Materialtrennmechanismen bei Seilschleifen von Metall-Nichtmetall-Verbundwerkstoffen
Final Report Abstract
Ziel des Gesamtvorhabens war es, eine Werkzeug-Prozessparameter-Kombination zu ermitteln, mit welcher sich Stahlbeton prozesssicher und ohne unzulässig hohen Verschleiß trennen lässt. Vorrangiges Ziel des zweiten Antragszeitraums war es, ein im ersten Antragszeitraum entwickeltes Modell zur gezielten Auslegung von Schneidperlen für Diamantseilsägewerkzeuge weiterzuentwickeln und im realen Trennprozess zu verifizieren. Die zu erreichenden Teilziele waren hierbei die gezielte Auslegung der Schneidperlen auf Grundlage des im ersten Förderungszeitraums erstellten Modells, die Untersuchung des Einsatzverhaltens der neu entwickelten Seilschleifwerkzeuge sowie die Modellerweiterung und -verifikation. Um das Ziel zu erreichen, wurden neben zwei Referenzwerkzeugen zwei weitere Seilschleifwerkzeuge auf Basis der vorliegenden Modelle entwickelt und beschafft. Diese Werkzeuge wurden im realen Seilschleifprozess an Betonwerkstücken unterschiedlicher Bearbeitungsklassen sowie an armierten Betonwerkstücken eingesetzt. Die Bewertung des Einsatzverhaltens erfolgte anhand der Prozesskräfte, der resultierenden Zeitspanflächen sowie des makroskopischen und mikroskopischen Verschleißes. In den Untersuchungen zeigte sich, dass nicht alle variierten Werkzeug- und Maschineneinstellparameter Einfluss auf die Bewertungsgrößen besitzen. Die Zeitspanflächen sind maßgeblich vom vorgegebenen Vorschubdruck und dem Vorhandensein einer Stahlarmierung abhängig. Durch eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit lässt sich eine Verringerung der Prozesskräfte und des Segmentverschleißes erzielen. Ebenfalls zur Reduzierung des Verschleißes trägt die Erhöhung der Gesamtschneidstoffkonzentration bei. Kein Einfluss auf das resultierende Verschleißverhalten konnte für die Diamantkorngröße nachgewiesen werden. In den Stahlbetonuntersuchungen wurden kritische Betriebspunkte ermittelt, bei denen es zu einem Anstieg des resultierenden Verschleißes auch bei höheren Schnittgeschwindigkeiten kommt. Bezüglich der deterministischen Schneidstoffverteilung auf den Schleifperlen wurde festgestellt, dass diese zu einer gleichmäßigeren Belastung des Schneidstoffes und damit zu einer Reduzierung der Normalkräfte beiträgt. Mit den oben zusammengefassten Ergebnissen konnte das im ersten Förderungsabschnitt aufgestellte Modell zur Berechnung der optimierten Gesamtschneidstoffkonzentration weiterentwickelt werden. Während im ursprünglichen Modell Breitenabtragsfaktoren zur Ermittlung der Schneidstoffkonzentration herangezogen wurden, werden im modifizierten Modell Tiefenabtragsfaktoren verwendet. Diese führen zu grundsätzlich höheren Schneidstoffkonzentrationen sowohl in der Beton- als auch in der Stahlbetonbearbeitung. Entsprechend der in diesem Vorhaben ermittelten Zusammenhänge ist bei einer Erhöhung der Schneidstoffkonzentration mit einer Verringerung der Normalkräfte sowie des abgetragenen Schleifbelagvolumens zu rechnen. Zusammenfassend ist es hinsichtlich der Prozesssicherheit beim Seilschleifen von Stahlbeton-Verbundwerkstoffen vorteilhaft, wenn eine hohe Schneidstoffkonzentration in Verbindung mit einem deterministischen Setzmuster verwendet wird. Im Hinblick auf die Werkzeugstandzeit sind kritische Betriebspunkte zu vermeiden. Die Projektergebnisse zeigen das Potential einer anwendungsfallorientierten Gestaltung der Seilschleifsegmente für die Beton- und Stahlbetonbearbeitung in Form angepasster Schneidstoffkonzentrationen und deterministischer Setzmuster auf. Ziel weiterführender Arbeiten auf diesem Gebiet sollte es daher sein, ein Modell zur dreidimensionalen, deterministischen Gestaltung der Schneidstoffverteilung zu entwickeln. Hiermit ließen sich die Vorteile eines deterministischen Setzmusters mit den Vorteilen mehrschichtiger Seilschleifwerkzeuge insbesondere im Hinblick auf die Standzeit verknüpfen. Allerdings wäre hierfür die Verfügbarkeit einer Technologie für die prozesssichere Herstellung solcher Seilschleifwerkzeuge Voraussetzung. Zum aktuellen Zeitpunkt bestehen am IFW bereits entsprechende Kontakte zu Herstellern von Sintermaschinen und -werkzeugen, welche Interesse an einer Kooperation auf dem genannten Gebiet bekundet haben. Zusätzlich sollte die Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf andere mit Seilschleifwerkzeugen trennbare Werkstoffe untersucht werden. Hierfür müssten zunächst erneut Ritzuntersuchungen durchgeführt werden, in welchen die entsprechenden Abtragsfaktoren ermittelt werden können. Diese könnten daraufhin als Werkstoffkennwert in einer Datenbank hinterlegt und bei Bedarf für die anwendungsfallorientierte Werkzeugauslegung herangezogen werden.
Publications
- "The Mechanisms of Material Separation at Steel and Concrete Material. On: European Powder Metallurgy Conference on ‘Meeting the Challenges of a Changing Market Place’ (Euro PM 2003), Valencia Conference & Exhibition Centre, October 20th – 22nd 2003, Spain
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- Materialtrennmechanismen an Stahl- und Betonmaterial. IDR – Industrie Diamanten Rundschau, 37 (2003) 2, S. 124-131, 2003
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- Seilschleifen von metallischen und mineralischen Werkstoffen. Dr.-Ing. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2004
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- Werkzeugauslegung für die Bearbeitung von Stahlbeton. 5. IFW-Steinkolloquium, 22.-23. September 2004, Hannover
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