Mit kühlem Kopf zerspanen

Kühlschmiermittel sorgen im Metall- und Formenbau für verlängerte Werkzeugstandzeiten, höhere Oberflächengüten und Leistungsschübe. Ihre Nachteile: Nasse oder ölige Werkstücke und Späne, Investitionen in Vorratsbehälter, Pumpen und Filter, erhöhter Ressourcenverbrauch sowie steigende Entsorgungskosten. Der Entwicklungsabteilung der oelheld GmbH aus Stuttgart gelang es, beim Bohren des harten und korrosionsbeständigen Edelstahls X90CrMoV18 die Überflutungskühlung durch eine MMKS zu ersetzen – mit 60 Prozent längerem Standweg des Werkzeugs.

Der Einsatz großer Mengen Kühlschmierstoffe ist in der metallbe- und verarbeitenden Industrie weit verbreitet, bringt aber auch einige Nachteile mit sich. Nicht richtig gehandhabt, können die Kühlschmiermittel außerdem Umwelt und Gesundheit belasten. Mit trockenbearbeitenden Verfahren werden meist keine wirtschaftlichen Standzeiten bei gleichzeitig hohen Oberflächengüten erreicht. Eine Alternative mit großem Potenzial ist die Minimalmengenkühlschmierung (MMKS). Diese Methode, bei der die Kühlung als Luft-/Oel-Gemisch auf die Wirkstelle aufgesprüht wird, hat sich schon in vielen Verfahren bewährt. Die oelheld GmbH, renommierter Kühlschmierstoffhersteller aus Stuttgart, leistet in zahlreichen Forschungs- und Entwicklungsprojekten Pionierarbeit, um weitere Einsatzfelder für die MMKS zu erschließen. Ziel eines der verschiedenen Projekte war es, beim Bohren von schwer zerspanbarem Edelstahl die überflutende Kühlschmieremulsion durch eine äußere MMKS zu ersetzen. Bei einem Werkstoff wie dem hochlegierten Stahl X90CrMoV18 eine anspruchsvolle Aufgabe. Dieser Stahl ist korrosionsbeständig und für Teile mit höchster Verschleißfestigkeit wie zum Beispiel Kugellager oder auch schneidende chirurgische Instrumente geeignet. „In solch einem Material ist gerade beim Bohren die hohe Wärmebelastung der Schneidkanten ein Problem,“ erklärt Dipl.-Ing. Wilhelm Rehbein, Laborleiter der oelheld GmbH. „Unzureichende Kühlung führt hier schnell zu erhöhtem Verschleiß, plastischen Verformungen an der Schneide und schließlich zum Verlust der Schneidfähigkeit.“ Üblicherweise werden MMKS auf der Basis von Mineraloelen, Estern und Polyglykolen aufgebaut. Die Ergebnisse damit waren jedoch wenig überzeugend: Auch unter Zusatz verschiedener Additive konnten nicht dieselben Standzeiten gesichert werden wie durch die Überflutung mit Kühlschmieremulsion. Zudem neigte der Werkstoff aufgrund der mangelnden Kühlung verstärkt zur Aufbauschneidenbildung, und der Spanbruch wurde durch die heißen und sehr verformungsfähigen Späne verschlechtert. Daher war es nötig, die verwendeten Bohrer hinsichtlich Geometrie, Substrat und Beschichtung zu optimieren. Die besten Standwegergebnisse ließen sich durch die Verwendung von TiAlN/MoS2-beschichteten Bohrern aus Feinstkornhartmetall mit einer angepassten Mikrogeometrie erzielen. Um die geeignete MMKS zu finden, gingen die oelheld-Forscher nach ihrem bewährten Baukastensystem vor. Das heißt, zunächst wird eine Grundkomponente ausgewählt und diese dann durch Additive optimiert. Dabei arbeiteten die Wissenschaftler mit fünf grundlegenden Additivklassen. Dipl.-Ing. Wilhelm Rehbein: „Am Ende entschieden wir uns für eine Basis von wasserlöslichen organischen Salzen. Der hohe Wassergehalt war wichtig, denn schon in den vorherigen Testreihen hatte sich gezeigt, dass bereits ein geringer Zusatz an Wasser erheblichen positiven Einfluss auf das Verschleißverhalten des Werkzeuges hat. So kann hier mit Recht von einer Minimalmengenkühlschmierung gesprochen werden. Und die nach Verdunstung des Wassers verbleibenden Salze bilden auf dem Werkzeug einen Reibung verringernden Film mit großer Haftfestigkeit.“ Die Eigenschaften dieser Lösung organischer Salze in Wasser verbesserten die oelheld-Forscher noch weiter, indem sie zunächst AW- und schließlich auch EP-Additive hinzufügten. Dank dieser optimierten Kombination konnte schließlich eine Standzeiterhöhung um mehr als 60 Prozent gegenüber der Überflutungskühlung erreicht werden.

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