Titel: SAWWIN: Die Kühlung des Werkzeuges.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1912, Band 327 (S. 121–125)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj327/ar327036

DIE KÜHLUNG DES WERKZEUGES.

Experimentelle Prüfung des Wirkungsgrades von flüssigen Schmier- und Kühlmitteln.

Von N. N. Sawwin, Professor an dem Polytechnischen Institut zu St. Petersburg.

(Schluß von S. 105 d. Bd.)

IV.

Die Kühl- und Schmierflüssigkeiten sind, wie schon oben erwähnt, mit denselben Apparaten untersucht, die bei meiner vorhergehenden Arbeit zur Bestimmung der Beziehung zwischen mechanischer Arbeit und Schneidwärme benutzt wurden.

Jedes Versuchsstück wurde in Wasser zur Hälfte geschnitten, die aufgewandte Arbeit und entwickelte Wärme gemessen; dann wurde das Wasser ausgegossen, das Gewicht der abgenommenen Späne aus der Differenz des Gewichts des Werkstückes vor und nach dem Schneiden bestimmt. Darnach wurde das Kalorimeter mit der Versuchsflüssigkeit gefüllt und mit demselben Werkzeug und unter denselben Schneidbedingungen die zweite Hälfte des Werkstückes geschnitten. Einige Beispiele mögen den Verlauf dieser Prüfung veranschaulichen.

a. Schneiden eines ausgeglühten Stahlstückes in Wasser.

Gewicht des Wassers 3200 g
Werkstückes vor dem Versuch 409 „
„ nach „ „ 326 „
––––––
Gewicht der Späne 83 g
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Anfangstemperatur des Kalorimeters 17,83°
Endtemperatur „ „ 19,70°
–––––
Temperaturanstieg 1,87°

Der Wasserwert des kalorimetrischen Systems außer dem variablen Gewicht des Stahlwerkstückes betrug 397 g/Kal.

Im ganzen ist Wärme erzeugt:

(397 + 3200 ∙ 0,9985 + 50) ∙ 1,87 = ∾ 6811 g/Kal.,

wobei 0,9985 – die benutzte spezifische Wärme des Wassers bei der Versuchstemperatur und 50 – der Wasserwert des Werkstückes ist. Für die spezifische Wärme der Späne und des unzerstörten Metallstückes ist derselbe Wert angenommen.

Auf 1 g abgetrennter Späne sind 6811 : 83 = 82,06 g/Kal. frei geworden; der Schneidkoeffizient betrug 176 kg auf 1 qmm Spanquerschnitt.

b. Schneiden desselben Werkstückes in gesättigter Sodalösung.

Gewicht der Lösung 3200 g
des Werkstückes vor dem Versuch 326 „
„ nach „ „ 241 „
––––––
Gewicht der Späne 85 g
Anfangstemperatur des Kalorimeters 20,91°
Endtemperatur „ „ 22,98°
–––––
Temperaturanstieg 2,07°

Im ganzen ist Wärme erzeugt:

(397 + 3200 ∙ 0,9166 + 40) ∙ 2,07 = 6975,9 g/Kal.,

wobei 0,9166 – die spezifische Wärme der Sodalösung, aber 40 – der Wasserwert des Stahlwerkstückes ist.

Auf 1 g abgetrennter Späne sind 6975,9 : 85 = 82,07 g/Kal. frei geworden; der Schneidkoeffizient betrug 180 kg.

c. Schneiden eines neuen, ausgeglühten Stahlstückes in Wasser.

Gewicht des Wassers 3200 g
Werkstückes vor dem Versuch 410 „
„ nach „ „ 325,5 „
–––––––
Gewicht der Späne 84,5 g
Anfangstemperatur des Kalorimeters 17,91°
Endtemperatur „ „ 19,82°
–––––
Temperaturanstieg 1,91°

Im ganzen ist Wärme erzeugt:

(397 + 3200 ∙ 0,9985 + 50) ∙ 1,91 = 6956,6 g/Kal.

Auf 1 g abgetrennter Späne sind 82,33 g/Kal. frei geworden; der Schneidkoeffizient betrug 176 kg.

d. Schneiden des vorigen Werkstückes in mineralischem Maschinenöl.

Gewicht des Oeles 2880 g
Werkstückes vor dem Versuch 325,5 „
„ nach „ „ 255,5 „
–––––––
Gewicht der Späne 70 g
Anfangstemperatur des Kalorimeters 19,42°
Endtemperatur „ „ 22,42°
–––––
Temperaturanstieg 3,00°

Im ganzen ist Wärme erzeugt:

(397 + 2880 ∙ 0,4684 + 40) ∙ 3,00 = 5356 g/Kal.,

wobei 0,4684 die spezifische Wärme des Maschinenöles ist.

Auf 1 g abgetrennter Späne sind 76,51 g/Kal. frei geworden; der Schneidkoeffizient betrug 155 kg.

e. Schneiden eines neuen, ausgeglühten Stahlstückes in Wasser.

Gewicht des Wassers 3200 g
Werkstückes vor dem Versuch 410 „
„ nach „ „ 331 „
––––––
Gewicht der Späne 79 g
Anfangstemperatur des Kalorimeters 17,58°
Endtemperatur „ „ 19,18°
–––––
Temperaturanstieg 1,60°

Im ganzen ist Wärme erzeugt:

(397 + 3200 ∙ 0,9985 + 50) ∙ 1,60 = 5828 g/Kal.

Auf 1 g abgetrennter Späne sind 73,77 g/Kal. frei geworden; der Schneidkoeffizient betrug 161 kg.

f. Schneiden des vorigen Werkstückes in Leinöl.

Gewicht des Oeles 3040 g
Werkstückes vor dem Versuch 331 „
„ nach „ „ 256 „
––––––
Gewicht der Späne 75 g
Anfangstemperatur des Kalorimeters 19,21°
Endtemperatur „ „ 21,40°
–––––
Temperaturanstieg 2,19°

Im ganzen ist Wärme erzeugt:

(397 + 3040 ∙ 0,4702 + 40) ∙ 2,19 = 40,90 g/Kal.,

wobei 0,4702 die spezifische Wärme des Leinöles ist.

Auf 1 g abgetrennter Späne sind 54,54 g/Kal. frei geworden; der Schneidkoeffizient betrug 121 kg.

Die Diagramme des Spandruckes auf das Werkzeug sind für die angeführten sechs Versuche in Fig. 6 gegeben.

Tab. 2 enthält eine Zusammenstellung der Versuchsresultate mit Wasser, gesättigter Sodalösung, 10 v. H. Emulsion „Aquol“ der Gesellschaft Neptun, 10 v. H. Emulsion „Emulsol“ der Gesellschaft Gebr. Nobel, mineralischem Maschinenöl, russischem Brennöl und Leinöl.

V.

Bei Durchsicht der Tabelle findet man vor allem, daß die Schneidkoeffizienten bei Wasserkühlung in der Tat nicht immer gleich waren; so betrug dieser Koeffizient in zwei Versuchen 158 und 160 kg, stieg in anderen Fällen jedoch bis auf 184 kg. Die Zweifel an der Homogenität des Materials und der Ungleichmäßigkeit der Werkzeugschneide waren also begründet, und meine Methode, bei welcher jede Versuchsflüssigkeit mit Wasser verglichen wurde, sicherte den gefundenen Resultaten zweifellos eine größere Wahrscheinlichkeit. Weiter wäre zu vermerken, daß zwischen der Schneidarbeit und der Schneidwärme dieselben Beziehungen erhalten werden, wie in meiner früheren Arbeit über die Schneidwärme; diese Verhältnisse waren konstant. Auch hier erwies es sich, daß die ganze Schneidarbeit bis auf geringe Divergenzen, die wohl auf Unzulänglichkeiten der Meßapparate zurückzuführen sind, in Wärme verwandelt wurde.

Beim Vergleich der Versuchsflüssigkeiten fällt vor allem der große Unterschied im Wärmeeffekt beim Begießen

|123|

Tabelle 2.

Textabbildung Bd. 327, S. 123

des Werkzeuges, einerseits mit reinem Oel, anderseits mit Emulsionen, Sodalösung und reinem Wasser ins Auge. Beim Begießen mit Leinöl ist z.B. auf 1 g abgetrennte Späne die Wärmeausscheidung um 26,2 resp. 33,2 v. H. geringer als beim Schneiden im Wasser, ebensogroß ist die Differenz im Arbeitsverbrauch.

Textabbildung Bd. 327, S. 123

Anscheinend besteht in der Wirkung von Wasser, Emulsion und Sodalösung kein wesentlicher Unterschied; für die Erhaltung des Werkzeuges ist es gleichgültig, mit welcher Flüssigkeit gekühlt wird. Die gesättigte Sodalösung hat ja wohl, wahrscheinlich infolge ihrer geringen spezifischen Wärme, als 10 v. H. Emulsion, ungünstigere thermische Resultate ergeben, jedoch liegen die Differenzen für die drei genannten Flüssigkeiten in den Fehlergrenzen der Apparate und Beobachtungen (etwa 5 v. H. nach meinen Bestimmungen). Endlich waren die Sodalösungen schon fast übersättigt; geringerer Sodagehalt erhöhte die spezifische Wärme und müßte auch den thermischen Effekt verbessern; dieses wurde durch besondere Versuche bestätigt. In betreff der spezifischen Wärme und der Wärmeleitung weichen 10prozentige Emulsionen und Sodalösungen wenig voneinander ab; obgleich die Kühlung durch diese Flüssigkeiten ein wenig schwächer als die Wasserkühlung ist, so sind sie dem Wasser gleichwertig, da eine, wenn auch nur geringe Schmierwirkung der Lösungen die Abnutzung des Werkzeuges vermindert und die Genauigkeit der Arbeit wesentlich erhöht.

Die Ersparnisse beim Anwenden reiner Oele schwanken zwischen 7 und 33 v. H. An erster Stelle kommt Leinöl (26,2 resp. 33,2 v. H. Ersparnis), an zweiter russisches Brennöl, das ist eine Mischung von Mineralöl mit pflanzlichem Oel (18,2 und 25,9 v. H. Ersparnis); mineralisches Maschinenöl gab 7 resp. 12 v. H. Ersparnis. Die spezifischen Wärmen dieser Oele differieren untereinander nur wenig:

Leinöl 0,4702,
Brennöl 0,4645,
Maschinenöl 0,4684.

Auch die Wärmeleitungsfähigkeit ist annähernd dieselbe; das Maschinenöl leitet wohl die Wärme schlechter als das Leinöl, hat aber dafür eine größere spezifische Wärme, Die bedeutenden Differenzen in der Arbeitsersparnis bei Anwendung dieser Oele sind also nicht auf ihre Kühlfähigkeit zurückzuführen, sondern auf ihre verschiedene Schmierfähigkeit bei den enormen Drucken, die bei weichen Metallen zwischen dem Werkzeug und dem an ihm gleitenden Spane auftreten; gestützt wird diese Ansicht durch den Umstand, daß diese Materialien bei meiner Untersuchung sich genau in die Reihenfolge ihrer Schmierfähigkeit einordneten. Der Gesamtdruck zwischen Werkzeug und Span betrug bei den Versuchen bis 184 kg, war jedoch nicht gleichmäßig verteilt; seine Maximalgröße erreichte der Druck in der Nähe der Werkzeugschneide, wo der gleitende Span auf die Vorderkante des Werkzeuges drückte; weiterhin nahm er schnell, wahrscheinlich bis auf Null, ab. Die Schmierung ist natürlich dort, wo der Druck 10 kg/qmm überstieg, nur von kurzer Dauer; ihre Nutzwirkung setzt erst weiter ein, an jenen Stellen |124| des Werkzeuges, wo der Druck geringer ist und die Flüssigkeit nicht weggedrückt wird. Im allgemeinen verträgt Leinöl bekanntlich höheren Druck als Mineralöl.

Der Vergleich der Effekte bei Kühlung mit pflanzlichem Oele und mit Wasser gestattet gewisse Schlüsse über das Verhältnis zwischen der Arbeit der inneren und äußeren Reibungen beim Metallschneiden. Die mechanische Schneidarbeit bewirkt Zerstörung der Metallkörner, Aenderungen der Lage der Metallteilchen in jedem einzelnen Spanelement, gegenseitige Verschiebung dieser größeren Elemente und ein Mitschleppen des Spanes längs der vorderen Werkzeugkante. Als Resultat der Ueberwindung aller inneren und äußeren Reibungen ergibt sich eine der angewandten mechanischen Arbeit äquivalente Wärmeausscheidung, die von der Kühlflüssigkeit aufgenommen werden soll. Die Kühlflüssigkeit schmiert an den Stellen, wo sie schon nicht mehr weggepreßt wird, Span und Werkzeug. Eine Arbeitsersparnis von 33 v. H. beim Begießen des Werkzeuges mit wenig leitendem Leinöl muß ganz auf Schmierung zurückgeführt werden, so daß die Außenreibung bei Bewegung des Fließspanes in jedem Fall nicht unter 33 v. H. der gesamten Schneidarbeit beträgt. Da dank den großen Drucken es nicht gelingt, die ganze Kantenfläche des Werkzeuges einzuölen und der Span einen Teil seines Weges ohne Oelung zurücklegt, außerdem ja doch selbst bei vollkommener Schmierung auf Ueberwindung von Reibungswiderständen Arbeit verwandt würde, so muß wohl angenommen werden, daß der wirkliche Arbeitsaufwand beim Ueberwinden äußerer Reibung beträchtlich größer ist, Damit stimmen vollkommen die Beobachtungen von Taylor, der beim Schneiden von Stahl und Roheisen bedeutende Unterschiede im Nutzeffekt der Kühlung konstatierte; dieser Unterschied ist meines Erachtens hauptsächlich auf den generellen Unterschied in der Reibung der Stahl- und Roheisenspäne zurückzuführen. Beim Schneiden besonders zähen Materials, z.B. Nickelstahls, ist die äußere Reibung so groß, daß die am Werkzeuge anliegende Spanfläche ausgezeichnet poliert wird.

Am gleichmäßigsten trennte sich der Span beim Schneiden in Leinöl ab; nach Oeffnung des Kalorimeters erwies es sich, daß das ganze abgetrennte Material sich zu einem Span aufgerollt hatte; der Indikatorstift hatte eine wagerechte gerade Linie gezeichnet. Schlechter rollte sich der Span in russischem Brennöl auf, noch schlechter in Maschinenöl. Beim Schneiden in Emulsionen und in Sodalösung zerbröckelte der Span in annähernd gleiche Elemente von 10–15 mm Länge, was sich auch im Zittern des Indikatorstiftes äußerte; in Wasser ging das Schneiden noch ungleichmäßiger vor sich, die Indikatorausschläge waren noch größer.

Nach ihrem Preise (loco St. Petersburg) ordnen sich die untersuchten Flüssigkeiten in folgende Reihe:

1 Pud Leinöl 7 Rbl. 50 Kop. bis 8 Rbl.
1 russisches Brennöl 3 80 4
1 mineralisches Ma-
schinenöl

2



„ b.

2 Rbl.

20 Kop.
1 Pud 10 v. H. Emulsion
„Emulsol“ der Ges.
Gebrüder Nobel




Rbl.


80


Kop.
1 10 v. H. Emulsion
„Aquol“ der Ges.
Neptun


1




20


1 gesätt. Sodalösung 10

Am wenigsten werden die Werkzeugbankteile und das Werkstück durch reine Oele angegriffen; nach dem Verdunsten des Wassers der Emulsionen verbleibt auf der Bank und dem Werkstück eine dünne Deckschicht von Oel. Gesättigte Sodalösung ruft gleichfalls keinen Rost hervor: nach Verdunsten des Wassers wird das verbleibende weiße Pulver mühelos mit einem Läppchen weggewischt; natürlich darf es nicht monatelang auf der Werkzeugbank bleiben, da es sonst das Metall angreift.

Alle Resultate dieser Arbeit stehen in vollem Einklang mit den Ergebnissen meiner im Jahre 1905 ausgeführten Untersuchung. Die Verfeinerung der Untersuchungsmethode hat wohl keine neuen Resultate ergeben, jedoch mich noch mehr in der Ansicht bestärkt, daß man bei dem ständigen Anwachsen der Schneidgeschwindigkeit und der Größe der Werkbänke die Ausgaben für die Betriebskraft, welche nunmehr schon einen bedeutenden Posten im Haushalt der mechanischen Werkstätten ausmachen, den Ersparnissen bedeutend mehr Beachtung zuwenden muß, die sich beim Benutzen reiner Maschinenöle ergeben. Es ist nicht ausgeschlossen, daß in einigen mit modernen starken Werkbänken ausgerüsteten Werkstätten bei sparsamer Benutzung von russischem Brennöl einige Vorteile zu erreichen sind. Natürlich muß die Sachlage genau überlegt und auch vom ökonomischen Standpunkt eingehend geprüft werden.

Wenn auch die Benutzung von reinem, teurem Oel in wenigen Fällen unrationell ist, z.B. beim Schruppen, wo große Betriebskraft erforderlich ist, und die mit der Flüssigkeit begossenen Werkbankteile nicht sehr empfindlich gebaut werden, so sehe ich hier keinen Grund, teuere Emulsionen zu benutzen, deren Preis in keinem Verhältnis zu ihren Gestehungskosten sowie ihrem Nutzen steht, sondern würde gewöhnliche, billige Sodalösungen vorziehen, die je nach Bedarf ohne weiteres in den Werkstätten selbst bereitet werden können. Bei feineren Arbeiten auf der Revolverbank sind zweifellos zwecks besserer Erhaltung der feineren Werkbankteile Emulsionen den Sodalösungen vorzuziehen; in diesem Fall müßte aber eher (wie es auch vielfach geschieht) reines Oel, z.B. Brennöl Verwendung finden, da es a) Arbeitsersparnis, b) eine gute Oberfläche und c) vortrefflichen Rostschutz der Werkzeugbank und des Werkstückes bewirkt. Bei rationeller Bauart der Werkzeugmaschinen, Schutzbleche, Filter und sachgemäßer Leitung der Arbeit ist der Oelverlust bei der Revolverbank recht gering.

Es werden somit in der Praxis gute Resultate ergeben:

  • a) als Schmierflüssigkeitenreine oder mit Mineralöl gemischte pflanzliche Oele (etwa russisches Brennöl); die
  • |125| Arbeitsersparnis bei Verwendung dieser teuren Oele dürfte 25–30 v. H. betragen;
  • b) als Kühlflüssigkeitgesättigte Sodalösung, die bei großer Billigkeit zugleich rostschützend wirkt.

A priori wird man als zweckmäßigste Flüssigkeit beim Schneiden diejenige betrachten, die in der Wärmeleitfähigkeit und spezifischen Wärme dem Wasser und in der Schmierfähigkeit einem guten, reinen Oel wenig nachsteht. Wahrscheinlich wird eine solche Flüssigkeit unter den Oel-Wasseremulsionen oder in den Gemischen mehrerer Oele zu finden sein; die betreffende Flüssigkeit muß billig sein und nach anderen Methoden hergestellt werden, als die interessierten Firmen empfehlen; gelingt es ja doch, z.B. eine stabile Petroleum-Wasseremulsion bei Verstäubung des Gemisches durch einen Luftstrahl zu erzielen. In der Praxis wird voraussichtlich durch entsprechende Wahl von billigen Ausgangsflüssigkeiten und Konstruktion eines billigen Apparates zur innigen Durchmischung der Flüssigkeiten die Aufgabe befriedigend zu lösen sein.

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