Prozessoptimierung für das Schleifen von HSS ... - oelheld GmbH
Prozessoptimierung für das Schleifen von HSS ... - oelheld GmbH
Prozessoptimierung für das Schleifen von HSS ... - oelheld GmbH
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6/2009<br />
Technische Fachzeitschrift für: • Werkzeugschleifmaschinen<br />
• Rundschleifmaschinen<br />
• Flachschleifmaschinen<br />
• Gleitschleiftechnik<br />
• Läppen und Honen<br />
• Schleif- und Poliermittel<br />
• Abrichtgeräte und -werkzeuge<br />
• CNC-Steuerungen und Software<br />
• Wasch- und Entölungsanlagen<br />
• Entstaubung und Arbeitssicherheit<br />
• Kühlschmierstoff-Aufbereitung<br />
• Messtechnik<br />
Fachverlag Möller, Neustr. 163, 42553 Velbert, Tel.: 02053/981251, Fax: 02053/981256, www.fachverlag-moeller.de, 13. Jahrgang, Nov./Dez. 2009, G 44985<br />
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SPECIAL - WERKZEUGSCHLEIFMASCHINEN<br />
<strong>Prozessoptimierung</strong> für <strong>das</strong> <strong>Schleifen</strong><br />
<strong>von</strong> <strong>HSS</strong>-Schneidstoffen<br />
Schneidstoffen besteht darin, mit<br />
einerseits hohen Schnittwerten<br />
einen wirtschaftlichen Prozess zu<br />
realisieren und andererseits <strong>das</strong><br />
Werkstück auf keinen Fall thermisch<br />
zu überlasten.<br />
Die wesentlichen Randbedingungen,<br />
die für einen wirtschaftlichen<br />
Herstellungsprozess<br />
betrachtet werden müssen, sind<br />
schnell definiert: Werkstück,<br />
Schleifscheibe, Kühlschmierstoff<br />
und Bearbeitungsmaschine.<br />
Maschine und<br />
Programmiersystem<br />
Bild 1: Schaftfräser<br />
Werkzeuge aus <strong>HSS</strong> haben<br />
weiterhin große Bedeutung in<br />
speziellen Bearbeitungsbereichen,<br />
in denen sich Hartmetall nicht<br />
durchsetzen konnte:<br />
Bei der Bearbeitung <strong>von</strong> dünnwandigen<br />
Teilen aus Titan und bei<br />
zähen Kupferlegierungen (Buntmetallen).<br />
Die hier eingesetzten<br />
Bild 2: Numroto 3D Simulation<br />
<strong>HSS</strong>-Schneidstoffe sind zumeist<br />
Kobaltlegierungen sowie PM-Sinterwerkstoffe,<br />
deren Härte bis 67<br />
HRC sowie die Neigung zu verhältnismäßig<br />
langen Spänen wiederum<br />
für die Schleifbearbeitung<br />
eine Herausforderung darstellen.<br />
Die grundsätzliche Herausforderung<br />
beim <strong>Schleifen</strong> <strong>von</strong> <strong>HSS</strong>-<br />
Auf der im letzten Jahr vorgestellten<br />
CNC Werkzeugschleifmaschine<br />
WZS 700 REINECKER<br />
ist im Folgenden der erste umfangreiche<br />
<strong>HSS</strong>-Schleifversuch<br />
beschrieben. Die Bearbeitung<br />
wurde <strong>von</strong> Thomas Becker<br />
(Anwendungstechnik Ulmer<br />
Werkzeugschleiftechnik <strong>GmbH</strong><br />
& Co. KG) unter NUMROTOplus<br />
programmiert, die Maschine<br />
für den Versuch entsprechend<br />
eingerichtet.<br />
Kühlschmierstoff<br />
Die Kühlmittelanlage wurde mit<br />
einem DiaGrind-Basisöl <strong>von</strong> der<br />
Firma <strong>oelheld</strong> <strong>GmbH</strong> aus Stuttgart<br />
befüllt, <strong>das</strong> Öl hatte eine<br />
mittlere Viskosität und war nur<br />
mit wenigen Additiven versehen.<br />
Während der Versuche wurde<br />
die Auswirkung des Öles auf die<br />
Schleifleistung durch gezielte Zugabe<br />
spezieller Additive hinsichtlich<br />
erreichbaren Vorschubs und<br />
Schleifbrandbildung optimiert.<br />
Seitens <strong>oelheld</strong> wurden die Versuche<br />
sehr intensiv durch Herrn<br />
Martin Jäckle betreut.<br />
Die Kühlmittelpumpe stellte mit<br />
120 l/min bei 10 bar eine realitätsnahe<br />
Versorgung dar, ein<br />
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SCHLEIFEN + POLIEREN 6/2009 www.fachverlag-moeller.de
SPECIAL - WERKZEUGSCHLEIFMASCHINEN<br />
Die Basis des <strong>Schleifen</strong>s<br />
Das Fachbuch für Ausbildungsbetriebe,<br />
berufsbildende Schulen<br />
und Fachkräfte.<br />
Sie erfahren hier <strong>das</strong> Wesentliche<br />
über den Aufbau und die Wirkungsweise<br />
<strong>von</strong> CBN/Diamant/Korund/SC-<br />
Schleifwerkzeugen und den gebräuchlichsten<br />
Konditionierwerkzeugen,<br />
den Umgang mit Kühlschmierstoffen,<br />
ergänzt mit anwendungsspezifischen<br />
Hinweisen für die 3 Grundschleifoperationen:<br />
Außenrund-, Innenrund- und<br />
Flachschleifen.<br />
Details und nähere Hinweise finden Sie im Internet unter www.schwammkrug.de<br />
Nettoverkaufspreis: Euro 62,-- + gesetzl. Mehrwertsteuer<br />
Kühler stabilisierte die Anlage<br />
thermisch.<br />
Schleifscheiben<br />
Aufgrund der stark variablen<br />
Spanraumgeometrie werden<br />
nach wie vor leicht abrichtbare,<br />
keramisch gebundene Scheiben<br />
mit Hochleistungs-Stäbchenkorund<br />
(TGX), eingesetzt. CBN-<br />
Scheiben sind relativ teuer und<br />
bieten nur für konkrete Formen<br />
eine wirtschaftlich vergleichbare<br />
Alternative.<br />
Die Wahl fiel im ersten Anlauf auf<br />
Norton, da hier schon aus der<br />
Vergangenheit Erfahrungswerte<br />
vorlagen.<br />
Für diesen Versuch hat die Firma<br />
Saint-Gobain Abrasives unterschiedliche<br />
Spezifikationen und<br />
anwendungstechnische Kompetenz<br />
durch Herrn Neugebauer zur<br />
Verfügung gestellt.<br />
Werkstück<br />
Schaftfräser zylindrisch<br />
Werkstoff: <strong>HSS</strong>-E Co 5<br />
Durchmesser: 32 mm<br />
Nut: 36°<br />
Drall mit L= 62 mm<br />
Schneiden z = 6<br />
Im folgenden Versuch wird nur<br />
die Bearbeitung der Nut optimiert,<br />
da diese den wesentlichen Anteil<br />
der Gesamtbearbeitung darstellt.<br />
Arbeitsrichtwerte:<br />
Konstant:<br />
Schnitttiefe gesamt 5,1 mm<br />
Abrichtbetrag 0,03 mm<br />
Die variablen Arbeitsrichtwerte sowie<br />
die Bewertungskriterien sind<br />
im jeweiligen Versuch aufgeführt.<br />
Versuch 1<br />
Mit einer marktgängigen Schleifscheibe<br />
Norton-TGX120 und<br />
ebenfalls aktuell bewährten Additiven<br />
im Kühlschmierstoff wurden<br />
in jedem Versuch mindestens<br />
12 Nuten geschliffen und bewertet:<br />
Schruppzyklus 1 Schruppzyklus 2 Schruppzyklus 3<br />
Bild 3: Grafik zum Erreichen gleichmäßiger Abtragsraten aus Numroto 3D Simulation<br />
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SPECIAL - WERKZEUGSCHLEIFMASCHINEN<br />
Bild 4:<br />
Nutauslauf mit Anlassfarben<br />
Arbeitsrichtwerte V1:<br />
3 x Schruppzyklus<br />
vc = 60 m/sec mit<br />
f1 = 800 mm/min<br />
1 x Schlichtzyklus<br />
vc = 60 m/sec<br />
mit f1 = 800 mm/min<br />
Gegenlauf<br />
Ergebnisse V1:<br />
Zykluszeit<br />
tges = 5 min 29 sec<br />
Max. Leistungsaufnahme<br />
25 %<br />
Anlassfarbe<br />
sichtbar im Nutauslauf<br />
Oberfläche<br />
Rz 2,5<br />
Max. Abtragsrate<br />
8.300 mm³/min<br />
In weiteren Versuchen wurden<br />
dann die variablen Werte systematisch<br />
verändert sowie unterschiedliche<br />
Strategien beim<br />
Abrichten angewendet.<br />
Teilweise haben sich deutliche<br />
Schwankungen in der Leistungsaufnahme,<br />
der thermischen<br />
Belastung sowie bei Geräuschen<br />
im Prozess und somit im Ergebnis<br />
gezeigt.<br />
Versuch 6<br />
Mit der Schleifscheibe aus Versuch<br />
1 und einem durch reine<br />
Additivierung optimierten Kühlschmierstoff<br />
wurden in diesem<br />
Versuch ebenfalls 12 Nuten<br />
bearbeitet:<br />
Arbeitsrichtwerte V6:<br />
2 x Schruppzyklus<br />
vc = 60 m/sec<br />
mit f1= 800 mm/min<br />
1 x Schlichtzyklus<br />
vc = 60 m/sec<br />
mit f1= 800 mm/min<br />
Gleichlauf<br />
Ergebnisse V6:<br />
Zykluszeit<br />
tges = 3 min 43 sec<br />
Max. Leistungsaufnahme<br />
29 %<br />
Anlassfarbe<br />
keine, Rissprüfung negativ<br />
Oberfläche<br />
Rz 1,6<br />
Max. Abtragsrate<br />
14.600 mm³/min<br />
Zusammenfassung<br />
Durch gezielte Änderung einzelner<br />
Prozessparameter erfolgte eine<br />
schrittweise <strong>Prozessoptimierung</strong>.<br />
Signifikante Veränderungen<br />
ergaben sich durch reduzierte<br />
Arbeitszyklen mit mehr Schnitttiefe<br />
und annähernd gleicher Abtragsrate<br />
sowie einer veränderten<br />
Bearbeitung für den Nut-Auslauf.<br />
Dies erfordert eine entsprechende<br />
Expertise im Umgang mit dem<br />
Programmiersystem.<br />
Die Abrichtstrategie wurde gezielt<br />
auf maximale Schärfe der Schleifscheibe<br />
gebracht, damit sank<br />
proportional der Leistungsbedarf.<br />
Im Leistungsbedarf spiegelt<br />
sich der gesamte Schleifprozess<br />
wieder, allerdings ohne den<br />
Wirkungsgrad zu definieren: Der<br />
Leistungsbedarf steigt z.B. rapide<br />
an, sobald durch Passivkräfte die<br />
Reibung hoch wird und dennoch<br />
unzureichender Abtrag stattfindet.<br />
Dies äußert sich entsprechend in<br />
der thermischen Belastung des<br />
Werkstücks, die Folgen sind Verfärbung<br />
und Risse.<br />
Der Anwender kann seine Maschine<br />
und deren Leistung also<br />
nur dann effektiv umsetzen, wenn<br />
der gesamte Prozess optimiert ist.<br />
Das heißt, <strong>das</strong>s bei gegebenem<br />
Werkstück die passende Schleifscheibe<br />
mit der richtigen Abrichtund<br />
Schleifstrategie eingesetzt<br />
werden muss.<br />
Einfluss und Wirkung des Kühlschmierstoffs<br />
sind erheblich, müssen<br />
aber ebenfalls als Konstante<br />
betrachtet werden und grundsätzlich<br />
zum Prozess passen. Ein<br />
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Öl, <strong>das</strong> z.B. für die Bearbeitung<br />
<strong>von</strong> Hartmetall optimiert wurde,<br />
ist für die Bearbeitung <strong>von</strong> <strong>HSS</strong>-<br />
Werkstoffen nur eingeschränkt<br />
tauglich. Einzig variable Größen<br />
wären Druck und Volumenstrom,<br />
gezielte Zufuhr zum Prozess wird<br />
vorausgesetzt.<br />
Die Anforderungen werden <strong>von</strong><br />
einer zeitgemäßen 5-Achs CNC-<br />
Universalschleifmaschine grundsätzlich<br />
erfüllt, wobei für <strong>das</strong><br />
effiziente <strong>Schleifen</strong> <strong>von</strong> <strong>HSS</strong> eine<br />
Abrichteinrichtung sowie genügend<br />
Leistung und Kühlschmierstoff<br />
verfügbar sein müssen.<br />
Die Werkzeugschleifmaschine<br />
WZS 700 REINECKER hat mit<br />
22/29 kW Spindelantriebsleistung<br />
und reichlich Drehmoment<br />
genügend Potenzial, um Arbeitsrichtwerte<br />
auch bei Scheiben mit<br />
Durchmesser 200 mm umzusetzen,<br />
die den gesamten Prozess<br />
sehr wirtschaftlich darstellen.<br />
Die Maschine verfügt über einen<br />
10-fach Schleifscheibenwechsler,<br />
Kühlmitteldüsen werden mit gewechselt.<br />
Ein Diamant-Abrichtrad<br />
ist auf der Werkstückspindel montiert<br />
und ermöglicht prozessnahes<br />
Abrichten.<br />
Ein Gestell aus Polymerbeton<br />
bietet genügend Steifigkeit und<br />
Dämpfung, Antriebe mit Achsgeschwindigkeiten<br />
bis 30 m/min<br />
stellen ausreichende Dynamik zur<br />
Verfügung. In beiden Rotationsachsen<br />
arbeiten wassergekühlte<br />
Direktantriebe (Torque-Motoren).<br />
Direkte Messsysteme hoher Auflösung<br />
in allen Maschinenachsen<br />
sichern die erforderliche Genauigkeit.<br />
Dieses neue Maschinenkonzept,<br />
ergänzt durch eine Werkstückautomation,<br />
die auf die individuellen<br />
Belange der Anwender abgestimmt<br />
werden kann, bietet eine<br />
zukunftsweisende Alternative im<br />
Bereich der Werkzeugschleifmaschinen.<br />
(Werkbilder:<br />
Ulmer Werkzeugschleiftechnik<br />
<strong>GmbH</strong> & Co. KG, Ulm-Einsingen)<br />
Universal - Schleifmaschinen<br />
mit dreh und schwenkbarer<br />
Schleifspindel für <strong>das</strong><br />
Flachschleifen, Topfschleifen<br />
Außen-Rundschleifen<br />
Innen-Rundschleifen<br />
Werkzeugschleifen<br />
WS 1<br />
UWS 4<br />
CNC Werkzeugschleifmaschinen<br />
3 + 4 Achsen + 6 manuelle Achsen<br />
AWS 300<br />
Bild 5: Werkzeugschleifmaschine WZS 700<br />
SCHREYER<br />
SCHLEIFMASCHINEN <strong>GmbH</strong><br />
Schulweg 4<br />
D-90610 Winkelhaid<br />
Telefon: 09187 9092-10<br />
Fax: 09187 9092-12<br />
info@schreyer-tgm.de<br />
www.schreyer-tgm.de<br />
www.fachverlag-moeller.de SCHLEIFEN + POLIEREN 6/2009<br />
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