Wirtschaftlichkeit beim Stahl polieren erhöhen

Temperaturverhalten der Polierpaste als entscheidender Faktor

Beim Polieren von Messerklingen aus Edelstahl überhitzten die Werkstücke, was zu Rauchentwicklung führte. Um einen Brand zu verhindern, musste der Anpressdruck der Polierringe reduziert werden, was Qualitätsprobleme und längeren Bearbeitungszeiten zur Folge hatte. Durch die Erhebung von Prozessdaten im Technikumsversuch konnte die Ursache der Überhitzung identifiziert und eine wirtschaftlich und qualitativ optimale Kombination aus Polierpaste und Polierwerkzeug gefunden werden.

Die wichtigsten Erkenntnisse im Überblick

Problemfälle im Polierverfahren können auf Technikumsanlagen nachgestellt werden
Vergleichende Polierversuche zeigen Problem-Ursachen auf
Variation von Prozessparametern produziert Daten als Entscheidungsgrundlage
Temperaturverhalten der Polierpaste ist beim Polieren von Messerstahl der entscheidende Faktor
Wärmeentwicklung lässt sich unter Verwendung verschiedener Polierringe, -pasten und bei verschiedenen Anpressdrücken überprüfen. Abtragleistung der Paste und damit ihre Wirtschaftlichkeit, lässt sich in relativ zum Anpressdruck und anderen Prozessparametern darstellen

Rauchentwicklung als Ausgangspunkt für Analyse des Polierverfahrens

Während eines Versuchs bei einem Messerhersteller kam es beim automatisierten Messerstahlpolieren zu starker Rauchentwicklung in der Roboterzelle. Die gewünschte Oberflächenqualität konnte deshalb nicht erreicht werden. Die Ursache dafür ließ sich anfangs nicht nachvollziehen.

Reproduktion des Polierprozesses

In einem mit der erforderlichen Messtechnik ausgestatteten Technikum können Polierverfahren originalgetreu nachgestellt werden. Über Variation der Parameter Polierring, Paste, Scheibenbelegung, Drehzahl und Anpressdruck können die Ursachen von Problemen eindeutig identifiziert werden. Im Falle des Messerherstellers wurde schnell klar: durch ungenügende Scheibenhaftung der verwendeten Polierpaste 3 überhitzte die Messerklingen. Die Ursache für die Rauchentwicklung war gefunden. Abhängig von der Anhaftung der Polierpaste am Polierwerkzeug, dem Anpressdruck und der Drehzahl entsteht beim Polieren Reibungswärme. Das Bauteil erwärmt sich an der Kontaktfläche zum Polierring. Die Fette in der Polierpaste werden weich und sorgen für die Haftung des Polierkorns innerhalb der Fettmatrix auf dem Polierring. Durch die spanende Wirkung des Polierkorns wird auf der Werkstückoberfläche zusätzlich Wärme erzeugt. Die Gesamtsumme an Wärme verursacht, dass das in der Polierpaste enthaltende Fett zu rauchen beginnt.

Abbildung 1: Temperaturverhalten verschiedener Polierpasten auf Stahl

Vergleichende Polierversuche zeigen Optimierungspotentiale auf

Die vergleichenden Polierversuche mit anderen Polierpasten bei unterschiedlich starken Anpressdrücken haben einen positiven Nebeneffekt: anhand der gewonnenen Daten wird erkennbar wie die Wirkzusammenhänge der einzelnen Parameter sind und wie die optimale Parameterkombination aussieht. Polierpaste 1 erzielte bei einem Anpressdruck von 12-13% einen deutlich höheren Abtrag als die bisher eingesetzte Paste 3 und die Polierpasten 2 und 4. Ein zu vermutender stärkerer Abtrag bei Wahl eines höheren Anpressdruckes stellte sich bei allen vier getesteten Polierpasten nicht ein. Grund dafür ist die zu geringe Belegung des Polierrings.

Abbildung 2: Abtragverhalten verschiedener Polierpasten auf Stahl

Der Abtrag von Polierpaste 1 ist deutlich höher als bei den anderen untersuchten Polierpasten. Trotzdem weisen die polierten Teile eine merklich geringere Erwärmung auf. Zur bisher eingesetzten Paste 3 ist eine Temperaturdifferenz auf der Werkstückoberfläche von ca. 40 Grad Celsius messbar (siehe Abbildung 1). Bei gut abgestimmten Polierverfahren erwärmt sich in erster Linie der vom Werkstück abgelöste Span. Dadurch wird die Erwärmung der Werkstückoberfläche reduziert. In nicht optimierten Verfahren kann wenig oder gar kein Span abgetragen werden, weil z.B. die Drehzahl zu hoch ist oder zu wenig Polierpaste aufgetragen wird. Ist der Schmelzpunkt des Fettes in Polierpaste zu gering, haftet die Polierpaste nicht am Polierring. Dadurch sinkt die Abtragsleistung deutlich. Gleichzeitig erhöht sich die Temperatur.

Prozessdaten visualisieren höhere Wirtschaftlichkeit des Polierverfahrens

Noch mehr Daten können über fortlaufende Variationen der Prozessparameter gewonnen werden. Diese Daten veranschaulichen konkrete Optimierungspotentiale. Die Abbildung 3 zeigt, dass bei Wahl eines anderen Polierrings mit verbesserter Pastenbelegung, in Kombination mit einer optimierten Fettbindung in Paste 1, ein deutlich höherer Abtrag erreicht wird. Daraus ergeben sich erheblich kürzere Zykluszeiten.

Abbildung 3: Vergleich zweier Polierpasten hinsichtlich Abtrag bei unterschiedlichen Anpressdrücken

Der bekannte Zusammenhang zwischen Temperaturentwicklung und Höhe des Anpressdruckes wird in Abbildung 4 belegt. Im mittleren Arbeitsbereich erzeugt Paste 1 etwas mehr Wärme als Polierpaste 2. Bei höheren Anpressdrücken reicht die Scheibenhaftung des Poliermittels nicht aus. In der Folge wird die Scheibenbelegung zu gering. Es entsteht Reibung zwischen der Scheibe und dem Werkstück ohne Polierkorn. Das Werkstück erhitzt sich, gleichzeitig sinkt der Abtrag durch das fehlende Poliermittel.

Abbildung 4: Vergleich des Temperaturverhaltens von zwei Polierpasten bei unterschiedlichen Anpressdrücken und Wechsel der Polierscheibe

Messverfahren liefert wirtschaftlichste Prozesseinstellung

Für Messerstahl polieren empfiehlt sich die Polierpaste 1. Diese Erkenntnis gewann der Messerhersteller auf Basis der vergleichenden Polierversuche. Diese Empfehlung ergibt sich aus den Messdaten. Sie zeigen, dass mit Paste 1 und Polierring 2 Temperatur begrenzt und die Qualität optimiert wird.

Fazit: Industrielle Polierverfahren lassen sich weiterentwickeln. Vergleichende Polierversuche und neueste Messtechniken helfen bei der Analyse. Die für die Wirtschaftlichkeit der Prozesse verantwortlichen Parameter können exakt bestimmt werden. Im Fall des Messerherstellers konnten die Ursachen für Probleme im Verfahren identifiziert werden. Gleichzeitig wurde die Wirtschaftlichkeit der Prozesse deutlich verbessert. Die gewonnenen Messdaten erlauben Rückschlüsse auf die richtige Polierpaste und Polierscheibe, ihr Temperaturverhalten auf Stahl und den passenden Anpressdruck. Auf Basis dieser Informationen lassen sich exakt die Daten ermitteln, die das optimalste Ergebnis für das Industrieunternehmen ergeben.

Über den Autor: Menzerna

Im Menzerna Technikum können mit neuesten Messverfahren Polierprozesse mit Ihren einflussnehmenden Parametern transparent gemacht werden. Zum Vorteil von Industrieunternehmen. Die Messdaten zeigen Optimierungspotentiale auf und geben Handlungsempfehlungen, wie industrielle Polierverfahren weiterentwickelt werden können.