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Messung der Almenintensität

Kugelstrahlen auf einen Almenwert von 0,3 mm A

Hohlwelle mit Vorgabe der Almenintensität

Aufgabenstellung:

An einer Hohlwelle soll zur Verbesserung der Dauerschwingfestigkeit im Übergang zum Flansch ein Almenwert von 0,30 mm A erzeugt werden. In einem Versuch ermitteln wir die dazu notwendigen Strahlparameter.

Aufbau:

Almenmessung

Almenmessstreifen werden so angeordnet, dass sie auf der Kontur des später zu bearbeitenden Bauteils liegen. Auf einem elektrisch angetriebenen Drehteller mit Drehzahlregelung über Frequenzumrichter wird ein Messstreifenhalter so befestigt, dass ein senkrechter Beschuss mit Strahlmittel zunächst in radialer Richtung möglich ist. Dieser Aufbau wird in einem zweiten Schritt mit einem im Winkel von 45 Grad angeordneten Messstreifen wiederholt, wie es dem Übergang zum Flansch entspricht. Die Frequenz ist am FU auf 10 Hz eingestellt, der Teller dreht sich dabei 10 mal pro Minute. Der Abstand zwischen Strahldüse und Messplättchen beträgt 120 mm, der Winkel 90 Grad und der Strahldruck ist auf 3 bar geregelt. Als Strahlmittel wird ein Keramik-Strahlmittel auf Zirconiumoxid-Basis der Körnung 425-600 µm verwendet.

Aufnahme der Sättigungskurve:

Zur Aufnahme der Almen-Sättigungskurve werden mehrere Messungen mit unterschiedlicher Strahlzeit durchgeführt. Dabei wird nach jeder Messung die Zahl der Zyklen und damit die Dauer der Strahlzeit erhöht. Zur Aufnahme des ersten Messwertes läuft das Messplättchen einmal an der Düse vorbei, für den zweiten Messwert zweimal usw. Nach jedem Strahlvorgang wird die Bogenhöhe des Almenplättchens gemessen. Die gewonnenen Daten werden in eine Tabelle übertragen. Vor der Messung werden die Messplättchen auf Ihre Ebenheit überprüft. Eventuelle vorher vorhandene Abweichungen (prebow / Flatness) werden festgehalten und der Messwert entsprechend korrigiert. Es ergibt sich folgende Tabelle:

Bogenhöhe Almenintensität

Die Daten aus der Tabelle werden mit einer speziellen Software in einen Graphen umgewandelt. Bei der Almenintensität handelt es sich um den Wert, welcher sich nach Verdopplung der Strahlzeit um weniger als 10 % erhöht. In unserem Fall ergibt sich ein Almenwert von 0,296 A und erfüllt damit die Vorgabe des Kunden.

Ausdruck Sättigungskurve

Betrachtung der Flächendeckung

Unter dem Mikroskop zeigt sich eine Flächendeckung von mind. 98 % ab dem sechsten Streifen, also nach 6 Zyklen. Eine zusätzliche Kontrollmessung wurde mit einem siebten Almen-Messstreifen durchgeführt.

Almenteststreifen nach unterschiedlicher Strahlzeit

Beurteilung der Flächendeckung

zu geringe Flächendeckung zu geringe Flächendeckung zu geringe Flächendeckung Bild 5, ausreichende Flächendeckung Bild 6 ausreichende Flächendeckung

Die geringe Auflösung am Monitor erschwert eine Beurteilung der Flächendeckung. Der Almenwert stellt sich in diesem Fall kurz vor dem sechsten Zyklus ein. Das tut er in der Regel ab einer Flächendeckung von 98%. Der Bedeckungsgrad auf dem Almenmessstreifen stimmt - in Abhängigkeit von der Bauteilhärte - nicht zwangsläufig mit dem Bedeckungsgrad des Bauteils überein.

Überlegungen zur Energie und zur Anzahl der Partikel (Kugeln)

Der Strahlmitteldurchsatz wurde mit 1250 g/min gemessen. Bei gegebenem Strahlmittel der Sorte AMS 425-600 liegen verschiedene Durchmesser zwischen 425 und 600 µm vor. Nach der Formel zur Berechnung des Kugelvolumens 4/3*Pi*r³ liegen die Volumina zwischen 0,040 und 0,11 mm³. Bei einem spezifischen Gewicht von 3,85 g/cm³ ergibt sich eine Masse je Kugel zwischen 0,15 und 0,43 mg. Teilt man den Strahlmitteldurchsatz durch die Masse der einzelnen Körner, liegt die Zahl der Kugeln je Minute zwischen 2,9 Millionen bei 600 µm und 8,3 Millionen bei 425 µm.

Überlegungen zum Strahlmittel

Keramikstrahlmittel 425 bis 600

Nach der Formel E=1/2mv² und bei einer angenommenen Geschwindigkeit von 60 m/s beträgt die Energie für eine Kugel mit 425 µm Durchmesser 278 µJoule und für eine Kugel mit 600 µm Durchmesser 783 µJoule. Das heißt: die Einschläge unterscheiden sich energetisch abhängig vom Durchmesser um einen Faktor von bis zu 2,8. Die Geschwindigkeit hat großen Einfluss auf die Energie, weil sie quadratisch in die Gleichung eingeht, der Energieunterschied bleibt jedoch unabhängig von der Geschwindigkeit beim Faktor 2,8. Ein Unterschied, der eigentlich gegen die Verwendung eines Strahlmittels mit unterschiedlicher Korngröße für das Shotpeening spricht. Möglicherweise hat der Kugeldurchmesser und damit die Masse der Kugel jedoch Einfluss auf die Beschleunigung innerhalb der Strahldüse, so dass von unterschiedlichen Strahlmittelgeschwindigkeiten bei unterschiedlichen Korngrößen auszugehen ist. Für die Verwendung von Keramikkugeln spricht allerdings die hohe Härte von 700 HV, seine gute Rundheit, seine glatte Oberfläche, seine Staubfreiheit während des Strahlprozesses und die Eigenschaft chemisch inert zu sein. Strahlmittel einheitlicher Korngröße sind aber auf arrondiertes Drahtkorn beschränkt, zumindest im Neuzustand. Stahldrahtkorn hat eine gute Härte, ist aber nicht eisenfrei und Edelstahl-Drahtkorn ist relativ weich.

Überlegungen zum Strahldruck:

Der Strahldruck ist geregelt und beträgt 3 bar. Mit einem höheren Druck erhöhen sich zwar auch die erreichbaren Druckeigenspannungswerte, jedoch steigt die Bruchrate des Strahlmittels überproportional. Mit einem geringeren Strahldruck sind problemlos auch geringere Almenintensitätswerte zu erreichen.

Die Verteilung des Strahlmittels nach dem Austritt aus der Düse

Die Kornverteilung ist eine axialsymmetrische Normalverteilung. Ein quer zur Drehrichtung, also in diesem Fall senkrecht aufgespannter Almenmessstreifen, soll einen Eindruck über die Verteilung des Strahlmittels vermitteln. Der Messstreifen dreht sich in vertikaler Ausrichtung an der Düse vorbei.

Messung der Kornverteilung

Feststellung der Nutzbreite

Unter dem Mikroskop wird die Breite des Bereiches mit gleicher Flächendeckung gemessen. Bei gegebener Düse und nur bei den zuvor genannten Parametern von 120 mm Strahlabstand, 3 bar Strahldruck und 1250 g/min Strahlmittelmenge beträgt die Nutzbreite mit gleicher Flächendeckung 16 mm. Außerhalb dieses Bereiches nimmt die Flächendeckung langsam bis zu einer Breite von 55 mm zum Rand hin ab. Ist die zu bearbeitende Fläche am Bauteil breiter als 16 mm, so ist das Bauteil in mehreren Durchläufen mit jeweils 16 mm oder kontinuierlichem Versatz zu strahlen.

Nutzbreite
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