Minimalmengenschmierung (MQL): Grundlagen, Praxis und Grenzen für die Zerspanung

Was dieser Prozess ist

Die Minimalmengenschmierung (MQL) ist ein zerspanender Prozess, bei dem statt großer Mengen an Kühlschmierstoffen (KSS) nur eine extrem geringe Menge an Schmiermittel – üblicherweise 10 bis 100 Milliliter pro Stunde – direkt an die Schneidzone zugeführt wird. Oft wird MQL auch als „naßtrockene Zerspanung“ bezeichnet, da sie zwischen der trockenen Zerspanung (ohne Schmiermittel) und der herkömmlichen Nasszerspanung (mit Liter-Mengen an KSS) steht.

Für die Zerspanung relevante Eigenschaften von MQL sind:

• Das Schmiermittel wird als feiner Aerosol (Gemisch aus Schmiermittel und Druckluft) oder als flüssiger Tropfenstrom zugeführt, je nach Prozess und Werkstückmaterial.
• Der Prozess erfordert eine präzise Dosierung und Positionierung der Schmiermittelzufuhr direkt an der Schneidkante, um Wirksamkeit zu gewährleisten.
• MQL kombiniert die Vorteile der Schmierung (Reduktion von Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück) mit einer geringen Kühlwirkung – im Gegensatz zur Nasszerspanung, bei der Kühlung im Vordergrund steht.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Um MQL erfolgreich anzuwenden, müssen Sie verstehen, wie der Prozess die zentralen Größen der Zerspanung beeinflusst:

1. Schnittkräfte: Die Schmierung reduziert die Reibung zwischen der Werkzeugschneide und dem Werkstück sowie zwischen der Schneide und dem Span. Dadurch sinken die Schnittkräfte im Vergleich zur trockenen Zerspanung um bis zu 30 %, je nach Material und Prozess. Bei der Nasszerspanung liegen die Schnittkräfte ähnlich niedrig, da auch hier Reibung reduziert wird.
2. Wärmeentwicklung: MQL hat nur eine geringe Kühlwirkung, da die Schmiermittelmenge zu gering ist, um Wärme effektiv abzuführen. Die Wärmeverteilung im Prozess ändert sich: Bei trockener Zerspanung verbleibt bis zu 80 % der Schnittwärme im Werkzeug, bei MQL sinkt dieser Anteil auf etwa 60 %, da der Span einen größeren Teil der Wärme aufnimmt. Bei der Nasszerspanung sinkt der Anteil im Werkzeug auf unter 30 %.
3. Spanbildung: Die reduzierte Reibung führt zu kürzeren, brüchigeren Spänen im Vergleich zur trockenen Zerspanung. Dies erleichtert die Spanabfuhr, insbesondere bei Prozessen wie dem Fräsen oder Bohren. Bei weichen Materialien kann MQL jedoch zu langsameren Spänen führen, wenn die Schmierung zu stark ist.
4. Werkzeugverschleißmechanismen: Die geringe Kühlwirkung führt zu einem erhöhten thermischen Verschleiß (z. B. Schneidkantenbruch durch Überhitzung) im Vergleich zur Nasszerspanung. Die verbesserte Schmierung reduziert jedoch den abrasiven Verschleiß (Abrieb durch harte Werkstückpartikel) und den adhäsiven Verschleiß (Anhaften von Werkstückmaterial an der Schneide).

Praktische Parameter

Die Parameter für MQL hängen stark vom Werkstückmaterial, dem Prozess und der Maschine ab. Unten finden Sie gültige Bereiche und die dazugehörigen Abwägungen, abgestimmt auf die Spezifikationen von Gree CNC-Maschinen:

Schnittgeschwindigkeit (vc)

• Bereich für unlegierte Stähle (S235 bis S355): 120 bis 250 m/min
• Bereich für legierte Stähle (42CrMo4): 80 bis 180 m/min
• Bereich für Aluminiumlegierungen (AlSi7Mg): 300 bis 600 m/min
• Begründung: MQL erfordert höhere Schnittgeschwindigkeiten als die Nasszerspanung, um die Wärme schnell in den Span zu leiten und den thermischen Verschleiß zu reduzieren. Zu niedrige Geschwindigkeiten führen zu einer Überhitzung der Schneide, da die Wärme nicht schnell genug abgeführt wird. Zu hohe Geschwindigkeiten erhöhen den thermischen Verschleiß übermäßig.

Vorschub (f)

• Bereich für Fräsen: 0,1 bis 0,3 mm pro Zahn
• Bereich für Bohren: 0,15 bis 0,4 mm pro Umdrehung
• Begründung: Der Vorschub wird ähnlich wie bei der Nasszerspanung gewählt, aber leicht erhöht, um die Spanbildung zu verbessern und die Wärmeabfuhr zu unterstützen. Ein zu geringer Vorschub führt zu dünnen Spänen, die nicht genug Wärme aufnehmen können. Ein zu hoher Vorschub erhöht die Schnittkräfte und kann zu Werkzeugbruch führen.

Werkzeuggeometrie

• Schneidkantenradius: 0,02 bis 0,1 mm (kleiner als bei trockener Zerspanung, größer als bei Nasszerspanung)
• Spanwinkel: 10 bis 20 Grad (größer als bei trockener Zerspanung, um Reibung zu reduzieren)
• Schmiermittelzufuhr: Direkt an die Schneidzone (z. B. durch interne Kanäle im Werkzeug oder externe Düsen)
• Begründung: Die Werkzeuggeometrie muss die geringe Kühlwirkung von MQL ausgleichen. Ein größerer Spanwinkel reduziert die Reibung, ein kleinerer Schneidkantenradius reduziert die Wärmeentwicklung. Die Schmiermittelzufuhr muss präzise positioniert werden, um die geringe Menge effektiv zu nutzen.

Maschinenspezifische Anpassungen

Für Gree CNC-Maschinen gelten folgende Hinweise:

• Maschinen mit hohen Spindeldrehzahlen (z. B. GA-DV750 mit 30.000 U/min, GA-VT445 mit 30.000 U/min) eignen sich besonders gut für MQL bei Aluminium, da sie die erforderlichen hohen Schnittgeschwindigkeiten erreichen.
• Maschinen mit hohen Drehmomenten (z. B. GA-MV856 mit 95,5 Nm, GA-UHD500 mit 130 Nm) eignen sich für MQL bei schweren Materialien wie legierten Stählen, da sie die erhöhten Schnittkräfte bei niedrigeren Geschwindigkeiten bewältigen können.

Was schiefgeht

Die häufigsten Fehler bei der Anwendung von MQL und deren Behebung:

1. Erhöhter Werkzeugverschleiß durch Überhitzung: Erkennbar an einer abgenutzten Schneide mit blauer Verfärbung (Zeichen von Temperaturen über 500 °C). Ursache: Zu niedrige Schnittgeschwindigkeit oder zu geringe Schmiermittelmenge. Behebung: Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit um 10 bis 20 % oder die Schmiermittelmenge um 20 bis 30 %.
2. Schlechte Spanabfuhr: Erkennbar an langen, verwickelten Spänen, die sich um das Werkzeug oder Werkstück wickeln. Ursache: Zu geringer Vorschub oder falsche Schmiermittelpositionierung. Behebung: Erhöhen Sie den Vorschub um 10 bis 15 % oder passen Sie die Düsenposition an, um den Span zu kühlen.
3. Unzureichende Schmierung: Erkennbar an hohen Schnittkräften oder adhäsivem Verschleiß (Werkstückmaterial haftet an der Schneide). Ursache: Zu geringe Schmiermittelmenge oder falsches Schmiermittel. Behebung: Erhöhen Sie die Schmiermittelmenge oder wechseln Sie zu einem Schmiermittel mit höherer Schmierwirkung für das jeweilige Material.
4. Verschmutzung der Maschine: Erkennbar an öligen Ablagerungen auf der Maschine oder im Arbeitsraum. Ursache: Zu hohe Schmiermittelmenge oder falsche Aerosolgröße. Behebung: Reduzieren Sie die Schmiermittelmenge oder passen Sie die Druckluftzufuhr an, um kleinere Aerosoltröpfchen zu erzeugen.

Ehrliche Grenzen

MQL ist nicht für alle Prozesse und Materialien geeignet. Hier die Fälle, in denen MQL eine schlechte Wahl ist:

1. Prozesse mit hoher Wärmeentwicklung: Bei Prozessen wie dem Tiefbohren oder dem Schruppen von harten Materialien (z. B. gehärtete Stähle über 45 HRC) reicht die geringe Kühlwirkung von MQL nicht aus. Die Wärme führt zu einem übermäßigen Werkzeugverschleiß und schlechter Maßhaltigkeit.
2. Prozesse mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität: Bei Prozessen wie dem Feinschleifen oder dem Polieren erfordert die hohe Präzision eine gleichmäßige Kühlung und Schmierung, die MQL nicht gewährleisten kann. Die geringe Schmiermittelmenge führt zu unregelmäßigen Oberflächen.
3. Prozesse mit großen Spanmengen: Bei Prozessen wie dem Großen Fräsen von großen Werkstücken (z. B. mit der GA-GF4028) reicht die Spanabfuhr von MQL nicht aus. Die Späne sammeln sich im Arbeitsraum und führen zu einer Überhitzung der Schneide.
4. Materialien mit hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit: Bei Materialien wie Edelstahl oder Titan kann die geringe Schmiermittelmenge zu einer erhöhten Korrosion des Werkstücks führen, da keine korrosionshemmenden Zusätze in ausreichender Menge vorhanden sind.
5. Alte Maschinen ohne angepasste Absaugung: MQL erzeugt feine Aerosole, die eine spezielle Absaugung erfordern. Alte Maschinen ohne entsprechende Absaugung können die Aerosole nicht effektiv entfernen, was zu Gesundheitsrisiken für das Personal führt.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Jobs

Bevor Sie einen Job mit MQL starten, überprüfen Sie folgende Punkte:

1. Maschinenkompatibilität: Stellen Sie sicher, dass die Maschine über eine geeignete Absaugung für MQL-Aerosole verfügt. Für Gree CNC-Maschinen gilt: Maschinen mit hohen Spindeldrehzahlen (z. B. GA-DV750, GA-VT445) eignen sich besonders gut für Aluminium, Maschinen mit hohen Drehmomenten (z. B. GA-MV856, GA-UHD500) für legierte Stähle.
2. Werkzeuggeometrie: Überprüfen Sie, ob das Werkzeug über einen geeigneten Schneidkantenradius und Spanwinkel verfügt. Stellen Sie sicher, dass die Schmiermittelzufuhr direkt an die Schneidzone gerichtet ist.
3. Parameteranpassung: Passen Sie die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub an das Werkstückmaterial an. Beginnen Sie mit der unteren Grenze des empfohlenen Bereichs und erhöhen Sie schrittweise.
4. Schmiermittelauswahl: Wählen Sie ein Schmiermittel, das für das jeweilige Material geeignet ist. Achten Sie auf eine hohe Schmierwirkung und eine geringe Aerosolbildung.
5. Testlauf: Führen Sie einen kurzen Testlauf durch, um die Wirksamkeit der Schmierung und die Spanabfuhr zu überprüfen. Überprüfen Sie die Schneide auf Verschleiß und das Werkstück auf Oberflächenqualität.
6. Sicherheit: Stellen Sie sicher, dass die Absaugung funktioniert und das Personal über die erforderliche Schutzausrüstung verfügt.

FAQ

1. Kann ich MQL auf meiner bestehenden Gree CNC-Maschine nachrüsten?
   Ja, die meisten Gree CNC-Maschinen können mit einer MQL-Einheit und einer geeigneten Absaugung nachgerüstet werden. Achten Sie darauf, dass die Maschine über ausreichend Platz für die Einheit verfügt und die Steuerung die Dosierung der Schmiermittelmenge unterstützt.

2. Wie viel Schmiermittel spare ich im Vergleich zur Nasszerspanung?
   Sie sparen bis zu 99 % der Schmiermittelmenge. Bei der Nasszerspanung werden üblicherweise 10 bis 100 Liter KSS pro Stunde verwendet, bei MQL nur 10 bis 100 Milliliter.

3. Ist MQL umweltfreundlicher als die Nasszerspanung?
   Ja, MQL reduziert die Entsorgung von gebrauchtem KSS um bis zu 99 %. Da keine großen Mengen an KSS verwendet werden, entfällt auch die Notwendigkeit der KSS-Aufbereitung und -Entsorgung.

4. Kann ich MQL für alle Werkstückmaterialien verwenden?
   Nein, MQL ist nicht geeignet für harte Materialien über 45 HRC, Titan und Edelstahl in Prozessen mit hoher Wärmeentwicklung. Für diese Materialien reicht die geringe Kühlwirkung von MQL nicht aus.

5. Wie oft muss ich das Schmiermittel bei MQL wechseln?
   Da das Schmiermittel direkt verbraucht wird (es wird auf das Werkstück und die Späne aufgetragen), gibt es keine Notwendigkeit für einen regelmäßigen Wechsel. Sie füllen nur nach, wenn der Vorrat zur Neige geht.

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