Trennen / Zerteilen / Abtragen

Transkript

1 Trennen / Zerteilen / Abtragen Inhalt 1. Mechanisches Zerteilen Scherschneiden bzw. Stanzen Bruchtrennen (Cracken) Wasserstrahlschneiden Thermisches Trennen Brennschneiden Lichtbogenschneiden Plasmaschneiden Elektronenstrahlschneiden Laserschneiden Trennverfahren im Vergleich Funkenerosives Abtragen Funkenerosives Senken Funkenerosives Schneiden (Drahterodieren) Seite 1 von 16

2 1. Mechanisches Zerteilen 1.2 Scherschneiden bzw. Stanzen Das Zerteilen durch Scherschneiden erfolgt dadurch, dass zwei Schneidkeile das Werkstück im Bereich des Schneidspaltes zunächst elastisch und sodann plastisch verformen. Dabei wird die Blechkante eingezogen, geschnitten und bei Überschreiten der maximal möglichen Schubspannung abgerissen. Es bildet sich meist ein scharfkantiger Grad. Das Scherschneiden kann mit Scheren erfolgen, deren Schneiden sich kreuzen und der Schnittpunkt wandert, oder aber vollkantig. Seite 2 von 16

3 Für lange Schnitte kann das Schneiden durch Rollscheren erfolgen, durch Messerschneiden mit einem Rollmesser, z.b. für das Längsteilen von Metallbändern oder durch Nibbeln (fortlaufendes Stanzen von kleinen, sich überlappenden Löchern). Durch Nibbeln können auch Kurvenschnitte für beliebige Ausschnitte, meist numerisch gesteuert, hergestellt werden. Der Nachteil ist ein relativ breiter Schnittspalt. Dieses Verfahren ist in Amerika sehr verbreitet (anstatt Laserschneiden). Mit Stanzpaketierpressen werden z. B. die geblechten Motorläufer und Motorständer direkt in der Presse hergestellt. Das Werkzeug ist so konstruiert, dass die ausgestanzten Bleche übereinander gestapelt und durch eine leichte Durchsetzfügung zusammengehalten werden und so als endmaßfertiger Blechstapel ausgeschleust werden können. Damit man auch bei variierender Blechdicke das Endmaß einhalten kann, wird die Anzahl der Bleche im Stapel ebenfalls variiert. Damit der Stapel nicht schief läuft bei ungleich dick gewalztem Blech, stapelt man die geschnittenen Teile gedreht übereinander. Die Hubzahl der Stanzpressen reicht bis 600 Hübe pro Minute. Seite 3 von 16

4 1.2 Bruchtrennen (Cracken) Das Bruchtrennen erspart z.b. das spanende Trennen und wird u.a. bei der Herstellung von Pleueln angewandt. Da das große Auge (große Bohrung) im Hubzapfen der Kurbelwelle montiert werden muss, ist es geeteilt herzustellen. Wegen den hohen Anforderungen an den Rundlauf wird es zunächst an einem Stück feingebohrt, dann geritzt und schließlich gezielt gebrochen. Das Ritzen erfolgt mit Räumnadeln oder zunehmend mit Laser. Die Ritze entsteht dabei durch Einbrennen von Sacklöchern. Die Ritze muss nicht tief sein aber scharfkantig. Die beiden Bohrungshälften werden bei der Montage wieder zusammengeschraubt. Die Bruchflächen passen exakt aufeinander. Das Bruchtrennen ist ferner üblich bei Kurbelwellenlagern. Auch hier sind geteilte Lager erforderlich damit die Kurbelwelle montiert werden kann. Seite 4 von 16

5 1.3 Wasserstrahlschneiden Für das spanlose Trennen aller, speziell aber thermisch empfindlicher Werkstoffe, kommt neben dem Laserstrahlschneiden das Schneiden mit einem fokussierten Hochdruckwasserstrahl in Frage. Während bei weichen Werkstoffen allein mit Wasser gearbeitet wird, wird dem Wasser bei zu schneidenden harten Werkstoffen keramisches Pulver zugegeben, das auch hier ein Schneiden selbst größerer Querschnitte ermöglicht. Wegen der fehlenden thermischen Beanspruchung ist die Gefahr von Gefügeveränderungen, Eigenspannungen und Rissen unterbunden. Seite 5 von 16

6 Die Drücke liegen bei über 4000 bar. Man erreicht bei Stahl mit 5mm Dicke z.b. eine Schnitt- Vorschubgeschwindigkeit (Schneidgeschwindigkeit) von 600 mm/min (Tabelle 1). Es können hochlegierte Stähle bis 100 mm Dicke geschnitten werden. 2. Thermisches Trennen 2.1 Brennschneiden Zum Brennschneiden dünner Bleche weist der Schneidbrenner zwei Düsen auf, die in Schneidrichtung hintereinander angeordnet sind. Zum Brennschneiden dickerer Bleche und Brennhobeln (Putzen von Gussstücken; Schweißnahtvorbereitung), das ohnehin nur bei dickeren Blechen zur Anwendung kommt, ist die Brenngas/ Sauerstoff-Düse als Ringdüse ausgeführt, die die Sauerstoffdüse umgibt. Seite 6 von 16

7 Als Brenngas verwendet man: Acetylen, Erdgas, Propan, Wasserstoff und Leuchtgas (für Schnitte unter Wasser: Wasserstoff, Benzin- oder Benzoldämpfe; Zündung über Wasser oder mit in den Brenner eingebauter Glühkerze). Seite 7 von 16

8 Der zu schneidende bzw. zu hobelnde metallische Werkstoff wird durch den Wärmeinhalt der Brenngas/Sauerstoff-Flamme (Heizflamme) bis zur Entzündungstemperatur vorgewärmt. Ist die Temperatur für die Entzündung des Metalls im Sauerstoffstrom erreicht (sie muss unter dem Schmelzpunkt des Metalls liegen), so wird der Werkstoff mit dem aus der zweiten Düse bzw. Kerndüse austretenden Sauerstoffstrahl an der gewünschten Stelle oxidiert, d.h. verbrannt. Grunddsätzlich ist das Brennschneiden aber nur möglich, wenn die Zündtemperatur des Metalls und der Schmelzpunkt des entstehenden Oxids unterhalb der Schmelztemperatur Metalls liegt, was z.b. für Eisen der Fall ist (Zündpunkt des Eisens [1150 C], Schmelzpunkt FeO [1370 C] < Schmelzpunkt des Eisens [1536 C]). Anders ist dies bei legierten Stählen und Nichteisenmetallen, die hochschmelzende Oxide bilden. Diese Oxide machen eine erhebliche Anhebung der Temperatur der Schneidflamme erforderlich. Hierzu nutzt man die stark exotherm (wärmeerzeugend) ablaufende Verbrennung von Eisen- oder Aluminiumpulver aus, das dem Brenngas/ Sauerstoff-Gemisch zugegeben wird. Die Temperatursteigerung an der Bearbeitungsstelle ist dadurch so erheblich, wodurch sogar Feuerfestwerkstoffe und Beton bearbeitbar sind. Diese sehr effektive Temperaturanhebung macht auch das Brennbohren möglich: Der Sauerstoff wird über und zusammen mit einer Stahlrohrlanze vor Ort gebracht. Nach Zündung brennt das Eisen der mit Bohrgeschwindigkeit zugestellten Lanze in dem unter Druck zugeführten Sauerstoffstrom selbständig stetig ab. Die niedrigviskose Schmelze wird durch den Gasdruck ausgeblasen. Seite 8 von 16

9 2.2 Lichtbogenschneiden Zum Erreichen der Zündtemperatur des Werkstoffs wird hier ein zwischen metallischer Sauerstofflanze und Bauteil brennender Lichtbogen verwendet. Ist die Zündtemperatur erreicht, so wird durch die Lanze Sauerstoffzugeführt. Infolge des hohen Wärmeinhalts des Lichtbogens und der Oxidationsreaktion des Bauteils mit dem Sauerstoff brennt die Lanze kontinuierlich ab, was die Temperatur gegenüber einem zusatzwerkstofflosen Schneiden oder Hobeln deutlich anhebt. Gleichzeitig wird das metallische Bauteil aufgeschmolzen, oxidiert und wird durch den Sauerstoffstrahl weggeblasen. 2.3 Plasmaschneiden Im Vergleich zum Plasmaschweißen wird beim Plasmaschneiden die thermische Energie des eingeschnürten Lichtbogens durch Erhöhung der Brennerleistung und wird die kinetische Energie des Plasmas durch Steigerung der Plasmagasmenge wesentlich erhöht. Dadurch können auch durch Brennschneiden kaum zu trennende Werkstoffe bearbeitet werden. Der auf das Bauteil übertragene Lichtbogen sowie der Plasmastrahl schmelzen den Werkstoff an der Bauteiloberfläche lokal auf. Durch die hohe kinetische Energie des Plasmastrahls wird das aufgeschmolzene Material aus der Schnittfuge geschleudert. In der dadurch geschaffenen Schnittfuge kann, vor allem mit zunehmender Tiefe, nur noch der Plasmastrahl wirksam werden, den Werkstoff schmelzen und in diesem Zustand hinausschleudern. Die Fuge wird dadurch tiefer und breiter. Die maximalen Schneiddicken betragen bis 70 mm bei hochlegiertem Stahl. Die maximalen Schneidgeschwindigkeiten sind abhängig von der Werkstoffdicke und liegen zwischen 1 m/min bis 8m/min. Seite 9 von 16

10 2.4 Elektronenstrahlschneiden Der in der Leistungsdichte nur noch vom Laserstrahl übertroffene Elektronenstrahl erlaubt wegen seiner hohen Fokussierbarkeit den Werkstoff in sehr schmalen Oberflächenbereichen bis in vergleichsweise große Tiefen aufzuschmelzen und zu verdampfen und ermöglicht das Elektronenstrahlschneiden. Die minimale Wärmeeinflusszone, schmale Schnittfuge sowie die glatte und saubere Schnittflanke sind die markantesten Vorteile. Man kann damit auch sehr kleine Löcher und feinste Gravuren herstellen. Seite 10 von 16

11 2.5 Laserschneiden Mit einem Laserstrahl können Metalle und Nichtmetalle bei engem Schnittspalt sehr genau geschnitten werden. Die von keinem anderen Verfahren erreichte hohe Leistungsdichte im Brennfleck des fokussierten Strahls eines CO 2 - Gaslasers wird bis auf die mit hohem Reflexionsvermögen (97%) ausgestatteten Metalle Titan, Kupfer und Aluminium von allen übrigen metallischen sowie nichtmetallischen Werkstoffen wie Kunststoffe, Silikatgläser und Keramiken in hohem Grad absorbiert. Dadurch werden beim Laserstrahlschneiden äußerst schmale Oberflächenbereiche bis in großer liefe aufgeschmolzen bzw. verdampft, wonach diese Volumina mit einem stark fokussierten Inertgasstrahl aus der Schnittfuge hinausgeschleudert werden. Eine noch höhere Schneidleistung erreicht man nur noch durch gleichzeitige und mit hoher Geschwindigkeit erfolgende koaxiale Aufgabe von Sauerstoff auf den erwärmten Bereich (Laserbrennschneiden). Wie beim Brennschneiden oxidiert der Sauerstoff das Material in einer exotherm ablaufenden Reaktion, was gleichzeitig die Absorption der Laserstrahlung nochmals erhöht. Die nur minimale Wärmeeinflusszone, die extrem schmale Schnittfuge sowie die glatten und sauberen Schnittflächen sind auch hier hervorzuhebende Merkmale. Seite 11 von 16

12 Zur Fokussierung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche wird das Strahlwerkzeug der Werkstückgeometrie nachgeführt. Dies geschieht meist durch sensorische Erfassung des Abstandes zwischen Strahldüse und Werkstück und einer Regelung auf konstanten Abstand. Die Sensorik arbeitet z.b. kapazitiv, indem die eine Elektrode die Strahldüse ist und die andere das Werkstück. Fehlsteuerungen gibt es, wenn Plasma entsteht da dieses elektrisch leitend ist und die kapazitive Sensorik stört. 2.6 Trennverfahren im Vergleich Seite 12 von 16

13 3. Funkenerosives Abtragen Durch funkenerosives Abtragen (Erodieren) können alle elektrisch leitenden Werkstoffe unabhängig von ihrer Härte und Spanbarkeit bearbeitet werden. Das Verfahren ist deshalb besonders für die Einzelfertigung schwierig herzustellender Durchbrüche und Senkungen in gehärteten Stählen und Hartmetallen geeignet. Man unterscheidet funkenerosives Senken (die Werkzeugelektrode hat die Form der Senkung) und funkenerosives Schneiden (mit Drahtelektrode) 3.1 Funkenerosives Senken Physikalischer Vorgang beim Senken: 1. An Elektrode (Werkzeug = Pluspol) und Werkstück ( Minuspol) wird eine Gleichspannung ( V) angelegt. Zwischen beiden befindet sich eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit, das Dielektrikum 2: An der engsten Stelle (größte Feldstärke) sammeln sich leitende Partikel und Ionen. Eine leitende Brücke entsteht (Entladekanal) 3: Strom fließt, ein Funke springt über (Entladestrom 0, A, Entladespannung V) 4: Die Temperatur nimmt zu (örtlich bis K) Eine Gasblase entsteht 5: Spannung und Strom werden Null die Gasblase implodiert. Metalldampf und flüssiges Metall werden weggeschleudert, der Entladekanal entionisiert sich 6: Jeder Funke erzeugt im Werkstück eine kleine kraterförmige Vertiefung. Die erzeugte Werkstückform ist das Ergebnis einer Vielzahl dieser Vertiefungen. Auch an der Elektrode tritt ein Verschleiß ein. Dielektrikum Als Dielektrikum werden Mineralöle oder synthetische Kohlenwasserstoffe, beim funkenerosiven Schneiden auch entsalztes (entionisiertes) Wasser verwendet. Das Dielektrikum muss an der Wirkstelle ständig erneuert werden (Spülung - um seine Aufgabe erfüllen zu können) Abtrag, Zersetzungsprodukte (Dielektrikum wird bei hoher Temperatur gecrackt) und die entstehende Wärme werden vom Dielektrikum abgeführt. Daher sind Filterung, Kühlung und regelmäßige Erneuerung des Dielektrikums erforderlich Spülung Seite 13 von 16

14 Durch die Spülung wird das Dielektrikum mit abgetragenen Partikel und Zersetzungsprodukte (Cracken) abgeführt und neues Dielektrikum zur Wirkstelle gebracht. Es werden Verfahren mit Druck-, Saug- und Bewegungsspülung verwendet. Funkenzündung Bei den üblichen gesteuerten Verfahren wird der Stromkreis durch einen Schalter (Transistor) geschlossen. Der Funkenüberschlag erfolgt, wenn der Schalter geschlossen ist und es die geometrischen Verhältnisse im Spalt zulassen. Ein Impulsgenerator erzeugt rechteckige Spannungsimpulse mit einstellbarer Größe und Frequenz. Durch Generatorregelung werden die aktive Impulsdauer und der Entladestrom konstant gehalten. Durch diese Impulse gleicher Energie werden die Abtragrate, die Rauheit und der Elektrodenabbrand vorherbestimmbar und gleichmäßig. Die Funkenwirkstrecke wird über die Entladespannung geregelt und konstant gehalten. Elektrodenabbrand Das Abbrandvolumensverhältnis (Verhältnis des abgebrannten Elektrodenvolumen zum abgebrannten Werkstoffvolumen in %) liegt normalerweise unter 10 %. Durch unterschiedlichen Abbrand der Elektrode (Ecken mehr als Kanten, Kanten mehr als Flächen) wird die Formwiedergabe im Werkstück verzerrt. Deshalb werden Schrupp- und Schlichtelektroden, oder Stufenelektroden verwendet Elektrodenwerkstoff Verlangt werden hoher Schmelzpunkt, hohe elektrische Leitfähigkeit, gute Bearbeitbarkeit. Als Werkstoffe werden vor Allem Kupfer und Grafit, aber auch Kupferlegierungen, Wolfram, und Stahl Grafit eingesetzt. Werkstückoberfläche Das Oberflächenbild ist kraterig. Bei Stahl ergibt sich eine dünne Randschicht mit Kupferund Kohlenstoffverunreinigung (Elektrode, Dielektrikum). Darunter ist eine Zone mit Gefügeumwandlung (Martensit, aus Erwärmung und Abkühlung). Funkenerodiermaschine Zusätzlich zur eigentlichen Maschine gibt es den Schrank mit Generator und Steuerung, den Behälter für das Dielektrikum, die Filtersysteme und die automatische Löschanlage, zusätzlich eventuell einen automatischen Elektrodenwechsler. Seite 14 von 16

15 Erodierverfahren Funkenerosiven Bohren: Die Elektrode mit gleich bleibendem Querschnitt wird axial geführt (Senkerodieren) Planetärerodieren: eine Bohrung wird durch eine nicht rotierende Elektrode aufgeweitet (Bewegung bahnförmig, streckenförmig oder räumlich) Funkenerosives Gravieren mit stirnseitig profilierter Elektrode zur Herstellung von Gesenken Drahterodieren: (Erosives Schneiden) die Elektrode ist ein durchlaufender, kalibrierter Draht, d = 0,05 0,3 mm 3.2 Funkenerosives Schneiden (Drahterodieren) Beim Drahterodieren dient ein ablaufender Messingdraht als Werkzeugelektrode. Der Abtrag am Werkstück erfolgt wie beim Senkerodieren durch elektrische Entladungen zwischen Draht und Werkstück. Für das Drahterodieren sind besondere Maschinen erforderlich. Seite 15 von 16

16 Schneidvorgang Der 0,1 mm bis 0,3 mm dicke Draht ist auf einer Spule aufgewickelt und wird von dort durch Antriebsrollen straff gespannt durch das Werkstück gezogen und danach entsorgt. Die Drahtführungen oberhalb und unterhalb des Werkstückes stützen den Draht unterdrücken Schwingungen und garantieren einen geraden Schnitt. Die Werkstücke werden im Elektrolytbad geschnitten. Dieses besteht meist aus entsalztem Wasser. Der Erodiervorgang beginnt in einer Startlochbohrung, die vorher durch Bohren oder Senkerodieren hergestellt wurde. Durch diese muss der Draht eingefädelt werden. Mit der numerischen Steuerung der Tischbewegungen und der Schrägstellung des Drahtes durch Auslenken der Drahtführungen lassen sich vielfältige Innen- und Außenformen herstellen. Dadurch können z.b. die Schneidplatte, die Führungsplatte und der Schneidstempel eines Schneidwerkzeuges mit Plattenführung mit dem gleiche NC-Programm hergestellt werden. Vor- und Nachteile Seite 16 von 16