Warum der Volumenstrom von Kühlschmierstoffen an Werkzeugmaschinen bekannt sein sollte?

04. Juni 2019
GRX-Q cooling lubricant volume flow sensor (150 / 250 / 450 l/min)
„Eine um 15 l/min geringere KSS-Versorgung führt zu 1µm Maßverlust!“

In der spanabhebenden Metallbearbeitung werden Kühlschmierstoffe zur Werkzeug- und Bauteilkühlung eingesetzt. Nur eine adäquate Versorgung der Bearbeitungsstelle mit Kühlschmierstoff in Bezug auf Menge, Druck an der Zuführdüse und daraus resultierender KSS-Austrittsgeschwindigkeit als Regelgröße, ermöglichen hochproduktive Fertigungsszenarien ohne thermisch bedingte Randzonenschädigungen in Kauf nehmen zu müssen. Oftmals jedoch ist dem Anwender von Werkzeugmaschinen die Menge des der Bearbeitungsstelle zuzuführenden Kühlschmierstoffes weder bekannt, noch wird diese Menge, der Volumenstrom (l/min) genau genug überwacht.

Damit stellt sich die Frage, wie kann man den Volumenstrom sicher messen? Viele der Werkzeugmaschinen besitzen keinen quantitativ und nachhaltig genau arbeitenden sowie nahezu verschleißfreien Volumenstromsensor. Grundsätzlich existieren vielfältige Lösungsansätze zur Messung des Volumenstroms. Diese sind in der folgenden Tabelle beispielhaft dargestellt.

Wirkprinzipien zur Durchflussmessung in geschlossenen Gerinnen

Für jeden der aufgeführten Sensorprinzipien bestehen Vor- und Nachteile. Kühlschmierstoffe sind, auch nach der Aufbereitungsphase durch Kühlschmierstofffiltrationsanlagen, nicht vollständig „rein“, also mit einem gewissen Restschmutzgehalt (mg/l) durch kleinste Abrasivpartikel (bspw. Spänereste und Werkzeugabriebe aus CBN und Diamant) versehen, die der Werkzeugmaschine zugeführt werden. Daher unterliegen alle Sensortypen, bei denen bewegliche und messwertgenerierenden Bauteile, wie beispielsweise Laufräder im inneren des Sensors, in direktem Kontakt mit dem Kühlschmierstoff stehen, einem hohen Abrasivverschleiß. Dieser materialzersetzende Verschleißtypus führt über die längere Einsatzdauer zu einer steigenden Messungenauigkeit bis hin zum vollständigen Sensorausfall.

Einige kontaktlose Sensortypen, wie Volumenstromsensoren auf Basis von Ultraschallsignalen oder auf Basis des magnetisch induktiven Effekts, unterliegen diesem Verschleiß nicht. Doch auch diese Sensoren haben ihre Grenzen. Beispielsweise wird die Messgenauigkeit von Ultraschallsensoren durch den Luftgehalt im Kühlschmierstoff, sowie durch Schmutzablagerungen in der Kühlschmierstoffleitung über die Nutzungsdauer deutlich beeinträchtigt. Öle können mit induktiv arbeitenden Sensoren nicht analysiert werden, da Öle elektrisch isolierend wirken. Das Messprinzip des „Venturisensors“ basiert auf dem Wirkdruckunterschied einer durchflossenen Kühlschmierstoffleitung mit veränderlichem Querschnitt. Der Sensor GRX-Q, eine Neuentwicklung der Firma Grindaix, verwendet dieses physikalische Prinzip. Er wurde aus einem hochverschleißfesten Material 3D-gedruckt. Die geometrische Form der von Kühlschmierstoff durchflossenen Messstrecke wurde speziell an die Aufgaben beim Einsatz mit verunreinigten Kühlschmierstoffen angepasst. Dabei spielt die Länge der wirkdruckgenerierenden Durchmesserbereiche eines Venturi-Rohres eine besondere Rolle.

Der rein physikalisch maximal mögliche Verschleißangriff durch kleinste Abrasivpartikel kann formbedingt minimal gehalten werden. Zudem spielt die Messgenauigkeit eine zentrale Rolle. Hierzu wurde der Zusammenhang der Druckdifferenz zweier Messpunkte dieser verschleißoptimierten Rohrgeometrie mit dem tatsächlichen Volumenstrom, für verschiedenste Kühlschmierstoffe, möglichst exakt ermittelt.
Eine anforderungsgerechte Messgenauigkeit im Bereich < 5% des maximalen Sensormesswertes wird im industriellen Betrieb neben den Verschleißwirkungen der Kühlschmierstoffverschmutzung durch weitere Faktoren beeinflusst. Wird beispielsweise Öl als Kühlschmierstoffmedium genutzt, so besteht eine Temperatur-Viskositäts-Abhängigkeit, die den realen Durchfluss verfälscht, sofern man eine mögliche Temperaturerhöhung des durch den Sensor fließenden Öles nicht mit den zugehörigen Viskositätswerten korrelieren kann.
Der Venturisensor GRX-Q misst in einem Sensor, sowohl 1. den Wirkdruck in der Rohrleitung zur Werkzeugmaschine sowie 2. die Temperatur des Mediums, korreliert 3. zugehörige Viskositätszusammenhänge und liefert damit den Volumenstrom mit einer sehr hohen Genauigkeit unterhalb der geforderten 5% Grenze.

Abb. 3 Betriebsdaten des Kühlschmierstoff-Volumenstromsensors GRX-Q)

„Warum ist diese 5% Grenze überhaupt als sinnvolle Messgenauigkeitsgrenze zu verstehen?“ Betrachtet man beispielsweise die Anwendung, dass eine Werkzeugmaschine für die Außenrundbearbeitung wellenförmiger Kleinbauteile einen Gesamtvolumenstrom an Kühlschmierstoff in Höhe von 300l/min zur Verfügung stellt. Betrachtet man ferner, dass von dieser Gesamtmenge wiederum 120l/min der Bearbeitungsstelle zugeführt werden, so führt eine Abnahme des Gesamtvolumenstroms von 15 l/min (5%) ebenso, je nach Druck-/Volumenaufteilung in den KSS-Rohrleitungen innerhalb der Werkzeugmaschine zu einer Reduktion der KSS-Versorgung an der Bearbeitungsstelle. Dadurch wird der Bearbeitungsprozess weniger gekühlt, das Bauteil erhitzt sich, es dehnt sich aus und es wird am Bauteil mehr Material abgenommen als gewünscht. Der Prozess wird beendet, das Bauteil kühlt sich ab und weist einen Maßfehler (Untermaß [µm]) auf. Eine Reduktion der Kühlschmierstoffmenge die dem Bearbeitungsprozess zugeführt wird, kann in den meisten Anwendungsfällen der industriellen Praxis nicht ausreichend genau detektiert werden, ist jedoch essentiell, wenn µ-genaue Bauteilmaßanforderungen bestehen. Eine sensorintegrierte Elektronik überwacht die Kühlschmierstoffzuführbedingungen bereits im Sensorgehäuse und gibt optische Signale (grün/gelb/rot) über eine durchflussabhängig umlaufende LED-Leiste im Sensorgehäuse ab. Die vorgestellte Sensorik ist über eine elektrisch standardisierte Schnittstelle (4-20m/0-10v) sehr leicht in Ihr bestehendes KSS System integrierbar. Darüber hinaus kann der GRX-Q mit zwei (je nach Sensortyp DN25/32 oder DN40) Flanschen in das Leitungssystem montiert werden.

Die Volumenstrommessung in Kühlschmierstoffsystemen geschieht vielerorts nur selten oder manuell über leitungsexterne Messgeräte. Zur zukünftigen Überwachung der KSS-Versorgung von Werkzeugmaschinen im Zuge der Industrie-4.0-Initiative sind robuste Volumenstromsensoren unabdingbar. Aufgrund der Verschmutzung des Kühlschmierstoffes sind marktübliche Volumenstromsensoren jedoch oftmals sehr verschleißanfällig und damit kostenintensiv.
Der Sensor GRX-Q eignet sich zur nahezu verschleißfreien Volumenstrommessung aller handelsüblichen Kühlschmierstoffe (Öle, wässrige Lösungen und wasserbasierte Emulsionen).

 

 

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