DE102018104266A1 - Method and device for providing an aid to a workpiece processing zone - Google Patents

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Tolga Cayli
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Abstract

Es werden Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung eines Hilfsmittels (1) zu einer Werkstückbearbeitungszone (2) angegeben, welche zumindest die folgenden Schritte ausführen:
a. Bereitstellen eines Schmiermittels (3) mit einem ersten Druck,
b. Bereitstellen eines kryogenen Kühlmittels (4) mit einem zweiten Druck,
c. Zumengen des Schmiermittels (3) zu dem kryogenen Kühlmittel (4), wobei der erste Druck zumindest dem zweiten Druck entspricht,
d. Fördern des Gemischs aus Schmiermittel (3) und kryogenem Kühlmittel (4) in einem gemeinsamen Förderkanal (14) hin zu einer Abgabestelle (5) nahe der Werkstückbearbeitungszone (2).

Figure DE102018104266A1_0000
Methods and apparatuses for providing an auxiliary device (1) to a workpiece processing zone (2) are given, which carry out at least the following steps:
a. Providing a lubricant (3) with a first pressure,
b. Providing a cryogenic coolant (4) with a second pressure,
c. Adding quantities of the lubricant (3) to the cryogenic coolant (4), the first pressure being at least equal to the second pressure,
d. Conveying the mixture of lubricant (3) and cryogenic coolant (4) in a common delivery channel (14) to a delivery point (5) near the workpiece processing zone (2).
Figure DE102018104266A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bereitstellung eines Hilfsmittels zu einer Werkstückbearbeitungszone. Das Hilfsmittel ist insbesondere geeignet bzw. dazu bestimmt, in der Werkstückbearbeitungszone eine Schmierung und/oder Kühlung zu verursachen. In der Werkstückbearbeitungszone findet insbesondere eine abtragende Werkstoffentfernung an dem Werkstück statt, z. B. ein spanabhebendes Fertigungsverfahren.The invention relates to methods and apparatus for providing an aid to a workpiece processing zone. The aid is particularly suitable or intended to cause lubrication and / or cooling in the workpiece processing zone. In the workpiece processing zone, in particular, a removing material removal takes place on the workpiece, for. B. a machining production process.

Das Werkstück kann mit einem schwer bearbeitbaren Material gebildet sein, so dass bei dessen Bearbeitung hohe Reibkräfte und/oder eine signifikante Wärmeentwicklung entstehen können. Eine solche Situation kann hinsichtlich der Materialeigenschaften des Werkstücks bzw. des Werkzeugs, der Maßgenauigkeit und/oder des Verschleißes negative Auswirkungen haben, so dass gerade bei solchen Anwendungsfällen eine Schmierung und/oder Kühlung als erforderlich angesehen wird.The workpiece can be formed with a material which is difficult to process, so that high frictional forces and / or significant heat generation can occur during its machining. Such a situation may have adverse effects on the material properties of the workpiece or the tool, the dimensional accuracy and / or the wear, so that especially in such applications, a lubrication and / or cooling is considered necessary.

Es wurde versucht, durch intensives Spülen der Werkstückbearbeitungszone mit Schmiermittel (z. B. Öl) eine intensive Kühlung und Schmierung herbeizuführen. Ein solch intensiver Einsatz von Schmiermittel ist gerade bei einer kleinen Werkstückbearbeitungszone, ggf. mit sensorisch überwachten bzw. -gesteuerten Prozessen, kaum durchführbar. Weiterhin verlangt der intensive Einsatz von Schmiermitteln eine aufwändige Aufbereitung, so dass erhebliche Anstrengungen für eine umweltverträgliche Durchführung derartiger Verfahren erforderlich sind.An intensive cooling and lubrication has been attempted by intensive rinsing of the workpiece processing zone with lubricant (eg oil). Such intensive use of lubricant is hardly feasible, especially with a small workpiece processing zone, possibly with sensory monitored or controlled processes. Furthermore, the intensive use of lubricants requires a complex treatment, so that considerable efforts are required for an environmentally sound implementation of such methods.

Es ist möglich, eine Art Minimalmengenschmierung durchzuführen. Dabei werden Tropfen des Schmiermittels in einen Luftstrom zugegeben und der Werkstückbearbeitungszone zugeführt. Ein Schmiermittel-Nebel bzw. -Aerosol wird demnach bereitgestellt. Die Luft kann hierbei mit einem Druck von 7-16 bar und das Öl mit einer Fördermenge von 20-120 ml/Std. zugeführt werden. Es ist jedoch festzuhalten, dass damit nur eine vergleichsweise geringe Kühlwirkung einhergeht. Selbst Versuche, mit gekühlter Luft zu arbeiten oder nachträglich eine Kühlung des Aerosols durchzuführen, lassen kaum Temperaturen in der Werkstückbearbeitungszone unterhalb von -20 °C erreichen.It is possible to perform a kind of minimum quantity lubrication. In this case, drops of the lubricant are added to an air stream and fed to the workpiece processing zone. A lubricant mist or aerosol is thus provided. The air can here with a pressure of 7-16 bar and the oil with a flow rate of 20-120 ml / hr. be supplied. However, it should be noted that this is accompanied by only a comparatively low cooling effect. Even attempts to work with cooled air or subsequently to perform a cooling of the aerosol, can hardly reach temperatures in the workpiece processing zone below -20 ° C.

Eine intensive Kühlung könnte erreicht werden, wenn der Werkstückbearbeitungszone ein separates kryogenes Mittel zur Kühlung zugeführt wird. So könnte Flüssigstickstoff, der eine Verdampfungstemperatur von -196 °C hat, beigegeben werden. Dies verlangt jedoch einen hohen apparativen Aufwand und ist nicht für kleine Werkstückbearbeitungszonen geeignet, weil diese separate Zufuhr eine Zugänglichkeit der Werkstückbearbeitungszone durch mehrere Düsen benötigt und die Kanäle des Flüssigwerkstoffs eine zusätzliche thermische Isolation verlangen. Auch ist eine Mischbarkeit von Schmiermittel und Kühlmittel in der freien Umgebung der Werkstückbearbeitungszone störanfällig und damit nicht ausreichend prozesssicher einzustellen.An intensive cooling could be achieved if the workpiece processing zone is supplied with a separate cryogenic cooling means. Thus, liquid nitrogen, which has an evaporation temperature of -196 ° C, could be added. However, this requires a high outlay on equipment and is not suitable for small workpiece machining zones, because this separate supply requires accessibility of the workpiece machining zone through a plurality of nozzles and the channels of the fluid material require additional thermal insulation. Also, a miscibility of lubricant and coolant in the free environment of the workpiece processing zone is susceptible to interference and thus not set sufficiently reliable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lindern oder zu lösen. Insbesondere sollen Verfahren und Vorrichtungen angegeben werden, die eine effektive und umweltverträgliche Schmierung und/oder Kühlung einer (thermisch hoch belasteten) Werkstückbearbeitungszone ermöglichen, und dies bevorzugt mit geringem apparativen Aufwand und anwendbar für unterschiedlichste, insbesondere kleine Werkstückbearbeitungszonen.It is therefore an object of the present invention to at least partially alleviate or solve the problems described with reference to the prior art. In particular, methods and devices are to be specified which enable effective and environmentally compatible lubrication and / or cooling of a (thermally highly loaded) workpiece machining zone, and this preferably with little expenditure on equipment and applicable for very different, especially small workpiece machining zones.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und geben weitere Ausführungsbeispiele an. Die Beschreibung, insbesondere auch im Zusammenhang mit der Figur, veranschaulicht die Erfindung und gibt weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten an.This object is achieved with the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are specified in the dependent claims. The features listed individually in the claims can be combined with each other in any technologically meaningful manner and indicate further embodiments. The description, in particular also in connection with the figure, illustrates the invention and provides further advantageous embodiments.

Hierzu trägt ein Verfahren zur Bereitstellung eines Hilfsmittels zu einer Werkstückbearbeitungszone bei, das zumindest die folgenden Schritte umfasst:

  1. a. Bereitstellen eines Schmiermittels mit einem ersten Druck,
  2. b. Bereitstellen eines kryogenen Kühlmittels mit einem zweiten Druck,
  3. c. Zumengen des Schmiermittels zu dem kryogenen Kühlmittel, wobei der erste Druck zumindest dem zweiten Druck entspricht,
  4. d. Fördern des Gemischs aus Schmiermittel und kryogenem Kühlmittel in einem gemeinsamen Förderkanal hin zu einer Abgabestelle nahe der Werkstückbearbeitungszone.
To this end, a method for providing an auxiliary means to a workpiece processing zone, which comprises at least the following steps:
  1. a. Providing a lubricant with a first pressure,
  2. b. Providing a cryogenic coolant having a second pressure,
  3. c. Adding the lubricant to the cryogenic coolant, wherein the first pressure is at least equal to the second pressure,
  4. d. Conveying the mixture of lubricant and cryogenic coolant in a common delivery channel to a delivery location near the workpiece processing zone.

Als „Hilfsmittel“ wird insbesondere ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluids verstanden, dass auch Partikel enthalten kann. Es „hilft“ insbesondere, einen Teilbereich der Werkstückbearbeitungszone zu kühlen und/oder zu schmieren. Eine „Bereitstellung“ umfasst insbesondere eine vorgebbare Konditionierung bzw. bedarfsgerechte Zusammensetzung mit vorgebbaren Strömungsparametern und/oder einem vorgebbaren physikalischen Zustand, insbesondere in dem Förderkanal, an der Abgabestelle und/oder in der (vorbekannten) Werkstückbearbeitungszone. In der Werkstückbearbeitungszone kann insbesondre auch eine Zerspanung bei einem Werkstück erfolgen.In particular, a "fluid" means a liquid and / or gaseous fluid which may also contain particles. In particular, it "helps" to cool and / or lubricate a portion of the workpiece processing zone. A "provision" comprises, in particular, a predefinable conditioning or requirement-based composition with predefinable flow parameters and / or a specifiable physical state, in particular in the delivery channel, at the delivery point and / or in the (previously known) workpiece processing zone. In the workpiece processing zone can insbesondre also carried out a machining on a workpiece.

Die Schritte sind mit der Bezeichnung a. bis d. gekennzeichnet, es bedeutet aber nicht, dass diese Schritte in einer sequenzierten Reihenfolge dieser Art durchgeführt werden. Es kann insbesondere so sein, dass alle Schritte (zumindest zeitweise) parallel ablaufen.The steps are named a. to d. but it does not mean that these steps are performed in a sequenced order of this kind. In particular, it may be the case that all steps (at least temporarily) run in parallel.

Gemäß Schritt a. wird ein Schmiermittel mit einem ersten Druck bereitgestellt. Es ist möglich, dass das Schmiermittel in einem Schmiermittelreservoir bei etwa Atmosphärendruck gelagert und dann mittels mindestens einem Druckerhöher, wie z.B. mit einer Pumpe, unter erhöhtem Druck durch eine Schmiermittelleitung gefördert wird. Der erste Druck liegt insbesondre stromab des Druckerhöhers bzw. unmittelbar vor der Zumengung zum kryogenen Kühlmittel vor. Der erste Druck kann auch überwacht, eingestellt oder geregelt sein. Der erste Druck kann der „Injektionsdruck“ hin zum kryogenen Kühlmittel sein.According to step a. a lubricant is provided at a first pressure. It is possible for the lubricant to be stored in a lubricant reservoir at about atmospheric pressure and then pressurized by means of at least one pressure intensifier, such as e.g. with a pump, is conveyed under increased pressure through a lubricant line. In particular, the first pressure is downstream of the pressure level or immediately before the concentration of the cryogenic coolant. The first pressure may also be monitored, adjusted or regulated. The first pressure may be the "injection pressure" towards the cryogenic coolant.

Entsprechend Schritt b. wird ein kryogenes Kühlmittel mit einem zweiten Druck bereitgestellt. Das Kühlmittel kann in einem Druckbehälter gelagert werden und dann bedarfsgerecht über eine unter Druck stehende Kühlmittelleitung strömen.According to step b. a cryogenic coolant is provided at a second pressure. The coolant can be stored in a pressure vessel and then flow as needed via a pressurized coolant line.

Dabei wird der erste Druck des Schmiermittels auf mindestens den zweiten Druck des Kühlmittels eingestellt. Damit kann gewährleistet werden, dass der erste Druck des Schmiermittels beim Zumengen zumindest dem zweiten Druck des Trägermediums kryogenen Kühlmittel entspricht (Schritt c.). Das Zumengen kann in einem Mischvolumen einer Mischeinheit erfolgen. Beim Mischvorgang ändern sich insbesondere die physikalischen Eigenschaften von Schmiermittel und kryogenem Kühlmittel nicht wesentlich.In this case, the first pressure of the lubricant is set to at least the second pressure of the coolant. It can thereby be ensured that the first pressure of the lubricant in the case of the quantity of lubricant corresponds at least to the second pressure of the carrier medium cryogenic coolant (step c.). The Zumengen can be done in a mixing volume of a mixing unit. In particular, the physical properties of lubricant and cryogenic coolant do not change significantly during the mixing process.

Das bevorzugt fein dispers in dem kryogenen Kühlmittel verteilte Schmiermittel wird dann (als Gemisch) hin zu einer Abgabestelle nahe der Werkstückbearbeitungszone gefördert, und zwar in einem gemeinsamen bzw. einzigen Förderkanal (Schritt d.). Dabei liegt bevorzugt noch ein Druck vor, der deutlich über dem Atmosphärendruck liegt. Dabei liegt bevorzugt eine Temperatur vor, die deutlich oberhalb 0 °C liegt, also bei ca. Raumtemperatur zum Beispiel. Bei der Förderung ändern sich insbesondere die physikalischen Eigenschaften von Schmiermittel und kryogenem Kühlmittel nicht wesentlich.The lubricant, which is preferably finely dispersed in the cryogenic coolant, is then conveyed (as a mixture) to a delivery location near the workpiece processing zone, in a common delivery channel (step d.). In this case, there is preferably still a pressure which is significantly above the atmospheric pressure. In this case, a temperature is preferably present which is significantly above 0 ° C., ie at about room temperature, for example. In particular, the physical properties of lubricant and cryogenic coolant do not change significantly during production.

Nach Austritt des Gemischs aus der Abgabestelle, also nach Verlassen des gemeinsamen Förderkanals, kann sich das Gemisch unter Bildung eines Fluidstromes mit Temperaturen deutlich unterhalb von -30 °C auf Atmosphärendruck entspannen.After leaving the mixture from the delivery point, ie after leaving the common delivery channel, the mixture can relax to form a fluid flow at temperatures well below -30 ° C to atmospheric pressure.

Als Schmiermittel kann ein Öl oder ein trockenes Schmiermittel eingesetzt werden. So genannte „trockene Schmiermittel“ aufweisend Partikel und/oder Flüssigkeiten, die schnell trocknen und damit praktisch keine (dauerhaften bzw. ölige) Benetzung der Oberflächen am Werkzeug und/oder dem Werkstück verursachen. Beispiele für „trockene Schmiermittel sind: Molybdändisulfid (MoS2), Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit, Bornitrit, Talkum, Calciumfluorid, Cerfluorid, Wolframdisulfid, etc.As a lubricant, an oil or a dry lubricant can be used. So-called "dry lubricants" comprising particles and / or liquids that dry quickly and thus virtually no (permanent or oily) wetting of the surfaces of the tool and / or the workpiece cause. Examples of "dry lubricants are: molybdenum disulfide (MoS 2 ), polytetrafluoroethylene (PTFE), graphite, boron nitride, talc, calcium fluoride, cerium fluoride, tungsten disulfide, etc.

Als kryogenes Kühlmittel kann Kohlendioxid oder Stickstoff eingesetzt werden. Das bereitgestellte kryogene Kühlmittel ist bevorzugt eine Kryoflüssigkeit. Das kryogene Kühlmittel kann flüssiges Kohlendioxid umfassen bzw. sein. Es ist möglich, dass das kryogene Kühlmittel gasförmiges Kohlendioxid, flüssigen oder gasförmige Stickstoff umfasst bzw. ist.As a cryogenic coolant, carbon dioxide or nitrogen can be used. The cryogenic coolant provided is preferably a cryogenic liquid. The cryogenic coolant may be liquid carbon dioxide. It is possible that the cryogenic coolant comprises gaseous carbon dioxide, liquid or gaseous nitrogen.

Der zweite Druck des kryogenen Kühlmittels kann mindestens 50 bar, ggf. sogar mindestens 55 bar oder sogar mindestens 57 bar betragen.The second pressure of the cryogenic coolant may be at least 50 bar, possibly even at least 55 bar or even at least 57 bar.

Der (maximale) erste Druck des Schmiermittels kann vor Schritt c. mindestens 50 % oberhalb des zweiten Drucks liegen. Dieser hohe erste Druck kann z. B. (beabstandet) von der Zumengung hin zum kryogenen Kühlmittel vorliegen. Der erste Druck kann in der Schmiermittelleitung zumindest in einem Abschnitt mindestens 80 % oder sogar mindestens 100 % oberhalb des (maximalen) zweiten Drucks betragen.The (maximum) first pressure of the lubricant can before step c. at least 50% above the second pressure. This high first pressure can z. B. (spaced) from the Zumengung to the cryogenic coolant. The first pressure in the lubricant line can amount to at least 80% or even at least 100% above the (maximum) second pressure in at least one section.

Wird als kryogenes Kühlmittel flüssiges Kohlendioxid eingesetzt, so beträgt der zweite Druck bevorzugt ca. 57 bar, wobei der erste Druck im Bereich von ebenfalls ca. 57 bar bis ca. 150 bar gewählt werden bzw. sein kann.If liquid carbon dioxide is used as the cryogenic coolant, the second pressure is preferably about 57 bar, wherein the first pressure in the range from about 57 bar to about 150 bar can be selected.

In Schritt c. kann eine gepulste Zugabe des Schmiermittels erfolgen. Zur Steuerung der Durchflussrate kann ein pulsierender Zugabemodus verwendet werden. Eine pulsierende Injektion des Schmierstoffs kann mit einem Hochgeschwindigkeits-Solenoidventil gesichert werden, welches nach einem Pulsweiten-Modulations-Prinzip (PWM) arbeitet. Damit können Reaktionszeiten von bis zu 5 ms [Millisekunden] erreicht werden, was der Frequenz von 100 Hz [Hertz bzw. 1/Sekunde] entspricht. Die Dauer der on/off-Zeiten definieren die Injektionssequenzen des Schmierstoffes in den Strom des kryogenen Kühlmittels und folglich seine Strömung-Rate/Verbrauch.In step c. may be a pulsed addition of the lubricant. To control the flow rate, a pulsating addition mode can be used. Pulsed injection of the lubricant can be secured with a high speed solenoid valve that operates on a pulse width modulation (PWM) principle. This allows reaction times of up to 5 ms [milliseconds], which corresponds to the frequency of 100 Hz [Hertz or 1 / second]. The duration of the on / off times define the injection sequences of the lubricant into the flow of the cryogenic coolant and consequently its flow rate / consumption.

Die Zugabemenge an Schmiermittel in das kryogene Kühlmittel und/oder die Werkstückbearbeitungszone kann im Bereich von 0,1 bis 0,25 kg/min [Kilogramm pro Minute] eingestellt werden. Der tatsächliche Wert kann in Abhängigkeit von dem Bearbeitungsprozess des Werkstückes vorgegeben werden.The amount of addition of lubricant into the cryogenic coolant and / or the work piece processing zone may be set in the range of 0.1 to 0.25 kg / min. [Kilogram per minute]. The actual value may vary depending on the Machining process of the workpiece can be specified.

Es wäre möglich, Partikel des Schmiermittels direkt in den Druckbehälter des (flüssigen) kryogenen Kühlmittels zuzugeben, wobei dann dieses Gemisch in den gemeinsamen Kanal gefördert wird.It would be possible to add particles of the lubricant directly into the pressure vessel of the (liquid) cryogenic coolant, in which case this mixture is conveyed into the common channel.

Zudem wird ein Verfahren zur abtragenden Bearbeitung bei einem Werkstück vorgeschlagen, wobei in einer Werkstückbearbeitungszone ein abtragendes Werkzeug mit dem Werkstück in Eingriff gebracht wird, wobei ein Hilfsmittel, bereitgestellt nach einem hier beschriebenen Verfahren bzw. mit einer anschließend erläuterten Vorrichtung, gasförmig von einer Abgabestelle ausgegeben wird.In addition, a method for abrasive machining is proposed for a workpiece, wherein in a workpiece processing zone, an abrasive tool is brought into engagement with the workpiece, wherein a tool provided by a method described herein or with a device subsequently explained, issued gaseous from a delivery point becomes.

Ein abtragendes Bearbeitungsverfahren kann zumindest einen der folgenden Prozesse umfassen: Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen.An abrasive machining process may include at least one of the following processes: turning, drilling, milling, grinding.

Insbesondere findet die Erfindung Anwendung bei Minimalmengenschmierung für kleine Fräs- oder Bohrwerkzeige, z. B. mit einem Durchmesser von maximal 5 mm [Millimeter] oder sogar maximal 3 mm.In particular, the invention finds application in minimal quantity lubrication for small milling or Bohrwerkzeige, z. B. with a maximum diameter of 5 mm [millimeters] or even a maximum of 3 mm.

Weiter wird eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Hilfsmittels zu einer Werkstückbearbeitungszone vorgeschlagen, umfassend zumindest:

  • - ein Schmiermittelreservoir, eine Schmiermittelleitung und einen Druckerhöher,
  • - ein Druckbehälter für kryogenes Kühlmittel und eine Kühlmittelleitung,
  • - eine Mischeinheit, in die die Schmiermittelleitung mündet und von der ein gemeinsamer Förderkanal abgeht,
  • - eine Abgabevorrichtung mit einem Ausgang hin zur Werkstückbearbeitungszone.
Furthermore, a device for providing an auxiliary means to a workpiece processing zone is proposed, comprising at least:
  • a lubricant reservoir, a lubricant line and a pressure booster,
  • a cryogenic coolant pressure vessel and a coolant line,
  • a mixing unit, into which the lubricant line opens and from which a common delivery channel emerges,
  • a dispenser with an exit to the workpiece processing zone.

Die Vorrichtung ist insbesondere geeignet und/oder eingerichtet, das hier beschriebene Verfahren zur Bereitstellung von Hilfsmittel durchzuführen.The device is particularly suitable and / or adapted to carry out the method described here for the provision of aids.

Grundsätzlich können die Erläuterungen betreffend das Verfahren zur Bereitstellung von Hilfsmittel zur Erläuterung der Vorrichtung herangezogen werden, und umgekehrt.In principle, the explanations regarding the method for providing aids to explain the device can be used, and vice versa.

Das Schmiermittelreservoir kann nach einer Art Tank ausgebildet sein, wobei das (flüssige) Schmiermittel in etwa bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur gelagert wird. Von dort ausgehend kann das Schmiermittel über mindestens eine Schmiermittelleitung gefördert werden, wobei hierfür (auch) zumindest ein Druckerhöher eingesetzt wird. Die Förderung des Schmiermittels erfolgt hin zur Mischeinheit, wobei ggf. auch ein Rücklauf hin zum Schmiermittelreservoir vorgesehen ist.The lubricant reservoir may be formed in a kind of tank, wherein the (liquid) lubricant is stored at about atmospheric pressure and room temperature. Starting from there, the lubricant can be conveyed via at least one lubricant line, for which purpose (also) at least one pressure booster is used. The promotion of the lubricant takes place towards the mixing unit, wherein if necessary also a return to the lubricant reservoir is provided.

Das kryogene Kühlmittel kann unter Hochdruck in einem Behälter bevorratet und ggf. über Ventile in eine Kühlmittelleitung überführt werden.The cryogenic coolant can be stored under high pressure in a container and optionally transferred via valves in a coolant line.

Die Mischeinheit kann an den Druckbehälter und/oder der Kühlmittelleitung angeordnet sein, wobei in jedem Fall die Schmiermittelleitung dort einmündet.The mixing unit can be arranged on the pressure vessel and / or the coolant line, wherein in each case the lubricant line opens there.

Ist die Mischeinheit Teil des Druckbehälters, wird das Schmiermittel direkt in dem Druckbehälter mit dem kryogenen Kühlmittel gemischt. Damit kann eine separate Kühlmittelleitung außerhalb des Druckbehälters hin zur Ausgabevorrichtung entfallen bzw. mit dem gemeinsamen Förderkanal zusammenfallen.If the mixing unit is part of the pressure vessel, the lubricant is mixed directly in the pressure vessel with the cryogenic coolant. This eliminates a separate coolant line outside the pressure vessel to the output device or coincide with the common delivery channel.

Ist die Mischeinheit separat und beabstandet von dem Druckbehälter ausgeführt, dann erstreckt sich zwischen Druckbehälter und Mischeinheit eine Kühlmittelleitung, in der ausschließlich kryogenes Kühlmittel unter Hochdruck hin zur Mischeinheit geführt wird.If the mixing unit is designed separately and at a distance from the pressure vessel, then a coolant line extends between the pressure vessel and the mixing unit, in which exclusively cryogenic coolant is conducted under high pressure to the mixing unit.

Die (einzige) Verbindung zwischen der Mischeinheit und der Abgabevorrichtung ist ein gemeinsamer Förderkanal für das erzeugte Gemisch aus Schmiermittel und kryogenem Kühlmittel. Die Abgabevorrichtung ist insbesondere nach Art einer Düse mit einem (einzigen) Ausgang ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Förderung derart erfolgen, dass eine Entspannung des Gemischs und damit eine signifikante Abkühlung erst nach Austritt aus dem Ausgang stattfinden.The (single) connection between the mixing unit and the dispenser is a common delivery channel for the generated mixture of lubricant and cryogenic coolant. The dispensing device is designed in particular in the manner of a nozzle with a (single) outlet. In this way, a promotion can be made such that a relaxation of the mixture and thus a significant cooling take place only after exiting the exit.

Diese Verdunstung kann eine extreme Abkühlung des Gemischs aus kryogenem Kühlmittel und Schmiermittel zur Folge haben, im Fall von flüssigem Kohlendioxid beispielsweise auf Temperaturen von bis -78 °C.This evaporation can result in extreme cooling of the mixture of cryogenic coolant and lubricant, in the case of liquid carbon dioxide, for example to temperatures down to -78 ° C.

Zumindest die Kühlmittelleitung und/oder der gemeinsame Förderkanal kann als Kapillare ausgeführt sein. Als Kapillare wird hier ein Kanal mit einer maximalen Öffnungsweite von 1,0 mm [Millimeter] verstanden. Auf diese Weise werden neben den geringen Durchflussmengen des kryogenen Kühlmittels über z. B. einen Kapillarschlauch, auch eine gute Verteilung und einfacher Abtransport des Schmiermittels bewirkt.At least the coolant line and / or the common delivery channel can be designed as a capillary. As a capillary here is a channel with a maximum opening width of 1.0 mm [millimeter] understood. In this way, in addition to the low flow rates of the cryogenic coolant over z. As a capillary, also causes a good distribution and easy removal of the lubricant.

Die Schmiermittelleitung nachfolgend dem (ersten bzw. letzten) Druckerhöher kann eine Drosseleinheit und/oder ein Dosierventil umfassen. Mit der (mindestens einen) Drosseleinheit kann der erste Druck so eingestellt werden, wie es für den Mischprozess gewünscht ist bzw. wie es der zweite Druck verlangt. Mit dem (mindestens einen) Dosierventil kann die Menge des injizierten Schmiermittels hin zu dem kryogenen Kühlmittel bedarfsgerecht gesteuert werden.The lubricant line subsequent to the (first and last) pressure booster may comprise a throttle unit and / or a metering valve. With the (at least one) throttle unit, the first pressure can be set as desired for the mixing process or as required by the second pressure. With the (at least one) metering valve can the amount of injected lubricant to the cryogenic coolant is controlled as needed.

Weiter wird die Verwendung eines kryogenen Kühlmittels unter Hochdruck als Träger für ein Schmiermittel zur Förderung durch einen gemeinsamen Förderkanal vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Einsatzmöglichkeiten bzw. Verwendungen ergeben sich aus den Erläuterungen zum Verfahren sowie der Vorrichtung.Further, the use of a cryogenic refrigerant under high pressure as a carrier for a lubricant for conveying by a common delivery channel is proposed. Further preferred applications or uses will become apparent from the explanations of the method and the device.

Die Erfindung offenbart demnach insbesondere ein Verfahren, das eine einkanalige CO2-basierte Hochdruck-Minimalmengenschmierung in der Zerspanung ermöglicht. Damit löst es das technische Problem, Schmierstoff und (flüssiges) Kühlmittel, welche beide für den Zerspanungsprozess wichtig sind, um mechanischen und thermischen Belastungen entgegenzuwirken, effizient und mit geringem apparativen Aufwand geführt werden und dort z. B. aus dem Werkzeug austreten können. Im Speziellen wird die Zufuhr des Minimalmengenschmiermittels unter erhöhtem Druck vorgeschlagen und mit der Zufuhr von z. B. reinem flüssigem Kohlendioxid als Kühlmittel in einem einzigen Kanal kombiniert.In particular, the invention thus discloses a method which enables one-channel CO 2 -based high-pressure minimum-quantity lubrication in the machining. Thus, it solves the technical problem, lubricant and (liquid) coolant, both of which are important for the machining process to counteract mechanical and thermal loads, are performed efficiently and with low equipment costs and there z. B. can escape from the tool. Specifically, the supply of the minimum quantity lubricant is proposed under increased pressure and with the supply of z. B. pure liquid carbon dioxide combined as a coolant in a single channel.

Nach dem CO2-Phasendiagramm ist Kohlendioxid bei Raumtemperatur und einem (zweiten) Druck von rund 57 bar in flüssigem Zustand. Wird also flüssiges Kohlendioxid als kryogenes Kühlmittel eingesetzt, so bedarf es keiner speziellen Isolierung der Kühlmittelleitung und/oder des Förderkanals, was einen Vorteil gegenüber dem Einsatz von Flüssigstickstoff bedeutet, der eine Vakuumisolierung benötigt (TEvaporation_N2=-196 °C). Mit der Raumtemperatur des flüssigen Kohlendioxids als kryogenes Kühlmittel kann die Injektion von Schmiermittel verbessert werden, so dass kleine Mengen von Schmiermittel (20-120 ml/Std. [Milliliter pro Stunde] für Öl oder gr./Std. [Gramm pro Stunde] für Schmiermittel-Pulver) eingebracht werden können, und gleichzeitig eine gute Verteilung und/oder eine Verstopfung vermieden werden kann.According to the CO 2 -phase diagram, carbon dioxide is in a liquid state at room temperature and a (second) pressure of around 57 bar. Thus, if liquid carbon dioxide is used as the cryogenic coolant, there is no need for special isolation of the coolant line and / or the delivery channel, which is an advantage over the use of liquid nitrogen, which requires vacuum insulation (T Evaporation_N2 = -196 ° C). With the room temperature of the liquid carbon dioxide as the cryogenic coolant, the injection of lubricant can be improved so that small amounts of lubricant (20-120 ml / hr. [Milliliters per hour] for oil or gr./hr. [Grams per hour] for Lubricant powder) can be introduced, and at the same time a good distribution and / or clogging can be avoided.

Das entwickelte System ermöglicht die Lieferung des Gemisches unter Hochdruck, so dass in der Werkstückbearbeitungszone bzw. an der Schneide des Werkzeugs eine ausreichende bzw. gewünschte Kühlung eintritt und gleichzeitig eine Schmierung mit der gewünschten Menge an Tröpfchen bzw. Teilchen des Schmiermittels in dem Kühlmittelstrom realisiert ist. Zusammen mit der kontinuierlichen-Lieferung des Gemischs über einen einzigen Förderkanal zur Schneide können die Kühlungs- und/oder Schmierrate exakt gesteuert werden. Die Lieferung bzw. der Förderkanal kann durch die Spindel auch an kleine (Mikro-)Schneidwerkzeuge erfolgen, wie Fräser, Bohrer, etc., mit einem Durchmesser von unter 3 mm.The developed system enables the supply of the mixture under high pressure, so that in the workpiece processing zone or at the cutting edge of the tool sufficient or desired cooling occurs and at the same time a lubrication with the desired amount of droplets or particles of the lubricant is realized in the coolant flow , Together with the continuous delivery of the mixture through a single conveyor channel to the cutting edge, the cooling and / or lubricating rate can be precisely controlled. The delivery or the delivery channel can also be made by the spindle to small (micro) cutting tools, such as cutters, drills, etc., with a diameter of less than 3 mm.

Einige erzielbare Vorteile sind hier nochmals zusammengestellt:

  • - Einem (flüssigen) kryogenen Kühlmittel kann gleichzeitigen eine signifikante Schmierwirkung (Öl, Festschmierstoffe, etc.) beim Bearbeitungsprozess verschafft werden.
  • - Eine platzsparende Einzelkanal-Lieferung von kryogenem Kühlmittel und Schmiermittel kann vorgesehen werden.
  • - Eine Minimalmengenschmierung mit besonders kleinen Zugabemengen an Schmiermittel sind möglich.
  • - Ein verbessertes Bearbeitungsergebnis am Werkzeug und/oder ein geringerer Verschleiß der (insbesondere kleinen) Werkzeuge sind möglich.
  • - Eine umweltverträglichere Bearbeitung ist möglich.
Some achievable advantages are summarized here:
  • - A (liquid) cryogenic coolant can simultaneously be a significant lubricating effect (oil, solid lubricants, etc.) procured in the machining process.
  • - A space-saving single channel delivery of cryogenic coolant and lubricant can be provided.
  • - Minimal quantity lubrication with particularly small amounts of lubricant added is possible.
  • - An improved machining result on the tool and / or less wear of (especially small) tools are possible.
  • - A more environmentally friendly processing is possible.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der beiliegenden Figur veranschaulicht, die schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des hier erläuterten Verfahrens zeigt. Die in der Figur veranschaulichten technischen Merkmale können einzeln separat betrachtet und mit anderen Aspekten der Beschreibung bzw. der Patentansprüche kombiniert werden, soweit das hier nicht explizit ausgeschlossen wird.The invention as well as the technical environment are illustrated by the attached figure, which schematically shows a device for carrying out the method explained here. The technical features illustrated in the figure may individually be considered separately and combined with other aspects of the description or the claims, as far as this is not explicitly excluded.

1 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahren zur Bereitstellung eines Hilfsmittels 1 zu einer Werkstückbearbeitungszone 2. 1 shows by way of example an apparatus for carrying out a method for providing an auxiliary 1 to a workpiece processing zone 2 ,

Gemäß einem Schritt a. erfolgt ein Bereitstellen eines Schmiermittels 3 mit einem ersten Druck. Hierfür ist ein Schmiermittelreservoir 8 vorgesehen, wobei es sich hier um einen Tank handeln kann, der in etwa Atmosphärendruck ausgesetzt ist. Von dort ausgehend erstreckt sich eine Schmiermittelleitung 9, durch die das Schmiermittel 3 gefördert werden kann. Zu diesem Zweck ist in dem Schmiermittelreservoir 8 und/oder der Schmiermittelleitung 9 ein Druckerhöher 10 (z. B. eine Pumpe) vorgesehen, mit dem ein erster Druck von beispielsweise mehr als 50 bar eingestellt werden kann. Von der Schmiermittelleitung 9 kann ein Rücklauf hin zum Schmiermittelreservoir 8 vorgesehen sein, ebenso wie z. B. mindestens ein Absperrventil, ein Rückschlagventil, ein Druck-, ein Massenstrom-, ein Volumenstrom- und/oder ein Temperatursensor. Diese Bauteile können Teil einer (separaten) Schmiermittelversorgungseinheit sein.According to a step a. there is a provision of a lubricant 3 with a first pressure. This is a lubricant reservoir 8th provided, which may be a tank which is exposed to approximately atmospheric pressure. From there, a lubricant line extends 9 through which the lubricant 3 can be promoted. For this purpose is in the lubricant reservoir 8th and / or the lubricant line 9 a printer's height 10 (For example, a pump) provided with which a first pressure of, for example, more than 50 bar can be adjusted. From the lubricant line 9 can be a return to the lubricant reservoir 8th be provided, as well as z. B. at least one shut-off valve, a check valve, a pressure, a mass flow, a volume flow and / or a temperature sensor. These components may be part of a (separate) lubricant supply unit.

Die Schmiermittelleitung 9 weist nachfolgend dem Druckerhöher 10 eine Drosseleinheit 17 und danach noch ein Dosierventil 18 auf. Mit der Drosseleinheit 17 kann der von dem Druckerhöher 10 bereitgestellte (erste) Druck reduziert bzw. bedarfsgerecht angepasst werden. Das Dosierventil 18 weiter stromab ist insbesondere eingerichtet, bedarfsgerecht eine vorgebbare Menge des Schmiermittels 3 in die (sich direkt anschließende) Mischeinheit 13 zu injizieren.The lubricant line 9 indicates below the Druckerhöher 10 a throttle unit 17 and then a dosing valve 18 on. With the throttle unit 17 can that of the printer 10 provided (first) pressure reduced or adjusted as needed. The metering valve 18 Farther downstream, in particular, is set up, as required, a predefinable quantity of the lubricant 3 into the (directly adjoining) mixing unit 13 to inject.

Weiterhin ist ein Druckbehälter 11 für kryogenes Kühlmittel 4 und eine (ggf. als Schlauch ausgebildete) Kühlmittelleitung 12 von dem Druckbehälter 11 hin zur getrennt bzw. beabstandet ausgebildeten Mischeinheit 13 vorgesehen. Damit kann (gemäß Schritt b.) kryogenes Kühlmittel 4 mit einem zweiten Druck bereitgestellt werden.Furthermore, a pressure vessel 11 for cryogenic coolant 4 and a (possibly designed as a hose) coolant line 12 from the pressure vessel 11 towards the separate or spaced trained mixing unit 13 intended. This can (according to step b.) Cryogenic coolant 4 be provided with a second pressure.

Das (bedarfsgerechte) Zumengen des Schmiermittels 3 zu dem kryogenen Kühlmittel 4 kann mittels der Mischeinheit 13 so erreicht werden, dass der erste Druck des Schmiermittels 3 zumindest dem zweiten Druck des kryogenen Kühlmittels 4 entspricht. Hierzu münden die Schmiermittelleitung 9 und die Kühlmittelleitung 12 (voneinander getrennt) in eine Mischkammer der Mischeinheit 13. Von dort ausgehend erstreckt sich der einzige gemeinsame Förderkanal 14 hin zur Abgabevorrichtung 15.The (needs-based) lubrication of the lubricant 3 to the cryogenic coolant 4 can by means of the mixing unit 13 be achieved so that the first pressure of the lubricant 3 at least the second pressure of the cryogenic coolant 4 equivalent. For this purpose, open the lubricant line 9 and the coolant line 12 (separated from each other) in a mixing chamber of the mixing unit 13 , Starting from there, the only common conveyor channel extends 14 towards the dispenser 15 ,

Die Kühlmittelleitung 12 und der gemeinsame Förderkanal 14 sind als Kapillare ausgeführt. Der gemeinsame Förderkanal 14 weist keine Vakuumisolierung auf.The coolant line 12 and the common funding channel 14 are designed as capillaries. The common conveyor channel 14 has no vacuum insulation.

Derart kann - gemäß Schritt d. - das Fördern des Gemischs aus Schmiermittel 3 und kryogenem Kühlmittel 4 in dem (einzigen) gemeinsamen Förderkanal 14 hin zu der Abgabestelle 5 nahe der Werkstückbearbeitungszone 2 erfolgen.In this way - according to step d. - The pumping of the mixture of lubricant 3 and cryogenic coolant 4 in the (single) common conveyor channel 14 to the delivery point 5 near the workpiece processing zone 2 respectively.

Es ist eine (einzige) Abgabevorrichtung 15 mit einem Ausgang 16 (hier auch die Abgabestelle 5) hin zur Werkstückbearbeitungszone 2 vorgesehen, die z. B. nach Art einer Düse gestaltet sein kann.It is a (single) dispenser 15 with an exit 16 (here also the delivery point 5 ) to the workpiece processing zone 2 provided, the z. B. can be designed in the manner of a nozzle.

Damit ist auch ein Verfahren zur abtragenden Bearbeitung bei einem Werkstück 6, z. b. in einer Werkzeugmaschine 19, ermöglicht, wobei in einer Werkstückbearbeitungszone 2 ein abtragendes Werkzeug 7 mit dem Werkstück 6 in Eingriff gebracht wird, wobei das so aufbereitete Hilfsmittel 1 schließlich (nach der Aggregatsumwandlung nach Austritt aus der Abgabevorrichtung) gasförmig zum Werkzeug 7 bzw. Werkstück 6 zugeführt wird.This is also a method for abrasive machining of a workpiece 6 , eg in a machine tool 19 , wherein, in a workpiece processing zone 2 an abrasive tool 7 with the workpiece 6 is brought into engagement, with the thus prepared aid 1 finally (after the aggregate conversion after exiting the dispenser) gaseous to the tool 7 or workpiece 6 is supplied.

Es ist möglich, dass eine Steuerung 20 der Werkzeugmaschine 19 auch die aktiven Komponenten der Vorrichtung zur bedarfsgerechten Bereitstellung des Hilfsmittels betätigt, überwacht und/oder regelt.It is possible for a controller 20 the machine tool 19 also actuates, monitors and / or regulates the active components of the device for the demand-oriented provision of the aid.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Hilfsmittelaid
22
WerkstückbearbeitungszoneWorkpiece processing zone
33
Schmiermittellubricant
44
kryogenes Kühlmittelcryogenic coolant
55
Abgabestelledelivery point
66
Werkstückworkpiece
77
WerkzeugTool
88th
Schmiermittelreservoirlubricant reservoir
99
Schmiermittelleitunglubricant line
1010
Druckerhöherintensifier
1111
Druckbehälterpressure vessel
1212
KühlmittelleitungCoolant line
1313
Mischeinheitmixing unit
1414
Förderkanaldelivery channel
1515
Abgabevorrichtungdispenser
1616
Ausgangexit
1717
Drosseleinheitrestrictor
1818
Dosierventilmetering valve
1919
Werkzeugmaschinemachine tool
2020
Steuerungcontrol

Claims (11)

Verfahren zur Bereitstellung eines Hilfsmittels (1) zu einer Werkstückbearbeitungszone (2), umfassend zumindest die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines Schmiermittels (3) mit einem ersten Druck, b. Bereitstellen eines kryogenen Kühlmittels (4) mit einem zweiten Druck, c. Zumengen des Schmiermittels (3) zu dem kryogenen Kühlmittel (4), wobei der erste Druck zumindest dem zweiten Druck entspricht, d. Fördern des Gemischs aus Schmiermittel (3) und kryogenem Kühlmittel (4) in einem gemeinsamen Förderkanal (14) hin zu einer Abgabestelle (5) nahe der Werkstückbearbeitungszone (2).Method for providing an auxiliary device (1) to a workpiece processing zone (2), comprising at least the following steps: a. Providing a lubricant (3) with a first pressure, b. Providing a cryogenic coolant (4) with a second pressure, c. Adding quantities of the lubricant (3) to the cryogenic coolant (4), the first pressure being at least equal to the second pressure, d. Conveying the mixture of lubricant (3) and cryogenic coolant (4) in a common delivery channel (14) to a discharge point (5) near the workpiece processing zone (2). Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem als Schmiermittel (3) ein Öl oder ein trockenes Schmiermittel eingesetzt wird.Method according to Claim 1 in which an oil or a dry lubricant is used as the lubricant (3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als kryogenes Kühlmittel (4) Kohlendioxid oder Stickstoff eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein as cryogenic coolant (4) carbon dioxide or nitrogen is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Druck zumindest 50 bar beträgt. Method according to one of the preceding claims, wherein the second pressure is at least 50 bar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Druck vor Schritt c. mindestens 50 % oberhalb des zweiten Drucks liegt.Method according to one of the preceding claims, wherein the first pressure before step c. at least 50% above the second pressure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt c. eine gepulste Zugabe des Schmiermittels (3) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein in step c. a pulsed addition of the lubricant (3) takes place. Verfahren zur abtragenden Bearbeitung bei einem Werkstück (6), wobei in einer Werkstückbearbeitungszone (2) ein abtragendes Werkzeug (7) mit dem Werkstück (6) in Eingriff gebracht wird, wobei ein Hilfsmittel (1), bereitgestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gasförmig von einer Abgabestelle (5) zugeführt wird.A method of abrasive machining on a workpiece (6), wherein in a workpiece processing zone (2) an abrasive tool (7) is engaged with the workpiece (6), wherein a tool (1) provided in any one of the preceding claims is gaseous from a delivery point (5) is supplied. Vorrichtung zur Bereitstellung eines Hilfsmittels (1) zu einer Werkstückbearbeitungszone (2), umfassend zumindest: - ein Schmiermittelreservoir (8), eine Schmiermittelleitung (9) und einen Druckerhöher (10), - ein Druckbehälter (11) für kryogenes Kühlmittel (4) und eine Kühlmittelleitung (12), - eine Mischeinheit (13), in die die Schmiermittelleitung (9) mündet und von der ein gemeinsamer Förderkanal (14) abgeht, - eine Abgabevorrichtung (15) mit einem Ausgang (16) hin zur Werkstückbearbeitungszone (2).Device for providing an auxiliary device (1) to a workpiece processing zone (2), comprising at least: - A lubricant reservoir (8), a lubricant line (9) and a pressure booster (10), a pressure vessel (11) for cryogenic coolant (4) and a coolant line (12), - A mixing unit (13) into which the lubricant line (9) opens and from which a common delivery channel (14) goes off, - A dispenser (15) having an output (16) towards the workpiece processing zone (2). Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, wobei zumindest die Kühlmittelleitung (12) oder der gemeinsame Förderkanal (14) als Kapillare ausgeführt ist.Device according to the preceding claim, wherein at least the coolant line (12) or the common delivery channel (14) is designed as a capillary. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 8 oder 9, wobei die Schmiermittelleitung (9) nachfolgend dem Druckerhöher (10) zumindest eine Drosseleinheit (17) oder ein Dosierventil (18) vorgesehen ist.Device according to one of the previous Claims 8 or 9 , wherein the lubricant line (9) below the pressure booster (10) at least one throttle unit (17) or a metering valve (18) is provided. Verwendung eines kryogenen Kühlmittels (4) unter Hochdruck als Träger für ein Schmiermittel (3) zur Förderung durch einen gemeinsamen Förderkanal (14).Use of a cryogenic coolant (4) under high pressure as a carrier for a lubricant (3) for delivery through a common delivery channel (14).
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