So pflegen Sie CNC-Schneidflüssigkeit für Aluminium für eine längere Werkzeuglebensdauer und sauberere Späne

 PFT, Shenzhen

Die Aufrechterhaltung eines optimalen Zustands der Schneidflüssigkeit für Aluminium-CNC-Fräsen wirkt sich direkt auf Werkzeugverschleiß und Spänequalität aus. Diese Studie evaluiert Flüssigkeitsmanagementprotokolle durch kontrollierte Bearbeitungsversuche und Flüssigkeitsanalysen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine konsequente pH-Überwachung (Zielbereich 8,5–9,2), die Aufrechterhaltung einer Konzentration zwischen 7–9 % mittels Refraktometrie und die Implementierung einer zweistufigen Filtration (40 µm, gefolgt von 10 µm) die Werkzeuglebensdauer um durchschnittlich 28 % verlängern und die Späneklebrigkeit um 73 % im Vergleich zu unbehandelter Flüssigkeit reduzieren. Regelmäßiges Abschöpfen von Fremdöl (> 95 % wöchentliche Entfernung) verhindert Bakterienwachstum und Emulsionsinstabilität. Effektives Flüssigkeitsmanagement reduziert Werkzeugkosten und Maschinenausfallzeiten.

1. Einleitung

Die CNC-Bearbeitung von Aluminium erfordert Präzision und Effizienz. Kühlschmierstoffe sind für Kühlung, Schmierung und Spanabfuhr unerlässlich. Die Verschlechterung der Kühlschmierstoffe – verursacht durch Verunreinigungen, Bakterienwachstum, Konzentrationsdrift und Fremdölansammlungen – beschleunigt jedoch den Werkzeugverschleiß und beeinträchtigt die Spanabfuhr, was zu höheren Kosten und Ausfallzeiten führt. Bis 2025 bleibt die Optimierung der Kühlschmierstoffwartung eine zentrale betriebliche Herausforderung. Diese Studie quantifiziert die Auswirkungen spezifischer Wartungsprotokolle auf die Werkzeuglebensdauer und die Spaneigenschaften in der großvolumigen CNC-Aluminiumproduktion.

2. Methoden

2.1. Versuchsaufbau und Datenquelle
Kontrollierte Bearbeitungstests wurden über 12 Wochen an fünf identischen CNC-Fräsmaschinen (Haas VF-2) durchgeführt, die Aluminium 6061-T6 bearbeiteten. An allen Maschinen kam ein teilsynthetisches Kühlschmiermittel (Marke X) zum Einsatz. Eine Maschine diente als Kontrollmaschine mit standardmäßiger, reaktiver Wartung (Kühlschmiermittelwechsel nur bei sichtbarer Abnutzung). Die anderen vier Maschinen implementierten ein strukturiertes Protokoll:

• Konzentration:Täglich gemessen mit einem digitalen Refraktometer (Atago PAL-1), eingestellt auf 8 % ± 1 % mit Konzentrat oder deionisiertem Wasser.

• pH-Wert:Tägliche Überwachung mit einem kalibrierten pH-Meter (Hanna HI98103), Aufrechterhaltung eines Wertes zwischen 8,5 und 9,2 mithilfe von vom Hersteller zugelassenen Zusatzstoffen.

• Filtration:Zweistufige Filtration: 40 µm Beutelfilter gefolgt von einem 10 µm Patronenfilter. Filterwechsel basierend auf dem Druckunterschied (≥ 5 psi Anstieg).

• Entfernung von Fremdöl:Bandskimmer im Dauerbetrieb; Flüssigkeitsoberfläche wird täglich überprüft, Skimmereffizienz wöchentlich verifiziert (>95 % Entfernungsziel).

• Make-up-Fluid:Zum Nachfüllen darf nur vorgemischte Flüssigkeit (mit 8 % Konzentration) verwendet werden.

2.2. Datenerfassung und Tools

• Werkzeugverschleiß:Freiflächenverschleiß (VBmax) gemessen an den Hauptschneiden von 3-schneidigen Hartmetall-Schaftfräsern (Ø 12 mm) mit einem Werkzeugmachermikroskop (Mitutoyo TM-505) nach jeweils 25 Teilen. Werkzeuge werden bei VBmax = 0,3 mm ausgetauscht.

• Späneanalyse:Späne werden nach jeder Charge gesammelt. Die „Klebrigkeit“ wird von drei unabhängigen Bedienern auf einer Skala von 1 (rieselfähig, trocken) bis 5 (verklumpt, fettig) bewertet. Die Durchschnittsbewertung wird aufgezeichnet. Die Spangrößenverteilung wird regelmäßig analysiert.

• Flüssigkeitszustand:Wöchentliche Flüssigkeitsproben werden von einem unabhängigen Labor auf Bakterienzahl (KBE/ml), Fremdölgehalt (%) und Konzentration/pH-Wert analysiert.

• Maschinenausfallzeit:Aufgezeichnet für Werkzeugwechsel, Spanstaus und Flüssigkeitswartungsaktivitäten.

3. Ergebnisse & Analyse

3.1. Verlängerung der Werkzeuglebensdauer
Werkzeuge, die nach dem strukturierten Wartungsprotokoll betrieben wurden, erreichten durchweg höhere Stückzahlen, bevor sie ausgetauscht werden mussten. Die durchschnittliche Werkzeugstandzeit erhöhte sich um 28 % (von 175 Teilen/Werkzeug in der Kontrollgruppe auf 224 Teile/Werkzeug unter Protokoll). Abbildung 1 veranschaulicht den Vergleich des progressiven Freiflächenverschleißes.

3.2. Verbesserung der Spänequalität
Die Klebrigkeit der Späne sank unter dem kontrollierten Protokoll drastisch und lag im Durchschnitt bei 1,8 gegenüber 4,1 in der Kontrollgruppe (73 % weniger). Die kontrollierte Flüssigkeit erzeugte trockenere, körnigere Späne (Abbildung 2), was die Absaugung deutlich verbesserte und Maschinenstaus reduzierte. Die spänebedingten Ausfallzeiten verringerten sich um 65 %.

3.3. Flüssigkeitsstabilität
Laboranalysen bestätigten die Wirksamkeit des Protokolls:

• In den kontrollierten Systemen blieb die Bakterienzahl unter 10³ KBE/ml, während die Kontrollgruppe in Woche 6 10⁶ KBE/ml überschritt.

• Der durchschnittliche Fremdölgehalt betrug in der verwalteten Flüssigkeit <0,5 % gegenüber >3 % in der Kontrollflüssigkeit.

• Konzentration und pH-Wert blieben für die verwaltete Flüssigkeit innerhalb der Zielbereiche stabil, während die Kontrolle eine erhebliche Abweichung zeigte (Konzentration sank auf 5 %, pH-Wert fiel auf 7,8).

*Tabelle 1: Wichtige Leistungsindikatoren – Managed vs. Kontrollflüssigkeit*

4. Diskussion

4.1. Mechanismen, die zu Ergebnissen führen
Die Verbesserungen sind unmittelbar auf die Wartungsmaßnahmen zurückzuführen:

• Stabile Konzentration und pH-Wert:Gewährleistet gleichbleibende Schmierfähigkeit und Korrosionsschutz und reduziert so direkt den abrasiven und chemischen Verschleiß der Werkzeuge. Der stabile pH-Wert verhindert den Abbau von Emulgatoren, erhält die Flüssigkeitsintegrität und verhindert die „Säurebildung“, die die Spanhaftung erhöht.

• Effektive Filtration:Durch die Entfernung feiner Metallpartikel (Späne) wurde der abrasive Verschleiß an Werkzeugen und Werkstücken verringert. Zudem floss die sauberere Flüssigkeit effektiver zur Kühlung und Spanabfuhr.

• Fremdölkontrolle:Fremdöl (aus der Hydraulikflüssigkeit) stört Emulsionen, verringert die Kühlleistung und bietet Bakterien eine Nahrungsquelle. Seine Entfernung war entscheidend, um Ranzigwerden zu verhindern und die Stabilität der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten, was wesentlich zu saubereren Spänen beitrug.

• Bakterienunterdrückung:Aufrechterhaltung der Konzentration und des pH-Werts sowie Entfernung von Fremdöl-Bakterien. Verhinderung der von ihnen produzierten Säuren und Schleime, die die Flüssigkeitsleistung beeinträchtigen, Werkzeuge korrodieren lassen und üble Gerüche/klebrige Späne verursachen.

4.2. Einschränkungen und praktische Auswirkungen
Diese Studie konzentrierte sich auf eine bestimmte Flüssigkeit (teilsynthetisch) und eine Aluminiumlegierung (6061-T6) unter kontrollierten, aber realistischen Produktionsbedingungen. Die Ergebnisse können je nach Flüssigkeit, Legierung oder Bearbeitungsparametern (z. B. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung) leicht variieren. Die Grundprinzipien der Konzentrationskontrolle, pH-Überwachung, Filtration und Fremdölentfernung sind jedoch universell anwendbar.

• Implementierungskosten:Erfordert Investitionen in Überwachungsinstrumente (Refraktometer, pH-Meter), Filtersysteme und Abschäumer.

• Arbeit:Erfordert disziplinierte tägliche Kontrollen und Anpassungen durch die Bediener.

• ROI:Die nachgewiesene Erhöhung der Werkzeugstandzeit um 28 % und die Reduzierung der spanbedingten Ausfallzeiten um 65 % sorgen für eine deutliche Kapitalrendite und gleichen die Kosten für Wartungsprogramm und Flüssigkeitsmanagement aus. Die geringere Häufigkeit der Flüssigkeitsentsorgung (aufgrund der längeren Lebensdauer der Ölwanne) stellt eine zusätzliche Einsparung dar.

5. Fazit

Die Wartung von Aluminium-CNC-Schneidflüssigkeit ist für eine optimale Leistung nicht optional, sondern eine wichtige Betriebspraxis. Diese Studie zeigt, dass ein strukturiertes Protokoll mit Schwerpunkt auf täglicher Konzentrations- und pH-Wert-Überwachung (Zielwerte: 7–9 %, pH 8,5–9,2), zweistufiger Filtration (40 µm + 10 µm) und aggressiver Fremdölentfernung (> 95 %) erhebliche, messbare Vorteile bietet:

1. Verlängerte Werkzeuglebensdauer:Durchschnittliche Steigerung von 28 %, wodurch die Werkzeugkosten direkt gesenkt werden.

2. Sauberere Späne:73 % weniger Klebrigkeit, dadurch drastische Verbesserung der Spanabfuhr und Reduzierung von Maschinenstaus/Ausfallzeiten (65 % weniger).

3. Stabile Flüssigkeit:Unterdrückte Bakterienwachstum und bewahrte die Emulsionsintegrität.

Fabriken sollten der Implementierung disziplinierter Flüssigkeitsmanagementprogramme Priorität einräumen. Zukünftige Forschung könnte die Auswirkungen spezifischer Additivpakete im Rahmen dieses Protokolls oder die Integration automatisierter Echtzeit-Flüssigkeitsüberwachungssysteme untersuchen.