DE19917219A1 - Verfahren der Schmierung und Schmiervorrichtung - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren der Schmierung, insbesondere der Minimalschmierung von Werkzeugen mit innerer Betriebsmittelzuführung, mittels einer Schmiervorrichtung (1) wird mit wenigstens einer Düse (33) ein Schmierstoff-Gas-Gemisch als Betriebsmittel erzeugt, welches über wenigstens eine Leitung (41) dem Werkzeug zugeführt wird. Dabei wird das Schmierstoff-Gas-Gemisch mittels der auf wenigstens einen Teil der Innenwand der Leitung (41) ausgerichteten Düse (33) auf diese Innenwand geleitet, wodurch ein Schmierstoff-Film ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Schmierung, insbesondere der Minimalschmie­ rung von Werkzeugen mit innerer Betriebsmittelzuführung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 sowie eine Schmiervorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 3.

Ein Verfahren und eine Schmiervorrichtung dieser Art zur Kühlung innengekühlter Werkzeuge sind aus der DE 196 54 321 A1 bekannt. Innerhalb eines Gehäuses wird mit­ tels eines Injektors ein Öl-Luft-Gemisch (Aerosol) erzeugt und dabei in einen Behälter gesprüht. Das Gemisch mit einer möglichst feinen Verteilung der Öltröpfchen in der Luft wird aus dem Behälter herausgeleitet und den Werkzeugen zugeführt. Wenn das Gemisch aus einem Werkzeug austritt, ist die Verteilung der Öltröpfchen in der Luft sehr un­ gleichmäßig geworden, so daß eine ungleichmäßige Schmierung auftritt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schmiervorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und eine Schmiervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 3 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dadurch, daß das Schmierstoff-Gas-Gemisch auf eine Innenwand der Leitung geleitet wird, bildet sich auf der Innenwand der Leitung ein sich homogenisierender Schmier­ stoff-Film aus, was eine gleichmäßigere, homogenere Betriebsmittel-Zufuhr, also Schmierstoff und Gas-Zufuhr, ins Werkzeug bewirkt als der ausschließliche Transport eines Schmierstoff-Gas-Gemisch im Inneren der Leitung gemäß dem bekannten Verfah­ ren. Die gleichmäßigere Schmierstoff-Zufuhr ins Werkzeug führt dann auch zu einem gleichmäßigeren Schmierstoff-Austritt aus dem Werkzeug. Wird hingegen, wie im Stand der Technik, zunächst ein Behälter mit einem Aerosol gefüllt, welches dann aus dem Be­ hälter herausgeleitet wird, schlägt sich ein Teil des Aerosols unregelmäßig und unkon­ trolliert an der Innenwand der Leitung nieder, was dann letztendlich zu ungleichmäßigem Schmierstoff-Austritt bei der bekannten Vorrichtung führt.

Ziel der Minimalschmiertechnik (MST) ist es, einen permanenten, konstant-hauchdünnen Microschmierfilm zu erzeugen, welcher einen Schmierstoffverbrauch pro Düse von durchschnittlich 1 bis 5 ml pro Stunde aufweist und beispielsweise bei einer Quasi- Trockenbearbeitung Anwendung findet.

Zur bevorzugten Erzeugung des erfindungsgemäßen Schmierstoff-Gas-Gemisches wer­ den Schmierstoff und Gas in getrennten Leitungen der Düse zugeführt, die einen Misch­ kopf und einen Düsenkopf aufweist. Der Schmierstoff wird unter hohem Druck in das Gas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit atomisiert, d. h. in feinste Tröpfchenpartikel vorzugsweise in einem Mischverhältnis von 1 : 100000 und mehr zerstäubt.

Konstruktiv wird die Zuleitung des Schmierstoff-Gas-Gemisches auf die Innenwand der Leitung dadurch verwirklicht, daß die Düse zur Bildung des Schmierstoff-Gas- Gemisches auf wenigstens einen Teil der Innenwand der Leitung ausgerichtet ist, ohne daß ein Behälter oder eine große Kammer zwischen der Düse und der Leitung angeordnet ist. Das aus der Düse austretende Schmierstoff-Gas-Gemisch trifft vorzugsweise mit ei­ nem kreiskegelförmigen Sprühkegel und mit hohem Druck auf die Innenwand der Lei­ tung, um möglichst vollständig die Innenwand zu benetzen. Unterstützt wird dies bei­ spielsweise auch durch einen kurzen Abstand oder eine direkte Verbindung von Düse und Innenwand der Leitung und insbesondere bei Mehrdüsenausführungen durch einen Win­ kel zwischen Düse und Leitung von vorzugsweise etwa 30° bis 60°. Bei Eindüsenausfüh­ rungen ist die Düse vorzugsweise axial (parallel zur Leitung) ausgerichtet und die Benet­ zung der Innenwand erfolgt durch den Sprühkegel. Auch bei Mehrdüsenausführungen können die Leitungen zunächst axial zur jeweilige Düse ausgerichtet sein und im weite­ ren Verlauf die Richtung ändern.

Vorzugsweise ist der Teil der Innenwand, auf den die Düse ausgerichtet ist, als Einlei­ tungsstrecke am Anfang der Leitung vorgesehen, und die Leitung weist im Anschluß an die Einleitungsstrecke eine Mischstrecke auf. Die Mischstrecke dient der Glättung und Homogenisierung des Schmierstoff-Films. Dafür ist von Vorteil, wenn die Länge der Mischstrecke deutlich größer als ihr Durchmesser ist. Sind mehrere Düsen vorgesehen, so sammelt die Mischstrecke die aus verschiedenen radialen Richtung zufließenden Schmierstoff-Filme oder Filmteile, damit diese sich dann über den Umfang der Misch­ strecke allmählich gleichmäßig verteilen.

Vorzugsweise sind zwei Düsen vorgesehen, wobei jede Düse über je eine Dosiervorrich­ tung, bestehend aus einer Dosierpumpe und einem Nadelventil, mit Schmierstoff bzw. Gas versorgt wird. Dadurch kann der Schmierstoff auf Teilflächen aufgetragen werden, die aus zwei verschiedenen radialen Richtungen zusammengeführt werden, so daß die Schmierstoff-Filmteile von verschiedenen Düsen einander ergänzen. Die Dosierpumpen der Dosiervorrichtungen sind dann vorzugsweise asynchron, also zeitlich abwechselnd getaktet, um die einzelnen Zufuhren des Schmierstoffes bei der Bildung des Schmier­ stoff-Films auszugleichen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnungen dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur einen schematisch dargestellten Aufbau des Ausführungsbeispiels.

Eine als Minimalschmiervorrichtung ausgebildete Schmiervorrichtung 1 umfaßt einen Dosierteil 2 und einen Mischteil 3. Der Dosierteil 2 weist innerhalb eines Pumpengehäu­ ses 4 zwei Dosierpumpen 6 mit Kolben auf, deren Förderleistung über Verstellungen 7 regulierbar ist. Aus einem oberhalb des Pumpengehäuses 4 angeordneten Vorratsgefäß 8 wird ein Öl als Schmierstoff den beiden Dosierpumpen 6 über eine Schmierstoff- Versorgungsleitung 10 zugeführt, wobei das Öl nicht unter Druck steht, sondern nur gra­ vimetrisch an den Eingängen der Dosierpumpen 6 ansteht.

Aus einer in der Zeichnung nicht weiter dargestellten Druckluftversorgung 12 wird Druckluft, vorzugsweise von über 10 bar, durch eine Druckluft-Versorgungsleitung 14 einem im Pumpengehäuse 4 gelegenen Hauptventil 17 in der Druckluft-Versorgungs­ leitung 14 zugeführt. Nach Ansteuerung des Hauptventils 17, beispielsweise durch den Maschinenzyklus der Werkzeugmaschine, bei der die Schmiervorrichtung 1 eingesetzt wird, beaufschlagt die Druckluft über zwei von der Druckluft-Versorgungsleitung 14 ab­ zweigende Leitungen, welche mit Ventilen 18 versehen sind, die Kolben der Dosierpum­ pen 6. Die Ventile 18 werden von einem Impulsgeber 20 angesteuert, welcher mit einer veränderbaren Taktzeit, beispielsweise zwischen etwa 0-10 Sekunden, die Ventile 18 abwechselnd öffnet und schließt, wodurch die Dosierpumpen 6 abwechselnd betätigt werden. Dieser Impulsgeber kann auch durch ein Signal der Maschinensteuerung ersetzt werden, das beispielsweise in Abhängigkeit von Werkzeugabmessung und Zerspanungs­ leistung die Taktzeit steuert und damit die Fördermenge des Schmierstoffes reguliert.

Aus dem Pumpengehäuse 4 sind zwei Koaxialleitungen 22 herausgeführt. Die innere Leitung jeder Koaxialleitung 22 ist an den Ausgang je einer der beiden Dosierpumpen 6 angeschlossen, während die äußere Leitung über je ein Nadelventil 23 an die Druckluft- Versorgungsleitung 14 angeschlossen ist. Je eine Dosierpumpe 6 und ein Nadelventil 23 bilden eine Dosiervorrichtung. Die beiden Koaxialleitungen 22 bestehen beispielsweise aus ineinander gesteckten, druckbeständigen Schläuchen. Die beiden Koaxialleitungen 22 sind zu dem Mischteil 3 geführt.

Das Mischteil 3 weist innerhalb eines Mischgehäuses 31 zwei Düsen 33 auf, welche je­ weils aus einem Mischkopf 35 und aus einem Düsenkopf 37 bestehen. Der Mischkopf 35 ist über die Hälfte seiner Länge mit einer sacklochartigen Längsbohrung versehen, von deren innerem Ende vorzugsweise vier Querbohrungen radial nach außen geführt sind. Jeder Mischkopf 35 ist mit demjenigen Ende, welches das äußere Ende der Längsbohrung aufweist, an die innere Leitung einer der beiden Koaxialleitungen 22 angeschlossen. An dem vom äußeren Ende der Längsbohrung abgewandten Ende weist der Mischkopf 35 eine konisch zulaufende Spitze auf.

Der als Profil ausgebildete Mischkopf 35 ist mit definierter Länge in eine Bohrung des Düsenkopfes 37 koaxial eingepreßt. Der Düsenkopf 37 verjüngt sich vorzugsweise im Bereich der Spitze des Mischkopfes 35 und weist am Ende der Spitze eine Austrittsöff­ nung aus. An dem von der Spitze abgewandten Ende ist der Düsenkopf 37 an die äußere Leitung einer der beiden Koaxialleitungen 22 angeschlossen. Durch den Hub der Dosier­ pumpen 6 wird Schmierstoff unter hohem Druck aus den Mischköpfen 35 in den eine hohe Geschwindigkeit im Düsenkopf 37 aufweisenden Druckluftstrom atomisiert, d. h. in feinster Verteilung zerstäubt, vorzugsweise in einem Mischungsverhältnis des Schmier­ stoffes zur Druckluft von mehr als 1 : 100000, um ein aus der Austrittsöffnung austreten­ des, homogenes Schmierstoff-Gas-Gemisch zu bilden.

Aufgrund der durch die Kolbengeometrie vorgegebenen Übersetzung von der pneumati­ schen auf die hydraulische Kolbenfläche in der Dosierpumpe 6 wird eine für eine ideale Vermischung in der Düse 33 notwendige Druckerhöhung gegenüber der Druckluftversor­ gung in der inneren Leitung der Koaxialleitung 22 erzeugt.

Innerhalb des Mischgehäuses 31 ist eine Leitungsanordnung 41 mit Mischfunktion vor­ gesehen, die mit zwei Einleitungsstrecken 43 an die beiden parallel zueinander angeord­ neten Düsen 33 angeschlossen ist. Ideale Strömungsverhältnisse und eine gute Dichtung werden dadurch erreicht, daß das Mischgehäuse 31 ein massiver Block ist, aus dem die Leitungsanordnung 41 herausgearbeitet ist. Die Einleitungsstrecken 43 der Leitungsan­ ordnung 41 verlaufen schräg zur Längsrichtung der zugehörigen Düsen 33, so daß jede Düse 33 mit ihrer Austrittsöffnung auf eine Innenwand einer Einleitungsstrecke 43 ge­ richtet ist. Im Betrieb wird das erzeugte Schmierstoff-Gas-Gemisch auf diese Innenwand und an ihr entlang geleitet, wo es einen Schmierstoff-Film bildet.

Die beiden spiegelsymmetrischen Einleitungsstrecken 43 münden in gleicher Höhe und gehen glatt in eine gemeinsame Mischstrecke 45 der Leitungsanordnung 41 über, wo­ durch ein idealer Strömungsverlauf gewährleistet ist. Die Einleitungsstrecken 43 und die Mischstrecke 45 sind vorzugsweise mit gleichem Querschnitt ausgebildet. Da die Dosier­ pumpen 6 abwechselnd fördern, gelangt der von den Düsen 33 auf der Innenwand der Einleitungsstrecken 43 aufgebrachte Schmierstoff-Film asynchron in die Mischstrecke 45, und zwar abwechselnd von beiden Seiten. Über die Mischstrecke 45 hinweg verteilt sich der Schmierstoff-Film über den Umfang an der Innenwand der Mischstrecke 45, so daß der Schmierstoff-Film geglättet wird. Der Schmierstoff-Film wird durch den durch die Mischstrecke 45 strömenden, permanenten Druckluftstrom mit hoher Strömungsge­ schwindigkeit vorangetrieben.

An die Mischstrecke 45 schließt sich nach einem kurzen Übergangsabschnitt eine Entla­ stungsstrecke 47 mit größerem Querschnitt als die Mischstrecke 45 an. Die Entlastungs­ strecke 47 dient zu einer Reduzierung der Geschwindigkeit der Druckluft bzw. des Gemi­ sches. An die Entlastungsstrecke 47 schließt sich eine Schnittstelle 49 an, welche den Übergang zu einer Zuführung an eine Bedarfsstelle bildet. Diese Zuführung kann bei­ spielsweise eine rotierende Spindel, eine dynamische oder statische Werkzeugaufnahme oder ein Werkzeug mit innerer Betriebsmittelzuführung sein.

Der Schmierstoff tritt dann mit hoher Geschwindigkeit in minimalen Mengen und mit sehr gleichmäßiger Verteilung aus dem Werkzeug aus, um die Bedarfsstelle, beispiels­ weise zwischen Zerspanungswerkzeug und Werkstück, mit dieser minimalsten, gleich­ bleibenden Schmierstoffmenge zu versorgen, welche die Reibung an der Bearbeitungs­ stelle drastisch reduziert. Durch die Verdampfung des Schmierstoffes und die damit ver­ bundene explosionsartige Volumenvergrößerung wird erreicht, daß die Spanabfuhr ver­ bessert wird und eine quasi-rückstandsfreie Verbrauchsschmierung sichergestellt ist. Über die Mengenregulierung der Druckluft mittels der Nadelventile 23 läßt sich die Aus­ trittswinkelcharakteristik des Schmierstoffes am Werkzeug variieren.

Die Länge der Mischstrecke 45 ist deutlich größer als deren Durchmesser. Der Quer­ schnitt der Mischstrecke 45 und die durch die Leitungsanordnung strömende Schmier­ stoffinenge bestimmen die Homogenität des Schmierstoff-Films. Besonders gleichmäßige Verteilungen des aus dem Werkzeug austretenden Schmierstoffes bei niedrigem Ver­ brauch werden erreicht, wenn der Schmierstoff-Film hauchdünn, aber noch zusammen­ hängend ist, so daß eine Bildung von Schmierstoff-Tröpfchen an der Innenwand der Mischstrecke 45 und am Übergang der Schnittstelle 49 verhindert wird.

Claims (12)

1. Verfahren der Schmierung, insbesondere der Minimalschmierung von Werkzeugen mit innerer Betriebsmittelzuführung, bei dem mittels wenigstens einer Düse (33) ein Schmierstoff-Gas-Gemisch erzeugt wird, welches über wenigstens eine Leitung (41) dem Werkzeug zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmierstoff-Gas- Gemisch auf eine Innenwand der Leitung (41) geleitet wird und dabei ein Schmier­ stoff-Film ausgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Düse (33) der Schmierstoff unter hohem Druck in das Gas, welches eine hohe Strömungsge­ schwindigkeit aufweist, atomisiert wird.

3. Schmiervorrichtung, insbesondere Minimalschmiervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit wenigstens einer Düse (33) zur Bildung ei­ nes Schmierstoff-Gas-Gemisches, welche innerhalb eines Gehäuses (31) angeordnet ist, und mit wenigstens einer Leitung (41) zum Anschluß einer Bedarfsstelle, insbe­ sondere eines Werkzeuges mit innerer Betriebsmittelzuführung, wobei die Leitung (41) eine Innenwand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (33) auf we­ nigstens einen Teil der Innenwand der Leitung (41) ausgerichtet ist.

4. Schmiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (33) einen Mischkopf (35) und einen Düsenkopf (37) definierter Geometrien aufweist und daß die Düse (33) über getrennte Leitungen (22) Schmierstoff und Gas erhält.

5. Schmiervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Düse (33) austretende Schmierstoff-Gas-Gemisch mit hohem Druck auf die In­ nenwand der Leitung (41) trifft.

6. Schmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (33) in kurzem Abstand von der Innenwand der Leitung (41) angeordnet ist.

7. Schmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (33) in einem Winkel von etwa 30° bis 60° zur Innenwand der Leitung (41) angeordnet ist.

8. Schmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (33) axial zur Innenwand der Leitung (41) ausgerichtet ist.

9. Schmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Innenwand, auf den die Düse (33) ausgerichtet ist, als Einleitungsstrecke (43) am Anfang der Leitung (41) vorgesehen ist und die Leitung (41) im Anschluß daran eine Mischstrecke (45) zur Homogenisierung des Schmierstoff-Films aufweist.

10. Schmiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Mischstrecke (45) deutlich größer als ihr Durchmesser ist.

11. Schmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Düsen (33) vorgesehen sind, wobei für jede Düse (33) eine eigene Dosiervorrichtung (6, 23) zur Versorgung mit Schmierstoff und Gas vorhanden ist.

12. Schmiervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosiervor­ richtungen (6) asynchron getaktet sind.