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