DE19629329A1 - Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von metallischen Werkstoffen mit magnetbestückten Werkzeugen zur Erwärmung der Werkstück-Randzone durch induzierte Wirbelströme - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung von metallischen Werkstoffen mit magnetbestückten Werkzeugen zur Erwärmung der Werkstück-Randzone durch induzierte WirbelströmeInfo
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Description
Bei der spanenden Bearbeitung von Metallen werden üblicherweise Kühlschmierstoffe einge
setzt, die im technischen Prozeß 3 Hauptaufgaben wahrnehmen:
- - Kühlung von Werkzeug und Werkstück
- - Schmierung zur Verringerung von Schnittkräften und Reibungswärmen
- - Reinigung von Werkstück und Werkzeug durch Spülen der Kontaktfläche
Der Zwang zum Einsatz von Kühlschmierstoffen ergibt sich aus der Forderung, Werk
zeugstandzeiten zu verlängern und hohe Bearbeitungsqualitäten zu erreichen. Bei der Zerspa
nung werden ca. 75% der eingesetzten Energien in Wärme umgewandelt, so daß die ther
mische Beanspruchung neben der mechanischen maßgeblich die Standzeit beeinflußt. Die
Schmierung verringert die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, durch die Kühlung
wird die thermische Belastung des Werkzeugs herabgesetzt, damit längere Werkzeugstandzei
ten bzw. höhere Schnittleistungen erreicht werden.
Untersuchungen zeigen, daß der Werkzeugverschleiß mit der Temperatur sehr stark ansteigt,
so daß eine Kühlung des Werkzeugs zu erheblichen Standzeitverlängerungen führt.
Die Festigkeit metallischer Werkstoffe nimmt i. a. mit der Temperatur ab, so daß die erforderli
che Zerspanungsenergie bzw. Reibungswärme, insbesondere bei hochfesten Werkstoffen, mit
der Temperatur deutlich abnimmt. Deshalb ist - unter der Voraussetzung, daß thermische
Schädigungen des Materials durch Gefügeveränderungen u. ä. vermieden werden - eine kon
trollierte Erwärmung des Werkstücks günstig für den Zerspanungsprozeß.
In dieser Hinsicht ist die ständige Abkühlung des Werkstücks durch die übliche Kühlschmie
rung durch Überfluten energetisch eigentlich ein Widersinn, da die eingebrachte Zerspa
nungswärme ständig dem Werkstück entzogen wird und über das Werkzeug immer wieder neu
eingebracht werden muß.
Bei der Bearbeitung hochfester Werkstoffe wird den Vorteilen einer gezielten Erwärmung der
Werkstückkontaktzone Rechnung getragen. So wird beim "laserinduzierten Hartdrehen" ein
hochfester Werkstoff, der sonst nur durch Schleifen bearbeitet werden könnte, durch gezielte
Erwärmung des Werkstücks vor dem eingreifenden Werkzeug mittels eines Lasers dem Drehen
mit höheren Abtragsraten zugänglich gemacht.
Kühlschmierstoffe werden im Gebrauch zersetzt und müssen von Zeit zu Zeit erneuert werden.
Die hier anfallenden Mengen müssen bei steigenden Entsorgungskosten als Sonderabfalle ent
sorgt werden. Die Einsparung von Kühlschmierstoffen ist deshalb Gegenstand intensiver For
schung und Entwicklung. Hier sind 2 Entwicklungslinien zu nennen:
- - Trockenbearbeitung
- - Minimalmengen-Kühlschmierung
Die Trockenbearbeitung hochfester, zäher Werkstoffe ist wegen der fehlenden Schmierung
bisher nicht möglich; nach kurzer Zeit gerät der Wärmehaushalt zwischen Werkstück, Span
und Werkzeug durch die hohen thermischen Belastungen im Zerspanungsprozeß außer Kon
trolle, die Temperatur steigt und es tritt schließlich über Schneidenbildung ein Blockieren des
Werkzeugs ein. Hier wird versucht, durch zusätzliche Gleitschichten auf der Werkzeugoberflä
che eine Mindestschmierung auch im trockenen Zustand zu erreichen.
Die Minimalmengen-Kühlschmierung ist wegen der thermischen Zersetzung der dabei verwen
deten Schmiermittel bei hochfesten Werkstoffen bisher ebenfalls nicht mit interessanten
Schnittparametern einsetzbar. Außerdem bestehen wegen der geringen Flüssigkeitsmengen
Probleme hinsichtlich einer ausreichenden Kühlung.
Aufgrund der Probleme bei der spanenden Bearbeitung metallischer Werkstoffe, insbesondere
mit hohen Festigkeiten und Zähigkeiten, sollte der Zerspanungsprozeß mit folgenden Merkma
len ablaufen:
- - Die Zerspanungswärme wird vor allem durch die wegfliegenden Späne abgeführt.
- - Schmierung der Kontaktfläche durch einen temperaturbeständigen Schmierfilm mit filmbildenden Additiven, die auch bei Temperaturen von 1.000°C und mehr erhalten bleiben.
- - Kontrollierte Erwärmung der Kontaktfläche am Werkstück, so daß durch Erniedrigung der Streckgrenze die erforderliche Zerspanungsleistung herabgesetzt wird.
- - Vor allem bzw. nur das Werkzeug wird effektiv gekühlt, so daß die Temperaturbela stung des Werkzeugs kontrolliert wird.
- - Das Werkstück wird nur insoweit gekühlt, um thermische Schädigungen der Werk stückrandzone zu verhindern. Dies ist kein Problem, wenn die erzeugten Oberflächen noch nicht die endgültige Funktionsflächen darstellen, wie etwa bei Grobbearbeitungs gängen.
Die Erwärmung der Werkstückrandzone wird bei der üblichen Bearbeitung allein durch die
Reibungswärme bestimmt (Sonderfalle sind die laserinduzierten Verfahren: Neben dem Hart
drehen wurden auch Versuche zum "Drückwalzen" bekannt).
Vor dem Hintergrund dieser laserinduzierten Verfahren und im Hinblick auf die positiven Fol
gen einer Erwärmung der Werkstückrandzonen durch Erniederung der Festigkeit und damit
Reduzierung von Zerspanungsenergien, wäre eine alternative Möglichkeit zur gezielten Ein
bringung von Wärme in die Werkstückrandzone technologisch interessant.
Hier bietet die Erfindung einen neuen Ansatz durch eine Bearbeitung mit magnetbestückten
Werkzeugen, wodurch aufgrund der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück in
der Werkstückrandzone Wirbelströme induziert werden. Diese führen eine Erwärmung in den
Bereichen herbei, die vor der Eingriffsfläche des Werkzeugs liegen, so daß das Werkzeug auf
einen Bereich reduzierter Festigkeit trifft.
Diese Tatsache hat nun positive Wirkungen auf den Wärmehaushalt zwischen Werkstück, Span
und Werkzeug, da die Werkzeug-Kontaktfläche weniger thermisch belastet wird und deshalb
durch Kühlung besser kontrolliert werden kann.
Die Erfindung beinhaltet eine sinnreiche Verknüpfung der Bewegungsenergie aus der Relativ
bewegung Werkzeug-Werkstück und der dadurch induzierten Wärme in einer begrenzten
Werkstückrandzone. Den zusätzlichen Bedarf an Bewegungsenergie (Lenzsche Regel!) kann
hier in eleganter Weise direkt aus dem mechanischen Antrieb gewonnen werden.
Die über die magnetische Induktion mittels Wirbelströmen eingebrachte Wärme muß nicht
durch Reibung mit dem Werkzeug aufgebracht werden, so daß die thermische Belastung des
Werkzeugs erheblich reduziert wird, ohne Einbußen bei der Festigkeitsreduzierung am Werk
stück.
Das Kreissägeblatt wird mit Segmenten bzw. ausgewählten Zähnen aus permanentmagne
tischem Material versehen. Die Magnete sind so angeordnet, daß die Magnetisierung zum
Werkstück hin gerichtet ist.
Durch die Rotation des Sägeblatts werden die magnetischen Segmente mit der Bahngeschwin
digkeit an der Werkstückrandzone vorbeigeführt. Diese Bereiche werden also einer ständig
wechselnden Magnetisierung ausgesetzt, die in dieser Zone Wirbelströme induziert. Für
typische Bearbeitungsparameter läßt sich abschätzen, daß die Wirbelströme mit einer Frequenz
von 2-5 kH induziert werden.
Die durch die Wirbelströme hervorgerufene Erwärmung bewirkt eine Abnahme der mecha
nischen Festigkeit zusätzlich zu der durch Diffusion aus der Abtragszone eingebrachten
Wärme. Wichtig ist, daß dieser Wärmebeitrag unabhängig von einer thermischen Belastung des
Werkzeugs selbst entsteht, so daß der thermische Haushalt des Gesamtsystems verbessert
wird.
Die Erwärmung durch die induzierten Wirbelströme bleibt auf einen engen Bereich begrenzt,
der weitgehend dem abzuspanenden Bereich entspricht. Eine thermische Schädigung weiterer
Randzonen wird so vermieden.
Claims (18)
1. Verfahren zur spanenden Bearbeitung metallischer Werkstoffe mit Hilfe in geeigneter
Weise mit Magneten bestückter Werkzeuge
2. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung ein Drehen ist.
3. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung ein Fräsen ist.
4. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung ein Bohren ist.
5. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung ein Sägen ist.
6. Verfahren nach 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sägewerkzeug ein Kreissägeblatt
ist.
7. Verfahren nach 5, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Werkzeug ein Band
sägeblatt ist.
8. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund der Bewegung der am
Werkzeug befestigten Magnete relativ zum Werkstück im metallischen Werkstück Wir
belströme induziert werden, die eine Erwärmung der betroffenen Zone bewirken.
9. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktzone Werkstück-Werk
zeug mit einem temperaturstabilen Schmierfilm versehen wird.
10. Verfahren nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor allem die Kontaktfläche am Werk
zeug bzw. das Werkzeug gekühlt wird, während eine Erwärmung der Kontaktzone am
Werkstück kontrolliert zugelassen wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Werkzeug für eine spanende Bearbeitung metallischer Werkstoffe in geeigneter Weise
mit Magneten bestückt wird.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Werk
zeug für die Bearbeitung "Fräsen" handelt.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Werk
zeug für die Bearbeitung "Drehen" handelt.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Werk
zeug für die Bearbeitung "Bohren" handelt.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein Werk
zeug für die Bearbeitung "Sägen" handelt.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen
Segmente zwischen den Zähnen angeordnet sind.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mechanisch nicht oder
wenig belastete Zähne selbst als magnetische Segmente ausgestaltet werden.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen
Segmente an der üblichen Position der Zähne angeordnet werden.
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| DE19629329A1 true DE19629329A1 (de) | 1998-01-22 |
Family
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN102740727A (zh) * | 2009-11-25 | 2012-10-17 | 丹尼.L.黑尔 | 有色产品的包装 |
-
1996
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