Entstehungsmechanismus und globale Kontrollstrategie von Ölnebel in Kühlschmierstoffen

Autorin: Vanessa, 11. April 2025, Kategorie: Anwendungen

Ⅰ. Multiphysikalischer Kopplungsmechanismus der Ölnebelbildung

Die Entstehung von Ölnebel beim Zerspanen ist das Ergebnis des Zusammenspiels mehrerer physikalischer Mechanismen. Dabei treten drei Hauptphasen auf:

(1) Primäre Zerstäubungsphase: Überschreitet die Schnittgeschwindigkeit den kritischen Wert (üblicherweise 120 m/min beim Drehen und 90 m/min beim Fräsen), bildet sich zwischen der Spanfläche des Werkzeugs und dem Span eine instabile, viskose Scherschicht. Entsprechend der Reynoldszahl (Re > 2300) gerät die Flüssigkeit in einen turbulenten Zustand, was zu einem kapillaren Bruch des Flüssigkeitsfilms führt. Experimentelle Daten zeigen, dass die Partikelgröße der dabei entstehenden Öltröpfchen überwiegend im Bereich von 50–200 μm liegt.

(2) Sekundärzerstäubungsphase: Das schnell rotierende Werkstück und Werkzeug (üblicherweise mit über 8000 U/min) übt eine starke Zentrifugalwirkung auf die primären Öltröpfchen mit einer Beschleunigung von bis zu 3000 g aus. Dabei werden die Öltröpfchen weiter in feine Partikel von 10–50 μm zerkleinert. CFD-Simulationen zeigen, dass die Zerstäubungseffizienz in dieser Phase negativ mit der dynamischen Viskosität des Kühlschmierstoffs korreliert. Sinkt die Viskosität von 46 cSt auf 32 cSt, erhöht sich die Zerstäubungsmenge um etwa 40 %.

(3) Thermische Verdampfungs- und Kondensationsphase: Die Temperatur in der Schneidzone kann 600–800 °C erreichen, wodurch etwa 5–15 % des Kühlschmierstoffs verdampfen. Anschließend kondensieren diese Dämpfe in einer kühleren Werkstattumgebung wieder zu ultrafeinen Partikeln von 0,1–1 μm. Massenspektrometrische Analysen zeigen, dass diese Partikel höhere Konzentrationen an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) enthalten. Ihre äquivalente Konzentration an Benzo[a]pyren kann das Drei- bis Fünffache herkömmlicher Partikel erreichen.

II. Klassifizierungssystem und technische Eigenschaften von Ölnebeln in der Metallverarbeitung

Ölnebel in industriellen Umgebungen kann anhand seines Entstehungsmechanismus, seiner physikalischen Eigenschaften und seiner chemischen Zusammensetzung in mehrere Kategorien eingeteilt werden. Verschiedene Arten von Ölnebeln erfordern gezielte Bekämpfungsstrategien. Die systematische Klassifizierung von Ölnebel erfolgt gemäß ISO 18757 und ASTM E2516 wie folgt:

(1) Klassifizierung nach Entstehungsmechanismus

Mechanisch erzeugter Nebel

• Entstehungsbedingungen: Schnittgeschwindigkeit > 80 m/min, Reynoldszahl Re > 2500
• Partikelgrößenverteilung: 10–100 μm (modaler Durchmesser ca. 35 μm)
• Typische Eigenschaften:
• • Die Tropfen sind kugelförmig, die Oberflächenspannung dominiert die Morphologie.
• • Enthält die ursprünglichen Bestandteile des Kühlschmierstoffs (Grundöl + Additive).
• • Macht 65–75 % des gesamten Ölnebels aus.

Thermisches Kondensationsaerosol

• Entstehungsbedingungen: Schneidzonentemperatur > 400 °C
• Partikelgrößenverteilung: 0,1–1 μm (modaler Durchmesser 0,3 μm)
• Typische Eigenschaften:
• • Die Partikel liegen meist in unregelmäßigen Aggregaten vor.
• • Reich an thermischen Zersetzungsprodukten (PAK, Aldehyde).
• • 15–25 % des gesamten Ölnebels

Pyrolytische Partikel

• Entstehungsbedingungen: Lokale Temperatur > 650 °C und Sauerstoffmangel
• Partikelgrößenverteilung: 50–300 nm (modaler Durchmesser 80 nm)
• Typische Eigenschaften:
• • Organische Schicht auf dem Kohlenstoffkern
• • Enthält Metalloxide (Fe3O4, Cr2O3 usw.)
• • 5–10 % des gesamten Ölnebels

(2) Klassifizierung nach Flüssigkeitstyp

Reinölnebel

• Grundöl: Mineralöl (C20-C50-Kohlenwasserstoffe)
• Typische Viskosität: 32–68 cSt bei 40 °C
• Gesundheitsrisiken:
• • Benzo[a]pyren-Gehalt: 0,8–3,2 μg/m³
• • Ablagerungsrate in den Atemwegen: 35–45 %

Emulsionsölnebel

• Zusammensetzung: 30–50 % Mineralöl + Wasser + Emulgator
• Leitfähigkeit: 2–5 mS/cm
• Besondere Aspekte:
• • Mikrobielles Wachstum (> 10⁶ KBE/ml)
• • Formaldehydabgabe: 0,2–0,8 mg/m³

Synthetisches Fluid-Aerosol

• Hauptbestandteile: Polyether, Esterverbindungen
• Flüchtige organische Verbindungen (VOC): 150–400 ppm
• Umweltverhalten:
• • Ozonbildungspotenzial: 0,4–0,7
• • Biologische Abbaubarkeit (BSB5/CSB): 0,3–0,6

(3) Klassifizierung nach Partikelgrößenverteilung (gemäß ISO 12103-1)

III. Vergleich der Messtechnik für Ölnebeleigenschaften

Verschiedene Ölnebelarten erfordern unterschiedliche Kontrollstrategien:

• Für mechanisch zerstäubten Ölnebel: Zentrifugalabscheidung empfohlen (Effizienz > 85 %)
• Für thermisch verdampften Ölnebel: HEPA-Filterung erforderlich (Effizienz > 99,97 %)
• Für MMS-Aerosol: elektrostatisch verstärkte Koaleszenztechnologie empfohlen

IV. Im Kontext der grünen Transformation der globalen Fertigungsindustrie definiert die innovative Affinitätskoaleszenztechnologie von Trenntech das Standardparadigma der Ölnebelbehandlung neu. Ihr Kernwert spiegelt sich in drei Dimensionen wider:

• Technologischer Fortschritt: Die hocheffiziente Erfassung von Ölnebelpartikeln (99,97 % bei 0,1 μm) wird durch Oberflächendesign auf molekularer Ebene erreicht.
• Wirtschaftliche Nachhaltigkeit: 42 % geringerer Energieverbrauch und 60 % geringere Wartungskosten als herkömmliche Lösungen bei einer Amortisationszeit von <2 Jahren.
• Umweltfreundlichkeit: Erfüllt die strengsten Anforderungen des Umweltmanagementsystems ISO 14000 und unterstützt Unternehmen bei der Erreichung ihrer Klimaneutralitätsziele.

Durch den Einsatz intelligenter Überwachungssysteme und neuer Nanokomposite gewinnen Trenntech-Lösungen weltweit an Anerkennung. Mit der fortschreitenden Weiterentwicklung von Industrie 4.0 wird Trenntech auch in Zukunft die Entwicklung der Ölnebelkontrolltechnologie hin zu mehr Intelligenz und Präzision vorantreiben und wichtige technische Unterstützung für die nachhaltige Entwicklung der globalen Fertigungsindustrie leisten.