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E-Book

Umweltverträgliche Tribosysteme

Die Vision einer umweltfreundlichen Werkzeugmaschine

AutorHubertus Murrenhoff
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl377 Seiten
ISBN9783642049972
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis89,99 EUR
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'.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Inhalt7
Autorenverzeichnis12
Abbildungsverzeichnis15
Kapitel 128
Einleitung28
1.1 Vision einer effizienten und umweltverträglichen Werkzeugmaschine30
1.2 Vom Modell zum System31
1.3 Einflüsse der Gesetzgebung auf die technologischen Entwicklungen32
1.4 Exemplarische Ergebnisse der Forschungsarbeiten33
Quellenverzeichnis40
Kapitel 244
Aufbau und Belastung tribologischer Systeme44
2.1 Tribologische Grundlagen44
2.2 Tribosysteme in der Werkzeugmaschine46
2.2.1 Getriebe46
2.2.2 Linearführungen48
2.2.3 Kugelgewindetrieb48
2.2.4 Wälzlager50
2.2.5 Hydraulische Verdrängereinheit51
2.2.6 Zerspanung52
2.2.7 Kaltumformung54
2.3 Konventionelle Tribosysteme und der Ansatz des SFB 44255
Quellenverzeichnis55
Kapitel 358
Entwicklung umweltverträglicher Schmierstoffe58
3.1 Schmierstoffsynthese58
3.1.1 Grundgedanke der aktuellen Diskussion um die Entwicklung biogener Schmierfluide61
3.1.2 Die verwendeten Edukte62
3.1.3 Mögliche Reaktionen von Oleochemikalien62
3.1.4 Selektion von Reaktionssystem und Katalysatoren65
3.1.5 Prozessbegleitende Analytik67
3.1.6 Prozessoptimierung und Scale-Up70
3.1.7 Ökobilanzanalyse der synthetisierten Schmierstoffe72
3.1.8 Neue Verfahrensweisen zur Oxidation und weiteren Funktionalisierung von Oleochemikalien in überkritischem Kohlendioxid74
3.1.9 Zusammenfassung und Fazit85
3.2 Synthesebegleitende ökotoxikologische und toxikologische Risikobewertung86
3.2.1 Biologische Testverfahren87
3.2.2 Chemische Analytik91
3.2.3 Untersuchungen zur synthesebegleitenden Prozessoptimierung93
3.2.4 Zusammenfassende Bewertung der entwickelten Schmierstoffe103
Quellenverzeichnis104
Kapitel 4110
Entwicklung neuer PVD-Beschichtungen110
4.1 Einleitung110
4.2 Methodik der Schichtentwicklung111
4.2.1 Anforderungen an die Entwicklung von Dünnschichtsystemen für Bauteile112
4.2.2 Anforderungen an die Entwicklung von Dünnschichtsystemen für Werkzeuge113
4.3 Grundlagen der PVD-Technologie114
4.3.1 Entwicklungen in der PVD-Technologie114
4.3.2 Grundlagen der PVD-Technologie115
4.4 Prüfverfahren117
4.4.1 Schichteigenschaften118
4.4.2 Verbundeigenschaften119
4.4.3 Systemeigenschaften119
4.4.4 Anwendungsnahe Prüfung122
4.4.5 Plasmadiagnostik122
4.5 PVD-Schichten für umweltfreundliche Tribosysteme123
4.5.1 Gradiertes Zirkoniumkarbid ZrCg123
4.5.2 Das Niedertemperaturschichtsystem CrAlN132
4.5.3 (Ti,Al)N und (Ti,Al)N/Al2O3 für Zerspanaufgaben141
4.5.4 Das Hochtemperaturschichtsystem TiHfCrN149
4.6 Zusammenfassung und Fazit158
Literaturverzeichnis160
Kapitel 5164
Grundlagenuntersuchungen164
5.1 Grundlagenuntersuchungen für den schmierstoffoptimierten Betrieb164
5.2 Gebrauchsbedingte Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften und Bewertung der Umweltverträglichkeit181
5.2.1 Veränderung der rheologischen Eigenschaften181
5.2.2 Toxikologische und ökotoxikologische Charakterisierung188
Quellenverzeichnis197
Kapitel 6200
Bauteiluntersuchungen200
6.1 Umweltverträgliche Tribosysteme in Getrieben200
6.1.1 Tragfähigkeitsuntersuchungen200
6.1.2 Grundlagenuntersuchungen207
6.1.3 Theoretische Arbeiten214
6.2 Wälzlager, Linearführungen und Kugelgewindetriebe für den schmierstoffoptimierten Betrieb217
6.2.1 Spindellageruntersuchungen218
6.2.2 Tribometerversuche219
6.2.3 Theoretische Untersuchungen der Lastbedingungen und Schichthaftung221
6.2.4 Analyse der Betriebseigenschaften beschichteter Spindellager223
6.2.5 Linearführungsund Kugelgewindetriebsuntersuchungen228
6.2.6 Untersuchung von Linearführungssystemen230
6.2.7 Untersuchung von Kugelgewindetrieben232
6.3 Tribologische Untersuchungen an beschichteten Wälzlagern unter Berücksichtigung der Schmierfilmeigenschaften236
6.3.1 Verschleißkritische Untersuchungen236
6.3.2 Ermüdungskritische Untersuchungen241
6.3.3 Einfluss der Schichtstruktur auf die Wirkungsweise der PVD-Beschichtungen im Wälzlagereinsatz243
6.3.4 Einfluss von Partikeln auf den Wälzlagerbetrieb247
6.3.5 Riffelbildungsuntersuchungen248
6.3.6 Schmierfilmbildung umweltverträglicher Ester249
6.3.7 Reibwertuntersuchungen251
6.3.8 Zusammenfassung und Ausblick252
6.4 Hydraulische Verdrängereinheit253
6.4.1 Aufbau der Versuchspumpe253
6.4.2 Tribosystem Kolben/Buchse255
6.4.3 Optimierung des Tribosystems Kolben/Buchse256
6.4.4 Prüfstandsversuche des Tribosystems Kolben/Buchse258
6.4.5 Zusammenfassung262
6.5 Umweltverträgliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide263
6.5.1 Einleitung263
6.5.2 Esteröle als Kühlschmierstoffe in der Zerspantechnik263
6.5.3 Hochleistungs-PVD-Schichtsysteme für das Bohren, Drehen und Fräsen265
6.5.4 Untersuchungen zu den Ursachen, die zur Entschichtung beschichteter Werkzeuge führen266
6.5.5 Analyse des Verschleißverhaltens nanostrukturierter Hartstoffschichten auf PCBN-Werkzeugen272
6.5.6 Zusammenfassung und Fazit280
6.6 Umweltfreundliche Tribosysteme in der Umformtechnik280
6.6.1 Einleitung280
6.6.2 Vorstellung der Ergebnisse281
6.6.3 Erforschung umweltverträglicher Additive für Umformschmierstoffe292
6.6.4 Zusammenfassung und Fazit299
Quellenverzeichnis300
Kapitel 7304
Untersuchung komplexer Baugruppen einer Werkzeugmaschine304
7.1 Prozesskette Schmierstoffsynthese304
7.1.1 Rückkopplungsoptimierung der Schmierstoffsynthese305
7.1.2 Zusammenfassung308
7.2 Alterungsprüfstand309
7.2.1 Zielsetzung und Versuchsträger309
7.2.2 Prüfstandsaufbau und Vorgehen311
7.2.3 Vorversuche313
7.2.4 Versuchsergebnisse314
7.2.5 Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften319
7.2.6 Wälzlagereinsatz in einer Axialkolbenpumpe321
7.2.7 Zusammenfassung und Fazit325
7.3 Prozesskette Getriebe325
7.3.1 Tragfähigkeitsuntersuchungen an einem Industriegetriebe325
7.3.2 Effizienzuntersuchungen am Getriebe333
7.3.3 Untersuchung des neuartigen Getriebe-Esters HISM/HIGTS336
7.4 Abbildung einer umweltverträglichen Prozesskette zur Fertigung von Zahnrädern339
7.4.1 Aufbau und Arbeitspakete der Prozesskette340
7.4.2 Tribologische Untersuchungen beim Feinschneiden der Zahnradrohlinge341
7.4.3 Spanende Bearbeitung feingeschnittener Zahnräder346
7.4.4 Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften10350
7.4.5 Zusammenfassung und Fazit352
7.5 Zusammenführung der erarbeiteten SFB-Ergebnisse in einem Bearbeitungszentrum11353
7.5.1 Vorschubantriebssysteme355
7.5.2 Hauptspindelsysteme360
7.5.3 Bohren und Fräsen unter Einsatz von Esteröl als Kühlschmierstoff auf einem Bearbeitungszentrum14364
7.5.4 Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften15368
7.5.5 Zusammenfassung und Fazit369
Quellenverzeichnis370
Kapitel 8374
Erfassung tribologischer Zusammenhänge und Erkenntnisse in einer Datenbank374
Quellenverzeichnis391
Kapitel 9392
Fazit392
Sachverzeichnis396

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