Feststellung der Spannungen, Dehnungen und Bruchdrehzahlen der unter Fliehkraft und Bearbeitungskraft beanspruchten Schleifkörper PDF
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FORSCH U NGSBE RICHTE DES WI RTSCHAFTS- UN D VE RKE H RSMI N ISTE RI UMS NORDRH E I N-WESTFAlE N Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Leo Brandt Nr.232 Prof. Dr.-Ing. Otto Kienzle, Hannover Dr.-Ing. Hermann Munnich, Schweinfurt Verein deutscher Schleifmittelwerke e. V., Beuel Feststellung der Spannungen, Dehnungen und Bruchdrehzahlen der unter Fliehkraft und Bearbeitungskraft beanspruchten Schleifkorper Als Manuskript gedruckt SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-03648-7 ISBN 978-3-663-04837-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04837-4 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e d e run g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. Einleitung S. 5 2. Einrichtung der Prlifstelle flir schnellumlaufende Werkzeuge S. 5 3. Festigkeitsverhalten von Schleifkorpern gegenliber Flieh- kr~ften und Bearbeitungskr~ften • • S. 10 3.1 Beanspruchung der Schleifkorper durch Fliehkr~fte • S. 10 3.11 Bislang bekannte theoretische Grundlagen • S. 10 3.111 Spannungen in umlaufenden Scheiben S. 10 3.112 Bruchumfangsgeschwindigkeit umlaufender Scheiben S. 16 3.12 Bestimmung der zur Berechnung der Fliehkraftspannungen erforderlichen mechanischen KenngroBen aus dem Zugversuch S. 18 3.121 Grundlagen zur Bestimmung der mechanischen KenngroBen. S. 18 3.122 Beschreibung der Versuchseinrichtung S. 21 3.123 Versuchsdurchflihrung •••• S. 34 3.124 Versuchsergebnis S. 35 3.125 Beschreibung der KenngroBen der untersuchten Schleif- korperwerkstoffe ••.•• . • • . . . • S. 38 3.13 Ermittlung des Werkstoffverhaltens und der KenngroBen im Biegeversuch . • • . • . • . • . • • S. 44 3.131 Grundlagen zur Bestimmung der mechanischen KenngroBen • S. 44 3.132 Beschreibung der Versuchseinrichtung S. 45 3.133 Versuchsdurchflihrung S •• 45 3.134 Versuchsergebnis S. 45 3.14 Ermittlung der Spannungen und Dehnungen an umlaufenden Schleifkorpern • • • • •• ••••••••••••• S. 48 3.141 Grundlagen zur Bestimmung der Spannungen und Dehnungen S. 48 3.142 Versuchsanordnung • • • . •• • ••. S. 50 3.143 Versuchsdurchflihrung .••••••••••• S. 55 3.144 Auswertung der Dehnungsmessungen ••••.•••• S. 55 3.145 EinfluB der Einspannkraft auf die Ausbildung der Span- nungen in umlaufenden Schleifkorpern • • • • • • S. 58 3.146 Vergleich der aus den Dehnungsmessungen folgenden Spannungen mit den errechneten Werten ••••.• S. 60 3.147 Beschreibung des Bruchverhaltens der untersuchten keramischen Schleifkorper • • • • • • • • • . • • S. 68 Seite 3 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 3.148 Beschreibung der Bruchumfangsgeschwindigkeit von Schleifkorpern · · · · · · · · · · · · · · · · · S. 70 3. 15 Bruchumfangsgeschwindigkeit gerader Schleifkorper mit keramischer Bindung · · · · · · • · · · · · · · · S. 74 3.2 Beanspruchung der Schleifkorper durch Bearbeitungskrafte S. 76 3.21 Entstehung von Schleifkorperspannungen durch Schleif- . . krafte · · · · · · · · · · · · · · · · · · S. 76 3.22 Versuchseinrichtung zur Messung der durch Schleifkrafte erzeugten Dehnungen · · · · · · · · S. '/8 3.23 Versuchsergebnisse · · · · · · · · · · · · · · · · S. 81 3.231 Messungen an ruhenden Schleifkorpern · · · · S. 81 3.232 Dehnungen in umlaufenden Schleifkorpern durch Bearbei- . tungskrafte · · · · · · · · · · · · · S. 81 3.24 Ergebnis der Dehnungsmessung an durch Schleifkrafte belasteten Scheiben · · · · · · · · · · · S. 85 . . 4. Zusammenfassung · · • · · · · · · · · · · · S. 85 5. Literaturverzeichnis · · · · · · · · · · · · · · S. 87 6. Anhang (Abbildungen 42 - 67) S. 91 Sei te 4 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen 1. Einleitung Umlaufende Schleifkorper gehoren wegen der hohen Betriebs-Umfangsgeschwin digkeit zu den hochst beanspruchten Werkzeugen. Jahrlich melden die Un fallstatistiken durch Schleifkorperbruche entstandene Unfalle. Wenngleich die Zahl der Scheibenbruche im Verhaltnis zur Gesamtzahl der gefertigten Schleifkorper gering ist, so bedeutet doch jeder UnfaII Schaden an der Gesundheit der die Maschinen bedienenden Menschen und unnotige Kosten. Die Schleifscheibenhersteller sind daher bestrebt, durch eine sorgfalti ge Herstellung Schleifkorper ausreichender Festigkeit herzustellen. Von den die Benutzer vertretenden Berufsgenossenschaften werden nur solche Schleifkorper fur den Gebrauch zugelassen, die in einer Musterprufung eine ausreichend hohe Bruchumfangsgeschwindigkeit bewiesen haben. Mittels der Bruchumfangsgeschwindigkeit kann die bei der Betriebsgeschwin digkeit vorhandene Sicherheit gegen einen Bruch durch Fliehkrafte erst dann richtig beurteilt werden, wenn das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Werkstoffes bis zum Bruch bekannt ist. 1m Schleifbetrieb werden oben drein durch die Schleifkrafte Werkstoffspannungen erzeugt, die bei der bisherigen Musterprufung nicht berucksichtigt wurden. Die unsichere Kenntnis dieser beiden Voraussetzungen zur Beurteilung der Sicherheit umlaufender Schleifkorper wurde bislang als groBer Mangel empfunden. Daher sind in der vorliegenden Arbeit die in umlaufenden Schleifkorpern durch Fliehkrafte und Bearbeitungskrafte entstehenden Dehnungen bis zum Brucheintritt gemessen worden. Dadurch wird eine Be urteilung der wahren Sicherheit der Schleifkorper gegen einen Bruch durch Fliehkrafte und Bearbeitungskrafte ermoglicht. 2. Einrichtung der Prufstelle fur schnellumlaufende Werkzeuge Schleifkorper werden hinsichtlich ihrer Sicherheit gegen Bruch in beson deren Schleuderprufstanden untersucht. Diese bestanden bislang aus kraf tigen Prufspindeln mit einer geeichten Drehzahlanzeige und gestatteten [1J. nur eine Prlifung der Sicherheit gegen einen Bruch durch Fliehkrafte Mit zunehmender Verfeinerung der Prufverfahren wurde jedoch ein Pruf stand benotigt, in welchem die Schleifkorper auch unter Belastung durch Bearbeitungskrafte untersucht werden und in dem Zusatzvorrichtungen und MeBeinrichtungen aufgebaut werden kOnnen. Der im Institut fur Werkzeug maschinen seit dem Jahre 1928 vorhandene Prufstand fur schnellumlaufende Seite 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Werkzeuge wurde daher auf Veranlassung von Professor Dr.-Ing. O. KIENZLE durch einen neuen Prufstand ersetzt, der neben Einrichtungen fur eine Prufung der Schleifkorper unter Fliehkraft- und Schleifkraftbeanspruchung mit einer dynamischen Auswuchtmaschine, Prufgeraten fur die Bestimmung des Elastizitatsmoduls, der Zug- und Biegefestigkeit und einer Diamant sage zum Heraustrennen von Probestaben aus den Schleifkorpern ausgerustet ist (Abb. 1). E o tisch Gegen lager Gleic - richt T- ~----------~ __________- =,6 ______________ ~ ~_. ~ A b b i 1 dun g 1 Prufstand fur schnellumlaufende Werkzeuge der Technischen Hochschule Hannover Seite 6 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Der Prufdrehzahlbereich des Schleuderprufstandes von 0 bis 40 000 [U/mi~ wurde in drei Teilbereiche von 0-7 500, 0-21 000 und 0-40 000 ~/mi~ auf geteilt. Fur jeden Drehzahlbereich ist eine Prufspindel, die den auftre tenden Kraften angepaBt ist, vorhanden. Wegen der beim Bruch auftretenden groBen Fliehkrafte sind die Wellen kraftig ausgebildet. Die Walzlager be sonderer Gute haben ein Lagerspiel, das entsprechend der bei hohen Dreh zahlen auftretenden DurchmesservergroBerung des Innenringes e~astischen gewahlt ist. Sie werden mit Olnebel geschmiert, der in Injektordusen durch Zerstauben des Schmierols mittels PreBluft erzeugt und durch Ring dusen, die vor den Lagern angeordnet sind, unmittelbar auf die Laufbah nen der Lager aufgespruht wird. Die einzelnen Prufspindeln haben einen gemeinsamen Antrieb durch ein Schaltgetriebe, das von einem 20 kW-Gleichstrommotor angetrieben wird. Die Drehzahl dieses Antriebsmotors ist durch einen gittergesteuerten Gleichrichterantrieb stufenlos verstellbar; fur Versuche unter Belastung durch Bearbeitungskrafte kann jede beliebige Drehzahl eingestellt und eingehalten werden. Der Sprengraum ist vom Antriebsraum und vom Bedienraum getrennt. Nur die Stirnseiten der Prufspindeln, in welche die Pruflinge mit Steilkegelbe festigungen nach DIN 2079 und 2080 eingesetzt werden, ragen in den Spreng raum hinein. Die beim Scheibenbruch fortfliegenden Bruchstucke werden durch eine in SchweiBbauweise hergestellte Schutzhaube mit Holzausfutte rung aufgefangen (Abb. 2 s.S. 8). Deren untere Halfte kann jeweils in Vierteln zur Seite geschwenkt werden. Dadurch wird der Raum unterhalb der Schleifkorper fur einen Vorschubtisch frei, der bei Bearbeitungsver suchen eingefahren wird und Werkstucke mit Vorschubgeschwindigkeiten von 10 bis 1600 mm/s an dem Werkzeug vorbeifuhren kann (Abb. 3 s.S. 8). Beim Prufen schwerer Schleifkorper ist eine einseitige Einspannung der Pruflinge nicht angebracht. Dann kann ein Gegenlager angesetzt werden, das nach Hohe und Seite auf die Achsen der Prufspindeln ausgerichtet wer den kann (Abb. 4 s.S. 9). Diese Vorrichtung dient gleichzeitig zum Auf bringen von Seitenlasten auf die Schleifkorper entsprechend einer Bela stung durch Schleifkrafte. Dazu wird eine Rolle gegen die Schleifkorper seitenflache gedruckt und durch Drehen einer Schraubenspindel vorgescho ben. Die dabei auftretende Seitenlast wird von einer hydraulischen Kraft meBdose mittels eines Manometers angezeigt (Abb. 5 s.S. 9). Seite 7 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen A b b i 1 dun g 2 Prufspindeln und Schutzhaube des Prufstandes A b b i 1 dun g 3 _Qbtisch des Prufstandes Seite 8 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen A b b i 1 dun g 4 Gegenlager flir die Prlifspindeln A b b i 1 dun g 5 Vorrichtung zum Aufbringen einer Seitenkraft auf Schleifkorper Seite 9 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Samtliche Bedienelemente fur den Sprengstand und die Vorschubeinrichtung sind im Steuerstand vereinigt (Abb. 6) A b b i 1 dun g 6 Steuerstand der Gesamtanlage Der Sprengraum kann yom Bedienraum durch ein Fenster aus splitterfreiem Glas beobachtet werden. 3. Festigkeitsverhalten von Schleifkorpern gegenuber Fliehkraften und Bearbeitungskraften 3.1 Beanspruchung der Schleifkorper durch Fliehkrafte 3.11 Bislang bekannte theoretische Grundlagen 3.111 Spa n nun g e n i n u m 1 auf end enS c h e i ben Fur umlaufende Scheiben aus Werkstoff mit gleichmaBigem Geflige, bei dem keine Richtung bevorzugt ist (homogener und isotroper Werkstoff) und mit verhaltnisgleicher Abhangigkeit der Spannungen von den Dehnungen gelten [2J, die Gesetze der Elastomechanik solange eine rein elastische Verfor mung vorliegt. In dunnen Scheiben mit mittigen Bohrungen treten nur Tan U 6 gentialspannungen t und Radialspannungen r auf. Sie konnen aus den folgenden Gleichungen ermittelt werden, die neben den Fliehkraften auch radikale Drucke am Innen- und AuBenrand (p. bzw. p ) berucksichtigen(Abb.7) l a Seite 10
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