Alle Zähne im lot? - HOB die Holzbearbeitung

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66 Aus der ForschungAlle Zähne im Lot?Durch den Einsatz von hartmetallbestückten Bandsägen kann im Vergleich zu stellitierten Bandsägen die Standzeitdeutlich erhöht werden. Ein besonderer Fokus ist bei diesen Werkzeugen auf die Lötverbindung zu legen, da dasVersagen der Lötverbindung eines Zahnes zum Beschädigen oder gänzlichen Abbrechen mehrerer nachfolgenderZähne führen kann. Um die Festigkeit der Lötverbindungen zu ermitteln und zu optimieren, werden am Institutfür Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart, in Kooperation mit der Kähny Maschinenbau GmbH,systematische Untersuchungen an hartmetallbestückten Bandsägeblättern durchgeführt. Prof. Dr.-Ing. Prof.h.c. mult. Dr. h.c. mult. Uwe Heisel, Prof. Dr.-Ing. Frieder Scholz, Dr.-Ing. Thomas Stehle und Dipl.-Ing. Pat.-Ing. Michael GroSSmann 1der Lötverbindung bei hartmetallbestückten Bandsägen durchgeführt.Ziel hierbei ist es, die Einflüsse der verfahrenstechnischenParameter beim Lötprozess, wie beispielsweise die Löttemperatur,die Lötzeit sowie die Einflüsse des Lottyps auf die Festigkeit derLötverbindung zu quantifizieren und die erreichbare Festigkeitder Lötverbindung zu steigern bzw. die auftretende Streuung derFestigkeiten zu minimieren.Abb. 1: Versuchsstand zur Ermittlung der Festigkeiten der LötverbindungZum industriellen Einschnitt von Rundholz werden in Sägewerkenneben Gatter- und Kreissägen auch Bandsägen verwendet.Die Vorteile der Bandsägetechnik liegen in der hohen Vorschubgeschwindigkeitbei gleichzeitig großem Durchlass und derMöglichkeit des individuellen Schnitts für jedes Brett. Zur Erhöhungder Produktivität beim Bandsägen können die bisher in derPraxis gängigen Stellitzähne durch Hartmetallzähne ersetzt werden.Die Sägebandgrundkörper werden, analog zu hartmetallbestücktenKreissägen, mittels Löttechnik mit den Hartmetallzähnen bestückt.Grundsätzlich ist die Befestigung der Hartmetallzähne bei Bandsägen,aufgrund der deutlich geringeren Grundkörperdicken undsomit der geringeren Lötflächen im Vergleich zu den Kreissägen,deutlich kritischer hinsichtlich der erreichbaren Festigkeiten derLötverbindung. Schon das Versagen der Lötverbindung eines Sägezahneskann zu Beschädigungen oder dem gänzlichen Abbrechenmehrerer nachfolgender Sägezähne führen.Aus diesem Grund werden im Rahmen eines Forschungsvorhabensim Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM), gefördertvom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, inKooperation mit der Fachhochschule Rosenheim und den UnternehmenAlber Trennwerkzeuge GmbH und Kähny MaschinenbauGmbH grundlegende Untersuchungen hinsichtlich der FestigkeitVersuchsdurchführung Zur Ermittlung der Festigkeit der Lötverbindungenbei Band- und Kreissägeblättern wurde am Institutfür Werkzeugmaschinen ein Versuchsstand konzipiert und aufgebaut.Der Versuchsstand besteht aus einer Hydraulikpumpe, einemHydraulikzylinder und einem gehärteten Stempel sowie der Messtechnikzur Ermittlung der auftretenden Kräfte.Die Ermittlung der Abdrückkräfte erfolgt mittels eines einachsigenKraftmesselementes, welches zwischen dem gehärteten Stempelund dem Hydraulikzylinder positioniert ist. Die während des Abdrückvorgangesdurch das Kraftmesselement erzeugte Ladung wirdmittels eines Ladungsverstärkers in ein Spannungssignal umgewandeltund anschließend vom Messrechner erfasst und ausgewertet.Das Abdrücken der Sägezähne vom Sägegrundkörper erfolgtausschließlich in Richtung der Passivkraft. Die während des Zerspanvorgangesauf den Zahn wirkende Schnittkraft bleibt unberücksichtigt,da der Zahn durch diese Kraft in den Zahnsitz gedrücktwird und somit die Schnittkraft für die Festigkeit der Löt-1Die Autoren: Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. mult. Dr. h.c. mult. Uwe Heisel istOrdinarius und Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen (IfW) derUniversität Stuttgart, Dr.-Ing. Thomas Stehle ist Oberingenieur desselbenInstitutes, Dipl.-Ing. Pat.-Ing. Michael Großmann ist in der ForschungsgruppeHolzbearbeitung tätig, Prof. Dr.-Ing. Frieder Scholz ist Studiendekanan der Fakultät Holztechnik und Bau an der Fachhochschule Rosenheim.Abb. 2: links: Typischer Verlauf der Kraft über der Zeit beim Abdrückeneines Sägezahns; rechts: prinzipieller Messaufbau für das Abdrücken6.2013


verbindung eine untergeordnete Rolle spielt. Abb. 2 zeigt denprinzipiellen Messaufbau zur Ermittlung der Abdrückkräfteauf dem Versuchsstand und exemplarisch einen Kraftverlaufbeim Abrücken eines Hartmetallsägezahnes. Die Quantifizierungder Abdrückkräfte erfolgt anhand der maximalen Kraft,die zum Bruch der Lötverbindung führt.Zur Erstellung der Versuchsproben wurden Sägebandgrundkörpermittels eines von der Fa. Kähny Maschinenbau GmbHspeziell für diesen Anwendungsfall entwickelten Automatenmit Hartmetallsägezähnen bestückt. Um statistisch abgesicherteErgebnisse zu erhalten, werden jeweils 20 Zähne unter konstantenverfahrenstechnischen Bedingungen auf den Sägebandgrundkörpergelötet. Innerhalb der Versuchsreihen erfolgt eineVariation des Lottyps, der Löttemperatur sowie der Lötzeit.Abb. 3: links: Bestückungsautomat der Fa. Kähny MaschinenbauGmbH; rechts: hartmetallbestücktes SägebandVersuchsergebnisse Die unter verschiedenen verfahrenstechnischenBedingungen gelöteten hartmetallbestückten Sägebandabschnittewerden mittels der aufgebauten Versuchseinrichtungauf die Festigkeit der Lötverbindung untersucht. ZurCharakterisierung der Festigkeit der einzelnen Versuchskonfigurationendienen der Mittelwert der ermittelten Abdrückkräfte,die innerhalb einer Versuchsreihe zu ermittelnde minimaleAbdrückkraft sowie die Standardabweichung der Abdrückkräfte.Hierbei muss ein besonderer Fokus auf die minimale Abdrückkraftgelegt werden, da dieser Kennwert die schwächsteLötverbindung charakterisiert und somit die Lebensdauer derSägewerkzeuge begrenzt. Untersucht werden die Einflüsse derLöttemperatur, des Lottyps (Lottyp A, Lottyp B) sowie stichprobenartigder Einfluss der Lötzeit auf die erreichbaren Festigkeitender Lötverbindung. Auf die ermittelten Ergebnisse wirdim Folgenden näher eingegangen.Die Untersuchung der Festigkeit der Lötverbindung zeigt,dass die verfahrenstechnischen Parameter des Lötprozesses sowieder Lottyp signifikante Auswirkungen auf die Festigkeit derLötverbindung besitzen.Die erreichbaren mittleren Abdrückkräfte beim Lottyp Aliegen, abhängig von der Löttemperatur, in einem Bereich zwischen1 700 N und 2 400 N. Grundsätzlich kann mit steigendenLöttemperaturen ein Trend zu höheren Abdrückkräften festgestelltwerden. Die minimalen Abdrückkräfte erreichen hierbeiWerte zwischen 1 070 N und 1 500 N. Die Standardabweichungliegt innerhalb der einzelnen Versuchsreihen zwischen410 N und 540 N.Beim Lottyp B liegen die ermittelten mittleren Abdrück-


68 Aus der ForschungAbb. 4: Festigkeit der Lötverbindung in Abhängigkeit von der Löttemperaturund dem Lottypkräfte, ebenfalls abhängig von der Löttemperatur, zwischen 2 000 Nund 2 700 N. Mit steigender Löttemperatur ist eine deutliche Zunahmeder mittleren Abdrückkräfte zu verzeichnen. Die minimalenAbdrückkräfte liegen zwischen 460 N und 2 090 N. Die anfänglichsehr niedrigen Abdrückkräfte erhöhen sich mit steigender Löttemperatur,wobei das Kräftemaximum bei mittleren Löttemperaturenerreicht wird und im weiteren Verlauf wieder abnimmt. DieStandardabweichung nimmt Werte zwischen 250 N und 550 N an,wobei die kleinsten Werte bei mittleren Löttemperaturen erreichtwerden. Die für die mittlere und minimale Abdrückkraft sowie fürdie Standardabweichung günstigste Löttemperatur liegt in einemBereich von 740 – 790 °C. Unter diesen Prozessbedingungen können,bezogen auf den Lottyp A, die mittleren und minimalen Abdrückkräftedeutlich gesteigert und die Standardabweichung derAbdrückkräfte minimiert werden.Bei der Untersuchung des Einflusses der Lötzeit auf die Festigkeitder Lötverbindung zeigt sich, dass mit steigender Lötzeit diemittlere Abdrückkraft geringfügig gesteigert werden kann. Gleichzeitigsind ebenfalls eine Reduktion der Standardabweichungenund eine Erhöhung der minimalen Abdrückkräfte zu beobachten.Da bisher noch keine Erkenntnisse bezüglich der Festigkeit vonAbb. 5: Vergleich der Festigkeiten der Lötverbindungen bei Kreissäge-und BandsägeblätternLötverbindungen bei Bandsägewerkzeugen bekannt sind und somitkeine Erfahrungswerte bzw. keine Richtwerte für die Festigkeit derLötverbindungen vorliegen, wurde im Rahmen der durchgeführtenUntersuchungen auch die Festigkeit der Lötverbindungen vonKreissägeblättern unterschiedlicher Hersteller (KSB1, KSB2, KSB3)zu Vergleichszwecken ermittelt.Da die Kreissägeblätter unterschiedliche Stammblattdicken aufweisenund die Abdrückkräfte von der Lötfläche abhängen, ist eindirekter Vergleich der Abdrückkräfte nicht möglich. Aus diesemGrund wurden die Abdrückkräfte der einzelnen Sägezähne ermitteltund auf die jeweiligen Lötflächen bezogen. Durch dieses Vorgehenwird die ertragbare Abdrückspannung (Abdrückkraft pro Lötfläche)ermittelt und es wird somit der Vergleich von unterschiedlichenSägeblättern ermöglicht. Abb. 5 zeigt die an den Kreissägeblätternermittelten Abdrückspannungen sowie die mittleren undminimalen Abdrückspannungen und die auftretenden Standardabweichungen.Ebenfalls dargestellt sind die Abrückspannungen einesSägebandes, welches unter optimierten verfahrenstechnischenParametern gelötet wurde.Bei den untersuchten Kreissägeblättern werden mittlere Abdrückspannungenzwischen 124 – 173 N/mm 2 und minimale Abdrückspannungenzwischen 87 – 130 N/mm 2 ermittelt. Es ist deutlichzu erkennen, dass die mittleren Abdrückspannungen des Sägebandesmit 242 N/mm 2 sowie die minimalen Abdrückspannungen mitWerten von 202 N/mm 2 deutlich über den mittleren und minimalenAbdrückspannungen der auf dem Markt befindlichen Kreissägeblätternliegen. Die Standardabweichung konnte bei dem unteroptimierten verfahrenstechnischen Bedingungen gelöteten Sägeband,im Vergleich zu der Standardabweichung der Kreissägeblätter(27 – 45 N/mm 2 ), auf 24 N/mm 2 reduziert werden.Zusammenfassung Der Lötverbindung bei hartmetallbestücktenBandsägen kommt besondere Bedeutung zu, da das Versageneiner Lötverbindung das Beschädigen oder gänzliche Abbrechennachfolgender Zähne verursachen kann. Aus diesem Grund wurdenumfangreiche Untersuchungen hinsichtlich der Festigkeit derLötverbindungen bei hartmetallbestückten Sägewerkzeugen durchgeführt.Zur Durchführung dieser Untersuchungen wurde ein Prüfstandkonzipiert und aufgebaut, der es ermöglicht, die Festigkeitender Lötverbindungen experimentell zu ermitteln. Im Rahmen derVersuchsreihen konnte der Einfluss der verfahrenstechnischen Parameterwie der Löttemperatur, des Lottyps sowie der Lötzeit systematischuntersucht und quantifiziert werden. Weiterhin konntendie verfahrenstechnischen Einstellparameter hinsichtlich der erreichbarenmittleren Festigkeiten, der minimalen Festigkeiten undder Standardabweichung optimiert werden. Zu Vergleichszweckenerfolgten zusätzliche Untersuchungen an handelsüblichen, hartmetallbestücktenKreissägewerkzeugen.Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch dieOptimierung der verfahrenstechnischen Parameter, Festigkeitender Lötverbindungen an Bandsägen erreicht werden konnten, dieerheblich über den Festigkeiten der Lötverbindungen von vergleichenduntersuchten Kreissägewerkzeugen liegen.u www.ifw.uni-stuttgart.de6.2013

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