Variation der Schnittiefe und Schnittgeschwindigkeit

ENCYCLOPAEDIA CINEMATOGRAPHICA
E d i t o r : G. W O L F
E 2053/1974
Zerspanen von Kalisalzgestein
Variation der Schnittiefe und Schnittgeschwindigkeit
M i t 5 Abbildungen
G O T T I N G E N 1975
INSTITUT
P U R
D E N
W I S S E N S C H A F T L I C H E N
F I L M
Film E 2053
Zerspanen von Kalisalzgestein
Variation der Schnittiefe und Schnittgeschwindigkeit
V . L A N G L O T Z , Clausthal
Allgemeine Vorbemerkungen
1
Allgemeines zum Bruchverhalten der Gesteine
Das Bruchverhalten der Gesteine beim Zerspanungsprozeß wird geprägt
durch Meißelgeometrie, Schrnttbeolingungen und Festigkeitsverhalten
des betreffenden Gesteins. Meißelgeometrie und Schnittbeclingungen
k ö n n e n als konstante Größen vorgegeben werden. Das Festigkeitsverhalten dagegen ist beeinflußbar durch die Schrnttgeschwindigkeit.
Bei der Analyse des Bruchverhaltens von oberflächennahen Gesteinen
unter den Bedingungen der mechanischen Zerspanung gehen die meisten
Autoren von einem spröd-elastischen Festigkeitsverhalten aus (NISHIM A T S U [4], R i x [6]). Dabei wird vereinfachenderweise vorausgesetzt,
daß
1. das Festigkeitsverhalten u n a b h ä n g i g ist von der Schnittgeschwindigkeit und
2. der Bruch als Sprödbruch ohne plastische F o r m ä n d e r u n g auftritt.
Jedoch ergaben Schnittkraftmessungen an Kohle ( G R E G O R [2])
( L A N G L O T Z [3]), d a ß unter sonst gleichen Schnittbedingungen
gender Schnittgeschwindigkeit höhere Schnittkräfte auftraten.
folglich davon ausgegangen werden, d a ß sich das Gefüge des
Angaben zum F i l m und kurzgefaßter
z ö s i s c h ) s . S . 10 u . 11.
1
und Salz
mit steiE s kann
Gesteins
F i l m i n h a l t (deutsch, englisch, fran-
3
mit zunehmender Belastungsgeschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit)
versteift und verfestigt. Dadurch erhöht sich der Widerstand, den das
Gestein dem Schneidwerkzeug entgegensetzt.
Auch aufgrund von ein- und mehraxialen Druckversuchen, durchgeführt
an Salzproben bei verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten, erhielt
Verformung £ in °/oo
A b b . 1. Verformungs-, Verfestigungs- u n d Bruchverhalten v o n Salzgestein
unter einaxialer Druckbeanspruchung u n d verschiedenen Belastungsgeschwindigkeiten
man Hinweise auf ein unterschiedliches Festigkeitsverhalten von Salzgestein ( D R E Y E R [1], P F O R R U . R O S E T Z [5]). Danach v e r h ä l t sich Salz
bei schockartiger Lastaufgabe elastisch, zeigt aber andererseits ausgeprägtes F l i e ß verhalten bei quasistatischer Belastung. Dazwischen liegt
ein mehr oder weniger großer Bereich mit elastischen und plastischen
F o r m ä n d e r u n g s a n t e i l e n (Abb. 1).
Die Einordnung des Zerspanungsprozesses in dieses Schema ist umstritten. Offenbar m u ß auch beim Zerspanungsprozeß, der sich i m
Bereich der schockartigen Belastung abspielt, mit dem Auftreten plastischer F o r m ä n d e r u n g gerechnet werden.
Der F i l m sollte A u f s c h l u ß darüber geben, wie der Vorgang der Bruchbildung und Spanentstehung unter unterschiedlichen Schnittbedingungen abläuft und ob und i n welchem Umfange dabei Erscheinungen der
plastischen F o r m ä n d e r u n g auftreten k ö n n e n .
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Zur Entstehung des Films
F ü r die Aufnahmen stand die Versuchseinrichtung des Bohrstandes des
Instituts für Bergbaukunde und Berg Wirtschaft, T H Clausthal, zur
V e r f ü g u n g . Die Versuchseinrichtung besteht aus einer Plandrehscheibe
von 2 m Durchmesser, durch die das darauf befestigte Material rotiert
A b b . 2. V e r s u c h s a b s t a n d mit Plandrehscheibe
u n d M o i ß e l h a l t e r (rechts)
(links)
wurde, und dem in axialer und radialer Richtung hin verschiebbaren
Support mit dem S c h n e i d w e r k z e u g t r ä g e r .
Die Aufnahmen wurden im Orthogonalschnitt bei radialem Vorschub
des Schneidwerkzeuges gemacht (Plandrehen). Die Schnittgeschwindigkeit lag bei 1,5, 0,6 und 0,35 m/s. Als Schnittiefen wurden 3,6, 8, 12 und
20 mm eingestellt. Die Aufnahmefrequenz der verwendeten FastaxZeitdehner-Kamera betrug 6000 Bilder pro Sekunde.
Als Versuchsgestein wurde ein polykristallines kieseritisches Hartsalz
aus der Zechsteinserie (Flöz Hessen) des Werra-Reviers zerspant.
Erkenntnisse aus dem Film hinsichtlich des Bruchverhaltens und der
Spanentstehung von Salzgestein
Schon bei der zeitlich u n a u f g e l ö s t e n Beobachtung des Zerspanungsprozesses fiel auf, d a ß sich Bruchverhalten und S p a n f l u ß mit der Schnitt-
tiefe v e r ä n d e r n . Bei geringen Schnittiefen (<S 3 m m ) floß das sehr feink ö r n i g zerkleinerte Material in F o r m eines g l e i c h m ä ß i g e n , kontinuierlichen Stromes vom Meißel ab. Der Vorgang erinnerte an den von der
Metallzerspanung her bekannten F l i e ß s p a n .
Dieses B i l d eines f e i n z e r s t ä u b t e n , fließenden Materialstromes bei geringen
Schnittiefen wird auch durch die Zeitdehnungsaufnahmen des Films
b e s t ä t i g t . Hier ist es an einzelnen Bildausschnitten sogar m ö g l i c h ,
spezifische Merkmale der Spanentstehung wie Spanstauchung und
Scherwinkel zu beobachten (Abb. 4).
A b b . 3. F l i e ß s p a n in normalfrequenter A u f n a h m e
Die Spanform ä n d e r t sich deutlich, wenn bei einer g r ö ß e r e n Schnitttiefe (etwa ab 5 mm) das an der M e i ß e l s p i t z e zerkleinerte Material nicht
mehr unmittelbar zur freien F l ä c h e hin entweichen kann. A n die Stelle
des „ F l i e ß s p a n e s " tritt dann die diskontinuierliche Spanbildung, deren
Merkmal der z y k l i s c h - u n r e g e l m ä ß i g e Auf- und Abbau eines Spannungsfeldes in Meißel und Gestein ist. Nach dem A b l ö s e n eines Spanes dringt
der kurzzeitig v ö l l i g entlastete Meißel erneut ins Gestein ein, wobei an der
M e i ß e l s p i t z e ein Feinkornpolster geschaffen wird. Die am Meißel aufzubringenden K r ä f t e steigen, bis sich die Bruchspannung des anstehenden
Gesteins einstellt, die nach den mikrogeometrischen Gegebenheiten
von F a l l zu F a l l unterschiedliche Werte annehmen kann. Erreicht eine
der sich nunmehr ausbreitenden Bruchlinien die freie F l ä c h e , löst
sich ein Span. Der P r o z e ß kann von neuem beginnen.
6
M i t H i l f e des F i l m s w u r d e n h i n s i c h t l i c h der S p a n b i l d u n g d i e n a c h folgenden Aussagen m ö g l i c h :
1. G e g e n ü b e r d e n H a u p t s p ä n e n , d i e e x p l o s i o n s a r t i g a b g e s p r e n g t werd e n , v e r h ä l t s i c h das f e i n k ö r n i g e M a t e r i a l a u f der S p a n f l ä c h e des M e i ß e l s
recht statisch. E s bleibt dort z . T . ü b e r mehrere S p a n z y k l e n hinweg
nahezu u n v e r ä n d e r t liegen.
A b b . 4. „ F l i e ß s p a n " i n der Z e i t d e h n u n g
S c h n i t t i e f e : 3 mm;
B i k l f e l d b r e i t e e t w a 22
mm
2. D i e B i l d u n g der H a u p t s p ä n e erfolgt ü b e r w i e g e n d d u r c h spröd¬
elastisches Z u b r u c h g e h e n des M a t e r i a l s . D i e D e s i n t e g r a t i o n der S p ä n e
s e t z t s i c h d a b e i z . T . a u c h n o c h n a c h d e m H e r a u s l ö s e n aus d e m Gesteinsv e r b a n d i m freien F l u g e f o r t .
3. N e b e n s p r ö d - e l a s t i s c h e n V o r g ä n g e n
wurden auch
Stauchungserscheinungen beobachtet, die z u plastischen F o r m ä n d e r u n g e n
und
s c h l i e ß l i c h e n t l a n g einer G l e i t f l ä c h e z u m B r u c h f ü h r t e n ( A b b . 5a—d).
Filmbeschreibung
1
D i e normalfrequente
A u f n a h m e z e i g t die V e r s u c h s e i n r i c h t u n g m i t
Plandrehscheibe, Meißelhalter, Schneidwerkzeug u n d Material beim
Plandrehen.
Die Ä w « w - Ü b e r s c h r i f t e n
entsprechen den Zwischentiteln i m F i l m .
A b b . 5 a - d . Plastische V e r f o r m u n g
u n d D e f o r m a t i o n a n der unteren
dem
M e i ß e l zugewandten
Seite
eines g r ö ß e r e n Spanes
Schnittiefe:
0,0 m / s
12 m m ;
Schnittgeschwindigkeit:
Plandrehen —
Hartmetall-Meißel
Spanwinkel y : 14°, Freiwinkel a '• 16°, Einstellwinkel % : 0°
6000 B/s
Schnittiefe a : 3 mm
Vorschub s : 30 mm/U, Schnittgeschwindigkeit v : 1,5 m/s
Bildfeldbreite etwa 22 mm
Schnittgeschwindigkeit v : 0,6 m/s
In diesen hochfrequenten Aufnahmen zeigt sich der F l i e ß span Charakter
der Spanbildung bei geringen Span tief en. Insbesondere bei hoher
Schnittgeschwindigkeit (1,5 m/s) fließt ein meist geschlossener Materialstrom über die Spanfläche, in den sich auch größere B r u c h s t ü c k e einreihen. Die Aufnahmen unterstreichen die von Schnittkraftmessungen
her bekannte Tatsache, d a ß die Zerkleinerung des Materials zu einem
solchen feinkörnigen Materiaistrom mit einem erheblichen Aufwand
an spezifischer Energie verbunden ist.
Schnittiefe a : 6 mm
Schnittiefe a : 8 mm
Schnittiefe a : 12 mm — Bildfeldbreite etwa 56 mm
Mit zunehmender Schnittiefe verstärkt sich die Differenzierung zwischen
dem Hauptspan, der mit hoher Geschwindigkeit abgesprengt wird,
und dem Feinkornpolster. Die einzelnen Phasen der Spanbildung sind,
wie vorab beschrieben, gut erkennbar. Vereinzelt sind Stauchungsund Verformungserscheinungen plastischer A r t zu beobachten. Die von
der Meißelspitze ausgehende R i ß b i l d u n g verläuft meist spitzwinklig
auf die freie F l ä c h e zu, seltener auch z u n ä c h s t parallel zur freien F l ä c h e ,
um diese erst nach A b l ö s e n eines größeren Spanes zu erreichen.
Schnittiefe a : 20 mm — Bildfeldbreite etwa 68 mm
Schnittgeschwindigkeit v : 0,35 m/s — Bildfeldbreite etwa 105 mm
Die R i ß b i l d u n g wird bei größerer Schnittiefe (20 mm) häufig auch in
axialer Richtung, d . h . in das Material hinein eingeleitet und pflanzt
sich dann durch A b l ö s e n eines sichelförmigen Spanes zur freien F l ä c h e
fort. Die Differenzierung zwischen Feinkornpolster und Grobspänen
ist stärker ausgeprägt. Die Masse an Feinkorn überdauert z . T . mehrere
Spanzyklen. Das trifft insbesondere für die Aufnahmen bei einer Schnittgeschwindigkeit von 0,35 m/s zu.
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Literatur
[1] D R E Y E R , W . : D i e Festigkeitseigensehaften n a t ü r l i c h e r Gesteine insbesondere der Salz- u n d Karbongesteine. Clausthaler Hefte zur Lagers t ä t t e n k u n d e , H e f t 5 (1967).
[2] G R E G O R , M . : Experimentelle u n d theoretische Untersuchungen ü b e r den
E i n f l u ß der Schnittgeschwindigkeit auf den Zerspanungswiderstand v o n
K o h l e . Diss. A a c h e n 1968.
[3] L A N G L O T Z , V . : Untersuchungen ü b e r das Zerspanen v o n Salzgestein.
Diss. Clausthal 1973.
[4] N I S H I M A T S U , Y . : T h e Mechanics of R o c k Cutting. Int. J . of R o c k M e c h .
M i n . Sei. 9 (1972), 261.
[5] P F O R R , H . , u n d G . - P . R O S E T Z : Ergebnisse u n d E r f a h r u n g e n bei D r u c k u n d Zugversuchen an Gesteinen des Kalibergbaus. Freiberger F o r schungshefte, A 376 (1966).
[6] R i x , P . F . : Untersuchungen ü b e r den Spanwiderstand v o n spröd¬
elastischen Gesteinen i n A b h ä n g i g k e i t v o n M e i ß e l b r e i t e u n d Spantiefe
unter besonderer B e r ü c k s i c h t i g u n g des Bruchvorganges. Diss. A a c h e n
1971.
Abbildungsnachweis :
A b b . 1: N a c h D R E Y E R [1]; A b b . 3—5: Einzelbilder aus dem F i l m .
Anschrift des Verfassers:
D r . -Ing. V . L A N G L O T Z , 748 Sigmaringen, B i t t e l s c h i e ß e r Str. 80a.
Angaben zum Film
D a s F i l m d o k u m e n t wurde 1974 zur Auswertung i n F o r s c h u n g u n d H o c h schulunterricht v e r ö f f e n t l i c h t .
Stummfilm, 16 m m , s c h w a r z w e i ß , 109 m ,
10 min ( V o r f ü h r g e s c h w . 24 B/s).
Die Avifhahmen entstanden i m Jahre 1973. V e r ö f f e n t l i c h u n g aus dem Institut
für Bergbaukunde u n d Bergwirtschaftslehre der Technischen U n i v e r s i t ä t
Clausthal, D i p l . - I n g . V . L A N G L O T Z , u n d dem Institut f ü r den Wissenschaftlichen F i l m , G ö t t i n g e n , D i p l . - I n g . H . A D O L F ; A u f n a h m e : K . N O W I G K .
Inhalt des Films
D e r F i l m zeigt das Bruchverhalten u n d die Spanentstehung v o n Salzgestein bei unterschiedlichen
Schnittiefen u n d verschiedenen
Schnittgeschwindigkeiten .
B e i geringen Schnittiefen wird das Material i n einem kontinuierlichen, feinpulverisierten S t r o m ü b e r die S p a n f l ä c h e des M e i ß e l s a b g e f ü h r t ( „ F l i e ß span").
I m Gegensatz dazu n i m m t mit zunehmender Schnittiefe (s > 3 mm) die
diskontinuierliche A b s p a l t u n g mehr oder weniger g r o ß e r G r o b s p ä n e immer
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g r ö ß e r e n U m f a n g ein. Diese S p ä n e werden mit g r o ß e r D y n a m i k v o m ü b r i g e n
Material getrennt. Das feine Material bildet auf der S p a n f l ä c h e ein F e i n kornpolster, das sich d e m g e g e n ü b e r recht statisch v e r h ä l t .
W ä h r e n d das Bruchverhalten insgesamt als s p r ö d - e l a s t i s c h bezeichnet werden
k a n n , traten bei S t a u c h u n g s v o r g ä n g e n i m Bereich g r ö ß e r e r Schnittiefen
vereinzelt auch Anzeichen plastischer F o r m v e r ä n d e r u n g e n auf.
Summary of the Film
The film shows the fracture behaviour of, and chip formation on, salt rock
at various depths of cut a n d cutting speeds.
A t shallow depths of cut, the material is removed across the true rake of
the turning tool in a continuous, finely pulverised flow (flow chip).
I n contrast thereto, the discontinuous splitting-off of coarse chips v a r y i n g
in size increases more a n d more at increasing depths of cut (s > 3 mm).
These chips separate from the remaining material with dynamic force
whereas the fine material forms a k i n d of fine-grain p a d on the true rake
which, b y comparison, is rather static in behaviour.
Whilst the fracture behaviour as a whole can be termed brittle-elastic, there
were some indications here and there of plastic deformation where the
material h a d undergone upsetting in the region of greater depths of cut.
R é s u m é du Film
L e film montre le comportement lors de la rupture et la formation de copeaux
dans une roche saline, lors de profondeurs et de vitesses de coupe d i f f é r e n t e s .
Lorsque les coupes sont peu profondes, le m a t é r i a u est é v a c u é sur l a surface
de coupe d u ciseau, en u n courant finement p u l v é r i s é continu ("copeau
écoulant").
A l'inverse de ceci, la fission discontinue de Copeaux grossiers de taille plus
ou moins grande prend une importance croissante à mesure que la profondeur de coupe augmente (s > 3 mm). Ces copeaux sont a r r a c h é s au m a t é r i a u
avec u n grand dynamisme. L e m a t é r i a u fin constitue à la surface de coupe
un coussinet de grains fins qui se comporte en revanche fort statiquement.
Tandis que le comportement lors de la rupture peut ê t r e q u a l i f i é de cassanté i a s t i q u e , des signes de modifications plastiques de l a forme apparurent
i s o l é m e n t lors de p h é n o m è n e s de refoulement, dans le domaine de profondeurs de coupe plus grandes.
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