Überschrift: Forschungsprojekt: Sichere Umhausungen an CNC Schleifmaschinen

An CNC-Schleifmaschinen kommt es immer wieder zu Schleifkörperbrüchen. Um für ihre Mitgliedsbetriebe ein sicheres Arbeiten zu gewährleisten, hat die BGHM in Zusammenarbeit mit dem Institut für Arbeitsschutz der DGUV (IFA) ein Forschungsprojekt durchgeführt.

Schleifscheibe mit Sägeschnitten
Schleifscheibe mit Sägeschnitten. Foto: BGHM

An CNC-Schleifmaschinen kommt es immer wieder zu Schleifkörperbrüchen durch Kollisionen mit dem Werkstück oder durch schadhafte Schleifscheiben. Ohne hinreichend dimensionierte Umhausungen können die Bruchstücke in die Umgebung geschleudert werden – teils mit fatalen Folgen für den Bediener oder unbeteiligte Dritte.
Die bisher in der Norm für Schleifmaschinen vorhandenen Berechnungsgrundlagen haben zu teils schwer umsetzbaren oder unrealistischen Wanddicken der Maschinen-Umhausung geführt und wurden daher auch häufig nicht beachtet.
Um für ihre Mitgliedsbetriebe ein sicheres Arbeiten zu gewährleisten, hat die BGHM in Zusammenarbeit mit dem Institut für Arbeitsschutz der DGUV (IFA) ein Forschungsprojekt durchgeführt.
Das Rückhaltevermögen der für Umhausungen häufig eingesetzten Werkstoffe wurde in einem eigens für diese Versuche entwickelten Prüfstand ermittelt. Im Wesentlichen besteht dieser Prüfstand aus einer motorisch angetriebenen Spindel, der Schleifscheibenaufnahme sowie drei Auflageflächen für die Prüfmuster.
Die DIN EN ISO 16089 Werkzeugmaschinen; Sicherheit; Ortsfeste Schleifmaschinen geht davon aus, dass die translatorische Bruchstücksenergie für die Beanspruchung von Umhausungen maßgeblich ist. Nach den in dieser Norm dargelegten wissenschaftlichen Überlegungen ist diese dann am größten, wenn die Masse des Bruchstücks rund einem Drittel der Masse der Schleifscheibe entspricht. Um solche „Drittelbruchstücke“ zu erzeugen, mussten die Schleifscheiben mit eingebrachten Sägeschnitten präpariert und nach Erreichen der eingestellten Drehzahl über einen dreifach wirkenden Keilmechanismus im Bohrungsbereich gezielt zerstört werden.
Die Schleifscheiben wurden in Segmente eingeteilt und entsprechend nummeriert, um in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsfilmaufnahmen zu ermitteln, welches Bruchstück an welcher Stelle auf das Prüfmuster getroffen war. Nach einem Versuch wurden die aufgetretenen Schäden dokumentiert und den Bruchstücksmassen zugeordnet, sowie die translatorische Energie Etrans der verschiedenen Bruchstücke bestimmt.

Rückhaltefähigkeit hängt von Energiedichte ab

Insgesamt wurden etwa 500 Berstversuche mit Schleifkörpern unterschiedlicher Abmessungen durchgeführt. Bei diesen Versuchen zeigte sich, dass die Rückhaltefähigkeit der Prüfmuster davon abhängt, wie groß die Fläche ist, auf welche die kinetische Energie des Bruchstückes im Moment des Auftreffens einwirkt, also von der Energiedichte. Tatsächlich handelt es sich bei der Aufprallfläche um die linienförmige Kante des Bruchstückes, deren Länge der Schleifscheibenbreite entspricht.
Aus diesen Ergebnissen wurde ein Verfahren zur Ermittlung der erforderlichen Wandstärken von Umhausungen abgeleitet. Dieses ist anwendbar auf Bleche der Umhausung, welche so angeordnet sind, dass Drittel-Bruchstücke im Fall eines Schleifkörperbruchs direkt auftreffen können. Des Weiteren gilt es ausschließlich bei der Verwendung von Schleifscheiben im Durchmesserbereich zwischen 230 und 500 Millimeter. Unter diesen Voraussetzungen ist ein Stahlblech (S235 JR früher St37 beziehungsweise DC01) ausreichend dimensioniert, wenn die spezifische Rückhaltefähigkeit ERück gemäß Tabelle größer oder gleich der höchstmöglichen theoretischen Energiedichte ED ist (ERück ≥ ED).

Blechdicke in mm spezifische Rückhaltefähigkeit ERück in J/mm
1,5 8
2 12
3 31
4 70


Die höchstmögliche theoretische Energiedichte des Bruchstückes in der Aufprallzone hängt von der Masse und der Geometrie der Schleifscheibe und deren Umgangsgeschwindigkeit ab.
Für die praktische Umsetzung bedeutet dies zum Beispiel, dass für einen zwölf Kilogramm schweren Schleifkörper (Außendurchmesser 300 Millimeter, Bohrungsdurchmesser 127 Millimeter, Breite hundert Millimeter) bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 63 Meter pro Sekunde ein Stahlblech von drei Millimeter ausreichend ist. Gemäß EN ISO 16089 wären hingegen acht Millimeter Stahlblech erforderlich. Dies wäre jedoch nur schwer umsetzbar. Daher finden sich in der Praxis Maschinen, bei denen lediglich 1,5 Millimeter dicke und damit zu dünne Bleche verwendet wurden.
Zudem ist zu beachten, dass neben der dicke der Umhausung auch die Befestigung der Bleche hinreichend dimensioniert sein muss. Insbesondere bei Schleifscheiben mit großer Breite verteilt sich die Energie des Bruchstückes auf eine große Fläche. Dadurch besteht weniger die Gefahr eines Durchschusses, sondern viel mehr die Gefahr, dass ganze Bleche von den Bruchstücken herausgerissen und weggeschleudert werden.

Ergänzung des internationalen Normungsprozesses

Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes werden als Ergänzung in den internationalen Normungsprozess eingebracht und weltweit Einfluss auf die Gestaltung von Umhausungen an Schleifmaschinen haben.
Unternehmer, welche entsprechende Schleifmaschinen einsetzen, sollten im Rahmen der Aktualisierung ihrer Gefährdungsbeurteilung gemäß Paragraf drei, Absatz sieben der Betriebssicherheitsverordnung wie oben gezeigt prüfen, ob die Maschinen dem Stand der Technik entsprechen oder eine Anpassung der Umhausung im Sinne der Empfehlung zur Betriebssicherheit EmpfBS 1114 „Anpassung an den Stand der Technik bei der Verwendung von Arbeitsmitteln“ (www.baua.de/trbs) erforderlich ist.
(Quelle: Christian Adler, BGHM aktuell, 5/2018)

Letzte Aktualisierung: 17.12.2018