User:Kmertz/sandbox

Schneiden von Stahl mit Hartmetall-Sägen

1926 entwickelt Krupp das Hartmetall Widia (metal) (abgeleitet von Wie Diamant) und revolutioniert die spanabhebende Fertigung. Dieser neue Werkstoff findet in den 50er Jahren bei allen spanenden Bearbeitungsprozessen, mit Ausnahme des Sägens, Einzug.

1942 entwickeln deutsche Forscher einen keramischen Werkstoff auf Oxidbasis. Nach dem 2. Weltkrieg wird dieser Werkstoff von amerikanischen Universitäten weiterentwickelt und unter anderem auch als Schneidewerkstoff für Werkzeugmaschinen unter dem Warenzeichen Sermet vermarktet.
Mit Hartmetall bestückte Kreissägen wurden schon in den 1930er Jahren zum Sägen von Nichteisenmetallen, Plastik und Holz verwendet. Bei Versuchen mit Eisen und Stahl erwiesen sich die vorhandenen Maschinen als zu langsam und nicht ausreichend steif, um die höheren Kräfte zu übertragen. Außerdem waren die Zahngeometrien für Schnellstahl (HSS) ausgelegt und für die harten und spröden Hartmetall-Legierungen nicht brauchbar, um eine wirtschaftliche Standzeit zu erzielen. Es mussten daher neue Schneideformen und schnelldrehende, robuste Maschinen zum Sägen und Schleifen der Hartmetallzähne entwickelt werden. 1963 entwickelt INGERSOLL MILLING MACHINE Co, Rockford, Illinois, USA die erste Hartmetall Plattensäge, die Stahlplatten mit Hartmetall-bestückten Kreissägeblättern schneidet. Der Schneidewinkel der Zähne ist positiv und daher die Standzeit gering.

1963-1969 entwickelt die Technische Universitaet Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, unter dem Vorsitz von Professor Dr.-Ing. E.h. Dr.-Ing. G. Pahlitzsch und den Forschungsingenieuren Arno Willemeit und Horst Doepcke, eine neue Hartmetall-Zahngeometrie mit negativen Schneidewinkeln und einem Zahnpaar, das den Span in drei Teile teilt. Mit dieser Geometrie ist es möglich, legierte Stahlbarren wirtschaftlich zu sägen.

1969 entwickelt ADVANCED MACHINE & ENGINEERING CO. (AME) Rockford, Illinois, USA die erste Barrensäge, die Hartmetall-bestückte Kreissägeblätter mit der “Braunschweiger Geometrie” verwendet, und baut sie für die in Rockford ansässige Firma Metalcut Inc.

Goellner bar-cutoff Saw Abstract Metalcut XII Saw Abstract AMSAW Firmengeschichte

Die Maschine wird unter dem Namen METALCUT 12 am Weltmarkt verkauft und in Mailand und Chicago ausgestellt. Mit der überragenden Schnittleistung, etwa acht Mal schneller als Bandsägen, vier Mal schneller als Schnellstahl-Kaltsägen, revolutioniert sie den Sägenmarkt.

1972-1976 entwickelt Dipl.-Ing. Horst Doepcke, wissenschaftlicher Assistent des Institutes für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität Braunschweig, für seine Dissertation eine Hartmetall-Schneidegeometrie für Rohre, die den Span an jedem Zahn zweiteilt.

1984 entwickelt SPEEDCUT Inc. Rockford, Illinois, USA eine Hartmetall-Zahngeometrie “Notch Grind” für Barren, die mit einer versetzten Rille pro Zahn den Span teilt, und im Vergleich zur Braunschweiger Geometrie daher wesentlich schneller sägt. (USA Patent Aug. 7, 1984, Number 4,463,645) Mit Cermet bestückte Kreissägen beginnen ihren Markteinzug und konkurrieren mit Hartmetall durch erhöhte Standzeiten.

Seit einigen Jahren versuchen Firmen Kreissägen mit austauschbaren Hartmetallzähnen zu entwickeln. Aus Kostengründen haben sich diese Kreissägen jedoch für Stahl bisher nicht durchgesetzt.

Arten Von Hartmetall-Sägen

Sägen mit horizontaler Schlittenführung

Diese Sägen sind wohl die am meist verbreitetsten Modelle von Hartmetall-Sägen. Bei dieser Bauart tritt das Sägeblatt, im Getriebekasten lagernd auf horizontalen Führungen gleitend, horizontal in den Barren ein.

1969 wird die erste horizontale Hartmetallsäge von der Firma Advanced Machine & Engineering Co. (AME) in Rockford, IL, USA entwickelt und für die Firma METALCUT Inc. gebaut. Erstmals werden auch Teleskopstahlabdeckungen und Stahlschürzen der Firma Hennig GmbH verwendet, um kritische Teile der Säge vor Spänen zu schützen, die durch die hohe Umfangsgeschwindigkeit schwer zu kontrollieren sind. Aachen Book

Sägen mit vertikaler Schlittenführung

Bei dieser Art tritt das Sägeblatt vertikal in das Material ein. Diese Sägen werden oft als Lagensägen verwendet, wobei mehrere Rohre, Profile oder Stangen auf einmal in horizontaler Lage gesägt werden.

1974 wird die erste Hartmetallsäge mit vertikalen Flachführungen von Dr.-Ing. Arno Williemeit, dem Co-Entwickler der Braunschweiger Zahngeometrie, ausgeführt und bei der Firma OHLER in Remscheid, Germany gebaut.

Später wird dieser Maschinentyp von FRAMAG, Österreich übernommen und ebenfalls als Lagensäge gebaut.

Ohler hatte vorher vertikale HSS-Sägen mit doppelten Rundführungen gebaut und auch für Hartmetallsägen umgerüstet.

Hartmetall-Sägen mit geneigten Führungen

Diese werden ebenfalls gebaut, sind aber teurer als horizontale Schlittenführungen und werden vorteilhaft zum Schneiden von Eisenbahnschienen eingesetzt, weil das Sägeblatt gleichmäßig in das Schienenprofil eintritt.

Schwenksägen

Um kleinere Querschnitte von Stahl, Profilen oder Rohren zu schneiden wurden Schwenksägen ursprünglich als HSS Kreissägen angewendet. Später wurden auch größere Profile für den Stahlbau geschnitten (Kaltenbach).

1973 entwickelt METALCUT die erste Hochleistungs-Schwenksäge für 75 mm Materialstärke, wobei der Drehpunkt des Getriebekastens an der Bodenplatte befestigt ist. Diese Säge schneidet beiderseitig der Schwenkachse je eine Stange und ist dadurch produktiver.
1976 entwickelt die Firma CARBIDE CUTOFF Inc. Rockford, IL eine größere Produktions-Hartmetallsäge dieser Art, um gegen Metalcut Inc. konkurrieren zu können. Diese Maschine schneidet Barren bis zu 8.0 Zoll (250 mm) und bewährt sich hervorragend.

Diese Art von Sägen wird auch von METALCUT Inc. als Lagen- oder Barrensägen bis 600 mm Barren Durchmesser gebaut. Das Schwenklager befindet sich oberhalb des Maschinenbettes und das Sägeblatt tritt bogenförmig vertikal in das Material ein, hat aber keinen geschlossenen Kraftfluss.

1994 entwickelt AME eine kostengünstige Schwenksäge unter dem Warenzeichen AMSAW 200 für den US Markt.

2011 entwickelt die Firma AME, ROCKFORD IL, USA eine Hochleistungs- Hartmetallsäge zum Schneiden von 350 mm Barren nach dem Schwenkprinzip, wobei die Schwenkachse des Getriebekastens am unteren Teil des Maschinenbettes angebracht ist. Dabei ist der Kraftfluss ein geschlossener Kreislauf und die Maschine wird extrem steif. Der Spanfluss ist ebenfalls verbessert, weil die Späne direkt auf den Spanförderer geworfen werden.

Sonderausführungen von Hartmetall-Sägen

Plattensägen

1963 entwickelt Ingersoll Milling Machine Co. Rockford, Illinois, USA eine Säge, die Platten aus hochfestem Kohlenstoffstahl mit Hartmetall-bestückten Kreissägeblättern zersägt. Die horizontale Schlittenführung ist auf einem Balken oberhalb der Platte angebracht.

Später entwickelt die Firma OLIVER Machinery Co. Detroit, Michigan, USA eine Plattensäge, bei der der Getriebekasten unterhalb der Platte auf einem Maschinenbett gleitet und dabei die Platte von unten sägt.

Eisenbahnschienen-Sägen

1973 entwickelt METALCUT die erste Hartmetall-Schienensäge, die später auch von WAGNER und anderen Firmen gebaut wird.

1997 entwickelt AME unter dem Namen AMSAW eine preisgünstigere Schienensäge, die in den USA vielfach verwendet wird.

1999 wird von AME eine Sonderausführung einer Hartmetallsäge gebaut, die Eisenbahnschienen für Stellwerke winklig sägt.

2011 entwickelt AME eine Sonderausführung, die als Doppelsäge in einem Eisenbahnwaggon integriert ist und in den USA bei Schienenreparaturen eingesetzt wird. Bisher verwendete Trennsägen verursachten durch die heißen Späne Waldbrände und wurden mit diesen AMSAW-Kaltsägen ersetzt.

Lagensägen

1974 entwickelt METALCUT zwei Lagensägen, welche die Enden von bis zu 6 “C” Profilen schneidet. Die Profile werden in horizontaler Lage den Sägen zugeführt. Die erste Säge schneidet die vorderen Enden ab, die zweite die hinteren, wobei diese, auf Schienen beweglich, unterschiedliche Längen schneiden kann. Diese Maschinen werden als Schwenksägen gebaut und sägen von unten nach oben durch die Profile.

1976 wird diese Säge auch zum Sägen von Rohren in Lagen eingesetzt.

Später bauen Wagner und FRAMAG ähnliche Sägen in Vertikal-Schlittenausführung.

Hartmetall-Warmsägen

2008 entwickelt AME eine Hartmetall-Warmsäge, die an warmgeschmiedeten Achsen die Enden absägt.

Hartmetall-Ringsägen

Neuerdings werden dickwandige Ringe warm gerollt und müssen oft in Scheiben gesägt werden.

MFL Liezen, Österreich entwickelte eine solche Säge, die diese Ringe vom Innendurchmesser her trennt.

AME Rockford, IL, USA bietet eine Säge dieser Art ebenfalls an, die jedoch die Ringe von außen sägt.

Allgemeiner Aufbau von Hartmetall-Sägen

Hartmetall-Sägen mit Schlittenführungen (horizontal, vertikal oder geneigte Führungsanordnung) bestehen aus einem geschweißten Gestell aus stabilen Stahlplatten, ausreichend verrippt und oft mit Dämpfungsmassen gefüllt, das die auftretenden Kräfte aufnimmt und auftretende Schwingungen dämpft. Auf diesem Gestell sind gehärtete Führungen angebracht, auf dem der Getriebekasten möglichst spielfrei gleitet.

Der Schlitten wird durch Keilleisten oder hydraulisch betätigte Führungsleisten nahezu spielfrei geführt, um die benötigte Steifigkeit zu erzielen. Neuerdings werden auch spielfreie Linearführungen verwendet.

Vorschub

Der Vorschubantrieb besteht entweder aus einem hydraulischen Zylinder, oder besser aus einer Kugelumlaufspindel, die von einem Servomotor über ein Reduktionsgetriebe angetrieben wird.

Getriebekasten

Meist werden spielarme gehärtete Zahnräder verwendet, die in Kugel- oder Rollenlagern gelagert sind. Je nach Größe der Sägeblätter können bis zu fünf Getriebesätze verwendet werden, die eine Übersetzung von bis zu 40:1 ergeben. Stufenlos angetriebene Motoren bis zu 175 KW treiben das Getriebe direkt oder über Keil- oder Zahnriemen an.

Spannvorrichtung

Sie besteht aus zwei hydraulischen Spannvorrichtungen, die beiderseitig vom Sägeblatt das Material horizontal, vertikal oder in einer Kombination beider Varianten spannt. Um die Standzeit des Sägeblattes zu verbessern, wird das Material oft beiderseitig vom Blatt abgerückt, bevor das Sägeblatt aus dem Schnitt gezogen wird.

Sägeblatt-Befestigung

Das Sägeblatt muss stabil mit der Antriebswelle verbunden sein, um die großen Drehmomente schwingungsfrei zu übertragen. Ein größerer Blattflansch reduziert normalerweise die Blattschwingungen, erfordert aber größere Blattdurchmesser. Um die höheren Blattkosten zu reduzieren, verwenden einige Hersteller kleinere Flansche in Kombination mit Blattstabilisatoren, und reduzieren dadurch die Werkzeugkosten.

Blattstabilisatoren

Kreissägeblätter sind wegen ihrer Plattenform radial in Vorschubrichtung zwar das steifste Werkzeugelement des Antriebsstranges, allerdings aufgrund der geringen Blattdicken äußerst instabil quer zur Vorschubrichtung. Sie müssen deshalb stabilisiert werden, um das Ausbilden von umlaufenden Plattenschwingungen zu vermindern. Bei den ersten Versuchen mit Hartmetall-Kreissägen beruhigte ein Entwicklungsingenieur der Firma Advanced Machine & Engineering Company in Rockford das Blatt, indem er einen Besenstiel als Störstelle der Schwingung verwendete. So entstanden die sogenannte „Broom Stick Method“ und der Blattstabilisator mit Rollen. Diese exzentrisch einstellbaren Doppelrollen mit einem Kunststoffbelag waren an einer stabilen Konsole am Getriebekasten befestigt und beruhigten das Blatt. Horst Döpcke, der diese Methode bei METALCUT Versuchen sah, erfasste diese in seiner Dissertation „Sägen von Rohren mit hartmetallbestückten Kreissägeblättern“ ebenfalls. Spätere Entwicklungen führten zu Segmentstabilisatoren, wobei beiderseitig vom Blatt einstellbare Platten mit Gleitbelag die Blattamplituden minderten. Linsinger verwendete später ähnliche Gleitelemente als Dämpfer. Diese irrtümlich bezeichneten Dämpferelemente dämpften jedoch nicht die Schwingungen, sondern hinderten lediglich das Ausbilden von Amplituden. Dr.-Ing. Döpcke beschrieb diese Funktion im Einzelnen in seiner Dissertation.

Messeinrichtung

Allgemein werden zwei Arten von Messeinrichtungen verwendet:

1. Messung mit Greifzange Dabei wird der Barren mit einer Greifzange geklemmt, der auf einer Führung gleitet und über Kugelumlaufspindel-Servomotor Kombination gesteuert wird.

2. Messung mit Messstop Die Barren werden über einen Rollengang gegen einen Messanschlag gefahren. Diese Methode wird meist bei längeren Abschnitten angewandt.

Steuerung

Automatische Produktionssägen werden meist durch SPS gesteuert. Damit lassen sich automatische Abläufe beliebig steuern.

Sägeblatt-Durchmesser

Kleinere Sägeblätter sind billiger und benötigen geringere Antriebsdrehmomente. Dünnere Blätter haben weniger Materialabfall, brauchen daher auch eine geringere Schnittkraft. Man versucht daher, den Blattdurchmesser möglichst klein zu halten, indem man den Durchmesser der Blattaufnahme und Klemmscheibe möglichst klein auslegt, um einen größeren Materialquerschnitt bei kleinerem Sägeblatt-Durchmesser zu sägen. Der kleinere Durchmesser der Blattaufnahme schwächt jedoch die axiale Steifigkeit des Blattes. Es ist daher die Aufgabe eines Sägemaschinen-Entwicklers, das beste Verhältnis zu finden, oder die entstehenden Schwingungen durch geeignete Blattstabilisatoren zu mindern.

Zahnspiel im Getriebekasten

Das Zahnspiel, besonders das der Antriebsspindel, ist ebenfalls kritisch. Wird zum Beispiel ein 1800 mm Durchmesser Sägeblatt von einem etwa 250 mm Zahnrad angetrieben, so ist das Übersetzungsverhältnis etwa 7:1. Ein Zahnspiel von 0.025 mm vergrößert das Spiel am Hartmetall-Zahn auf 0.18 mm und wirkt ebenfalls schädlich auf die Standzeit des Blattes. Man versucht daher, das Spiel durch besondere Konstruktionsmaßnahmen zu reduzieren, oder die Zahnflanken auf Minimalspiel einzuschleifen.

Maschinensteifigkeit

Beim Anschnitt und Austritt des Blattes ist nur ein Zahn im Eingriff. Horizontal schneidende Schwenksägen haben den höchsten Steifigkeitsgrad. Der Kraftfluss geht in einem geschlossenen Kreislauf von der Konsole durch die stark vorgespannten Kugelrollenlager der Schwenkachse über den Getriebekasten und das Vorschubgetriebe der Kugelrollspindel, wobei die Schnittkraft etwa in der Mitte zwischen Drehpunkt und Vorschubgetriebe angreift (siehe Schema). Jegliche noch verbliebene Elastizität des Vorschubgetriebes ist an der Sägespindel wesentlich reduzierter und erhöht daher die Gesamtsteifigkeit der Maschine.

Fazit

Sägen mit vertikaler Schlittenführung und geschlossenem Kraftfluss sind die steifesten, aber auch teuersten Sägen. Sie haben einen geringeren Platzbedarf als Sägen mit horizontalen oder geneigten Führungen, der horizontale Spänefluss ist aber schwieriger zu handhaben. Sägen mit horizontalen oder geneigten Führungen müssen schwerer gebaut werden, um die gleiche Steifigkeit zu erreichen. Sie benötigen mehr Raum, der Spanfluss ist aber günstiger. Horizontal schneidende Schwenksägen sind jedoch die kosteneffizientesten Sägen. Sie benötigen weniger Teile, brauchen geringeren Raum und haben einen günstigen Spanfluss. Durch den geschlossenen Kraftfluss und die Reduzierung der verbleibenden Elastizität können diese Sägen bei gleichbleibender Steifigkeit leichter und daher kostengünstiger gebaut werden. Sägen mit horizontalen oder geneigten Führungen haben keinen geschlossenen Kraftfluss (Schema 2) und müssen daher entsprechend steifer und kostspieliger gebaut werden.

   Kaleb Mertz - Schüler der HTL Steyr 4BHMEP