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Ultraschall-gestützt ziehschälen

Oktober 2017 — Ziehschälen verbessert die Oberflächenstruktur. Dabei wird Material von der Drahtoberfläche abgetragen. Das Verfahren ist eine Alternative zum Rotationsschälen, Sandstrahlen und Drahtschleifen. Beim ultraschall-gestützten Ziehschälen sind die notwendigen Zugkräfte reduziert.

Hauptziel beim Ziehschälen ist gleichmäßige Oberflächenqualität mit wenig Rauigkeit. Nach der Bearbeitung hat der Walzdraht eine feinere Materialstruktur und höhere Materialreinheit. Das Ziehschälen entfernt Oberflächendefekte wie Oxidschichten, Rattermarken, Walzriefen, Zundernarben, Lunker, Kratzer, Einschlüsse und verkohlte Randschichten von Eisenmetallen wie z.B. Stahl oder Eisenwerkstoffen. Besonders gut eignet sich das Ziehschälen für das Entfernen von Zunder und Oberflächenrost von Eisendraht. Bei Nichteisenmetallen wie Kupfer kann nach dem Walzen oder Ziehen Ziehschälen notwendig sein, um Gußsshaut oder Oxidschichten zu entfernen. Das Ziehschälen kann in einem Schritt zwischen 0,01mm und 0,25 mm Material der Walzdrahtoberfläche entfernen.

Ziehschälen gegen Drehschälen

Bei Drahtstäben, Profilen oder Rohren von weniger als 25 mm Durchmesser hat das Ziehschälen Vorteile gegenüber dem Drehschälen. Das Rotationsschälen von Drahtstangen begrenzt die Produktionsgeschwindigkeit. Es kann zu wellen- oder spiralförmig strukturierten Oberflächen auf kleinen Drahtstangen führen. Das Ziehschälwerkzeug schneidet parallel zur Zuführrichtung. Dies ergibt eine bessere Oberflächentopographie entlang des Walzdrahts und eine höhere Haltbarkeit des Ziehschälwerkzeugs. Im Allgemeinen sind die Kosten für Ziehschälwerkzeuge niedriger als für Rotations-Schälsysteme.

Beim Ziehen von Drahtstangen muss Kraft aufgewendet werden: zum einen, um die Reibung zu überwinden und zum anderen, um das Material abzutragen. Beim konventionellen Ziehschälen wird diese Leistung allein vom rotierenden Capstan erbracht. Die benötigte Zugkraft auf den Walzdraht steigt mit zunehmender Geschwindigkeit, mit zunehmendem Drahtdurchmesser und höherer Schälschichtdicke. Zugfestigkeit und Streckgrenze sind insbesondere bei kleineren Drahtstäben kritische Faktoren, da das Verhältnis von Umfang zu Querschnitt für kleinere Durchmesser höher ist. Dadurch entstehen Begrenzungen für die Liniengeschwindigkeit des Ziehschälens oder aber herkömmliches Ziehschälen ist aufgrund des hohen Bruchrisikos nicht möglich. Beim ultraschall-gestützten Ziehschälen wird das scharfkantige Spanwerkzeug mit Ultraschall beaufschlagt und dabei in hochfrequente Längsschwingung versetzt. Die typische Schwingungsfrequenz beträgt 20 kHz, die Schälkantenverschiebung kann bis zu 100 µm (pk-pk) betragen. Je höher das Verhältnis zwischen der Vibrationsgeschwindigkeit des Schälwerkzeugs und der Walzdrahtgeschwindigkeit ist, desto niedriger kann die Zugkraft auf dem Draht sein. Daher ermöglicht das durch Ultraschall angeregte Ziehschälen eine schnellere Ziehschneid-Geschwindigkeit oder einen höheren Materialabtrag pro Schälstufe. Dies gilt für jegliche Zugfestigkeitsgrenze.

Weniger Zugkraft nötig

Durch die reduzierte Zugkraft eignet sich das Ultraschall-Ziehschälen besonders für kontinuierliche Materialien mit kleinerem Durchmesser sowie für Hohlstränge, zum Beispiel Rohre. Beim Starten und Stoppen des Capstan-Antriebs einer Rotations-Schälmaschine erleiden Drahtstäbe häufig Rattermarken und Brüche. Dies ist vor allem bei weichen oder sehr elastischen Materialien und kleinen Querschnitten problematisch. Das Ultraschall-Vibrations-Schälwerkzeug bewegt sich 20000 Mal pro Sekunde hin und her. Diese kontinuierliche Bewegung des Schälwerkzeugs mindert die Zugspannung und vermeidet Rattermarken oder Unebenheiten auf der Walzdrahtoberfläche.

Je stärker die Schneidwerkzeug-Kante durch die Ultraschallvibration in das Material geschoben wird, umso niedriger kann die Walzdrahtspannung sein. Dies führt zu Spannungsreduktionen bis zu 50 % je nach Material und Abmessungen. Im Normalfall kann durch die reduzierte Spannung die Ziehschäl-Geschwindigkeit erhöht werden. Dennoch sollte die Walzdrahtgeschwindigkeit mindestens 20 % unterhalb der Schwingungsgeschwindigkeit des Werkzeuges liegen.

Was ist dafür erforderlich?

Für das ultraschall-gestützte Ziehschälen kann man sein Standard-Schälwerkzeug nutzen. Ein Ultraschallresonator – auch als „Sonotrode“ bekannt – ersetzt den herkömmlichen Werkzeughalter. Die Sonotrode ist eine Eigenentwicklung  von Hielscher Ultrasonics. Sie überträgt die Ultraschall-Längsschwingungen auf das Schälwerkzeug. Um Platz zu sparen, regt der Ultraschallantrieb – auch Schallwandler genannt – die Sonotrode von oben an. Eine typisches Ultraschall-Ziehschäl-Setup benötigt weniger als 250 mm Platz in der Höhe. Die Ultraschall-Vibrationen werden durch Standard-Ultraschallgeräte erzeugt wie „UIP1000hdT“ (1,0 kW), „UIP1500hdT“ (1,5 kW), „UIP2000hdT“ (2,0 kW) oder „UIP4000“ mit 4,0 kW). Die Ultraschallprozessoren werden weltweit für verschiedene Anwendungen rund um die Uhr und Woche eingesetzt. Der tatsächliche Leistungsbedarf beim Ultraschall-Ziehschälen hängt ab von der Geschwindigkeit, vom Material und den Abmessungen. Für ein Scale-up können die Ultraschallgeräte einfach gegen ein leistungsstärkeres Modell ausgetauscht werden: beispielsweise wenn die Geschwindigkeit der Ziehschällinie erhöht werden soll und mehr Leistung nötig ist. Für Hochleistungsanwendungen kann das Schälwerkzeug auch mit zwei Ultraschallgeräten gleichzeitig angeregt werden bis zu 2 x 4 kW. Bestehende Ziehschälanlage können problemlos mit unseren Ultraschallsystemen nachgerüstet werden. Anlagenhersteller wie Kieselstein sind mit der Installation oder Nachrüstung dieser Systeme vertraut. Einige der neueren Maschinen haben bereits Platz für das Ultraschallsystem vorgesehen.

Hielscher Ultrasonics GmbH
Oderstraße 53

14513 Teltow
Ansprechpartner ist Kathrin Hielscher
Tel.: +49 3328 437428
kathrin@hielscher.com
www.hielscher.com

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