Kühlmittelstrategien und Zuführung: Flut-, Hochdruck- und Durch-Werkzeug-Zuführung im Vergleich

Was dieses Material (oder Verfahren) ist

Kühlmittel ist ein flüssiges oder gasförmiges Medium, das bei der Zerspanung drei zentrale Funktionen erfüllt: Kühlung, Schmierung und Späneabtransport. Bei der Auswahl einer Kühlmittelstrategie – also der Art der Zuführung – geht es nicht nur um die Wahl des Mediums, sondern vor allem darum, wo und mit welcher Intensität es auf die Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück trifft. Die drei gängigsten Strategien sind:

1. Flutzuführung: Kühlmittel wird in großen Mengen über Düsen auf die Schnittstelle gesprüht, ohne dass es direkt durch das Werkzeug geleitet wird.
2. Hochdruckzuführung: Kühlmittel wird mit einem Druck von 70 bis 200 bar (teilweise bis 300 bar) zugeführt, meist über Düsen nahe der Schnittstelle oder durch spezielle Werkzeugkanäle.
3. Durch-Werkzeug-Zuführung (DZ): Kühlmittel wird durch interne Kanäle im Werkzeug direkt an die Schneidkante geleitet, mit Drücken von 10 bis 100 bar (bei Hochdruck-DZ bis 300 bar).

Jede Strategie hat spezifische Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen geeignet machen. Entscheidend ist, dass die Zuführung die Schnittstelle so erreicht, dass sie ihre Funktionen optimal erfüllt – ohne negative Nebeneffekte.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Um die Wirkung von Kühlmittelstrategien zu verstehen, müssen wir die Bedingungen an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück analysieren:

• Schnittkräfte: Bei der Zerspanung entstehen Kräfte, die das Werkzeug und das Werkstück belasten. Kühlmittel reduziert die Reibung zwischen Werkzeug und Späne, wodurch die Schnittkräfte sinken – aber nur, wenn es die Schnittstelle erreicht.
• Wärmeentwicklung: Bis zu 90 % der Energie, die bei der Zerspanung aufgewendet wird, wird in Wärme umgewandelt. Diese Wärme konzentriert sich auf die Schneidkante des Werkzeugs und kann bei Temperaturen über 600 °C die Härte des Werkzeugs reduzieren (Werkzeugverschleiß durch Weichung) oder das Werkstück verformen.
• Spanbildung: Späne entstehen, wenn das Werkstückmaterial durch die Schneidkante abgetrennt wird. Bei schwer zerspanbaren Materialien (z. B. Titan, hochfeste Stähle) bilden sich lange, schwierig zu abtransportierende Späne, die die Schnittstelle blockieren und die Wärmeentwicklung erhöhen.
• Werkzeugverschleiß: Die Hauptverschleißarten sind:
  • Abriebverschleiß: durch harte Partikel im Werkstückmaterial.
  • Diffusionsverschleiß: bei hohen Temperaturen drücken Atome aus dem Werkzeug in das Werkstück und umgekehrt, wodurch die Schneidkante weich wird.
  • Thermische Ermüdung: durch schnelle Temperaturwechsel, die Risse im Werkzeug verursachen.

Kühlmittel reduziert alle diese Verschleißarten – aber nur, wenn es die Schnittstelle erreicht. Bei der Flutzuführung kann das Kühlmittel durch die hohe Geschwindigkeit des Werkzeugs und die entstehende Luftströmung von der Schnittstelle weggeblasen werden. Bei der Hochdruck- oder Durch-Werkzeug-Zuführung wird dieser Effekt durch den hohen Druck überwunden, sodass das Kühlmittel direkt an die Schneidkante gelangt.

Praktische Parameter

Die Wahl der Kühlmittelstrategie hängt von verschiedenen Parametern ab, die jeweils Trade-offs (Abwägungen) erfordern:

Schnittgeschwindigkeit (v_c)

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Schneidkante relativ zum Werkstück bewegt wird. Sie wird in Metern pro Minute (m/min) gemessen.

• Flutzuführung: Geeignet für Schnittgeschwindigkeiten bis 150 m/min bei Stahl, bis 50 m/min bei Titan. Bei höheren Geschwindigkeiten wird das Kühlmittel von der Schnittstelle weggeblasen, sodass die Kühlwirkung abnimmt.
• Hochdruckzuführung: Erlaubt Schnittgeschwindigkeiten bis 250 m/min bei Stahl, bis 100 m/min bei Titan. Der hohe Druck überwindet die Luftströmung, sodass das Kühlmittel auch bei hohen Geschwindigkeiten die Schnittstelle erreicht.
• Durch-Werkzeug-Zuführung: Erlaubt Schnittgeschwindigkeiten bis 300 m/min bei Stahl, bis 120 m/min bei Titan. Das Kühlmittel wird direkt an die Schneidkante geleitet, sodass es auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten wirksam ist.

Trade-off: Höhere Schnittgeschwindigkeiten erhöhen die Produktivität, aber auch die Wärmeentwicklung. Bei der Flutzuführung kann die Wärmeentwicklung bei hohen Geschwindigkeiten nicht ausreichend reduziert werden, sodass der Werkzeugverschleiß stark ansteigt.

Vorschubgeschwindigkeit (f)

Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück relativ zum Werkzeug bewegt wird. Sie wird in Millimetern pro Umdrehung (mm/U) oder Millimetern pro Minute (mm/min) gemessen.

• Flutzuführung: Geeignet für Vorschubgeschwindigkeiten bis 0,3 mm/U bei Stahl, bis 0,15 mm/U bei Titan. Bei höheren Vorschüben entstehen dickere Späne, die das Kühlmittel von der Schnittstelle wegdrücken.
• Hochdruckzuführung: Erlaubt Vorschubgeschwindigkeiten bis 0,4 mm/U bei Stahl, bis 0,2 mm/U bei Titan. Der hohe Druck dringt zwischen Werkzeug und Span ein, sodass das Kühlmittel auch bei dicken Spänen wirksam ist.
• Durch-Werkzeug-Zuführung: Erlaubt Vorschubgeschwindigkeiten bis 0,5 mm/U bei Stahl, bis 0,25 mm/U bei Titan. Das Kühlmittel wird direkt an die Schneidkante geleitet, sodass es auch bei sehr dicken Spänen wirksam ist.

Trade-off: Höhere Vorschubgeschwindigkeiten erhöhen die Produktivität, aber auch die Schnittkräfte. Bei der Flutzuführung können hohe Vorschübe zu einem starken Anstieg der Schnittkräfte führen, da das Kühlmittel nicht ausreichend schmiert.

Werkzeuggeometrie

Die Werkzeuggeometrie hat einen großen Einfluss auf die Wirkung der Kühlmittelstrategie:

• Flutzuführung: Geeignet für Werkzeuge mit offenen Schneidkanten (z. B. Fräser mit großen Spanräumen). Bei Werkzeugen mit engen Spanräumen (z. B. Bohrer) kann das Kühlmittel nicht ausreichend in die Spanräume eindringen.
• Hochdruckzuführung: Geeignet für Werkzeuge mit speziellen Düsen (z. B. Fräser mit Düsen nahe der Schneidkante). Die Düsen müssen so ausgerichtet sein, dass das Kühlmittel direkt auf die Schnittstelle trifft.
• Durch-Werkzeug-Zuführung: Erfordert Werkzeuge mit internen Kanälen (z. B. Bohrer, Fräser mit DZ). Die Kanäle müssen so dimensioniert sein, dass das Kühlmittel mit ausreichendem Druck an die Schneidkante gelangt.

Trade-off: Werkzeuge mit DZ sind teurer als Werkzeuge ohne interne Kanäle. Sie erfordern auch spezielle Werkzeughalter, die das Kühlmittel an das Werkzeug leiten.

Maschinenkompatibilität

Nicht jede Kühlmittelstrategie ist mit jeder Maschine kompatibel:

• Flutzuführung: Kompatibel mit allen CNC-Maschinen. Sie erfordert keine speziellen Komponenten.
• Hochdruckzuführung: Erfordert eine Hochdruckpumpe und spezielle Düsen. Maschinen wie die GA-MV856 (vertikales Bearbeitungszentrum) können mit einer Hochdruckpumpe nachgerüstet werden.
• Durch-Werkzeug-Zuführung: Erfordert eine Pumpe, die das Kühlmittel durch die Spindel und das Werkzeug leitet. Maschinen wie die GA-DV750 (vertikales Bearbeitungszentrum mit HSK-E40-Spindel) oder die GA-VT540 (Bohrzentrum mit BBT30-Spindel) sind für DZ ausgelegt.

Trade-off: Hochdruck- und DZ-Systeme sind teurer als Flutzuführungssysteme. Sie erfordern auch mehr Wartung, da die Kanäle und Düsen regelmäßig gereinigt werden müssen.

Was geht schief

Jede Kühlmittelstrategie kann zu Problemen führen, wenn sie falsch angewendet wird. Hier sind die häufigsten Fehlerarten und wie man sie erkennt und behebt:

1. Unzureichende Kühlung

• Erkennung: Hohe Werkzeugtemperaturen (erkennbar an blau verfärbten Schneidkanten), starker Werkzeugverschleiß, Werkstückverformung.
• Ursache: Das Kühlmittel erreicht die Schnittstelle nicht. Bei Flutzuführung kann dies durch eine falsche Düsenausrichtung oder zu niedrigen Druck verursacht werden. Bei Hochdruck- oder DZ kann dies durch verstopfte Kanäle oder Düsen verursacht werden.
• Behebung: Düsen neu ausrichten, Druck erhöhen, Kanäle und Düsen reinigen. Bei Flutzuführung kann der Wechsel zu Hochdruck- oder DZ helfen.

2. Unzureichende Schmierung

• Erkennung: Hohe Schnittkräfte (erkennbar an erhöhtem Stromverbrauch der Spindel), glatte, glänzende Späne, starker Abriebverschleiß.
• Ursache: Das Kühlmittel dringt nicht zwischen Werkzeug und Span ein. Bei Flutzuführung kann dies durch zu hohe Schnittgeschwindigkeiten oder Vorschübe verursacht werden. Bei Hochdruck- oder DZ kann dies durch zu niedrigen Druck verursacht werden.
• Behebung: Schnittgeschwindigkeit oder Vorschub reduzieren, Druck erhöhen, Kühlmittel mit höherem Schmieranteil verwenden.

3. Späneblockade

• Erkennung: Lange, verwickelte Späne, die sich um das Werkzeug oder das Werkstück wickeln, erhöhte Wärmeentwicklung, Werkzeugbruch.
• Ursache: Das Kühlmittel kann die Späne nicht aus der Schnittstelle abtransportieren. Bei Flutzuführung kann dies durch zu niedrigen Druck oder falsche Düsenausrichtung verursacht werden. Bei Hochdruck- oder DZ kann dies durch verstopfte Kanäle oder Düsen verursacht werden.
• Behebung: Druck erhöhen, Düsen neu ausrichten, Kanäle und Düsen reinigen, Spanbrecher am Werkzeug verwenden.

4. Thermische Ermüdung

• Erkennung: Risse in der Schneidkante des Werkzeugs, die sich mit der Zeit vergrößern.
• Ursache: Schnelle Temperaturwechsel an der Schneidkante. Dies kann auftreten, wenn das Kühlmittel unregelmäßig auf die Schnittstelle trifft (z. B. bei falscher Düsenausrichtung bei Flutzuführung).
• Behebung: Düsen neu ausrichten, Kühlmittelmenge erhöhen, Werkzeugmaterial mit höherer Wärmebeständigkeit verwenden.

5. Korrosion

• Erkennung: Rost oder Korrosion an Werkzeugen, Werkstücken oder Maschinenteilen.
• Ursache: Falsches Kühlmittel oder unzureichende Konzentration des Kühlmittels.
• Behebung: Kühlmittel wechseln, Konzentration des Kühlmittels anpassen, regelmäßige Wartung des Kühlmittelsystems durchführen.

Ehrliche Einschränkungen

Keine Kühlmittelstrategie ist für alle Anwendungen geeignet. Hier sind die Fälle, in denen eine Strategie eine schlechte Wahl ist:

Flutzuführung

• Schlechte Wahl bei: Hochgeschwindigkeitszerspanung (v_c > 150 m/min bei Stahl), Zerspanung von schwer zerspanbaren Materialien (z. B. Titan, Inconel), tiefe Bohrungen (Tiefe > 3 x Durchmesser), komplexe Geometrien mit engen Spanräumen.
• Grund: Das Kühlmittel erreicht die Schnittstelle nicht ausreichend, sodass die Kühl- und Schmierwirkung abnimmt.

Hochdruckzuführung

• Schlechte Wahl bei: Kleinteilebearbeitung mit kleinen Werkzeugen (Durchmesser < 6 mm), da der hohe Druck das Werkzeug verformen oder brechen kann.
• Grund: Der hohe Druck erzeugt eine hohe Kraft auf das Werkzeug, die bei kleinen Werkzeugen zu Verformung oder Bruch führen kann.

Durch-Werkzeug-Zuführung

• Schlechte Wahl bei: Kleinteilebearbeitung mit kleinen Werkzeugen (Durchmesser < 3 mm), da die internen Kanäle zu klein sind, um ausreichend Kühlmittel durchzulassen.
• Grund: Die Kanäle in kleinen Werkzeugen können nicht groß genug dimensioniert werden, sodass die Kühlmittelmenge zu gering ist.

Zusätzlich gibt es allgemeine Einschränkungen für alle Kühlmittelstrategien:

• Kühlmittel kann bei empfindlichen Materialien (z. B. Aluminium) zu Korrosion führen, wenn es nicht richtig gewartet wird.
• Kühlmittel erfordert regelmäßige Wartung (Reinigung, Konzentrationsanpassung, Austausch), was Kosten verursacht.
• Bei der Zerspanung von sehr harten Materialien (z. B. Hartmetall) kann Kühlmittel die Wärmeentwicklung nicht ausreichend reduzieren, sodass die Schnittgeschwindigkeit stark reduziert werden muss.

Parameter- und Troubleshooting-Tabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Auftrags

Bevor Sie einen Auftrag starten, überprüfen Sie folgende Punkte:

1. Material: Welches Werkstückmaterial wird zerspanet? (Stahl, Titan, Aluminium etc.)
2. Werkzeug: Welches Werkzeug wird verwendet? (Durchmesser, Geometrie, Material)
3. Maschine: Welche Maschine wird verwendet? (Kompatibilität mit Kühlmittelstrategie)
4. Schnittparameter: Sind die Schnittgeschwindigkeit und der Vorschub für die gewählte Kühlmittelstrategie geeignet?
5. Düsenausrichtung: Sind die Düsen so ausgerichtet, dass das Kühlmittel direkt auf die Schnittstelle trifft?
6. Druck: Ist der Druck des Kühlmittels für die gewählte Strategie geeignet?
7. Kühlmittelzustand: Ist das Kühlmittel sauber, hat die richtige Konzentration und ist frei von Verunreinigungen?
8. Späneabtransport: Ist die Späneabtransportfunktion der Maschine aktiv und funktioniert?

FAQ

1. Frage: Kann ich bei der GA-DV750 von Flutzuführung auf Durch-Werkzeug-Zuführung wechseln? Antwort: Ja. Die GA-DV750 hat eine HSK-E40-Spindel, die für Durch-Werkzeug-Zuführung ausgelegt ist. Sie benötigen nur Werkzeuge mit internen Kanälen und eine Pumpe, die das Kühlmittel durch die Spindel leitet.

2. Frage: Welche Kühlmittelstrategie ist am besten für die Zerspanung von Titan geeignet? Antwort: Für die Zerspanung von Titan ist die Durch-Werkzeug-Zuführung am besten geeignet, da sie das Kühlmittel direkt an die Schneidkante leitet und die hohe Wärmeentwicklung reduziert. Wenn Sie keine Werkzeuge mit internen Kanälen haben, ist die Hochdruckzuführung eine gute Alternative.

3. Frage: Kann ich bei der GA-MV856 eine Hochdruckzuführung nachrüsten? Antwort: Ja. Die GA-MV856 hat eine BT40-Spindel und kann mit einer Hochdruckpumpe und speziellen Düsen nachgerüstet werden. Der Nachrüstaufwand ist gering, und die Vorteile (höhere Produktivität, geringerer Werkzeugverschleiß) übersteigen die Kosten in der Regel nach kurzer Zeit.

4. Frage: Warum verfärbt sich meine Schneidkante blau, obwohl ich Kühlmittel verwende? Antwort: Eine blaue Verfärbung der Schneidkante zeigt an, dass die Temperatur an der Schneidkante über 600 °C gestiegen ist. Dies bedeutet, dass das Kühlmittel die Schnittstelle nicht ausreichend erreicht. Überprüfen Sie die Düsenausrichtung, den Druck des Kühlmittels und ob die Kanäle oder Düsen verstopft sind.

5. Frage: Ist die Durch-Werkzeug-Zuführung immer besser als die Flutzuführung? Antwort: Nein. Die Durch-Werkzeug-Zuführung ist teurer und erfordert spezielle Werkzeuge und Komponenten. Für einfache Anwendungen mit niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben ist die Flutzuführung ausreichend und kostengünstiger. Die Wahl der Strategie hängt von der spezifischen Anwendung ab.

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