DGUV Information 209-024 - Minimalmengenschmierung in der spanenden Fertigung (b...

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Abschnitt 2.3, MMS-Systeme für die Minimalmengenschmierung
Abschnitt 2.3
Minimalmengenschmierung in der spanenden Fertigung (bisher: BGI/GUV-I 718)
Titel: Minimalmengenschmierung in der spanenden Fertigung (bisher: BGI/GUV-I 718)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 209-024
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Abschnitt 2.3 – MMS-Systeme für die Minimalmengenschmierung

Allgemeine Anforderungen

Die Hauptaufgabe der MMS-Systeme ist die gezielte Zufuhr eines geeigneten Schmierstoffs an die Wirkstelle des Werkzeugs (Werkzeug-Schneide). Hierfür steht eine Reihe verschiedener Gerätetypen zur Verfügung, die den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden.

Für Einzweckmaschinen, z.B. Räumen, Sägen, Umformen, kommen vorwiegend einfache, manuell regulierbare MMS-Geräte zur internen und externen Zuführung mit unterschiedlicher Wirkungsweise zum Einsatz. Dies sind vorwiegend Systeme mit Druckbehälter und Dosierpumpen.

Moderne flexible Fertigungssysteme stellen sehr hohe Anforderungen an die MMS-Gerätetechnik. Um diesen gerecht zu werden, wurden komplexe MMS-Systeme entwickelt, die über integrierte Regelungs-, Steuerungs- und Überwachungskomponenten verfügen.

Bei den Fertigungsverfahren werden je nach Zugänglichkeit der Schneide unterschiedliche Anforderungen an die eingesetzten Geräte gestellt. Aus diesem Grund unterscheidet man heute in äußere und innere Zufuhr des Schmiermediums, die sich deutlich im Aufwand für die Gerätetechnik unterscheiden.

Bild 8 Gerätetypen für die Minimalmengenschmierung

Bei der externen Zufuhr wird der Schmierstoff über Sprühdüsen am Umfang des Werkzeuges aufgebracht. Dieses System eignet sich besonders für den Einstieg bei einfachen Standardprozessen (Drehen, Fräsen, Bohren).

Bei der internen Zufuhr erfolgt der Schmierstofftransport durch das Spindelsystem der Maschine und durch die im Werkzeug eingebrachten Kanäle zur Bearbeitungsstelle. Dieses System kommt vorwiegend bei der Ausstattung von flexiblen Bearbeitungszentren und Neumaschinen sowie bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) zum Einsatz. Im Folgenden werden die verschiedenen Gerätetechniken mit ihren Einsatzzwecken, sowie Vor- und Nachteilen beschrieben.

Minimalmengenschmiersysteme für externe Zuführung

Geräte zur externen Zuführung fördern den Schmierstoff und die Zerstäubungsluft getrennt bis in die Nähe der Wirkstelle. Dies geschieht in einem koaxial oder parallel geführten Leitungspaket. Am Ende der Leitungen wird der Schmierstoff mit einer Sprühdüse zerstäubt und als Aerosol dem Werkzeug von außen zugeführt.

Geringe Kosten, einfache Nachrüstung und die Möglichkeit, konventionelle Werkzeuge einzusetzen sind wichtige Vorteile dieser Systeme. Alle diese Systeme haben aber auch prinzipbedingte Nachteile, die Ihren Einsatz einschränken. Die Düsen müssen manuell oder über zusätzliche Positionierachsen dem Werkzeug angepasst werden und es treten Verluste durch Streuung und Abschattungseffekte auf.

Als wichtigste Einsatzgebiete sind Werkzeugmaschinen mit niedrigem Flexibilitätsgrad zu nennen sowie die Fertigungsverfahren Sägen, Fräsen, Räumen, Umformen, Bohren und Gewinden.

Bild 9 Externe Schmierstoff-Zuführung über Düsen

Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal in der Gerätetechnik ist die Förderung des Schmierstoffs. Hier sind zwei Technologien verbreitet.

Geräte mit Dosierpumpen

Der Schmierstoff wird vorwiegend durch eine pneumatische Mikropumpe gefördert. Die Dosierung des Schmierstoffs erfolgt über den Hub und die Frequenz des Pumpenkolbens.

Bild 10 Geräte mit Dosierpumpen

Neben der exakten Einstellung des Dosiervolumens sollten diese Geräte gegen unbefugtes Verstellen gesichert sein sowie über ein ausreichendes Behältervolumen und umfangreiches Zubehör (Düsen, Behälter, Nachfüllaggregat) verfügen.

Die wesentlichen Vorteile der Mikropumpensysteme sind die exakte Einstellung des Dosiervolumens und ihr modularer Aufbau, der neben der dezentralen Montage der Pumpenelemente eine nahezu beliebige Anzahl der Pumpenelemente ermöglicht.

Als Nachteile sind der pulsierende Schmierstoffstrom und der Verschleiß der beweglichen Teile zu nennen.

Geräte mit Druckbehälter

Der Schmierstoffbehälter steht unter Druck. Durch diesen Überdruck wird der Schmierstoff aus dem Behälter gefördert. Die Dosierung erfolgt über die Einstellung des Förderdrucks und über Drosselelemente in der Öl- und der Zerstäubungsluftleitung.

Bild 11 Geräte mit Druckbehälter

Um einen optimalen Einsatz dieser Systeme zu gewährleisten, sollten getrennte Einstellmöglichkeiten für Behälterdruck, Zerstäubungsluft und Ölmenge vorhanden sein. Ein möglichst modularer Aufbau mit mehreren Abgängen, die getrennt geschaltet und reguliert werden können, sowie umfangreiches Zubehör (Düsen, Behälter, Nachfüllaggregat) sollte nicht fehlen.

Im Gegensatz zu den Mikropumpensystemen sind die wichtigsten Vorteile dieser Systeme der gleichmäßige Schmierstoffstrom und das Fehlen beweglicher und dem Verschleiß unterliegender Teile.

Systeme mit Druckbehältern besitzen jedoch auch einige Nachteile. Eine exakte Einstellung des Öl-Dosiervolumens ist nur eingeschränkt möglich und die Zahl der Abgänge ist begrenzt.

Gezielter Beschuss mit Öltropfen

Dieses externe MMS-System schießt über ein Schnellventil einzelne Schmierstofftropfen an die Wirkstelle der Bearbeitung. Dabei kann zwischen Ventil und Werkzeug ein Abstand von bis zu 800 mm überbrückt werden, ohne dass eine Luftvermischung oder eine Vernebelung stattfindet.

Dieses Dosierungsprinzip ermöglicht insbesondere bei schnell rotierenden Werkzeugen oder Werkstücken, z.B. auf Drehmaschinen, weitgehend die Grenzschichtströmung zu durchbrechen, die sich durch die Drehbewegung aufbaut.

Der Schmierstofftropfen trifft exakt die Stelle, an der er benötigt wird. Neben feststehenden Schnellventilen erfolgt die Ausrichtung bei schwenkbaren Schnellventilen auf das jeweilige Werkzeug automatisch.

Das externe System ist auch mit einem Zweikanalsystem mit innerer Schmiermittelzufuhr und dem zugehörigen Steuergerät kombinierbar. Hauptsächlich wird es in dieser Kombination zur Schmierung sehr kleiner Werkzeuge ohne innere Kühlkanäle eingesetzt.

Bild 12 Externes System mit Beschuss von Schmierstoff-Tropfen an die Wirkstelle

Minimalmengenschmiersysteme für interne Zuführungen

Geräte zur internen Zuführung ermöglichen die direkte Zuführung des Schmierstoffs an die Wirkstelle. Der Schmierstoff muss durch Spindel, Werkzeugrevolver oder ähnliches und durch die inneren Kühlkanäle des Werkzeuges transportiert werden.

Der Aufbau dieser Maschinenkomponenten hat daher einen wesentlichen Einfluss auf die Funktion der Minimalmengenschmierung und setzt in einigen Fällen die Optimierung des Gesamtsystems voraus. Der Schmierstoff steht während des gesamten Bearbeitungsvorganges an den kritischen Stellen kontinuierlich zur Verfügung. Dadurch lassen sich sehr große Bohrungstiefen und Schnittgeschwindigkeiten prozesssicher realisieren.

Im Gegensatz zu den Geräten für externe Zuführung ist keine Justage von Zuführdüsen notwendig und es treten nur geringe Streuverluste auf. Die Einstellung der Öl- und Luftmenge ist über die Maschinensteuerung möglich.

Eine Um- oder Nachrüstung ist mit einem gewissen Aufwand in der Regel mit hohen Kosten verbunden und sollte im Einzelfall überprüft werden. Kriterien sind hier Restlaufzeiten der Werkzeugmaschinen, das Fertigungsprogramm mit Stückzahlen (Serien- oder Einzelfertigung) sowie die Möglichkeit zur Nutzung vorhandener Komponenten an den Werkzeugmaschinen.

Eine interne Zufuhr des Mediums wird dann gewählt, wenn eine externe Zufuhr entweder nicht mehr ausreicht, z.B. beim Bohren mit großen L/D-Verhältnissen, oder bei der Forderung nach einer Erhöhung der Maschinenproduktivität, um kürzere Bearbeitungszeiten erzielen zu können. Einsatzgebiete sind alle Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden sowie Maschinen mit hohem Flexibilitätsgrad und ebenfalls Mehrspindler.

Allen MMS-Systemen gemein ist die Nutzung eines Nebels bzw. Aerosols, bestehend aus einer gasförmigen und einer flüssigen Phase. Die marktgängigen MMS-Systeme für die interne Zufuhr unterscheiden sich durch die Anzahl der erforderlichen Kanäle in der Drehdurchführung, Spindel sowie den Ort der Aerosolerzeugung. Abhängig von dem Ort der Erzeugung des Nebels haben sich zwei Wirkprinzipien durchgesetzt (Bild 13).

Bild 13 Gegenüberstellung 1-Kanal-System und 2-Kanal-System

Beim 1-Kanal-System findet die Aerosolerzeugung im Behälter, d.h. vor dem Eintritt in die Spindel statt. Beim 2-Kanal-System werden beide Medien getrennt durch die Spindel geführt und erst nach dem Austritt aus der Spindel unmittelbar vor dem Werkzeug zum Aerosol vermischt.

Einkanalige Geräte

Die "Minimalmengenschmierung mit innerer Mediumzuführung" basiert auf der Zufuhr eines Luft-Schmierstoff-Gemisches durch das Zerspanwerkzeug hindurch. Das Schmierstoffaerosol wird bei diesen Systemen meist mit Unterstützung von Druckluft erzeugt.

Untersuchungen von verschiedenen MMS-Systemen zeigen deutlich, dass bei Einkanal-Systemen die Zerstäubung mittels Venturi-Prinzip am effektivsten ist und einen prozesssicheren Betrieb gestattet. Durch den prinzipbedingten Aufbau wird das Aerosol mit hoher Qualität (ca. 0,5 μm bis 2 μm) erzeugt, um nahezu verlustfrei zur Wirkstelle zu gelangen. Die weitere Zuführung zur Wirkstelle erfolgt über Komponenten der Werkzeugmaschine (Drehdurchführung, Spindel, Werkzeughalter, Werkzeug).

Ein funktionssicheres Gerät enthält verschiedene Komponenten zur Einstellung und Überwachung. Einfache Geräte (siehe Bild 14) beinhalten manuelle Einstellmöglichkeiten für Luft und Öl, einen Durchflussmengenmesser und Manometer zur optischen Kontrolle sowie Druckschalter und Füllstandsschalter zur Überwachung.

Geräte für flexible Fertigungssysteme sind über eine Feldbusschnittstelle mit der Maschinensteuerung verbunden. Einstellungen der Prozessparameter werden direkt vom NC-Programm gesteuert.

Umfangreiches Zubehör bestehend aus Kugelhähnen, Außensprühdüsen und Nachfüllaggregaten ergänzen diese Ausstattung.

Bild 14 MMS-Systeme (1-Kanal) für die interne Zufuhr

Zweikanalige Systeme

Funktion

Beim Zweikanalsystem werden Schmierstoff und Luft getrennt über zwei Kanäle durch die Werkzeugspindel bis zum Werkzeughalter geführt, wo das benötigte Arbeitsgemisch in einer Rohrdüse erzeugt wird. Die getrennte Zuführung der beiden Medien in der Spindel erfolgt über eine Lanze, die sich zentral in der Werkzeugspindel befindet.

Bild 15 Das Zweikanal-System

Ein Aggregat (MMS-Einheit) fördert den Schmierstoff zum Schnell-Ventil, welches die prozessabhängig optimale Schmierstoffmenge exakt dosiert an die Zweikanal-Drehdurchführung weitergibt. Der Schmierstoff wird durch den inneren Kanal der Lanze gefördert, während die Luft über den äußeren Ringkanal zwischen Lanze und Spindel geführt wird.

Das vordere Ende der Lanze ragt in die Mischkammer der Rohrdüse, von wo das erzeugte Öl-Luftgemisch dem Werkzeug zugeführt wird. Die in das genormte Kühlmittelrohr eingepresste Rohrdüse besteht aus einer Mischkammer und einem Rohrstück, welches auf die jeweilige Einbausituation abgelängt wird.

Die Ansteuerung und Überwachung des Systems übernimmt das Steuergerät. Die Anwahl der verschiedenen Werkzeugparameter erfolgt über M-Funktionen oder Profi-Bus. Optional kann an dieses System ein externes Schnellventil mit angeschlossen werden.

Vorteile des Zweikanal-Systems

Der Einsatz der Lanze unterdrückt Zentrifugaleffekte und damit Entmischungsvorgänge in der Spindel. Als Konsequenz können Spindeldrehzahlen stark angehoben und eine kontinuierliche, präzise Dosierung einfach und prozessicher den Zerspanungsparametern angepasst werden. Durch die getrennte Zuführung von Luft und Öl lässt sich die Verschmutzung von Spindel und Schnittstellen leichter vermeiden.

Bild 16 Werkzeugspindel mit eingebauter Lanze und Werkzeughalter für das Zweikanal-System

Weiterhin ermöglicht die Ausnutzung des Kapillareffektes in der Lanze sehr schnelle Werkzeugwechsel. Die Reaktionszeit des Zweikanal-Systems liegen bei ca. 0,1 s.

Durch diese kurze Reaktionszeit ergeben sich keine zusätzlichen Nebenzeiten, wie beim Werkzeugwechsel.

Bild 17 Komponenten der Achse der Werkzeugmaschine ohne Spindel für das Zweikanal-System

Ein Entlüftungsventil sorgt für einen raschen Druckabbau im Werkzeug. Ein Nachblasen des Werkzeugs wird somit verhindert.

Installation auf der Maschine

Bild 18 Installation des Zweikanal-Systems

Die Installation der Zweikanal Drehdurchführung entspricht nahezu der Installation von Einkanal-Drehdurchführungen. Einziger Unterschied ist der gleichzeitige Einbau der Lanze.

Gegenüberstellung der wichtigsten Eigenschaften

Der Unterschied der beiden Systeme liegt in der Art der Medienzufuhr sowie in Art und Ort der Vermischung.

Tabelle 8
Gegenüberstellung 1-Kanal-System/2-Kanal-System

1-Kanal-System2-Kanal-System

  • Ölzufuhr bedingt abhängig von Drehzahl

  • Ölmenge abhängig vom Luftdurchsatz

  • Bei Bypass-Betrieb Reaktionsverhalten nahezu mit 2-Kanaltechnik vergleichbar

  • Netzdruck > 4 bar notwendig

  • Förderung durch "verwinkelte" Kanäle (z.B. Fräskopf, Werkzeug-Revolver) bedingt möglich

  • Keine Verschleißteile (wartungsarm)

  • Schmierstoff-Viskosität bis 50 mm2/s einsetzbar

  • Einfache Aufteilung des Aerosolstroms auf mehrere Spindeln möglich

  • Standard-Werkzeughalter für interne Kühlmittelzufuhr möglich



  • Ölzufuhr unabhängig von Drehzahl

  • Ölmenge nahezu unabhängig vom Luftdurchsatz

  • Sehr schnelles Reaktionsverhalten

  • Netzdruck > 4 bar notwendig

  • Förderung durch "verwinkelte" Kanäle (z.B. Fräskopf, Werkzeug-Revolver) aufwendig

  • Verschleißende Teile wie z.B. Pumpe und Schellventil

  • Schmierstoff-Viskosität bis 100 mm2/s einsetzbar

  • Versorgung mehrerer Spindeln mit einem Gerät sehr aufwendig

  • HSK mit KSS-Rohr, Rohrdüse und Kunststoffrohr notwendig


Anwendungsgebiete der MMS-Systeme

Aus den physikalischen Eigenschaften der beiden Systeme ergeben sich Anwendungsgebiete, deren Grenzen sich überschneiden.

Zur Auswahl des geeigneten Systems müssen die Randbedingungen von Werkzeugmaschine, Werkzeug und Prozess berücksichtigt werden.

Tabelle 9
Anwendungsgebiete 1-Kanal-System/2-Kanalsystem

1-Kanal-System2-Kanal-System

  • Nmax ca. 30 000 min-1

  • Kühlkanalbohrung bevorzugt

    ≥ 0,5 mm

  • Transferstraßen, Mehrspindler, BAZ mit häufigem Werkzeugwechsel sofern Prozesse bekannt, Drehmaschinen

  • Umschaltung Naß/Trocken möglich

  • bis 200 ml/h möglich



  • Nmax ca. 40 000 min-1

  • Kühlkanalbohrung

    < 0,5 mm möglich

  • Bearbeitungszentren (BAZ) mit häufigem Werkzeugwechsel

  • Werkzeuge mit hohem Ölbedarf

  • > 400 ml/h möglich


Checkliste MMS-System

Von besonderer Bedeutung für die Prozesssicherheit und Emission ist die Gewährleistung der kontinuierlichen Zufuhr des Schmiermittels an die Wirkstelle, ohne Unterbrechung. Für die Zuführung und Dosierung des Schmiermittels sollten daher nur sichere Systeme zum Einsatz kommen, welche folgende Anforderungen erfüllen:

  • Einstellung der Parameter, z.B. Menge und Druck, nach Vorgabewerten in Abhängigkeit von Verfahren, Werkstoff und der Bearbeitungsparameter möglich.

  • Exakte und vibrationsunempfindliche Ausrichtungsmöglichkeit der Düse(n) relativ zur Wirkstelle möglich.

  • Überwachung der MMS-Funktion, z.B. Füllstand, Medientransport und Druckluft, möglich,

  • Sprühbild der Düse,

    • Angabe günstiger Systemeinstellgrößen zur Minimierung der Nebelbildung.

    • Zielgerichtete Benetzung (Angabe der Wirkbereiche der Düse).

  • Angabe des im System verwendbaren Viskositätsbereiches bei 40 C.

  • Verlustfreier Medientransport bis zur Übergabestelle Düse oder Werkzeug gewährleistet (keine Leckagen).

  • Komponenten und Dichtungen resistent gegenüber den eingesetzten Medien in Abstimmung auf den Einsatzfall.

  • Kleinste Einstellung zur Realisierung trockener Werkstücke und Späne (Skalierung < 10 ml/h) möglich.

  • Kontinuierliche Zufuhr des Schmierstoff-Mediums gewährleistet (keine Aussetzer, Unterbrechungen).

  • Schnelles Ansprechverhalten und Medienverfügbarkeit an der Zerspanstelle auch bei längeren Stillstandszeiten.

  • Geringe Lärmentwicklung im Betrieb (< 75 dB [A]).