Minimalmengenschmierung - BENZ GmbH Werkzeugsysteme

Technologietag 2013MinimalmengenschmierungMotivation, Grundlagen, Systeme, Medien,EinsatzbeispieleTechnologietag „Treffpunkt Minimalmengenschmierung“der Firma Benz GmbH am 19.06.2013 in Haslach i. K.Dr.-Ing. Klaus GerschwilerLehrstuhl für Technologie der FertigungsverfahrenRWTH Aachen UniversityProf. Dr.-Ing. Dr. E. h. Dr. h. c. Dr. h. c. F. Klocke© WZL/Fraunhofer IPT

Die RWTH Aachen und die Fraunhofer-GesellschaftFraunhofer-Gesellschaft• Mehr als 80 Institute und Einrichtungenan 40 Standorten in Deutschland• >20 000 Mitarbeiter• Forschungsvolumen über 1,8 Mrd €,davon 1,5 Mrd € Vertragsforschung• 3 Institute in AachenTechnologietag 2013RWTH Aachen• gegründet 1870• 37 917 StudierendeFakultät für Maschinenwesen• 10 100 Studierende(davon 2200 Studienanfänger)• 62 Professoren• 2600 Mitarbeiter• 140 Promotionen/Jahr© WZL/Fraunhofer IPTSeite 1

Produktionstechnik am Standort AachenWerkzeugmaschinenlabor WZL• Institut der RWTH Aachen• 1906 gegründet• 740 Mitarbeiter• 16 000 m² Bürofläche und LaboreTechnologietag 2013Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT• Institut der Fraunhofer-Gesellschaft• 1980 gegründet• 380 Mitarbeiter• 3000 m² Bürofläche und Labore• Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001:2008© WZL/Fraunhofer IPTSeite 2

Technologie der Fertigungsverfahren −Zerspantechnologie• Analyse der Zerspanbarkeit vonEisen- und NE-Metallen• Analyse von Werkzeugverschleiß,Werkstoffen und Schneidstoffen• Prozessentwicklung und Prozessoptimierungbeim Drehen, Fräsen,Bohren, Räumen• Entwicklung von Bearbeitungsstrategien,HPC- und HSC-Prozessen,Zirkularprozessen, sicheren Fertigungsprozesse• Entwicklung von KSS-Konzepten:Trocken, Minimalmenge, Hochdruck,Kryo• Werkzeugentwicklung: Substrat,Makro- und Mikrogeometrie,Beschichtung, Spanbildung• Entwicklung einer umweltverträglichen,ressourcenschonendenZerspantechnik© WZL/Fraunhofer IPTAnalyse von Zerspanbarkeitund VerschleißmechanismenEntwicklung von KSS-Konzepten,HochdruckkühlungTechnologietag 2013Prozess- und Werkzeugentwicklung,HPC- und HSC-BearbeitungVirtuelle Umweltverträgliche Realität undressourcenschonende ZerspantechnikSeite 3

AgendaTechnologietag 20131Motivation2Grundlagen der Minimalmengenschmierung3Systeme für die Minimalmengenschmierung4Medien für die Minimalmengenschmierung5Einsatzbeispiele6Zusammenfassung und Ausblick© WZL/Fraunhofer IPTSeite 4

Technologietag 2013Anteilige Kosten des Kühlschmierstoffes bei einer NaßzerspanungBeispiel 1: Al-Zylinderkopf, Firma A, prismatischBeispiel 2: Al-Zylinderkopf, Firma B, prismatisch79,2%70%46,1%82,4% 70%69%4,0%3,1%4,0%1%16,8%InvestitionenReinigung13,6InvestitionenEntsorgungBeispiel 3: Al-Getriebegehäuse, Firma C, prismatischBeispiel 4: Antriebskegelrad, rotationssymetrisch90,0%70%58,4%89,6% 70%Quelle: Daimler Chrysler, BMW, VW, ISF© WZL/Fraunhofer IPT7,5%1,1%2,5%InvestitionenEntsorgungsonstige FertigungskostenKSS-Kosten21%9%3,1%1,4%AbschreibungenEntsorgungWerkzeugkostenSeite 5

Prozeßkette durch Trockenbearbeitung verkürzenTechnologietag 2013Stoffstrom Bauteil (Wertschöpfung)RohteilFertigungsprozesse 1 ... nWerkstückSchweißenKlebenBeschichtenGalvanisierenMontageFertigteilKSS -AnlageSpänegebrauchterKSSBauteilreinigungTrockenbearbeitungQuelle:Beschaffung- Neubefüllung- NachbefüllungKühlschmierstoffkreislaufKSS - undSpänereinigungSpäneAbwasserEntsorgungBelastungen von Mensch und UmweltGesetzliche Auflagen WertewandelKostensteigerungRessourcenverzehrKosteneinsparungProzeßkettenverkürzungVerfahrensintegrationMitarbeitermotivationImagegewinn© WZL/Fraunhofer IPTSeite 6

AgendaTechnologietag 20131Motivation2Grundlagen der Minimalmengenschmierung3Systeme für die Minimalmengenschmierung4Medien für die Minimalmengenschmierung5Einsatzbeispiele6Zusammenfassung und Ausblick© WZL/Fraunhofer IPTSeite 7

Wärmequellen und Wärmeverteilung bei der ZerspanungTechnologietag 2013WärmequellenWärmeverteilungWerkstück(WS)abdcSpan (SP)Werkzeug (WZ)Q gesW e~W e ~ W cW c = F c . I cQ WS ~ 5-10%Q gesWerkstück5-10%75-80% Span10-15%Werkzeuga: Scherebeneb: Trennzonec: Reibungszone Freifläched: Reibungszone SpanflächeQ ges : ZerspanwärmeW e : Wirkarbeit: SchnittarbeitW cF cI c: Schnittkraft: SchnittwegWirkarbeitVerformungsarbeitScherarbeitTrennarbeitWärmeW e F c . I cReibungsarbeitFreiflächenreibungSpanflächenreibungW e Q gesnach: Kronenberg und Vieregge© WZL/Fraunhofer IPTSeite 8

Technologietag 2013Bei der Trockenbearbeitung entfallen die primären KSS-FunktionenReduzierungXKühlenSchmieren XXSpäneabfuhrReduzierungThermischeBelastung vonWerkzeugBauteilSpäneWZMReibungAdhäsionAuswirkungenSpanabfuhr vonWerkstückWerkzeugWZMWerkzeug (Verschleiß, plastische Verformung, Spanformung)Bauteil (Form- und Maßgenauigkeit, Oberfläche, Randzone)Werkzeugmaschine (Genauigkeit, Spanabtransport)Quelle:Aufgabe bei einer TrockenbearbeitungFunktionen des Kühlschmierstoffes substituieren© WZL/Fraunhofer IPTSeite 9

Auswirkungen der Trockenbearbeitung auf den ZerspanprozeßTechnologietag 2013NaßbearbeitungTrockenbearbeitungQ KSSKühlenSchmierenQ KSSQ LuftQ SPQ SPQ WSQ WZQ WZStarke Erwärmung von Werkzeug, Span und BauteilQuelle:Hohe Warmhärte und Warmverschleißfestigkeit des SchneidstoffesWerkzeuge mit optimierter GeometrieAngepaßte Schnittwerte© WZL/Fraunhofer IPTSeite 10

Technologische Grenzen überwindenTechnologietag 2013TrockenbearbeitungTechnologische Grenzen überwindenMinimalmengenschmierungMMSWerkzeugoptimierungVerfahrenssubstitutionSchneidstoffsubstrateWarmverschleißfestigkeitSchichtsysteme-Al 2 O 3 , (Ti,Al)N-MoS 2- DiamantGeometrie- Spannutform- innere MMS-Zuführung- Lage der Austrittsöffnungenfür MMS-Mediuminnere / äußere ZufuhrMMS-SystemMMS-MediumAerosol-MengeGewindefräsen stattGewindebohrenGewindeformen stattGewindebohrenBohrgewindefräsen stattBohren und GewindebohrenZirkularfräsen statt BohrenHartdrehen statt SchleifenQuelle:© WZL/Fraunhofer IPTSeite 11

Definition des Begriffs „Minimalmengenkühlschmierung“Technologietag 2013Minimalmengenkühlschmierung(MMKS)Minimalmengenkühlung(MMK)Minimalmengenschmierung(MMS)EmulsionWasser (c p, Wasser ) = 4,18 kJ/kgKLuft (c p, Luft ) = 1,04 kJ/kgKÖl (c p, Öl ) = 1,92 kJ/kgKMedium Kühlung Schmierung SpantransportEmulsion sehr gut gut sehr gutÖl gut sehr gut gutDruckluft bedingt keine bedingtQuelle:© WZL/Fraunhofer IPTSeite 12

Gängige Definition des Begriffs „Minimalmengenschmierung“Technologietag 2013Minimalmengenschmierung(MMS)Gezielte und niedrig dosierte Aufbringungvon hochwirksamen Schmierstoffenca. 20 - 50 ml / Prozeßstunde und DüseQuelle:© WZL/Fraunhofer IPTSeite 13

Auswirkungen der Trockenbearbeitung auf den ZerspanprozeßTechnologietag 2013NaßbearbeitungTrockenbearbeitungQ KSSKühlenSchmierenQ KSSQ LuftQ SPQ SPQ WSQ WZQ WZStarke Erwärmung von Werkzeug, Span und BauteilQuelle:Hohe Warmhärte und Warmverschleißfestigkeit des SchneidstoffesWerkzeuge mit optimierter GeometrieAngepaßte Schnittwerte© WZL/Fraunhofer IPTSeite 14

Einfluss von Beschichtung und Schmiermedium auf Verschleißmechanismenund KontaktbedingungenTechnologietag 2013ReibungWärmeVerschleißSpanSubstratSchmiermedium (hydrodyn./-stat.)+ AdditiveSchichthohe thermo-mechanischeBeanspruchungenkomplexe VerschleißvorgängeOberflächeneffekte:Volumeneffekte:AbrasionAdhäsionTribooxidatiionDiffusionRissbildungplastische Verformung© WZL/Fraunhofer IPTSeite 15

Technologietag 2013Einfluß der Minimalmengenschmierung auf die WerkzeugtemperaturWerkstoff: C45Bohrer mit Thermoelementen400trockenWerkzeugtemperatur maxoC3002502001500MMSKSS40 60 m/min 100Nahe der Hauptschneidepositionierte ThermoelementeVerfahren: BohrenWerkzeug: HC-P + TiND = 11,8 mmSchnittgeschwindigkeit v cf = 0,2 mmQuelle:© WZL/Fraunhofer IPTSeite 16

Technologische Bedeutung der MinimalmengenschmierungTechnologietag 2013Primäre Aufgabe der MMS ist es,Reibung und Adhäsion zwischenWerkzeug, Span und Bauteilzu verringernWerkzeugversageninfolge von Werkstoffverklebungenin der SpannutM157/95und damit dazu beitragentechnologische Grenzen bei derTrockenbearbeitungzu überwindenQuelle:Werkstoff: GD-AlSi9Cu3Bohrer: Vollhartmetall, TiAlN-beschichtetBohrung: d = 8,5 mm, l = 30 mmSchnittgeschwindigkeit: v c = 270 m/minVorschub: f = 0,25 mmAnzahl Bohrungen: 8Trockenbearbeitung© WZL/Fraunhofer IPTSeite 17

Das System Minimalmengenschmierung (MMS)Technologietag 2013Einstellparameter- Ölmenge- Luftmenge- ....MMS-System- innere / äußere Zufuhr- 1-kanalig / 2-kanalig- ....WirtschaftlicheTrockenbearbeitungmit MMSMMS-Medien- Esteröle- Fettalkohole- ....Quelle:Werkzeuge- mit inneren Kühlkanäle- ohne Kühlkanäle- ....Werkzeugmaschine- innere / äußere Zufuhr- Nachrüstbarkeit- Absaugung- ....© WZL/Fraunhofer IPTSeite 18

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MMS-ZuführungssystemeTechnologietag 2013Äußere MMS-ZuführungInnere MMS-Zuführung1-kanalig2-kanalig1-kanalig1-Kanal-DrehdurchführungÖlzufuhr2-kanalig2-Kanal-DrehdurchführungInjektordüseDruckluftzufuhrÖlzufuhrDruckluftzufuhrDruckluftzufuhrdruckloser BehälterQuelle:Versorgungs-SystemeMischkammerÖlDruckbehälterÖlPumpe© WZL/Fraunhofer IPTSeite 20

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Medien für die Minimalmengenschmierung:Esteröle und FettalkoholeTechnologietag 2013Esterölechemisch modifizierte pflanzliche ÖleFettalkoholelangkettige Alkohole aus natürlichenRohstoffen oder aus Mineralöl- gute biologische Abbaubarkeit- niedrige Wassergefährdungsklasse- toxikologisch unbedenklich- hoher Flammpunkt und Siedepunkt beiniedriger Viskosität- sehr gute Schmierwirkung- guter Korrosionsschutz- schlechtere Kühlwirkung als Fettalkohole- verdampft nicht rückstandsfrei- niedriger Siedepunkt und Flammpunkt beivergleichsweise hoher Viskosität- schlechtere Schmierwirkung als Ester- bessere Wärmeabfuhr durch Verdampfungswärme- verdampft rückstandsarmQuelle: FUCHS DEA Schmierstoffe© WZL/Fraunhofer IPTSeite 22

Chemische Modifikation von PflanzenölenTechnologietag 2013Pflanzenöle ...... werden durch chemische Modifikationen ...Einstellung von: Viskosität Verdampfungsverlust Oxidationsstabilität Hydrolytische Stabilität Biologische Abbaubarkeit Schaumverhalten etc.... zu Synthese-Estern: Quelle: FuchsFettsäure + Alkohol Ester + WasserR 1OOH+CatalystR 2 OH R 2 O R 1 + H 2 OO© WZL/Fraunhofer IPTSeite 23

Eigenschaften von Esterölen vs MineralölenTechnologietag 2013Esteröle- sind bei gleicher Viskosität wesentlich verdampfungsärmer- haben bei gleicher Viskosität einen um 30 °C höheren Flammpunkt- haben aufgrund ihrer polaren chemischen Struktur bessere SchmiereigenschaftenEsteröleMineralöleViskosität (mm 2 /s) bei 40 °C 5 5Verdampfungsverlust (%) 20 85Flammpunkt (°C) 180 120Siedebereich (°C) 266 - 412 216 - 381Esteröle sind im Hinblick auf- Gesundheits- und Arbeitsschutz-Umwelt- technische Leistungsfähigkeitden Mineralölen überlegen.Quelle: Fuchs Petrolub AG© WZL/Fraunhofer IPTSeite 24

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Anwendungsgebiete der MMSTechnologietag 2013Werkstoff Aluminium Stahl GussVerfahrenGusslegierungenKnetlegierungenHochlegierteStähle,WälzlagerstahlAutomatenstahl,VergütungsstahlGG20 – GGG70Bohren MMS MMS MMS Trocken/MMS Trocken/MMSReiben MMS MMS MMS MMS MMSGewindeschneidenGewindeformenMMS MMS MMS MMS MMSMMS MMS MMS MMS MMSTiefbohren MMS MMS MMS MMSFräsen MMS/Trocken MMS Trocken Trocken TrockenDrehen MMS/Trocken MMS/Trocken Trocken Trocken TrockenWälzfräsen Trocken Trocken TrockenSägen MMS MMS MMS MMS MMSRäumen MMS MMS/Trocken TrockenQuelle: WZL, ISF, GFE, wbk© WZL/Fraunhofer IPTSeite 26

Trockenbearbeitung eines Bauteils im Serienbetrieb mit MMSTechnologietag 2013Lagerhebel, GG20Werkzeugtyp61FräserWSP-BohrerWerkstückvolumen:Zerspanungsvolumen:Anzahl der Werkzeuge:450 cm 3150 cm 3213Senker112313ZentrierbohrerEntgratwerkzeugBohrstangenHM-Bohrer 1GewindebohrerReibahlen 21) Vollhartmetallbohrer3-Schneider, beschichtet2) Einschneidenreibahle mitPKD-Stützleiste3) MinimalmengenkühlschmierungProzeßzeit t hu8min4207,94naß6,52trockenQuelle: Heidelberger Druckmaschinen© WZL/Fraunhofer IPTSeite 27

MMS-Hochleistungsreiben in SphärogußTechnologietag 2013Bremssattel ausSphärogussnassv c = 250 m/min, f = 1,5 mmMMSv c = 400 m/min, f = 2 mmQuelle:© WZL/Fraunhofer IPT0 300 600Zeitspanvolumen Q' cm 3 /minSeite 28Quelle: DIHART

AgendaTechnologietag 20131Motivation2Grundlagen der Minimalmengenschmierung3Systeme für die Minimalmengenschmierung4Medien für die Minimalmengenschmierung5Einsatzbeispiele6Zusammenfassung und Ausblick© WZL/Fraunhofer IPTSeite 30

Zusammenfassung ITechnologietag 2013• Die MMS ist ein zentraler Bestandteil der Trockenbearbeitung und bei zahlreichenBearbeitungsaufgaben unverzichtbar.• Dies gilt insbesondere für die Bearbeitung von Werkstoffen, die sehr stark zuVerklebungen mit dem Werkzeug neigen, wie z. B. Aluminiumlegierungen.• Sie ist notwendig bei Verfahren, bei denen starke Reib- und Adhäsionsvorgängeauftreten, wie beim Bohren, Gewindeschneiden, Feinbohren und Reiben.• Sie ist erforderlich, wenn hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität gestelltwerden.• Der Einsatz der MMS erfordert angepasste Werkzeuge und Maschinen.• Die Erwärmung des Bauteils erfordert zur Erzielung der geforderten Bauteilgenauigkeitangepasste Bearbeitungsstrategien.• Werkzeuge, Maschinen, MSS-Systeme und die Technologie für eine Trocken-/MMS-Bearbeitung stehen heute zur Verfügung.• Eine Umstellung auf eine Trocken-/MMS-Bearbeitung sollte möglichst imZusammenhang mit der Beschaffung neuer Maschinen erfolgen. Die Nachrüstungvorhandener Nassmaschinen ist möglich, aber oft aufwendig und schwierig.Quelle:© WZL/Fraunhofer IPTSeite 31

Zusammenfassung IITechnologietag 2013• Trocken- bzw. MMS-Bearbeitung muss erlernt werden.• Sie erfordert kompetente und engagierte Mitarbeiter bei den Werkzeug-, MMS-SystemundWerkzeugmaschinenhersteller und engagierte und qualifizierte Mitarbeiter bei denAnwendern.• Sie eignet sich vor allem bei großen Stückzahlen. Bei geringen Stückzahlen,Einzelfertigung oder sehr unterschiedlichen Werkstoffen auf der Maschine ist eineTrocken-/MMS-Bearbeitung sehr schwierig zu realisieren.• Sie trägt bei zur Schonung der Umwelt und zur Verbesserung des Arbeitsumfeldes.• Dort wo möglich, beinhaltet sie ein hohes Potential zur Kostenreduzierung und kann zurSicherung und zum Ausbau von Wettbewerb und Marktanteilen beitragen.Quelle:© WZL/Fraunhofer IPTSeite 32

AusblickTechnologietag 2013• Viele Unternehmen produzieren seit vielen Jahren erfolgreich trocken bzw. mit MMS– Bei Volkswagen Salzgitter befindet sich derzeit die fünfte Linie zur Fertigung von Aluminium-Zylinderköpfen imAufbau, die beim Fräsen, Bohren, Reiben und Gewinden mit Minimalmengenschmierung (MMS) arbeitet. Wasvorher vier Liter Kühlschmierstoff (KSS) pro Werkstück verschlang, funktioniert heute mit 0,007 Liter eines Öl-Luftgemisches (Quelle: Produktion, 10.06.2013)• Viele Unternehmen weiten ihre MMS-Bearbeitung aus oder stellen ihre Nass-Fertigungauf Trocken-/MMS-Bearbeitung um:– Beispiel: Zukünftige Aluminiumbearbeitung bei VW SachsenBearbeitung bisheriges KSS-Konzept geplantes KSS-KonzeptFräsen Emulsion / MMS Trocken / EmulsionBohren Emulsion / MMS MMS / EmulsionReiben Emulsion MMS / EmulsionGewindeformen Emulsion MMSTieflochbohren Emulsion MMSHonen Emulsion EmulsionQuelle: VW SachsenDie Möglichkeiten, die eine Trocken-/MMS-Bearbeitung bietet, sollte Unternehmenveranlassen, sich aktiv mit dieser Technologie auseinanderzusetzen und zu prüfen,welche Chancen diese Technologie auch für ihre Produktion bietet.© WZL/Fraunhofer IPTSeite 33

Technologietag 2013Entwicklung eines Modells zurKompensation thermoelastischerWerkstückverformungen beimTrockendrehenDFG Schwerpunktprogramm 1480© WZL/Fraunhofer IPT

Technologietag 2013Ausgangssituation und technisch-wirtschaftliche ProblemstellungSpannmittelSchnittstelleWerkstück/Wz.-MaschinethermoelastischeVerformungAusgangssituation• Trockenbearbeitung wird in vielenAnwendungsfällen industriell angewendet• Umstellung von Nass- auf Trockenbearbeitungstellt immer nochHerausforderung darWerkstück• Zentrales Problem: Stärkere Erwärmung Deformation der WerkstückeWerkzeugSpanTechnisch-wirtschaftliche Problemstellung• Form- und Maßabweichungen an dengefertigten Bauteilen führt zu AusschussWärmeflüsse• Forderung der Anwender „Berechnungs- undKompensationsmethoden anstatt ineffektiverTrial-and-Error Kompensation“© WZL/Fraunhofer IPTSeite 35

Zielsetzung und wissenschaftlicher Lösungsansatz –Zerspanung als MehrskalenproblemTechnologietag 2013Zielsetzung: Entwicklung einer Berechnungsgrundlage zur Steuerung und Kompensationder thermoelastischen Werkstückdeformation bei der TrockendrehbearbeitungLösungsansatz: Mehrskalenmodell des TrockendrehprozessesEffiziente Berechnung durch Betrachtung unterschiedlicher physikalischerWirkmechanismen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen SkalenMikroskopische Ebene:SpanbildungsmodellMakroskopische Ebene:Werkstückmodell1 mmWärmestrom100 mm∆t < 10 ms∆t

Steuerung, Minimierung und Kompensation der thermoelastischenTechnologietag 2013Form- und MaßabweichungenSteuerung und Minimierung: Spanbildungsmodell berechnetWerkstückwärmestrom in Abhängigkeit von– Schnittparametern– Schnittstrategie– Makro- und Mikrogeometrie– SchneidstoffVerformungWärmestromSollkontur50x vergrößertUnverformteSollkontur VorschubWZ1WZ2500Total Displacement /µmKompensation:• Werkstückmodell berechnet Temperaturverteilungund thermoelastische Verformung Modifikation der Werkzeugbahn Grundlage für automatische NC-Kompensation10020Temperature / °C© WZL/Fraunhofer IPTSeite 37

Ankündigung3. Aachener Kühlschmierstoff-TagungTechnologietag 20133. Aachener KSS-Tagung„Ökonomischer und ökologischerEinsatz von Kühlschmierstoffenin der Zerspanung“am12.-13. November 2013am WZL in Aachenin Kooperation mit© WZL/Fraunhofer IPTSeite 38

Technologietag 2013Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit© WZL/Fraunhofer IPTSeite 39

AnsprechpartnerTechnologietag 2013Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dr. h. c. F. Klockef.klocke@wzl.rwth-aachen.de+49/241/80-27401Dipl.-Ing. D. Lungd.lung@wzl.rwth-aachen.de+49/241/80-27401Dr.-Ing. K. Gerschwilerk.gerschwiler@wzl.rwth-aachen.de+49/241/80-27363Anschrift:Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH AachenLehrstuhl für Technologie der FertigungsverfahrenSteinbachstraße 1952074 AachenFax: +49/241/80-22293www.wzl.rwth-aachen.de© WZL/Fraunhofer IPTSeite 40