Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 12 FacHartiKEl FacHartiKEl Blaser beobachtet in innovativer Versuchsreihe die Spanbildung mit Kühlschmierstoff Linus Meier, Blaser Swisslube Eine eigens für diesen Zweck entwickelte Wanne mit Glasboden erlaubt die Betrachtung des Zerspanungsprozesses mit Kühlschmierstoff (KSS) aus einer neuen Perspektive. Damit lassen sich die Strömung und die Wirkmechanismen des KSS untersuchen. So kann zum Beispiel der Phasenwechsel eines vollsynthetischen KSS in-situ beobachtet werden. Einleitung Die Idee, den Zerspanungsprozess, die Spanbildung und das Verhalten des KSS so präzise wie noch nie in Bild und Video festzuhalten, entstand im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes mit der ETH Zürich. Bei der Zerspanung mit bestimmter Schneide spielt sich so viel in so kurzer Zeit und auf kleinstem Raum ab, dass mit konventioneller Messtechnik keine befriedigenden Einblicke möglich sind und die Forschung immer mehr auf Simulationen ausweicht. Kommen jedoch zusätzlich KSS ins Spiel, stoßen sowohl Messtechnik als auch Simulation an ihre Grenzen. Die meisten KSS sind trüb und verhindern so die Sicht auf die Spanbildungszone. Weiter lassen die Strömungs- und Phasenwechselphänomene den Simulationsaufwand explodieren. Versuchsaufbau Es wurde eine Wanne mit einer Öffnung im Boden gefertigt (siehe Abbildung 1). Diese Öffnung wurde mit einer Floatglasscheibe abgedeckt. Mit Hilfe einer Halterung wurde das Werkstückmaterial gegen die Glasscheibe gedrückt, die dadurch wiederum gegen die Dichtung gepresst wurde. Diese Konstruktion ermöglichte einen einfachen Austausch der Glasscheibe, wenn diese verschlissen oder mit anhaftendem Werkstückmaterial verschmutzt war. Im Technologiecenter von Blaser Swisslube werden KSS-Neuentwicklungen getestet und Fertigungssitua- Linus Meier Nach dem Maschinenbaustudium an der ETH Zürich promovierte Linus Meier 2020 ebenfalls an der ETH Zürich über die Wirkmechanismen von Kühlschmierstoffen in der Titanzerspanung. Seither ist er bei Blaser Swisslube tätig, wo er sich mit allen Themen rund um das Testen von Kühlschmierstoffen beschäftigt. Dies umfasst sowohl Zerspanungsversuche, deren Auswertung, aber auch Grundlagenversuche und die Digitalisierung. 13 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 Fachartikel-|-Blaser beobachtet die Spanbildung mit Kühlschmierstoff tionen der Kunden unter realistischen Bedingungen auf Werkzeugmaschinen nachgestellt. Das Technologiecenter bot die ideale Umgebung, um den Versuchsauf bau zu realisieren. Um möglichst realistische Bedingungen im Fräsprozess zu schaffen, wurden die Versuche auf einer 5-Achsen-Fräsmaschine durchgeführt, die zudem eine bequeme Ausrichtung des Aufbaus unter Ausnutzung der Dreh- und Schwenkachsen erlaubte. Für die Fräsversuche wurden speziell geschliffene, zweischneidige Vollhartmetallfräser mit einem Durchmesser von 15,9 mm verwendet. Es wurden zwei verschiedene Spanwinkel benutzt: 6° für härtere Materialien und 10° für weichere und zähere Materialien. Ein sonst üblicher Drallwinkel wurde in diesem Fall nicht verwendet, um orthogonale Schnittbedingungen zu erhalten und zu verhindern, dass die Späne von der Glasscheibe wegfliessen und aus dem Sichtfeld verschwinden. Die Ecken des Fräswerkzeugs wurden ohne Radius geschliffen, um zu verhindern, dass Werkstückmaterial in axialer Richtung auf die Glasscheibe gedrückt wurde. An der Stirnseite des Werkzeugs wurden keine sekundären Schneidkanten geschliffen, um eine maximale Stabilität der Werkzeugecken zu erreichen. Als Werkstückmaterial wurden Platten mit einer Dicke von 3 mm verwendet. Das Material wurde in einem Schnitt über die ganze Dicke gefräst. Die gewählte Dicke ist ein Kompromiss zwischen der Biegesteifigkeit in axialer Richtung, um einen engen Kontakt zwischen dem Glasfenster und dem Werkstückmaterial aufrechtzuerhalten, und geringen Schnittkräften, um Vibrationen des gesamten Aufbaus zu vermeiden. Als Werkstückmaterial kamen Titan, Messing, Kupfer, Aluminium, rostfreier Stahl und unlegierter Stahl zum Einsatz. Mit dem Versuchsauf bau lassen sich beliebige Flüssigkeiten verwenden. Geeignete KSS sind jedoch zu bevorzugen, da sie den Werkzeugverschleiss verringern. Emulsionen streuen einen Teil des Lichts zurück zur Kamera. Dies führt zu einem schlechteren Kontrast zum ebenfalls reflektierenden Span als transparente Flüssigkeiten. Das wässrige, vollsynthetische Kühlschmiermittel Synergy 735 von Blaser Swisslube ist bei Raumtemperatur transparent, wird aber bei Temperaturen über 40 °C reversibel trüb. Es eignet sich somit gut für den vorgestellten Versuchsauf bau. Zusätzlich zu handelsüblichen Kühlschmierstoffen wurden rheoskopische Flüssigkeiten verwendet, um die Kühlschmierstoff-Strömung zu beob- Abb. 1: Versuchsaufbau in der Fräsmaschine Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 14 Fachartikel | Blaser beobachtet die Spanbildung mit Kühlschmierstoff achten. Eine wässrige Suspension von mikroskopischen Stearinsäurekristallen hat sich als geeignete rheoskopische Flüssigkeit herausgestellt. Für die Videoaufnahmen wurde eine monochrome Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Bildrate von 10 000 fps bei 800 x 600 Pixeln verwendet. Mittels einem Makroobjektiv wurde ein Sichtfeld von 10 mm Breite erreicht. Die Kamera war auf einem manuellen Linearschlitten montiert, um sie der Spindelbewegung nachzujustieren. Das Fräswerkzeug wurde von unten mit einem Hochleistungs-LED-Ringlicht, welches um das Kameraobjektiv herum angebracht war, beleuchtet. Für die Aufnahmen mit der rheoskopischen Flüssigkeit wurde nur ein einzelnes Segment des Ringlichts verwendet, um eine aussermittige Beleuchtung zu erreichen. Um farbige Einzelbilder in hoher Auflösung zu erreichen, wurde das Setup leicht modifiziert und eine Spiegelreflexkamera verwendet. Gängige Spiegelreflexkameras sind mit der Belichtungszeit auf Werte über hundert Mikrosekunden limitiert. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 100 m/ min bewegt sich die Schneide in dieser Zeit bereits um 0.2 mm, würde also auf dem Bild stark verschwommen abgebildet. Moderne LED-Steuerungen erlauben hingegen eine Ein- und Ausschaltzeit von wenigen Mikrosekunden. Wenn die Belichtung also durch das Blitzlicht statt durch die Kamera limitiert wird, lässt sich die Belichtungszeit auf 15 µs verkürzen. Der Zeitpunkt der Blitzauslösung wurde durch einen Mikrocontroller gesteuert, der diesen wiederum mittels Informationen von einer Lichtschranke mit der Spindelrotation synchronisierte. Ergebnisse Der vollsynthetische, wasserlösliche KSS Synergy 735 von Blaser Swisslube wurde so konzipiert, dass er bei erhöhter Temperatur eine ölige Phase abscheidet und sich so eher wie eine Emulsion verhält. Auf diese Weise kann das Fluid dort, wo es benötigt wird, mehr Schmierung bieten. Kühlt es wieder ab, wird es wieder klar, hält die Maschine sauber und bietet gute Sicht auf den Bearbeitungsvorgang. Die Ergebnisse (siehe Abbildung 2) zeigen, dass die Abscheidung tatsächlich schnell genug ist, um während des Bruchteils einer Sekunde, die das Werkzeug im Eingriff ist, zu wirken. Abb. 2: Aufnahme mittels einer Spiegelreflexkamera beim Fräsen von CuZn42 unter dem wasserlöslichen KSS Synergy 735 mit einem Spanwinkel von 10° bei v c = 80 m/ min und f z = 0.05 mm Messing erwies sich als ein gut geeignetes Werkstückmaterial für diesen Versuchsauf bau. Der Werkzeugverschleiss war gering, die Schnittkräfte niedrig und es gab kaum Anhaftungen am Werkzeug oder an der Glasscheibe. Vergleicht man ein bleihaltiges Automatenmessing CuZn39Pb3, ein bleifreies Messing CuZn37 und bleifreies Messing CuZn42 mit einem für die Zerspanbarkeit optimierten Gefüge, so fallen massive Unterschiede in der Spanbildung und dem Kühlschmierstoffverhalten auf (siehe Abbildung 3). Die Spanstauchung und damit der Wärmeeintrag ist beim bleifreien Messing CuZn37 viel grösser als beim bisher gängigen Automatenmessing. Dieser Effekt kann durch die optimierte Legierung vermindert werden, aber die Restwärme muss gegebenenfalls über ein optimiertes Kühlschmierstoffkonzept abgeführt werden. Titan neigte als schwerer zerspanbarer Werkstoff dazu, die Werkzeugecke schnell zu verschleissen, was zu einer Aufschmierung von Werkstückmaterial auf der Glasscheibe und zu Ausbrüchen des Glases führte. Ein Vergleich zwischen der Zerspanung von Titan in einer Emulsion und einem Schneidöl ist in Abbil- Abb. 3: Zerspanung der verschiedenen Messinglegierungen CuZn39Pb3 (links), CuZn39 (Mitte) und CuZn42 (rechts) mit einem Spanwinkel von 10° mit Synergy 735 auf Wasserbasis bei v c = 80 m/ min und f z = 0,05 mm 15 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 Fachartikel-|-Blaser beobachtet die Spanbildung mit Kühlschmierstoff dung 4 dargestellt. Das Schneidöl führt zu weniger Spanstauchung, was auf die höhere Schmierfähigkeit und die geringere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Emulsion zurückzuführen ist. Aufgrund seiner Adhäsion, Duktilität und Festigkeit führte nichtrostender Stahl zu sehr hohen Temperaturen, die ein starkes Sieden des wasserbasierten KSS in der Nähe der Schneidkante verursachten, wie in Abbildung 5 dargestellt. Der KSS wurde zeitweise 1.5 mm von der Schneidkante weg Richtung Spanfläche gedrückt, wodurch die Kühlung der Schneidkante eingeschränkt wurde. Neben den Dampf blasen zeigte sich die grosse Wärmemenge auch in einer grossen Wolke aus trübem Synergy 735. Mittels Partikel-Tracking wurde die Strömung der rheoskopischen Flüssigkeit um das Fräswerkzeug sichtbar gemacht, wie in Abbildung 6 zu sehen ist. Aufgrund der Haftrandbedingung am Glas wies die Strömung einen grossen Gradienten in axialer Richtung auf, was dazu führte, dass sich unterschiedliche Strömungen überlagerten und nur eine Auswertung der mittleren Strömung möglich war. Da keine aktive Valona BIO Schneidöle für die Zerspanung Biologisch abbaubarer und kennzeichnungsfreier Kühlschmierstoff Ihre persönlichen Ansprechpartner: Dirk Brosenbauch · (0162) 1333 354 dirk.brosenbauch@totalenergies.com Matthias Brüning · (0162) 1333 568 matthias.bruening@totalenergies.com totalenergies.de/ industrie Anzeige Abb. 4: Schneiden von Ti6Al4V mit einem Spanwinkel von 6° mit Synergy 735 auf Wasserbasis (oben) und einem reinen Öl (unten) als Kühlschmierstoff bei vc = 20 m/ min und fz = 0,05 mm. \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswissen schaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissen schaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikations wissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprach wissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Alt philologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissenschaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft \ Tourismus \ VWL \ Maschinenbau \ Politikwissenschaft \ Elektrotechnik \ Mathematik & Statistik \ Management \ Altphilologie \ Sport \ Gesundheit \ Romanistik \ Theologie \ Kulturwissen schaften \ Soziologie \ Theaterwissenschaft \ Geschichte \ Spracherwerb \ Philosophie \ Medien- und Kommunikationswissenschaft \ Linguistik \ Literaturgeschichte \ Anglistik \ Bauwesen \ Fremdsprachendidaktik \ DaF \ Germanistik \ Literaturwissenschaft \ Rechtswissenschaft \ Historische Sprachwissenschaft \ Slawistik \ Skandinavistik \ BWL \ Wirtschaft BUCHTIPP Rüdiger Krethe Handbuch Ölanalysen 1. Auflage 2020, 284 Seiten €[D] 148,00 ISBN 978-3-8169-3499-8 eISBN 978-3-8169-8499-3 expert verlag - Ein Unternehmen der Narr Francke Attempto GmbH + Co. KG Dischingerweg 5 \ 72070 Tübingen \ Germany Tel. +49 (0)7071 97 97 0 \ Fax +49 (0)7071 97 97 11 \ info@narr.de \ www.narr.de Das Buch bietet eine praxisorientierte Einführung in das Thema Ölanalysen. Es vermittelt das nötige Hintergrundwissen, von der sachgerechten Probenentnahme, den Prüfverfahren bis zum Verstehen der Analysenergebnisse. Hierdurch unterstützt es den Anwender dabei, kostspielige Ausfallzeiten der Maschinen zu verhindern. Rüdiger Krethe ist diplomierter Maschinenbauer und Tribotechniker. Er befasst sich seit mehr als 25 Jahren intensiv mit der Schmierung von Maschinen, angefangen von der Produktauswahl, der innerbetrieblichen Organisation bis hin zur Überwachung von Schmierölen und Hydraulikflüssigkeiten während des Einsatzes. Kühlschmierstoffzufuhr über Pumpen stattfand, dreht sich die Strömung grösstenteils mit dem rotierenden Werkzeug mit. Schlusswort Der vorgestellte Versuchsauf bau ermöglicht faszinierende Einblicke in die Geschehnisse an einer Werkzeugschneide. Durch die Highspeed-Aufnahmen konnte erstmals gezeigt werden, dass der Wirkmechanismus des ölfreien, wasserlöslichen Kühlschmierstoffes Synergy 735 - nämlich die verbesserte Schmierwirkung bei erhöhten Temperaturen - auch bei der Zerspanung auftritt und genügend schnell ist, um den Fräsprozess zu optimieren. Weiter lassen sich Phänomene wie Verdampfung oder Spanbruch studieren. Mit dem modifizierten Auf bau lassen sich auch hochauflösende Fotographien erstellen, die ähnliche Aussagen wie die Videos erlauben. »« Eingangsabbildung: © Blaser Swisslube Abb. 5: Schneiden von rostfreiem Stahl mit einem Spanwinkel von 6° mit Synergy 735 bei v c = 160 m/ min und f z = 0,05 mm Abb. 6: Strömung von rheoskopischer Flüssigkeit um das Fräswerkzeug bei 800 U/ min. Die Geschwindigkeitsvektoren wurden mittels Particle Image Velocimetry (PIV) berechnet. GENIAL. EINFACH. REIBUNGSLOS. INDUSTRIELLE SCHMIERSTOFFE SEIT 1961 STEIGERN SIE IHRE PROZESSSICHERHEIT AUTOMATISIERUNG. PRODUKTIVITÄTSSTEIGERUNG. KOSTENREDUKTION. Bitte sprechen Sie uns an! Wir beraten Sie gerne und erstellen Ihnen ein individuelles Angebot. Weitere Informationen erhalten Sie über den QR-Code oder besuchen Sie uns auf unseren Messestände in Hannover und Essen. Wir stellen aus: AMB Stuttgart | 10. - 14. September 2024 | Halle 8 | Stand Nr. 8C85 Lubricant Expo | 17. - 19. September 2024 | Halle 9 | Stand Nr. 245 B A Jokisch GmbH Fabrik für Schmier- und Kühlmittelspezialitäten Industriestraße 5-10 | 33813 Oerlinghausen T +49 52 02 97 34 0 | F +49 52 02 97 34 49 | info@jokisch-fluids.de | www.jokisch-fluids.de Jokisch Fosia SFM iFS INTELLIGENTER FÜLLSTANDSSENSOR Der Jokisch Fosia SFM iFS Füllstandssensor mit optionaler Schaumhöhenmessung ist der erste IoT-fähige, hochintegrierte Sensor für eine Vielzahl an Einsatzszenarien. Entweder als Standalone-Lösung um eine intelligente Füllstandssteuerung mit Dritt-Mischgeräten zu realisieren oder in Kombination mit den Jokisch Fosia SFM iFC- und Jokisch Fosia SFM iFM-Systemen. Er bietet zusätzlich zwei Prozessventile sowie einen mechanischen Überfüllschutz und ist dank seiner Kompaktheit sehr schnell und einfach zu installieren. ⦁ Die skalierbare Lösung im Fluidmanagement ⦁⦁ Vom innovativen digitalen Emulsionsmischer bis zum vollautomatischen Messsystem ⦁⦁ Modular erweiterbar bis zur Vollautomatisierung ⦁⦁ Automatisierung der manuellen Arbeitsschritte ⦁⦁ Erhebliche Kostenreduktion im Fluidmanagement ⦁ Digitale Dokumentation der Messparameter ⦁ Analyse und Auswertung der Messergebnisse inkl. Maßnahmenkatalog ⦁ Messergebnisse können einfach und schnell zur weiteren Analyse ins Labor geschickt werden JOKISCH SMART FLUID MONITORING ⦁ Visualisierung der Verbrauchswerte im Analyseportal ⦁ Prozesssicherheit erhöhen und Betriebskosten senken ⦁ Werkzeug- und KSS-Standzeiten verlängern ⦁ Oberflächengüte verbessern IHRE VORTEILE STARTEN SIE IHRE DIGITALE REISE MIT DER JOKISCH SERVICE APP MESSSYSTEM MISCHGERÄT SENSOREN Jokisch Fosia SFM iFS Jokisch Fosia SFM iFC Jokisch Fosia SFM iFM powered by Anzeige