Welche Aufgaben übernimmt Kühlschmierstoff beim Zerspanen?
Kühlschmierstoff erfüllt beim Zerspanen vier Kernfunktionen: Kühlung, Schmierung, Spülung und Korrosionsschutz. Die Kühlung senkt die Temperatur in der Schneidzone, die Schmierung verringert die Reibung zwischen Span und Werkzeugfläche, die Spülwirkung transportiert Späne aus der Bearbeitungszone ab, und der Korrosionsschutz bewahrt Werkstück und Maschine vor Oxidation.
In der Praxis wirken diese Funktionen gleichzeitig. Wenn ein Fräser in Aluminium eintaucht, entsteht Wärme durch Umformung und Reibung. Der Kühlschmierstoff nimmt diese Wärme auf und leitet sie ab, bevor sie das Gefüge des Werkstücks verändert oder das Werkzeug anlaufen lässt. Gleichzeitig bildet er einen Schmierfilm auf der Spanfläche des Werkzeugs, der verhindert, dass sich Werkstoff an der Schneide aufbaut. Dieser sogenannte Aufbau kann die Maßhaltigkeit des Bauteils erheblich beeinträchtigen.
Die Spülwirkung ist besonders bei tiefen Bohrungen oder engen Taschen entscheidend. Bleiben Späne in der Bearbeitungszone liegen, werden sie erneut zerspant, was die Schneide belastet und die Oberfläche beschädigt. Druckgesteuerter Kühlschmierstoff, der direkt an die Schneide geleitet wird, spült Späne zuverlässig ab.
Wie entsteht Wärme bei der Zerspanung und warum ist sie kritisch?
Wärme bei der Zerspanung entsteht hauptsächlich durch plastische Verformung des Werkstoffs in der Scherzone sowie durch Reibung zwischen Span und Werkzeugfläche. Ein kleinerer Teil entsteht durch Reibung zwischen Freifläche und Werkstück. Die entstehenden Temperaturen können je nach Werkstoff und Schnittbedingungen mehrere hundert Grad Celsius erreichen.
Diese Temperaturen sind aus mehreren Gründen problematisch. Erstens verlieren Schneidwerkstoffe wie Hartmetall bei hohen Temperaturen an Härte, was den Verschleiß beschleunigt. Zweitens kann Wärme die Maßgenauigkeit des Bauteils beeinflussen: Werkstücke dehnen sich aus und ziehen sich nach dem Abkühlen zusammen, was zu Maßabweichungen führt. Drittens verändert extreme Wärme bei manchen Werkstoffen das Gefüge direkt an der Oberfläche, was die Bauteileigenschaften verschlechtert.
Bei der Bearbeitung von Edelstahl oder Titan ist die Wärmeproblematik besonders ausgeprägt, weil diese Werkstoffe Wärme schlecht ableiten. Der Kühlschmierstoff muss hier nicht nur kühlen, sondern auch schnell genug wirken, um Temperaturspitzen in der Schneidzone zu begrenzen.
Welche Arten von Kühlschmierstoffen gibt es?
Kühlschmierstoffe lassen sich in drei Hauptgruppen einteilen: wassermischbare Kühlschmierstoffe (Emulsionen und Lösungen), nicht wassermischbare Kühlschmierstoffe (Schneidöle) sowie gasförmige Medien wie Druckluft oder Minimalmengenkühlschmierung (MMS).
Wassermischbare Kühlschmierstoffe
Emulsionen bestehen aus Wasser und Ölanteilen und sind die am häufigsten eingesetzten Kühlschmierstoffe in der spanenden Fertigung. Sie kühlen gut, weil Wasser eine hohe Wärmekapazität hat, und schmieren durch den Ölanteil. Die Konzentration des Ölanteils bestimmt das Verhältnis von Kühl- zu Schmierwirkung. Vollsynthetische Lösungen ohne Ölanteil bieten maximale Kühlleistung, aber weniger Schmierung.
Schneidöle
Schneidöle sind nicht mit Wasser mischbar und bieten eine deutlich bessere Schmierwirkung als Emulsionen. Sie werden vor allem dort eingesetzt, wo Schmierung Vorrang hat, etwa beim Gewindeschneiden, Räumen oder bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe. Der Nachteil ist die geringere Kühlwirkung im Vergleich zu wasserbasierten Medien.
Minimalmengenkühlschmierung und Druckluft
Bei der Minimalmengenkühlschmierung wird eine sehr geringe Menge Öl direkt an die Schneide gesprüht. Dieses Verfahren spart Kühlschmierstoff, reduziert die Entsorgungskosten und eignet sich gut für Werkstoffe, die auf Feuchtigkeit empfindlich reagieren. Druckluft allein kühlt kaum, kann aber Späne abführen und kommt bei der Trockenbearbeitung zum Einsatz.
Was passiert, wenn kein Kühlschmierstoff eingesetzt wird?
Ohne Kühlschmierstoff steigen die Temperaturen in der Schneidzone stark an, was zu schnellem Werkzeugverschleiß, schlechterer Oberflächenqualität und im schlimmsten Fall zu Werkzeugbruch führt. Bei vielen Werkstoffen ist Trockenbearbeitung daher keine sinnvolle Option für die Serienproduktion.
Die Folgen zeigen sich zuerst an der Schneide: Ohne Schmierung erhöht sich die Reibung, die Freifläche verschleißt schneller, und die Schneidkante bricht früher aus. Das bedeutet kürzere Standzeiten und häufigere Werkzeugwechsel, was die Stückkosten erhöht.
Gleichzeitig leidet die Bauteilqualität. Rauheitswerte verschlechtern sich, Maßtoleranzen werden schwerer einzuhalten, und bei empfindlichen Werkstoffen können Randzonenschäden entstehen. Für Bauteile mit engen Toleranzen oder hohen Oberflächenanforderungen ist Trockenbearbeitung ohne spezielle Werkzeugbeschichtungen und angepasste Schnittparameter kaum praktikabel.
Es gibt Ausnahmen: Bestimmte Kunststoffe und Gusswerkstoffe lassen sich trocken bearbeiten, und bei der MMS-Bearbeitung wird der Kühlschmierstoffbedarf auf ein Minimum reduziert. Die vollständige Trockenbearbeitung von Stahl oder Edelstahl unter Serienbedingungen ist jedoch die Ausnahme, nicht die Regel.
Welcher Kühlschmierstoff eignet sich für welchen Werkstoff?
Die Wahl des Kühlschmierstoffs hängt vom Werkstoff, dem Bearbeitungsverfahren und den geforderten Bauteilqualitäten ab. Als Grundregel gilt: Je schwerer zerspanbar ein Werkstoff, desto wichtiger wird die Schmierwirkung gegenüber der reinen Kühlwirkung.
Bei Aluminium steht die Kühlwirkung im Vordergrund, da der Werkstoff gut wärmeleitend ist, aber dazu neigt, an der Schneide anzuhaften. Emulsionen mit niedrigem Ölanteil oder spezielle Aluminiumschneidöle verhindern diesen Aufbau und sorgen für saubere Schnitte.
Stahl lässt sich gut mit Emulsionen bearbeiten. Bei der Grobbearbeitung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten reicht eine Standardemulsion. Für die Feinbearbeitung mit hohen Oberflächenanforderungen oder bei legierten Stählen kommen höher konzentrierte Emulsionen oder Schneidöle zum Einsatz.
Edelstahl und Titan sind wegen ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit und Neigung zur Kaltverfestigung anspruchsvoll. Hier sind Schneidöle mit hohem Additivanteil oder Hochdruckemulsionen, die direkt an die Schneide geleitet werden, die bessere Wahl. Messing und Kupferlegierungen vertragen sich dagegen gut mit Emulsionen, wobei auf schwefelhaltige Additive verzichtet werden sollte, da diese die Oberfläche anlaufen lassen können.
Wie beeinflusst der Kühlschmierstoff die Werkzeugstandzeit?
Der richtige Kühlschmierstoff verlängert die Werkzeugstandzeit erheblich, weil er die drei Hauptverschleißmechanismen begrenzt: thermischen Verschleiß, Abrasion und Adhäsion. Falsch gewählt oder falsch eingesetzt kann er die Standzeit hingegen sogar verkürzen.
Thermischer Verschleiß entsteht, wenn Schneidmaterial bei hohen Temperaturen weicher wird und sich verformt. Ausreichende Kühlung hält die Schneidzone in einem Temperaturbereich, in dem der Schneidwerkstoff seine Härte behält. Abrasiver Verschleiß durch harte Partikel im Werkstoff lässt sich durch Kühlschmierstoff nicht vollständig verhindern, aber der Schmierfilm reduziert die Reibungskräfte, die diesen Verschleiß antreiben.
Adhäsiver Verschleiß, also das Anschweißen von Werkstoffteilchen an der Schneide, wird durch die Schmierwirkung des Kühlschmierstoffs direkt bekämpft. Ein stabiler Schmierfilm zwischen Span und Spanfläche verhindert, dass sich Werkstoff an der Schneide aufbaut und beim nächsten Schnitt ausreißt.
Wichtig ist auch die korrekte Zuführung. Ein Kühlschmierstoff, der nicht direkt an die aktive Schneide gelangt, nutzt seine Wirkung kaum. Hochdruckzufuhr durch das Werkzeug oder präzise positionierte Düsen machen einen messbaren Unterschied bei der Standzeit, besonders bei tiefen Bohrungen und schwer zugänglichen Bearbeitungszonen.
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