Strahlprozessoptimierung durch kantige Strahlmittel

Das Strahlen ist ein Bearbeitungsverfahren,
bei dem verschiedenartige kornförmige
Medien, zusammengefasst unter dem
Begriff Strahlmittel, mit hoher Geschwindigkeit
auf die Oberfläche von Werkstücken
geschleudert werden, mit dem Ziel die Oberfläche
in ihrem Aussehen zu verändern, zu
reinigen, zu veredeln oder zu verfestigen.
Aufgabe der Strahltechnik ist es durch
Strahlen Oberflächen zu erstellen, die die
von nachfolgenden Bearbeitungsverfahren
geforderten Bedingungen an die Struktur
und das Aussehen der Flächen in ausreichend
konstanter Weise erfüllen. Hierfür
stehen heute eine große Zahl verschiedener
Strahlmittelarten und Strahlanlagen
zur Verfügung.
Die Optimierung des Strahlens
ist jedoch wegen der vielen
Einflussfaktoren auf den Strahlvorgang
wie Art, Kornform,
Kornklasse, Kornverteilung, Zersplitterungscharakteristik,
Härte,
Aufprallenergie und Auftreffwinkel
ein komplexes Problem.
Dazu gehen noch eine Vielzahl
von der Art der zu bearbeitenden
Oberfläche abhängende Faktoren
in den Strahlvorgang ein.
Die durch ein Schleuderrad
oder durch Druckluft beschleunigten
Strahlmittelkörner geben
beim Aufprall auf die Werkstückoberfläche
einen Teil ihrer
Energie ab. Die erzielbare Strahlleistung,
die z. B. beim Ent-
zundern von Schmiedeteilen in
Form der Reinigungseffektivität
offenbar wird, ist proportional
zur Energie, die auf das
Werkstück übertragen wird.
Hieraus ergibt sich ein signifikanter
Einfluss der Kornform und der Härte des
Strahlmittels auf die Strahlleistung. Bei der
Verwendung runder und relativ weicher
Strahlmittel kommt es beim Aufprall auf das
Schmiedeteil zu einer plastischen Verformung
des Strahlkorns. Da starke Deformationen
auftreten können, wird bei der
Verformung des Korns in erheblichem Maß
SCHMIEDE-JOURNAL MÄRZ 2003
SPEKTRUM
Strahlprozessoptimierung
durch kantige Strahlmittel
Energie verbraucht, die für die eigentliche
Strahlaufgabe (Entfernung des Schmiedezunders)
nicht mehr zur Verfügung steht.
Auf diese Weise ist die Abhängigkeit der
Strahlintensität von der Härte des Strahlmittels,
die durch den Almentest nachgewiesen
werden kann, erklärbar. Mit diesem Prüfverfahren,
welches bei Kugelstrahlarbeiten
(Shot Peening) angewendet wird, wurde für
wärmebehandeltes Stahlstrahlmittel mit
einem C-Gehalt von ca. 0,9 % (Härte 480-
500 HV) eine um ca. 50 % höhere Strahlintensität
ermittelt als für ein Strahlmittel mit
einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,1 % (Härte
390 bis 420 HV). Es wurden Betriebsge-
mische mit gleicher Kornverteilung eingesetzt.
Die Nennkorngröße betrug 1,2 mm. Die
Versuche wurden in einer Muldenbandstrahlanlage
durchgeführt, die Almenwertmessung
wurde mit einem C-Plättchen durchgeführt.
Die Strahlzeit betrug 2 Minuten.
Um in diesem Fallbeispiel mit dem weicheren
Strahlmittel die gleiche Strahleffektivität
zu erreichen, wäre aufgrund der Gesetzmäßigkeit
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Otto Prinzing, Denklingen
und Dipl.-Ing. Werner
Müllerschön, Metzingen
Untersuchungen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des
Strahlprozesses durch den Einsatz von kantigen Strahlmitteln
aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl. Die Strahlzeiten konnten
reduziert und aufgrund des erhöhten Durchsatzes die spezifischen
Strahlkosten um 50 % gesenkt werden.
Antriebskegelräder in der Muldenbandstrahlanlage
Bild: IWM Strahltechnik
E kin = 1 /2 m • v 2
eine Erhöhung der Masse um 50 % oder eine
Erhöhung der Geschwindigkeit um 22,5 %
erforderlich.
Einer Erhöhung der Abwurfgeschwindigkeit
sind in der Regel aufgrund der Anlagentechnik
Grenzen gesetzt. Zur Steigerung der Masse um
50 % ist – bei Anwendung eines runden Korns
– ein um 14,5 % größerer Korndurchmesser
erforderlich.
Der Einsatz eines größeren Korndurchmessers
hat jedoch eine Reduzierung des Überdeckungsgrads
zur Folge. Diese hat seine
Ursache darin, dass mit steigender Korngröße
die Anzahl der Körner pro kg
Strahlmittel rapide sinkt. Verdoppelt
man den Durchmesser,
dann sinkt die Zahl der Körner um
das 8fache. So enthält z. B. 1 kg
Strahlmittel der Nennkorngröße
1,2 mm ca. 120 000 Einzelkörner/
kg; diese Zahl reduziert sich beim
Nenndurchmesser 1,4 mm auf
ca. 70 000 Körner/kg. Bei gleicher
Strahlmitteldurchlaufmenge sind
folglich wesentlich weniger Strahlmittelkörner
am Prozess beteiligt,
wenn der Nennkorndurchmesser
vergrößert wird. Die einzelnen
Körner übertragen zwar eine höhere
Energie, doch reduziert sich die
Anzahl der Körner, die auf die zu
reinigende Oberfläche prallen,
deutlich. So ist der Gesamtbetrag
der an der Werkstückoberfläche
abgegebenen Energie vergleichs-
weise gering, und es wird nur eine
unzureichende Reinigungsleistung
erreicht.
Weiterhin führt der Einsatz von größerem
Nennkorn zu einer gröberen Oberflächenstruktur.
Dies hat zur Folge, dass geforderte
Qualitätsmerkmale ggf. nicht mehr eingehalten
werden können. So werden beispielsweise
geforderte Werte für Rauhtiefen nicht mehr
eingehalten, oder Beschriftungen von
Schmiedeteilen sind schlecht lesbar. Eine
unzulässige Deformation der Werkstückkanten
ist u. U. auch möglich.

Der Vorteil von kantigen Strahlmitteln mit
hoher Härte macht sich insbesondere bei
Schmiedeteilen mit komplizierten Konturen,
wie z. B. Hinterschneidungen, stark ausgeprägten
Innenkonturen und bei festhaftendem
Zunder bemerkbar.
Solche Teile weisen Oberflächenbereiche
auf, die für das Strahlmittelkorn nicht unmittelbar
zugänglich sind. Diese Teilbereiche
werden nur durch Rückpraller erreicht, d. h.,
die Körner treffen nach dem ersten Aufprall
noch einmal oder sogar mehrfach auf das
Werkstück. Dieser Effekt wird auch als
Rikochet-Wirkung bezeichnet. Diese
Rikochet-Wirkung ist um so stärker, je geringer
der Geschwindigkeitsverlust ist, den
das einzelne Korn bei jedem Aufprall erfährt.
Da bei weichen Strahlmitteln bei jedem
Aufprall ein erheblicher Teil der kinetischen
Energie in Verformungsenergie umgewandelt
wird, prallt das Korn mit geringerer
Geschwindigkeit von der Oberfläche zurück.
Demzufolge sind die Effektivität jedes
Aufpralls und die Anzahl der Rückpraller
geringer als bei Strahlmitteln mit höherer
Härte.
Beim Reinigungsstrahlen wie z. B. der Entfernung
von Schmiedezunder ist rundes
Strahlmittel dem kantigen unterlegen. Die
kugelige Kornform führt nur dann zu akzepta-
SPEKTRUM
blen Strahlzeiten, wenn die zu entfernende
Oberflächenschicht keine enge Bindung zum
Grundwerkstoff hat, d. h., wenn sie durch
Stoß- oder Prellwirkung zerbricht und sich
dabei vom Untergrund vollständig trennt. Es
ist zwar möglich mit kugeligem Strahlkorn
fest haftende Schichten zu entfernen, indem
man den Strahlmittelstrahl so lang einwirken
lässt (Strahlzeiterhöhung), bis durch örtliche
Werkstoffermüdung auch Grundwerkstoff im
Bereich der Oberfläche zerstört und abgetragen
wird. Es wird dabei das Verformungsvermögen
an den kristallographischen
Korngrenzen der äußeren Oberflächenschicht
soweit überschritten, dass einzelne
Teilchen aus der Oberfläche ausbrechen. Dies
erfordert jedoch zwangsläufig eine vergleichsweise
lange Strahlzeit und ist bei gesamtwirtschaftlicher
Betrachtung der Strahlbehandlung
nicht rentabel.
Kantige Strahlmittel haben eine hohe abrasive
Wirkung und durchstoßen die Oberflächenschichten.
Dies führt zu kurzen Strahlzeiten.
Der Einsatz von kantigen Strahlmitteln
mit höherer Härte bietet somit bei ansonsten
gleichen Prozessparametern ein erhebliches
Potenzial zur Erhöhung der Strahlleistung.
Die Strahlmaschine muss konstruktiv für die
jeweils notwendige und verwendete Strahlmittelsorte
geeignet und eingerichtet sein.
Die Strahlmittelwahl sollte unter dem
Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit erfolgen.
Die größte Wirtschaftlichkeit ist gegeben,
wenn die Gesamtkosten einer Strahlarbeit
bezogen auf die Arbeitseinheit bzw.
Losgröße am kleinsten sind. Nachfolgende
Faktoren beeinflussen die Wirtschaftlichkeit:
• Strahlmittelverbrauch
• Strahlmittelpreis
• Strahlzeit
• Betriebskosten der Maschine
• Personalkosten
• Austragverluste Strahlmittel.
Besondere Bedeutung bei der Wahl des
Strahlmediums hat die Strahlzeit. Durch kürzere
Strahlzeiten werden die Betriebskosten der
Maschine und die Personalkosten pro
Werkstück niedriger. Aber auch der absolute
Verbrauch an Strahlmitteln bezogen auf das
Werkstück kann kleiner werden, obwohl die
Lebensdauer des einen Strahlmittels niedriger
ist als die eines anderen Materials. Betrachtet
man die Lebensdauer eines Strahlmittels als
Verbrauch je Strahlzeiteinheit und nimmt diesen
als konstant an, so ergeben sich für verschiedene
Strahlmittel in einem Zeit-/
Verbrauchsdiagramm Geraden mit unterschiedlicher
Steigung. Die einem Strahlmittel eigene
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spezifische Strahlzeit kann trotz hoher
Lebensdauer einen gleichen oder höheren
Verbrauch ergeben, als bei einem Strahlmittel
mittlerer Lebensdauer. Im Gegensatz dazu wird
ein Strahlmittel mit sehr geringer Lebensdauer
bei vergleichbarer Strahlarbeit immer einen
hohen Verbrauch zeigen, da es nicht so wesentlich
kürzere Strahlzeiten bringt wie dies erforderlich
wäre. Selbst wenn der Verbrauch bei
einem Strahlmittel hoher Lebensdauer niedriger
gegenüber dem mit mittlerer Lebensdauer ist,
können die durch die längere Strahlzeiten
bedingten höheren Personal- und Betriebskosten
sowie deren Auswirkungen auf den übrigen
Fertigungsablauf des Betriebs eine größere
Gesamtwirtschaftlichkeit für das Strahlmittel
mittlerer Lebensdauer ergeben.
Durchführung der Untersuchungen
Die Untersuchungen wurden bei der Fa.
Hirschvogel Umformtechnik im Frühjahr 2001
an mehreren Schmiedeteilen durchgeführt. Drei
davon werden hier stellvertretend betrachtet.
Ziel der Strahlbehandlung war die Entfernung
des Schmiede- bzw. Härtezunders und die Erzeugung
einer metallisch blanken Oberfläche.
Aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen
und der komplexen Geometrie waren bei den
Werkstücken folgende Strahlzeiten erforderlich:
Teil 1 (Antriebskegelrad, Gewicht 2,48 kg):
Strahlzeit 20 min
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SPEKTRUM
Teil 2 (Schweißgabelstück, Gewicht 0,8 kg):
Strahlzeit 30 min
Teil 3 (Dreilochflansch, Gewicht 0,79 kg):
Strahlzeit 60 min.
Alle drei Teile wurden auf einer Muldenbandstrahlanlage
mit 2 Schleuderrädern bearbeitet.
Als Strahlmittel war rundes Stahlgusskorn
S 390, Nennkörnung 1,0 mm, Härte 40-
55 HRC eingesetzt.
Die wesentlichen Parameter des Strahlprozesses
waren:
Füllvolumen pro Charge: 600 dm 3
Füllgewicht pro Charge: 1,5 t
Anzahl Schleuderräder: 2 Stück
Antriebsleistung pro Rad: 22 kW
Strahlmitteldurchsatz pro Rad: 320-350 kg/min
Abwurfgeschwindigkeit: 80 m/s.
In derselben Strahlanlage wurde dann ein
kantiges Stahlguss-Strahlmittel GM18, Nennkörnung
1,0 mm, Härte 52-60 HRC eingesetzt.
Ziel dieser Versuche war die Ermittlung einer
optimalen Strahlzeitverkürzung bei mindestens
gleicher Schmiedeteilqualität. An den Maschinenparametern
wurde mit Ausnahme der
eingestellten Strahlzeit sonst nichts geändert.
Da durch die Kornform und Korngröße der
Abwurfwinkel der Schleuderräder beeinflusst
wird, wurden entsprechende Korrekturen der
Maschinengrundeinstellung erforderlich, die
ursprünglichen Maschinenparameter, wie insbe-
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sondere die Durchsatzmenge und die Abwurfgeschwindigkeit
wurden jedoch beibehalten.
Unter Praxisbedingungen wurden bei den
Teilen nachfolgende Strahlzeiten erreicht:
Teil 1 (Antriebskegelrad, Gewicht 2,48 kg):
Strahlzeit 12 min
Teil 2 (Schweißgabelstück, Gewicht 0,8 kg):
Strahlzeit 17 min
Teil 3 (Dreilochflansch, Gewicht 0,79 kg):
Strahlzeit 20 min.
Die Strahlzeitreduzierung betrug bei:
Teil 1: 8 min = 40 %
Teil 2: 13 min = 43 %
Teil 3: 40 min = 67 %.
Über einen Zeitraum von 18 Monaten wurde
das Strahlmittel unter praxisrelevanten Betriebsbedingungen
erprobt. Während des
gesamten Versuchszeitraums blieben die oben
aufgeführten Strahlzeiten konstant. Auch die
hohen Qualitätsanforderungen an die gestrahlte
Oberfläche wurden konstant erfüllt.
Aufgrund der erzielten Optimierungen hat die
Fa. Hirschvogel Umformtechnik beschlossen
sämtliche Strahlmaschinen (8 Stück) auf das erprobte
neue Strahlmittel umzustellen und in der
Fertigung einzusetzen.
Ziel ist es nun neben den Strahlzeiten auch
andere Prozessgrößen wie z. B. Strahlmittelverbrauch
und Anlagenverschleiß systematisch
zu erfassen und zu dokumentieren. ■