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74 Aus der Wissenschaft
Schwingungsstabilisierung von
Kreis­sägewerkzeugen durch Verbund­
bauweise für die Holzbearbeitung
In der Gesteinsbearbeitung hat die Verbundbauweise von Stammblättern einen festen Platz. In den letzten Jahr­zehnten
wurden immer wieder Forschungsprojekte durchgeführt, diese Bauweise auf die Holzbearbeitung zu übertragen. Das
Institut für Werkzeugforschung in Remscheid (IFW) hat dieses Thema erneut aufgegriffen. Dr.-Ing Dipl.-Wirt-Ing.
Peter Dültgen, Dr.-Ing Frank Zobel 1)
Abb. 1 a+b: Hartmetall-Sägeblatt (li.) und das daraus entwickelte Verbundstammblatt (re.)
(Fotos+Grafiken: IFW)
p
Der Prozess des Kreissägens ist einer
der wirtschaftlichsten und am weitesten verbreiteten Trennprozesse für Werkstoffe jeglicher Art. Werkzeug- und Maschinenhersteller sowie die Anwender stellen
aber immer höhere Anforderungen an den
Zerspanprozess. Die höhere Schnittqualität,
die bis hin zum Fertigschnitt ohne Nachbearbeitung führt, ist eine davon, die Lärmreduzierung eine andere. Viele kleine Verbesserungen und Innovationen erfolgen im
Bereich des Stammblattaufbaus, neuartiger
Zahnformen und neuen Schneidenmaterials. Sägeblätter, die einseitig mit einer Dämpfungsfolie beklebt werden, sind Bestandteil
des Lieferprogramms der Werkzeughersteller.
1) Dr.-Ing Dipl.-Wirt-Ing. Peter Dültgen ist Geschäftsführer der Forschungsgemeinschaft
Werkzeuge und Werkstoffe e.V. (FGW) und
Dr.-Ing Frank Zobel ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugforschung
und Werkstoffe, Remscheid (IFW)
9.2014
Kreissägen neigen wegen des ungünstigen Durchmesser-zu-Dicken-Verhältnisses
zu axialen Schwingungen. Diese Schwingungen üben einen maßgeblichen Einfluss
auf die Schnittfugenweite, die Schnittqualität und den Verschleiß der Zähne aus.
Eine Reduzierung der Schwingungen am
Werkzeug kann entweder über eine Erhöhung der Steifigkeit durch Vergrößerung
der Stammblattdicke oder durch eine verbesserte Dämpfung erreicht werden. Eine
Steifigkeitserhöhung durch Blattdickenvergrößerung führt zu einem unerwünscht
breiteren Trennspalt und somit zu höheren
Schnittverlusten. Das Ziel der Schwingungsvermeidung über die Erhöhung der Dämpfung wurde bereits in mehreren Ansätzen
verfolgt wie z. B. dem Spannungswalzen, dem
Einbringen von Dämpfungsschlitzen oder
dem Einlöten von Kupfernieten.
Die Herstellung des Verbundstammblatts ist das aufwendigste Verfahren zur
Schwingungsdämpfung. In der Gesteinsbearbeitung nimmt es seit Jahren einen festen
Platz im Angebot der Hersteller ein. In ei-
Abb. 2 a+b:
Das Verbund­
stammblatt
besteht aus
zwei miteinander durch eine
doppelseitige
Klebefolie verklebten Ronden,
Ø 210 mm,
Rondendicke
= 0,8 mm
(oben: Draufsicht, rechts:
Seitenansicht
der Klebefuge)
pu
nem IGF-Forschungsvorhaben wurde dieses
Prinzip aufgegriffen und Verbundstammblätter für die Holzbearbeitung entwickelt.
Bei der Herstellung der Ronden übernimmt heute meistens der Laser das präzise
Herausschneiden aus den Blechtafeln. Das
wärmearme Trennen durch Wasserstrahlschneiden ist ein ebenfalls eingesetztes Verfahren. Zur Dämpfung werden unterschiedliche Materialien verwendet. Es kommen
Metalle wie Kupfer oder Kunststoff- und
Klebefolien zum Einsatz. Zwei unterschiedliche Fertigungswege sind für “Verbundronden“ möglich. Es werden entweder zuerst
zwei Ronden gefertigt, die dann miteinander
verbunden werden, oder die “Verbundronde“ wird direkt hergestellt.
die Folie angeordnet, richtig justiert und
dann aufgedrückt. Es war kein Schleifen
der Bohrung und der Plattensitze notwendig, lediglich die Hartmetallzähne mussten
noch angelötet werden. Durch das Löten
verbrannte die Klebefolie, was sich jedoch
nicht nachteilig auf die Stabilität des Sägeblatts auswirkte. Die Anforderungen bei
der Prüfung der Bruchgeschwindigkeit und
der Einpunktseitenlast wurden von solchen
Verbundblättern erfüllt.
Verbundronden Kupfer ist die bevorzugte
Messtechnik Moderne Laserabstandsmess-
Dämpfungsschicht bei Sägewerkzeugen für
Knotenlinie
technik ermöglicht die Vermessung der sta-
Konventionelles
Stammblatt
1
Verbundstammblatt
2
3
Hz
Hz
Hz
Hz
1
177
173
174
175
0
230
241
241
229
1
251
2
289
281
281
273
2
312
292
292
284
3
411
406
398
394
3
413
255
4
555
556
542
542
4
600
606
593
589
5
773
777
763
756
Abb. 3: Die Tabelle zeigt die ersten zehn Schwingungsmoden eines konventionell hergestellten Kreissägeblatts und der drei untersuchen Verbundblätter
die Gesteinsbearbeitung. Mit modernen Lasersystemen können heute sofort komplette
Verbundsystems aus übereinandergelegten
Blechen geschnitten werden. Das Kupfer
schmilzt an und hält somit das Verbundsystem bis zum endgültigen Zusammenschweißen. Bohrung und Plattensitz brauchen nur
einmal geschliffen werden, das Hartlöten
erfolgte wie bei konventionell hergestellten
Blättern. Das Richten und Spannen der Verbundblätter gestaltet sich schwierig, weil dabei die weiche Kupferschicht nicht verformt
werden darf. Bei entsprechend vorsichtigem
Arbeiten lässt sich dies aber realisieren.
Ronden mit Kunststoffdämpfung Ge-
richtete und gespannte Ronden für Dünnschnittsägeblätter sind geradezu prädestiniert für die Fertigung von Verbundronden,
die eine innere Kunststoff- oder Klebefolie
besitzen (Abbildung 2). Getestet wurde eine
doppelseitige Klebefolie. Nach dem Säubern
der Metalloberflächen wurde die Klebstofffolie zunächst auf eine Ronde aufgeklebt.
Anschließend wurde die zweite Ronde über
tischen und dynamischen Eigenschaften
eines Sägeblatts mit hoher räumlicher und
zeitlicher Auflösung. Ein Triangulationssensor wurde für die Messung des Planlaufs
und des Abklingverhaltens eingesetzt. Der
Dämpfungskoeffizient eines Sägeblatts wird
aus den Hüllkurven einer Abklingkurve berechnet, wobei davon ausgegangen wird,
dass für alle angeregten Frequenzen dieselbe
viskose Dämpfung vorliegt, die durch eine
e-Funktion beschrieben werden kann. Als
Anregung diente der Anschlag mit einer
Stahlkugel. Der Dämpfungsfaktor hängt sowohl von geometrischen Größen wie Blattdurchmesser und -dicke ab als auch vom
Material und dessen Behandlung (z. B. Wärmebehandlung). Mit einem Laser-Dopplervibrometer (LDV) können berührungslos Geschwindigkeiten in Messrichtung orthogonal
zur Werkzeugebene aufgenommen werden
und dadurch sowohl Schwingungsmoden
und Eigenfrequenzen bestimmt werden.
Das LDV misst dabei die zweidimensionale
Verteilung von Schwingungsgeschwindigkeiten auf dem Kreissägeblatt auf der Basis
76 Aus der Wissenschaft
Hartmetallsägeblätter Ø 300 mm, gelb: Sägeblatt mit Dämpfungsschlitzen,
rot: Verbundstammblatt Stahl-Kupfer-Stahl
Abb. 4 a+b: Die ersten beiden mit dem LDV gemessenen Schwingungsmoden des konventionellen Blatts (oben: 177 Hz, 1 Knotenlinie,
unten: 230 Hz, 0 Knotenlinien, „Schlüssel“)
p
Ronden Ø 210 mm, gelb: Dämpfung einer einzelnen Ronde,
rot: Verbundstammblatt Ronde-doppelseitiges Klebeband-Ronde
von Laserinterferometrie. Die Anregung geschieht hierbei berührungslos durch einen
Lautsprecher, der über ein Periodic-ChirpSignal alle Frequenzlinien seriell periodisch
anregt. Schallmessungen wurden während
der Schnittversuche vorgenommen mit zwei
Mikrofonen, die jeweils im Abstand von einem Meter des Sägeblatts in Richtung der
Rotationsachse und in Späneflugrichtung
positioniert wurden.
Ergebnisse Hält man Verbundstammblät-
ter in den Händen, fallen sie sofort durch
ihren dumpfen Klang auf, unabhängig davon, aus welchem Material die Dämpfungsschicht besteht. Messtechnisch lässt sich der
Unterschied deutlich nachweisen. Ausgewählt wurde ein Hartmetall-Sägeblatt mit
einem Durchmesser von 300 mm und einer
Dicke von 2,2 mm als Vorlage für ein Verbundstammblatt (Abb. 1). Die Dicke einer
einzelnen Ronde beträgt 1,2 mm, aus der ein
2,5 mm dickes Verbundblatt gefertigt wurde. Die Verbundbauweise dämpft die Eigenschwingungen (Abb. 5, oben) um den Faktor
drei, wie bei Versuchen mit mehreren hergestellten Demonstratoren ermittelt wurde.
Während die Verbundbauweise einen dominierenden Einfluss auf das Dämpfungsverhalten ausübt, ist er bei Eigenfrequenzen
und Moden nur marginal vorhanden. Die
Reihenfolge der Moden ändert sich nicht. Bei
9.2014
Abb. 5 a+b: Dämpfungskurven von im Forschungsvorhaben hergestellten Verbundstammblättern im Vergleich mit konventionellen
Blättern
t
den Verbundblättern wurde die Mode mit
drei Knotenlinien so stark gedämpft, dass
sie im Frequenzspektrum nicht zu erkennen war. Bei zwei Verbundblättern trat dies
sogar bei der Mode mit einer Knotenlinie
auf. Untersuchungen mit anderen konventionellen Blättern und Flanschdurchmessern
zeigten, dass die Eigenfrequenzen wesentlich
stärker durch Montage und Flanschdurchmesser beeinflusst werden.
Schnittversuche wurden mit den Hartmetall-Sägeblättern an Spanplatten durchgeführt. Vermehrte Kantenausbrüche konnten
bei den Verbundblättern nicht festgestellt
werden. Ebenso konnten keine erhöhten
Verschleißmarken an den HartmetallSchneiden gefunden werden.
Die Verbundstammblätter sind im Leerlauf mit 87,5 db(A) um 1 dB lauter als die
konventionellen Werkzeuge. Dieses Verhältnis kehrt sich im Schnitt jedoch um. Grundsätzlich ist die Schallintensität in Richtung
der Rotationsachse um ca. 1 dB größer als
in Späneflugrichtung.
Die Kompetenzen des Instituts für
Werkzeugforschung und Werkstoffe im
Bereich der Klebetechnik wurden ebenfalls genutzt. Dünnschnittronden mit einem Durchmesser von 210 mm und einer
Dicke von 0,8 mm wurden mit einer doppelseitigen Klebefolie zu einem Verbundblatt vereint. Das reine Zusammenkleben
von zwei Ronden durch eine doppelseitige
Klebefolie führt zu einer Vergrößerung des
Dämpfungsfaktors um mindestens den Faktor zehn, verglichen mit dem Dämpfungsfaktor einer einzelnen Ronde (Abb. 5, unten).
Schlussbemerkung Moderne Fertigungs-
verfahren erlauben die Herstellung jedes
Sägeblatts auch als Verbundblatt mit einer
Kupfer- oder Klebefolie. Die im Forschungsvorhaben ermittelten Eigenschaften von Verbundblättern für die Holzbearbeitung, insbesondere die Dämpfungseigenschaften, sind
sehr vielversprechend und sollten von den
Herstellern erneut aufgegriffen werden. Hier
führten vor allem die Versuche mit geklebten
Ronden zu sehr erstaunlichen Ergebnissen,
welche das Potenzial der Verbundbauweise
deutlich machten.
u www.fgw.de
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 17192 N der Forschungsvereinigung Werkzeuge und Werkstoffe
wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen
Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.
www.hob-magazin.com
HOB
E 30279
Die Holzbearbeitung
9·2014
Fertigungstechnik
Plattenhandling
Maschinenkomponenten
Berührungslose
Plattenreinigung
Seite 26
Passendes Umfeld
dank Roboter
Seite 50
Schmierfrei gegen
Staub und Späne
Seite 64
Holzma Zuschnittoptimierung:
Motor für
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