Schmiermittel

In Fertigungsprozessen kommt dem Schmierstoff eine besondere Bedeutung zu, da gerade viele Verfahren erst durch ein geeignetes Schmiermittel ermöglicht werden.

Warum werden Schmiermittel eingesetzt?

Der primäre Zweck des Schmierstoffeinsatzes ist die Minderung von Reibungs- und Verschleißgrößen durch Trennung der Kontaktflächen. Analog zur Betrachtung verschiedener Reibungszustände können unterschiedliche Schmierungszustände betrachtet werden. Vereinfacht sind das Voll-, Teil-, und Grenzschmierung, deren Zustandsbeschreibung sich aus der Definition der entsprechenden Reibungszustände Flüssigkeits-, Misch-, und Grenzreibung ergibt. In den meisten fertigungstechnischen Anwendungen werden ölbasierte flüssige Schmierstoffe, seltener auch paströse, fettartige und feste Stoffe verwendet.

Schmierungstheorie

Ein vollgeschmiertes, hydrodynamisches System lässt sich mit Hilfe verschiedener Schmierungstheorien beschreiben. Im Falle der Verwendung eines flüssigen Schmierstoffs sind das die hydrodynamische und die elastohydrodynamische Schmierungstheorie.

Hydrodynamische Schmierung

Bei hydrodynamischer Schmierung kann von einem durchgängig tragfähigen Schmierfilm ausgegangen werden, der die auftretenden äußeren Lasten im Gleichgewicht hält. Eine Beschreibung der hydrodynamischen Schmierung kann durch die Reynold´sche Druckdifferentialgleichung erfolgen, die eine Vereinfachung des dreidimensionalen Strömungszustandes durch zusätzliche Annahmen darstellt. Die Reynold´sche Druckdifferentialgleichung wird auch vielfach verwendet um die Wirkung von Mikrostrukturen in hydrodynamischen Systemen zu beschreiben und darauf aufbauend zu simulieren. In Abhängigkeit von der Geometrie h des Schmierspalts, den Gleitgeschwindigkeiten u und w und Schmierstoffkennwerten, wie der dynamischen Viskosität η und Dichte ρ, liefert sie die Druckverteilung p im Schmierfilm. In abgewandelter Form kann damit die hydrodynamische Tragfähigkeit des Schmierfilms sowie die viskose Reibkraft in Systemen mit mikrostrukturierten Oberflächen berechnet werden.

Elastohydrodynamische Schmierung

Bei elastohydrodynamischer Schmierung treten elastische Verformungen der in Kontakt stehenden Körper auf. Bei hohen Schmierfilmdrücken verändern sich darüber hinaus die Schmierstoffkennwerte Viskosität und Dichte, da diese oftmals eine gewisse Druckabhängigkeit aufweisen. Hierbei werden bei der Lösung der Reynold´schen Differentialgleichung die elastohydrodynamischen Randbedingungen über belastungs-, geschwindigkeits- und materialabhängige Parameter berücksichtigt. Unter Einbeziehung von Festkörpertraganteilen ergeben sich aus der elastohydrodynamischen Schmierungstheorie auch Modelle für das Mischreibungsgebiet bzw. teilgeschmierte Tribokontakte.

Grenzschmierung

Grenzschmierung tritt auf, wenn die Bildung hydrodynamischer und elastohydrodynamischer Traganteile aufgrund des spezifischen Beanspruchungskollektivs nicht möglich ist. Dies ist der Fall, wenn die Belastung zu hoch oder die Gleitgeschwindigkeit zu niedrig ist. Generell wird versucht, durch einen Schmierstoffeinsatz in der Umformtechnik die Reibungsverhältnisse von der Grenzreibung zu einer hydrodynamischen Reibung hin zu verschieben. In vielen Verfahren der Massivumformung ist die Grenzreibung jedoch der vorherrschende Reibungs- bzw. Schmierungszustand.

Viskosität

Eine zentrale Eigenschaftsgröße in Bezug auf fluide Schmierstoffe ist deren Viskosität. Die Viskosität kann als Maßeinheit für die innere Reibung des Schmiermittels verstanden werden. Sie spiegelt die Zähflüssigkeit eines Mediums wieder. Je höher die Viskosität ist umso dickflüssiger ist ein Stoff. Die Viskosität ist keine Stoffkonstante, sondern abhängig von verschiedenen Randbedingungen wie dem Geschwindigkeits- bzw. Schergefälle D, der Zeit t, der Temperatur T und dem Druck p. Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität ab, weshalb bei der Messung der Viskosität immer auch die Temperatur angeben wird. Auf Basis der Abhängigkeit der Viskosität vom Schergefälle kann zwischen Newton´schen und strukturviskosen Fluiden unterschieden werden. Bei letzterem ist keine Abhängigkeit der Viskosität vom Schergefälle gegeben.