Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Prozessorientierte Auslegung von Kühlschmierstoffdruck und -volumenstrom zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz

Das Forschungsziel des Vorhabens ist die Bestimmung des minimal notwendigen Drucks und Volumenstroms bei der Innenzuführung von Kühlschmierstoffen bei gleichbleibender Prozessqualität in der Zerspanung am Beispiel einer Bohrbearbeitung. Da in Bohroperationen, insbesondere bei Sacklochbohrungen, verschiedensten Kriterien wie Spanabtransport oder der Minimierung der Zerspantemperatur zur Vermeidung des Werkzeugverschleißes eine große Bedeutung zukommt, werden hier oftmals große Drücke und Volumenströme eingesetzt. Durch Einstellen des minimal notwendigen Drucks und Volumenstroms können deutliche Einsparungen an KSS sowie elektrischer Energie der verwendeten Pumpen realisiert werden.

Gerade bei kleinen und mittleren Unternehmen der Verarbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe werden die Erkenntnisse helfen, den Anteil der Kühlschmierstoffkosten an den Fertigungskosten von aktuell rund 15-20% zu reduzieren. Aber nicht nur die Kosten für das Medium selbst, sondern auch der Energieverbrauch lässt sich durch verringerte Zuführdrücke und-volumenströme deutlich verringern. Die Anwender werden in der Lage sein in Abhängigkeit von Druck und Volumenstrom der KSS-Versorgung abschätzen zu können, welche Kosten und energetische Aufwände mit den jeweiligen Arbeitspunkten verbunden sind. So kann für verschiedene Konzepte stets der Gesamtaufwand bestimmt und abgeschätzt werden.

Die finanzielle Umsetzbarkeit ist besonders hervorzuheben, da durch eine Veränderung des Zufuhrdrucks keine Kosten entstehen. Lediglich bei einer notwendigen Veränderung sowohl des Druckes als auch des Volumenstroms bei der KSS-Zuführung sind neue Werkzeuge bzw. Halterkonzepte für die Zerspanoperationen zu beschaffen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde die Nutzung von Kühlschmierstoff bei einem Bohrprozess mit unterschiedlichen Zuführdrücken und -volumenströmen analysiert. Dazu wurden verschiedene Messgrößen simultan zum Zerspanprozess erfasst, um die Wärmeaufnahme des Kühlschmierstoffs bei variierendem Druck und Volumenstrom zu bestimmen. Ziel des Forschungsvorhabens war, die beiden Einstellparameter Druck und Volumenstrom so zu bestimmen, dass die Bohrbearbeitung möglichst energie- und ressourceneffizient ist. Die Grenzparameter sollten möglichst niedrig gewählt werden, die Prozessstabilität sollte dadurch allerdings nicht beeinträchtigt werden. Zur Ermittlung wurde ein geeigneter Prüfstand konstruiert. Der Kühlschmierstoffeinsatz bei der Bohrbearbeitung wurde bei dem Vergütungsstahl 42CrMo4 und bei der Titanlegierung TiAl6V4 analysiert.

Für beide Werkstoffe konnte ein Betriebspunkt bestimmt werden, ab dem sich eine weitere Erhöhung von Druck und Volumenstrom aus energie- und ressourceneffizienter Sicht nicht mehr lohnt. Zusätzlich wurde noch der Werkzeugverschleiß untersucht. Bei 42CrMo4 haben höhere Einstellparameter keinen positiven Einfluss auf den Verschleiß, sodass eine beliebige Wahl von Druck und Volumenstrom möglich ist. Bei TiAI6V4 kann der Verschleiß durch eine höhere Wahl von Druck und Volumenstrom reduziert werden. Durch eine Kostenabschätzung wurden die Kosten von Werkzeugen und Energie pro Bohrung errechnet. Es ergeben sich bei TiAI6V4 zwei optimale Betriebspunkte, aus ökologischer sowie aus ökonomischer Sicht. Diese Erkenntnisse sind direkt für KMU nutzbar und im Abschlussbericht erläutert.