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Manchmal geht’s auch trocken!

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Manchmal geht’s auch trocken!

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Untersuchungen zum Trockenschleifen bei der Innen- und Außenrundbearbeitung zeigen, daß es technologisch möglich ist, Bauteile mit einer hohen Bearbeitungsqualität trocken zu schleifen. Dafür ist jedoch die Reduzierung des bezogenen Zeitspanvolumens zwingend erforderlich. Hierfür bietet die Verfahrenskombination aus Hartdrehen und Trockenschleifen einen interessanten Ansatz.

Autoren: H.K. Tönshoff, T. Friemuth, T. Glatzel IFW Uni-Hannover

Bei dem überwiegenden Teil der spanenden Fertigungsverfahren werden derzeit Kühlschmierstoffe eingesetzt. Hierdurch ergeben sich technologische Vorteile, wie eine erhöhte Prozeßsicherheit, ein verringerter Werkzeugverschleiß sowie eine geringere Temperaturbelastung der Werkstückrandzone und der Werkzeugmaschine. Gleichzeitig führt der Einsatz von KSS aber auch zu schwerwiegenden Problemen, wie Hautreizungen und Allergien und Atemwegserkrankungen.
Des weiteren rufen vor allen Dingen die Pflege der KSS während des Einsatzes sowie die Entsorgung der KSS bei Standzeitende größere Schwierigkeiten und Kosten hervor.
Vor diesem Hintergrund werden in letzter Zeit verstärkt umweltgerechte Fertigungsprozesse gefordert, die ohne den Einsatz von KSS auskommen. Während beim Drehen und Fräsen in vielen Fällen schon auf KSS verzichtet wird, ist die Trockenbearbeitung beim Schleifen aufgrund der Gefahr von Schädigungen in der Bauteilrandzone und der hohen Anforderungen an Oberflächengüte sowie Maß- und Formgenauigkeit problematisch.
Trockenschleifen
Untersuchungen zum Trockenschleifen bei der Innen- und Außenrundbearbeitung zeigen, daß es prinzipiell möglich ist, auf den Einsatz von Kühlschmierstoff zu verzichten. Eine zusätzliche Alternative bietet die Minimalmengenschmierung, bei der ein Gemisch aus Luft und Esteröl in die Bearbeitungszone gesprüht wird. Der Durchfluß beträgt bei dieser Form der KSS-Zuführung weniger als 10 ml/min im Vergleich zu etwa 11 l/min bei der konventionellen Überflutungskühlung. Jedoch handelt es sich in diesem Fall um eine Verlustschmierung, bei der der Schmierstoff nicht in den KSS-Kreislauf zurückgeführt wird. Wie Bild 1 zeigt, lassen sich bei der Innenrundbearbeitung mit Minimalmengenschmierung und einem Aufmaß von 0,5 mm Bauteile fertigen, die qualitativ mit Bauteilen zu vergleichen sind, welche bei Überflutungskühlung bearbeitet wurden [TÖN98]. Dabei muß jedoch ein reduziertes bezogenes Zeitspanvolumen in Kauf genommen werden, sofern die Bildung von weißen Schichten und Anlaßgefüge verhindert werden soll. Bei einem vollständigen Verzicht auf KSS kommt es beim Innenrundschleifen aufgrund von langen Kontaktlängen und nicht vorhandener Schmierung zu starken Zusetzungen des Schleifbelages. Diese Einflüsse führen zu verschlechterten Bearbeitungsergebnissen und hohem Werkzeugverschleiß. Zudem bereitet die Spanabfuhr aus der Bearbeitungszone große Probleme.
Bei der Außenrundbearbeitung dagegen lassen sich auch bei vollständigem Verzicht auf KSS prozeßsicher Bauteile mit guten Oberflächenqualitäten und ohne nachweisbare thermische Schädigungen fertigen (Bild 2).
Neben dem eingesetzten Verfahren entscheiden in vielen Fällen auch die Bauteilabmessungen und die damit verbundene Möglichkeit der problemlosen Wärmeaufnahme und -abfuhr über die Einsatzeignung der Trockenbearbeitung. Zudem besitzt auch die Kontaktzeit und die Frequenz der Kontakte zwischen Werkstück und Schleifscheibe einen großen Einfluß auf die Bearbeitungsqualität. Prinzipiell kann davon ausgegangen werden, daß sich eine Schruppbearbeitung bei großen Werkstückaufmaßen im Trockenschliff nur schwer realisieren läßt. Dagegen können bei reduzierten bezogenen Zeitspanvolumen und geringen Bearbeitungsaufmaßen Bauteile mit guten Oberflächenrauheiten und ohne thermische Schädigungen bei vollständigem Verzicht auf KSS gefertigt werden.
Kombinierte Bearbeitung Hartdrehen-Schleifen
In vielen Betrieben ist es jedoch aufgrund von engen Zeitvorgaben und festgelegten Taktzahlen nicht möglich, die eingestellten bezogenen Zeitspanvolumen zu reduzieren, so daß die konsequente Umstellung auf das Trockenschleifen nicht möglich ist. In diesem Fall bietet sich jedoch eine interessante Alternative. Die Fa. Emag bietet schon seit geraumer Zeit multifunktionale Bearbeitungszentren an, welche die Verfahren Hartdrehen und Schleifen kombiniert und somit eine interessante Möglichkeit zur wirtschaftlichen Trockenbearbeitung gehärteter Stähle bietet [NN98]. In diesem Fall erfolgt die beim Trockenschleifen nur schwer zu realisierende Schruppbearbeitung durch das Hartdrehen, so daß anschließend das am Bauteil verbleibende Schlichtaufmaß bei geringen bezogenen Zeitspanvolumen im Trockenschliff abgetragen werden kann. In diesem Fall lassen sich wirtschaftliche Abtragsleistungen mit hohen Form- und Oberflächengüten bei vollständigem Verzicht auf Kühlschmierstoff realisieren. Für die Implementierung von derartigen Fertigungsverfahren in der industriellen Praxis ist es jedoch von großer Bedeutung, die gesundheitliche Unbedenklichkeit der bei Trockenbearbeitung auftretenden Schleifstäube nachzuweisen.
Emissionen und Immissionen beim Trockenschleifen
Da eine Gesundheitsbeeinträchtigung des Maschinenbedieners durch Prozeßemissionen einer industriellen Umsetzung der KSS-freien Technologien entgegensteht, wurde die Arbeitssicherheit bei diesen Verfahren mit Hilfe von Emissions- und Immissionsmessungen analysiert. Die Emissionsmessungen wurden vorgenommen, um die Auswirkungen des KSS-freien Schleifprozesses auf die Konzentration von Schadstoffen im Arbeitsbereich zu prüfen [VDI 2066].
Luftschadstoffe beim Trockenschleifen stellen in erster Linie Stäube aus Spanpartikeln und Abrasivstoffen des Werkzeuges dar. Für die Bewertung der Schleifstäube erfolgte eine qualitative und quantitative Charakterisierung der durch den Schleifprozeß freigesetzten Emissionen. Erfaßt wurden Feinstäube, die mittels Kaskadenimpaktoren fraktioniert wurden. Die Partikelgrößenverteilung des Schleifstaubes weist ein Maximum im Bereich von 2-8 µm auf (Bild 3). Diese Partikelgrößen sind zum Teil alveolengängig [TÖN97] und können daher für den Menschen schädlich sein [DIN EN 481].
Bei der Emissionsmessung wurden zwei Strategien verfolgt. Zum einen wurde an der Emissionsquelle direkt am Schleifprozeß abgesaugt, um zu prüfen, welche Emissionen entstehen. Zum anderen wurde die Konzentration der Stäube im Arbeitsraum der Maschine ermittelt (Bild 4).
Der vorgeschriebene Grenzwert für Gesamtstaub in der Abluft beträgt 150 mg/m3. Beim Einsatz einer Staubabsaugung beträgt die Gesamt- Aerosolemission ca. 70 mg/m³ und damit nur die Hälfte des zulässigen Grenzwertes. Dennoch kann der Konzentrationsgrenzwert von 150 mg/m³ überschritten werden, wenn die Emissionen direkt an der Quelle erfaßt werden. Daran wird sichtbar, daß der Grenzwert allein durch die Verteilung und das Sedimentieren des Staubanteils im Arbeitsraum der Maschine unterschritten wird.
Um zu überprüfen, wie groß die Schadstoffbelastung für den Maschinenbediener ist, wurden außerdem Arbeitsplatzmessungen vorgenommen [DIN EN 482]. Hier gelten die Grenzwerte aus der TRGS 900. Darin ist eine maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) von 6 mg/m³ für Feinstaub festgesetzt. Bei Einsatz einer Staubabsaugung lagen die Meßwerte für Feinstaub mit 1,8 mg/m³ für die ortsbezogene Messung im Arbeitsraum der Schleifmaschine und mit 1 mg/m³ bei der personenbezogenen Messung deutlich unterhalb des Grenzwertes von 6 mg/m³.
Zusammenfassung
Die Untersuchungen belegen, daß es technologisch möglich ist, Bauteile mit einer hohen Bearbeitungsqualität trocken zu schleifen. Dafür ist jedoch die Reduzierung des bezogenen Zeitspanvolumens zwingend erforderlich. Nebenfunktionen der KSS, wie die Spanabfuhr, der Korrosionsschutz und die thermische Maschinenstabilität, gilt es dabei, durch eine angepaßte Maschinengestaltung zu substituieren. Hinsichtlich der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Trockenbearbeitung bietet die Verfahrenskombination aus Hartdrehen und Trockenschleifen einen interessanten Ansatz. In diesem Fall lassen sich eine hohe Abtragsleistung verbunden mit einer hohen Bearbeitungsqualität und Prozeßsicherheit realisieren. Auftretende Schleifstäube stellen im betrachteten Fall bei einer gekapselten Maschine und dem zusätzlichen Einsatz einer Absaugung keine Gesundheitsgefährdung für den Maschinenbediener dar.
(Literaturhinweise im Internet unter http://www.mav-online.de)
– mav 200
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