Projekt 35775/01

Ressourceneffiziente Zerspanung auf Langdrehmaschinen

Projektdurchführung

Maier Werkzeugmaschinen GmbH & Co. KG
Siemensstr. 10
78564 Wehingen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bislang beim Langdrehen unverzichtbare, mineralölbasierte Kühlschmierstoffe sind sowohl im Rahmen ihres Einsatzes als auch bezüglich ihrer Entsorgung oder Wiederaufbereitung als problematisch für die Umwelt anzusehen. Die Datenblätter von Schneidölprodukten einschlägiger Hersteller weisen die Medien als schwach bis stark wassergefährdend (WGK1-WGK3) ein, worauf von den Anwendern durch geeignete Schutzmaßnahmen zur Vermeidung der Einbringung in die öffentliche Kanalisation sowie das Erdreich reagiert werden muss. Herstellung und Wiederaufbereitung sind energieintensiv, wobei letzteres aufgrund der Verschmutzung des Schneidöls wirtschaftlich oft nicht möglich ist. Im Rahmen des Einsatzes der Medien werden große Mengen mit den erzeugten Spänen ausgeschleppt und beim Stahlrecycling verbrannt. Anhaftungen an Werkstücken müssen in Reinigungsschritten entfernt werden, wobei Energie aufgewandt wird, und Schmutzwasser entsteht. Im Rahmen des Entwicklungsprojekts „Ressourceneffiziente Zerspanung auf Langdreh-maschinen“ wurde erstmalig analytisch und wissenschaftlich untersucht, den konventionellen und in den zerspanenden Regionen weit verbreiteten Langdrehprozess ressourceneffizient und CO2 neutral zu gestalten. Hebelpunkt ist dabei die im konventionellen Prozess eingesetzte prozessbedingte „Überflutungskühlung oder Vollstrahlkühlung“, welche bisher durch den Einsatz sehr großer Mengen Mineralöls realisiert wird. Erstmalig soll nun die aus dem Fräsen bekannte Trockenbearbeitung sowie Minimalmengenschmierung (MMS) umgesetzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFolgende Arbeitspunkte wurden für das Projekt festgelegt und durchgeführt: AP1) Recherche
AP2) Vorbereitung des maschinellen Umfelds
AP3) Voruntersuchungen
AP4) Entwicklung einer MMS-geeigneten Langdrehmaschine
AP5) Auslegung MMS-geeigneter Bearbeitungsprozesse
AP 6) Zusammenführung von Maschine und Prozess sowie Testläufe AP 7) Abschlussbericht



Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Entwicklungsprojekts „Ressourceneffiziente Zerspanung auf Langdrehmaschinen“ wurde erstmalig analytisch und wissenschaftlich untersucht, den konventionellen und in den zerspanenden Regionen weit verbreiteten Langdrehprozess ressourceneffizient und CO2 neutral zu gestalten. Hebelpunkt ist dabei die im konventionellen Prozess eingesetzte prozessbedingte „Überflutungskühlung oder Vollstrahlkühlung“, welche bisher durch den Einsatz sehr großer Mengen Mineralöls realisiert wird. Erstmalig soll nun die aus dem Fräsen bekannte Trockenbearbeitung sowie Minimalmengenschmierung (MMS) umgesetzt werden. Dazu war es notwendig, den Einfluss des bisherigen Kühlschmiermediums im Langdrehprozess, Mineralöl, umfassend zu verstehen und damit einen bestehenden Prozess zu analysieren. Beim Projektpartner Hazec wurde diesbezüglich eine Langdrehmaschine mit Sensorik ausgerüstet, um insbesondere den Thermohaushalt der Maschine zu erfassen. Diese Realversuche wurden begleitet vom Projektpartner IfW, welcher die Realmaschine simulativ abbildete, um im Rahmen dieser Simulation eine zukünftige optimierte Konstruktion simulieren und optimieren zu können. Der daraus entstandene Maßnahmenkatalog ermöglichte nun den Aufbau einer optimierten Maschine. Innerhalb dieses Vorhabens wurde die optimierte Maschine in Form eines Maschinenbetts vom Projektpartner Maier aufgebaut. Auf der optimierten Maschine wurden grundlegende Zerspanversuche für zukünftige Prozesse unter Minimalmengenschmierung (MMS) bzw. Trockenbearbeitung durchgeführt. Insbesondere lag hier das Augenmerk auf der langdrehtypischen Führungsbuchse, welche durch geeignete Prozessparameter zur MMS Bearbeitung eingestellt werden kann. Die grundlegenden Zerspanversuche wurden seitens des IfW wissenschaftlich vertieft untersucht, um insbesondere auf Feldmaschinen zukünftig angepasste Werkzeuggeomet-rien verschiedenster Drehoperationen sowie Prozessparameter für robuste und qualitativ hochwertige Zerspanprozesse definieren zu können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Grundlegend konnten innerhalb dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens die Potentiale der Trockenbearbeitung/ MMS nachgewiesen werden. Sämtliche Maßnahmen sollten nun vollständig an einer Maschine unter Berücksichtigung der definierten Prozesseinstellungen umgesetzt werden. Mithilfe dieser Maschine sollte dann eine größere Serie an Teilen produziert werden. Erst dann kann eine Feinjustierung der Prozessparameter und eine Bewertung der Maschine im Dauereinsatz erfolgen. Damit ist eine finale Bewertung der Energie- und Ressourceneffizienz und der CO2 Einsparung möglich.


Fazit

Abschließend lässt sich feststellen, dass im Rahmen dieses Entwicklungsvorhabens die technologischen, konstruktiven und prozessbedingten Maßnahmen zur Umstellung konventioneller Langdrehautomaten (unter Vollstrahlkühlung) auf MMS (Minimalmengenschmierung) erstmalig systematisch und wissenschaftlich untersucht wurden. Generell zeigt dieses Projekt sehr deutlich die Herausforderungen und die weiterhin zu beforschenden Aufgaben zur vollständigen Trockenlegung von Langdrehmaschinen. Bisherige konventionelle mit Öl geschmierte und gekühlte Langdrehautomaten wurden historisch bedingt genau in diese Richtung konstruktiv optimiert und können entsprechend nicht ohne weiteres zur Trockenbearbeitung (MMS) eingesetzt werden. Dazu wurde der bisherige konventionelle Prozess beim Projektpartner Hazec mithilfe entsprechender Sensorik analysiert und die Einflüsse bei einer etwaigen Trockenbearbeitung (MMS) abgeleitet. Bereits bei diesen Untersuchungen wurde ein deutlicher Einfluss des Kühlschmiermediums auf den Thermohaushalt der Maschine erkannt. Erwärmt sich das Kühlschmiermedium, was in einer Serienproduktion insbesondere bei Hochdruckkühlung gezwungenermaßen der Fall ist, erwärmt sich die gesamte Maschine. Diese Temperaturführung durch das Kühlschmiermedium entfällt komplett bei der Trockenbearbeitung. Die simulativen Untersuchungen des Projektpartners IFW zeigen als positiven Effekte ein vernachlässigbares Verformungsverhalten des Maschinenbetts aufgrund der zusätzlichen thermischen Belastung der Trockenbearbeitung. Hier zeigt sich bereits die konventionelle Maschine als eher „gutmütig“. Auch Messungen an der Realmaschine unterstützten die Ergebnisse der Simulation. Die eigentlichen Herausforderungen liegen vielmehr innerhalb der bekannten Wärmequellen des Zerspanprozesses. Beispielsweise tragen die Späne 75% der Prozesswärme. Bisher wurden diese Späne mithilfe des Kühlschmiermediums zügig in den Späneförderer gespült und aus der Maschine abtransportiert. Die Spülung fällt bei der Trockenbearbeitung komplett weg. Entsprechend muss der Arbeitsraum so gestaltet werden, dass die Späne frei in den Späneförderer fallen können. Dies wurde bei der Neukonstruktion des Maschinenbetts der Firma Maier so auch berücksichtigt und damit eine deutliche Verbesserung erreicht. Darüber hinaus wurden insbesondere thermischen Verformungen konstruktiv im neuen Maschinenbett entgegengewirkt. In der alleinigen Betrachtung (ohne Maschine und Spänehandhabung) des Zerspanprozesses der Langdreher ist eine Umstellung auf MMS unter Einschränkungen möglich. Für ein passendes Spanbild (keine Wirrspäne) müssen Schnittgeschwindigkeiten, Vorschübe und Schneidengeometrie angepasst werden. Auf Basis der Versuchsergebnisse und mithilfe angepasster Werkzeuge und optimal eingestellter MMS.