DE602004001780T2

DE602004001780T2 - Vorrichtung und verfahren zum bereitstellen einer kühl- und/oder schmierflüssigkeit zum bearbeiten

Info

Publication number: DE602004001780T2
Application number: DE602004001780T
Authority: DE
Inventors: Alessandro Piana; Cristina Caprioli
Original assignee: Auges Srl
Current assignee: Auges Srl
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2024-04-06
Also published as: EP1622740A1; US20060283667A1; EP1622740B1; WO2004089575A1; ITMI20030676A1; DE602004001780D1; ATE334781T1

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 zum Zuführen eines Schmier- und/oder Kühlfluids (auch als Kühlschmierstoff oder Metallbearbeitungsöl bekannt) auf dem Gebiet der maschinellen Bearbeitung, wie beides beispielsweise aus der EP-A-1 072 356 bekannt ist.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung bei all jenen maschinellen Bearbeitungen einsetzbar, bei denen ein Kontakt zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück gegeben ist, um Material von dem Werkstück selbst abzutragen, was sowohl bei der spanenden Bearbeitung, die mit spezifischen Schneidwerkzeugen (zum Beispiel Drehen, Fräsen, Bohren, etc.) ausgeführt wird als auch im Fall von maschineller Bearbeitung, die durch ein geometrisch undestimmtes Schneidwerkzeug (zum Beispiel Schleifen, Läppen, etc.) erfolgt.
Hintergrund der Erfindung
Nachstehend wird beispielhaft besonders Bezug genommen auf maschinelle Bearbeitungsformen mit Spanabnahme, bei denen spezifische Schneidwerkzeuge für metallische Werkstoffe eingesetzt werden, aber es versteht sich, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf allgemein alle maschinellen Bearbeitungsformen und alle Werkstoffarten (zum Beispiel keramische Werkstoffe, Mineralien, etc.) anwendbar sind, auf eine maschinelle Bearbeitung also, bei der eine Schmierung und/oder Kühlung erforderlich ist.
Bei der maschinellen Bearbeitung mit Spanabnahme ist das Werkzeug Verschleiß ausgesetzt, der grundsätzlich an der Schneidkante des Werkzeugs aufgrund der Reibung an den Kontaktflächen zwischen Werkstück-Werkzeug-Span, großen mechanischen Belastungen und hohen thermischen Beanspruchungen auftritt. Unter besonderen Bedingungen kann der Kontaktdruck Werte von bis zu 1500 N/mm² erreichen, und Temperaturen von über 1100°C an der Span/Werkzeug-Kontaktfläche können überschritten werden.
Die Quelle aller Verschleißprobleme eines Werkzeugs lässt sich jedoch auf die Wärme zurückführen, die im wesentlichen aufgrund der plastischen Verformung des Werkstoffs und der Reibung erzeugt wird, die an der Stelle auftritt, wo der Span die Werkzeugfläche berührt.
In der verwandten Technik werden dann Schmier- und/oder Kühlfluide (Kühlschmierstoffe) benutzt, die in der Regel aus Öl bestehen, eventuell gemischt oder in Wasser emulgiert. Insbesondere besteht das Schmier- und/oder Kühlfluid oft aus einer Mischung oder einer Emulsion von Öl in Wasser, um die Schmiereigenschaften des Öls mit der hohen Wärmeaustauschwirksamkeit des Wassers auszunutzen. Tatsächlich haben Schmier- und/oder Kühlfluide die doppelte Aufgabe, die Reibung zwischen den sich gegenseitig berührenden Teilen zu verringern und die dabei erzeugte Wärme abzuführen.
Da eine große Wärmemenge, die während der maschinellen Bearbeitung erzeugt wird, vom Span aufgenommen wird, besteht das Problem, Wärme vom Werkzeug abzuführen und dies bedeutet im wesentlichen das Kühlen des Werkzeugs, um den Verschleiß am Werkzeug selbst so weit wie möglich zu begrenzen.
Die Forschung auf diesem Gebiet hat in der Tat ergeben, dass die Standzeit eines Werkzeugs direkt mit der Schneidtemperatur korreliert (siehe zum Beispiel „TECNOLOGIA MECCANICA E STUDI DI FABBRICAZIONE" – F. Giusti e M. Santochi – Casa Editrice Ambrosiana).
Als Bestätigung der Resultate dieser Forschung fand man sogar heraus, dass auch eine Verringerung der Schneidtemperatur um wenige Prozent die Standzeit des Werkzeugs stark verlängern kann. Beispielsweise wurde bei einem Werkzeug, das für eine Maximaltemperatur von 600°C ausgelegt ist, herausgefunden, dass eine Reduzierung der Schneidtemperatur um etwa 30°C (von 510°C auf 480°C) die Standzeit des Werkzeugs verfünffacht (von etwa 20 auf etwa 100 Minuten).
Bei einem der verbreitetsten Schmier- und Kühlsysteme sind Schmier- und Kühlfluidströme vorgesehen, die auf den Arbeitsbereich gerichtet sind, oder vielmehr zu der Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück. Jedoch nur die in Bewegung befindliche Fluidmenge, die während der maschinellen Bearbeitung des Werkstücks mit diesem in Kontakt ist, kann einen Teil der Wärme aus dem hier interessierenden Bereich abführen.
Um folglich ausreichend wirksam zu sein, müssen diese bekannten Systeme hohe Fluiddurchflussraten bei variablen Drücken aufweisen, die von der Leistung der Arbeitsmaschinen oder dem Zerspanungsvolumen abhängen (zum Beispiel gemäß der Norm UNI ISO8688). Die Wärmeableitung, die von solchen Systemen erreicht werden kann, erscheint unter bestimmten Bedingungen, die von den Bearbeitungsparametern abhängen, wie zum Beispiel der Schnittgeschwindigkeit und/oder der Spantiefe, häufig unzureichend.
Darüber hinaus ist es günstig, darauf hinzuweisen, dass herkömmliche Schmier- und Kühlsysteme einen Sammelbehälter mit einer ausreichenden Kapazität benötigen, der einen Wärmeaustausch zwischen dem zurückgewonnenen Kühlschmierstoff und der Umgebung ermöglicht, bevor das Fluid selbst wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. Aus diesem Grund sind die Sammelbehälter im allgemeinen so ausgelegt, dass sie ein Fassungsvermögen aufweisen, das zwischen 5 und 8 mal so groß ist wie der maximale Durchsatz des Kreislaufs, und sind dann besonders sperrig.
Aus diesen Gründen sind Systeme bereitgestellt worden, bei denen das Fluid, das ausschließlich aus Schmieröl besteht, in zerstäubter Form auf den Arbeitsbereich gerichtet wird, d.h. mit einem Fluid, das in extrem kleinen Tröpfchen mittels eines Druckluftstroms gemäß den bekannten Arbeitsprinzipien der Airbrush-Technik versprüht wird. Der Träger der auf diese Weise gebildeten Fluidtröpfchen wird durch denselben Druckluftstrom gebildet.
Wenn es einerseits in Anbetracht dessen, dass ein Tröpfchen des Schmierfluids im wesentlichen eine Kugelform aufweist (maximale Oberfläche bei einem gegebenen Volumen), möglich ist, den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs zwischen dem Schmierfluid und dem Werkzeug sowie zwischen dem Schmierfluid und der Umgebung zu verbessern, erfüllt andererseits die Verwendung von Öl allein, ohne jeden Zusatz von Wasser, zwar grundsätzlich eine Schmierfunktion, gestattet es aber nicht, die wirksame Wärmeableitung zu erreichen, die bei der hohen Wärmeaustauschkapazität von Wasser gewährleistet ist. Diese bekannten Systeme, die in der Technik auch unter der Bezeichnung „Minimal" bekannt sind, ermöglichen es, die Fluiddurchflussrate im Vergleich zu direkten Fließsystemen zu begrenzen, haben jedoch einige Nachteile, die etwas mit den Verfahren zur Bildung und Zuführung der Tröpfchen zu der betreffenden Stelle zusammenhängen.
Erstens bedingt die Zerstäubungstechnik mittels eines Luftstrahls selbst die Bildung von Partikeln, die keine homogene Größe aufweisen, und insbesondere die Bildung von Partikeln, deren Abmessungen viel größer sind als andere. Folglich neigen die größten Partikel aufgrund von molekularen Kohäsionskräften zur Agglomeration und die auf diese Weise gebildeten Tröpfchen neigen dazu, vom Span abzurutschen, wodurch die Bildung eines stabilen Fluidfilms zwischen dem Werkzeug und dem Span tatsächlich verhindert wird. Ein Hinweis auf diesen Nachteil wird durch die Bildung von Tröpfchen mit großen Abmessungen nahe der interessierenden Stelle offensichtlich.
Zweitens neigt derselbe Luftstrom, der die Fluidtröpfchen trägt, dazu, gegen die Oberflächen zu „prallen", auf die er gerichtet ist. Abprallende Luft enthält Fluidtröpfchen, die dabei von der betreffenden Stelle weggeführt werden. Aufgrund dieses Phänomens wird die Tropfenmenge, die die betreffende Stelle erreicht, verringert, wodurch die Bildung eines stabilen Schmierfluidfilms an den Kontaktstellen zwischen dem Werkzeug und dem Span noch weiter verhindert wird.
Außerdem erzeugt derselbe Trägerluftstrom Wirbel, die Fluidtröpfchen suspendiert halten. Diese Tröpfchen gelangen nicht zu der betreffenden Stelle und neigen dazu, zusammen mit den Tröpfchen, die durch die abprallende Luft abgeführt werden, eine „Nebelbildung" zu unterstützen, die aus Sicherheitsgründen besonders unerwünscht ist. Schmierfluide können tatsächlich giftig sein und in diesen Fällen ist es deshalb unerlässlich, Absaugvorrichtungen bereitzustellen, die in geeigneter Weise ausgelegt sind, um der Nebelverstärkung entgegen zu wirken.
Es muß noch hinzugefügt werden, dass in den „Minimal"-Systemen die Wirksamkeit einer möglichen wässrigen Komponente, sollte sie dem Schmieröl tatsächlich zugesetzt worden sein, ohnehin durch eine Teilverdunstung beeinträchtigt sein kann, die durch die an den kleinsten Wassertröpfchen vorbeiströmende Luft verursacht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach dem zuvor Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Schmier-/Kühlvorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Im Bereich dieser Aufgabe ist es ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zuführen eines Kühl- und/oder Schmierfluids bereitzustellen, die es ermöglichen, das bei der maschinellen Bearbeitung eingesetzte Werkzeug wirksam zu kühlen sowie die Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem bearbeiteten Werkstück wirksam zu schmieren.
Es ist ein besonderes Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schmieren und Kühlen vorzuschlagen, die den Aufbau eines wirksamen Schmiermittel- und Kühlfluidstroms zwischen dem Werkzeug und dem bearbeiteten Werkstück gestatten.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorgenannten Art bereitzustellen, die eine größtmögliche Begrenzung der Durchflussrate und damit des Verbrauchs des Schmiermittel- und Kühlfluids gestatten.
Es ist ferner ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der vorgenannten Art bereitzustellen, die eine weitgehende Verringerung der Restrisiken ermöglichen, die in Bezug auf eine mögliche Toxizität des Kühl- und Schmierfluids bestehen.
Diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, die eine Vorrichtung zum Zuführen eines Kühl- und/oder Schmierfluids nahe der Kontaktfläche zwischen einem Werkzeug und einem zu bearbeitenden Werkstück betrifft, umfassend zumindest einen Kreislauf für den Umlauf des genannten Fluids sowie Zuführungsmittel, um das genannte Fluid nahe oder an der Kontaktfläche zwischen dem genannten Werkzeug und dem genannten Werkstück bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Zuführungsmittel eine oder mehr Düsen zur luftlosen Zerstäubung umfassen, um das genannte Fluid zu zerstäuben.
Die Bezeichnung „luftlos" dient dazu, jene Düsen zu identifizieren, bei denen eine „Zerstäubung" des Fluids auf mechanische Weise erreicht wird, d.h. indem das Fluid einem bestimmten Druck ausgesetzt und durch einen Kanal geleitet wird, der eine besondere geometrische Form in der Nähe der Zuführöffnung der Düse aufweist. Auf diese Weise wird eine Zerstäubung erreicht, die manchmal als „hydraulisch" (oder „Druckverdüsung") bezeichnet wird, welche der Gegensatz zu dem ist, was als „pneumatisch" (oder „Vernebelung") bezeichnet wird, die typisch ist für bekannte „Minimal"-Systeme.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zuführen eines Schmier- und/oder Kühlfluids nahe der Kontaktfläche zwischen einem Werkzeug und einem in der maschinellen Bearbeitung befindlichen Werkstück, wobei das Fluid durch einen Kreislauf transportiert und nahe oder an der Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des Fluids durch Zerstäubung durch eine oder mehr luftlose Düsen erfolgt.
„Luftlose" Düsen gemäß der vorliegenden Erfindung dienen in der Regel zum Betrieb bei besonders hohen Drücken, typischerweise bei Maximaldrücken von bis zu 600 bar. Dennoch wird das Fluid erfindungsgemäss unter einem Druck von nicht mehr als 150 bar, vorzugsweise zwischen etwa 5 bar und 70 bar zu den Düsen transportiert.
Darüber hinaus ist es möglich, eine effiziente Schmierung und Kühlung auch bei besonders niedrigen Fluiddurchflussraten zu erzielen, die 10 bis 100 mal langsamer sind als die Durchflussraten der herkömmlichen Systeme. Das bedeutet, dass das System, welches das Schmier- und Kühlfluid zuführt eine reduzierte Leistung und geringere Abmessungen aufweist, insbesondere sind die Sammelbehälter weniger sperrig, wodurch eine höhere Genauigkeit bei der Fluidaufarbeitung (Entgiftung und Filterung) ermöglicht wird.
Die Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung erreichbar sind, sind ohnehin mannigfaltig und gestatten eine starke Reduzierung des Werkzeugverschleisses, wodurch seine Standzeit verlängert wird.
Insbesondere sind bei Verwendung von Düsen zur luftlosen Zerstäubung die Abmessungen der Partikel steuerbar, so dass diese ausreichend klein und im wesentlichen homogen sind. Der Radius jedes Partikels ist tatsächlich direkt proportional zu der Oberflächenspannung des Fluids und umgekehrt proportional zu konstanten oder leicht kontrollierbaren Faktoren, wie zum Beispiel der Fluidviskosität und der kinetischen Energie der Partikel, wobei letztere hauptsächlich von dem Zuführungsdruck und dem Auslassdurchmesser der Düse abhängt.
Die Möglichkeit, die Größe der Partikel zu steuern, indem besonders kleine und homogene Partikel erzeugt werden, macht den Wärmeaustausch besonders effizient, weil kleine Partikel Wärme schnell vom Werkzeug und vom Span absorbieren und es genauso schnell wieder an die Umgebung abgeben. Man fand in der Tat heraus, dass die Temperatur des Schmier- und Kühlfluids im Sammelbehälter, der sich unter der Arbeitsfläche befindet, nicht ansteigt, wodurch gleichzeitig dazu beigetragen wird, dass die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Schmier- und Kühlfluids im wesentlichen unverändert aufrechterhalten bleiben. Man hat auch herausgefunden, dass die Atmosphäre in der Nähe des Zuführbereichs des zerstäubten Fluids, im Vergleich zur Umgebung, einer erheblichen Temperatursenkung unterliegt, was dazu beiträgt, den Wärmeaustausch nahe der Kontaktfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück (oder Span) zu verbessern.
Indem die Abmessungen der Partikel besonders klein gehalten werden, ist es darüber hinaus möglich, einen konstanten Fluidstrom zu realisieren, der besonders bei der Verringerung der Reibung an den Span-Werkstück-Werkzeug-Kontaktflächen wirksam ist.
Anders als bekannte „Minimal"-Systeme, bei denen die Partikel von einem Luftstrom getragen werden, haben Partikel, die durch „luftlose" Systeme entstehen, ihre eigene Geschwindigkeit. Die Abwesenheit eines Luftstroms als Träger verhindert das Auftreten von Nachteilen aufgrund des Abprallens des Luftstroms, wie es für die Minimal"-Systeme beschrieben wurde. Dadurch wird ein Ablagern des Fluids in dem interessierenden Bereich gefördert sowie die daraus folgende Bildung eines konstanten Stroms von Schmier- und Kühlfluid zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück.
Auf diese Weise wird die Bildung von Dämpfen in der Nähe des interessierenden Bereichs stark verringert und sogar vollständig beseitigt, wodurch sich Verbesserungen bezüglich der Sicherheit der Arbeitsumgebung und hinsichtlich des Umgebungseinflusses ergeben.
Ein weiterer wichtiger Vorteil stellt die Tatsache dar, dass es durch die Verbesserung der Schmierung und der Kühlung des Werkzeugs möglich ist, mit hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offenkundiger, die ausschließlich als erläuterndes, nichteinschränkendes Beispiel zu verstehen ist und Bezug nimmt auf die einzige 1, die schematisch eine Schmier- und Kühlvorrichtung gemäß einer möglichen Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Träger 10 für Düsen 20 zur „luftlosen" Zerstäubung, um das Schmier- und/oder Kühlfluid zuzuführen. Zwei Düsen 20 zur „luftlosen" Zerstäubung sind in 1 zu sehen, aber es ist günstig, in Betracht zu ziehen, dass mehr als zwei Düsen vorgesehen sein können, oder auch nur eine einzige, je nach den auszuführenden Aufgaben.
Die Strahlen jeder Düse 20 sind auf die Bearbeitungsfläche gerichtet, das heißt zu dem sich drehenden Werkzeug 2 (zum Beispiel ein Fräswerkzeug) und erzeugen einen Strahl mit einem Spritzwinkel α, der typisch ist für jede Düse.
Der Träger 10 ist in bekannter Weise an einer Fertigungsmaschine 1 befestigt und umfasst eine Reihe von Innenleitungen 11, um das Schmier- und Kühlfluid zu den Düsen 20 zu transportieren.
Das Schmier- und Kühlfluid wird unter Druck durch einen Kanal 12 geleitet, der mit einem (nicht-dargestellten) Pumpenauslass verbunden ist, der geeignet ist, das Fluid unter einem Druck von nicht mehr als 150 bar, vorzugsweise zwischen etwa 5 und 70 bar, zuzuführen.
Düsen zur „luftlosen" Zerstäubung, die zum Betrieb gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind mit einer Zuführöffnung mit einem Durchmesser zwischen 0,10 und 0,80 mm ausgestattet. Die Konfiguration des Strahls ist vorzugsweise planar und fächerförmig mit einem Spritzwinkel zwischen etwa 10° und 80°, abhängig von den auszuführenden Aufgaben und den Abmessungen des Werkzeugs.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit jeder beliebigen Art von Schmier- und Kühlfluid verwendet werden, wobei dieses entweder pur, mit Wasser gemischt oder in Wasser emulgiert sein kann. Auch wenn nicht ausdrücklich dargestellt, ist ein Filter, der in der Regel nach den Anweisungen des Herstellers konstruiert ist, den „luftlosen" Düsen 20 zugeordnet.
Als experimentelles Beispiel wurde ein Prototyp der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt, an dem drei gleichmäßig beabstandete „luftlose" Düsen an einem Träger 10 montiert wurden, wie die in 1 abgebildete. Dabei wurden „luftlose" Düsen, die von der Firma Wagner hergestellt und unter dem Produktnamen „ProfiTip" verkauft werden, eingesetzt, die eine Zuführöffnung von 0,48 mm haben und einen planaren fächerförmigen Strahl mit einem Spritzwinkel von 40°. Die verwendeten Filter hatten eine Maschengröße von 50 μm.
Als Schmier- und Kühlfluid wurde ein von BLASER & Co. SA hergestelltes und unter dem Produktnamen Blasocut BC20 vertriebenes Fluid verwendet, das mit 5 Vol.-% Wasser gemischt und bei einem Druck von 10 bar zugeführt wurde.
Die Vorrichtung wurde bei einer Maschine eingesetzt, die mit einem Fräswerkzeug ausgestattet war. Während der Bearbeitungsprüfung betrug die für jede Düse gemessene Durchflussrate 0,48 l/min.
Während der Prüfung wurde eine vollständige Abwesenheit von Dämpfen im Arbeitsbereich beobachtet sowie die erhebliche Abwesenheit von Tröpfchen, die durch Kohäsion auf dem Werkstück oder in dessen Nähe gebildet wurden. Auch die Temperatur des Schmier- und Kühlfluids im Sammelbehälter unter dem Arbeitsbereich blieb im wesentlichen unverändert, wobei dies die besondere Wirksamkeit des Wärmeaustauschs der zerstäubten Flüssigkeit gemäss den Lehren der vorliegenden Erfindung bestätigt.
Die Standzeit des Werkzeugs und die Schnittgeschwindigkeit sind im Vergleich zu den gleichen gemessenen Parametern nachweislich doppelt so hoch, wobei andere Bedingungen (Werkzeug, bearbeiteter Werkstoff, etc.) bei der Verwendung von bekannten Schmier- und Kühlsystemen gleich waren.
Ein weiterer Faktor, durch den die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestätigt werden, stellt die Betrachtung der Formgebung der Späne dar, die weniger zusammengedrückt oder gestaucht sind, verglichen mit jenen, die während der Prüfungen mit bekannten Schmier- und Kühlsystemen erzeugt wurden. Da die Form der Späne von der Länge und dem Winkel der Schnittebene abhängig ist, bedeutet dies, dass das erfindungsgemäße Schmier- und Kühlsystem wirksamer ist, auch hinsichtlich der Reibungsverminderung zwischen dem Werkzeug und dem Span.
Obgleich ein Schmier- und Kühlsystem als Beispiel beschrieben wurde, bei dem die Zerstäubung außerhalb des Werkzeugs erfolgt, ist es sinnvoll, darauf hinzuweisen, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung mit der gleichen Wirksamkeit auch auf Schmier- und Kühlsysteme angewendet werden können, die innerhalb des Werkzeugs liegen, zum Beispiel, indem zumindest eine „luftlose" Düse vorgesehen ist, die in Strömungsverbindung mit einem Innenkanal ist, der sich im Innern dieses Werkzeugs befindet.
EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE
Eine Vorrichtung, im wesentlichen gleichartig zu der soeben beschriebenen, wurde betrieben, um Vergleichsprüfungen zu bekannten Schmier- und Kühlsystemen durchzuführen. Es wurden dabei mehrere Prüfungen ausgeführt und bei verschiedenen Arbeitsbedingungen wiederholt, wobei kontinuierlich die Art der maschinellen Bearbeitung, der bearbeiteten Werkstoffe, der verwendeten Einsätze, etc. geändert wurde.
In den folgenden Beispielen, die Durchschnittswerte zeigen, die für einige der aussagekräftigsten durchgeführten Prüfungen gemessen wurden, werden die Leistungen eines erfindungsgemäßen Systems mit den Leistungen verglichen, die von derzeit bekannten Schmier- und Kühlsystemen erbracht wurden, insbesondere von herkömmlichen Systemen, bei denen Schläuche und/oder modulare Rohre verwendet werden, um das Schmier-/Kühlfluid dem Bearbeitungsbereich zuzuführen.
In jeder Prüfung wurden die wichtigsten Parameter der jeweiligen Schmier- und Kühlsysteme ermittelt, d.h. die Fluiddurchflussrate, der Zuführungsdruck und die Leistung, die von den Schmier-/Kühlsystemen aufgenommen wird. Im Hinblick auf Parameter, die in Bezug zu den Leistungen der Systeme stehen, wurden die folgenden Parameter ermittelt:

– Q (cm³/min): Anzahl der Späne, die pro Minute entfernt werden; dies ist der Parameter, der die Produktivität darstellt;
– Cp (Prozessfähigkeit): der numerische Koeffizient, der die Qualität im Takt der maschinellen Bearbeitung gemäß statistischer Kriterien anzeigt, die in der Branche bekannt sind;
– Art des Werkzeugabriebs: geschätzt gemäß der Norm UNI ISO 8688; Lebensdauer des Werkzeugs: in der Regel ausgedrückt in Minuten und eventuell verglichen mit Produktionsparametern, zum Beispiel der Anzahl der Werkstücke, zurückgelegte Distanz in Metern, Anzahl der Schnitte, etc..

Weitere Einzelheiten zu den hier offenbarten Normen und Parametern in Bezug auf Bewertungen von Leistungen sind in „CUTTING TOOLS" von R. Edwards zu finden, veröffentlicht von The Institute of Materials – 1993.
In allen Prüfungen von Schmier- und Kühlsystemen wurde der gleiche Fluidtyp eingesetzt. Dabei werden auch Ergebnisse von einigen Tests offenbart (Beispiele 4 und 6), in denen Vergleiche zwischen den Leistungen eines erfindungsgemäßen Systems und Resultaten für Trockenzerspanungen bereitgestellt werden.
BEISPIEL 1
Maschinelle Bearbeitungen durch Gegenlauffräsen zum Glätten wurden an gehärtetem und vergütetem Stahl des Typs UNI X20Cr13 mit einer Härte von 330 HB und einer spezifischen Schneidkraft von 2300 N/mm² durchgeführt. Im erfindungsgemäßen System wurde das Schmier-/Kühlfluid mit Hilfe von drei Düsen symmetrisch außerhalb des Werkzeugs zugeführt.
Die für das Werkzeug verwendeten Einsätze werden von der Firma WALTER hergestellt und tragen die Bezeichnung P2894-1 VTA 51.
Die Resultate der durchgeführten maschinellen Bearbeitungen, ausgedrückt als Durchschnittswerte des Satzes von gleichen Prüfungen, sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt, wobei die erste Spalte die Parameter des herkömmlichen Schmier- und Kühlsystems enthält und die zweite die Parameter eines erfindungsgemäßen Schmier- und Kühlsystems umfasst.

*CF: katastrophales Versagen (rapide Verschlechterung des Wirkungsbauteils bis zu dessen vollständigem Bruch – UNI ISO 8688).
**VB1-0,2: gleichmäßiger Flankenabrieb mit einer Tiefe von 0,2 mm (Verschlechterung des normalen Typs für das Werkzeug – UNI ISO8688).

Es ist ersichtlich, dass die Durchflussrate des Schmier- und Kühlfluids stark reduziert ist, auf weniger als 1/10, im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Außerdem wurden beträchtliche Verbesserungen erzielt, sowohl im Hinblick auf die Produktivität (+75%) als auch bezüglich der Qualität der maschinellen Bearbeitung (+100%).
Auch aus der Untersuchung des Abriebs an den Einsätzen wird klar, dass ein erfindungsgemäßes System sicherstellt, dass das Werkzeug unversehrt bleibt. In diesem Zusammenhang ist es günstig, daran zu erinnern, dass ein erfindungsgemässes System eine Reduzierung des Werkzeug- und/oder Einsatzwechsels ermöglicht, wodurch die Stillstandszeiten, die für das Auswechseln erforderlich sind, verringert werden, was eine weitere Erhöhung der Produktivität des maschinellen Bearbeitungsprozesses insgesamt erlaubt.
Durch den geringen Abrieb, denen die Einsätze unterliegen, konnte eine Anzahl von Werkstücken (120 Stück) praktisch doppelt maschinell bearbeitet werden im Vergleich zu der Anzahl von Werkstücken, die mit bekannten Einsätzen in herkömmlichen Schmier-/Kühlsystemen bearbeitet werden konnten.
Ferner bestand bei dem Werkstück, das unter Einsatz des herkömmlichen Schmier-/Kühlsystems maschinell bearbeitet worden ist, die Notwendigkeit, einen nachträglichen Schleifvorgang durchzuführen, um Oberflächenwelligkeit zu beseitigen, während das unter Einsatz des erfindungsgemäßen Schmier- /Kühlsystems bearbeitete Werkstück bereits eine optimale Oberflächenbeschaffenheit aufwies, d.h. einen Schliff frei von Welligkeit und mit einer Rauhigkeit gemäß den geforderten Werten.
BEISPIEL 2
Innere und äußere Drehwerkzeugarbeiten wurden an Gußeisen des Typs GG25 mit einer Härte von 220 HB und einer spezifischen Schneidkraft von 1150 N/mm² ausgeführt. Im erfindungsgemäßen System wurde das Schmier-/Kühlfluid von einer einzigen Düse nahe des Einsatzes (innere Zuführung) zugeführt.
Die für das Werkzeug verwendeten Einsätze werden von der Firm SANDVIK mit einer Qualität hergestellt, die die Bezeichnung GC3215 trägt.
Die Resultate der durchgeführten maschinellen Bearbeitungen, ausgedrückt als Durchschnittswerte des Satzes von gleichen Prüfungen, sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt, wobei die erste Spalte die Parameter des herkömmlichen Schmier- und Kühlsystems enthält und die zweite die Parameter eines erfindungsgemäßen Schmier- und Kühlsystems umfasst.

*KT2-0,8: stufenförmige Auskolkung der Schneidfläche mit einer Tiefe von 0,8 mm.
**VB1-0,2: gleichmäßiger Flankenabrieb mit einer Tiefe von 0,2 mm.

Auch in diesem Fall ist die Durchflussrate immer beträchtlich geringer als 1/10 im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
Außerdem wurden erhebliche Verbesserungen erzielt, sowohl im Hinblick auf die Produktivität (+240%) als auch bezüglich der Qualität der maschinellen Bearbeitung (+50%).
Aus der Untersuchung des Abriebs an den Einsätzen wird ersichtlich, dass ein erfindungsgemäßes System eine konstante Qualität des Werkzeugs sicherstellt: die Standzeit des Einsätze wird anscheinend praktisch verdoppelt.
BEISPIEL 3
Es wurden verschiedene Bohrarbeiten an dem gleichen Werkstoff durchgeführt wie in Beispiel 2. Im erfindungsgemäßen System wurde das Schmier-/Kühlfluid von zwei Düsen zugeführt, die auf den Schnittbereich gerichtet waren.
Die für das Werkzeug verwendeten Einsätze werden von der Firm SANDVIK hergestellt, beide mit der Bezeichnung 53/3040 und der Bezeichnung 53/1020.
Die Resultate der durchgeführten maschinellen Bearbeitungen, ausgedrückt als Durchschnittswerte des Satzes von gleichen Prüfungen, sind in der folgenden Tabelle 3 aufgelistet, wobei die erste Spalte die Parameter des herkömmlichen Schmier- und Kühlsystems enthält und die zweite die Parameter eines erfindungsgemäßen Schmier- und Kühlsystems umfasst.

*KT2-0,35: stufenförmige Auskolkung der Schneidfläche mit einer Tiefe von 0,35 mm.
**VB1-0,2: gleichmäßiger Flankenabrieb mit einer Tiefe von 0,25 mm.

Auch in diesem Fall liegt die Durchflussrate immer erheblich unter 1/10 im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
Außerdem wurden beträchtliche Verbesserungen erzielt, sowohl im Hinblick auf die Produktivität (+140%) als auch bezüglich der Qualität der maschinellen Bearbeitung (+50%).
Auch die Untersuchung des Abriebs an den Einsätzen liefert stark verbesserte Resultate in Bezug auf die bekannte Technik: tatsächlich war es möglich, 71 Bohrmeter auszuführen im Vergleich zu 30 Metern, die durch Einsätze erreicht wurden, die unter Einsatz eines herkömmlichen Schmier-/Kühlsystems betrieben wurden.
BEISPIEL 4
Rändelarbeiten wurden an weichgeglühtem Stahl des Typs AISI 416 mit einer Härte von 200 HB und einer spezifischen Schneidkraft von 1800 N/mm² ausgeführt.
Hier wird die Trockenzerspanung mit der maschinellen Bearbeitung verglichen, die der Einwirkung des Schmier- und Kühlfluids ausgesetzt ist, das mittels eines erfindungsgemäßen Systems zugeführt wird. Diese Art des Vergleichs wird zur Verfügung gestellt, weil für bestimmte Arten von maschineller Bearbeitung, Werkstoffen und Werkzeugen, die Trockenzerspanung vorgesehen ist. Die Trockenzerspanung basiert auf der Annahme, daß dieselben Späne, die während der Bearbeitung entfernt werden, es gleichzeitig gestatten, Wärme auszutragen und somit die Wärme selbst von der Kontaktfläche von Werkstück und Werkzeug zu abzuführen.
Das Schmier- und Kühlfluid des erfindungsgemäßen Systems wurde durch ein 3-Düsensystem zugeführt.
Die für das Werkzeug verwendeten Einsätze werden von der Firma SANDVIK unter der Bezeichnung 2040 hergestellt.
Die folgende Tabelle 4 liefert die Resultate der Prüfungen, so wie sie ausgeführt wurden.

*CF: katastrophales Versagen.
**VB1-0,15: gleichmäßiger Flankenabrieb mit einer Tiefe von 0,15 mm.

Steigerungen der Produktivität (+70%) und vor allem Verbesserungen der Qualität der maschinellen Bearbeitung (+650%) sind sofort ersichtlich.
Abgesehen von der Verbesserung der Werkzeugqualität, bei der das Werkzeug weniger verschleißt, liegt ein weiteres besonders interessantes Ergebnis in der erheblichen Verlängerung der Standzeit des Einsatzes (+1400%).
BEISPIEL 5
Es wurden verschiedene frontale Nutschneidearbeiten an einem Stahlwerkstoff des Typs AIS13161 mit einer Härte von 180 HB und einer spezifischen Schneidkraft von 2450 N/mm² ausgeführt. Im erfindungsgemäßen System wurde das Schmier-/Kühlfluid in diesem Fall von einer einzigen Düse zugeführt.
Die für das Werkzeug verwendeten Einsätze werden von der Firm SANDVIK unter der Bezeichnung GC235 hergestellt.
Die Resultate der durchgeführten Arbeiten sind in der nachstehenden Tabelle 5 aufgelistet:

*CF: katastrophales Versagen.
**VB1-0,10: gleichmäßiger Flankenabrieb mit einer Tiefe von 0,10 mm.

Die Verringerung der Durchflussrate des Schmier-/Kühlfluids und die Verlängerung der Standzeit der Einsätze werden bestätigt.
BEISPIEL 6
Es wurden Runddreharbeiten an einer Messinglegierung des Typs CuSn5Pb5Zn5-C mit einer Härte von 100 HB und einer spezifischen Schneidkraft von 700 N/mm² durchgeführt.
Wie in Beispiel 4 wird ein Vergleich zur Verfügung gestellt zwischen der Trockenzerspanung und der maschinellen Bearbeitung unter Einwirkung des Schmier- und Kühlfluids, das mittels eines erfindungsgemäßen Systems zugeführt wird.
Das Schmier-/Kühlfluid des erfindungsgemäßen Systems wurde von einem Einzeldüsensystem zugeführt.
Die für das Werkzeug verwendeten Einsätze werden von der Firm SANDVIK unter der Bezeichnung H13A hergestellt.
Die folgende Tabelle 6 gibt die Resultate der Prüfungen wieder, so wie sie ausgeführt wurden.

*VB1-0,30: gleichmäßiger Flankenabrieb mit einer Tiefe von 0,3 mm.
**VB1-0,15: gleichmäßiger Flankenabrieb mit einer Tiefe von 0,15 mm.

Die Produktivitätsergebnisse sind erheblich besser (+200%) und auch die Qualität der maschinellen Bearbeitung zeigt sich erhöht (+50%).

Claims

Vorrichtung zum Zuführen eines Kühl- und/oder Schmierfluids nahe der Kontaktfläche zwischen einem Werkzeug (2) und einem zu bearbeitenden Werkstück, umfassend zumindest einen Kreislauf für den Umlauf des genannten Fluids sowie Zuführungsmittel, um das genannte Fluid nahe oder an der Kontaktfläche zwischen dem genannten Werkzeug (2) und dem genannten Werkstück bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Zuführungsmittel eine oder mehr Düsen (20) zur luftlosen Zerstäubung umfassen, um das genannte Fluid zu zerstäuben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte eine oder mehr Düsen (20) eine Zuführöffnung mit einem Durchmesser zwischen 0,10 mm und 0,80 mm besitzt/besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte eine oder mehr Düsen (20) eine fächerförmige planare Konfiguration des Strahls aufweist/aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die genannte eine oder mehr Düsen (20) einen Spritzwinkel des Strahls zwischen 10° und 80° hat/haben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der genannte Kreislauf Mittel zum Transportieren des genannten Fluids zu der genannten einen oder mehr Düsen (20) bei Drücken von nicht mehr als 150 bar umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der genannte Kreislauf Mittel zum Transportieren des genannten Fluids zu der genannten einen oder mehr Düsen (20) bei Drücken zwischen etwa 5 bar und etwa 70 bar einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der genannten einen oder mehr Düsen (20) außerhalb des genannten Werkzeugs (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der genannten einen oder mehr Düsen (20) in Strömungsverbindung mit einem im genannten Werkzeug (2) vorgesehenen Innenkanal steht.
Verfahren zum Zuführen eines Schmier- und/oder Kühlfluids nahe der Kontaktfläche zwischen einem Werkzeug (2) und einem zu bearbeitenden Werkstück, wobei das genannte Fluid durch einen Kreislauf transportiert und nahe oder an der Kontaktfläche zwischen dem genannten Werkzeug (2) und dem genannten Werkstück zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführen des genannten Fluids durch seine Zerstäubung mittels einer oder mehr Düsen (20) zur luftlosen Zerstäubung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die genannte eine oder mehr Düsen (20) eine Zuführöffnung mit einem Durchmesser zwischen 0,10 mm und 0,80 mm besitzt/besitzen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die genannte eine oder mehr Düsen (20) eine fächerförmige planare Konfiguration des Strahls aufweist/aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die genannte eine oder mehr Düsen (20) einen Spritzwinkel des Strahls zwischen 10° und 80° hat/haben.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das genannte Fluid zu der genannten einen oder mehr Düsen bei Drücken von nicht mehr als 150 bar transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das genannte Fluid zu der genannten einen oder mehr Düsen bei Drücken zwischen etwa 5 bar und etwa 70 bar transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zuführen des genannten Fluids durch Zerstäubung außerhalb des genannten Werkzeugs (2) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zuführen des genannten Fluids durch Zerstäubung innerhalb des genannten Werkzeugs (2) vorgesehen ist.