Neue Möglichkeiten der Zerspanung im µm-Bereich mit Emulsion

Wo liegen die Vorteile, wenn ölwasserbasierte Emul­sion als Kühlschmierstoff (KSS) genutzt wird? Bei der Zerspanung wird mit dieser Formulierung eines KSS geschmiert und gekühlt; das Werkstück wird von Spänen gereinigt. Nach der Bearbeitung verdunstet die auf dem Werkstück verbliebene Emulsion weitgehend, sodass eine aufwendige Reinigung der Werkstücke häufig entfällt – ein wichtiger Zeit- und Kostenfaktor.

Vorteile und Nachteile des Kühlschmierstoffs abwägen

Das in der Emulsion enthaltene Wasser verdunstet jedoch während der Bearbeitung; dies führt zu einer Abkühlung des Arbeitsraums, insbesondere wenn die Emulsion durch die Zerspanung zerstäubt wird. Die Temperatur kann um bis zu 10°C absinken. Der Temperaturabfall wirkt sich auf die Achsgeometrie der Werkzeugmaschine aus: indem die niedrige Temperatur im Arbeitsraum die Maschinenstruktur beeinflusst, diese abkühlt und erhebliche thermisch bedingte Verformungen verursacht.

Wie lassen sich enge Toleranzen einhalten?

Abhängig von der Maschinengröße können die Abweichungen am Werkstück, das gerade bearbeitet wird, ganz erheblich sein. Sie können mehrere hundertstel Millimeter betragen. Bearbeitungsaufgaben mit sehr engen Toleranzen sind daher nicht verlässlich durchzuführen. Insbesondere bei 5-Achs-Bearbeitungen kann es zu einem größeren Versatz kommen, wenn ein Werkstück in verschiedenen Achsstellungen bearbeitet wird und der Nullpunkt in Bezug auf die vierte und fünfte Achse nicht passt.

Die Firma Röders aus Soltau hat sich daher intensiv mit der Frage befasst, wie trotz des Kühleffektes durch Verdunstung der Emulsion die Werkzeugmaschine bei deren Einsatz geometriestabil gehalten werden kann. Dabei konnte der Werkzeugmaschinenbauer auf die umfangreichen Arbeiten zu der vorherigen Entwicklung „Precitemp“ aufbauen. Mit dieser ist es Röders gelungen, die „RPT“-Fräs- und Schleifmaschinen auch dann auf sehr hohen Bearbeitungsgenauigkeiten zu halten, wenn die Temperatur am Aufstellort der Maschine um +/- 3°C schwankt. Maschinen der RPT-Baureihe werden mit Minimalmengenschmierung oder Ölschwallspülung betrieben.

Ähnlich zum dortigen Ansatz, baut das Konzept bei „Precitemp E“ für RPT-Maschinen, die mit Emulsion laufen, nicht auf einem einzigen Element, sondern auf einer Kombination von mehreren Maßnahmen auf. Grundsätzlich sind – wie immer bei den Röders-Maschinen – sämtliche Wärmequellen wie Motoren etc. thermisch durch aktive Temperierung isoliert, sodass diese nicht die Geometrie der Maschine beeinflussen können. Darüber hinaus wird das Maschinengestell mit zahlreichen Temperierkreisläufen auf sehr konstanter Temperatur gehalten. Die Luft in der Haube über dem Maschinenportal wird mit Lufttemperiergeräten hochgenau beinflusst. Zusätzlich ist es gelungen, die Temperatur im Arbeitsraum äußerst konstant zu halten – auch dann, wenn nicht durchgehend mit Emulsion gearbeitet wird, sondern die Maschine dazwischen länger steht oder eine Zerspanung ohne Emulsion durchgeführt wird.

Messbare Steigerung der Qualität

Die Ergebnisse können sich sehen lassen: Selbst wenn die Temperatur am Aufstellort der Maschine um +/- 3°C schwankt, arbeitet diese noch µm-genau. Dadurch lassen sich Bearbeitungen verlässlich präzise durchführen, was insbesondere bei automatisierten Anlagen große Vorteile für die Produktivität bringt. Zwischenzeitliche Kontrollen der Werkstückgenauigkeit während der Bearbeitung sind nicht erforderlich.

Im Gegenteil, in zahlreichen Anwendungen kann sogar eine Qualitätskontrolle direkt in der Maschine ablaufen. Dafür wurde in Soltau die Software „Productivity+“ von Renishaw sowie „Inspect“ von Hexagon“ in die Steuerung integriert. Hiermit lassen sich Regelgeometrien (wie Rundheiten, Abstände, Parallelitäten oder Ebenheiten) wie auf einer Koordinatenmessmaschine prüfen. Die Messgenauigkeit der Maschine kann jederzeit mithilfe einer Lehre – ähnlich einer Qualitätskontrolle auf einer Koordinatenmessmaschine – kontrolliert werden, nur dass dafür kein Techniker von Röders anreisen muss, sondern der Bediener das selbst durchführen kann.

Die Messgenauigkeit im µm-Bereich wurde in Zusammenarbeit mit der Leibniz Universität Hannover nachgewiesen. Dadurch kann in zahlreichen Anwendungen der Umweg über den Messraum eingespart werden. Die Messprotokolle sind vergleichbar mit denen von Koordinatenmessmaschinen und werden in der Steuerung oder direkt auf dem Server gespeichert. In automatisierten Anlagen liegen dann nach der Zerspanung und Vermessung in der Maschine nicht nur fertigbearbeitete, sondern bearbeitete und auf Qualität kontrollierte Werkstücke im Regalsystem der Automation, die direkt weiter in der Montage verwendet werden können. Die Emulsion trocknet so vollständig weg, dass meistens auch eine Reinigung entfällt.

Ein Praxisbeispiel aus dem Formenbau

Im Röders-eigenen Blasformenbau werden jedes Jahr viele tausend Blasformen aus Aluminium mit Emulsion bearbeitet. Da ist die Qualitätskontrolle in der Maschine, direkt nach der Bearbeitung, inzwischen seit längerer Zeit bewährte Praxis. Dies war ein wichtiger Schritt, um mit dem Kostendruck durch Mitbewerber aus Ländern wie der Türkei, Indien oder China mithalten zu können. Der Messraum ist stillgelegt.

Entwickelt wurde Precitemp E jedoch für die nach Präzision suchenden Kunden des Röders-eigenen Maschinenbaus. Mit dem neuen Konzept kann die Produktivität dank verlässlich hoher Präzision (inklusive Messprotokollen zur Qualitätsüberprüfung) erheblich verbessert werden. Und dies lässt sich nicht nur beim Zerspanen von Aluminium nutzen, sondern insbesondere auch bei der Bearbeitung von Keramik, Glas, Edelstahl oder Kupfer, zum Beispiel in der hochpräzisen Elektrodenfertigung und in weiteren Anwendungen.

Weitere Vorteile für den Werker ergeben sich gratis

Ganz nebenbei wurde auch der Bedienkomfort der Röders-Maschinen bei Einsatz von Emulsion verbessert. Hohe Drehzahlen führen oft zu starker Zerstäubung und Vernebelung im Arbeitsraum. Da kann es schon mal einige Sekunden dauern, bis der Emulsionsnebel nach einer Bearbeitung durch die Ölnebelabsaugung entfernt wird. Das ist sehr störend, wenn der Bediener schnell mal die Tür öffnen möchte. Ab sofort sorgt eine Klappe in der Kabine für frische Luft im Arbeitsraum, während gleichzeitig die Absaugung kurzzeitig in einen Turbomodus schaltet. So bekommt das Bedienpersonal kurzfristig „klare Sicht“.

Vorgestellt wird das neue Konzept für hochpräzise Bearbeitung mit Emulsion erstmals auf der AMB in Stuttgart, Halle 7, Stand C41.