Die Minimalmengenschmierung (MMS) ist eine umweltschonende und kostensparende Kühlschmierstofftechnologie, die vielseitige Vorteile bietet und mittlerweile für nahezu alle spanabhebenden Verfahren und Werkstoffe einsetzbar ist. Autor: Andree Fees, HPM Technologie GmbH
Hervorzuheben ist bei der MMS die im Vergleich zur Emulsion deutlich gesteigerte Schmierleistung der oftmals verwendeten Öle, die zu einer Reduzierung der Reibung im Zerspanprozess beiträgt und somit die entstehende Wärme verringern kann. Allerdings ist durch die Druckluft, die als Fördermedium für die zerstäubten Schmierstoffpartikel dient, die Kühlleistung des MMS-Konzeptes in Relation zur auf Bearbeitungszentren üblichen Überflutungs- oder inneren Hochdruckschmierung mit Emulsion deutlich reduziert.
Dementsprechend resultieren bei der MMS-Bearbeitung höhere Temperaturen, die in bestimmten Fällen zu einer Verbesserung der Zerspanbarkeit führen können, aber bei nicht optimaler Ausnutzung bzw. Einstellung oft ein erhöhtes Verschleißniveau und reduzierte Werkzeugstandzeit hervorrufen. Daher hat laut einer Umfrage unter Vertretern von Werkzeug- und Werkzeugmaschinenherstellern die Trocken- bzw. Minimalmengenschmierungsfertigung aktuell einen Marktanteil von ca. nur 12 Prozent. Die aktuellen Diskussionen hinsichtlich energieeffizienter und ressourcenschonender Fertigung bringen die MMS-Technologie derzeit wieder in den Fokus möglicher Bearbeitungsstrategien. Dies gilt für Erstausrüster ebenso wie für die Endanwender.
Ökologische und ökonomische Prinzipien
Die MMS-Bearbeitung punktet bei ökonomischen, ökologischen und qualitativen Gesichtspunkten in jüngster Zeit zunehmend, was dazu führt, dass über kurz oder lang am Thema MMS niemand mehr vorbei kommen wird. Wie etwa beim Tiefbohren, wo mit MMS bei minimalstem Fluideinsatz höhere Schnittgeschwindigkeiten, längere Standzeiten und bessere Oberflächen erreicht werden können. Dennoch dominiert die klassische Kühlschmierung (KSS) immer noch maßgeblich die Zerspanung, obwohl am Markt längst Geräte angeboten werden, die eine funktionierende Prozessschmierung auf Minimalmengenbasis möglich machen. Die teilweise zu geringe Verlässlichkeit bei der Zufuhr ausreichender Fluidmengen sowie die geringe Einstellbarkeit für verschiedenste Anwendungen ist momentan der größte Hemmschuh der MMS. So ist bei kleinen Werkzeugdurchmessern die Schmierleistung bisher oft nicht ausreichend, weil zu wenig des Aerosols durch die dort meist eng dimensionierten lnnenkühlkanäle transportiert wird. Bei großen Durchmessern wird bisher zu viel Flüssigkeit freigesetzt. Dadurch verkleben die Späne und es gibt Probleme bei der Späneabfuhr.
Ausschließlich konstruktive Weiterentwicklungen an den bisher auf dem Markt angebotenen MMS-Geräten haben diese Probleme nicht lösen können. Die HPM Technologie GmbH, die über einen in Jahrzehnten aufgebauten Erfahrungsschatz in der MMS verfügt, ist das Problem deshalb von einer ganz anderen Seite angegangen. HPM war es immer klar, dass man sich mit den physikalischen Gesetzen von Flüssigkeiten und den daraus resultierenden Erfordernissen beschäftigen muss.
Aus diesen Erkenntnissen heraus sind inzwischen neue MMS-Systeme entstanden: Die MMS-Fachleute schafften es mit ihrem Verfahren, Kühlschmierflüssigkeiten so fein zu zerstäuben, dass das dabei entstehende Aerosol auch noch bei lnnenkühlkanaldurchmessern 0,3 mm verlässlich durch Spindel und Werkzeug an die Wirkstelle geführt wird. So entsteht bei der Ausbringung ein hauchdünner Gleitfilm mit geschlossener Kettenstruktur. Die Erkenntnisse aus Kundenanwendungen bestätigen, dass das HPM-Schmierverfahren echte Verbesserungen ermöglicht. Unabhängig davon, dass die bisher mit der klassischen Kühlschmierung verbundenen Beschaffungs-, Betriebs- und Entsorgungskosten durch den auf kleinste Mengen reduzierten Fluidbedarf auf einen wesentlich niedrigeren Level sinken, bringt dies bei maximaler Ökologie eine erhöhte ökonomische Produktivität.
Ökologische und ökonomische Betrachtung
Um mit MMS unter ökologischer und ökonomischer Betrachtungsweise effektive Ergebnisse zu erzielen, bedarf es vor allem einer gesamtheitlichen und übergreifenden Prozessbetrachtung, mit dem Ziel, den kompletten Fertigungsprozess zu definieren. Aufgrund dessen werden nachfolgend die zwei Bereiche MMS-Gerät und MMS-Medium tiefer erläutert. Die ebenso wichtigen Teilbereiche Prozess, Qualität, Werkstoff, Schnittbedingungen, Schneidstoff, Werkzeug, Maschine, Personal und gesetzliche Vorgaben können in diesem Artikel aufgrund des Umfangs nicht betrachtet werden, sind jedoch für einen effektiven und funktionierenden MMS-Prozess zwingend erforderlich.
Als aktuelle MMS-Lösung bietet HPM ein System zur Minimalmengen-Innenschmierung mit einem Druck von bis zu 16 bar für komplexe Anwendungen wie z. B. das Tieflochbohren an. Zum Einsatz kommt das System bereits in mehreren Projekten, zum einen werden Versorgungsbohrungen für Einspritzdüsen in Pumpenkörper gebohrt. Eingesetzt werden dabei Einlippenbohrer, die einen Außendurchmesser von 2,04 mm haben und eine Länge von 200×D. Die Kanäle für die interne Kühlmittelzufuhr haben einen Durchmesser von 1,2 mm. Die Bohrtiefe reicht bei diesem Projekt von 84 bis 140 mm. Am Werkzeug stehen ca. 15 bar zur Verfügung.
Mit 7 oder 8 bar lässt sich bei diesen extrem kleinen und langen Werkzeugen keine Prozesssicherheit erreichen. Da die Kühlkanäle so klein sind, gibt es fast keinen Luftverbrauch, aber es ist ein so hoher Druck erforderlich, um die Späne heraus zu transportieren. Bei Aerosolen in diesem Bereich geht es um Partikelgrößen mit weniger als 1 μm Durchmesser. Ein Aerosol, das grobe, große Partikel enthält, lässt sich für solche kleinen Werkzeuge nicht verwenden, da es die interne Kühlmittelzufuhr verstopfen würde. Wenn man mit hochviskosen Medien arbeitet, die nicht fein zerlegbar sind, setzten diese die Kanäle ebenfalls sofort zu. Das Spiralwerkzeug zur Demonstration der Neuentwicklung im Forschungs- und Entwicklungsbereich bei HPM hat Kühlkanäle mit 0,3 mm Durchmesser.
Ein weiterer diffiziler Bereich ist der MMS-Einsatz in der Fertigung auf Transferzentren. Das Maschinenkonzept umfasst dabei mehrere Mehrspindelköpfe. Dabei bewegen sich nur die Werkstücke in der Z-Achse in die Werkzeuge hinein. HPM hat in diesem Zusammenhang einen Kunden, bei dem 48 Spindeln gleichzeitig im Einsatz sind. Die gesamte Anlage verfügt über etwas mehr als 120 Spindeln. Dabei hat sich HPM auf den Maschinenhersteller und den Endanwender eingestellt und speziell dafür einen Prozess und ein Produkt definiert.
Hinsichtlich der Minimalmengenschmierung sind hierbei Einkanal- und Mehrkanalsysteme miteinander kombiniert. Dort, wo es möglich ist, werden die klassischen Einkanalsysteme eingesetzt. Wenn jedoch, wie beim Gewindeformen, mehr Menge benötigt wird, kommen Mehrkanalsysteme zum Einsatz. Zu Testzwecken steht in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei HPM ein Modell für 64 Spindeln. Die große Kunst ist dabei, 64 Spindeln mit einer HPM-Breeze-Anlage zu versorgen und dabei das Aerosol physikalisch sinnvoll und gleichmäßig zu verteilen. Wie aufgezeigt gibt es eine große Bandbreite der Einsatzgebiete mit MMS.
1-, 2- und mehrkanalige MMS-Systeme
Anhand der Norm 69090-2 gibt es bei der inneren Zuführung durch die Spindel die Unterscheidung in 1-kanalige MMS-Systeme mit innerer Zuführung und 2- und mehrkanalige MMS-Systeme mit innerer Zuführung. Damit ein MMS-Gerät im Zerspanungsprozess sicher funktionieren kann, müssen folgende Kriterien erfüllt sein:
An der Wirkstelle muss ein verlässlich gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm mit durchgehender Kettenstruktur erzeugt werden. Dadurch ergibt sich ein optimaler Schmiereffekt.
Bei Werkzeugen mit kleinen Innenkanaldurchmessern muss das Aerosol homogen und zuverlässig transportiert, und die Wandölfraktion sollte so gering wie möglich gehalten werden.
Die eingesetzten Flüssigkeiten müssen verlässlich, exakt dosiert und unabhängig von der jeweiligen Aufgabenstellung angesteuert werden.
Die benötigte Aerosolmenge sollte ohne hohe Anforderungen an die Übergabe- und Durchführungspunkte verlässlich an die Wirkstelle transportiert werden.
Das MMS-Verfahren HPM Breeze erfüllt diese Kriterien. Aus diesem Verfahren können folgende Funktionsschwerpunkte herausgestellt werden:
Feinste Aerosolerzeugung, zu 100 % unter 1 μm Tröpfchengröße auf Grund entsprechender Düsentechnologie.
Verfahrenstechnische Lösungen um Aerosolmengen von 1 bis 200 ml/h unter Beachtung folgender Gesichtspunkte (Ansprechzeit, Ölwandfraktion, Drehzahl, Gegendruck, Werkzeugwechsel) an die Wirkstelle zu transportieren.
Prozesstechnische Lösung, da hinsichtlich der Komplexizität der Zerspanungsaufgabe der reine Anbau einer MMS-Anlage nicht ausreichend ist, favorisiert das HPM Breeze-Verfahren die Betrachtung hinsichtlich des ganzen Prozesses, d. h. ausgehend von der Aufgabe wird der komplette Prozess mit allen Rahmenbedingungen betrachtet und optimiert.
Hohe Sedimentationsbeständigkeit, d. h. das Aerosol bleibt unter Druck bis zu 30 Minuten stabil.
MMS-Medium
Beim Einsatz von MMS steht vor allem bei den technologischen und tribologischen Gesichtspunkten die Reduzierung von Adhäsions- und Abrasionsvorgängen im Vordergrund. Zudem soll die Abfuhr der entstehenden Prozesswärme unterstützt werden, wobei aber die Aufgabe des Kühlens in der Vermeidung von Wärmeentwicklung durch Reibungsminderung verstanden werden soll. Weitere primäre Aufgaben sind das Schmieren und der Späneabtransport mit Druckluftunterstützung. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass das MMS-Medium nicht als Hilfsstoff angesehen wird, sondern als „flüssiges“ Werkzeug.
Für MMS-Anwendungen geeignete Schmierstoffe sind in der Regel auf synthetischer oder nativer (pflanzlicher) Basis hergestellt (Ester, Fettalkohole) und weisen sehr gute Schmiereigenschaften auf. Gegenüber der konventionellen KSS ist keine oder nur eine geringe Additivierung erforderlich, d. h. sie sind damit auch weniger gesundheitsgefährdend. Verschiedene Untersuchungen (insbesondere durch die Berufsgenossenschaften) haben zudem gezeigt, dass die Arbeitsplatzbelastung bei MMS deutlich geringer ist als bei konventioneller Nassbearbeitung. Insbesondere ist dabei die Entwicklung von ökologisch unbedenklichen Schmierstoffen ein wesentlicher Ansatz.
Als ein Beispiel für ein funktionierendes MMS-Medium wird Samnos ZM-21W näher erläutert: Dies ist ein zu 95 % rückstandsfrei abdunstendes Bearbeitungsmittel. Die Schmierfähigkeit ist als sehr hoch einzustufen. Es besitzt eine sehr hohe Kühlfähigkeit. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Temperaturbeständigkeit von mindestens 350 °C. Generell ist diese Flüssigkeit bei allen Materialien und auch bei Kunststoffen und Verbundwerkstoffen einsetzbar. Dieser biologische Industrieschmierstoff bietet unter anderem eine sehr hohe Schnittgeschwindigkeit ohne Verringerung der Werkzeugstandzeit, eine Steigerung des Materialdurchsatzes und bessere Produktqualität durch höhere Präzision der Werkzeuge im Verarbeitungsprozess. Der Schmierstoff enthält dabei keine Gefahrstoffe – damit entfallen die verwaltungsaufwändige Gefahrgutklassifizierung nach Reach sowie aufwändige Maßnahmen für den Arbeitsschutz. ■
HPM Technologie GmbH www.hpmtechnologie.de
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