Forschung und Praxis . Band 76 Berichte aus dem Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung, Stuttgart, und dem Institut fUr Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitiit Stuttgart Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. H. J. Warnecke Wolfgang Marx Berechnung der Gestaltiinderung von Profilen infolge StrahlverschleiB Mit 58 Abbildungen Springer-Vertag Bertin Heidelberg New York Tokyo 1983 Dipl.-Ing. Wolfgang Marx Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (lPA), Stuttgart Dr.-Ing. H. J. Warnecke o. Professor an der Universitat Stuttgart Fraunhofer-Institut fOr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart 093 ISBN-13: 978-3-540-13054-3 e-ISBN-13: 978-3-642-47935-9 001: 10.1007/978-3-642-47935-9 Das Werk ist urheberrechtlich geschOtzt. Die dadurch begrOndeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe aul photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Daten verarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwendung, vorbehalten. Die VergOtungsansprOche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die .Verwertungsgesellschaft Wort", MOnchen, wahrgenommen. © Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1983. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als Irei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrflen. Gesamtherstellung: Copydruck GmbH, Offsetdruckerei, IndustriestraBe 1-3, 7251 Heimsheim, Telelon 07033/3825-26 2362/3020-543210 Geleitwort des Herausgebers Die Entwicklungen in der Produktionstechnik in den letzten Jahr zehnten haben entscheidend zur positiven wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung in der Bundesrepublik Deutschland beigetra gen. Die Produktivitat konnte jedes Jahr urn durchschnittlich etwa 3,5 % gesteigert werden. Mechanisierung und Automatisierung wurden und werden stetig weiter vorangetrieben. Wah rend es sich bisher jedoch urn Verbesserungen an einzelnen Maschinen und Anla gen sowie Verfahren handelte, werden heute aIle Unternehmens bereiche erfaBt, und man ist bemliht, das gesamte System Unter nehmen bzw. Produktionsbetrieb zu optimieren. Das klassische Bemlihen urn Optimierung des Einsatzes und Zusammenwirkens der Pro duktionsfaktoren Mensch, Maschine und Material muB heute erwei tert werden urn die Berlicksichtigung sozialer Belange, gesetz licher Auflagen, Probleme der Energieversorgung , schnellen Ver anderungen an den Produkten und auf den Markten sowie Sicherung der Qualitat und der Lieferfahigkeit. Von wissenschaftlicher Seite wird und muB dieses Bemlihen unter stlitzt werden durch die Entwicklung von Methoden und Vorgehens weisen zur systematischen Analyse und Verbesserung des Systems Produktionsbetrieb. Hier ist heute insbesondere auch der Fer tigungsingenieur gefordert, nicht nur einzelne Maschinen und Verfahren zu beherrschen, sondern das gesamte komplexe System hinsichtlich der Verknlipfung seiner Elemente durch zweckmaBigen lnformations- und MaterialfluB. Beispielhaft seien dazu nur hin sichtlich des Informationsflusses die heute gegebenen Moglich keiten der Datenerfassung und -verarbeitung in Fertigungsplanung und -steuerung an den einzelnen Produktionsanlagen sowie im Qualitatswesen genannt. lm MaterialfluB geht es urn richtige Auswahl und Einsatz von Fordermitteln, Forderhilfsmitteln sowie Anordnung und Ausstattung von Lagern. Der weiteren Automatisie rung in der Handhabung von Werkstlicken und Werkzeugen sowie der Montage von Produkten wird in nachster Zukunft allergroBte Auf merksamkeit geschenkt werden. Leistungsfahige Sensoren werden die Moglichkeiten daflir sehr stark vergroBern. Die beiden vom Herausgeber geleiteten Institute, das Institut fur Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universitat Stuttgart sowie das Fraunhofer-Institut fur Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart, arbeiten in grundlegender und angewandter Forschung intensiv an den aufgezeigten Entwick lungen in der Produktionstechnik mit. Zur Umsetzung gewonnener Erkenntnisse wird die Schriftenreihe "IPA Forschung und Praxis" herausgegeben. Der vorliegende Band setzt diese Reihe fort, eine Ubersicht uber bisher erschienene Titel wird am SchluB d"ieses Bandes gegeben. Dem Verfasser sei fur die geleistete Arbeit gedankt, dem Sprin ger-Verlag fur die Aufnahme dieser Schriftenreihe in seine An gebotspalette und der Druckerei fur saubere und zugige Aus fuhrung.Moge das Buch von der Fachwelt gut aufgenommen werden. Hans-Jurgen Warnecke Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand wahrend meiner Tatig keit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am ~raunhofer-Institut fUr Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart. Herrn Professor Dr.-Ing. H.-J. Warnecke, dem Direktor des IPA und Leiter des Instituts fUr Industrielle ~ertigung und ~abrik­ betrieb (I~~) der Universitat Stuttgart, bin ich fUr seine wohlwollende ~orderung und UnterstUtzung sowie fUr die wert vollen Hinweise zu dieser Arbeit zu groEem Dank verpflichtet. Herrn Professor Dr.-Ing. H. Uetz, dem stellvertretenden Direk tor der MaterialprUfungsanstalt (MPA) Universitat Stuttgart, danke ich fUr die wertvollen fachlichen Anregungen, fUr die Bereitschaft zur kritischen Durchsicht des Manuskripts und fUr die Ubernahme des Mitberichts. DarUberhinaus mochte ich mich bei allen Mitarbeitern des IPA bedanken, die durch ihre Mitarbeit und anregende Kritik zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Masch.-Tech. P. Willems fUr die UnterstUtzung bei der VersuchsdurchfUhrung und ~rau Dipl.-Des. B. Schon Ie fUr die unermUdliche Hilfe bei der Erstellung des Manuskripts. Stuttgart 1983 Wolfgang Marx -9- Seite 0.1 Inhaltsverzeichnis 9 0.2 Formelzeichen und Einheiten der verwendeten GraBen 11 Einleitung 15 1.1 HinfUhrung zum Thema 16 1.2 Aufgabenstellung 17 2 Grundsatzliche Betrachtungen zum StrahlverschleiB 19 2.1 VerschleiBmechanismus 19 2.2 VerschleiE-MeBgraBen 21 2.3 EinfluBgraBen auf den StrahlverschleiB 22 2.3.1 Anstrahlwinkel 23 2.3.2 Partikelgeschwindigkeit 25 2.3.3 Partikelkonzentration 27 2.3.4 Oberflachengeometrie 30 2.3.5 Werkstoffeigenschaften 31 3 Verfahren zur Berechnung der zeitlichen Gestalt- anderung strahlverschleiBbeanspruchter Bauteile 33 3. 1 Rechengrundlagen 34 3. 1 • 1 Ortlicher linearer VerschleiB 35 3.1.2 ortliche Strahlintensitat 37 3.1.3 Beschreibung des Oberflachenprofils 38 3.1 .4 VerschleiBberechnung am Profilsegment 40 3.2 Programmstruktur fUr den RechenprozeE 41 3.2.1 Eingabe der Rechendaten 43 3.2.2 VerschleiB am Liniensegment 45 3.2.3 Generation der Profilpunkte 47 3.2.4 Grenzen des Verfahrens 50 3.2.5 Kennzahlen 51 4 Experimentelle Untersuchungen zur Gestaltanderung infolge StrahlverschleiB 52 4.1 Vorversuche zur Ermittlung der EinfluB graBen 52 4. 1 • 1 Aufbau der Versuchsanlage 52 4.1 .2 Proben- und Partikelwerkstoff 53 4.1.3 Messung der Anlagenparameter 55 -10- Seite 4.1.3.1 Partikeldurchsatz in Abhangigkeit vom Blasdruck 55 4.1.3.2 Partikelgeschwindigkeit in Abhangigkeit vom Blasdruck 57 4.1.1 Messung im Strahl bereich 59 4.1.4.1 ~rtliche Partikelkonzentration 59 4.1.4.2 ~rtliche Partikelgeschwindigkeit 62 4.1.5 Messung der Verschleiegr6een an der ebenen Platte 64 4.1.5.1 Einflue der Partikelkonzentration 66 4.1.5.2 Einflue des Anstrahlwinkels 67 4.1.5.3 Einflue der Partikelgeschwindigkeit 70 4.2 Hauptversuche zur Gestaltanderung 73 4.2.1 Versuchsbedingung und PrUfmethode 74 4.2.2 Gestaltanderung am Rundprofil 76 4.2.3 Muldenbildung an der ebenen Platte 80 4.2.4 Fehlerrechnung 87 4.2.5 Abschatzung anderer FehlereinflUsse 92 5 Untersuchungen zur Gestaltanderung mit fiktiven Einfluegr6een 94 5.1 BerUcksichtigte Einfluegr6een 94 5.2 Verschleie am Rundprofil 98 5.3 Muldenbildung an der ebenen Platte 103 5.4 Zusammenfassung 108 6 Ubertragbarkeit der Versuchs- und Rechenergebnisse auf Bauteile 109 7 Zusammenfassung 112 8 Literaturverzeichnis 114 -11- 002 Formelzeichen und Einheiten der verwendeten GroBen Seite A Faktor der Geradengleichung 40 Ai konstante RechengroBen 95 mm2 VerschleiBflache der Mulde 80 ~M AM mm2/min VerschleiBgeschwindigkeit der Muldenflache 85 °AoM mm2/min2 VerschleiBbeschleunigung der Muldenflache 85 mm2 VerschleiBflache am Rundprofil 76 ~R h, mm2/min VerschleiBgeschwindigkeit der Flache AR 79 AR mm2/min2 VerschleiBbeschleunigung der Flache AR 79 As mm2 Strahlquerschnitt in Probenhohe 21 Asr mm2 ortlicher Strahlquerschnitt 29 a mm Teilstlick eines Liniensegmentes 48 a Faktor der quadratischen Gleichung 78 a mm Probenabstand zur Strahldlise 21 MaBstabfaktor 96 Gewichtungsfaktor des GleistrahlverschleiB anteils 96 Gewichtungsfaktor des PrallstrahlverschleiB anteils 96 B Faktor der Geradengleichung 40 b mm Teilstlick eines Liniensegmentes 48 b mm Schli tzbrei te 57 b Faktor der quadratischen Gleichung 78 C Faktor der Geradengleichung 40 c Faktor der quadratischen Gleichung 78 Partikelkonzentration 28 ortliche Partikelkonzentration 29 bezogene ortliche Partikelkonzentration 29 mm Durchmesser der Strahldlise 52 urn, mm Partikeldurchmesser 20 mm Durchmesser des Rundprofils 74 mm Strahldurchmesser in Probenhohe 60 Funktion allgemein 88 N Reibungskraft 23 N StoBkraft 23 N Tangentialkraft 23 Formfaktor eines Partikels 24 -12- Seite HNK N/mm2 Harte nach Knoop 54 HV N/mm2 Harte nach Vickers 54 h mm Plattenabstand 57 h ~m, mm Eindringtiefe eines Partikels 19 I N/s StoBimpuls 23 1- Strahlintensitatstyp 97 1+ bezogene ortliche Strahlintensitat 37 r i ZahlgroBe 34 ki Ppoportionali tatsfaktor 25 k spezieller Proportionalitatsfaktor 70 -v [ mm mittlere Segmentlange 48 L m-te Querschnittsprofillinie 34 m ilL n-tes Liniensegment von Lm 39 m,n llL' generiertes Linensegment von Lm 48 m,n ID mm DUsenlange 52 m ZahlgroBe 39 m g Partikelmasse 22 .p m kg/min Massenstrom der Partikeln 28 .p mpr kg/min ortlicher Massenstrom der Partikeln 29 n ZahlgroBe 39 n 1/min Drehzahl 57 n. Geschwindigkeitsexponent 25 ~ n Zahl der Partikeln 28 .p n 1/s zeitliche Anzahl der Partikeln 59 .p npr 1/s ortliche zeitliche Anzahl der Partikeln 59 n Anzahl der Profilaufschriebe 44 s nv Geschwindigkeitsexponent auf der Basis Wv/z 26 nz Anzahl der Zwischenrechnungen 44 P n-ter Punkt der m-ten Oberflache 38 m,n p' generierter Punkt der Oberflache 48 m,n p bar Blasdruck 53 P1 bar Referenzdruck 53 r mm Scheibenradius 57 r ~m, mm Partikelradius 19 s mm Scheibendicke 57 Gesamtfehler allgemein 88 Fehler, Standardabweichung 88