Industrielle Werkstoffbearbeitung / 29.04.2013

Energieeffiziente Feinbearbeitung im Maschinenbau

Forscher polieren Nockenwellen mit nur einem Bruchteil der üblichen Kühl- und Schmierstoffmenge und erzielen 50 Prozent Energieeinsparung © Volkswagen AG

Einsparung durch minimale Schmierung

Versuchsaufbau: Schleifen mit Minimalmengenschmierung. © Volkswagen AG

Bei der Herstellung von Maschinenbauteilen ist das Schleifen ein Fertigungsschritt mit vergleichsweise geringer Energieeffizienz. Bis zu 90% der eingesetzten Energie werden als Reibungswärme frei. Zur Kühlung überfluten große Mengen von Schmier- und Kühlmittel die Werkstücke und Werkzeuge. Die Kühlmittelversorgung und die Aufbereitung erfordern einen enormen Aufwand, auch an Energie. Forscher aus Industrie und Wissenschaft haben gemeinsam neue Verfahren entwickelt, die mit minimaler Schmierung signifikante Einsparpotenziale erreichen.

Drehen, Fräsen und Bohren lassen aus einem Rohling ein Maschinenbauteil entstehen. Diese Fertigungsverfahren kommen heute bereits vielfach mit Minimalmengenschmierung zum Serieneinsatz. Eine anschließende Feinbearbeitung des Werkstücks beseitigt letzte Maßabweichungen und Rauigkeiten. Oft ist dabei ein Schleifprozess unverzichtbar, bei dem eine Minimalmengenschmierung im industriellen Maßstab bisher noch nicht eingesetzt werden kann. Stand der Technik ist vielmehr die Überflutungskühlung und -schmierung. Der Aufwand für das Zuführen, Aufbereiten und Kühlen der Kühlschmierstoffe ist erheblich. Der Energieeinsatz hierfür übersteigt den des eigentlichen Schleifprozesses deutlich und kann bis zu 80 % des Gesamtbedarfs bei diesem Arbeitsgang ausmachen.

Am Beispiel einer Nockenwellenfertigung der Volkswagen AG am Standort Salzgitter erprobten die Forscher und Entwickler erstmals einen Produktionsschleifprozess für die Serienfertigung mit Minimalmengenschmierung. Bisher werden hierfür zwischen 5.000 und 7.000 Liter Kühlmittel im Umlauf pro Stunde benötigt. Unrunde Konturen der Werkstücke, große Kontaktlängen im konkaven Flankenbereich, die hohe Härte der induktionsgehärteten Chromstähle und die geforderte Präzision der Bauteile machen den Prozess schon in der Nassbearbeitung recht anspruchsvoll. Gelingt das Nockenformschleifen mit Minimalmengenschmierung aber, so die Überlegung der Projektpartner, dann sollten sich die Erfolge gut auf andere Bauteile und Bearbeitungsprozesse übertragen lassen. Als realistisches Potenzial wurde zu Projektbeginn eine Halbierung des Energieeinsatzes in diesem Prozessschritt erwartet.

Das Problem der Reibungswärme

Wie ein Messer beim Apfelschälen, schneidet bei Bohr- oder Fräsprozessen eine präzise und scharfe Schneide den Span aus dem Werkstück. Schleifkörner hingegen dringen mit geometrisch unbestimmter Schneide furchend in das Material ein. Sie verursachen neben der Spanbildung elastische und plastische Verformungen, Stauchungen und Verdichtungen. Deshalb übersteigt die beim Schleifen freigesetzte Reibungswärme die von Bohrarbeiten um zwei Zehnerpotenzen, bezogen auf den Materialabtrag. Rechnerisch reicht sie aus, ein Vielfaches des abgetragenen Metalls zum Schmelzen zu bringen. Diese Wärme muss sicher abgeführt werden, denn „Schleifbrand“, eine Veränderung der metallurgischen Struktur durch Überhitzung, sowie in das Werkstück thermisch eingebrachte Zugeigenspannungen könnten das Werkstück unbrauchbar machen. Auch das Schleifwerkzeug kann Schaden leiden.

Von der Überflutung zur Minimalmenge

Das Kühlmittel einer gut ausgelegten Überflutungskühlung führt mehr als die Hälfte der Wärme ab. Ein weiteres Viertel nehmen die Späne mit. Da auch die Schleifscheibe und die Umgebung Wärme aufnehmen, verbleiben weniger als 15%, die das Werkstück belasten. Zusätzlich sorgt das Kühlmittel für die Spanabfuhr, den Korrosionsschutz und für die Temperierung und Reinigung der Maschine.

Bei Minimalmengenschmierung kann das Schmiermittel all diese Funktionen nicht mehr übernehmen, da der Maschine nur wenige Milliliter pro Stunde zugeführt werden. Die Forscher standen also vor der Aufgabe, Schleifmaschine, Schleifkörper und die Schmierstoffzufuhr so weit zu optimieren, dass nur so viel Reibungswärme entsteht, wie schadlos über das Werkzeug und über die Späne abgeführt werden kann. Ferner galt es, Funkenflug in der Maschine zu verhindern und sicherzustellen, dass die Späne vollständig abgesaugt werden.

Mehr zum Projekt

Verbundprojekt:
Energieeffiziente Feinbearbeitung

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektbeteiligte:

Volkswagen AG, Werk Salzgitter

Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH

bielomatik Leuze GmbH+Co. KG

Erwin Junker Maschinenfabrik GmbH

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

Laufzeit:

2009 - 2012

Förderkennzeichen:

0327839A-D

Links

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Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.