Was ist Kugelstrahlen und wie funktioniert es?

Kugelstrahlen wird verwendet, um Ermüdungsbruch zu verhindern oder zu verzögern und Spannungskorrosion zu verhindern. Durch die Verwendung von Druckspannungen in den Randschichten kann das Kugelstrahlen das Ausfallrisiko und die Wartungskosten reduzieren. Durch Kugelstrahlen können auch Bauteile in die richtige Position gebracht werden. In diesem Fall geht es nicht darum, Druckspannungen zu nutzen, sondern das Bauteil einfach umzuformen.

Nicht kugelgestrahlt vs. Kugelgestrahlt

Wie funktioniert Kugelstrahlen?

Schwankende Zugspannungen erhöhen oder verursachen einen Oberflächen- oder Untergrundriss. Zugspannungen konzentrieren sich um den Riss. Der Riss wächst schnell, bis das Material versagt. Der Zweck des Kugelstrahlens besteht darin, Rissbildung bei dauerhaften Druckspannungen zu verhindern. Jedes Schrotpartikel wirkt wie ein Hammer und das Kernmaterial wirkt wie ein Amboss. Durch Eindrücken oder “Lochfraß” der Oberfläche dehnt sich die Oberfläche aus, aber das Kernmaterial widersteht dieser Ausdehnung. Um die Grübchen zu machen, muss der Schuss so hart oder härter sein als die Zieloberfläche.

Beim Kugelstrahlen werden kleine kugelförmige Partikel verwendet, die als Medien oder „Schrot“ bezeichnet werden und normalerweise aus Stahl, Keramik oder Glas bestehen. Harte, kugelförmige Partikel treffen beim Kugelstrahlen mit relativ hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche. Typischerweise sind dies 30 bis 100 Meter pro Sekunde, was zu 108 bis 360 Kilometern pro Stunde führt. Die Dellen oder Dellen verursachen eine plastische Verformung der Oberfläche und erzeugen eine Restdruckschicht. Durch Multiplikation und Überlappung der Noppen wird die gesamte Oberfläche beim Kugelstrahlen komprimiert und geschützt.

Kugelstrahlverfahren

Metallermüdung

Ermüdung wird in der Werkstoffkunde als Entstehung und Ausbreitung von Rissen in einem Material infolge zyklischer Belastung charakterisiert. Wenn sich ein Ermüdungsriss gebildet hat, erzeugt er in der Regel bei jeder Belastungsperiode an bestimmten Abschnitten der Bruchfläche Schlieren.

Der Riss wächst weiter, bis er eine kritische Größe erreicht, was passiert, wenn der Spannungsfestigkeitsfaktor des Risses die Bruchzähigkeit des Materials überschreitet, was zu einer schnellen Ausbreitung und in den meisten Fällen zu einem vollständigen Strukturbruch führt. Sowohl Ermüdungsausfälle bei hohen als auch bei niedrigen Zyklen folgen den gleichen grundlegenden Prozessschritten der Rissinitiierung, des Risswachstums der Stufe II und schließlich des endgültigen Versagens.

Kugelstrahlen mit Druckluft

Air Peening eignet sich gut für Anwendungen, die eine präzise Ausrichtung oder Abdeckung nur in ausgewählten Bereichen erfordern. Darüber hinaus wird es häufig bei schwer zugänglichen Geometrien angewendet oder wenn unterschiedliche Intensitäten auf demselben Teil benötigt werden. Darüber hinaus wird es zum Auftragen von gleichzeitigen Intensitäten auf zwei Oberflächen und für niedrige Intensitäten (N-Skala – Glas und Keramik) verwendet. Das Kugelstrahlen mit Druckluft bietet mehrere Schussabgabesysteme: Absaugung, Schwerkraftabsaugung und Direktdruck. Beim Saugen können viele Düsen verwendet werden, von 1 bis 24 oder mehr. Es bietet niedrigere Intensitäten und hat einen höheren Luftverbrauch und/oder den niedrigsten Wirkungsgrad. Darüber hinaus erfordert die Absaugung geringere Anschaffungskosten. Bei der Schwerkraftabsaugung befindet sich der Trichter über den Pistolen. Die Intensitäten sind etwas höher als bei normaler Absaugung. Darüber hinaus verwendet die Schwerkraftabsaugung eine Saugdüse mit größeren Luftstrahlen und die Pistolen müssen nach unten zeigen. Bei Direktdruck wird das Schussmedium in einem Druckbehälter gelagert. Es bietet höchste Intensitäten und nutzt die Luft effizient. Direkter Druck erfordert die höchsten Anfangskosten; es ist jedoch auch das flexibelste.

Präzise Ausrichtung

Ausgewählte Abdeckung (1)

Ausgewählte Abdeckung (2)

Schwierige Geometrien

Simultanes Kugelstrahlen

Kugelstrahlen mit Schleuderraden

Zunächst wird das Prinzip des Radstrahlens erläutert. Zunächst wird das Rad durch die Schwerkraft über den Trichter in der Mitte des Rades bewegt. Dann verstärkt das Laufrad den Schuss durch das Käfigfenster, um den Schuss auf das Werkstück zu lenken. Schließlich wird der Schuss von den Klingen aufgenommen, die ihn beschleunigen und aus der Klingenspitze ausstoßen, um den Strahlstrom zu bilden. Einige Räder sind umkehrbar, um die Abdeckung der Teile zu verbessern und Vielseitigkeit und eine längere Lebensdauer der Ersatzteile zu bieten. Klingen sind in verschiedenen Materialien erhältlich. Die gebogenen Klingen verbrauchen weniger Energie und Medien.

Gerade Klingen

Gebogene Klingen

Die Grundsätze zur Medienrückgewinnung und -wiederverwertung gelten sowohl für Luft- als auch für Radstrahlmaschinen. Aufgrund der viel größeren Schussmenge, die durch ein Rad strömt, im Vergleich zu einer Luftdüse, gibt es einige Einschränkungen. Ein Spiralabscheider kann beispielsweise einen kleinen Teil des Vollstroms einer Turbine aufnehmen. Mehrere Separatoren können hintereinander verwendet werden, z.B. Vibrationssieb und Spiralabscheider. Bei einem Vibrationsabscheider entfernt das obere Sieb Überkorn, das untere Sieb Unterkorn und Bruchschrot und das mittlere Sieb hat wiederverwendbares Schrot. Mehrere Decks können verwendet werden, um verschiedene Schussgrößen zu trennen, die in derselben Maschine verwendet werden. Ein spiralförmiger Separator entfernt nicht kugelförmige Formen: Dieser Schuss wird beschleunigt und nach außen ausgestoßen. Nicht kugelförmige Partikel werden nicht beschleunigt und in der Mitte gehalten. Typische Strahlmittel für Schleuderradstrahlmaschinen sind: Stahlgussschrot. Konditionierter Drahtschrot, Edelstahlschrot und Keramikschrot.

Kugelstrahlen mittels Flap-Peening

Flap Peening (auch Roto-Peening oder Flapper Peening oder Rotary Flap Peening genannt) ist ein tragbares Kugelstrahlverfahren, das sich für die lokalisierte Behandlung kleiner und schwer zugänglicher Bereiche eignet. Klappenstrahlen wird hauptsächlich von Flugzeug- und Hubschrauberwartungs- und Reparaturpraktikern verwendet, da es ermöglicht, eine Kugelstrahlbehandlung direkt auf den zu handhabenden Bereich anzuwenden, ohne das Bauteil zu demontieren.

Das Flapper Peening-Verfahren kann auch auf dünne Flugzeugstrukturen zum Richten angewendet werden. Beim Klappenpeening wird eine Klappe aus Kugeln verwendet, die an ihren Enden in einer Kevlar-Matrix eingeschlossen ist. Eine pneumatische oder elektrische Schleifscheibe dreht die Klappe, die auf einer Welle befestigt ist. Danach wird der Schlag auf den gestrahlten oder geformten Abschnitt aufgebracht, und die Endkugeln schlagen darauf, um ihn zu behandeln. Gesteuert wird der Prozess durch den Drehzahlregler der Schleifscheibe in Verbindung mit der Lamellengröße.

Klappenpeening

Die Anwendungen & Branchen

Schmiede und Waffenschmiede hämmern seit jeher Metalle, um ihre Härte und Zähigkeit zu erhöhen. Während der industriellen Revolution wurden Metalle häufiger verwendet, ebenso wie die Innovationen, die ihre Leistung verbesserten.

Das Wachstum der Automobilindustrie in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts führte zu stark zyklisch beanspruchten Teilen. Sowohl aus Sicherheits- als auch aus Kostengründen war eine Möglichkeit erforderlich, diese Komponenten vor Ausfall zu schützen. Eines der ersten kugelgestrahlten Teile waren Ventilfedern. Eine große Auswahl an Autoteilen, darunter Motor- und Kraftübertragungskomponenten, Chassis und Aufhängungsstrukturen, wird heutzutage kugelgestrahlt.

Kugelstrahlen in der Automobilindustrie

Die Entwicklung der Luftfahrtindustrie Mitte des 20. Jahrhunderts führte dazu, dass Produkte über ihre Leistungsgrenzen hinaus eingesetzt wurden und der Anreiz, Ausfälle zu vermeiden, größer wurde. Heute wird ein Großteil der Flugzeugkomponenten kugelgestrahlt, um sie vor Ermüdung oder Spannungskorrosion zu schützen.

Kugelstrahlen in der Luftfahrtindustrie

Kugelstrahlen wird verwendet, um Zugeigenspannungen nach dem Herstellungsprozess zu bekämpfen: Zerspanen, Schleifen, Schweißen, Gießen und Walzen. Darüber hinaus wird es eingesetzt, um Zugspannungen durch äußere Belastungen entgegenzuwirken, zum Beispiel: Biegung, Axiallasten, Torsionsbelastungen, Wärme-/Kühlzyklen, Druckschwankungen und Spannungsrisskorrosion. Insgesamt verbessern Kugelstrahlanwendungen den typischen Lebenszyklus von Komponenten.

Typische Lebenszyklusverbesserung für Autokomponenten

Kugelstrahlen und Oberflächenbehandlung

Kugelstrahlen ist ein Oberflächenkaltbearbeitungsverfahren. Kugelstrahlen ist keine Oberflächenvorbereitung wie Strahlen. Es verbessert den Zustand der Oberfläche, um die erforderlichen Vorteile zu erzielen.

Obwohl ein gewisser Temperaturanstieg erzeugt wird, ist das Kugelstrahlen der Kaltbearbeitungsprozess der Oberfläche, der eine plastische Verformung in den Oberflächenschichten verursacht. Bei einem dicken Bauteil dehnt sich das Kernmaterial nicht aus, was die Oberflächenausdehnung begrenzt und Druckeigenspannungen erzeugt. Bei einem dünnen Bauteil führt der Ausgleich von Eigenspannungen zu Verformungen.

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