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WB Werkstatt + Betrieb 07-08/2012

Trockene Zeiten stehen an

Minimalmengenschmierung in der Produktion des automobilen Antriebsstrangs (Powertrain)

Energie- und Ressourceneffizienz, Umwelt- und Arbeitsschutz oder auch nachhaltige Produktionsstrukturen und CO2 -Emissionsreduktion werden derzeit in der zerspanenden Industrie mehr denn je gefordert. Zugleich gilt es, die Produktionsprozesse ökonomisch weiter zu optimieren. Innerhalb dieses Spannungsfelds lassen sich durch innovative “grüne” Technologien neue Ratiopotenziale nutzen. Einen großen Beitrag hierzu kann die Minimalmengenschmiertechnik (MMS) leisten.

Die Analyse der Kostenstruktur in der spanenden Massenfertigung von Komponenten des automobilen Antriebsstrangs offenbart, dass der Anteil an Kosten für den Einsatz von klassischer Emulsionsüberflutungskühlung (KSS) mit circa 15 Prozent in etwa dreimal so hoch liegt wie der Anteil der anfallenden Werkzeugkosten (Bild 1).

Die Kosten für KSS umfassen neben fixen Aufwendungen für die Anschaffung der KSS-Systeme auch die laufenden Ausgaben im Betrieb (Beschaffung, Pflege und Entsorgung der umweltgefährdenden KSS). Besonders die Entsorgungskosten sind speziell in Deutschland durch die verschärften Abfallbeseitigungsvorschriften höher als diejenigen zur Beschaffung von KSS. Ebenso fallen Wartungs- und Instandhaltungskosten sowie Aufwendungen für die Energieversorgung und Reinigung der Späne an. Die externe Belastung durch den Einsatz von KSS (Verunreinigung von Boden,Wasser und Luft durch Leckage) und die Gesundheitsgefährdung (Lungenerkrankungen und Hautekzeme) sind hier nicht mitberücksichtigt.

Bild 1: Kostenstruktur von Zerspanprozessen

Die dargestellte Problematik führt besonders bei westeuropäisch und amerikanisch geführten Automobilherstellern sowie Zulieferern zu einem vermehrten Umdenken weg vom Einsatz klassischer KSS-Strategien.Bei der MAG IAS GmbH wurden in den letzten drei Jahren über 40 Prozent der verkauften Fertigungssysteme als MMS-gerecht gestaltet ausgeliefert – Tendenz steigend. Ein komplettes Abschalten von KSS kann sich dagegen negativ auf die Sicherheit und Robustheit der Prozesse auswirken.Neben der Kühl- und Schmieraufgabe übernehmen KSS weitere essenzielle Funktionen wie den Abtransport der Späne sowohl aus dem Prozess als auch aus der Werkzeugmaschine.

Eine Schlüsseltechnologie, die auch bei geringen Schmiermittelzugaben die Prozessschmierung gewährleisten kann, ist die Minimalmengenschmierung.Die Leitthese und Devise lautet hierbei: ›So viel wie nötig und so wenig wie möglich.‹ Mit dem Einsatz von MMS verbindet man eine nachhaltige und bei akkurater Implementierung auch wirtschaftliche Technologie.

Die MMS zeichnet sich durch eine gezielte Zufuhr des Schmierstoffs in minimalster Konzentration an die Wirkstelle aus. Als Trägermedium wird Druckluft in Bereichen zwischen 4 und 10 bar eingesetzt. Da die verwendeten Schmierstoffe (in der Regel Esteröle und Fettalkohole) nahezu vollständig verdampfen beziehungsweise nicht rückgeführt werden, wird der Zerspanstelle kontinuierlich ›frisches‹ Öl zugeführt. Der quantitative Ölverlust unterschreitet den Austrag an KSS über Schlämme und das Bauteil selbst um ein Vielfaches. Klassischerweise bewegt sich der Ölverbrauch zwischen 5 und 50 ml je Prozessstunde. In der Serienfertigung eingesetzt werden interne (durch die Spindel) 1- und 2-kanalige Apparaturen. Bei der 1-Kanal-Technologie wird bereits vor der Spindeldurchführung im Gerät selbst ein Aerosol erzeugt während die Mischung der Medien bei der 2-Kanal-Technologie erst an der Spindel-Werkzeug-Schnittstelle stattfindet.Die Firma Bielomatik Leuze GmbH und Co. KG setzt auf die Entwicklung beider Technologien, welche unterschiedliche Vorteile für den Praxiseinsatz bieten (Tabelle).

Vorteile 1-Kanal-Technologie

  • Einfache Installation
  • Verwendung von Standarddrehdurchführungen (trockenlaufgeeignet)
  • Einfache Ansteuerung von Werkzeugparametern
  • Unkomplizierte Nachrüstung
  • Umschaltbarkeit von KSS/MMS

Vorteile 2-Kanal-Technologie

  • Spezifisch einstellbare und messbare (kleine und größere) Ölmengen
  • Hohe Fluidkonstanz durch Temperierbarkeit
  • Geringe Reaktionszeiten
  • Keine Verschmutzung von Fixierflächen und der Spindel bei Werkzeugwechsel durch getrennte Zufuhr der beiden Medien zum Werkzeug
  • Realisierung hoher Spindeldrehzahlen ohne Gefahr der Entmischung
  • Hochdynamische Prozessanpassung

Laut Expertenmeinung kommt ein Großteil der Prozesse mit einer geringen Menge an Öl (bis 25 ml/h) aus. Getriebegehäuse können heute mit einem Gesamtverbrauch von 5 ml MMS prozesssicher gefertigt werden. Herausfordernde Zerspanprozesse (zum Beispiel Bohr-,Reib- und Gewindeprozesse) bedingen für eine robuste Produktion hohe Ölmengen (bis circa 200 ml/h). Weiterhin ist durch die großen Zuführlängen der Einsatz der 2-Kanal-Systeme empfehlenswert. Die eingesetzte Technologie und Ölmenge wird dabei maßgeblich durch die Kombination aus Prozess, geforderter Bauteilqualität,Werkzeug und den eingesetzten Schnittwerten bestimmt. Ein Trend ist neben der Minderung des Ölverbrauchs in der Reduktion der zugeführten Druckluftmenge erkennbar, um die Kosten weiter zu senken und die Prozesssicherheit zu erhöhen.


Inhaltsverzeichnis

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele ist Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt

Dipl.-Ing. Patrick Pfeiffer ist Leiter der Forschungsgruppe Zerspanungstechnologie am PTW
pfeiffer <AT> ptw.tu-darmstadt.de

Dipl.-Ing. Thomas Hauer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Zerspanungstechnologie am PTW

Dipl.-Ing. Dominik Schäfer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe Zerspanungstechnologie am PTW

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