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Kühlschmiermittel für die CNC-Bearbeitung

Shift
Juni 21, 11:40 am

Der Artikel erzählt über die Kühlschmierstoffe für die CNC-Bearbeitung: Arten, Funktionen und Auswahlverfahren von Kühlschmierstoffen

Kühlschmiermittel sind Flüssigkeiten, die speziell für die Metallverarbeitung und für Zerspanungsverfahren entwickelt worden sind. Sie wirken bei diesen Bearbeitungsverfahren gleichzeitig als Kühl- und Schmiermittel. Die Flüssigkeit wird normalerweise während des Zerspanungsvorgangs hinzugefügt. Kühlschmiermittel können als Flüssigkeitsstrahl, als Sprühnebel, oder als sogenannte Überflutungsschmierung eingesetzt werden.

Cutting fluid

Abbildung 1: Einsatz von Kühlschmiermittel während eines CNC-Bearbeitungsprozesses

Arten der Kühlschmiermittel

Es gibt verschiedene Arten von Kühlschmiermitteln, die sich durch Aggregatzustand, Zusammensetzung, Quelle und Anwendungsmethode unterscheiden. Dennoch lassen sie sich grob in die folgenden Klassen einteilen.

Wasserlösliche Öle (Emulsionen)

Wasserlösliche Öle sind stabile Emulsionen, die durch Zugabe von Mineralölen zu Wasser in bestimmten Verhältnissen (normalerweise 1-20% Öl in Wasser) entstehen. Andere Komponenten der wasserlöslichen Öle sind:

  • Emulgiermittel wie z.B. Natriumsulfonate, die durch eine Verringerung der Oberflächenspannung des Wassers die Vermischung der Öltropfen mit dem Wasser ermöglichen;
  • Zusatzstoffe, die als Kupplungsreagenz fungieren oder die Korrosionsbeständigkeit verbessern;
  • Biozide zur Verhinderung des Bakterienwachstums;
  • Korrosionsschutz-Additive, die die Schmierung verbessern.

Wasserlösliche Öle gehören in der Maschinenbearbeitung zu den preisgünstigsten und weitverbreitetsten Arten der Kühlschmiermittel. Sie besitzen gute Kühl- und durchschnittliche Schmierungseigenschaften. Sie eignen sich am besten für leichte Schneidevorgänge.

Reine Öle

Reine Öle sind nicht emulgierbare Mineralöle ohne Wasserzugabe. Tierische und pflanzliche Öle wurden früher als reine Öl-Schmiermittel in der Zerspanungstechnik eingesetzt. Obwohl sie biologisch abbaubar und dadurch umweltfreundlich sind, sind sie teuer und besitzen eine kurze Haltbarkeit. Daher werden sie heutzutage nur noch als Zusätze zu Petroleum und Mineralölen eingesetzt, um die Schmierung zu verbessern. Mineralöle sind petroleumbasierte Kohlenwasserstoffe, die durch Rohölraffination gewonnen werden. Sie können Hochdruckadditive wie z.B. Chlor, Phosphor und Sulfur enthalten, die den Werkzeugverschleiß verringern.

Synthetische Flüssigkeiten

Diese wasserbasierenden Flüssigkeiten konkurrieren den Mineralölen. Synthetische Flüssigkeiten bestehen aus Lösungen organischer und anorganischer Verbindungen in Wasser in Kombination mit Zusatzstoffen. Mögliche Zusatzstoffe sind Schmiermitteladditive, Rostschutzmittel und Korrosionsschutzmittel. Diese Zusatzstoffe verbessern Eigenschaften wie z.B. die Schmierung, die ansonsten durch den Wassergehalt der Flüssigkeiten beeinträchtigt wären.

Semi-synthetische Flüssigkeiten

Semi-synthetische Flüssigkeiten bestehen aus einer Kombination synthetischer Flüssigkeiten, wasserbasierender Flüssigkeiten und Emulsionen wasserlöslicher Öle. Sie enthalten eine Mischung aus 5-50% Mineralöl, Zusatzstoffen und chemischer Verbindungen, die sich in Wasser lösen und Mikroemulsionen mit Partikelgrößen von 0,1-0,01 mm bilden. Semi-synthetische Öle besitzen sowohl die Eigenschaften wasserlöslicher Öle als auch die Eigenschaften synthetischer Flüssigkeiten.

Funktionen der Kühlschmiermittel in der CNC-Bearbeitung

Kühlung

Während Metallschneideprozessen entsteht aufgrund von Reibung Wärme im Werkstück, auf der Oberfläche des Werkstücks, in den Spänen und im Schneidewerkzeug. Außerdem entsteht Wärme aufgrund der plastischen Verformung des Metalls in der Scherzone. Diese Wärme führt zu einer Reihe unerwünschter Effekte einschließlich Wärmeausdehnung, chemischen Reaktionen wie z.B. Oxidation, Verschweißung von Oberflächen und viele andere. Kühlschmiermittel sorgen für eine Kühlung des Werkzeugs verhindern dadurch diese Effekte.

Schmierung

Reibung ist die Hauptursache der Hitzeentwicklung während der Maschinenbearbeitung. Die Kombination aus Wärme und Reibung kann zu einer Verschweißung von Oberflächen führen. Kühlschmiermittel verringern die Reibung, indem sie einen dünnen Film zwischen dem Span und dem Werkzeug erzeugen und dadurch den Kontakt minimieren. Außerdem verringert eine Schmierung den Werkzeugverschleiß und den Energieverbrauch des Bearbeitungsprozesses.

Korrosionsschutz

In Kühlschmiermitteln enthaltene Rost- und Korrosionsschutzmittel verhindern die Korrosion der Maschinenbauteile und der bearbeiteten Oberflächen. Auf Mineralöl basierende Kühlschmiermittel verhindern die Oxidation indem sie einen sehr dünnen Schutzfilm auf der freigelegten Oberfläche bilden.

Verbesserte Werkzeuglebensdauer

Durch die erhöhte Wärmeabfuhr, die verringerte Reibung und den Rost- und Korrosionsschutz sorgen Kühlschmiermittel für einen deutlich geringeren Werkzeugverschleiß und eine längere Werkzeugstandzeit.

Spanabfuhr

Bestimmte Bearbeitungsverfahren wie Fräsen und Bohren neigen zu einer Spananhäufung im Bereich der Schneidzone.

Verbesserung der Oberflächengüte

Kühlschmiermittel tragen zu einer guten Oberflächenbeschaffenheit der gefertigten Werkstücke bei, indem sie die Wärmeausdehnung und andere Eigenschaftenveränderungen des Werkstücks verhindern.

Contact between the cutting tool and workpiece

Abbildung 2: Kontakt zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück bei einer Dreharbeit.

Eigenschaften der Kühlschmiermittel

Die folgende Liste enthält einige der Eigenschaften, die ein gutes Kühlschmiermittel aufweisen sollte.

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie gut ein Material Wärme leitet. In diesem Fall beschreibt diese Eigenschaft, wie gut das Kühlschmiermittel Wärme vom Werkstück und vom Werkzeug ableiten kann.

Hohe Wärmekapazität

Je höher die Wärmekapazität des Kühlschmiermittels ist, desto mehr Wärme kann es absorbieren, bevor es heiß wird oder kocht.

Niedrige Viskosität

Eine niedrige Viskosität ermöglicht es dem Kühlschmiermittel leicht zu fließen. Außerdem verhindert dies die Bildung von Schlämmen durch die Vermischung der Späne mit dem Kühlschmiermittel.

Nichtkorrosive Flüssigkeit

Ein gutes Kühlschmiermittel sollte weder das Werkstück noch das Werkzeug angreifen.

Korrosions-  und Oxidationsbeständigkeit

Ein gutes Kühlschmiermittel sollte nicht nur nicht korrosiv sein, sonder die Bauteile auch noch vor Korrosion und Oxidation schützen.

Ungiftig

Da es wahrscheinlich ist, dass ein Kühlschmiermittel in Kontakt mit Menschen oder der Umwelt kommt, sollte ein gutes Kühlschmiermittel für beide ungiftig sein.

Chemisch nicht reaktiv

Kühlschmiermittel dürfen keine chemischen Reaktionen mit den Kontaktoberflächen eingehen. Dies würde nicht nur die Oberflächen beschädigen, sondern auch das Kühlschmiermittel selbst beeinträchtigen.

Geruchsneutral

Um bleibende Gerüche an der Maschine und den gefertigten Bauteilen zu vermeiden, sollte ein gutes Kühlschmiermittel geruchsneutral sein.

Ausreichend transparent

Ein gutes Kühlschmiermittel sollte ausreichend transparent sein, damit es die Sicht auf das Werkstück nicht blockiert.

Stabilität

Ein gutes Kühlschmiermittel sollte während der Verwendung und Aufbewahrung lange haltbar bleiben.

Anwendungsmethoden von Kühlschmiermitteln in der CNC-Bearbeitung

Die oben genannten Funktionen der Kühlschmiermittel gelten allgemein für CNC-Bearbeitungsverfahren. Nichtsdestotrotz gibt es verschiedene Bearbeitungsprozesse mit verschiedenen Anwendungsmethoden.

CNC-Fräsen

Bei CNC-Fräsverfahren bleibt das Werkstück stationär, während sich die Schneidewerkzeuge bewegen. Hier eignet es sich am besten, das Kühlschmiermittel durch Flutung einzusetzen.

CNC-Bohren

Die Hauptaufgabe der Kühlschmiermittel bei CNC-Bohrverfahren besteht in der Spanabfuhr und Kühlung. Schmierung ist hier nicht unbedingt notwendig, da die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Aufbauschneiden gering ist. Hier ist die Applikation als Kühlmittel-Strahl empfohlen.

CNC-Drehen

Da bei diesem Verfahren sehr hohen Geschwindigkeiten auftreten ist die Kühlung hier entscheidend. Da das Werkstück rotiert, eignet sich der Einsatz als Kühlschmiermittel-Strahl.

Auswahl des richtigen Kühlschmiermittels für ihre CNC-Bearbeitung

Die Auswahl des richtigen Kühlschmiermittels hängt von einer Reihe verschiedener Faktoren ab. Hier sollte vor allem der Werkzeugtyp, das Material des Werkstücks und das eingesetzte Bearbeitungsverfahren berücksichtigt werden.

Werkzeugtyp

Hartmetallwerkzeuge können sehr heiß werden. Dies macht sie anfälliger für Thermoschocks, ein Phänomen, das auftritt, wenn unterschiedliche Teile des Werkzeugs sich unterschiedlich stark ausdehnen. Für diesen Werkzeugtyp ist der Einsatz von synthetischen Kühlschmiermitteln mit sehr guten Kühleigenschaften empfohlen.

Hochgeschwindigkeitsstahl wird ebenfalls sehr heiß, aber nicht so heiß wie Hartmetallwerkzeuge. Wasserlösliche Öle und semi-synthetische Flüssigkeiten sind hier geeignet.

Material des Werkstücks

Metalle gehören zu den häufigsten Werkstückmaterialien, die Kühlschmiermittel benötigen. Die folgende Liste beinhaltet die meistverwendeten Metalle und die jeweils geeigneten Kühlschmiermittel.

  • Stahl – Mineralöle mit Schmierstoff-Additiven
  • Stahllegierungen – Sulfur-Messing-Öle oder Mineralöle
  • Aluminium – wasserlösliche Öle oder Mineralöle ohne aktiven Sulfur (aktiver Sulfur verfärbt Aluminium)
  • Kupfer – Wasserlösliche Öle
  • Rostfreier Stahl – Mineralöle mit Hochdruckzusätzen
  • Gusseisen – keine

Bearbeitungsverfahren

Relativ leichte Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Umformen und Bohren finden bei relativ hohen Geschwindigkeiten statt. Bei solchen Geschwindigkeiten wird eine besonders gute Kühlung notwendig. Nur geringe Schmierung- und Hochdruckeigenschaften sind hierfür notwendig. Daher sind synthetische Kühlschmiermittel am besten für solche Verfahren geeignet. Wasserlösliche Öle können hier auch eingesetzt werden.

Demgegenüber stehen anspruchsvolle Bearbeitungsverfahren wie Ausräumen und Gewindeschneiden, die eine gute Schmierung benötigen. Diese Verfahren finden bei geringen Geschwindigkeiten und hohen Drücken statt. Daher benötigt man hier Kühlschmiermittel mit exzellenten Schmier- und Hochdruckeigenschaften. Mineralöle mit Hochdruckzusätzen sind hier die beste Wahl.

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