Trockenbearbeitung: Kühlmittelfreie Fertigung von Teilen

Trockenbearbeitung ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem keine Kühl- oder Schneidflüssigkeiten verwendet werden. Es bietet viele Vorteile wie weniger Abfall und potenzielle Kosteneinsparungen. Weitere wichtige Merkmale der Trockenbearbeitung, wie die Funktionsweise und wichtige Materialüberlegungen, werden in diesem Artikel ausführlich erläutert.

Was ist Trockenbearbeitung?

Es wird auch Trockenschneiden genannt, da während des Vorgangs keine Schneidflüssigkeit verwendet wird. Anstelle herkömmlicher flüssiger Kühlmittel werden bei der Trockenbearbeitung Nebelkühlungssysteme oder Minimalmengenschmierung (MMS) eingesetzt. Bei der MMS wird eine geringe Menge Luftspray verwendet, um Werkstück und Werkzeug abzukühlen.

Wie funktioniert die Trockenbearbeitung?

Der Großteil der beim Schneiden entstehenden Wärme entsteht durch die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug. Bei der Trockenbearbeitung wird die Schneidzone mit Druckluft und MMS geschmiert.

Was ist der Zweck der Trockenbearbeitung?

Der Hauptzweck des Trockenbearbeitungsprozesses besteht darin, Kosten zu senken, die Sicherheit zu verbessern und die Umweltbelastung durch den Wegfall des Kühlmittelbedarfs und dessen Entsorgung zu verringern.

Unterschiede zwischen Trockenbearbeitung und traditioneller Nassbearbeitung

Der Hauptunterschied liegt offensichtlich darin, dass bei der Trockenbearbeitung kein Kühlschmiermittel verwendet wird. Diese Methode ist bekannt für ihre geringe Umweltbelastung und ihre Kosteneffizienz. Bei der herkömmlichen Bearbeitung werden Kühl- und Schmiermittel verwendet, die Oberfläche wird jedoch glatter und die Verformung des Werkstücks wird vermieden.

Warum müssen manche Materialien trocken bearbeitet werden?

Bestimmte Materialien wie Magnesium, Titan oder Aluminium sowie Nichtmetalle wie Kunststoff und Holz müssen trocken bearbeitet werden. Dies liegt daran, dass sie während der Bearbeitung mit Wasser oder Kühlmittel reagieren könnten und zudem nicht so viel Wärme erzeugen, dass Kühlmittel benötigt wird. Hitzebeständige Legierungen dürfen jedoch nicht trocken bearbeitet werden.

Nahezu trockene Bearbeitung (NDM)

Es wird auch Minimalmengenschmierung (MMS) genannt. Es handelt sich um ein nachhaltiges Schneidverfahren, bei dem sehr geringe Mengen Schmiermittel, wie z. B. ein Nebelkühlsystem, zur Kühlung der Schneidzone verwendet werden. Es ist außerdem umweltfreundlich und besser als herkömmliche Kühlmittelsysteme.

Unterschied zwischen Trockenbearbeitung und NDM

Bei der Trockenbearbeitung wird während des Betriebs auf Kühlmittel und Schmierung verzichtet. Bei der nahezu trockenen Bearbeitung wird eine kontrollierte Menge Schmiermittel in Form von Nebel oder einem Nebelkühlsystem verwendet.

Vorteile der Trockenbearbeitung

Das Trockenbearbeitungsverfahren bietet viele Vorteile, die im Folgenden aufgeführt sind:

Kostenvorteile

Dadurch entfallen die Kosten für Kühlmittel und alle Ausgaben für Kauf, Lagerung und Entsorgung der Flüssigkeit werden reduziert.

Vorteile für Gesundheit und Umwelt

Es verringert das Risiko einer Exposition gegenüber gefährlichen Stoffen im Kühlmittel und minimiert so gesundheitliche Probleme und Risiken. Darüber hinaus werden Abfall und Umweltverschmutzung minimiert und negative Auswirkungen auf die Umwelt reduziert.

Verbesserte Prozesseffizienz

Die Standzeit des Werkzeugs erhöht sich, insbesondere beim Schneiden von harten Materialien wie Edelstahl, was den Bearbeitungsprozess beschleunigt und die Spanabfuhr verbessert.

Weniger Wartung

Dies erfordert insgesamt weniger Wartung im Vergleich zur Nassbearbeitung aufgrund besserer Werkzeuglebensdauer und Verarbeitung

Tabelle der Vorteile der Trockenbearbeitung

Nachteile der Trockenbearbeitung

Mit der Trockenbearbeitung sind auch einige Nachteile verbunden:

Wärmeentwicklung und thermische Belastung

Durch Reibung kann es zwischen Werkstück und Werkzeug zu hohen Temperaturen kommen, die thermische Spannungen erzeugen und so die Maßstabilität und Genauigkeit beeinträchtigen.

Materialbeschränkungen

Es ist nicht für alle Arten von Materialien geeignet, insbesondere nicht für solche, die temperaturempfindlich sind oder eine präzise Wärmekontrolle erfordern.

Chipkontrolle

Die Chip-Management-Lösungen können schwierig werden und zu bandförmigen Chips oder Chip-Staus führen

Tabelle der Nachteile der Trockenbearbeitung

Trockenbearbeitung vs. Nassbearbeitung

Die wichtigsten Unterschiede zwischen Trocken- und Nassbearbeitung werden in der folgenden Vergleichstabelle erläutert:

Werkzeuge und Beschichtungen für die Trockenbearbeitung

Um das effizienteste Ergebnis zu erzielen, ist es wichtig, die richtigen Werkzeuge und Beschichtungen auszuwählen

Auswahl der richtigen Tools

Einige Hartmetallsorten und beschichtete Hartmetallschneidwerkzeuge werden bei der Trockenbearbeitung verwendet. Cermets. Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und polykristalline Diamanten eignen sich am besten für Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit.

Werkzeugbeschichtungen zur Wärmekontrolle

Erwägen Sie die Verwendung von Werkzeugbeschichtungen wie Aluminiumtitannitrid, Titanaluminiumnitrid und Aluminiumchromnitrid, um eine hohe Temperaturbeständigkeit, Härte und längere Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten

Schnittparameter

Durch die Verwendung optimierter Schnittparameter wie niedriger Schnittgeschwindigkeit und hoher Vorschubrate für eine hohe Oberflächengüte sowie niedriger Rate für eine niedrige Materialabtragsrate und großer Schnitttiefe für eine hohe Materialabtragsrate können bessere Schnittergebnisse erzielt werden.

Anwendungen der kühlmittelfreien Bearbeitung

Die kühlmittelfreie Bearbeitung hat sich in vielen Branchen etabliert. Typische Anwendungen sind:

Trockenbearbeitung von Aluminium

Aluminium ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Baugewerbe, der Fertigung, der Verpackungsindustrie usw. Die Trockenbearbeitung von Aluminium bietet zahlreiche Vorteile wie niedrige Kosten, Umweltfreundlichkeit und höhere Genauigkeit durch CNC-Trockenbearbeitung.

Trockenbearbeitung von Stahl und Titan

Stahl, Legierungen und Titan sind in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie sehr anspruchsvolle Werkstoffe. Die Trockenbearbeitung von Titan bietet Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz, geringes Korrosionsrisiko und weniger Spanabtrag.

Trockenbearbeitung von Schrauben: Warum dieses Verfahren gut funktioniert

Die Trockenbearbeitung ist besonders effektiv bei harten Materialien wie Schrauben, da Kühlmittel thermische Spannungen verursachen kann. Schrauben wie Kugelumlaufspindeln, Zahnradspindeln und Extruderspindeln erzielen durch die Trockenbearbeitung eine bessere Leistung.

Prototyping und kundenspezifische Teilefertigung

Die trockene CNC-Bearbeitung eignet sich optimal für die Prototypen- und Kleinserienfertigung zum Testen und Validieren funktionaler Prototypen. Sie ermöglicht enge Toleranzen und komplexe Details in Bauteilen und kann in der Luft- und Raumfahrt, im Energiesektor, in der Lebensmittelverarbeitung und in der Automobilindustrie eingesetzt werden.

Near Dry Machining (NDM) und Minimalmengenschmierung (MMS)

Bei der nahezu trockenen Bearbeitung (MMS) wird während des Betriebs ein Nebelkühlungssystem verwendet. Die wichtigsten Unterschiede zwischen der Trockenbearbeitung und der nahezu trockenen Bearbeitung sind nachstehend aufgeführt:

Unterschiede zwischen NDM und vollständiger Trockenbearbeitung

Die wichtigsten Unterschiede zwischen den beiden Verfahren sind:

Vorteile der nahezu trockenen Bearbeitung

Mit dem nahezu trockenen Bearbeitungsprozess sind zahlreiche Vorteile verbunden, beispielsweise:

• Keine Wasser-, Boden- und Luftverschmutzung
• Kein berufliches Gesundheitsrisiko
• Deutliche Kostensenkung
• Weniger Thermoschocks im Vergleich zur Trockenbearbeitung durch den Einsatz von Kühlmittel

Praktische Anwendungen von NDM

NDM eignet sich für alle CNC-Bearbeitungen. Einige Anwendungsgebiete von NDM sind:

• Vielseitigkeit in der Bearbeitung

Es kann in verschiedenen Bearbeitungsvorgängen wie Fräsen, Bohren, Bandsägen, Kreissägen, Gewindeschneiden und Drehen verwendet werden

• Maschinen und Technologie

Es kann mit Maschinen wie Drehmaschinen, Bohrmaschinen und Schweizer Drehmaschinen sein

Materialien

Es kann mit Gusseisen, Stahl, Aluminium und sogar schwer zu schneidenden Flugzeuglegierungen eingesetzt werden

• Schmiermittel

Es kann mit vielen Schmiermitteln wie synthetischen Estern, Fettalkoholen oder mit Wasser verwendet werden

• Beschichtungen

Fortschritte bei Werkzeugbeschichtungen wie TiN, TiCN und TiAlN haben die Machbarkeit der nahezu trockenen Bearbeitung verbessert.

Werkstoffe für die Trockenbearbeitung

Für die Trockenbearbeitung eignen sich am besten hochtemperaturbeständige und verschleißfeste Werkstoffe

Beste Materialien für die Trockenbearbeitung

Trockenbearbeitung reduziert Wärmeschwankungen in Materialien wie gehärtetem Stahl, Hochtemperaturlegierungen wie Aluminium, Gusseisen, Edelstahl, Keramik, Cermets und Carbide, kubischem Bornitrid (CBN), polykristallinem Diamant (PCD), hitzebeständiger TiAlN-Beschichtung, Messing und Bronze, Kohlenstoffstahl, Polycarbonat, Acetal, PEEK und PVC.

Materialien, die Kühlmittel benötigen

Die Trockenbearbeitung von Titan, Superlegierungen und einigen rostfreien Stählen erfordert Kühlmittel zur Bearbeitung. Aufgrund ihrer Härte sind sie schwierig zu bearbeiten und erfordern eine präzise Oberflächengüte, die durch Trockenbearbeitung nicht erreicht werden kann.

Wärmemanagement bei der Trockenbearbeitung

Das Wärmemanagement erfolgt durch Werkzeuge, die Wärme und Beschichtungen steuern können

Werkzeuge zur Wärmekontrolle

Werkzeuge aus hochhartem Hartmetall können durch ihre Dichte die Hitze kontrollieren und sind hochhitzebeständig, wie zum Beispiel Werkzeuge aus ultrafeinem Mikrokornhartmetall (YG-1 X-Power) oder Nanokornhartmetall (YG-1 X5070).

Werkzeugbeschichtungen und Schmiermittel

Standardbeschichtungen für Werkzeuge wie TIAlN oder TiCN reichen nicht aus. Daher werden hitzebeständige Werkzeuge und hitzebeständige Beschichtungen wie gehärteter Stahl mit der speziellen blauen Y1200-Beschichtung aufgrund der hohen Hitzebeständigkeit bis 1200 °C verwendet.

Zu berücksichtigende Faktoren bei der Trockenbearbeitung

Bei der Trockenbearbeitung sind einige Faktoren unbedingt zu beachten

Maschinenanforderung

Um effiziente Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, muss die Maschine über Funktionen wie eine robuste Spanmanagementlösung, eine hohe Spindeldrehzahl, ein Kühlsystem, eine optimierte Werkzeuggeometrie und Materialkompatibilität verfügen.

Schnittbedingungen

Optimale Schnittbedingungen sind hoher Vorschub, großer Werkzeugradius, niedrige Schnittgeschwindigkeit zur Erhaltung der Werkzeuglebensdauer und bessere Oberflächengüte

Prozessauswahl: Trocken vs. Nass

Die Trockenbearbeitung benötigt weniger Kühlmittel und Energie, ist kostengünstiger und schneller. Nassverfahren eignen sich besser für harte, schwer zu bearbeitende und verformungsanfällige Materialien.

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Häufig gestellte Fragen zur Trockenbearbeitung

Was ist Trockenlauf bei der CNC-Bearbeitung?

Ein Trockenlauf ist eine Simulation eines Maschinenprogramms ohne tatsächlichen Schneid- oder Materialabtragsprozess. Er dient dazu, mögliche Probleme und Fehler im Betrieb zu ermitteln.

Wie wird Schmiermittel bei der nahezu trockenen Bearbeitung aufgetragen?

Das Schmiermittel wird als Aerosol mit kontrolliertem Druckluftnebel mit Öl auf die Schneidzone aufgetragen

Können alle Materialien trocken bearbeitet werden?

Nein, es ist nicht für hitzebeständige und harte Materialien geeignet