Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 18 FacHartiKEl FacHartiKEl Die Werkzeugmaschine und ihr Öl Rüdiger Krethe, OilDoc GmbH Werkzeugmaschinen gehören als Fertigungsmittel zur Gruppe der Arbeitsmaschinen und dienen zur Herstellung von Werkstücken mit Werkzeugen. Sie arbeiten, vom Alltag kaum wahrgenommen, hinter verschlossenen Werktoren, zuverlässig, mit hoher Präzision und Effektivität. Ohne Werkzeugmaschinen wäre die Mehrzahl unserer im Alltag benutzten Gegenstände nicht verfügbar - ob die Werkzeugmaschine direkt zu deren Fertigung benutzt wurde oder mittelbar zur Herstellung der dazu notwendigen Maschinen und Betriebsmittel. Werkzeugmaschinen sind das Herzstück der mechanischen Fertigung und ein sehr gutes Spiegelbild der industriellen Entwicklung. Entschied im Zeitalter der manuellen Fertigung vor allem die Geschicklichkeit des werkzeugführenden Menschen über die Qualität des hergestellten Produktes, erlaubten die etwa um das Jahr 1800 herum zuerst in England entwickelten Leitspindel-Drehmaschinen, Produkte mit hoher und reproduzierbarer Genauigkeit herzustellen / 1/ . Werkzeugmaschinen werden in der spanenden und der spanlosen Formgebung eingesetzt. Im ersten Teil dieser Reihe werden Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung betrachtet. In einem der folgenden Hefte werden die Maschinen der umformenden und zerteilenden Fertigungsverfahren behandelt. Funktionen und prinzipieller Aufbau Der allgemeinen Definition von Otto Kienzle folgend ist eine Werkzeugmaschine eine Arbeitsmaschine, die ein Werkzeug an einem Werkstück unter gegenseitig bestimmter Führung zur Wirkung bringt. Die allgemeinen Funktionen einer Werkzeugmaschine sind: Rüdiger Krethe Rüdiger Krethe ist Geschäftsführer der OilDoc GmbH, der Akademie für Weiterbildung rund um Schmierstoffanwendung, Ölanalysen und proaktive Instandhaltung. Nach seinem Studium des Maschinenbaus und der Tribotechnik war er im Produktmanagement für Industrieöle einer Mineralölgesellschaft tätig. Anschließend leitete er 15 Jahre das Diagnose-Team von OELCHECK. Seit mehr als 30 Jahren gibt Rüdiger Krethe als IHK-zertifizierter Trainer in Seminaren sein Know-how zu Tribologie, Schmierstoffen und Ölanalysen erfolgreich weiter. Außerdem ist er seit der ersten Ausgabe aktives Mitglied des Redaktionsteams der Schmierstoff+Schmierung. 19 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 > Handhabung von Werkstück und Werkzeug, um das Werkzeug am Werkstück zur Wirkung zu bringen > Aufnahme, Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen zum Fertigungsvorgang Bild 1 zeigt die Werkzeugmaschine als technisches System: Die in / 2/ gegebene Darstellung wurde, dem Thema dieses Fachbeitrags folgend, um die Betriebsstoffe erweitert, die neben der Maschine ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der hergestellten Produkte haben. Werkzeugmaschinen unterscheiden sich je nach Zweck und Ausführung erheblich im Auf bau. Tabelle 1 gibt einen grundlegenden, vereinfachten Überblick zu Kategorien von Werkzeugmaschinen, die branchenüblich gemäß Fertigungsverfahren und Automatisierungsgrad unterschieden werden. KOMPLEXESTER LIGALUB L SERIE vielseitig einsetzbar kundenspezifisch anpassbar biologisch abbaubar verschiedene Viskositätsklassen www.peter-greven.de Besuchen Sie uns auf der Lubricant Expo! 17.-19. September 2024 Messe Düsseldorf, DE Stand 218 KONTAKTIEREN SIE UNS Anzeige Bild 1: Die Werkzeugmaschine als technisches System (Anlehnung an / 2/ ) Bild 2: Werkzeugmaschine (© nordroden - stock. adobe.com) Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 20 Fachartikel | Die Werkzeugmaschine und ihr Öl Diese Übersicht ließe sich deutlich verfeinern, wie beispielsweise in / 3/ , / 4/ beschrieben. Informationen zu den einzelnen Fertigungsverfahren können ebenfalls der einschlägigen Literatur entnommen werden, beispielsweise / 5/ , / 6/ . Neben den verschiedenen zu realisierenden Bearbeitungsverfahren lassen schon allein die unterschiedlichen Größen und Formen von Werkstücken, die Anzahl der Spindeln, die Werkzeugsysteme oder die Steuerungs- und Verkettungsgrade erkennen, welche Variantenvielfalt selbst innerhalb einer Kategorie gegeben ist. Die zur Ausführung der Aufgaben einer Werkzeugmaschine grundlegend notwendigen Baugruppen sind: > Gestell > Führungen > Hauptspindel > Hauptantrieb > Vorschub- und Stell-Antriebe > Spannmittel bzw. Systeme für Werkzeuge und Werkstücke > Messsysteme > Bedien-, Steuerungs- und Automatisierungstechnik > Peripherie Das Gestell einer Werkzeugmaschine nimmt die Kräfte aus dem Bearbeitungsprozess und den Bewegungen auf, ist jedoch zugleich auch das tragende und verbindende Element der einzelnen Grundkomponenten der Werkzeugmaschine. Ohne ein steifes, thermisch unempfindliches Gestell sind die hohen Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit nicht erfüllbar. Zugleich müssen Späneabfuhr, Zugänglichkeit zu Werkzeug und Werkstück, Handling- und Wartungssystemen gewährleistet sein, um nur einige der spezifischen Anforderungen zu nennen. Daher haben sich verschiedenste Gestellbauformen herausgebildet, z. B. Konsolen-, Ständer-, Bett-, Säulen- oder Portalbauweise. Führungen unterstützen lineare Bewegungen. Sie gewährleisten eindeutig bestimmte Bewegungen der Komponenten des Haupt-, Vorschub- oder Stellantriebes und müssen die daraus resultierenden Kräfte aufnehmen. Sie haben damit über die gesamte Lebensdauer einen wesentlichen Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine. Sie können einerseits als hydrodynamische, hydrobzw. aerostatische geschmierte Gleitführungen ausgeführt sein, andererseits als fett- oder ölgeschmierte Wälzführungen. Der Hauptantrieb als Gesamteinheit besteht aus dem Antriebsmotor, ggf. einem Getriebe, der Hauptspindel incl. der Aufnahmen für Werkzeug bzw. Werkstück. Er stellt die wesentliche Leistung für den Zerspanungsprozess zur Verfügung und garantiert damit die erforderliche Schnittgeschwindigkeit und die Schnittkraft. Nachfolgend werden die Komponenten entsprechend ihrer Bedeutung einzeln betrachtet. Die Hauptspindel realisiert die rotierende Hauptbewegung, die je nach Bearbeitungsverfahren vom Werkstück oder Werkzeug ausgeführt wird. Sie stellt die Schnittstellen für die Werkstück- oder Werkzeugaufnahme zur Verfügung und nimmt die aus dem Bearbeitungsprozess resultierenden Kräfte auf. Daraus wird deutlich, dass auch die Hauptspindel einen erheblichen Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächengüte hat. Hauptspindeln können wälz- oder gleitgelagert sein. Zur Schmierung kommen Schmieröle und Schmierfette zum Einsatz. Hochgeschwindigkeitsspindeln werden oft durch Minimalschmierverfahren (überwiegend Öl-Luft-Schmierung) geschmiert. Wenn notwendig, kommen auch Kühlmedien zum Einsatz, da die thermische Ausdehnung der Komponenten auch die Genauigkeit beeinträchtigt. Als Antriebsmotor des Hauptantriebs werden heute überwiegend frequenzgeregelte Synchron- oder Asynchronmotoren eingesetzt. Sie erlauben die stufenlose Regelung der Drehzahl über einen weiten Drehzahlbereich. In konventionellen Maschinen kommen auch klassische E-Motoren, gepaart mit einem gestuften Getriebe zum Einsatz. Die Leistungsübertragung vom Antriebsmotor zur Hauptspindel erfolgt in konventioneller Bauweise über einen Riemenantrieb oder in koaxialer Bauweise durch Ankopplung des Motors an die Hauptspindel. Letztere Bauweise erlaubt die Integration eines Getriebes. In Motorspindeln ist der Antriebsmotor in die Haupt- Gruppe/ Kategorie Beschreibung Einzelmaschine Führt ein Fertigungsverfahren oder auch Kombinationen dieser aus, z. B. Drehmaschine, Fräsmaschine, Sägemaschine oder Dreh-Fräs-Maschine Einzweckmaschine Spezialmaschine für ein bestimmtes Fertigungsverfahren, nach diesem auch benannt, z. B. Tiefloch-Bohrmaschine Komplettbearbeitungsmaschine Komplette Bearbeitung von Werkstücken durch Kombination verschiedener Fertigungsverfahren auf einer Maschine Bearbeitungszentrum Werkzeugmaschine mit Werkzeugspeicher und automatischem Werkzeugwechsler, optional automatisierter Werkstückwechsel durch Paletten-System Tab. 1: Kategorien von Werkzeugmaschinen nach / 3/ 21 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 Fachartikel-|-Die Werkzeugmaschine und ihr Öl spindel integriert, allermeist mit einer integrierten Kühlung der Spindel, um den thermischen Einfluss des Motors zu kompensieren. Die Motoren werden in der Regel fettgeschmiert, Getriebe sind meist ölgeschmiert. Sind in den Getrieben im Ölbad laufende Kupplungen enthalten, so sind deren Schmieranforderungen (Reibwert) ebenfalls zu berücksichtigen. Vorschubantriebe realisieren die die Werkstückform bestimmenden Bewegungen. Herzstück sind hier drehzahlgeregelte Elektromotoren (Servomotoren). Die Vorschubantriebe der einzelnen Achsen müssen sich unabhängig voneinander bewegen können. Stellantriebe führen Positionier- und Hilfsbewegungen aus. Zur Realisierung sehr langsamer Bewegungen werden Getriebe in den Vorschubabtrieb integriert (z. B. Planeten- oder Schneckengetriebe). Linearbewegungen werden durch Kugelgewindetriebe oder über Ritzel-Zahnstangen-Getriebe erzeugt.  Anzeige Baugruppe Hinweise typische Schmierstoffe (Beispiel)* Hauptantrieb E-Motor + gestuftes Getriebe Motor: Schmierfett KP 2 N, Mineralöl, LiXo. PH-Verd. Getriebe: Hydrauliköl HLP/ HLP-D 46. Drehzahlgeregelte E-Motoren, bei Bedarf mit Getriebe Motor: Schmierfett KP 2 N, Mineralöl, LiXo. PH-Verd. Schmieröl CLP 68 oder HLP/ HLP-D 68 Hauptspindel(n) Fettschmierung Spezial-Spindelfett KPE 2 P, Syntheseöl, LiXo. PH-Verd. Ölschmierung Schmieröl CLP 68 oder HLP/ HLP-D 68 Öl-Luft-Schmierung Schmieröl CLP 68 Gleitführungen Fettschmierung Schmierfett KP 2 P, Mineralöl + spez. CaX-Verdicker Ölschmierung Gleitbahnöl CGLP 68, CGLP 220 (senkrecht) Wälzführungen Fettschmierung Schmierfett KP 2 N, Mineralöl, LiX-, spez. CaXo. PH-Verd. Ölschmierung Schmieröl CLP 68 oder CGLP 68 Vorschub-/ Steilantriebe E-Motor Schmierfett KP 2 N, Mineralöl, LiXo. PH-Verd. Getriebe Schmieröl CLP 68 (Planetengetr.) o. CLP PG 220 (Schnecke) Führungen Gleitbahnöl CGLP 68, CGLP 220 (senkrecht) Spannvorrichtungen Fettschmierung Schmierfett KP 2 K, Mineralöl + Li-Verdicker Ölschmierung Schmieröl CLP 68 oder CGLP 68 *) Allgemeine Hinweise. Betriebsvorschriften des Maschinenherstellers beachten! Tab. 2: Schmierstoffe in typischen Werkzeugmaschinen Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 22 Fachartikel | Die Werkzeugmaschine und ihr Öl Getriebe für Vorschubantriebe müssen höchsten Anforderungen an eine präzise und spielfreie Positionierung genügen, die oft durch eine elektrische oder mechanische Verspannung in den Getrieben realisiert wird. Kugelgewindetriebe können fett- oder ölgeschmiert realisiert werden. Getriebe werden in der Regel ölgeschmiert ausgeführt. Zur Realisierung kleiner Stellbewegungen oder auch für Antriebe mit niedriger Nutzungsintensität können auch fettgeschmierte Getriebe zum Einsatz kommen. Die Spannmittel dienen zur Aufnahme von Werkzeugen oder Werkstücken. In der einfachsten Form wird die Spannung manuell vorgenommen, kann jedoch auch hydraulisch oder pneumatisch halb- oder vollautomatisch erfolgen. Je nach Größe und Gewicht der zu fixierenden Teile, der erforderlichen Wechselfrequenz und des Automatisierungsgrades unterscheiden sich diese Komponenten ebenfalls erheblich in ihrer Gestaltung. Als Schmierstoffe kommen hier im einfachsten Fall Schmierfette zum Einsatz, z. B. für Backenfutter, zur Betätigung automatischer Spanneinrichtungen oft auch Hydraulikflüssigkeiten, in pneumatischen Systemen ggf. spezielle Druckluftöle. Mess- und Steuerungssysteme, Systeme zur Automatisierung, Verkettung und Programmierung sollen an dieser Stelle der Einfachheit halber nur erwähnt bleiben. Schmierung von Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen unterscheiden sich auch in der Gestaltung und Ausführung der einzelnen Baugruppen erheblich. Tabelle 2 vermittelt einen allgemeinen Überblick zu typischen Schmierstoffen, die in Werkzeugmaschinen verwendet werden. Da die Vielfalt der Maschinentypen und deren konstruktive Besonderheiten, die sich auch in den einzusetzenden Schmierstoffen niederschlagen, in der Tabelle nicht wiedergegeben werden können, sind die Schmierstoff-Vorschriften des jeweiligen Maschinenherstellers unbedingt zu berücksichtigen. Nachfolgende Beispiele sind den Betriebsstoff- Vorschriften realer Werkzeugmaschinen entnommen. Sie wurden lediglich anonymisiert, um Rechte Dritter nicht zu verletzen. Beispiel 1: Konventionelle Fräsmaschine Tabelle 3 zeigt die Schmierstoff-Vorschriften einer konventionellen Universal-Konsolen-Fräsmaschine mit schwenkbarem Fräskopf. Haupt- und Vorschubgetriebe sind als gestufte Getriebe ausgeführt. Die hydraulische Gleichlaufeinrichtung erlaubt das Fräsen im Gleich- und Gegenlauf. Die Anzahl der zu verwendenden Schmierstoffe ist überschaubar, da sowohl alle Getriebe als auch öl- Schmiersystem Erläuterung Schmierstoff Schmiereinheit Kugelumlaufspindeln (X, Z) Gleitbahnöl CGLP 68 Gleitbahnen Querschlitten Werkzeughalter (Revolver) Hydraulik Spannfutter Hydrauliköl HLP 32 Reitstock Revolver Fettschmierung Spannzange Schmierfett KP 2 K, Li-Seife, Grundölviskosität @40°C 220 mm2/ s Tab. 4: Schmierstoffvorschriften einer CNC-Drehmaschine Baugruppe Erläuterung Schmierstoff Hauptgetriebe 18-stufig, nicht lastschaltbar Hydrauliköl HLP 46 Vorschubgetriebe 18-stufig, nicht lastschaltbar Fräsgetriebe Stirnradgetriebe Frässpindel Schwenkbarer Fräskopf Tischantrieb und Führun Gewindemutter + Spindel, Gleitführungen Gegenlager Laufbuchsen Gleitlager, hydrodynamisch Gleichlaufeinrichtung Hydraulisch Führungsbahnen (Y,Z) Gleitführungen, hydrodynamisch Gleitbahnöl CGLP 220 Transportspindel (Y, Z) Gewindemutter + Spindel E-Motoren Wälzlager (Haupt-, Vorschub-, Absenk-, Gleichlaufmotor Schmierfett KP 2 K, Li-Seife Tab 3: Vorgeschriebene Schmierstoffe für eine Universal-Konsolen-Fräsmaschine FKU 23 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 Fachartikel-|-Die Werkzeugmaschine und ihr Öl geschmierten Lager für die Schmierung mit einer Ölsorte ausgelegt wurden. Lediglich für die Führungsbahnen Y,Z wird ein Gleitbahnöl verwendet. Derartige Schmieröle sind auf die besonderen Anforderungen wie beispielsweise Haftvermögen, Stick-Slip-Vermeidung und Korrosionsschutz ausgerichtet. Beispiel 2: CNC-Fräsmaschine Tabelle 4 fasst die Schmierstoffvorschriften einer CNC- Drehmaschine zusammen; auch hier ist die Anzahl der zu verwendenden Schmierstoffe überschaubar. Beispiel 3: CNC-Fräs-Bearbeitungszentrum Tabelle 5 zeigt die Schmierstoff-Vorschriften für ein CNC-Fräs-Bearbeitungszentrum. Die Anzahl der zu verwendenden Schmierstoffe ist aufgrund der höheren Komplexität und Spezialisierung der Maschine entsprechend höher, weil auf die spezifischen Anforderungen der einzelnen Komponenten abgestimmt. Schmierpunkt Erläuterung Schmierstoff Vorschubachsen (X,Y,Z) Führungen Linearführung mit Abdeckung Spezialfett 1 KP HC, PAO-Grundöl, spez. Ca-X-Verdicker Span-Transportband Wälzlager Spezialfett 2 KP 2 P-20, Mineralöl, PH-Verdicker Vorschubachsen (X, Y, Z) Antrieb Kugelspindeln Vorschubachsen Gleitbahnöl CGLP 68 Kugelspindel Linearführung Gleitbahnöl CGLP 68 Hauptspindel Lagerung Standard (9000 min -1 ): Wälzlager, DLS-Schmiersystem Spezialfett 3 KPE 2 P, Bezug im DLS-System Hauptspindel Kühlung Standard (9000 min -1 ): Spindelöl CL 2 Hauptspindel Kühlung Antrieb Standard (9000 min -1 ): Schmieröl CL 22 Eco-Kühler Option Spindelöl CL 2 Hauptspindel Öl-Luft-Schmierung (Sonderausstattung für 18.000 min -1 ) Schmieröl CLP 68 Hydraulikaggregat Hydrauliköl HLP 32 Luft/ Öl-Zylinder Schmieröl TDL 32 Tab. 5 Vinkocide® BB WM ist eine innovative Konservierungslösung auf Basis des bioziden Wirkstoffs BBIT und wurde speziell für die Nachkonservierung von Kühlschmierstoffen in der metallbearbeitenden Industrie entwickelt. Es ist hochwirksam gegen Schimmelpilze sowie Hefen und das über einen langen Zeitraum. Egal ob synthetische, halb-synthetische oder mineralölbasierte Kühlschmierstoffe: Vinkocide® BB WM ist in allen Arten von Kühlschmierstoffen einsetzbar. Weitere Vorteile sind: Sehr gute Wassermischbarkeit (keine Bildung von BBIT-Agglomeraten) Stabilität auch bei hohen Temperaturen und pH-Werten Sehr geringe Schaumbildungsneigung Niedrige Einsatzkonzentration (150 - 1500 ppm) Keine Kennzeichnung (EUH208 and EUH210) in der empfohlenen Anwendungskonzentration Sprechen Sie uns an und erfahren Sie mehr über Vinkocide® BB WM und viele weitere anwendungsspezifische Konservierungslösungen! Vink Chemicals GmbH & Co. KG | Eichenhöhe 29, 21255 Kakenstorf, Germany www.vink-chemicals.com Unsere Empfehlungen bezüglich unserer Produkte beruhen auf bestem Wissen und Gewissen, umfassen jedoch keine entsprechende Haftung. Die in unserem Portfolio gezeigten Produkte implizieren keine Registrierung von Biozidprodukten in spezifischen Ländern. Vink Chemicals oder deren Vertriebspartner informieren Sie auf Anfrage gerne über den regulatorischen Status der einzelnen Produkte. Biozide sicher verwenden. Lesen Sie vor Gebrauch stets das Etikett und die Produktinformation. Effektive Konservierung für Kühlschmierstoffe Vinkocide® BB WM NEU Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 2/ 2024 24 Fachartikel | Die Werkzeugmaschine und ihr Öl Zusammenfassung Das Werkzeugmaschinen-Schmieröl, das gleichermaßen für alle Werkzeugmaschinen geeignet ist, kann es aufgrund der Vielfalt der verschiedenen Werkzeugmaschinen, des zunehmend hohen Spezialisierungsgrades einzelner Maschinen und der besonderen Anforderungen durch Automatisierung, Verkettung einzelner Maschinen, der Flexibilität oder auch Komplettbearbeitung nicht geben. Es ist deshalb wichtig, den vom Hersteller der Maschine gegebenen Schmierstoff-Vorschriften Beachtung zu schenken, um die Maschinenverfügbarkeit, ihre Effizienz, die Bearbeitungsqualität und Lebensdauer nicht zu beeinträchtigen. Die Schmierung des Zerspanungsprozesses wurde in diesem Artikel nicht berücksichtigt. Hier sei auf frühere Ausgaben dieser Zeitschrift und entsprechende Fachliteratur verwiesen. Literatur [1] Spur, G.: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. München/ Wien: Carl Hanser Verlag, 1991, ISBN 978-3446162426. [2] Taschenbuch der Werkzeugmaschinen, Klaus-Jörg Conrad (Hrsg.), Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser-Verlag, München, 3. Auflage, 2015, ISBN 978-3-446- 43816-3. [3] Weck, M., Brecher, Ch.: Werkzeugmaschinen-Maschinenarten und Anwendungsbereiche. 6. Auflage, Berlin, Springer-Verlag, 2005. [4] Hirsch, A.: Werkzeugmaschinen: Grundlagen, Auslegung, Ausführungsbeispiele. 2. Auflage. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2012, ISBN 978-3834808233. [5] DIN 8580 (2003-09): Fertigungsverfahren. Begriffe, Einteilung. Beuth-Verlag, Berlin. [6] Metallbearbeitung im Wandel der Zeit, Prof. Dr. Joachim Schulz, Schmierstoff und Schmierung, Verband der Schmierstoffindustrie e. V. (Hrsg.), Hamburg, expert verlag, Tübingen, 3. Jahrgang 2022, Heft 4. [7] Schmierung in der Metallbearbeitung: Einen kühlen Kopf bewahren, Rüdiger Krethe, Schmierstoff und Schmierung, Verband der Schmierstoffindustrie e. V. (Hrsg.), Hamburg, expert verlag, Tübingen, 1. Jahrgang 2020, Heft 3. »« Eingangsabbildung: © nordroden - stock.adobe.com