Infoblatt: Minimalmengenschmierung


A. Herkömmliche Kühlschmierstoff-Anwendung

B. Grundlagen der Minimalmengenschmierung

C. Anwendungen

D. Dosiersysteme

E. Kosten der Dosiersysteme

F. Schmierstoffe

G. Quellen


Das vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Energie, Jugend, Familie und Gesundheit finanzierte Beratungsprogramm BIVA unterstützt die abfallerzeugende Industrie, Gewerbe- und Handwerksbetriebe, Maßnahmen zur Vermeidung und Verwertung von Sonderabfällen in Hessen zu ergreifen und dabei auch Kosten zu sparen.

In Ergänzung zu den kostenlosen Betriebsberatungen, den Branchenprojekten und Fachseminaren erstellt der BIVA-Projektträger HIMTECH GmbH in Zusammenarbeit mit anderen Projektträgern und Fachleuten Leitfäden und Infoblätter zu ausgewählten Themenbereichen.

Die nachstehenden Informationen entsprechen inhaltlich Veröffentlichungen der NGS, Hannover, (VV-Information 8; 5/94) und sind eine Ergänzung zum BIVA-Leitfaden "Kosten- und Abfallreduktion beim Einsatz von wassergemischten Kühlschmierstoffen".

A. Herkömmliche Kühlschmierstoff-Anwendung

Kühlschmierstoffe dienen zur Steigerung der Produktivität und Wirtschaftlichkeit in der Metallverarbeitung. Ihre Hauptaufgaben sind die Kühlung und die Schmierung. Im einzelnen führt die Verwendung von Kühlschmierstoffen zu:

Bei der herkömmlichen Kühlschmierstoff-Anwendung werden das Werkstück und das Werkzeug mit Kühlschmierstoffemulsion überflutet. Auch wenn kein Werkzeug im Eingriff ist, wird die Kühlschmierstoff-Zufuhr in der Regel nicht unterbrochen. Es werden so z.B. beim Drehen ca. 1800 l Kühlschmierstoff pro Stunde umgepumpt. Eine Kopplung der Kühlschmierstoff-Zufuhr mit der Werkzeugmaschinensteuerung kann die Umlaufmengen in einem ersten Schritt bereits beträchtlich senken.

Kosten

Die Entsorgung verbrauchter Kühlschmierstoffe verursacht hohe Kosten. Neben der reinen Entsorgungsleistung wird in vielen Bundesländern, u.a. in Hessen, eine Abfallabgabe auf besonders überwachungsbedürftige Abfälle wie etwa verbrauchte Kühlschmierstoffe erhoben.

Die durch den Kühlschmierstoff verursachten Kosten gliedern sich auf in:

Die Kühlschmierstoffkosten können einen Anteil von bis zu ca. 17 % der Produktionskosten ausmachen. Die anteiligen Werkzeugkosten liegen in einer Größenordnung von lediglich ca. 4 % (vgl. Quellen 1 + 2). Ein Vergleich dieser Zahlen verdeutlicht die Möglichkeiten einer Kostenreduktion durch einen optimierten Kühlschmierstoffeinsatz. Dieser kann mit Hilfe abfallarmer Produktionsverfahren, wie der Anwendung der Minimalmengenschmierung, realisiert werden.

B. Grundlagen der Minimalmengenschmierung

Die Philosophie der Minimalmengenschmierung - auch oft bezeichnet als Minimalmengenkühlschmierung oder Sprühnebelschmierung - kann beschrieben werden als eine Abkehr von dem Grundsatz:

"Viel hilft viel" hin zu der Erkenntnis: "Soviel wie nötig, nicht mehr als notwendig". Mit Hilfe moderner Dosiertechnik wird die eingesetzte Schmierstoffmenge auf das unbedingt notwendige Maß reduziert. Sie wird in sehr kleinen Mengen der Wirkstelle direkt oder fein zerstäubt in einem Preßluftstrom mit Hilfe von Düsensystemen zugeführt. Auf dem Werkzeug - oder dem Werkstück - wird ein feiner Schmiermittelfilm gebildet. Ziel ist es, durch effiziente Schmierung die Reibung und somit die Wärmeentwicklung zu minimieren. Die Minimalmengenschmierung ist eine Verlust- oder Verbrauchsschmierung, d.h. der eingesetzte Kühlschmierstoff wird während der Bearbeitung nahezu vollständig verdampft. Die an der Wirkstelle entstehende Wärme wird dem System durch die kühlende Wirkung des Preßluftstromes und durch die Verdampfung des Schmiermittels weitgehend entzogen.

Im Vergleich zur Verwendung herkömmlicher Kühlschmierstofföle und -emulsionen führt die nahezu reststofffreie Verflüchtigung der verwendeten Medien im Bearbeitungsprozeß zu einer Reihe von ökologischen und ökonomischen Vorteilen der Minimalschmiertechnik. Das Sonderabfallaufkommen wird vermieden und Kosten für ein Kühlschmierstoff-Handling entfallen weitgehend.

Die folgende Aufzählung gliedert die Vorteile im einzelnen:

Das heißt:

C. Anwendungen

Die Technik der Minimalmengenschmierung wird erfolgreich eingesetzt bei den Bearbeitungsverfahren Stanzen, Biegen und Sägen. Bis auf das Tieflochbohren können auch die gängigen Bohrverfahren mit der Minimalmengenschmierung ausgeführt werden. Weitere Anwendungen sind das Fräsen und das Gewindeschneiden. Probleme bereiten Bearbeitungsverfahren bei denen die Werkzeugschneide ununterbrochen im Eingriff ist, wie z.B. beim Drehen. In Abhängigkeit vom zu bearbeitendem Werkstoff kann diese Technik aber auch hier Verwendung finden.

Bearbeitungsverfahren

Erfahrungen

Bemerkungen

Sägen, Band- und Kreissägen

gute Erfahrungen

Späneabfuhr muß gesichert sein

Stanzen, Feinstanzen, Nibbeln

gute Erfahrungen, auch für große Materialstärken

Probleme bei großen Mehrfachverbundwerkzeugen wegen unzugänglicher Schnittstempel

Bohren, Gewindeschneiden

gute Erfahrungen vorwiegend im NE-Bereich

Tieflochbohren wegen Späneabfuhr nicht realisierbar

Umformverfahren, Biegen, Pressen, Prägen

Erfahrungen vorwiegend beim Biegen von Rohren

anwendungsspezifische KSS erforderlich

Fräsen

Erfahrungen vorwiegend mit Al (-Legierungen)

Spanabfuhr und exakte KSS-Aufbringung muß gesichert sein

Räumen, Drehen, Schleifen, Läppen

positive Technikums-Erfahrungen

 

Reiben, Honen, Fließpressen, Drahtziehen

keine oder negative Erfahrungen

 

D. Dosiersysteme

Minimalschmierungsgeräte werden bereits von einer Reihe von Herstellern auf dem deutschen Markt angeboten. Der Kunde kann zwischen einer Vielzahl von Sprühsystemen wählen. Die Geräte sind einfach und kompakt aufgebaut. Auch an älteren Bearbeitungsmaschinen können die Systeme nachgerüstet werden.

In der Folge seien die Wirkprinzipien der verschiedenen Dosiersysteme kurz dargelegt.

1. Aufsprühen reinen Schmierstoffs

Der Schmierstoff fließt aus einem Vorratsgefäß in eine Dosiereinheit, die eine definierte Menge Schmierstoff aufnehmen kann. Zielgerichtet, beschleunigt mit Hilfe eines Druckluftkolbens oder eines Druckluftimpulses, tritt der Schmierstoff aus einer Düse aus und wird auf die Wirkstelle aufgebracht.

2. Niederdruck-Sprühsystem

Nach dem Injektor-Prinzip arbeitende Sprühdüsen werden mit sehr geringen Luftdrücken, < 1 bar, beschickt. Der Schmierstoff wird aufgrund der Düsenform (Prinzip einer Venturi-Düse) angesaugt und tröpfchenweise zerstäubt.

3. Überdruck-Sprühsysteme

Die Überdruck-Sprühsysteme arbeiten mit Systemdrücken von ca. 4 - 6 bar. Zur Förderung des Schmierstoffes im System werden zwei Techniken angewendet:

Unterschieden werden müssen bei den Überdruck-Sprühsystemen solche mit axialer und koaxialer Mischung, bzw. Zuführung der Medien Luft und Schmierstoff.

3.1 Axiale Mischung, bzw. Zuführung von Luft und Schmierstoff

Eine definierte Menge des Schmiermittels wird in einem Druckluftstrom zerstäubt. Das Schmiermittel/Luft-Gemisch wird daraufhin über eine Düse dem Bearbeitungsprozeß zugeführt. Zu beachten ist bei diesem Verfahren, daß die Vermischung von Luft- und Schmiermittelstrom möglichst unmittelbar vor Eintritt in die Düse erfolgt, um ein gleichmäßiges Sprühbild garantieren zu können. Lange Transportwege des Gemisch-Stromes können zu Ungleichmäßigkeiten im Sprühbild führen.

3.2 Koaxiale Mischung, bzw. Zuführung von Luft und Schmierstoff

Das Schmiermittel und die Luft werden in zwei koaxial angeordneten, d.h. ineinandergeschobenen Zuführungsschläuchen zum Düsensystem geleitet.

Es können zwei Bauformen koaxialer Düsen unterschieden werden:

  1. Wie in Abbildung 1 dargestellt ist, wird der im inneren Zuführschlauch geförderte Schmierstoff in einer koaxialen Düse durch die umströmende Druckluft zerstäubt. Ein sich ausbildender Luftmantel soll die Entstehung von Sprühnebeln minimieren.
  2. Die in die Düse einströmende Druckluft wird in zwei Nebenströme aufgeteilt. Ein Nebenstrom dient zur Zerstäubung des Schmierstoffes in einer Mischkammer. Der zweite Nebenstrom umgibt das Luft/Schmierstoff-Gemisch beim Austritt aus der Mischkammer als ringförmiger Luftmantel. Ziel dieser Verfahrensweise ist eine Verringerung der Sprühstrahl-Ausweitung sowie eine Minimierung der Nebelbildung.



Abbildung 1: Beispielhafter Aufbau eines Dosiersystemes der Minimalschmiertechnik.

In der Abbildung 1 sind beispielhaft die Komponenten eines Dosiersystemes der Minimalmengenschmiertechnik dargestellt. Abgebildet ist ein System mit koaxialer Zuführung von Schmierstoff und Luft.

1.Schmierstoffvorratsbehälter

2.Dosierpumpe

3.Taktgeber

4.Luftverteiler mit Sprühluft-Regulierschraube

5.Konzentrische Zuführung von Schmierstoff und Preßluft

6.elektrisch/pneumatisches Ventil

7.Preßluftversorgung; druckminderer mit Entwässerung

8.Düse (koaxiale Bauform)

Der Schmierstoff fließt aus dem Schmierstoff-Vorratsbehälter (1) in das Dosiersystem. Im dargestellten System wird der Schmierstoff mit Hilfe einer Dosierpumpe (2) zur Düse gefördert. Bei den Dosierpumpen handelt es sich um Kolbenpumpen. Der Kolbenhub und somit die Fördermenge der Pumpen kann mit einer Einstellschraube in kleinen Schritten verändert werden. Der Dosierpumpe angegliedert ist in der Regel ein Taktgeber (3). Der Taktgeber erlaubt die Steuerung der Kolbenpumpe. Vorgegeben wird der Zeitabstand zwischen zwei Hüben der Pumpe. Neben dem Schmierstoff wird dem Dosiersystem Preßluft zugeführt. Die Preßluft wird zur Einstellung des Druckes und zur Entwässerung über einen Druckminderer (7) geführt. Ein elektrisch oder auch pneumatisch betätigtes Ventil (6) regelt die Luftzuführung. Ein Luftverteiler (4) leitet den Schmierstoff- und Luftstrom in einen zweiadrigen, koaxialen Zuführungsschlauch (5). Die innere Ader des Zuführungsschlauches führt den Schmierstoff und die äußere Ader die Preßluft. Am Luftverteiler (4) ist eine Feineinstellung der Sprühluft mit Hilfe einer Regulierschraube möglich.

E. Kosten der Dosiersysteme

Die Preise der Geräte gliedern sich entsprechend den Anforderungen an das Dosiersystem, also an der gerätetechnischen Ausrüstung der Anlagen. Die Gerätepreise liegen in einem Bereich von ca. 1.000,- bis 5.000,- DM. Für ein System mittlerer Ausstattung sind Kosten im Rahmen von 3.000,- bis 3.500,- DM zu veranschlagen. Diese Preise wurden kalkuliert für Systeme, die mit einer Düse ausgestattet sind. Weitere Düsen erhöhen die Grundpreise erheblich.

F. Schmierstoffe

Eingesetzt werden vornehmlich Schmierstoffe auf der Grundlage pflanzlicher (nativer) und synthetischer Öle. Häufig verwendet werden Fettalkohole und Fettsäureester.

Die Preise für diese Schmierstoffe übersteigen das Preisniveau der herkömmlichen Schmiermittel. Aufgrund des sehr geringen Schmiermittelverbrauches von ca. 0,02 bis 0,08 Litern pro Stunde (vgl. Quelle 3) fallen die hohen Anschaffungskosten bei einer Gesamtkostenrechnung nicht ins Gewicht. Die Stoffe werden angeboten zu Preisen zwischen 10,- bis 35,- DM je Liter, bezogen auf die Anlieferung in einem 5 Liter-Gebinde. In Abhängigkeit von der gelieferten Chargengröße vermindert sich unter Umständen der Preis.

G. Quellen

1. Kühlschmierstoff - Eine ökologische Herausforderung an die Fertigungstechnik; Dr.-Ing. H.-J. Adloch u.a. AWK-Vortrag 5.1; 1993

2. Kühlschmierstoff-Mengenreduzierung, Trockenbearbeitung und Sprühnebelkühlschmierung in der spanenden Fertigung; W. Zielasko; Mercedes-Benz AG, Stuttgart; Referat - 3. Deutsches Schmierstoff-Forum; Bad Nauheim, Nov. 1993

3. Probleme der Umwelt- und humanverträglichen Fertigung am Beispiel der Kühlschmierstoffe; Prof.Dr.-Ing. Dr. h.c. U. Heisel und Dipl.-Ing. M. Lutz; dima 8/9-1993 u. 10-1993

Hinweise

Weiterführende Informationen sind im BIVA-Leitfaden “Kosten- und Abfallreduktion beim Einsatz von wassergemischten Kühlschmierstoffen“ sowie in unserer Literaturliste "Kühlschmierstoffe" enthalten.

Informationen erhalten Sie beim BIVA-Projektträger HIMTECH GmbH, Kreuzberger Ring 58, 65205 Wiesbaden, Tel.: 0611/7149-806, FAX: -888.