Kühlschmierstoffaerosole bei der Metallbearbeitung

Abstract

Kühlschmierstoffe (KSS) werden als Fertigungshilfsstoff bei vielen Metallbearbeitungsverfahren verwendet. KSS vermindern die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück und kühlen die Eingriffsstelle und die Umgebung der Eingriffstelle des Werkzeugs in das Werkstück.<br />Oberflächengüten, Standzeiten von Werkzeugen, Maßgenauigkeit und Bearbeitungsgeschwindigkeiten werden so erhöht. Erfolgt die Metallbearbeitung mittels hoher Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück kann es zu einer erheblichen Aerosolbildung durch mechanische Einwirkungen auf den als Flüssigkeitsfreistrahl zugeführten KSS oder auf die auf den Oberflächen von Werkzeugen und Werkstücken haftenden KSS - Filme kommen. Treten hohe Temperaturen bei schweren Bearbeitungen auf, können auch vermehrt Kondensationsaerosole aus verdunsteten nunmehr gasförmigen Bestandteilen des KSS auftreten.<br />KSS gelten aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung meist als gefährliche Arbeitsstoffe. In Österreich gelten getrennte Werte für die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) für KSS Dämpfe und KSS Nebel.<br />In Deutschland gilt ein Summenwert für die Summe der Konzentrationen von Dämpfen und Nebeln.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Testapparatur und ein Testverfahren zur Messung der Aerosolemissionsfähigkeit verschiedener wassermischbarer Kühlschmierstoffe entwickelt.<br />Dieser patentierte Aerosolgenerator bildet in vereinfachter Form die in der Praxis auftretenden mechanischen Zerstäubungs-, Erhitzungs- und Kondensationsvorgänge von KSS an rotierenden Schneidwerkzeugen nach, wobei die dabei entstehenden KSS Aerosole abgesaugt, und hinsichtlich der Konzentrationsverteilung im Umfeld des Schneidwerkzeuges und hinsichtlich der Tropfengrößenverteilung analysiert werden können. Bei bisherigen Forschungen wurden die Kühlschmierstoffaerosole mithilfe von Zerspanungsprozessen oder mit Zweistoffdüsen erzeugt. In dieser Arbeit wurde ein definiert beheizbarer, fräserähnlicher Modellrotor zur Erzeugung der Kühlschmierstoffaerosole entwickelt. Dadurch kann die Aerosolbildung an heißen Oberflächen ohne den störenden Einfluss eines tatsächlichen, temperaturerhöhenden Zerspanungsprozesses im Labor reproduzierbar und realitätsgetreu nachgebildet werden. Somit kann die Nebelbildung verschiedener KSS verglichen bzw.<br />eingeschätzt werden, und es können gegebenenfalls Variationen der Inhaltsstoffe der KSS zur Nebelreduzierung oder Substitutionsmöglichkeiten eines KSS gegen einen Nebelärmeren im Labor ausgetestet werden. Beim Vergleich der Aerosolemissionsfähigkeit verschiedener wassermischbarer Kühlschmierstoffe wurden bei gleichen Zerstäubungsbedingungen hohe Unterschiede zwischen verschiedenen Produkten gemessen. Die Emulsionen zeigten bis zu 17 fache Tropfenmassenkonzentrationen im Vergleich zu Wasser. Emulsionen mit gleich hohen Ölanteilen lieferten ebenfalls stark unterschiedliche Tropfenmassenkonzentrationen. Beim Testversuch von zwei gleich konzentrierten KSS - Emulsionen (beide 6% Ölanteil, ein Esterprodukt und ein Mineralölprodukt) ergeben sich beim Ester KSS wesentlich höhere Tropfenmassenkonzentrationen als beim Mineralöl KSS.<br />Dadurch kann festgestellt werden, daß nicht die Ölkonzentration in Wasser für die Aerosolbildung von Emulsionen entscheidend ist, sondern die Inhaltsstoffe der Produkte wie die Art des Basisöls, der verwendete Emulgator und die Additive die Aerosolbildung bestimmen.<br />