Energieumwandlung und Wärmeabfuhr bei spanenden Arbeitsprozessen
Spanende Fertigunsverfahren sind solche, bei denen mittels Schneidwerkzeug von einem zu bearbeitendem Werkstück Material durch mechanisches Einwirken in Form von Spänen abgetrennt wird. In der Bearbeitung von Metallen finden sich als bedeutendste spanende Verfahren das Bohren, Fräsen, Sägen, Drehen und Schleifen. Letzteres unterscheidet sich derart, dass es beim Schleifprozess keine Schneide bestimmter Geometrie gibt, man spricht deswegen von Spanen mit geometrisch bestimmter, respektive unbeschstimmter Schneide.
Unabhängig des gewählten Verfahrens entsteht bei der verrichteten mechanischen Arbeit als Nebenprodukt Wärme. Die Höhe der entstehende Wärme unterscheidet sich in Abhängigkeit der verwendeten Materialien und des Fertigungsverfahrens. Insbesondere bei der Bearbeitung von Metallen fällt ein hoher Betrag thermischer Energie an. Die bis zu 1000 °C hohen Temperaturen bedingen u.a. durch Diffusion (thermisch aktivierte Vermischung der Bestandteile von Werkzeug und Werkstück) einen nicht zu vernachlässigen Verschleiß am Werkzeug. Diesem wird i.d.R. durch Kühlung mittels Kühlschmiermitteln (Nassbearbeitung) oder Minimalmengenschmierung begegnet.
Der Span führt große Wärmemengen ab
Auch wenn das Schmieren (zwecks Minderung der Reibung) und Kühlen bei den meisten Fertigungsprozessen im Metallbereich unerlässlich ist, so führt der Span den größten Teil der thermischen Energie von Werkzeug und Werkstück ab. Das können, je nach Anwendungsfall, bis zu 80 % der gesamten anfallenden thermischen Energie sein. Generell gilt, dass je höher die Schnittgeschwindigkeit, desto mehr Energie wandert in den Span.
Der Grund hierfür liegt in dem Umstand, dass ein längerer Kontakt zwischen Werkzeug und Span die Aufnahme der thermischen Energie durch das Werkzeug begünstigt. Die Annahme, dass ein langsam drehendes Werkzeug weniger Kühlung als ein schnellaufendes bedarf, ist also nicht richtig.
Externe Kühlung
Der am weitesten verbreitete externe Kühlprozess in der Metallbearbeitung ist die Nassbearbeitung mittels Kühlschmiermitteln. Die in Form einer Wasser-Kühlschmierstoff-Emulsion auf Werkstück und Werkzeug geleitete Kühlschmierflüssigkeit übernimmt dabei zwei Aufgaben:
- Ölige Anteile der Emulsion bewirken durch Schmieren die Verringerung der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Das reduziert die Entstehung von thermischer Energie.
- Der wässrige Anteil der Emulsion bewirkt die Kühlung durch Verdunstung und Abfuhr eines Teils der thermischen Energie.
Eine andere, in der Metallbearbeitung zunehmend zur Anwendung kommende Technik ist die Minimalmengenschmierung (MMS). Hier werden mittels Druckluft gezielt kleinste Mengen eines Schmierstoffes auf die Wirkstelle zwischen Werkzeug und Werkstück geblasen. Es wird so ein feiner Ölfilm erzeugt, welcher die Reibung zwischen Werkzeug und Wirkstück erheblich reduziert.
Die Minimalmengenschmierung bietet gegenüber der Nassbearbeitung etliche Vorteile und ist es Wert, in Betracht gezogen zu werden. Auch bei der Schmierung mittels MMS wird der größte Teil der thermischen Energie über den Span abgeführt.
