Schnittkraftmessung beim Wasserstrahlschneiden - Hochschule ...

Schnittkraftmessung beim Wasserstrahlschneiden
Prof. Dr. Simon, Sylvio; Goll, Christopher; Wiedenhöft, Sven; Kanter, Denny; Ehlert, Grit
Kurzfassung (Abstract)
Die Schneidtechnik hat in der Vergangenheit eine stetige Weiterentwicklung erfahren.
Angefangen vom autogenen Brennschneiden, dem Plasmaschneiden, über die Laserschneidtechnik
bis hin zum Wasserstrahlschneiden [1].
Das Hochdruckwasserstrahlschneiden wird als Werkzeug in vielen Bereichen der Industrie
eingesetzt. Die Anwendung von Flüssigkeitsstrahlen insbesondere dem Wasserstrahlen
zur Bearbeitung von spröden Materialen, Kunststoffen und Gesteinen usw.
lässt sich bis in die Anfänge des 20. Jahrhunderts zurückverfolgen. Gegenüber den
klassischen Schneidverfahren liegen die Vorteile der Wasserstrahlschneidtechnik in der
niedrigen thermischen und mechanischen Belastung des zu trennenden Werkstoffes,
weiterhin sind die geringen Strahlabmessungen als Vorteil zu betrachten. Besonders für
das Bearbeiten von Verbundwerkstoffen mit voneinander abweichenden Materialeigenschaften
ist das Wasserstrahlschneiden (mit und ohne Abrasivmittel) sehr gut geeignet.
Wie auch bei den klassischen Schneidverfahren treten beim Wasserstrahlschneiden
Schnittkräfte auf. Besonders bei der Fertigung von kleinen Bauteilen verursachen diese
Schnittkräfte eine Verschiebung des Bauteils, wodurch keine optimale Fertigung gewährleistet
ist. Ziel des Projektes ist die Bestimmung der Schnitt- und Reaktionskräfte
welche beim Wasserstrahlschneiden auftreten [1].
1 Grundlagen Wasserstrahlschneiden
1.1 Wirkmechanismen
Durch eine Flüssigkeitsströmung wird
beim Wasserstrahlschneiden der zu bearbeitende
Werkstoff getrennt. Für den
Abtrag des Materials sind hauptsächlich
Druckkräfte verantwortlich, welche senkrecht
zur Werkstückoberfläche wirken.
Die Abbildung 1 beschreibt detailliert den
Aufbau des Wasserstrahls. Dabei verursachen
die auftretende Kavitation sowie
der Einzeltropenaufschlag Druckspitzen
und Scherkräfte aufgrund querströmender
Flüssigkeit. Diese Kräfte bewirken im
Werkstoff mechanische Spannungen,
welche zum Versagen der Materialbindungen
führen wodurch es zum Ausbruch
einzelner Materialpartikel kommt.
Der Wasserstrahl ist eine rotationssymmetrische
Strömung die beim Wasserabrasivstrahlschneiden
als Trägermedium
für den ihm hinzugeführten Feststoff
dient. Beim Auftreffen des Wasserstahls
12. Wissenschaftstage der Hochschule Lausitz (FH) - 2012
mit Abrasiv auf die Werkstückoberfläche
erfolgt ein Materialabtrag im Mikrobereich.
Durch die unterschiedlichen Eigenschaften
des Abrasivstoffes hinsichtlich
der Härte und Körnerform (rund bis
scharfkantig) kann die Trennleistung und
Trennergebnis maßgeblich beeinflusst
werden [1].
Abb. 1: Detailansicht Wasserstrahl nach [3]
1

1.2 Technologie
Die Leistung beim Wasserstrahlschneiden
hängt von folgenden Größen ab [1]:
2
� Vorschubgeschwindigkeit,
� Düsendurchmesser,
� Pumpendruck,
� Düsenabstand.
Aus diesen Größen resultiert die Wirkenergie
an der Auftreffstelle des Wasserstrahls
und bestimmt somit qualitativ
und quantitativ das Arbeitsergebnis.
Beim Wasserabrasivstrahlschneiden
kommen folgende Einflussgrößen hinzu
[1]:
� Körnung,
� Abrasivmassenstrom,
� Feststoffart,
� Fokusdurchmesser/–länge.
Beim Wasserstrahlschneiden mit Abrasiv
verbreitert sich die Schnittfuge gegenüber
dem Schneiden mit reinem Wasserstrahl.
Jedoch lässt sich das Trennvermögen
derart steigern, dass ein
Trennen von hochfesten Werkstoffen
möglich ist (Abb. 2).
Abb. 2: Stellgrößen Wasserstrahlschneiden
nach [1]
Die beim Wasserstrahlschneiden auftretenden
Schnittqualitäten hängen im Wesentlichen
von den eingestellten Parametern
ab (siehe oben) [1]. Daher sind die
Schnittqualitäten unter Berücksichtigung
der vorgegebenen Toleranzen möglichst
wirtschaftlich zu wählen (Abb. 3).
Abb. 3: Schnittqualität Wasserstrahlschneiden
nach [2]
2 Schnittkraftmessung
2.1 Problematik/Aufgabenstellung
Bei leichten Werkstoffen wie z.B. Kunststoffe,
Holz oder Bleche mit geringer
Materialdicke usw. reicht die Reibkraft
die zwischen Werkstück und Auflagefläche
(Schwerter) wirkt nicht aus um der
Schnittkraft genügend Widerstand entgegenzusetzen.
Da die Schnittkraft größer
als die Reibkraft ist, kommt es beim
Schneidvorgang zur Verschiebung des
zu bearbeitenden Werkstücks.
Zur Visualisierung der Schnittkraftproblematik
sollte die in der nachfolgenden
Abbildung 4 dargestellte Kontur hergestellt
werden.
Abb. 4: zu schneidende Kontur
Während des Schneidvorganges führt
die auftretende Schnittkraft zur Verschiebung
des Werkstückes (Abbildung
5, siehe rote Markierung).
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Abb. 5: Verschiebung des Werkstücks durch
Schnittkräfte
Aufgrund der Schnittkräfte und der
dadurch erzeugten Verschiebung lässt
sich die zu schneidende Kontur nicht
nach den Abmessungen der Abbildung 4
fertigen. Die rote Markierung in Abbildung
6 zeigt das Ergebnis dieses Versuches
ohne Fixierung des Probestücks,
aus dem die Kontur ausgeschnitten werden
sollte.
Abb. 6: Kontur nach Schneidvorgang
Neben den Schnittkräften treten Reaktionskräfte
auf. Beim Auftreffen des Wasserstrahls
auf die Wasseroberfläche bzw.
auf den Schwertern wird dieser reflektiert
und wirkt von unten auf das Werkstück.
Ziel ist es die Schnitt- und Reaktionskräfte
beim Schneidvorgang messtechnisch
zu erfassen und auszuwerten.
12. Wissenschaftstage der Hochschule Lausitz (FH) - 2012
2.2 Messeinrichtung zur Aufnahme
der Schnittkräfte
Die Messung der Schnitt- und Reaktionskräfte
erfolgt mittels einer Plattformwägezelle.
Die Plattformwägezelle arbeitet
nach dem Prinzip Dehnmessstreifen
(Abbildung 7).
Abb. 7: Funktionsprinzip Plattformwägezelle
MP40
Die Plattformwägezelle wird in die Aufnahme
fest eingespannt und über einen
Adapter mit der zu untersuchenden Probe
verbunden. Beim Hineinfahren des
Wasserstrahls in das Werkstück wird
eine Auslenkung der Plattformwägezelle
erzeugt, worüber sich die Schnittkraft
ermitteln lässt. Die nachfolgende Abbildung
8 zeigt den Aufbau der Messeinrichtung.
Abb. 8: Messsystem mit Plattformwägezelle
MP40
Um die Reaktionskräfte zu messen wird
der Sensor in einer zweiten Messeinrichtung
um 90° gedreht und knapp über die
Wasseroberfläche geführt.
3 Zusammenfassung
Nach Recherche zum Themengebiet
entstand zunächst eine Konstruktion der
Messeinrichtung (Abb. 8). In Zusammenarbeit
mit dem Unternehmen SynoTech
erfolgte eine Auswahl von Sensoren,
welche das Unternehmen zur Verfügung
3

stellt. Auf Basis der Konstruktion entstand
ein Prototyp der Messeinrichtung
um erste Schnittkraftmessungen durchzuführen.
Parallel dazu ist eine Auswertesoftware
programmiert worden, die wie
die Konstruktion in ersten Testversuchen
erprobt werden soll.
4 Referenzen (References)
[1] Klocke, F.; König, W. (2007): Fertigungstechnik
3. 4. Auflage, Berlin: Springer-Verlag
[2] Behmer, U.: Präsentation Wasserstrahlverfahren,
Verbundstudium TBW/FH SWF
[3] Lange, K. (1990): Umformtechnik Band 3.
Blechbearbeitung. 2. Auflage, Berlin: Springer-Verlag
Zum Autor/in (About the Auther)
Christopher Goll (B.Eng.), Jahrgang 1984,
Studium Maschinenbau an der HS Lausitz
Senftenberg, z.Z. Masterstudium Maschinenbau
an der HS Lausitz.
Sven Wiedenhöft (B.Eng.), Jahrgang 1984,
Studium Maschinenbau an der HS Lausitz
Senftenberg, z.Z. Masterstudium Maschinenbau
an der HS Lausitz.
Denny Kanter (B.Eng.), Jahrgang 1989, Studium
Maschinenbau an der HS Lausitz Senftenberg,
z.Z. Masterstudium Maschinenbau
an der HS Lausitz.
Grit Ehlert (B.Eng.), Jahrgang 1969, Studium
Maschinenbau an der HS Lausitz Senftenberg,
z.Z. Masterstudium Maschinenbau an
der HS Lausitz.
Prof. Simon ist seit 2008 Professor für Werkzeugmaschinen
an der Hochschule Lausitz
und leitet den Forschungsbereich Wasserstrahlschneiden
4
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