub bei beiden Kühlstrategien gleich, resultierend in einer ähnlich ausgeprägten Bildung von α'-Martensit. Es lässt sich somit bei der erfindungsgemäßen Kühlstrategie C) bei geringerem Aufwand eine vergleichbar gute Kühlwirkung wir bei der Vergleichskühlstrategie B) erzielen.
Vorteile der Erfindung
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine wird eine verbesserte Kühlwirkung eines Werkstücks bzw. eines Werkzeugs in einem Zerspanprozess ermöglicht. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Kühlschmierstoff gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bei einer Temperatur unterhalb von 0°C zugeführt wird, und während des gesamten Verfahrens in einem flüssigen Zustand verbleibt. Hierdurch wird eine optimale Benetzung zwischen dem Kühlschmierstoff und dem zu kühlenden Werkstück bzw. Werkzeug erreicht, so dass ein guter Wärmeübergang ermöglicht wird. Gegenüber den bekannten Verfahren, welche einen flüssigen Kühlschmierstoff einsetzen, wird durch eine vergrößerte Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kühlschmierstoffs und dem Werkstück bzw. dem Werkzeug die Kühlwirkung weiter verbessert. Hierdurch kann entweder die Temperatur des Werkstücks bzw. des Werkzeugs weiter abgesenkt werden oder die Menge des eingesetzten Kühlschmierstoffs reduziert werden.
Durch die vorgesehene geschlossene Führung des Kühlschmierstoffs und die vorgeschlagene Wärmeisolierung wird die für die Temperierung benötigte Energiemenge auf ein Mindestmaß begrenzt, so dass ein kosten- und energieeffizienter Betrieb möglich ist.
Ebenso wird durch die vorgeschlagene Kreislaufführung die Abgabe des Kühlschmierstoffs an die Umgebung vorteilhaft reduziert, so dass zum einen der Kühlschmierstoff länger genutzt werden kann. Zum anderen wird eine Verunreinigung der Umgebung der Werkzeugmaschinen mit dem Kühlschmierstoff verhindert.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Werkzeugmaschine mit einer Kühlvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform eines Kühlschmierstoffkreislaufs,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kühlschmierstoffkreislaufs,
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Kühlschmierstoffkreislaufs,
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Kühlschmierstoffkreislaufs,
5 ein Phasendiagramm für Wasser-Ethylenglykol-Lösungen,
6 ein Diagramm in dem Passivkräfte für verschiedene Schnittparameter dargestellt sind, und
7 ein Diagramm bei dem Anteile an durch die Bearbeitung erzeugten α'-Martensit für drei verschiedenen Kühlstrategien aufgetragen sind.
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Komponenten in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In 1 ist eine beispielhaft als Drehmaschine ausgeführte Werkzeugmaschine 1 dargestellt. Die Werkzeugmaschine 1 umfasst einen Maschineninnenraum 3, der von einer Verkleidung 2 umgeben ist. In dem Maschineninnenraum 3 sind ein Werkzeug 6, eine Arbeitsspindel 8 und ein Reitstock 9 angeordnet. Ein mit dem Werkzeug 6 zu bearbeitendes Werkstück 4 ist zwischen der Arbeitsspindel 8 und dem Reitstock 9 aufgenommen. Das Werkstück 4 wird durch das Werkzeug 6 in einem Zerspanprozess 60 bearbeitet.
Zur Kühlung und Reduzierung der Reibung zwischen dem Werkzeug 6 und dem Werkstück 4 ist eine Kühlvorrichtung 10 vorgesehen, über die ein Kühlschmierstoff 52 auf zumindest den Bereich des Werkzeugs 6 bzw. des Werkstücks 4 aufgebracht wird, an dem das Werkzeug 6 das Werkstück 4 berührt. Hierzu sind in dem Maschineninnenraum 3, eine Zuführeinrichtung 12 und eine Auffangvorrichtung 16 angeordnet. Der Auftrag des Kühlschmierstoffs 52 erfolgt über eine Düse 14 der Zuführeinrichtung 12. Der Kühlschmierstoff 52 wird in flüssiger Form der Düse 14 zugeführt und weist eine Temperatur auf, die zwischen dem Gefrierpunkt des Kühlschmierstoffs 52 und 0°C liegt. Auch nach dem Austritt aus der Düse 14 bleibt der Kühlschmierstoff 52 flüssig, so dass eine gute Benetzung der Oberflächen des Werkzeugs 6 und des Werkstücks 4 erfolgt. Der Kühlschmierstoff 52 fließt unter Einwirkung der Schwerkraft ab und tropft von dem Werkstück 4 herunter in die Auffangvorrichtung 16. Über die Auffangvorrichtung 16 werden auch Späne 50 aufgefangen, die bei der Bearbeitung des Werkstücks 4 mit dem Werkzeug 6 entstehen.
Die Auffangvorrichtung 16 umfasst einen Spanabscheider 18, welcher in der dargestellten Ausführungsform als gelochtes Förderband 19 ausgeführt ist. Der Kühlschmierstoff 52 gelangt durch die Löcher in dem Förderband 19 zum Boden 17 der Auffangvorrichtung 16 und von dort in eine Rücklaufleitung 20. Die Späne 50 werden von dem Förderband 19 in einem Abfallbehälter 48 transportiert.
Die Rücklaufleitung 20 ist Teil eines Flüssigkeitskreislaufs, in dem der Kühlschmierstoff 52 geführt wird. Zum Fördern des Kühlschmierstoffs 52 ist in der Rücklaufleitung 20 eine Pumpe 22 angeordnet. Da die Auffangvorrichtung 16 bevorzugt derart in dem Maschineninnenraum 3 angeordnet ist, dass kein Kontakt zur die Werkzeugmaschine 1 umgebenden Luft erfolgt, kann sich bei dem Zerspanprozess 60 gebildeter Schaum im Kühlschmierstoff nur schwer auflösen, da kein die Verdunstung unterstützender Luftzug vorliegt. Daher ist es bevorzugt, die Pumpe 22 als eine Membranpumpe auszuführen, da diese auch Schäume ohne Probleme fördern können.
Der von der Pumpe 22 geförderte Kühlschmierstoff 52 gelangt durch einen ebenfalls in der Rücklaufleitung 20 angeordneten Filter 24 in einen Vorratsbehälter 26. Mit dem Filter 24 werden Verunreinigungen in Form von Feststoffen, die nicht durch den Spanabscheider 18 entfernt wurden, aus dem Kühlschmierstoff 52 herausgefiltert. Der Filter 24 ist bevorzugt als Druckfilter ausgestaltet, wobei der Druckfilter geschlossen ausgeführt ist, so dass der Kühlschmierstoff 52 nicht mit der umgebenden Luft in Kontakt steht. Um eine Abscheidung von Gas zu ermöglichen, welches in Form eines Schaums in den Filter 24 gelangen kann, kann ein Entlüftungsventil am Filter 24 vorgesehen sein.
Zur Reduzierung eines Wärmeeintrags aus der Umgebung der Werkzeugmaschine 1 in den Kühlschmierstoff 52, ist an der Rücklaufleitung 20 eine Wärmedämmung 34 angeordnet, die die Rücklaufleitung 20 umschließt. Zusätzlich sind in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auch der Filter 24 und die Pumpe 22 mit einer Wärmedämmung 34 versehen, die den Filter 24 und die Pumpe 22 umschließt.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Temperierung des Kühlschmierstoffs 52 innerhalb des Vorratsbehälters 26. Hierzu ist in dem Vorratsbehälter 26 ein Wärmeübertrager 38 angeordnet, der beispielhaft als eine Rohrschlange 39 ausgeführt ist. Durch die Rohrschlange 39 strömt ein Temperiermedium. Das Temperiermedium wird ebenfalls in einem Kreislauf geführt, wobei die Strömung des Temperiermediums über eine Pumpe 44 angetrieben wird. Das Temperiermedium strömt über die Leitung 40 von der Rohrschlange 39 zu einem Vorratsbehälter 42 und von dort wieder zurück in die Rohrschlange 39. Der Vorratsbehälter 42 für das Temperiermedium steht mit einem Kühlaggregat 46 in Verbindung, über das eine Temperatur des Temperiermediums eingestellt wird, die gleich oder niedriger als die gewünschte Temperatur des Kühlschmierstoffs 52 ist. Dadurch kann das Temperiermedium in der Rohrschlange 39 dem im Vorratsbehälter 26 aufgenommen Kühlschmierstoff Wärme entziehen und über das Kühlaggregat 46 an die Umgebung abgeben.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Vorratsbehälter 26 in der Art eines Dewarbehälters doppelwandig ausgeführt, um einen Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Kühlschmierstoff 52 zu reduzieren. Zusätzlich kann der Vorratsbehälter 26 mit einem Entlüftungsventil versehen werden, über das Gas, welches beispielsweise über Schaum des Kühlschmierstoffs 52 in den Vorratsbehälter 26 gelangt, ablassen zu können.
Aus dem Vorratsbehälter 26 gelangt der Kühlschmierstoff 52 über eine Zuführleitung 28 zur Zuführeinrichtung 12 mit der Düse 14. Auch die Zuführleitung 28 ist wärmeisoliert ausgeführt und dazu mit einer Wärmedämmung 34 versehen. In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist zur Förderung des Kühlschmierstoffs 52 aus dem Vorratsbehälter 26 zur Zuführeinrichtung 12 eine Zuführpumpe 32 vorgesehen. Zusätzlich kann in der Zuführleitung auch ein weiterer Filter 30 angeordnet werden, vergleiche 3.
Wie aus der 1 ersichtlich, wird der Kühlschmierstoff 52 im Kreislauf geführt, wobei der über die Düse 14 der Zuführeinrichtung 12 in den Maschineninnenraum 3 eingebrachte Kühlschmierstoff 52 über die Auffangvorrichtung 16 aufgefangen wird, über die Rücklaufleitung 20 mit der Pumpe 22 und dem Filter 24 in den Vorratsbehälter 26 gefördert wird, dort temperiert wird und anschließend über die Zuführleitung 28 mit der Zuführpumpe 32 wieder zur Zuführeinrichtung 12 gefördert wird.
In den 2 bis 4 sind weitere Ausführungsformen der Kühlvorrichtung 10 schematisch dargestellt.
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10. In dem Flüssigkeitskreislauf der zweiten Ausführungsform wird Kühlschmierstoff 52 aus dem Vorratsbehälter 26 über die Zuführpumpe 32 in der Zuführleitung 28 dem Zerspanprozess 60 zugeführt und gelangt nach der Spanabscheidung 62 in die Rücklaufleitung 20. Über die Pumpe 22 und den Filter 24 gelangt der Kühlschmierstoff 52 zurück in den Vorratsbehälter 26.
Bei der zweiten Ausführungsform ist im Gegensatz zur mit Bezug zur 1 beschriebenen ersten Ausführungsform der Wärmeübertrager 38 nicht im Vorratsbehälter 26, sondern stromaufwärts des Vorratsbehälters 26 in der Rücklaufleitung 20 angeordnet. Der Wärmeübertrager 38 ist dabei zwischen dem Filter 24 und dem Vorratsbehälter 26 in der Rücklaufleitung 20 angeordnet und entzieht dem durch die Rücklaufleitung 20 strömenden Kühlschmierstoff 52 Wärme. Dies ist in der schematischen Darstellung über den Pfeil Q . angedeutet. Die Wärme Q . kann über den Wärmeübertrager 38 auf ein Temperiermedium übertragen werden und beispielsweise über ein Kühlaggregat an die Umgebung abgegeben werden. Dabei temperiert das Kühlaggregat das Temperiermedium auf eine Temperatur, die bevorzugt unterhalb der gewünschten Temperatur des Kühlschmierstoffs liegt.
Der Vorratsbehälter 26 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein Entlüftungsventil 64 auf, über das Gas abgelassen werden kann. Gas, insbesondere Luft, kann beispielsweise in Form von Schaum, also luftgefüllte Blasen im Kühlschmierstoff, in den Vorratsbehälter 26 gelangen.
Zusätzlich weist der Vorratsbehälter 26 in der in 2 dargestellten Ausführungsform einen Rührer 54 auf, der mit einem Motor 56 angetrieben wird. Durch den Rührer 54 wird eine Bewegung des Kühlschmierstoffs 52 im Vorratsbehälter 26 erzeugt, durch die eine gute Durchmischung innerhalb des Vorratsbehälters 26 erreicht wird. Hierdurch wird eine homogene Temperatur des Kühlschmierstoffs 52 sichergestellt.
3 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10. In dem Flüssigkeitskreislauf der dritten Ausführungsform wird Kühlschmierstoff 52 aus dem Vorratsbehälter 26 über die Zuführleitung 28 dem Zerspanprozess 60 zugeführt. In der Zuführleitung 28 befinden sich neben der Zuführpumpe 32 auch ein weiterer Filter 30 und der Wärmeübertrager 38. Der Wärmeübertrager 38 ist somit stromabwärts des Vorratsbehälters 26 zwischen dem weiteren Filter 30 und der Zuführpumpe 32 angeordnet. Durch den weiteren Filter 30 werden im Kühlschmierstoff 52 enthaltene Verunreinigungen abgeschieden und können dadurch den Wärmeübertrager 38 sowie den Zerspanprozess 60 nicht beeinträchtigen. Sofern die Filterwirkung des in der Rücklaufleitung 20 angeordneten Filters 24 ausreichend ist und im Vorratsbehälter keine Partikel oder andere Verunreinigungen an den Kühlschmierstoff 52 abgegeben werden, kann gegebenenfalls auf den weiteren Filter 30 verzichtet werden.
Aus dem Zerspanprozess 60 gelangt der Kühlschmierstoff 52 nach der der Spanabscheidung 62 in die Rücklaufleitung 20. Über die Pumpe 22 und den Filter 24 gelangt der Kühlschmierstoff 52 zurück in den Vorratsbehälter 26.
Auch in der dritten Ausführungsform weist der Vorratsbehälter 26 einen Rührer 54 auf, der mit einem Motor 56 angetrieben wird.
4 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform der Kühlvorrichtung 10. In dem Flüssigkeitskreislauf der vierten Ausführungsform wird Kühlschmierstoff 52 aus dem Vorratsbehälter 26 über die Zuführleitung 28 dem Zerspanprozess 60 zugeführt. In der Zuführleitung 28 befinden sich der weitere Filter 30 und der Wärmeübertrager 38. Der Wärmeübertrager 38 ist somit stromabwärts des Vorratsbehälters 26 angeordnet.
In dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist keine Zuführpumpe 32 in der Zuführleitung 28 vorgesehen. In dieser Ausführungsvariante ist der Vorratsbehälter 26 als Druckbehälter ausgeführt und der darin aufgenommene Kühlschmierstoff 52 steht mit Bezug zur Umgebung unter einem Überdruck, beispielsweise von 10 bar. Aufgrund des Überdrucks im Vorratsbehälter 26 strömt der Kühlschmierstoff 52 auch ohne eine weitere Pumpe aus dem Vorratsbehälter 26 durch die Zuführleitung 28 zum Zerspanprozess 60. Die Strömung kann beispielsweise über ein Ventil (nicht dargestellt) kontrolliert werden.
Aus dem Zerspanprozess 60 gelangt der Kühlschmierstoff 52 nach der der Spanabscheidung 62 in die Rücklaufleitung 20. Über den Filter 24 und die Pumpe 22 gelangt der Kühlschmierstoff 52 zurück in den Vorratsbehälter 26. Die Pumpe 22 wird hierbei auch verwendet, um den Überdruck im Vorratsbehälter 26 aufzubauen.
Auch in der vierten Ausführungsform weist der Vorratsbehälter 26 einen Rührer 54 auf, der mit einem Motor 56 angetrieben wird.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer spanenden Werkzeugmaschine (1), wobei zur Wärmeabfuhr und zur Verminderung von Reibung zwischen einem Werkzeug (6) und einem Werkstück (4) ein Kühlschmierstoff (52) einem Maschineninnenraum (3) der Werkzeugmaschine (1) zugeführt wird, wobei in dem Maschineninnenraum (3) ein Zerspanprozess (60) ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlschmierstoff (52) eine Flüssigkeitsmischung verwendet wird, welche einen Gefrierpunkt unterhalb von 0°C aufweist, bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1013 mbar flüssig ist, und der Kühlschmierstoff (52) vor der Zuführung auf eine Temperatur im Bereich zwischen dem Gefrierpunkt des Kühlschmierstoffs (52) und 0°C temperiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschmierstoff (52) in einem Kreislauf geführt wird, wobei a) Kühlschmierstoff (52) aus dem Maschineninnenraum (3) entnommen wird, b) nach dem Verlassen des Maschineninnenraums (3) Verunreinigungen aus dem Kühlschmierstoff (52) abgeschieden werden, c) der Kühlschmierstoff (52) einem Vorratsbehälter (26) zugeführt wird, und d) der Kühlschmierstoff (52) dem Maschineninnenraum (3) aus dem Vorratsbehälter (26) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlschmierstoff (52) während der Schritte a) bis c) in einem geschlossenen System ohne Kontakt mit Umgebungsluft geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung über mindestens einen Wärmeübertrager (38) erfolgt, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager (38) in einem Vorratsbehälter (26), in einer stromabwärts eines Vorratsbehälters (26) angeordneten Leitung oder in einer stromaufwärts eines Vorratsbehälters (26) angeordneten Leitung angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kühlschmierstoff (52) ein eutektisches Gemisch aus Wasser und mindestens einem weiteren Stoff ausgewählt aus Ethylenglykol, Propylenglykol und Glyzerin enthält.
Werkzeugmaschine (1) für die spanende Bearbeitung von Werkstücken (4) umfassend eine Kühlvorrichtung (10) die eingerichtet ist, Kühlschmierstoff (52) einem Maschineninnenraum (3) der spanenden Werkzeugmaschine (1) zuzuführen, wobei der Maschineninnenraum (3) zur Ausführung einer spanenden Bearbeitung eines Werkstücks (4) eingerichtet ist und wobei die Kühlvorrichtung (10) einen Vorratsbehälter (26), eine Spanabscheidevorrichtung (18), eine Pumpe (22), eine Auffangvorrichtung (16) und eine Zuführeinrichtung (12) umfasst, wobei, die Zuführeinrichtung (12) eingerichtet ist, Kühlschmierstoff (52) auf ein Werkzeug (6) und/oder auf ein Werkstück (4) aufzubringen, die Auffangvorrichtung (16) eingerichtet ist, Kühlschmierstoff (52) in dem Maschineninnenraum (3) aufzufangen, die Pumpe (22) eingerichtet ist, aufgefangenen Kühlschmierstoff (52) in den Vorratsbehälter (26) zu fördern, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung des Weiteren mindestens einen Wärmeübertrager (38) umfasst und eingerichtet ist, den Kühlschmierstoff (52) auf eine Temperatur unterhalb von 0°C zu temperieren.
Werkzeugmaschine (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (38) in dem Vorratsbehälter (26), in einer stromabwärts des Vorratsbehälters (26) angeordneten Leitung oder in einer stromaufwärts des Vorratsbehälters (26) angeordneten Leitung angeordnet ist.
Werkzeugmaschine (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Auffangvorrichtung (16) und dem Vorratsbehälter (26) ein Filter (24) zur Abscheidung von Verunreinigungen angeordnet ist.
Werkzeugmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (26) und/oder der Filter (24) geschlossen ausgeführt sind, so dass der Kühlschmierstoff (52) keinen Kontakt zur Umgebungsluft hat.
Werkzeugmaschine (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (26) und/oder der Filter (24) ein Entlüftungsventil aufweist.
Werkzeugmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (22) eine Membranpumpe ist.
Werkzeugmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (26) und/oder der Filter (24) wärmeisoliert ausgeführt sind.
Werkzeugmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Maschinenverkleidungen der Werkzeugmaschine (1) wärmeisoliert sind, insbesondere Verkleidungen (2) des Maschineninnenraums (3) der Werkzeugmaschine (1).
Werkzeugmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maschinentisch und/oder eine Arbeitsspindel (8) gegenüber den weiteren Komponenten der Werkzeugmaschine (1) wärmeentkoppelt angeordnet sind.