Murrenhoff Umweltverträgliche Tribosysteme

Die Vision einer umweltfreundlichen Werkzeugmaschine
1. Auflage 2010
ISBN: 978-3-642-04997-2
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 377 Seiten

Das Buch stellt die Entwicklung und Erprobung umweltverträglicher Schmierstoffe und kohlenstoffbasierter Beschichtungen vor. Am Beispiel einer Werkzeugmaschine untersucht der Autor die tribologischen Systeme, also die Systeme, in denen Reibung und Verschleiß maßgeblich auftreten. Die Erkenntnisse werden in Form von Prozessketten verknüpft und die Neuentwicklungen unter realitätsnahen Bedingungen geprüft. Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert und erforscht neben den Grundlagen auch die industrielle Umsetzung.

Prof. Dr.-Ing. H. Murrenhoff promovierte nach seinem Maschinenbaustudium an der RWTH Aachen am Institut für hydraulische und pneumatische Antriebe und Steuerungen in Aachen und übernahm dort die Aufgabe des Oberingenieurs. Im Anschluss daran arbeitete er bei verschiedenen Firmen im Bereich elektro-mechanischer Umformer und Servoantriebe für industrielle und automobiltechnische Anwendungen sowie der Luftfahrttechnik und Biomedizin. Seit Oktober 1994 ist er Direktor des Instituts für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen in Aachen und ist Sprecher des Sonderforschungsbereiches 'Umweltverträgliche Tribosysteme in Werkzeugmaschinen'.

Autoren/Hrsg.

Murrenhoff, Hubertus

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Inhalt;7
3;Autorenverzeichnis;12
4;Abbildungsverzeichnis;15
5;Kapitel 1;28
5.1;Einleitung;28
5.1.1;1.1 Vision einer effizienten und umweltverträglichen Werkzeugmaschine;30
5.1.2;1.2 Vom Modell zum System;31
5.1.3;1.3 Einflüsse der Gesetzgebung auf die technologischen Entwicklungen;32
5.1.4;1.4 Exemplarische Ergebnisse der Forschungsarbeiten;33
5.1.5;Quellenverzeichnis;40
6;Kapitel 2;44
6.1;Aufbau und Belastung tribologischer Systeme;44
6.1.1;2.1 Tribologische Grundlagen;44
6.1.2;2.2 Tribosysteme in der Werkzeugmaschine;46
6.1.2.1;2.2.1 Getriebe;46
6.1.2.2;2.2.2 Linearführungen;48
6.1.2.3;2.2.3 Kugelgewindetrieb;48
6.1.2.4;2.2.4 Wälzlager;50
6.1.2.5;2.2.5 Hydraulische Verdrängereinheit;51
6.1.2.6;2.2.6 Zerspanung;52
6.1.2.7;2.2.7 Kaltumformung;54
6.1.3;2.3 Konventionelle Tribosysteme und der Ansatz des SFB 442;55
6.1.4;Quellenverzeichnis;55
7;Kapitel 3;58
7.1;Entwicklung umweltverträglicher Schmierstoffe;58
7.1.1;3.1 Schmierstoffsynthese;58
7.1.1.1;3.1.1 Grundgedanke der aktuellen Diskussion um die Entwicklung biogener Schmierfluide;61
7.1.1.2;3.1.2 Die verwendeten Edukte;62
7.1.1.3;3.1.3 Mögliche Reaktionen von Oleochemikalien;62
7.1.1.4;3.1.4 Selektion von Reaktionssystem und Katalysatoren;65
7.1.1.5;3.1.5 Prozessbegleitende Analytik;67
7.1.1.6;3.1.6 Prozessoptimierung und Scale-Up;70
7.1.1.7;3.1.7 Ökobilanzanalyse der synthetisierten Schmierstoffe;72
7.1.1.8;3.1.8 Neue Verfahrensweisen zur Oxidation und weiteren Funktionalisierung von Oleochemikalien in überkritischem Kohlendioxid;74
7.1.1.9;3.1.9 Zusammenfassung und Fazit;85
7.1.2;3.2 Synthesebegleitende ökotoxikologische und toxikologische Risikobewertung;86
7.1.2.1;3.2.1 Biologische Testverfahren;87
7.1.2.2;3.2.2 Chemische Analytik;91
7.1.2.3;3.2.3 Untersuchungen zur synthesebegleitenden Prozessoptimierung;93
7.1.2.4;3.2.4 Zusammenfassende Bewertung der entwickelten Schmierstoffe;103
7.1.3;Quellenverzeichnis;104
8;Kapitel 4;110
8.1;Entwicklung neuer PVD-Beschichtungen;110
8.1.1;4.1 Einleitung;110
8.1.2;4.2 Methodik der Schichtentwicklung;111
8.1.2.1;4.2.1 Anforderungen an die Entwicklung von Dünnschichtsystemen für Bauteile;112
8.1.2.2;4.2.2 Anforderungen an die Entwicklung von Dünnschichtsystemen für Werkzeuge;113
8.1.3;4.3 Grundlagen der PVD-Technologie;114
8.1.3.1;4.3.1 Entwicklungen in der PVD-Technologie;114
8.1.3.2;4.3.2 Grundlagen der PVD-Technologie;115
8.1.4;4.4 Prüfverfahren;117
8.1.4.1;4.4.1 Schichteigenschaften;118
8.1.4.2;4.4.2 Verbundeigenschaften;119
8.1.4.3;4.4.3 Systemeigenschaften;119
8.1.4.4;4.4.4 Anwendungsnahe Prüfung;122
8.1.4.5;4.4.5 Plasmadiagnostik;122
8.1.5;4.5 PVD-Schichten für umweltfreundliche Tribosysteme;123
8.1.5.1;4.5.1 Gradiertes Zirkoniumkarbid ZrCg;123
8.1.5.2;4.5.2 Das Niedertemperaturschichtsystem CrAlN;132
8.1.5.3;4.5.3 (Ti,Al)N und (Ti,Al)N/Al2O3 für Zerspanaufgaben;141
8.1.5.4;4.5.4 Das Hochtemperaturschichtsystem TiHfCrN;149
8.1.6;4.6 Zusammenfassung und Fazit;158
8.1.7;Literaturverzeichnis;160
9;Kapitel 5;164
9.1;Grundlagenuntersuchungen;164
9.1.1;5.1 Grundlagenuntersuchungen für den schmierstoffoptimierten Betrieb;164
9.1.2;5.2 Gebrauchsbedingte Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften und Bewertung der Umweltverträglichkeit;181
9.1.2.1;5.2.1 Veränderung der rheologischen Eigenschaften;181
9.1.2.2;5.2.2 Toxikologische und ökotoxikologische Charakterisierung;188
9.1.3;Quellenverzeichnis;197
10;Kapitel 6;200
10.1;Bauteiluntersuchungen;200
10.1.1;6.1 Umweltverträgliche Tribosysteme in Getrieben;200
10.1.1.1;6.1.1 Tragfähigkeitsuntersuchungen;200
10.1.1.2;6.1.2 Grundlagenuntersuchungen;207
10.1.1.3;6.1.3 Theoretische Arbeiten;214
10.1.2;6.2 Wälzlager, Linearführungen und Kugelgewindetriebe für den schmierstoffoptimierten Betrieb;217
10.1.2.1;6.2.1 Spindellageruntersuchungen;218
10.1.2.2;6.2.2 Tribometerversuche;219
10.1.2.3;6.2.3 Theoretische Untersuchungen der Lastbedingungen und Schichthaftung;221
10.1.2.4;6.2.4 Analyse der Betriebseigenschaften beschichteter Spindellager;223
10.1.2.5;6.2.5 Linearführungsund Kugelgewindetriebsuntersuchungen;228
10.1.2.6;6.2.6 Untersuchung von Linearführungssystemen;230
10.1.2.7;6.2.7 Untersuchung von Kugelgewindetrieben;232
10.1.3;6.3 Tribologische Untersuchungen an beschichteten Wälzlagern unter Berücksichtigung der Schmierfilmeigenschaften;236
10.1.3.1;6.3.1 Verschleißkritische Untersuchungen;236
10.1.3.2;6.3.2 Ermüdungskritische Untersuchungen;241
10.1.3.3;6.3.3 Einfluss der Schichtstruktur auf die Wirkungsweise der PVD-Beschichtungen im Wälzlagereinsatz;243
10.1.3.4;6.3.4 Einfluss von Partikeln auf den Wälzlagerbetrieb;247
10.1.3.5;6.3.5 Riffelbildungsuntersuchungen;248
10.1.3.6;6.3.6 Schmierfilmbildung umweltverträglicher Ester;249
10.1.3.7;6.3.7 Reibwertuntersuchungen;251
10.1.3.8;6.3.8 Zusammenfassung und Ausblick;252
10.1.4;6.4 Hydraulische Verdrängereinheit;253
10.1.4.1;6.4.1 Aufbau der Versuchspumpe;253
10.1.4.2;6.4.2 Tribosystem Kolben/Buchse;255
10.1.4.3;6.4.3 Optimierung des Tribosystems Kolben/Buchse;256
10.1.4.4;6.4.4 Prüfstandsversuche des Tribosystems Kolben/Buchse;258
10.1.4.5;6.4.5 Zusammenfassung;262
10.1.5;6.5 Umweltverträgliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide;263
10.1.5.1;6.5.1 Einleitung;263
10.1.5.2;6.5.2 Esteröle als Kühlschmierstoffe in der Zerspantechnik;263
10.1.5.3;6.5.3 Hochleistungs-PVD-Schichtsysteme für das Bohren, Drehen und Fräsen;265
10.1.5.4;6.5.4 Untersuchungen zu den Ursachen, die zur Entschichtung beschichteter Werkzeuge führen;266
10.1.5.5;6.5.5 Analyse des Verschleißverhaltens nanostrukturierter Hartstoffschichten auf PCBN-Werkzeugen;272
10.1.5.6;6.5.6 Zusammenfassung und Fazit;280
10.1.6;6.6 Umweltfreundliche Tribosysteme in der Umformtechnik;280
10.1.6.1;6.6.1 Einleitung;280
10.1.6.2;6.6.2 Vorstellung der Ergebnisse;281
10.1.6.3;6.6.3 Erforschung umweltverträglicher Additive für Umformschmierstoffe;292
10.1.6.4;6.6.4 Zusammenfassung und Fazit;299
10.1.7;Quellenverzeichnis;300
11;Kapitel 7;304
11.1;Untersuchung komplexer Baugruppen einer Werkzeugmaschine;304
11.1.1;7.1 Prozesskette Schmierstoffsynthese;304
11.1.1.1;7.1.1 Rückkopplungsoptimierung der Schmierstoffsynthese;305
11.1.1.2;7.1.2 Zusammenfassung;308
11.1.2;7.2 Alterungsprüfstand;309
11.1.2.1;7.2.1 Zielsetzung und Versuchsträger;309
11.1.2.2;7.2.2 Prüfstandsaufbau und Vorgehen;311
11.1.2.3;7.2.3 Vorversuche;313
11.1.2.4;7.2.4 Versuchsergebnisse;314
11.1.2.5;7.2.5 Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften;319
11.1.2.6;7.2.6 Wälzlagereinsatz in einer Axialkolbenpumpe;321
11.1.2.7;7.2.7 Zusammenfassung und Fazit;325
11.1.3;7.3 Prozesskette Getriebe;325
11.1.3.1;7.3.1 Tragfähigkeitsuntersuchungen an einem Industriegetriebe;325
11.1.3.2;7.3.2 Effizienzuntersuchungen am Getriebe;333
11.1.3.3;7.3.3 Untersuchung des neuartigen Getriebe-Esters HISM/HIGTS;336
11.1.4;7.4 Abbildung einer umweltverträglichen Prozesskette zur Fertigung von Zahnrädern;339
11.1.4.1;7.4.1 Aufbau und Arbeitspakete der Prozesskette;340
11.1.4.2;7.4.2 Tribologische Untersuchungen beim Feinschneiden der Zahnradrohlinge;341
11.1.4.3;7.4.3 Spanende Bearbeitung feingeschnittener Zahnräder;346
11.1.4.4;7.4.4 Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften10;350
11.1.4.5;7.4.5 Zusammenfassung und Fazit;352
11.1.5;7.5 Zusammenführung der erarbeiteten SFB-Ergebnisse in einem Bearbeitungszentrum11;353
11.1.5.1;7.5.1 Vorschubantriebssysteme;355
11.1.5.2;7.5.2 Hauptspindelsysteme;360
11.1.5.3;7.5.3 Bohren und Fräsen unter Einsatz von Esteröl als Kühlschmierstoff auf einem Bearbeitungszentrum14;364
11.1.5.4;7.5.4 Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften15;368
11.1.5.5;7.5.5 Zusammenfassung und Fazit;369
11.1.6;Quellenverzeichnis;370
12;Kapitel 8;374
12.1;Erfassung tribologischer Zusammenhänge und Erkenntnisse in einer Datenbank;374
12.1.1;Quellenverzeichnis;391
13;Kapitel 9;392
13.1;Fazit;392
14;Sachverzeichnis;396