Kühlmittelüberwachung an CNC-Fräszentren: Kühlschmierstoff und Spindelkühlung
Hinter dem Wort Kühlmittel stecken an einem Fräszentrum zwei verschiedene Kreisläufe. Der Kühlschmierstoff braucht Pflege und regelmäßige Messung, die Spindelkühlung entscheidet über Temperaturstabilität und Maßhaltigkeit.
Wer über Kühlmittelüberwachung an CNC-Fräszentren spricht, meint oft zwei verschiedene Dinge. Das eine ist der Kühlschmierstoff, der an der Schneide kühlt, schmiert und Späne abführt. Das andere ist die Kühlung von Spindel und Maschinenkomponenten, meist ein eigener, geschlossener Kreislauf mit Kühlaggregat. Beide beeinflussen Werkzeugstandzeit, Oberflächen und Maßhaltigkeit, aber auf unterschiedliche Weise. Dieser Artikel behandelt sie getrennt: was dort verschleißt oder sich verändert, was Sie messen können und welche Pflegeroutinen sich bewährt haben.
Stand unseres Systems
Die Überwachung von Kühlschmierstoff und Kühlkreisläufen ist bei uns geplant. Sie ist heute nicht Teil unseres Angebots. Dieser Artikel ist ein Fachbeitrag. Überwacht wird heute die Spindel mit ihren Lagern.
Zwei Kreisläufe, zwei Aufgaben
| Kühlschmierstoff (KSS) | Spindel- und Maschinenkühlung | |
|---|---|---|
| Aufgabe | Kühlen und Schmieren an der Schneide, Späne abführen, Korrosionsschutz | Wärme aus Spindellagern, Motor und weiteren Komponenten abführen, Temperatur stabil halten |
| Medium | Meist wassermischbarer KSS (Emulsion oder Lösung), teils nichtwassermischbares Öl | Je nach Hersteller Wasser mit Zusätzen oder Öl in einem geschlossenen Kreislauf |
| Was sich verändert | Konzentration, pH-Wert, Fremdöl, Späne und Feinstoffe, Keimbelastung, Temperatur | Vorlauftemperatur, Durchfluss, Wärmeübergang am Kühler, Füllstand |
| Typische Folge | Korrosion, schlechtere Oberflächen, kürzere Werkzeugstandzeit, Geruch, Hautprobleme | Thermische Drift, Maßabweichungen, im Extremfall Überhitzung |
Kühlschmierstoff: was sich im Betrieb verändert
Ein wassermischbarer Kühlschmierstoff ist kein stabiles Medium. Er verändert sich mit jedem Betriebstag:
- Konzentration: Wasser verdunstet, KSS wird mit den Spänen ausgetragen, und beim Nachfüllen wird oft nach Gefühl gemischt. Die Konzentration wandert dadurch nach oben oder unten. Zu niedrig bedeutet weniger Korrosionsschutz, weniger Schmierwirkung und bessere Bedingungen für Keime. Zu hoch belastet Haut und Atemwege und kostet unnötig Konzentrat.
- pH-Wert: Wassermischbare KSS sind in der Regel alkalisch eingestellt. Ein fallender pH-Wert ist häufig ein Zeichen für mikrobielle Aktivität, weil Bakterien Bestandteile des KSS abbauen.
- Fremdöl: Leckageöl aus Hydraulik, Führungsbahn- und Spindelschmierung gelangt in den KSS. Es schwimmt auf, verschlechtert die Sauerstoffversorgung im Tank und fördert Keimwachstum.
- Späne und Feinstoffe: Feinste Partikel passieren die Filter, setzen sich im Tank ab und gelangen über die Düsen an Werkstück und Maschine.
- Keime: Bakterien und Pilze vermehren sich besonders bei Stillstand, warmem KSS und niedriger Konzentration. Typische Zeichen sind fauliger Geruch nach dem Wochenende, Schleimbildung und Verfärbung.
- Temperatur: Der KSS erwärmt sich durch Zerspanung und Pumpenarbeit. Ein warmer KSS beschleunigt Keimwachstum und kann die Temperatur von Werkstück und Spannmitteln beeinflussen.
Kühlmittelüberwachung in der Praxis: Was Sie am Kühlschmierstoff messen können
Die wichtigsten Größen lassen sich mit einfachen Mitteln direkt an der Maschine prüfen.
Konzentration mit dem Refraktometer
Das Handrefraktometer ist das Standardwerkzeug. Ein paar Tropfen KSS auf das Prisma, ablesen, umrechnen. Die Anzeige ist nicht direkt die Konzentration, sondern muss mit dem Faktor des jeweiligen Produkts umgerechnet werden:
Messen Sie immer an einer repräsentativen Stelle, zum Beispiel am Düsenaustritt bei laufender Pumpe, nicht an der Oberfläche des Tanks. Die Sollkonzentration legt der KSS-Hersteller für die jeweilige Bearbeitung fest.
pH-Wert, Nitrit, Keime und Temperatur
- pH-Wert: mit Teststreifen oder einem pH-Messgerät. Wichtiger als der einzelne Wert ist der Verlauf. Ein stetiger Abfall ist ein Warnzeichen.
- Nitrit: mit Teststreifen. Nitrit kann über verunreinigtes Wasser, Werkstückreste oder mikrobielle Prozesse eingetragen werden und ist arbeitsschutzrechtlich relevant (siehe unten).
- Keimbelastung: mit Eintauchnährböden (Dip-Slides), die nach einer Bebrütungszeit eine grobe Einordnung erlauben.
- Temperatur: mit einem einfachen Thermometer im Tank oder einem fest eingebauten Fühler.
- Sichtprüfung und Geruch: Fremdölschicht, Schaum, Verfärbung, Ablagerungen, Geruch. Diese Prüfung kostet nichts und gehört zu jeder Kontrolle.
Für eine kontinuierliche Überwachung gibt es Inline-Sensoren für Konzentration, Leitfähigkeit, pH und Temperatur. Sie sparen Zeit, brauchen aber selbst Pflege und regelmäßigen Abgleich mit einer Handmessung. Ein falsch kalibrierter Sensor ist schlechter als eine sorgfältige wöchentliche Messung.
Pflegeroutinen, die sich bewährt haben
- Regelmäßig messen und dokumentieren: Konzentration, pH-Wert und Nitrit in einem festen Rhythmus, mit Datum und Maschine. Erst die Aufzeichnung macht Trends sichtbar.
- Richtig nachmischen: Konzentrat ins Wasser geben, nicht umgekehrt, und möglichst mit einem Dosiergerät. Bei Verdunstung wird mit niedriger konzentriertem Gemisch nachgefüllt, sonst steigt die Konzentration.
- Fremdöl entfernen: mit Skimmer oder Ölabscheider, und die Quelle suchen. Eine undichte Hydraulikleitung zeigt sich oft zuerst im KSS.
- Filter und Spänefördersystem warten: Filter wechseln, Tank in Intervallen entleeren und reinigen.
- Stillstand bedenken: Über lange Stillstände bewegt sich der KSS nicht. Umwälzen oder Belüften nach Empfehlung des Lieferanten kann Geruchsbildung vorbeugen.
- Systemreinigung beim Wechsel: Vor dem Neubefüllen Leitungen und Tank mit einem Systemreiniger behandeln, sonst besiedeln Rückstände den neuen KSS schnell wieder.
Arbeitsschutz
Für Tätigkeiten mit Kühlschmierstoffen gelten in Deutschland die Gefahrstoffverordnung und die zugehörigen Technischen Regeln, darunter die TRGS 611 zu wassermischbaren Kühlschmierstoffen, bei deren Einsatz N-Nitrosamine entstehen können. Die DGUV Regel 109-003 gibt Hinweise zu Tätigkeiten mit Kühlschmierstoffen. Welche Prüfungen, Intervalle und Werte für Ihren Betrieb gelten, legt die Gefährdungsbeurteilung fest. Stimmen Sie das mit Ihrer Fachkraft für Arbeitssicherheit und dem KSS-Lieferanten ab. Grenzwerte und Messintervalle nennen wir hier bewusst nicht.
Spindelkühlung und Thermomanagement
Der zweite Kreislauf ist für die Genauigkeit oft wichtiger. Spindellager und Spindelmotor erzeugen Wärme, besonders bei hohen Drehzahlen. Ein Kühlaggregat führt diese Wärme über einen Kühlmantel ab. Viele Maschinen kühlen zusätzlich Motoren von Vorschubachsen, Schaltschrank oder Hydraulik.
Das Ziel ist nicht eine möglichst niedrige, sondern eine möglichst gleichbleibende Temperatur. Manche Aggregate regeln auf einen festen Wert, andere halten einen Abstand zu einer Bezugstemperatur, etwa der des Maschinenbetts oder der Halle. Welches Prinzip Ihre Maschine nutzt und welche Einstellung richtig ist, steht in der Dokumentation des Maschinenherstellers. Ändern Sie diese Werte nicht ohne Rücksprache.
Typische Probleme im Kühlkreislauf entstehen schleichend:
- Verschmutzte Lamellen oder Filter am Kühlaggregat verringern die Kühlleistung, besonders im Sommer.
- Sinkender Füllstand, Luft im Kreislauf oder eine nachlassende Pumpe verringern den Durchfluss.
- Ablagerungen im Kühlmantel verschlechtern den Wärmeübergang.
- Ein nicht vorgesehenes Medium oder falsche Zusätze fördern Korrosion und Ablagerungen.
Thermische Drift und Maßhaltigkeit
Wärme verändert die Geometrie. Die Spindel wächst in ihrer Achsrichtung, Gestellteile verformen sich, und eine erwärmte Gewindespindel wird länger. Die Größenordnung lässt sich mit der linearen Wärmeausdehnung abschätzen:
Das Beispiel zeigt, warum schon wenige Kelvin Unterschied in der Präzisionsbearbeitung zählen. Reale Maschinen verhalten sich komplizierter, weil sich verschiedene Bauteile unterschiedlich schnell erwärmen. Viele Steuerungen bieten deshalb eine Temperaturkompensation, und viele Betriebe nutzen ein Warmlaufprogramm vor der ersten Präzisionsbearbeitung.
Wie stark Ihre Maschine driftet, können Sie selbst messen: Eine Referenzkugel oder ein fester Prüfkörper im Arbeitsraum wird in Abständen mit dem Messtaster angetastet, während die Spindel unter definierten Bedingungen läuft. Die Verschiebung über die Zeit zeigt das thermische Verhalten. Die Norm ISO 230-3 beschreibt Prüfverfahren für thermische Effekte an Werkzeugmaschinen. Eine solche Messung lohnt sich als Referenz und nach Eingriffen am Kühlsystem.
Im Kühlkreislauf selbst sind diese Größen sinnvoll zu beobachten:
- Vorlauf- und Rücklauftemperatur: Ihre Differenz zeigt zusammen mit dem Durchfluss, wie viel Wärme abgeführt wird.
- Durchfluss: Viele Maschinen haben einen Strömungswächter, der nur bei Ausfall meldet. Ein Durchflussmesser zeigt auch ein langsames Nachlassen.
- Raumtemperatur: Sie erklärt viele Schwankungen, besonders bei Hallen ohne Klimatisierung.
- Lagertemperatur der Spindel: Sofern ein Fühler vorhanden ist und die Steuerung den Wert bereitstellt. Ein Anstieg bei unveränderter Kühlung kann auch auf ein Lagerproblem hindeuten.
Der letzte Punkt verbindet Kühlung und Lagerzustand. Eine erhöhte Lagertemperatur kann von der Kühlung kommen oder von einem Lager mit Schmierungs- oder Laufbahnproblemen. Ein beginnender Lagerschaden zeigt sich im Schwingungsbild meist früher als in der Temperatur. Mehr dazu im Artikel Wälzlagerschaden früh erkennen und bei der Frage, woher Geräusche an der Spindel kommen.
Was wir heute anbieten
Kühlschmierstoff und Kühlkreisläufe stehen auf unserer Roadmap. Heute sind sie nicht Teil unseres Angebots. Wir werden sie erst anbieten, wenn wir an echten Maschinen gezeigt haben, dass eine Bewertung zuverlässig ist. Am Grundsatz ändert sich dabei nichts: Wir lesen Daten der Steuerung nur und verändern keine Einstellungen.
Heute überwachen wir die Spindel und ihre Lager mit einem eigenen Schwingungssensor und einer Bewertung gegen die gelernte Normallage. Wie das funktioniert, steht im Leitfaden zur Spindelüberwachung. Den aktuellen Umfang finden Sie auf der Seite Leistung für CNC-Fräszentren.
Häufige Fragen
Wie messe ich die Konzentration von Kühlschmierstoff?
Mit einem Handrefraktometer. Der Ablesewert wird mit dem Refraktometerfaktor aus dem Produktdatenblatt multipliziert. Fremdöl verfälscht die Messung. Bei unklaren Werten hilft eine Titration durch Labor oder Lieferanten.
Warum stinkt der Kühlschmierstoff nach dem Wochenende?
Meist durch Keime, die sich im stehenden KSS vermehren, oft begünstigt durch Fremdöl, niedrige Konzentration und Wärme. Prüfen Sie Konzentration und pH-Wert, entfernen Sie Fremdöl und sprechen Sie mit Ihrem KSS-Lieferanten über Umwälzung oder Systemreinigung.
Wie oft muss der Kühlschmierstoff geprüft werden?
Das legt Ihre Gefährdungsbeurteilung auf Grundlage der geltenden Regeln fest, ergänzt um die Empfehlungen des KSS-Herstellers. Unabhängig davon gilt: Wer regelmäßig misst und dokumentiert, erkennt Veränderungen, bevor sie zum Problem werden.
Warum ändern sich die Maße, wenn die Maschine warm wird?
Durch Wärmeausdehnung von Spindel, Gestell und Gewindespindeln. Schon wenige Kelvin können in der Präzisionsbearbeitung messbare Abweichungen erzeugen. Abhilfe schaffen eine stabile Spindelkühlung, ein Warmlaufprogramm und die Temperaturkompensation der Steuerung.
Überwacht Forbach & Partners Kühlmittel oder Spindelkühlung?
Nein, heute nicht. Die Überwachung ist geplant, aber nicht Teil des Angebots. Heute überwachen wir Spindel und Spindellager.
Über den Autor
Sascha P. Forbach ist Gründer von Forbach & Partners und Software-Architekt der Spindelüberwachung. Seit zwölf Jahren berät er produzierende Betriebe zu Prozessqualität und Anlagenverfügbarkeit. Mehr über uns