MMS und Trockenzerspanung - eine saubere Lösung

Ein Projekt der Hochschule Furtwangen hat untersucht, wie sich Schwebstoffe im ­Kühlschmiermittel beim Aluminiumschlichten auf die Oberflächenqualität auswirken. Versuchswerkzeug war der Cut&Form-Fräser von Emuge-Franken, der polierte Oberflächen in einem Arbeitsgang herstellt.

Merkmale wie Schneidengeometrien, Beschichtungen oder Substrate sind bei den Zerspanwerkzeugen im Laufe der Zeit immer raffinierter geworden. Damit wurden auch Aufgaben wie die Reduzierung von Reibung und das Verhindern von Überhitzung, die bisher dem Kühlschmierstoff zukamen, quasi in das Werkzeug verlagert. Schlagwörter sind hier Minimalmengenschmierung, kurz MMS, und Trockenzerspanung, die sich vom einstigen Nischendasein zu einer breit eingesetzten Technik entwickelt haben.

Doch trotz aller technologischer und ökologischer Vorteile dieser Vorgehensweise, der klassische Kühlschmierstoff hat nach wie vor eine große Fangemeinde. Und natürlich existieren immer noch sehr viele Anwendungsgebiete, wo es zur Kühlschmieremulsion keine Alternative gibt. Doch lässt sich mit modernen Hightech-Werkzeugen unter Verwendung von Kühlschmierstoff dauerhaft das gleiche Bearbeitungsergebnis erzielen, wie zum Beispiel mit MMS?

Diese Frage sollte ein Projekt der Hochschule Furtwangen University (HFU) im Rahmen einer Bachelorarbeit klären. Projektbeteiligte waren der fränkische Werkzeughersteller Emuge-Franken sowie IDV Engineering aus dem oberbayerischen Tacherting. Dort hat man sich auf Entwicklung und Herstellung von Kühlschmierstoff-Filteranlagen mit hoher Partikelrückhaltung spezialisiert.

„Oberstes Ziel war herauszufinden, wie sich die zunehmende Verschmutzung des Kühlschmierstoffs und damit eine stärker werdende Partikelbelastung auf den Fräsprozess bei Bearbeitung von Aluminium auswirkt“, erklärt Projektleiter Jürgen Struß vom Kompetenzzentrum für Spanende Fertigung, kurz KSF, in Tuttlingen die Ausgangslage. „Untersucht wurde ebenfalls, welchen Einfluss eine Mikrofiltration des Kühlschmierstoffs auf das Bearbeitungsergebnis hat.“ Am KSF, das organisatorisch zur Hochschule Furtwangen gehört, fanden auch die Versuche statt.

Bearbeitungsergebnis war in diesem Fall die poliergefräste Oberfläche einer Aluminiumlegierung AlMgSi1. Dieser Werkstoff wurde gewählt, weil als Versuchswerkzeug mit Cut&Form ein noch nicht allzu lange am Markt erhältlicher Hartmetall-Schaftfräser von Emuge-Franken zum Einsatz kam, der über eine äußerst ungewöhnliche Werkzeuggeometrie verfügt. Der in zwei Baulängen erhältliche Cut&Form-Fräser ist speziell für die Erzeugung von Designoberflächen bei Nichteisenmetallen ausgelegt, neben Aluminiumlegierungen also auch Kupfer und Kupferlegierungen.

„Die patentierte Werkzeuggeometrie dieses Fräsers kombiniert drei Schneiden mit drei nachgelagerten Drückstegen. So wird das Werkstück erst spanend geschlichtet und anschließend spanlos geglättet“, beschreibt Michael Sischka von Emuge-Franken, der das Projekt begleitet hatte, die Funktionsweise dieses Hochleistungswerkzeugs für die Schlichtbearbeitung. „Auf diese Weise entstehen in einem einzigen Arbeitsgang polierte und verdichtete Oberflächen mit Rauheitskennzahlen von N1 bis N3.“

Weitere Nacharbeiten zur Verbesserung der Oberfläche können also entfallen. Der Cut&Form-Fräser ist sowohl für MMS als auch für die Verwendung von Kühlschmierstoff ausgelegt. „Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass sich zwar polierte Oberflächen unter MMS-Bedingungen problemlos herstellen lassen, mit Kühlschmierstoff aber nur, wenn dieser mikrofiltriert und damit partikelfrei ist.“ Weil dieses Phänomen sich hier so eindeutig gezeigt hätte, sei dieser Fräser für die Versuche ausgewählt worden.

Wie wurde nun vorgegangen? „Um später den Einfluss der Kühlschmierstoff-Verschmutzung auf die Oberflächenergebnisse untersuchen zu können, mussten wir zuvor erst einmal die optimalen Prozessparameter für den Cut&Form-Fräser ermitteln“, erklärt Mohamed Laadhari, Studierender an der Hochschule Furtwangen, der die Versuche im Rahmen seiner Bachelorarbeit gefahren hatte. „Diese Parameter- beziehungsweise Benchmark-Studie umfasste das Gleichlauf- und Gegenlauffräsen sowie variierende Schnittparameter bei einem neuen Werkzeug. Und zwar unter den Bedingungen der 1-µm-Filtration, also mit sauberem Kühlschmierstoff.“ Denn diese Prozessparameter müssten ja nicht notwendigerweise mit den Angaben des Werkzeugherstellers übereinstimmen.

Aus diesem Grund war neben der Versuchsmaschine, eine dreiachsige Müga-Center R4530, eine EM-5000-VA Filteranlage des Herstellers IDV Engineering installiert worden. Deren platzsparende Bauweise ermöglicht eine risikolose, schnelle Montage ohne Eingriff in die Steuerung.

Eigenschaft dieser Neuentwicklung ist die hohe Partikelrückhaltung von ein Mikrometer, die mit der Standard-Filterpatrone erreicht wird. „Das bedeutet, alle Partikel, die größer als ein Mikrometer sind, egal ob feine Späne oder Bakterien, werden aus dem Kühlschmierstoff herausgefiltert“, erklärt Norbert Fleck, der ebenfalls zu den Projektunterstützern zählte. Der studierte Ingenieur sowie Gründer und Chef von IDV Engineering hatte das System vor rund fünf Jahren selbst entwickelt. Damit sei die Mikrofiltration auch hoch wirksam gegen Bakterien, Hefen und Schimmel.

In speziellen Fällen kann auch noch feiner, bis zu 0,2 Mikrometer, filtriert werden. „Wir verwenden hierbei eine erprobte, robuste und kostengünstige Technologie aus der Chemie- und Lebensmittelindustrie, die eine klassische Bandfilteranlage oft ersetzen kann.“ Hinzu käme, dass Partikel von weniger als 25 Mikrometer von Bandfiltern nicht zuverlässig erfasst würden. „Partikel in diesem Größenspektrum sind jedoch für so gut wie alle Probleme, die bei der Kühlschmierstoffpflege auftreten, zumindest mitverantwortlich.“ Durch die feine 1-µm-Filterung könne man in der Emulsion sogar weitgehend auf Konservierungsmittel verzichten, meint Fleck.

Bei den Versuchen am KSF diente als Kühlschmieremulsion mit AquaTec 7650 von Oelheld ein mineralölhaltiges Konzentrat. Die Einsatzkonzentration bei Aluminiumzerspanung liegt hier zwischen 8 und 10 Prozent. Zur Ermittlung der Zerspankräfte diente eine Kraftmessplatte von Kistler, 9255B, die zwischen Schraubstock und Maschinentisch befestigt war. Die Oberfächenrauheit wurde mit einem Taster von Jenoptik, Hommel-Etamic W10, aufgenommen.

Im Benchmarktest beim Stirn-Umfangs-Planfräsen im Gleichlauf verwendete Laadhari anfangs die von Emuge-Franken empfohlenen Schnittparameter. Bei der Untersuchung kamen hintereinander die Fräserdurchmesser 10 sowie 12 Millimeter zum Einsatz, wobei bei allen Werkzeugen die Toleranz von zehn Mikrometer beim Rundlauf der Werkzeugschneiden geprüft wurde. „Dabei hatte sich herausgestellt, dass bei unserem Versuchsaufbau die Rauheitswerte mit einem Mittenrauwert von Ra 0,05 Mikrometer und einer gemittelten Rautiefe von Rz 0,39 Mikrometer beim Gleichlauffräsen sogar deutlich besser waren als die, die von Emuge-Franken angegeben werden.“

Anschließend wurde die Schnittgeschwindigkeit in mehreren Stufen reduziert. Das Verringern der Schnittgeschwindigkeit vc von 315 m/min auf 290 m/min beeinflusste den Prozess kaum, die Rauheitswerte blieben gleich. Bei einem vc von nur noch 270 m/min wurde die Oberfläche mit Ra 0,2 Mikrometer und Rz 1,08 Mikrometer dann deutlich rauer. „Es darf mit diesem Fräser also eine bestimmte Schnittgeschwindigkeit nicht unterschritten werden“, fasst Projektleiter Struß das Ergebnis zusammen. „Es wäre interessant zu wissen, warum bei niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten der Umformvorgang nicht mehr gut funktioniert.“

In weiteren Versuchen wurde die Schnittgeschwindigkeit in mehreren Schritten auf 380 m/min erhöht. Die Rauheit blieb dann aber stets konstant, auch bei kleinerer oder größerer Zustellung. Laadhari: „Der Benchmark hat gezeigt, dass die von Emuge-Franken angegebenen Schnittdaten weiterzuempfehlen sind.“

Beim Vergleich zwischen Gleichlauf- und Gegenlauffräsen gab es einen klaren Verlierer. „Beim Gegenlauffräsen zeugten die gemessenen Zerspankräfte und die schlechten Rauheitswerte von einem instabilen Prozess“, so Laadhari. Beim Gleichlauffräsen sei hingegen bei allen Schnittwerten der Prozess stabil geblieben und es wurden feinere und glattere Oberflächen erzielt.

An diesem Punkt war also der Ausgangszustand definiert und es konnte mit der gezielten Verschmutzung des Kühlschmierstoffs begonnen werden. Damit der Einfluss von Schwebstoffen nachgewissen werden konnte, musste ein definierter Verschmutzungsgrad erzielt werden. „Um die Emulsion gezielt zu verschmutzen, haben wir den Filtereinsatz aus dem Gehäuse herausgenommen und in einzelnen Stufen Graugusswürfel mit einem Wendeplattenwerkzeug so bearbeitet, dass Mikrospäne entstehen“, erklärt Filterspezialist Fleck. „Das gibt einen schönen Dreck in der Maschine, was ja so gewollt war.“

Für die präzise Partikelauszählung wurde der stufenweise verschmutzte Kühlschmierstoff filtriert und die Schwebstoffe, die sich auf den Membranfiltern abgelagert hatten, mit dem Digital-Mikroskop Keyence VHX-5000 untersucht. Dieses ermöglicht, viele Einzelbilder zu einer Gesamtansicht zusammenzusetzen, um einen größeren Bereich mikroskopisch untersuchen zu können. Nach jeder Stufe, also nach eineinhalb, drei, sieben und neun zerspanten Graugusswürfeln wurde eine Rauheitsmessung der Oberflächengüte sowie eine optische Messung der Werkstückoberfläche unternommen.

„Die Messungen haben erwartungsgemäß gezeigt, dass der verschmutzte, unfiltrierte Kühlschmierstoff stark von Partikeln beziehungsweise Schwebstoffen belastet war“, sagt Laadhari abschließend. Die Versuche hätten zudem gezeigt, dass mit zunehmender Partikelmenge in der Emulsion die Oberflächenrauheit am Werkstück schlechter wird und sogar eine Beschädigung der Oberflächenstruktur durch Kratzer auftritt. „Die verschmutzte Emulsion hat den Prozess mit dem Cut&Form-Fräser signifikant verschlechtert.“

Was genau hierfür verantwortlich sei, könne er nur mutmaßen, meint Struß. „Ich vermute, wenn sich Partikel in der Emulsion befinden, gelangen diese zwischen Umformkörper und Werkstück und werden dort durchgedrückt. Da die Oberfläche reflexiv ist, sind Druckstellen allerdings schwer zu erkennen.“

Gezeigt hätte die Testreihe auch: Sobald man die Partikel wieder aus der Emulsion entfernt, wird das alte Oberflächenergebnis wieder erreicht. „Dies macht deutlich, dass jeder, der Kühlschmierstoff verwendet, dem Thema Mikrofiltration eine hohe Priorität einräumen sollte.“

Quelle: Emuge-Werk Richard Glimpel GmbH & Co. KG