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Sichere Dichtungslösungen für die Zerspanung

Sichere Dichtungslösungen für die Zerspanung
Anbieter von Werkzeugaufnahmen, Spannsystemen sowie WerkzeugmaschinenhersteLLer sind immer wieder mit den unterschiedlichsten Medien konfrontiert. Dem Problem lässt sich mit einem ausreichend medienbeständigen Dichtungswerkstoff begegnen.

von Thomas Deigner und Melchior von Wallenberg Pachaly

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Maschinenabdichtungen und Drehdurchführungen für Rundschalttische, Rundtakt- oder Rundlauftische, aber auch Dichtungen in Werkzeugspannsystemen leisten nicht nur mechanische Schwerstarbeit. In ihrem unermüdlichen Einsatz kommen sie auch ständig mit typischen Medien wie mineralischen Ölen. Wasser, Luft oder Kühl- und Schmierflüssigkeiten mit unterschiedlichsten Emulsionen und Additiven zur Vermeidung von Keimbesiedlung in Kontakt. Neben den üblichen Anforderungen an die Dichtungseigenschaften wie Verschleiß- und Extrusionsfestigkeit, geringe Stickslip-Neigung und niedrige Reibung gerät somit auch die chemische Beständigkeit der Dichtungswerkstoffe in den Fokus.

MEDIENBESTÄNDIGKEIT BESTIMMT DIE EIGNUNG DES WERKSTOFFS

Werden die mechanischen Eigenschaften ausreichend erfüllt, sollte daher die Medienbeständigkeit darüber entscheiden, welcher Werkstoff sich auf Dauer am besten für den Einsatz im Werkzeugmaschinenbau eignet. Die Vielzahl der eingesetzten Kühlschmiermedien und Hydraulikfluide macht diese Bewertung zunächst zu einer Herausforderung.

Zusammensetzung wasserbasierter Fluide
Zusammensetzung wasserbasierter Fluide.

Die Komet-ABS-Anbindung bietet ein Plus in Form deutlich höherer Spannkräfte. Sie ist voll kompatibel zu bestehenden Systemen und erfüllt die hohen Ansprüche an die Genauigkeit. Die Werkzeugaufnahme ist zwischen Werkzeug und Maschine ein wichtiges Element in Werkzeugsystemen. Sie muss die auftretenden Zerspanungskräfte sicher übertragen. Außerdem haben Werkzeugaufnahmen großen Einfluss auf die Qualität des Bearbeitungsergebnisses. Darüber hinaus tragen sie zur Wirtschaftlichkeit des Bearbeitungsprozesses bei. Komet-ABS-Anbindungen stellen ein modulares Kupplungssystem für rotierende wie für stehende Werkzeuge dar. Das Schnittstellensystem ist nach dem Baukastenprinzip aufgebaut. So können Anwender schnell und kostengünstig modulare Zerspanungswerkzeuge, Verlängerungen oder Adapter einsetzen. Seit der Einführung 1981 durch Komet ist das System weltweit etabliert. Es bietet ausgereifte Komponenten für jede Anforderung.

Die im Komet-ABS seit Jahren erfolgreich eingesetzte Dichtscheibe aus dem Werkstoff H-Ecopur trägt hier mit ihrer über die Jahre bewiesenen Robustheit und Medienbeständigkeit zu dessen Zuverlässigkeit bei. Für die Anwendung wichtige Werkstoffparameter sind hervorragende Reißdehnung, geringer Druckverformungsrest, Robustheit und vor allem die ausgezeichnete Medienbeständigkeit gegenüber Wasser-Öl-Gemischen (Emulsionen), die in den unter schiedlichsten Kühlschmiermedien in verschiedensten Konzentrationen weltweit verwendet werden.

Erhöhte Sicherheits- und Umweltschutznormen haben dazu geführt, dass brennbare Fluide, wie bei spielsweise Mineralöl, zunehmend durch unbrennbare, wasserbasierte oder synthetische Kühl-Schmiermittel ersetzt wurden. Wasserbasierte Fluide unterteilen sich in HWB-Fluide mit hohem Wasseranteil und LWB-Fluide mit geringem Wasseranteil. Aufgrund des Wasseranteils dieser Fluide ist die Betriebstemperatur zur Vermeidung von Maschinenschäden auf 60 °C begrenzt. Für höhere Temperaturen stehen feuerbeständige, synthetische Fluide zur Verfügung (HFD). Generell gilt, dass alle feuerbeständigen Arbeitsmedien Dichtungswerkstoffe stark beeinflussen. Die Auswahl der Werkstoffe muss daher noch genauer erfolgen, als dies bei mineralölbetriebenen Anwendungen erforderlich ist.

GEEIGNETE DICHTUNGSWERKSTOFFE MÜSSEN AUCH EXOTISCHEN EMULSIONEN STANDHALTEN

Als gängige Kühl-/Schmiermedien kommen Markenprodukte wie Hycut ET, Blasocut 2000 oder Castrol in verschiedenen Konzentrationen zum Einsatz. Hinzu kommt noch eine Vielzahl im internationalen Markt eingesetzter Medien in unterschiedlichen Konzentrationen, deren Zusammensetzung und chemische Wirkung den Maschinen- und Werkzeugherstellern oft nicht genau bekannt ist. Ein geeigneter Dichtungswerkstoff muss auch diesen „exotischen” Wasser-Öl-basierten Emulsionen dauerhaft möglichst gut standhalten. Angelehnt an die VDI-Richtlinie 3035 für die Gestaltung von Werkzeugmaschinen, Fertigungsanlagen und peripheren Einrichtungen für den Einsatz von Kühlschmierstoffen erfordert der Einsatz in mineralölfreien oder mineralölarmen Medien, wie zum Beispiel esterbasischen Produkten, zumeist Sonderwerkstoffe auf der Basis von Fluorkautschuk (PPM) oder Perfluorkautschuk (FFKM) beziehungsweise hydriertem Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR).

Verträglichkeiten von Dichtungswerkstoffen mit HFx-Flüssigkeiten
Verträglichkeiten von Dichtungswerkstoffen mit HFx-Flüssigkeiten.

Das Problem: Fluorierte Werkstoffe wie FPM und auch HNBR weisen unbefriedigende Abrieb- und Druckfestigkeit sowie mangelhafte Reib- und Gleiteigenschaften auf, was zwangsläufig geringere Standzeiten und höhere Wartungsaufwände oder Dichtungstausch nach sich ziehen muss.

PTFE und PTFE-Compounds schneiden bei den chemischen Eigenschaften günstiger ab. Mit ihrem Einsatz sind jedoch Nachteile bei der Montage verbunden, da PTFE nicht elastisch gedehnt werden kann und deshalb nicht ohne Weiteres in geschlossene Nuten einschnappt. Um das verformte PTFE wieder in die relevante Dichtungsgeometrie zu bringen, sind zusätzliche Kalibrierungsmaßnahmen erforderlich. Bei manuellen oder vollautomatischen Handling-Prozessen muss darauf geachtet werden, dass es nicht bereits bei der Montage von PTFE-Dichtungen zu deren Beschädigung kommt.

Eine interessante Alternative zu den bereits genannten Werkstoffen steht mit H-Ecopur zur Verfügung. H-Ecopur ist ein von SKF entwickeltes thermoplastisches Polyurethanelastomer (TPU).

Chemikalienbeständigkeit der Ecopur-Werkstofffamilie
Chemikalienbeständigkeit der Ecopur-Werkstofffamilie

Zu den charakteristischen Eigenschaften des vielseitigen Standard-Dichtungswerkstoffes gehört eine hohe Chemikalien- und Hydrolysebeständigkeit gegenüber Wasser (bis 90 T), Hydraulikflüssigkeiten(HFx) wie HFA, HFB. HFD-U, HETG und HEES (bedingt beständig gegen HFC), Alkoholen wie Ethanol, Schmierstoffen und Ölen auf Silikonbasis sowie biologisch abbaubaren Druckflüssigkeiten. Mit diesen Eigenschaften zeigt sich H-Ecopur auch gegenüber ungewöhnlichen Kühlschmiermedien ausreichend widerstandsfähig.

Zu den mechanischen Eigenschaften von H-Ecopur zählen eine hohe Reiß- und Druckfestigkeit, eine hohe Abriebbeständigkeit, ein geringer Druckverformungsrest und eine hohe Kriechfestigkeit sowie hohe Verschleißfestigkeit und ausgezeichnete Reibungseigenschaften. Aufgrund der besonderen mechanischen Eigenschaften können Dichtelemente einfach per Schnappmontage in vorhandene Einbauräume ein gebracht werden. Eine Nachkalibrierung, wie sie bei Dichtelementen aus PTFE oft erforderlich ist, entfällt. Darüber hinaus ist H-Ecopur deutlich robuster gegen über Kerbverletzungen als PTFE.

Im dynamischen Einsatz bei zum Beispiel Rotationsverteilern oder Schwenktischen bei Bearbeitungszentren kommen die Werkstoff- und geometrieoptimierten Profile R09 (innen wirkend) und R1O (außen wirkend) zum Einsatz. Damit lassen sich sowohl die Vorspannung als auch die Kontaktfläche modifizieren und hervorragende Gleiteigenschaften erzielen, was sich günstig auf den Verschleiß und die Temperaturentwicklung auswirkt, wie Tests an der Universität Stuttgart bereits bestätigt haben. Diese Dichtungsprofile bestehen aus einer Mantel-/Gleitringkonstruktion mit elastomerem Spannexpander in runder oder rechteckiger Ausführung. Auf dieser Basis können die Querschnitte anwendungsspezifisch hinsichtlich Druck, Gleitgeschwindigkeit und Einbauraum zugeschnitten, Kontaktflächen und Einstichtiefen optimiert werden.

Dichtscheibe mit Funktionselementen aus Kühlschmierstoff-beständigem H-Ecopur
Dichtscheibe mit Funktionselementen aus Kühlschmierstoff-beständigem H-Ecopur.

HARTE UND VERSCHLEISSFESTE WERKSTOFFVARIANTE

Um möglichst hohe Standzeiten zu erzielen, müssen dynamische Dichtungen für rotierende oder schwenkende Bewegungen in Drehverteilern den Betriebsdrücken der eingesetzten Medien (bis zu 300 bar) standhalten und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen. Hier kann mit der besonders harten Werkstoftvariante XS-Ecopur gegenüber einer „konventionellen” PTFE-Lösung eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit und Dichtwirkung erzielt werden.

Im Praxisversuch war nach 100.000 Lastzyklen nur eine sehr geringe Neigung zur Spaltextrusion feststellbar. Bei PTFE war dies bereits nach 60.000 Zyklen der Fall.

Neben Formdichtungen und 0-Ringen können auch Faltenbälge und Kompensatoren in H-Ecopur ausgeführt werden, beispielsweise für die elastische und hermetische Abdeckung und den Schutz von Schnecken, Antrieben und Verbindungen. Flanschanbindungen oder Klemmungen mit Spannbändern sorgen für flexible Anschlüsse und Befestigungen. Auch Kombinationen von festen Verbindungen und beweglichen Ausführungen in Form einer Lippengeometrie für Rotations- oder Schwenkbewegungen sind möglich.

Der Werkstoff kann sowohl spanend als auch im Spritzgussverfahren für Serien und Großserien verarbeitet werden, sodass Hersteller einerseits schnell zu funktionsfähigen Prototypen kommen, andererseits mit günstigen Volumenpreisen rechnen können.Dass diese Werkstoffeigenschaften tatsächlich vor teilhaft sind, zeigt sich auch in der praktischen Anwendung. Seit über 20 Jahren stattet der Werkzeugspezialist Komet seine Werkzeugspannsysteme der Baureihe ABS mit Dichtungen von SKF Economos aus. Hier sorgt eine Dichtscheibe aus H-Ecopur zuverlässig für die Abdichtung der Kühlschmiermittel-Zufuhr, und das bei Drücken bis circa 100 bar. Bei diesem weitverbreiteten Spannsystem für Zerspanungsaufgaben wird Bohrwasser unter Hochdruck durch einen Spannbund hindurchgeführt. Aufgabe der Dichtung ist es, den Komet-ABS Halter gegen das maschinenseitige Gegenstück abzudichten, wobei bei jedem Werkzeugwechsel eine neue Druckbeaufschlagung erfolgt.

DICHTSYSTEM MUSS AUCH BEI UNBEKANNTEN IN DER GLEICHUNG STANDHALTEN

Das Dichtsystem muss möglichst lange unter den anspruchsvollen Einsatzparametern – nicht nur den gängigen Medien in den üblichen Konzentrationen, sondern möglichst auch unbekannten Chemikalien – standhalten und darf dabei seine physikalischen Eigenschaften nicht verändern, Verunreinigungen des Kühlschmiermediums durch Metallstaub und Metall späne sind im Betrieb kaum zu vermeiden und beanspruchen das Dichtelement zusätzlich.

Unter den spezifischen chemischen und physikalischen Einsatzbedingungen in diesen Komet-ABS-Werkzeugspannsystemen hat sich H-Ecopur im Praxiseinsatz bewährt. Die gute Medienbeständigkeit des thermoplastischen Polyurethanelastomer-Werkstoffs und seine Unempfindlichkeit gegenüber Stößen, Abrieb und scharfkantigen Beanspruchungen haben dafür gesorgt, dass über die Produktlaufzeit von bis lang rund 20 Jahren keine Beanstandungen etwa durch Dichtungsausfälle erfolgt sind.

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