Hochgeschwindigkeitstrennen von Massivstäben und Rohren

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Hochgeschwindigkeitstrennen von Massivstäben und
Rohren mittels einer adiabatischen Trennanlage
von Dr. Ing. Eberhard Rauschnabel, IFUTEC GmbH, Karlsbad
Co-Autoren: Reinhard Heel,
Dipl.-Ing. Farboud Bejnoud
1. Einführung
Das spanlose Hochgeschwindigkeitstrennen von Stäben und Rohren, auch High-SpeedImpact-Cutting (HSIC) oder „adiabatisches Trennen“ genannt, hat gegenüber spanabhebenden Trennverfahren einige gravierende Vorteile.
Adiabatisches Trennen wird u.a. definiert als „hochgeschwindigkeitsplastische Verformung in der Trennzone, welche zu einer starken Erwärmung und somit Auflösung oder
Erweichung des Gefüges führt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit findet kein Wärmeübergang in der Werkstoffrandzone statt“ (nach /1/). Einige Vorteile dieses Verfahrens
sind im Bild 1 zusammengefasst.
Vorteile des Hochgeschwindigkeitstrennens
für Massivstäbe, Rohre und Profile
wirtschaftlich für mittlere und große Stückzahlen
durch extrem kurze Zykluszeit
fast plane Schnittfläche
quasi gratfrei (allenfalls Bürsten erforderlich,
wenn Kanten verrundet sein sollen)
kein Verschnitt, keine Späne
Trockenbearbeitung
für fast alle Metalle geeignet
Bild 1: Vorteile des Verfahrens
Im Unterschied zum Scheren, das ebenfalls in sehr kurzer Taktzeit ausgeführt werden
kann, aber ein in der Regel kontinuierlicher Schneidprozess ist, erfolgt beim adiabatischen Trennen eine impulsartige Beschleunigung des Werkzeugs. In Fachkreisen
spricht man von einer Geschwindigkeit des Trennvorgangs von möglichst nahe 10 m/s.
Das Verfahren wird sowohl zum Trennen von Rohren als auch von Massivmaterial oder
Profilen eingesetzt. Wie man in Bild 2 erkennt, beträgt der eigentliche Schnitt je nach
Maschine und Werkzeug nur wenige Zehntel mm; der Rest stellt eine vergleichsweise
plane Bruchfläche dar.
\\Spdc01\cobra\Dokumente\IFUTEC GmbH\2012-01-23_A1 IFUTEC_Autor=Se.doc
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Bild 2: Trennergebnisse
Je höher die Stückzahl bzw. je kürzer die zu trennenden Teile, desto höher ist die Wirtschaftlichkeit, nicht zuletzt auch durch das je Trennschnitt eingesparte Material. Die so
getrennten Werkstücke werden sowohl als Fertigteile verwendet (evtl. ist noch eine einfache Endenbearbeitung, z.B. Bürsten zum Verrunden der Trennkanten, nachgeschaltet). Oft werden die getrennten Werkstücke dann jedoch noch anspruchsvoll umgeformt,
z.B. mittels Fließpressen, was eine möglichst gewichtsgenaue Trennung mit senkrechter,
ebener Trennfläche erfordern. Weitere interessante Folgebearbeitungen sind beispielsweise inkrementelle Umformverfahren wie das Kaltgesenkwalzen von Flanschen (Bild 3)
oder vergleichbare Prozesse, /2/ und /3/.
Bild 3: Kaltgesenkwalzen
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Motivation für die Neuentwicklung einer Hochgeschwindigkeitstrennanlage war die Erkenntnis, dass die auf dem Markt befindlichen Trennanlagen teilweise sehr komplex und
somit kostenintensiv sind und meist auch störanfällig. Eine technisch besonders faszinierende Lösung ist in /4/ beschrieben, die dem Erfinder jedoch keinen nachhaltigen wirtschaftlichen Erfolg zu teil werden ließ.
Auf der Basis von bereits seit 20 Jahren im Serienbetrieb bewährten Anlagen /5/ erfolgte
zunächst eine genaue Analyse der Vor- und Nachteile unterschiedlicher Trennkonzepte
und anschließend eine Neukonstruktion unter Verwendung moderner NC-Technik, zeitgemäßer Automation etc.
2. Trennkonzepte
Die Werkzeugtechnik ist bei den meisten bekannten Hochgeschwindigkeitstrennanlagen
vergleichbar. Es werden in der Regel zwei Matrizen verwendet, die nur minimal größer
sein sollten als das zu trennende Werkstück. Eine Matrize ist dabei fest installiert, die
zweite Matrize, in der das abzutrennende Werkstückende geführt wird, ist beweglich
(Bild 4).
Bild 4: Typische Werkzeuganordnung
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Ein Ausführungsbeispiel solcher Matrizen ist in Bild 5 dargestellt.
Bild 5: Ausführungsbeispiel eines Matrizenpaars
Bei rohrförmigen Werkstücken sind in der Regel noch Dorne erforderlich, die sich dann
ebenfalls mit möglichst wenig Spiel und perfekt justiert zu den Matrizen links und rechts
der Trennstelle im Rohr befinden.
Wesentlich für die Trennqualität ist neben der bereits erwähnten Schnittgeschwindigkeit
der Schnittspalt, der von der Geometrie, dem Werkstoff usw. abhängig ist. Die Matrizen
und ggf. Dorne sollten möglichst scharfkantig ausgeführt sein; im Verschleißfall können
sie in der Regel relativ einfach neu plangeschliffen werden.
Die großen Unterschiede zwischen den auf dem Markt angebotenen Anlagen bestehen
insbesondere im Antriebskonzept. Meist wirkt der Antrieb nicht unmittelbar auf die bewegliche Matrize, sondern es handelt sich vielmehr um ein durch einen Luftspalt von der
Matrize getrenntes Schlagwerk, mit dem eine Masse impulsartig beschleunigt wird und
dann ähnlich dem Newtonischen Gesetz („actio gleich reactio“) gegen die Matrize stößt
und diese beschleunigt.
Die Antriebe können beispielsweise
hydraulisch,
pneumatisch,
elektromagnetisch oder auch
kombiniert
...
ausgeführt werden.
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Die Störanfälligkeit der auf dem Markt befindlicher Anlagen resultiert weniger aus dem
Antrieb selbst als vielmehr aus der Problematik, wie man die Matrize nach dem Trennvorgang schlagartig abbremst und in die Ausgangsposition zurückführt. Eine Vielzahl von
Patentanmeldungen konzentriert sich exakt auf diese Fragestellung. Hintergrund ist,
dass die Trennenergie nie ganz exakt auf das Werkstück abgestimmt werden kann, da
die Werkstücke in ihren geometrischen Toleranzen sowie in der chargenabhängigen
Festigkeit usw. schwanken. Aus diesem Grunde muss immer ein Überschuss an Energie
vorhanden sein, um auch im ungünstigsten Fall ein Trennen der Werkstücke prozesssicher zu gewährleisten.
Dieser Problematik trägt ein von der Fraunhofer Gesellschaft (FhG) angemeldetes und
von der IPG übernommenes Patent /6/ Rechnung. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in
Bild 6 zu sehen.
Bild 6: mechanische Trennvorrichtung
(Die Aufkleber dienten zur Durchführung von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen)
Unten rechts im Bild befindet sich der Werkzeugblock, der die feste und die bewegliche
Matrize aufnimmt. Die bewegliche Matrize wird durch einen Stößel (Amboss) beschleunigt; die Abfederung/Rückstellung erfolgt durch Federn. Die Masse, die auf den Stößel
aufschlägt, wird hier durch eine Blattfeder vorgespannt und ist an einem Hebel befestigt,
der an einem Gelenk drehbar gelagert ist. Die Masse kann sich somit wie ein vorgespannter Hammer bewegen.
Das Besondere an diesem Trennprinzip ist der einstellbare Anschlag, der sich horizontal
und vertikal verstellbar zwischen Gelenk und Werkzeugblock befindet. Der Anschlag
muss so justiert werden, dass im Ruhezustand der Hebel am Anschlag aufliegt und zwischen der Masse und dem Stößel ein Luftspalt von beispielsweise mehreren Millimetern
verbleibt. Erst bei der federbeaufschlagten Auslösung des vorgespannten Hammers berührt die Masse den Amboss, indem sich der Hebel elastisch durchbiegt. Hier liegt der
große Vorzug dieser Lösung:
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Zunächst gibt es über die Hebelübersetzung noch eine zusätzliche Beschleunigung; anschließend erfolgt an der Elastizitätsgrenze des Hebels jedoch ein automatisches Stoppen der Masse, bevor der Werkzeugblock Schaden nimmt. Durch diese Lösung kann
beispielsweise ein schlagartiges „Antippen“ des Ambosses realisiert werden mit dem
leichten Anschnitt, wie in Bild 2 zu sehen; der gleichmäßige Bruch wird dann durch die
beschleunigte Matrize ausgeführt.
In Bild 7 und Bild 8 sind verschiedene Antriebsbeispiele für das vorgenannte Trennprinzip dargestellt; Bild 9 zeigt einen Bewegungsablauf des Hammers
Bild 7: Mechanische Versuchseinrichtung
Mechanischer Aufbau
Pneumatikzylinder
Bild 8: zeigt die Nachfolgeentwicklung mit pneumatischem Antrieb.
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Bild 9: verschieden Positionen des „Hammers“ während des Trennvorgangs
Die bei IPG in Serie befindlichen vier Trennanlagen arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip, das in den letzten 20 Jahren entwickelt und laufend optimiert wurde (zuletzt Nachrüstung UVV-gerechter Schallschutzkabinen und Steuerungen). Diese Anlagen haben
nun weitgehend ausgedient. Insbesondere die Werkstückzuführung ist störanfällig, während es mit der Trenneinrichtung selber kaum Probleme gab. Sehr aufwändig ist jedoch
das Umrüsten, das mangels exakt geschliffener Werkzeugführungen usw. ein mühsames, manuelles Justieren erfordert. Dies war letztlich der Auslöser für die Neuentwicklung.
Bild 10: Bewährte Serienanlagen zum Trennen von Rohren
Die in Bild 10 dargestellten Anlagen sind fast ausschließlich zum Trennen von Rohren
eingesetzt; die bislang gefertigten Rohrabmessungen sind Tabelle 1 zu entnehmen. Es
handelt sich dabei kundenbedingt vorwiegend um dünnwandiges, geschweißtes Stahlrohr.
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Außen-Ø (Matrizenabmessung in mm)
Innen-Ø (Dornabmessung in mm)
12
9
14,03
11,8
15
10
16,18
14,65
19,18
17,65
22,03
19,65
26,03
23,65
30,03
26,65
35,03
31,45
36,57
32,75
42,03
37,95
47,03
43,15
Tabelle 1: bislang gefertigte Rohrabmessungen
3. Neuentwicklung
Das Lastenheft für die neu zu entwickelnde Anlage „IMPUSCUT II.1“ ist Tabelle 2 zu
entnehmen.
Max. Bauteillänge
80 mm (größere Länge optional)
Min. Bauteillänge
0,75 x d (Rohr) bzw 1 x d (Vollmaterial, werkstoffabhängig)
Max. Querschnittsfläche
500 mm²
Max. Rohdurchmesser
50 mm
Toleranz
+ / - 0,05 mm bei Bauteillänge bis 80 mm
Tabelle 2: Lastenheft für Impulscut II.1
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Voraussetzung war, dass alle auf den bisherigen Serienmaschinen gefertigten Werkstücke auch auf der neuen Anlage realisierbar sind, jedoch mit wesentlich höherem Komfort
und insbesondere der Forderung, dass keine permanente Beaufsichtigung erforderlich
ist. Gleichzeitig sollte jedoch auch vermieden werden, eine „eierlegende Wollmichsau“ zu
kreieren mit einem zu großen Werkstückspektrum und Anforderungskatalog. Stattdessen soll nach Bewährung der Anlage IMPULSCUT II.1 eine leistungsstärkere Anlage
„IMPULSCUT II.2“ nach demselben Vorbild aufgelegt werden, siehe Tabelle 3.
Kennwerte (geometrisch)
Impulscut Maschine II.1
Impulscut Maschine II.2
Einheit
max. Scherfläche
500, abhängig vom Werkstoff
mm²
max. Stabdurchmesser
min. Stabdurchmesser
>0
10
mm
max. Außendurchmesser Rohr
50
75
mm
min. Innendurchmesser Rohr
6
10
mm
max. Wandstärke Rohr
ergibt sich aus der Scherfläche
ergibt sich aus der Scherfläche
min. Wandstärke Rohr
> 0, abhängig vom Werkstoff
> 0, abhängig vom Werkstoff
Tabelle 3: geplante Einsatzbereiche Impulscut II.1 und II.2
Bild 11: Neue Serienmaschine Impulscut II.2
Dem in Bild 11 gezeigten Layout der neuen Anlage ist zu entnehmen, dass der Platzbedarf im Wesentlichen aus der automatischen Rohr- bzw. Stangenzuführung resultiert,
während die Trennanlage selber vergleichsweise kompakt gebaut ist. Die getrennten
Werkstücke werden entweder in einen Behälter ausgeworfen oder in eine verkettete
Bürst- oder Drehanlage geleitet, sofern ein Kantenbruch oder definierte StirnseitenGeometrien erforderlich sind.
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mm
4. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
In Tabelle 4 ist eine qualitative Abschätzung der Faktoren vorgenommen worden, die die
Wirtschaftlichkeit im Wesentlichen beeinflussen. Während die Investition zwischen einer
Hochgeschwindigkeitssäge und einer Impulscut-Maschine nur unwesentlich
auseinanderliegen und auch viele andere Positionen direkt vergleichbar sind, liegt ein
Hauptunterschied in der Häufigkeit des Werkzeugwechsels. Die Matrizen der ImpulscutAnlage sind zwar teurer, da sie speziell auf die Anlage angepasst und nicht wie ein Sägeblatt „Standardware“ sind; die Standzeit beträgt jedoch ein Vielfaches, sodass die Maschinen nur selten für Werkzeugwechsel oder Werkzeugnacharbeiten gestoppt werden
müssen. Außerdem kann die Nacharbeit der Trennwerkzeuge auf einer einfachen
Schleifmaschine aus dem eigenen Werkzeugbau durchgeführt werden, während Sägeblätter zur Nacharbeit in der Regel außer Haus gehen. Ein weiteres, wichtiges Merkmal
ist die Trockenbearbeitung beim Hochgeschwindigkeitstrennen, sodass die beim Einsatz
von Kühlschmierstoff üblichen Pflege- und Reinigungsarbeiten entfallen und auch die
Folgebearbeitung davon profitiert.
Kriterium
(Beispiel: Rohr Ø 35x3, 30mm lang
aus Vormaterial 6000mm lang)
High Speed
Impulscut
Säge
II.1
Investition
<
>
anteilige Personalkosten
=
=
Werkzeugkosten p.a. inkl. Nacharbeit
>>
<<
>>
<<
Hilfs- und Betriebsstoffe
>
< (trocken)
Energiekosten
≧
≦
Verfügbarkeit
> 95%
> 95%
Instandhaltungskosten
=
=
Raumkosten, Platzbedarf
=
=
<<
>>
(ca. 4 Mio. p.a.)
(ca. 14 Mio. p.a.)
Häufigkeit des Werkzeugwechsels/Nacharbeit
Ausbringung (3-schichtig)
Gesamtkosten je Schnitt ohne Material
Verschnitt (im obigen Beispiel bei
2,5mm Sägeblatt)
Tabelle 4: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
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ca. 300 %
ca. 100 %
9,5 %
1%
Legende:
= gleich
< etwas geringer
> etwas größer
<< viel geringer
>> viel größer
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Ausschlaggebend in der Wirtschaftlichkeit sind jedoch insbesondere zwei Faktoren:
Zum Einen die wesentlich höhere Ausbringung, das Hochgeschwindigkeitstrennen erfolgt je nach Anlage im Sekundentakt (der Prozess würde noch deutlich kürzere Taktzeiten ermöglichen; bei dem Konzeption der neuen Maschine wurde jedoch insbesondere
auf einen von Anfang an sehr störungsarmen Dauerbetrieb Wert gelegt und zunächst
nicht auf ein „Austesten“ der Prozessgrenzen).
Der zweite noch wesentlichere Faktor ist der Verschnitt, der beim Hochgeschwindigkeitstrennen lediglich aus einem kurzen Anschnitt besteht (dieser könnte auch entfallen; da
die langen Rohre bzw. Stangen jedoch in der Regel eine andere Schnittqualität aufweisen, ist dieser „Anschnitt“ empfehlenswert). Aus den gleichen Gründen sollte es auch ein
kurzes Reststück geben, zumal die Länge des Rohmaterials nie „exakt“ aufgehen wird.
Der Verschnitt beim spanabhebenden Trennen ist natürlich insbesondere eine Frage der
Werkstücklänge und macht sich umso deutlicher bemerkbar, je kürzer die Abschnitte
sind. Aus diesem Grunde wurde die max. Trennlänge für die neu entwickelte Anlage auf
80 mm festgelegt, optional erweiterbar auf 200 mm. Eine Werkstücklänge von z.B. 200
mm ergibt bis zum Wechsel einer G-Meter-Stange 30 Schnitte, bzw. eine Gesamttaktzeit
von nur gut einer halben Minute. Bei noch deutlich längeren Werkstücken würde sich der
Stangenwechsel somit auf die Maschinenbelegung deutlich höher auswirken als das eigentliche Trennen!
5. Zusammenfassung
Das spanlose, adiabatische Trennen von Rohren und Stäben ist insbesondere zum
Trennen kurzer Rohr- und Stangenabschnitte mit hoher Jahresstückzahl wirtschaftlich.
Die meisten auf dem Markt befindlichen, teilweise aber auch nicht mehr hergestellten
Hochgeschwindigkeits- Trennanlagen sind technisch sehr komplex und somit meist kostenintensiv und störanfällig. Aufbauend auf einer 20-jährigen Serienerfahrung mit dem
Hochgeschwindigkeitstrennen wurde nun eine Nachfolgegeneration entwickelt, die über
moderne NC Technik insbesondere im Bereich der Werkstückzuführung verfügt, aber
auch kurze Umrüstzeiten und modernsten Bedienerkomfort verspricht. Dabei wurden
bewusst Kompromisse hinsichtlich Taktzeit/ Trenngeschwindigkeit und geometrischer
Anwendungsbreite hingenommen zugunsten einer raschen Markteinführung und bestmöglicher Anlagenverfügbarkeit. Bei entsprechender Resonanz werden in Kürze ein bis
zwei weitere Baugrößen folgen.
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6. Literaturhinweise
/1/ Carstens, J.:
Adiabates Trennen als Bearbeitungsverfahren für die
Turbinenschaufelfertigung, The IP.com Jonnel, Feb.
2005
/2/ Rauschnabel, E.:
„Spezialitäten für die Rohrbearbeitung“.
Blech, Rohre, Profile Dezember 2010.
/3/ Groche, P. / Fritsche, D.: Inkrementelle Massivumformung eine Technologie
vor dem Comeback?
Wt Werkstattstechnik online 95 (2005) Nr. 10,
S. 798-802. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag
/4/ Schuster, H.:
Schlagschneidvorrichtung mit einer Rückstelleinrichtung
Offenlegungsschrift vom 04.06.2009 zur Patentanmeldung DE 10 2007 57 638 vom 30.11.2007
/5/ IFUTEC Produktions GmbH, Karlsbad (IPG): Firmenprospekt
/6/ Boning, M.:
Getriebemittel für eine Schneideinrichtung,
Europäische Patentschrift EP1 497 066 B1,
Anmeldetag 26.03.2003.
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