DE19531826C2 - Verfahren zur Herstellung von Stahlfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stahlfasern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 27 23 382 B2 ist die Verwendung von durch Fräsen hergestellten Stahlfasern als Verstärkungsfasern für Stahlbeton bekannt, die verdrillt sind und einen annähernd dreieckigen Querschnitt aufweisen.

Stahlfasern werden benötigt zur Erzeugung faserverstärkter hydraulisch aushärtender Werkstoffe (insbesondere Faserbeton und faserverstärkter Estrich, nachfolgend vereinfachend Faserbeton genannt). Die Stahlfasern haben die Aufgabe, die Zugfestigkeit des Faserbetons zu erhöhen. Dazu ist es erforderlich, daß sie sich wirksam in die Matrix des Beton verkrallen. Daher ist eine unregelmäßige rauhe Oberfläche von Vorteil. Andererseits sollen die Stahlfasern bei der Gemischaufbereitung für den Faserbeton gut förderbar (möglichst kein Verhaken der Fasern untereinander) und gut einmischbar sein. Hinsichtlich ihrer Geometrie wird verlangt, daß das Verhältnis von Faserlänge l zur kleinsten Faserquerabmessung (Faserdicke) kleiner als 50 ist.

Es sind eine Vielzahl unterschiedlicher Herstellverfahren zur Erzeugung solcher Stahlfasern bekannt. Eine Gruppe von Verfahren geht aus von Stahldraht als Einsatzmaterial, wobei ein Draht mit der gewünschten Faserdicke eingesetzt und auf die gewünschte Länge abgeschnitten oder abgequetscht wird. Vielfach werden die Fasern beim Ablängen gleichzeitig wellenförmig gebogen, um eine gute Verankerung im Beton zu gewährleisten (z. B. EP 0 130 191 B1, DE 34 35 850 A1). Ein wesentlicher Nachteil solcher wellenförmig oder in anderer Weise gebogenen Fasern ist ihre starke Neigung, sich untereinander zu verhaken, also schwer förder- und mischbar zu sein.

Eine andere Gruppe von Verfahren geht aus von Blech als Einsatzmaterial, wobei das Blech eine Dicke aufweist, die der gewünschten Faserdicke entspricht. Die Fasern können dabei aus im Vergleich zur Faserlänge erheblich breiteren Blechtafeln oder - streifen ausgestanzt werden. Aus der DE 43 14 008 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Fasern durch Zerhäckseln schmaler Blechstreifen mittels einer mit seinen Schneiden an einem statischen Messer vorbeirotierenden Messerwalze erzeugt werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, daß bei unverändert breitem Einsatzmaterial ohne Austausch der Messerwalze durch Veränderung des Winkels zwischen der Schneidkante des statischen Messers und der Bandzuführrichtung die Länge der erzeugten Fasern im jeweils gewünschten Maß verändert werden kann und daß die Faserenden je nach Schrägstellung der Bandzuführung jeweils spitz auslaufen. Als nachteilig hierbei ist es anzusehen, daß eine Querabmessung der zu erzeugenden Fasern durch die Dicke des eingesetzten Bandmaterials fest vorbestimmt ist und daß die Längsform und die an sich wünschenswerte Profilierung der Faseroberfläche gelegentlich Probleme für die Verarbeitung mit sich bringen können, wenn die Fasern sich ineinander verhaken.

Schließlich sind Verfahren bekannt, bei denen die Stahlfasern durch Fräsen aus flachem Stahlvormaterial erzeugt werden, dessen Abmessungen in allen drei Längendimensionen wesentlich größer ist als die gewünschte Faserdicke. Beispielsweise ist in der DD 262 055 A1 ein Verfahren beschrieben, welches zur Faserherstellung ein Gleichlauffräsen von Stahlvorbrammen mittels Walzenfräser senkrecht zur Walzrichtung des Vormaterials vorsieht. Die Vorschubbewegung zwischen Fräswerkzeug und Vormaterial erfolgt dabei in einer rein linearen Bewegung relativ zueinander. Die Stahlfaserlänge ist bei diesem Verfahren unmittelbar an die Breite des verwendeten Fräsers gebunden, so daß zur Erzeugung unterschiedlich langer Fasern zwangsläufig jeweils das Werkzeug gewechselt werden muß.

Eine Verwendung von Stahlspänen aus der zerspanenden Bearbeitung von Maschinenbauteilen kommt für die Herstellung von Faserbeton aus mehreren Gründen nicht in Frage. Zum einen ist die Form dieser Späne in der Regel ungeeignet. Zum anderen müssen die Stahlfasern frei von Rost und frei von Fetten sein. Diese Forderung steht dem in der mechanischen Werkstückbearbeitung regelmäßig anzutreffenden Einsatz flüssiger Kühlmittel (meistens Ölemulsionen) entgegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art dahingehend zu verändern, daß ohne Notwendigkeit eines Werkzeugwechsels Stahlfasern mit unterschiedlich einstellbarer Länge und unterschiedlich einstellbaren Querschnittsabmessungen erzeugbar sind und die vorgenannten Nachteile der bekannten Verfahren weitgehend vermieden werden. Insbesondere sollen die Fasern über ihre axiale Länge (abgesehen von ihren Enden) einen weitgehend konstanten Querschnitt, eine gerade Form und eine aufgerauhte Oberfläche aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stahlfasererzeugung aus Stahlrohr mit schräg zur Rohrachse angestelltem Fräser,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung von Stahlfasern

Fig. 3 eine Stahlfasererzeugung aus einem dickwandigen Stahlrohr mit parallel zur Rohrachse eingestelltem Fräser,

Fig. 4 eine Stahlfasererzeugung aus einem Stahlrohr mit senkrecht zur Rohrachse angestelltem Fräser,

Fig. 5 eine Stahlfasererzeugung gemäß Fig. 1 aus einem dünnwandigen Stahlrohr und

Fig. 6 eine Stahlfasererzeugung ähnlich Fig. 1 aus einem vollzylindrischen Rundstahlblock.

Der grundlegende Unterschied zur bekannten Erzeugung von Stahlfasern durch bahnweises Zerspanen eines Stahlblocks mittels eines Walzenfräsers gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, daß anstelle von flachem Stahlvormaterial (nachfolgend kurz Vormaterial genannt) ein Material mit bezüglich seiner Längsachse rotationssymmetrischen Querschnitt eingesetzt wird und dieses Rundmaterial während des Zerspanungsvorgangs ständig rotiert. Die Rotation des Vormaterials um die eigene Achse stellt eine Komponente der Vorschubbewegung zwischen dem eingesetzten Fräswerkzeug und dem Vormaterial dar. Die andere Komponente der Vorschubbewegung erfolgt in Richtung der Längsachse des Vormaterials. Wichtig dabei ist es, daß auf den Einsatz üblicher flüssiger Kühl- oder Schmiermittel verzichtet wird, damit einerseits eine Oxidation der Stahlfasern (z. B. bei Verwendung von Wasser) und andererseits eine Benetzung mit Fetten (z. B. bei Ölemulsionen) vermieden wird. Soweit eine Kühlung während der Fasererzeugung notwendig ist, sollte diese zweckmäßigerweise als Gaskühlung erfolgen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Draufsicht den erfindungsgemäßen Zerspanungsvorgang. Als rotationssymmetrisches Vormaterial 3 ist hierbei ein Stahlrohr eingesetzt worden, das teilweise geschnitten dargestellt ist. Das zur Zerspanung eingesetzte Fräswerkzeug 1 ist als zylindrischer Walzenfräser ausgebildet, der an seinem Umfang eine Vielzahl von Schneiden 2 aufweist. Für das Verfahren geeignet sind auch Kegelfräser und ggf. auch Scheibenfräser. Die Schneidkante der jeweils im Eingriff befindlichen Werkzeugschneide und im Falle eines zylindrischen Fräswerkzeugs 1 auch dessen Drehachse sind in einem Winkel δ schräg zur Längsachse des Vormaterials 3 angestellt. Die Faserlänge l ergibt sich durch die Länge der Berührungszone zwischen dem Vormaterial 3 und den Schneiden 2 des Fräswerkzeugs 1. Man erkennt leicht, daß durch Veränderung des Anstellwinkels δ die Faserlänge variiert werden kann, ohne daß das Fräswerkzeug 1 ausgetauscht oder ein rohrförmiges Vormaterial mit einer anderen Wanddicke w eingesetzt werden müßte. Es gilt die Beziehung:

w = l × sin δ

Während der Zerspanung wird, wie durch den Pfeil 4 angedeutet ist, das Vormaterial 3 ständig um seine Längsachse gedreht. Selbstverständlich kommt es lediglich auf die entsprechende Relativbewegung zwischen Fräswerkzeug 1 und Vormaterial 3 an, so daß auch in kinematischer Umkehr eine entsprechende kreisende Bewegung des Fräswerkzeugs 1 möglich wäre. Wie zuvor bereits ausgeführt, stellt diese Drehbewegung des Vormaterials 3 eine Komponente der Vorschubbewegung dar. Die zweite Komponente der Vorschubbewegung ist durch den Pfeil 6 angedeutet, der anzeigt, daß das Fräswerkzeug 1 in Richtung der Längsachse des Vormaterials 3 vorgeschoben wird. Das bedeutet, daß das rohrförmige Vormaterial 3 insgesamt in einer schraubenlinienförmigen Vorschubbewegung zerspant wird. Die Drehung des Fräswerkzeugs 1 ist durch den Pfeil 5 angedeutet.

Anstelle eines rohrförmigen Vormaterials könnte selbstverständlich auch, wie dies in Fig. 6 wiedergegeben ist, ein Vollmaterial in Form eines Rundstahlblocks eingesetzt werden. Die Zerspanung erfolgt hierbei allerdings in mehreren Durchläufen der schraubenlinienförmigen Vorschubbewegung entlang der Längsachse des Vormaterials. Nach jedem Durchlauf ist das Fräswerkzeug 1 näher an die Längsachse des Vormaterials 3 anzustellen, bis das Material vollständig zerspant ist. Auch hierbei kann wie in Fig. 1 durch Variation der Schrägstellung des Fräswerkzeugs 1 unabhängig vom Durchmesser des Vormaterials 3 und der Breite des Fräswerkszeugs 1 eine Veränderung der Faserlänge in der gewünschten Weise vorgenommen werden. Besonders empfehlenswert ist ein Bereich für den Schrägstellungswinkel δ in einer Größenordnung von 10° bis 60°.

in Fig. 1 weisen das Fräswerkzeug 1 und das Vormaterial 3 in ihrer Rotationsbewegung den gleichen Drehsinn auf. In der Berührungszone sind die entsprechenden Umfangsgeschwindigkeiten daher entgegengesetzt zueinander gerichtet, so daß ein Gegenlauffräsen stattfindet. Dieses hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen. In Fig. 6 sind dagegen die Drehrichtungen von Fräswerkzeug 1 und Vormaterial 3 entgegengesetzt zueinander, so daß sich der Zerspanungsvorgang in umgekehrter Weise als Gleichlauffräsen ergibt. Da während des Fräsens starke Kräfte auf das Vormaterial ausgeübt werden, kann es zweckmäßig sein, auf der bezüglich der Längsachse des Vormaterials dem Fräswerkzeug 1 gegenüberliegenden Seite eine radiale Stützkraft durch eine Stützrolle aufzubringen, um ein Ausweichen des Vormaterials zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann aber auch ein zweites Fräswerkzeug auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet werden. Grundsätzlich ist es möglich, auch mehr als zwei Fräswerkzeuge einzusetzen, die möglichst gleichmäßig über den Umfang des Vormaterials zu verteilen sind. Hierdurch kann die Zerspanungsleistung entsprechend gesteigert werden.

In Fig. 3 ist ein Extremfall der Anstellung des Fräswerkzeugs 1 gegenüber der Längsachse des Vormaterials 3 dargestellt. In diesem Fall liegt eine parallele Anordnung der Drehachse des Fräswerkzeugs 1 zur Längsachse des Vormaterials 3 vor. Die Rotationsbewegung des Vormaterials 3 wird in entsprechender Weise wie z. B. in Fig. 1 ausgeführt, so daß bezüglich der ersten Komponente der Vorschubbewegung die gleichen Verhältnisse vorliegen. Die zweite Komponente der Vorschubbewegung ist durch den Pfeil 8 angedeutet. Dieser ist radial auf die Längsachse des Vormaterials 3 gerichtet. Dadurch wird erreicht, daß das rohrförmige Vormaterial 3 in Abschnitten, die der Faserlänge entsprechen, zerspant wird. Sobald ein Abschnitt vollständig zerspant ist, erfolgt jeweils ein Teilschritt einer dritten Komponente der Vorschubbewegung, die durch den Pfeil 6 angedeutet ist und wie in Fig. 1 in Richtung der Längsachse des Vormaterials 3 gerichtet ist. Dieser schrittweise Vorschub erfolgt jeweils um die Länge der zu erzeugenden Faser. Man erkennt leicht, daß auch bei dieser Verfahrensweise eine Variation der Faserlänge unabhängig von der Breite des verwendeten Fräswerkzeugs 1 und der Wanddicke w des verwendeten Vormaterials möglich ist. Diese Vorgehensweise eignet sich insbesondere für sehr dickwandige Rohre, die als Vormaterial 3 verwendet werden. Alternativ kann selbstverständlich auch eine Zerspanung erfolgen, wie sie in Fig. 6 für das Vollmaterial dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt als zweiten Extremfall eine senkrechte Einstellung der Drehachse des Fräswerkszeugs 1 zur Längsachse des Vormaterials 3. Bei dieser Einstellung ergibt sich eine Länge der Stahlfasern, die der Wanddicke w des rohrförmigen Vormaterials 3 entspricht.

In Fig. 5 ist der Fall dargestellt, daß ein vergleichsweise dünnwandiges Rohr zur Fasererzeugung verwendet werden soll. Um eine ausreichende Faserlänge zu erzielen, muß der Anstellwinkel δ zwischen der Drehachse des Fräswerkzeugs 1 und der Längsachse des Vormaterials 3 relativ klein gewählt werden. Grundsätzlich besteht jedoch kein Unterschied zu der Vorgehensweise, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist.

Fig. 2 gibt in perspektivischer Ansicht das typische Aussehen einer Stahlfaser 7 wieder, wie sie etwa bei einem Zerspanungsvorgang gemäß Fig. 1 erzeugt wird. Die Faser mit der Länge l weist, wie dies aus dem im unteren Teil dargestellten Schnitt hervorgeht, eine etwa quadratische Querschnittsform auf. Die Kantenlänge, d. h. die Dicke der Stahlfaser 7 ist mit d bezeichnet. Die Querschnittsfläche der Stahlfaser 7 ist über die Länge weitgehend konstant, so daß die Zugfestigkeit ebenfalls eine entsprechende Gleichmäßigkeit über die Länge aufweist. Die Oberfläche ist infolge der Spanstauchung während des Zerspanungsvorgangs relativ rauh, so daß sich eine hervorragende Haftung der Stahlfasern 7 im Faserbeton ergibt. Die Form der Stahlfasern 7 ist weitgehend gerade. An ihren Enden laufen sie begünstigt durch die Schrägstellung des Fräswerkszeugs 1 bei der Herstellung spitz aus. Dies ist von ganz besonderem Vorteil beim Aushärten des Faserbetons, der mit einer Schrumpfung der Betonmasse, also des Matrixwerkstoffs verbunden ist. Bei Stahlfasern mit sehr stumpfen oder sogar verdickten Enden kommt es relativ leicht zu Mikrorissen im Betonwerkstoff. Durch den spitzen Auslauf der Stahlfasern 7 wird die Neigung zur Bildung von Mikrorissen infolge des sanfteren Übergangs zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen erheblich reduziert.

Die Dicke der Stahlfasern läßt sich über eine Variation der Rotationsgeschwindigkeit des Fräswerkzeugs 1 und des Vormaterials 3 sowie ggf. der Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der Längsachse des Vormaterials (Fig. 1 und 4 bis 6) bzw. senkrecht zur Längsachse (Fig. 3) in an sich bekannter Weise beeinflussen. Die Schneidengeometrie des Fräswerkzeugs hat einen wesentlichen Einfluß auf die Ausbildung der Stahlfaseroberfläche. Eine Vergrößerung des sog. Keilwinkels der Schneide bewirkt eine stärkere Spanstauchung und somit eine rauhere und unregelmäßigere Oberfläche.

Ausführungsbeispiel

In der in Fig. 1 dargestellten Weise wurden Stahlfasern hergestellt. Als Vormaterial wurde ein Stahlrohr aus dem Werkstoff St50 mit einem Durchmesser von 89 mm und einer Wanddicke von 12 mm eingesetzt. Als Fräswerkzeug stand ein Kegelfräser mit den Abmessungen 100 mm × 25 mm × 60° zur Verfügung. Die Drehzahl des rohrförmigen Vormaterials wurde auf 3 min^-1 und die Drehzahl des Fräswerkzeugs auf 45 min^-1 eingestellt. Der Vorschub des Fräswerkzeugs in Richtung der Rohrlängsachse betrug 0,54 mm pro Umdrehung. Der Schrägstellungswinkel δ der Fräserschneiden zur Stahlrohrachse war auf 60° eingestellt. Unter diesen Bedingungen wurden Stahlfasern erzeugt, die eine Form aufwiesen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, also Stahlfasern mit angespitzen Enden. Die Form war gerade, die Querschnittsfläche etwa quadratisch. Die Faserdicke lag bei etwa 0,6 mm. Die Länge betrug etwa 14 mm. Die Oberfläche war rauh. In der Verarbeitung zeigten diese Stahlfasern hervorragende Eigenschaften, da es in keiner Weise zu einer Verhakung einzelner Fasern untereinander kam und eine hervorragende Mischbarkeit mit dem Betonwerkstoff gegeben war. Auch im Hinblick auf die Verdichtbarkeit des Betons erwies sich diese Faser als sehr vorteilhaft.

Das Erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Stahlfasern mit außerordentlich guten Eigenschaften im Hinblick auf die Verarbeitbarkeit und auf die Wirkungen im eingebauten Zustand im Faserbeton. Die Herstellung ist einfach und gleichzeitig außerordentlich flexibel im Hinblick auf die gewünschten geometrischen Abmessungen der einzelnen Fasern. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß als Vormaterial ohne weiteres der bei der Stahlrohrproduktion anfallende Ausschuß, also ein preiswert erhältliches Abfallmaterial eingesetzt werden kann. Aufgrund der Flexibilität im Hinblick auf die Einstellung einer bestimmten Fasergeometrie ist die Verarbeitung unterschiedlicher Rohrabmessungen (Durchmesser und Wanddicke) völlig unproblematisch.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Stahlfasern mit einem Länge/Durchmesser- Verhältnis von weniger als 50 für Faserbeton durch Zerspanen eines Stahlvormaterials mittels eines rotierenden Fräswerkzeugs, welches in Richtung der Längsachse des Stahlvormaterials vorgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Stahlvormaterial bezüglich seiner Längsachse einen rotationssymmetrischen Querschnitt aufweist, daß
das Stahlvormaterial während der Fräsung ständig um seine Längsachse rotiert,
daß ohne Einsatz flüssiger Kühl- oder Schmiermittel gefräst wird
und daß das Fräswerkzeug in der Weise relativ zum Stahlvormaterial in einem Schrägstellungswinkel δ zwischen der jeweils im Eingriff befindlichen Werkzeugschneide des Fräswerkzeugs und der Längsachse des Stahlvormaterials ausgerichtet wird, daß die sich ergebende Spanlänge der gewünschten Länge der zu erzeugenden Stahlfasern entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stahlvormaterial ein Stahlrohr eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Walzen-, Scheiben- oder Kegelfräser gefräst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägstellungswinkel δ weniger als 90° beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägstellungswinkel δ 10° bis 60° beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des Stahlvormaterials relativ zur Rotation des Fräswerkzeugs im Sinne eines Gegenlauffräsens eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Fräswerkzeug bezüglich der Längsachse des Stahlvormaterials gegenüberliegenden Seite eine radiale Stützkraft durch eine Stützrolle aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit mehreren bezüglich der Längsachse des Stahlvormaterials einander gegenüberliegenden Fräswerkzeugen gefräst wird.