DE19915265A1 - Minimal quantity cooling-lubrication for machining processes involves atomising lubricant independently of and separately from delivery of compressed air, e.g. with injection pump - Google Patents
Minimal quantity cooling-lubrication for machining processes involves atomising lubricant independently of and separately from delivery of compressed air, e.g. with injection pumpInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimalmengenschmierung bei Zerspanprozessen ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.The invention relates to a method for minimal quantity lubrication in machining processes according to the preamble of claim 1 and a device for performing this Method according to the preamble of patent claim 9.
Bei der zerspanenden Bearbeitung von Werkstücken entsteht Wärme, die abgeführt werden muß, um ein frühzeitiges Verschleißen von Werkzeug und Werkstück zu vermeiden. Hierzu war es bisher üblich, dem Bearbeitungsbereich einen kräftiger Strom einer Schneidemulsion, beste hend aus einer Wasser-Öl-Mischung, zuzuleiten, durch die der Bearbeitungsbereich geschmiert und gleichzeitig gekühlt wurde. Zusätzlich zu den Beschaffungskosten der Schneidemulsion ent standen bei diesem Verfahren weitere Kosten durch das Sammeln, Aufarbeiten und Entsorgen der verbrauchten Schneidemulsion als Sondermüll.When machining workpieces, heat is generated which is dissipated must to avoid premature wear of the tool and workpiece. This was It was previously common practice to give the processing area a strong flow of a cutting emulsion Starting from a water-oil mixture, through which the machining area is lubricated and was cooled at the same time. In addition to the procurement costs of the cutting emulsion there were additional costs associated with this process of collecting, processing and disposal the used cutting emulsion as special waste.
Daher wird zur Kühlung/Schmierung bei der zerspanenden Bearbeitung in letzter Zeit verstärkt die sogenannte Minimalmengen-Kühlschmierung eingesetzt, bei der anstatt einer Schneidemul sion eine geringe Menge eines geeigneten Luft-Schmierstoff-Gemisches auf den Bearbeitungs bereich aufgetragen wird. Der Schmierstoff liegt in diesem Gemisch in Form feiner Tröpfchen vor und wird mit Hilfe von Drucklift auf den Bearbeitungsbereich gelenkt. Der Schmierstoff wird beim Zerspanungsprozeß nahezu vollständig verbraucht, so daß nichts aufgefangen und ent sorgt werden muß. Das Verfahren bewirkt eine hohe Schmier- und Kühlwirkung des Werkstücks und des Werkzeugs und führt zu qualitativ hochwertigen Oberflächen bei der Bearbeitung.Therefore, cooling / lubrication in machining has recently been strengthened the so-called minimum quantity cooling lubrication is used, instead of a cutting mul sion a small amount of a suitable air-lubricant mixture on the machining area is applied. The lubricant is in this mixture in the form of fine droplets in front and is steered onto the processing area with the help of a pressure lift. The lubricant will almost completely consumed in the machining process, so that nothing is caught and ent must be taken care of. The process has a high lubricating and cooling effect on the workpiece and the tool and leads to high-quality surfaces during processing.
Aus der DE 94 12 118 U1 und der gattungsbildenden EP 321 954 A2 sind Vorrichtungen zur Minimalmengen-Kühlschmierung bekannt, bei denen durch gleichzeitige Zuleitung von Druckluft und Schmierstoff ein nebelförmiges Gemisch erzeugt wird, das mit Hilfe der Druckluft zum Be arbeitungsbereich hin transportiert wird.DE 94 12 118 U1 and the generic EP 321 954 A2 disclose devices for Minimum quantity cooling lubrication known in which by simultaneous supply of compressed air and lubricant a mist-like mixture is generated, which can be used with the help of compressed air work area is transported there.
Aus der WO 97/14530 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Minimalmengen-Kühlschmierung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeugs mit geometrisch definierter Schneide bekannt, bei der die Zuleitung des Schmierstoffs und der Druckluft über Leitungen im Inneren der Werk zeugspindel erfolgt. Um insbesondere bei schnellaufenden Bearbeitungsspindeln eine gute Do sierung des Schmierstoff-Luft-Gemisches zu erreichen, wird der Schmierstoff und das Trägergas in einen mit porösem Sintermaterial gefüllten Kühlmittelspeicherraum geleitet, miteinander ge mischt und dann als Schmierstoff-Luft-Gemisch dem Bearbeitungsbereich zugeführt. Durch das Sintermetall soll verhindert werden, daß sich der Schmierstoff an den Außenwänden des Spei cherraumes absetzt; weiterhin soll eine gleichmäßige Verteilung des Schmierstoffs im Speicher raum erreicht werden, die beim Wiedereinschalten des Luftstroms, z. B. nach einem Werkzeug wechsel, eine schnelle Bereitstellung von Schmierstoff sicherstellen soll.From WO 97/14530 is a device for minimum quantity cooling lubrication known machining, rotating tool with geometrically defined cutting edge, where the supply of the lubricant and the compressed air via lines inside the factory tool spindle is done. In order to do a good job, especially with high-speed machining spindles To achieve the lubrication-air mixture, the lubricant and the carrier gas passed into a coolant storage space filled with porous sintered material, ge together mixes and then fed to the processing area as a lubricant-air mixture. By the Sintered metal is to be prevented that the lubricant on the outer walls of the Spei sets off; Furthermore, the lubricant should be distributed evenly in the reservoir room can be reached when the air flow is switched on again, e.g. B. for a tool change, to ensure a quick supply of lubricant.
Bei den oben beschriebenen Verfahren werden mit Hilfe eines Trägergases Schmierstoff- Tröpfchen erzeugt und in den Bearbeitungsbereich transportiert. Der Druck des Trägergases hat dabei einen entscheidenden Einfluß auf eine Vielzahl von Parametern wie Tröpfchengröße, -dichte, -geschwindigkeit etc., so daß eine optimierte Einstellung dieser verknüpften Parameter auf unterschiedliche Werkstück- und Werkzeuggeometrien nur schwierig möglich ist. Dadurch ist es weiterhin verfahrensbedingt nahezu unmöglich, eine schnelle, reproduzierbare Umstellung von Schmierstoffen zur Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe zu erreichen.In the processes described above, lubricant Droplets are generated and transported to the processing area. The pressure of the carrier gas has a decisive influence on a variety of parameters such as droplet size, density, speed, etc., so that an optimized setting of these linked parameters on different workpiece and tool geometries is difficult. This is due to the process, it is almost impossible to make a quick, reproducible change of lubricants for processing different materials.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Minimalmengen- Kühlschmierung bereitzustellen; das eine schnelle, einfache und flexible Einstellung der Verfah rensparameter ermöglicht, so daß eine große Zahl unterschiedlicher Werkstückgeometrien und Werkstoffe mit Hilfe eines weiten Spektrums unterschiedlicher Werkzeuge bearbeitet werden können.The object of the invention is therefore to provide a method for Provide cooling lubrication; a quick, easy and flexible setting of the procedure rensparameter allows so that a large number of different workpiece geometries and Materials can be processed using a wide range of different tools can.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst.The object is achieved by the features of claims 1 and 9.
Danach werden die beiden - im Grunde unabhängigen - Prozesse der Zerstäubung und der Druckluftzufuhr bei der Minimalmengen-Kühlschmierung verfahrensmäßig voneinander entkop pelt, so daß eine getrennte Optimierung dieser beiden Prozesse auf die jeweilige Bearbeitungs aufgabe möglich wird. Der Transport der Tröpfchen vom Erzeugungsort zum Bearbeitungsbe reich auf dem Werkzeug bzw. dem Werkstück erfolgt wie oben mit Hilfe von Druckluft; jedoch wird zur Erzeugung der Tröpfchen ein Zerstäubungssystem verwendet, das von der Druckluft zufuhr unabhängig ist. Die Tröpfchengröße bzw. das Tröpfchenspektrum ist somit unabhängig vom Luftdruck und der Schmierstoff-Transportgeschwindigkeit einstellbar; die beiden Größen können somit unabhängig voneinander auf jedes Werkzeug/Werkstück abgestimmt werden.After that, the two - basically independent - processes of atomization and The process of decoupling the compressed air supply with the minimum quantity cooling lubrication is procedural pelt, so that a separate optimization of these two processes on the respective machining task becomes possible. The transport of the droplets from the production site to the processing area rich on the tool or the workpiece is done as above with the help of compressed air; however an atomizing system is used to generate the droplets, which is separated from the compressed air feed is independent. The droplet size or the droplet spectrum is therefore independent adjustable from air pressure and lubricant transport speed; the two sizes can be adjusted to each tool / workpiece independently.
Die Trennung der beiden Prozesse der Tröpfchenerzeugung und des Tröpfchentransports er möglicht gleichzeitig eine reproduzierbare und kontrollierte Erzeugung von Schmierstoffteilchen einer gewissen Teilchengröße und -dichte und eine getrennt davon einstellbare geometrische Verteilung und Aufprallgeschwindigkeit dieser Teilchen auf das Werkstück bzw. Werkzeug. Die Zerstäubung des Schmierstoffs im Zerstäubungssystem erfolgt unabhängig von Luft- und Schmierstoffvolumenstrom bzw. unabhängig von einem (werkzeugabhängigen) Gegendruck im Inneren einer Werkzeugspindel.The separation of the two processes of droplet generation and droplet transport enables reproducible and controlled production of lubricant particles at the same time a certain particle size and density and a separately adjustable geometric Distribution and speed of impact of these particles on the workpiece or tool. The The lubricant is atomized in the atomization system independently of air and Lubricant volume flow or independent of a (tool-dependent) back pressure in the Inside a tool spindle.
Druckluft und Schmierstoff werden über separate Zuleitungen in einen Mischungsbereich ge führt. Das Zerstäubungssystem ist in diesem Mischungsbereich so angeordnet, daß es vom Schmierstofffluß durchströmt und gleichzeitig von der Druckluft umströmt wird. Der Schmier stoff wird beim Durchströmen des Zerstäubungssystems zu Tröpfchen zerstäubt. Die Schmier mittel-Tröpfchen werden dann von der umströmenden Druckluft erfaßt und durch eine Aus gangsöffnung des Mischungsbereiches hindurch auf einen zu schmierenden Bearbeitungsbe reich geleitet.Compressed air and lubricant are fed into a mixing area via separate feed lines leads. The atomization system is arranged in this mixing area so that it is from the Lubricant flow flows through and at the same time the compressed air flows around it. The grease substance is atomized into droplets as it flows through the atomization system. The grease medium droplets are then captured by the flowing compressed air and by an off passage opening of the mixing area through to a processing area to be lubricated richly headed.
Die Zerstäubung des Schmierstoffs kann z. B. mit Hilfe von Ultraschall erfolgen (siehe Ansprüche 3 und 11). Durch eine geschickte Wahl der Geometrie der Ultraschalleinkopplung sowie durch Einstellung der Ultraschallintensität, -frequenz etc. kann eine optimale Tröpfchengröße, Tröpf chenzahl, räumliche Verteilung des entstehenden Nebels etc. erreicht werden. Andererseits kann durch eine geschickte Wahl der Druckluftintensität und der Zuleitungsgeometrie eine op timale Aufbringung des Nebels auf den Bearbeitungsbereich sichergestellt werden.The atomization of the lubricant can e.g. B. using ultrasound (see claims 3 and 11). By a clever choice of the geometry of the ultrasonic coupling as well as by Setting the ultrasound intensity, frequency etc. can be an optimal droplet size, droplet number, spatial distribution of the resulting fog, etc. can be achieved. On the other hand can by a clever choice of the compressed air intensity and the supply geometry an op timely application of the fog to the processing area can be ensured.
Die Ultraschall-Frequenzen liegen zweckmäßigerweise im Bereich zwischen 20 kHz und 100 kHz (siehe Anspruch 4). Dabei werden - je nach Schmierstoff - Tröpfchen mit mittleren Durchmes sern zwischen 5 µm und 200 µm erzeugt. Höhere Frequenzen liefern geringere Tröpfchengrö ßen.The ultrasound frequencies are expediently in the range between 20 kHz and 100 kHz (see claim 4). Depending on the lubricant, droplets with medium diameters between 5 µm and 200 µm. Higher frequencies deliver smaller droplet sizes eat.
Um eine gleichmäßige und kontrollierte Zerstäubung von Schmierstoff sicherstellen zu können, muß ein kontinuierlicher, einstellbarer Zustrom von Schmierstoff auf den Ultraschall- Schwingkopf gewährleistet sein (siehe Anspruch 5). Zur Förderung des Schmierstoffs wird daher zweckmäßigerweise eine Konstantförderpumpe (z. B. eine Doppelkolbenpumpe oder eine Schlauchpumpe) verwendet, die den Schmierstoff aus einem Vorratsbehälter entnimmt und dem Ultraschall-Schwingkopf zuführt (siehe Anspruch 7). Alternativ kann der Schmierstoff mit Hilfe eines Überdruckbehälters zugeführt werden (siehe Anspruch 6).To ensure even and controlled atomization of lubricant, a continuous, adjustable flow of lubricant onto the ultrasonic Oscillating head must be guaranteed (see claim 5). Therefore, to promote the lubricant expediently a constant feed pump (e.g. a double piston pump or a Peristaltic pump) that takes the lubricant from a reservoir and feeds the ultrasonic oscillating head (see claim 7). Alternatively, the lubricant can be used Can be supplied using an overpressure container (see claim 6).
Alternativ zur Ultraschall-Zerstäubung kann zur Tröpfchenerzeugung eine Einspritzpumpe ver wendet werden (siehe Ansprüche 2 und 10). Einspritzpumpen in miniaturisierter Form können leicht in das Innere einer Werkzeugspindel integriert werden und ermöglichen somit eine Zer stäubung des Schmiermittels in unmittelbarer Nähe des Werkzeugs.As an alternative to ultrasonic atomization, an injection pump can be used to generate droplets be applied (see claims 2 and 10). Injection pumps in miniaturized form can can be easily integrated into the interior of a tool spindle and thus enable cutting dusting of the lubricant in the immediate vicinity of the tool.
Zur Schmierstoff- und Druckluftzuführung ist es vorteilhaft, koaxiale Rohre bzw. Schläuche zu verwenden, wobei der innere dem Schmierstofftransport und der äußere dem Lufttransport dient (siehe Anspruch 12). Eine solche kompakte Gestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Schmiervorrichtung auf beengtem Raum im Inneren einer Werkzeugmaschine ange ordnet werden soll, wo für die Leitungen nur wenig Platz zur Verfügung steht. Die die Schmier stoffzuleitung umgebende Druckluftzuleitung hat zweckmäßigerweise einen wesentlich größeren Querschnitt als die Schmierstoffzuleitung; dadurch wird sichergestellt, daß am Ort des Ultra schall-Schwingkopfes immer genügend Druckluft vorhanden ist, um die entstehenden Tröpfchen zum Werkzeug hin zu transportieren.For the supply of lubricant and compressed air, it is advantageous to close coaxial pipes or hoses use, the inner one for the lubricant transport and the outer one for the air transport serves (see claim 12). Such a compact design is particularly useful if when the lubricator is placed in a confined space inside a machine tool should be arranged where there is little space available for the lines. The the lubricant Compressed air supply line surrounding the material supply line expediently has a substantially larger one Cross section as the lubricant feed line; this ensures that the Ultra sonic vibrating head, there is always enough compressed air to keep the droplets to transport to the tool.
Wenn die erfindungsgemäße Schmiervorrichtung zur Minimalmengen-Kühlschmierung eines spanend arbeitenden, rotierenden Werkzeugs eingesetzt werden soll, ist es zweckmäßig, die Schmiervorrichtung in den Innenraum der Werkzeugspindel zu integrieren (siehe Anspruch 13), um das Werkzeug - unabhängig von der jeweiligen Bearbeitungsgeometrie - direkt und gezielt mit Schmierstoff zu versorgen. Weiterhin ist es günstig, das Zerstäubungssystem möglichst nah am Werkzeug einzubauen. Dadurch kann sichergestellt werden, daß die erzeugten Tröpfchen auf den Bearbeitungsbereich geleitet werden, anstatt durch die rotierende Spindel auszentrifu giert und an die Innenwand der Spindel geschleudert zu werden (siehe Anspruch 14).If the lubrication device according to the invention for minimum quantity cooling lubrication machining, rotating tool is to be used, it is appropriate that Integrate the lubrication device into the interior of the tool spindle (see claim 13), around the tool - regardless of the respective machining geometry - directly and specifically to be supplied with lubricant. It is also beneficial to have the atomization system as close as possible to be installed on the tool. This can ensure that the droplets generated instead of being centrifuged out by the rotating spindle greed and to be thrown against the inner wall of the spindle (see claim 14).
Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung nah am Werkzeug in den Innenraum einer Werk zeugspindel eingebaut, so wird die Vorrichtung zweckmäßigerweise ortsfest gegenüber der Werkzeugspindel angeordnet und wird seitlich, z. B. mit Hilfe eines Gleit- oder Wälzlagers, ge genüber der rotierenden Werkzeugspindel abgestützt (siehe Anspruch 15).If the device according to the invention is close to the tool in the interior of a plant built-in spindle, the device is conveniently fixed against the Tool spindle arranged and is laterally, for. B. with the help of a sliding or rolling bearing, ge supported against the rotating tool spindle (see claim 15).
Zur Verringerung der Verletzungsgefahr, insbesondere bei Werkzeugbruch, ist es zweckmäßig, die Druckluftzuschaltung mit einem Ventil zu versehen, das mit dem Notausschalter der Werk zeugmaschine verbunden ist (siehe Anspruch 16). Beim Betätigen des Notausschalters sowie bei jedem Abschalten der Druckluftzufuhr wird dann der Hochdruck in der Druckluftzuleitung automatisch abgelassen und somit vermieden, daß beim Lösen des Spannfutters das Werkzeug unter hohem Druck herausschießt.To reduce the risk of injury, especially if the tool breaks, it is advisable to to provide the compressed air supply with a valve that works with the factory emergency stop switch machine is connected (see claim 16). When pressing the emergency stop and each time the compressed air supply is switched off, the high pressure in the compressed air supply line automatically drained and thus avoided that the tool when loosening the chuck shoots out under high pressure.
Soll die Vorrichtung zur Schmierung einer Vielzahl verschiedener Werkstoff dienen, so ist es vor teilhaft, neben der Minimalmengen-Kühlmittelschmierung auch die Möglichkeit vorzusehen, konventionelle Naßschmierung mit Schneidemulsion zu verwenden. Hierfür muß eine Zuführung für die Schneidemulsion vorgesehen werden. Insbesondere bei beengten Raumverhältnissen, z. B. bei der Integration der Kühlschmiervorrichtung in den Innenraum einer Werkzeugspindel, erfolgt die Zuführung von Schneidemulsion zweckmäßigerweise über den gleichen Weg, der im Fall der Minimalmengenschmierung zur Zuführung von Druckluft verwendet wird (siehe An spruch 8 und Anspruch 17). Dieser verfügt über einen ausreichend großen Querschnitt zur Ge währleistung hoher Durchsatzmengen von Schneidemulsion und kann bei der Umstellung von Naßschmierung auf Minimalmengenschmierung leicht und schnell durch Ausblasen mit Druck luft gespült werden.If the device is to be used for the lubrication of a large number of different materials, then there is partial, in addition to the minimum quantity of coolant lubrication, the possibility to provide to use conventional wet lubrication with cutting emulsion. For this, a feeder must be provided for the cutting emulsion. Especially in confined spaces, e.g. B. in the integration of the cooling lubrication device into the interior of a tool spindle, cutting emulsion is expediently fed in the same way as in If the minimum quantity lubrication is used to supply compressed air (see An Proverb 8 and claim 17). This has a sufficiently large cross-section to the Ge guarantee high throughput of cutting emulsion and can be used when switching from Wet lubrication on minimal quantity lubrication easily and quickly by blowing out with pressure be purged in the air.
Wird die Schmiervorrichtung auf einer Bearbeitungsmaschine eingesetzt, auf der Werkstücke aus unterschiedlichen Werkstoffen bearbeitet werden sollen, so empfiehlt es sich ferner, an der Schmiermittelzuleitung mehrere Eingänge vorzusehen, die alternativ mit unterschiedlichen, dem jeweiligen Werkstoff angepaßten Schmiermittelreservoirs verbunden werden können (siehe An spruch 18). Erfolgt die zur Schmiermittel-Zuleitung mittels einer Pumpe (siehe Anspruch 7), so kann bei einem Wechsel des zu bearbeitenden Werkstoffs der momentan in der Schmiermittel- Zuleitung befindliche Schmierstoff in sein Reservoir zurückgepumpt werden, bevor die Zuleitung mit einem Reservoir eines anderen, dem Werkstoff besser angepaßten Schmierstoffs verbunden wird. Dadurch kann umweltschonend ein schneller Schmiermittelwechsel sichergestellt werden.If the lubrication device is used on a processing machine, on the workpieces are to be machined from different materials, it is also advisable to use the Lubricant supply line to provide multiple inputs, alternatively with different, the lubricant reservoirs adapted to the respective material can be connected (see An Proverbs 18). If the lubricant supply line is carried out by means of a pump (see claim 7), then When changing the material to be machined, the lubricant Lubricant located in the supply line is pumped back into its reservoir before the supply line connected to a reservoir of another lubricant that is better adapted to the material becomes. This means that a quick lubricant change can be ensured in an environmentally friendly manner.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei spieles näher erläutert; dabei zeigen:In the following the invention with reference to an embodiment shown in the drawing game explained in more detail; show:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Minimalmengen-Kühlschmiervorrichtung mit Ultraschall- Zerstäubung (Prinzipskizze), Fig. 1 is a sectional view of a minimum-quantity cooling and lubricating device with ultrasonic atomization (schematic diagram),
Fig. 2 eine Teilansicht der Minimalmengen-Kühlschmiervorrichtung aus Fig. 1, Fig. 2 is a partial view of the minimum-quantity cooling and lubricating device of FIG. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht einer in eine Werkzeugspindel integrierten Minimalmengen- Kühlschmiervorrichtung mit Ultraschall-Zerstäubung. Fig. 3 is a sectional view of a minimum quantity cooling lubrication device integrated in a tool spindle with ultrasonic atomization.
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Lagers zur Stabilisierung der Kühlschmiervorrichtung in einer rotierenden Spindel gemäß dem Schnitt III-III in Fig. 2. Fig. 3 is a sectional view of a bearing for stabilizing the cooling and lubricating device in a rotating spindle according to the section III-III in Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine Minimalmengen-Kühlschmiervorrichtung 1, die zur Schmierung eines Werk zeugs 2 und eines zu bearbeitenden Werkstücks 3 in einem Bearbeitungsbereich 4 dient. Zur Minimalmengenschmierung wird - wie im Detail in Fig. 2 dargestellt - ein Kühlschmierstoff als feiner Nebel 5 auf den Bearbeitungsbereich 4 gesprüht. Dieser Schmierstoffnebel 5 wird von ei nem in einem Mischungsbereich 6 befindlichen Zerstäubungssystem 7 erzeugt und mit Hilfe von Druckluft durch eine Öffnung 8 aus dem Mischungsbereich 6 hinaus zum Werkstück 3 und Werkzeug 2 transportiert. Die Druckluft wird dem Mischungsbereich 6 über eine Druckluftlei tung 9 zugeführt. Der Kühlschmierstoff, der dem Zerstäubungssystem 7 über eine Schmier stoffleitung 10 aus einem Vorratsbehälter 11 zugeleitet wird, wird im Zerstäubungssystem 7 zu kleinen Tröpfchen zerstäubt und in den Mischungsbereich 6 eingespeist. Dort wird der Schmierstoffnebel 5 von der vorbeiströmenden Druckluft erfaßt und durch die Öffnung 8 auf den Bearbeitungsbereich 4 getragen. Fig. 1 shows a minimum quantity cooling lubrication device 1 , which is used to lubricate a tool 2 and a workpiece 3 to be machined in a machining area 4 . For minimum quantity lubrication, as shown in detail in FIG. 2, a cooling lubricant is sprayed onto the machining area 4 as a fine mist 5 . This lubricant mist 5 is generated by an atomization system 7 located in a mixing area 6 and transported with the aid of compressed air through an opening 8 out of the mixing area 6 to the workpiece 3 and tool 2 . The compressed air is fed to the mixing area 6 via a Druckluftlei device 9 . The cooling lubricant, which is supplied to the atomization system 7 via a lubricant line 10 from a reservoir 11 , is atomized into small droplets in the atomization system 7 and fed into the mixing area 6 . There the lubricant mist 5 is caught by the compressed air flowing past and carried through the opening 8 to the processing area 4 .
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Zerstäubungssystem 7 so im Mischungsbereich 6 angeordnet, daß es sich zentral im Druckluftstrom befindet. Dadurch wird das Zerstäubungssy stem von allen Seiten gleichmäßig von der Druckluft umströmt, und der erzeugte Schmierstoff nebel wird gleichmäßig zum Bearbeitungsbereich 4 hin transportiert. Eine stromlinienförmige Gestaltung des Zerstäubungssystems 7 reduziert das Auftreten von Wirbeln und verhindert, daß der Schmierstoffnebel 5 sich an den Wänden des Mischungsbereichs 6 absetzt und/oder durch Verwirbelungen zu einer Aggregation und Vergröberung der Tröpfchengröße führt.In the present exemplary embodiment, the atomization system 7 is arranged in the mixing area 6 in such a way that it is located centrally in the compressed air stream. As a result, the compressed air flows around the atomization system from all sides, and the lubricant mist generated is transported evenly to the processing area 4 . A streamlined design of the atomization system 7 reduces the occurrence of vortices and prevents the lubricant mist 5 from settling on the walls of the mixing region 6 and / or from swirling leading to aggregation and coarsening of the droplet size.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Zerstäubungssystem durch einen Ultraschall Schwingkopf 12 gebildet, der über einen Oszillator 13 an eine Stromversorgung 14 zur Ultra schallerzeugung angebunden ist. Der Ultraschall-Schwingkopf 12 enthält Piezokristalle, die bei Beaufschlagung mit einer Wechselspannung abwechselnd Kontraktion und Ausdehnung erfährt. Wird auf diesen schwingenden Piezokristall ein Flüssigkeitsstrom gelenkt, so verursachen die Vibrationen eine Zerstäubung der Flüssigkeit in feine Tröpfchen. Hierzu werden zweckmäßiger weise Ultraschallfrequenzen zwischen 20 kHz und 100 kHz gewählt, wodurch Schmiermittel tröpfchen eines mittleren Durchmessers zwischen 5 µm und 200 µm erzeugt werden; bei höhe ren Frequenzen nimmt die mittlere Tröpfchengröße ab. Höherviskose Flüssigkeiten werden - bei gleicher Ultraschallfrequenz - zu einem feineren Nebel 5 mit geringerer Tröpfchengröße zer stäubt als niedrigviskose Flüssigkeiten.In the present embodiment, the atomization system is formed by an ultrasonic oscillating head 12 , which is connected via an oscillator 13 to a power supply 14 for ultrasound generation. The ultrasonic oscillating head 12 contains piezo crystals which alternately experience contraction and expansion when an alternating voltage is applied. If a liquid flow is directed onto this vibrating piezo crystal, the vibrations cause the liquid to be atomized into fine droplets. For this purpose, ultrasonic frequencies between 20 kHz and 100 kHz are expediently selected, as a result of which lubricant droplets with an average diameter of between 5 μm and 200 μm are generated; the medium droplet size decreases at higher frequencies. Highly viscous liquids - with the same ultrasound frequency - are atomized into a finer mist 5 with a smaller droplet size than low-viscosity liquids.
Um im Mischbereich 6 einen kontinuierlichen, gleichförmigen Nebel 5 erzeugen zu können, muß dem Ultraschall-Schwingkopf 12 der Kühlschmierstoff in einem kontinuierlichen Strom zugelei tet werden. Hierzu kann der Vorratsbehälter 11 mit einem Überdruck beaufschlagt werden, der den Schmierstoff über ein Steigrohr 15 in die Schmierstoffzuleitung treibt; der Schmier stoffstrom wird dann z. B. mit Hilfe eines Nadelventils geregelt. Alternativ kann - wie in Fig. 1 gezeigt - der Schmierstoff mit Hilfe einer kontinuierlich fördernden Pumpe 16 (z. B. einer Dop pelkolbenpumpe oder einer Schlauchpumpe) zugeleitet werden; diese Variante ist besonders vorteilhaft, da sie eine sehr genaue Regelung der dem Schwingkopf 12 zugeführten Schmier stoffmenge gestattet. Sie gewährleistet somit - unabhängig vom Druck und vom Füllstand im Vorratsbehälter 11 - einen konstanten, definiert variierbaren Schmierstoffstrom und somit eine gute Kontrolle über die am Ultraschall-Schwingkopf 12 erzeugte Tröpfchendichte.In order to be able to generate a continuous, uniform mist 5 in the mixing region 6 , the ultrasonic oscillating head 12 of the cooling lubricant must be supplied in a continuous stream. For this purpose, the reservoir 11 can be pressurized, which drives the lubricant into the lubricant feed line via a riser pipe 15 ; the lubricant stream is then z. B. regulated with the aid of a needle valve. Alternatively, as shown in FIG. 1, the lubricant can be supplied with the aid of a continuously pump 16 (for example a double piston pump or a peristaltic pump); this variant is particularly advantageous since it allows a very precise control of the amount of lubricant supplied to the oscillating head 12 . It thus ensures - regardless of the pressure and the fill level in the reservoir 11 - a constant, variable, variable lubricant flow and thus good control over the droplet density generated on the ultrasonic oscillating head 12 .
In Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung des zu bearbeitenden Werkstücks 3 kom men unterschiedliche Kühlschmierstoffe zur Anwendung. Damit die Minimalmengen- Kühlschmiervorrichtung 1 variabel für unterschiedliche Materialien einsetzbar ist, kann die Schmierstoffzuleitung 10 wahlweise an verschiedene Vorratsbehälter 11, 11' angeschlossen werden, die unterschiedliche Schmierstoffe enthalten. Ein Schmierstoffwechsel ist besonders einfach zu bewerkstelligen, wenn zur Schmierstoffförderung - wie in Fig. 1 gezeigt - eine Pum pe 16 verwendet wird: in diesem Fall kann nämlich bei einer Schmierstoffumstellung der in der Schmierstoffzuleitung 10 verbliebene Schmierstoff mit Hilfe der Pumpe 16 in seinen Vorratsbe hälter 11 zurückgepumpt werden, bevor die Schmierstoffzuleitung 10 mit einem anderen Vor ratsbehälter 11' verbunden wird, aus dem dann mit Hilfe der Pumpe 16 der Schmierstoff zum Zerstäubungssystem 7 gefördert wird.Depending on the material composition of the workpiece 3 to be machined, different cooling lubricants are used. So that the minimum quantity cooling lubrication device 1 can be used variably for different materials, the lubricant feed line 10 can optionally be connected to different storage containers 11 , 11 'which contain different lubricants. A lubricant change is particularly easy to accomplish if the lubricant delivery - as shown in Figure 1 - an impeller pump is used. 16: in this case, namely, at a lubricant conversion of remaining in the lubricant feed line 10 lubricant with the aid of the pump 16 in its Vorratsbe container 11 are pumped back before the lubricant feed line 10 is connected to another storage container 11 ', from which the lubricant is then pumped to the atomization system 7 with the aid of the pump 16 .
Neben dem oben beschriebenen Ultraschall-Schwingkopf 12 können für die Zerstäubung des Kühlschmierstoffs auch andere Zerstäubungssysteme 7 gewählt werden. Insbesondere kann die Zerstäubung auch mittels einer Einspritzpumpe erfolgen, die den Kühlschmierstoff als einen fei nen Nebel in den Mischbereich 6 spritzt.In addition to the ultrasonic oscillating head 12 described above, other atomizing systems 7 can also be selected for atomizing the cooling lubricant. In particular, the atomization can also be carried out by means of an injection pump which injects the cooling lubricant into the mixing region 6 as a fine mist.
Im Inneren der Minimalmengen-Kühlschmiervorrichtung 1 sind die Druckluftleitung 9' und die Schmierstoffleitung 10' als koaxiale Schläuche oder Rohre ausgebildet, wobei die innere Leitung 10' der Schmierstoffzuführung und die äußere Leitung 9' der Druckluftzuführung dient. Der Querschnitt der inneren Leitung 10' kann dabei relativ klein gewählt werden, weil die durch sie zu transportierende Schmiermittelmenge sehr gering ist. Der Querschnitt der äußeren Leitung 9' richtet sich nach dem verfügbaren Luftdruck am Leitungseingang 18 und an der Gesamtlänge und Geometrie der gesamten Druckluft-Leitung 9, 9' und muß so groß gewählt werden, daß im Mischungsbereich 6 eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft sichergestellt ist, um die Schmierstofftröpfchen prozeßsicher in den Bearbeitungsbereich 4 zu transportieren.In the interior of the minimum quantity cooling lubrication device 1 , the compressed air line 9 'and the lubricant line 10 ' are designed as coaxial hoses or pipes, the inner line 10 'serving the lubricant supply and the outer line 9 ' serving the compressed air supply. The cross section of the inner line 10 'can be chosen to be relatively small because the amount of lubricant to be transported through it is very small. The cross section of the outer line 9 'depends on the available air pressure at the line inlet 18 and on the total length and geometry of the entire compressed air line 9 , 9 ' and must be chosen so large that an adequate flow rate of the compressed air is ensured in the mixing area 6 , to reliably transport the lubricant droplets into the processing area 4 .
Erwägungen bezüglich der geometrischen Auslegung der Druckluftleitung 9' und der Schmier stoffleitung 10' spielen insbesondere dann eine große Rolle, wenn, wie in Fig. 3 gezeigt, die Minimalmengen-Kühlschmiervorrichtung 1 in das Innere einer schnell drehenden, motorisch an getriebenen Werkstoffspindel 19 integriert werden soll. Die Spindel 19 enthält eine Werkzeug halterung 20 mit Werkzeug 2 und ist über ein Spindellager 21 im Spindelgehäuse 22 gelagert. Um ein Auszentrifugieren des Schmierstoffnebels 5 in der rotierenden Spindel 19 weitestge hend zu vermeiden, ist es hierbei günstig, den Mischungsbereich 6 möglichst nahe am Werk zeug 2 anzuordnen und somit den Weg des Schmierstoffnebels 5 vom Zerstäubungssystem 7 zum Bearbeitungsbereich möglichst kurz zu gestalten. Dies erfordert eine Durchführung der koaxialen Druckluft- und die Schmierstoffleitungen 9', 10' durch einen Großteil der räumlich stark beengenden Innenraum 23 der Werkzeugspindel 19, und eine stabile Positionierung und Befestigung des Zerstäubungssystems 7 in Werkzeugnähe im Spindelinneren 23.Considerations regarding the geometric design of the compressed air line 9 'and the lubricant line 10 ' play a particularly important role if, as shown in Fig. 3, the minimum quantity cooling lubrication device 1 is integrated into the interior of a rapidly rotating, motor-driven material spindle 19 should. The spindle 19 contains a tool holder 20 with tool 2 and is mounted on a spindle bearing 21 in the spindle housing 22 . To avoid centrifuging the lubricant mist 5 in the rotating spindle 19 as far as possible, it is advantageous to arrange the mixing area 6 as close as possible to the tool 2 and thus to make the path of the lubricant mist 5 from the atomization system 7 to the processing area as short as possible. This requires the coaxial compressed air and lubricant lines 9 ', 10 ' to be led through a large part of the spatially constricting interior 23 of the tool spindle 19 , and stable positioning and fastening of the atomizing system 7 near the tool inside the spindle 23 .
Bedingt durch die Geometrie des Werkzeugs 2 können sich während der Bearbeitung Gegen drücke von mehreren bar an der Werkzeugdurchführung 24 aufbauen. Um auch in diesem Fall einen ausreichend großen Volumenstrom der Druckluft zu gewährleisten und somit einen ver läßlichen Schmiermitteltransport zum Werkzeug 2 zu erreichen, sollte der Druck am Druck lufteinlaß 18 ausreichend groß sein. Die Druckluft-Leitung 10' sollte auf ihrer gesamten Länge den größtmöglichen mit der Spindelgeometrie vereinbaren Querschnitt haben, um auch bei rela tiv großen Werkzeugdurchführungen 24 einen ausreichenden Luftvolumenstrom sicherzustellen. Insbesondere sollte der Querschnitt der Druckluft-Leitung 10' überall größer sein als der Quer schnitt des Werkzeugdurchführung 24, damit auch bei hohem Gegendruck eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit der Druckluft im Mischungsbereich 6 sichergestellt ist.Due to the geometry of the tool 2 , counter pressures of several bar can build up on the tool bushing 24 during the machining. In order to ensure a sufficiently large volume flow of the compressed air in this case and thus to achieve a reliable lubricant transport to the tool 2 , the pressure at the compressed air inlet 18 should be sufficiently large. The compressed air line 10 'should have the largest possible cross-section compatible with the spindle geometry over its entire length in order to ensure a sufficient air volume flow even with relatively large tool bushings 24 . In particular, the cross section of the compressed air line 10 'should be larger than the cross section of the tool bushing 24 everywhere, so that a sufficient flow rate of the compressed air in the mixing region 6 is ensured even with high back pressure.
Weiterhin muß auch zur Förderung des Schmierstoffs aus dem Vorratsbehälter 11, 11' zum Zer stäubungssystem 7 dieser werkzeugseitig bedingte Gegendruck überwunden werden; dies wird am besten durch die oben beschriebene Konstantförderpumpe 16 erreicht, deren Förderlei stung unabhängig vom jeweiligen Gegendruck eingestellt und konstant gehalten werden kann.Furthermore, to promote the lubricant from the reservoir 11 , 11 'to Zer dusting system 7 this tool-related back pressure must be overcome; this is best achieved by the above-described constant feed pump 16 , the Förderlei stung regardless of the respective back pressure can be set and kept constant.
Das Zerstäubungssystem 7 und die Zuleitung 10' sind vorzugsweise nichtrotierend in der Werk zeugspindel 19 angeordnet und werden, wie in Fig. 4 gezeigt, mit Hilfe zweier konzentri scher Buchsen 25, 26 und eines zwischen ihnen angeordneten Gleit- oder Wälzlagers 27 ge genüber der rotierenden Spindel 19 abgestützt. Wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Mi schungsbereich 6 in der Nähe des Werkzeugs 2 angeordnet ist, kann der Schmierstoffnebel 5 nicht zur Schmierung dieses Lagers 27 genutzt werden, weil die Schmierstofftröpfchen werk zeugseitig des Lagers 27 erzeugt werden und durch die Druckluft in Richtung des Werkzeugs 2 transportiert wird; in diesem Fall muß für das Lager 27 eine gesonderte Schmierung oder Trocken lauf vorgesehen werden.The atomization system 7 and the feed line 10 'are preferably arranged non-rotating in the tool spindle 19 and, as shown in Fig. 4, with the aid of two concentric bushes 25 , 26 and a slide or roller bearing 27 arranged between them compared to the rotating Spindle 19 supported. If, as shown in FIG. 3, the mixing area 6 is arranged in the vicinity of the tool 2 , the lubricant mist 5 cannot be used for lubricating this bearing 27 because the lubricant droplets are produced on the tool side of the bearing 27 and by the compressed air in Direction of the tool 2 is transported; in this case, a separate lubrication or dry run must be provided for the bearing 27 .
Die Einstellung der mittleren Größe und Dichte der erzeugten Schmierstofftröpfchen erfolgt über die Wahl der Frequenz und die Regelung der Leistung des Ultraschall-Schwingkopfes 12 sowie über den Durchsatz der Konstantförderpumpe 16. Der Luftstrom im Bereich des Ultra schall-Schwingkopfs 12 und somit die Transportgeschwindigkeit der Tröpfchen und ihre geome trische Verteilung im Bearbeitungsbereich wird über den Eingangsdruck der Druckluft an einem Zuführungsventil 28 geregelt. Somit kann der Schmierstoffvolumenstrom unabhängig von Luft druck und Luftvolumenstrom eingestellt und für die jeweilige Bearbeitungssituation optimiert werden.The setting of the average size and density of the lubricant droplets produced is carried out via the choice of the frequency and the regulation of the power of the ultrasonic oscillating head 12 and via the throughput of the constant feed pump 16 . The air flow in the area of the ultrasonic vibrating head 12 and thus the transport speed of the droplets and their geometric distribution in the processing area is regulated via the inlet pressure of the compressed air at a supply valve 28 . This means that the lubricant volume flow can be set independently of air pressure and air volume flow and optimized for the respective machining situation.
Der in der Luftzuführung anliegende Überdruck gewährleistet einen verläßlichen Transport der Schmierstofftröpfchen zum Werkzeug 2, führt aber beim Lösen der Werkzeugeinspannung, z. B. bei einem Werkzeugbruch, dazu, daß das Werkzeug 2 mit hoher Geschwindigkeit aus dem Futter herausgedrückt wird. Um diese Gefahrenquelle zu unterbinden, ist die Druckluftzuführung 9' mit einem (nicht dargestellten) Ventil versehen, das mit dem Notausschalter der Werkzeugmaschine gekoppelt ist und bei Betätigung des Notausschalters sofort automatisch den Druck der Druck luftzuführung 9' abläßt.The excess pressure in the air supply ensures reliable transport of the lubricant droplets to the tool 2 , but leads to the loosening of the tool clamping, eg. B. in a broken tool, that the tool 2 is pressed out of the chuck at high speed. To prevent this source of danger, the compressed air supply 9 'is provided with a valve (not shown) which is coupled to the emergency stop switch of the machine tool and automatically releases the pressure of the compressed air supply 9 ' when the emergency stop switch is actuated.
Die in Fig. 1 und 3 gezeigte Kühlschmiervorrichtung 1 gestattet - neben der oben beschriebe nen Verwendung zur Minimalmengenschmierung - auch eine herkömmliche Kühlschmierung mit Schneidemulsion. In diesem Fall erfolgt die Zuführung von Schneidemulsion aus einem Vorrats behälter 29 über die Druckluftleitung 9, 9', deren großer Querschnitt den für eine konventionelle Kühlschmierung notwendigen hohen Volumendurchsatz von Schneidemulsion ermöglicht. Zur Umstellung von herkömmlicher Kühlschmierung auf Minimalmengenschmierung wird die in der Druckluftleitung 9, 9' verbliebene Schneidemulsion mit Druckluft herausgeblasen und gespült.The cooling lubrication device 1 shown in FIGS. 1 and 3 allows - in addition to the above-described use for minimal quantity lubrication - also a conventional cooling lubrication with cutting emulsion. In this case, the cutting emulsion is supplied from a storage container 29 via the compressed air line 9 , 9 ', the large cross section of which enables the high volume throughput of cutting emulsion required for conventional cooling lubrication. To change from conventional cooling lubrication to minimal quantity lubrication, the cutting emulsion remaining in the compressed air line 9 , 9 'is blown out with compressed air and rinsed.
Claims (18)
- - bei dem ein Schmierstoff über eine Schmierstoff-Zuleitung aus einem Vorratsbehälter entnommen und in einen Mischungsbereich geleitet wird,
- - wo es zerstäubt wird und dann mit Hilfe von Druckluft auf einen zu schmierenden Bear beitungsbereich gesprüht wird,
- in which a lubricant is removed from a storage container via a lubricant feed line and fed into a mixing area,
- - where it is atomized and then sprayed onto a machining area to be lubricated using compressed air,
- - wobei die Vorrichtung eine Schmierstoff-Zuleitung umfaßt, die einen Schmierstoff aus einem Vorratsbehälter entnimmt und in einen Mischungsbereich leitet,
- - und weiterhin eine Druckluft-Zuleitung umfaßt, die Druckluft in den Mischungsbereich leitet, wo sie sich mit dem Schmierstoff mischt,
- - wobei der Mischungsbereich eine Ausgangsöffnung zur Abgabe des Schmierstoft-Luft- Gemischs an einen zu schmierenden Bearbeitungsbereich aufweist,
- the device comprises a lubricant feed line which takes a lubricant from a storage container and directs it into a mixing area,
- and further comprises a compressed air supply line which directs compressed air into the mixing area, where it mixes with the lubricant,
- the mixing area has an outlet opening for delivering the lubricant-air mixture to a processing area to be lubricated,
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Legal Events
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| OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |