Untersuchungen zum Einsatz von Kühlschmierstoffen beim Bandsägen von Kaltarbeitsstählen

Abstract

Beim Bandsägen von Kaltarbeitsstählen wird laut aktuellem Stand der Technik eine Kühlschmierung mittels Emulsionen verwendet. Um deren Auswirkung auf die Umwelt und Gesundheit von MitarbeiterInnen zu reduzieren, müssen in einer Produktion eine Vielzahl an Sicherheitsmaßnahmen getätigt werden. Ein geringerer Kühlschmierstoffverbrauches bzw. vollständiger Verzicht ist deshalb ein oft verfolgtes Ziel aktueller Forschungsbemühungen. Der Projektpartner dieser Diplomarbeit, die voestalpine High Performance Metals GmbH, hat ein mögliches Potential in Hinblick auf die Verbesserung des Prozesses, der Standzeit des Sägebandes sowie der Qualität des erzeugten Werkstückes erkannt. Im Detail soll geklärt werden, wie weit sich die Kühlschmierstoff-Konzentration reduzieren lässt, um trotzdem noch zielführende Ergebnisse im Sinne einer nachhaltigeren Produktion zu erreichen. Ein Hauptaugenmerk wird dabei auf die Thematik der Trockenzerspanung gerichtet. Dazu wird der Verschleiß des Sägebandes bzw. der Anlage insgesamt sowie die Qualität des gesägten Werkstückes in Abhängigkeit der Kühlschmiersituation anhand von 2 Versuchen beurteilt. Im Rahmen sogenannter Sägebandsegmentversuche werden zunächst Zerspankraftmessungen durchgeführt. Hier konnte gezeigt werden, dass eine Reduktion der Kühlschmierstoff-Konzentration auf 4 [%] zu keiner signifikanten Erhöhung der Zerspankräfte führt. Bei der Trockenzerspanung konnte jedoch ein Anstieg festgestellt werden. In den anschließenden Bandsägeversuchen wurde versucht, möglichst realitätsgetreu den Verschleißzustand anhand der Kriterien Zerspankraft, Gestaltabweichung des Werkstückes, Werkzeugverschleiß und Temperatur zu messen. In Bezug auf die Trockenzerspanung war die Auslenkung des Sägebandes das entscheidende Kriterium. Der Verzicht auf einen Kühlschmierstoff führte zu einem plötzlichen Anstieg der Sägebandauslenkung und dadurch zu einer unzureichenden Schnittqualität. Eine Erklärung zu diesem rapiden Anstieg der Sägebandauslenkung boten optische Freiflächenverschleißmessungen sowie Volumendifferenzmessungen der Zahngeometrie. Hier konnte ein Zusammenhang zwischen dem plötzlichen Versagen und dem Abbruch der stark ausgeprägten Aufbauschneiden hergestellt werden. Aus den Erkenntnissen der im Rahmen der Diplomarbeit durchgeführten Versuche kann man ableiten, dass ein vollständiger Verzicht auf eine Emulsion beim Bandsägen von Kaltarbeitsstählen nicht zielführend ist. Jedoch kann eine Reduktion der Konzentration auf 4 [%] empfohlen werden. Bei Unternehmen wie der voestalpine High Performance Metals GmbH könnte dadurch eine ressourcenschonendere Produktion realisiert werden. Darüber hinaus bietet ein reduzierter Kühlschmierstoffverbrauch das Potential zur Kostenreduzierung.

According to the current state of art, emulsions are used when sawing cold work steel. Time-consuming and expensive safety measures need to be taken in order to reduce the negative impact on workers’ environment and health. Thus, a reduction of the expenditure or a complete abandonment of metalworking fluids is an often-pursued goal in the research area of manufacturing engineering. The voestalpine High Performance Metals GmbH which is the project partner of this master thesis has recognized a potential benefit in terms of process improvement, band saw blade wear and cutting surface. Therefore, the main goal of this master thesis is to clarify the minimum amount of oil in an emulsion to obtain satisfying results in relation to a sustainable production. The focus in this context is dry machining. The wear of the band saw blade and the quality of the cut surface is evaluated by 2 experiments. The aim of the so-called tooth segment experiments was to measure the cutting forces. The results showed that a reduction to a concentration of 4 [%] doesn’t lead to higher cutting forces whereas dry machining leads to a significant rise. Afterwards, bandsawing tests were carried out to obtain a realistic wear behaviour. 4 different parameters – cutting force, geometrical deviation, tool wear and temperature – were measured. The main criterion during dry cutting was the displacement of the band saw blade. After a certain point the displacement rose rapidly which results in an unsatisfactory cut surface. According to optical wear measurements and volume difference measurements of the tooth geometry the break of the built-up-edge may be the reason for this behaviour because the band saw blade loses its stability. In summary it can be stated that bandsawing cold work steels is not effective without the use of metalworking fluids. But a reduction to an oil amount of 4 [%] can be recommended. For companies like voestalpine High Performance Metals GmbH this reduction can lead to a more sustainable production and has also the potential to reduce production costs.