Neues Design für Kontrollkäfig zur Verbesserung der Abdeckung und Gleichmäßigkeit des Kugelstrahlens und dessen Validierung mittels DEM und Experiment | Wissenschaftliche Berichte

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5212 (2023) Zitieren Sie diesen Artikel

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Anders als Kugelstrahlen ist Kugelstrahlen ein Verfahren, bei dem in erster Linie Kugeln verwendet werden, um Fremdstoffe von Metalloberflächen zu entfernen. Kugelstrahlen wird in Luftblas- und Impeller-Aufprallverfahren unterteilt. Letzteres wird häufig beim kommerziellen Kugelstrahlen in großem Maßstab eingesetzt. Diese Studie schlägt einen neuen Kontrollkäfig mit konkaver oder konvexer Form vor, um die Abdeckung und Gleichmäßigkeit im Impeller-Aufprall-Kugelstrahlgerät zu verbessern. Die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Kontrollkäfigs wird mithilfe von Diskrete-Elemente-Methoden und Experimenten überprüft. Darüber hinaus wird das optimale Design in Bezug auf Massenstrom, Abdeckung und Gleichmäßigkeit bestätigt. Zusätzlich wird die Verteilung der Markierungen auf der Oberfläche durch Experimente und Simulationen analysiert. Darüber hinaus wird die Kugel über eine größere Fläche auf der Oberfläche projiziert, wenn das neue konkave und konvexe Modell am Kontrollkäfig verwendet wird. Folglich bestätigen wir, dass der Kontrollkäfig mit konkaver Form eine etwa 5 % höhere Abdeckung als das herkömmliche Modell und gleichmäßigere Schussmarkierungen bildet, während ein niedriger Massenstrom verwendet wird.

Seit den 1950er Jahren wird die Oberflächenbehandlung und -bearbeitung von Metall mit Kugelstrahlen intensiv erforscht1,2,3,4,5,6. In der Stahlindustrie wird Kugelstrahlen aktiv eingesetzt, um einer Verschlechterung der Oberflächenqualität vorzubeugen, indem Fremdstoffe wie Zunder von der Metalloberfläche von Edelstahl entfernt werden. Je nach Material und Projektionsmethode der Kugel kann das Kugelstrahlen in Luftblas- und Impellerstrahlen eingeteilt werden. Sowohl Kugelstrahlen als auch Kugelstrahlen sind Verfahren zur Behandlung von Metalloberflächen. Sie werden jedoch nach ihrer Funktion klassifiziert. Beim Kugelstrahlen werden Kugeln aus einem metallischen Material auf eine Oberfläche geschleudert, um Fremdstoffe zu entfernen oder die Oberflächenrauheit durch Entfernen der scharfen Kanten eines Produkts zu verbessern. Kugelstrahlen hingegen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem durch das Auftreffen von Kugeln mit hoher Geschwindigkeit Eigenspannungen auf einer Oberfläche erzeugt werden, wodurch die Oberflächenfestigkeit und die Lebensdauer erhöht werden.

Der mechanische Strahler besteht aus Verteiler, Steuerkäfig und Klinge. Die Strahlkugel wird zunächst in den rotierenden Verteiler eingebracht und tritt durch eine Öffnung im Steuerkäfig aus dem Strahler aus. Der Strahlvorgang erfolgt so, dass die sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Klinge mit der Strahlkugel kollidiert und diese auf die Oberfläche geschleudert wird. Nach dem Strahlvorgang werden Deckungsgrad und Gleichmäßigkeit gemessen, die die Bearbeitungseffizienz anzeigen. Der Deckungsgrad lässt sich als Verhältnis der Summe der Strahlfleckflächen zur Gesamtoberfläche berechnen. Außerdem wird die Gleichmäßigkeit gemessen, die angibt, wie gleichmäßig die Strahlkugeln auf der Oberfläche verteilt sind. Deckungsgrad und Gleichmäßigkeit werden kontinuierlich verbessert, müssen aber noch weiter optimiert werden.

Der rechnerische Ansatz für das Kugelstrahlen konzentriert sich üblicherweise auf die Eigenspannung und bedient sich dabei hauptsächlich der Methode der finiten Elemente (FEM). Tange und Okada7 wiederholten eine solche Simulation, bis mit zufällig generierten Kugeln eine 100-prozentige Abdeckung erreicht war. Durch Experimente und die Methode der finiten Elemente stellten sie den Zusammenhang zwischen Abdeckung und Dauerfestigkeit fest. Unter der Annahme, dass alle Schussspuren die gleiche Form aufweisen, wurden Schussspuren, die an derselben Stelle auftrafen, von der Berechnung der Abdeckung ausgeschlossen. Meguid et al.8 analysierten die Eigenspannung in Abhängigkeit von der Form der Kugel, der Aufprallgeschwindigkeit und der Kaltverfestigung des Substrats. Wie in der vorherigen Studie wurden wiederholte Aufpralle ausgeschlossen. Gangaraj et al.9 prognostizierten die Gesamtabdeckung mithilfe eines rotationssymmetrischen Modells unter der Annahme einer gleichmäßigen Kugelgrößenverteilung und einer gleichmäßigen Schussspur. Meguid et al.10 und Schwarzer et al.11 maßen die Veränderung der Druckeigenspannung in Abhängigkeit von Größe und Geschwindigkeit einer Kugel und maßen die Abdeckung durch periodische Wiederholung einer eher unrealistischen sechseckigen Schussspur. Bagherifard et al.12 gingen von derselben Annahme aus, berechneten die Abdeckung jedoch unter Berücksichtigung des Abpralls einer Kugel. Nguyen et al.13 zeigten durch eine gekoppelte Analyse von CFD und der Methode der finiten Elemente, dass die Abdeckung beim Kugelstrahlen mit Luft signifikant von der Größe und dem Strahlwinkel der Kugel abhängt. Kirk und Abyaneh14 berechneten die Abdeckung numerisch, indem sie Kugeln zufällig platzierten. Taro et al.15 war mit dieser Technik unter der Annahme derselben Kugelgröße erfolgreich. Marini et al.16 untersuchten die Auswirkung von Größe und Geschwindigkeit von Kugeln auf die Oberflächenrauheit und Eigenspannung in einem Mikro-Kugelstrahlprozess mithilfe der Methode der finiten Elemente und von Durchstrahlungsmethoden.

Da der Kontakt zahlreicher Partikel bei der Finite-Elemente-Methode nicht genutzt werden kann, wurden die meisten Studien mit nur wenigen Partikeln analysiert7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Bei der Berechnung des Kontakts zwischen mehreren Partikeln mit der Finite-Elemente-Methode wird jedes Partikel mit mehreren Netzen diskretisiert und analysiert. Daher ist die Verwendung zahlreicher Partikelkontakte bei der Finite-Elemente-Methode zeitaufwändig. Beim Kugelstrahlen oder Kugelverfestigungsverfahren, bei dem Abdeckung und Gleichmäßigkeit wichtiger sind als Restspannungen, sollten jedoch viele Kugeln verwendet werden. Daher ist die Analyse von Kugelverfestigungsverfahren und Kugelstrahlen nur mit der Finite-Elemente-Methode mit Einschränkungen verbunden.

Um die Einschränkungen der oben genannten Studien zu beheben, wurden in letzter Zeit viele Studien mithilfe der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) durchgeführt. Bhuvaraghan et al.17 haben mithilfe der Finite-Elemente-Methode und von DEM die Eigenspannung und die plastische Dehnung genau vorhergesagt. Folglich wurde die Eigenspannung genau gemessen, indem auf das Modell der Finite-Elemente-Methode eine mithilfe der DEM berechnete Kontaktkraft angewendet wurde. Auf ähnliche Weise haben Hong et al.18 sowohl die Finite-Elemente-Methode als auch DEM kombiniert, um den Aufprall einer Kugel, die nach einmaligem Auftreffen auf die Metalloberfläche zurückprallte, eingehend zu analysieren. Sie haben die Parameter ermittelt, die zur Qualitätskontrolle beim Kugelstrahlen am sorgfältigsten kontrolliert werden sollten und jene, die den größten Einfluss auf die Eigenspannung haben. Murugaratnam et al.19 haben einen neuen Algorithmus implementiert, um den Restitutionskoeffizienten für den wiederholten Aufprall einer Kugel an derselben Stelle in einem DEM signifikant anzupassen. Zusätzlich wurde die kombinierte Wirkung von Anfangsgeschwindigkeit, Massenstromrate und Pinning-Winkel auf die Druckeigenspannung analysiert. Hou et al.20 analysierten das dynamische Verhalten von Strahlkugeln in einer Strahlanlage mithilfe eines 3D-DEM. Sie beobachteten, dass die Geschwindigkeitsänderung der Strahlkugel umso schneller erfolgte, je höher die Rotationsgeschwindigkeit des Laufrads war. Ahmad et al.21 berechneten die induzierte Druckspannung mithilfe einer gekoppelten DEM/FEM-Analyse für das Johnson-Cook-Materialmodell genau. Darüber hinaus zeigten Marini et al.22, dass das gemessene Restspannungsfeld an der V-Kante gut mit dem mithilfe der Finite-Elemente-Methode korrigierten thermischen Feld übereinstimmt, das mit experimentellen Daten korrigiert wurde. Darüber hinaus schlugen Choi et al.23 mithilfe von DEMs und Experimenten ein neu entwickeltes Laufradblatt vor, um Abdeckung und Gleichmäßigkeit zu verbessern.

Ähnlich wie bei der Analyse von Kollisionen zwischen Metalloberflächen und Kugeln beim Kugelstrahlen schlugen Dong et al.24 ein numerisches Modell auf Basis einer SPH-Methode vor, um den Aufprallprozess von Tropfen auf elastische Balken zu modellieren und zu simulieren. Zusätzlich wurde die Methode der kontinuierlichen Oberflächenkraft (CSF) übernommen, um den durch den Aufprall des Tropfens verursachten Oberflächenspannungseffekt zu simulieren. Tropfenaufprall wird hauptsächlich beim Tintenstrahldruck, bei Vereisungsschutzmitteln und beim Versprühen von Pestiziden beobachtet. Van Dam und Le Clerc25 untersuchten experimentell den Aufprall von mit Tintenstrahl gedruckten Tropfen auf einem festen Substrat, um die Form der Aufprallschnittstelle zu messen. Außerdem wurde das Volumen kleiner Bläschen von Wassertropfen in der frühen Phase des Aufpralls experimentell gemessen und mithilfe von Gleichungen mit den Ergebnissen verglichen. Zhang et al.26 führten eine Kugelstrahluntersuchung mithilfe einer SPH-Methode durch, um den Aufprall von Partikeln auf einer mit einer Rostschicht bedeckten Metalloberfläche zu simulieren. Außerdem wurde das Aufprallverhalten von Partikeln unterschiedlicher Form hinsichtlich der Verformung und Beschädigung einer Rostschicht in Abhängigkeit von verschiedenen Anfangsbedingungen und Aufprallwinkeln analysiert.

Trotz der beträchtlichen Anzahl einschlägiger Studien gibt es nur wenige Studien zum Kontrollkäfig, einem der grundlegenden Bestandteile von Impeller-Strahlanlagen, unabhängig von Experimenten oder Simulationen. Insbesondere ist das Design des Kontrollkäfigs seit den 1960er Jahren unverändert geblieben, was bedeutet, dass der Zusammenhang zwischen dem Design des Kontrollkäfigs und der Abdeckung bzw. Gleichmäßigkeit nicht weiter untersucht wurde27,28. Diese Studie zeigte daher, dass das neu vorgeschlagene Design des Kontrollkäfigs die Abdeckung und Gleichmäßigkeit mithilfe einer DEM-Simulation unter Berücksichtigung mehrerer Partikel und Partikelkollisionen verbessern könnte. Darüber hinaus waren die experimentellen Ergebnisse und die Simulation konsistent.

In dieser Studie wird das in Stahlwerken eingesetzte Impeller-Strahlverfahren zur Entfernung von Zunder während der Eisenherstellung analysiert. Der verwendete Strahler besteht aus einem Verteiler, der eine bestimmte Anzahl von Strahlkugeln erzeugt, einem Steuerkäfig zur Steuerung der Strahlrichtung und einer Schaufel zur Beschleunigung der Strahlkugel (siehe Abb. 1).

Schematische Darstellung eines Kugelstrahlers mit Impeller (Inventor 2021, https://www.autodesk.com/products/inventor).

Wie in Abb. 2a gezeigt, beträgt die in der Simulation verwendete Schaufelgröße 0,07692 m × 0,06 m × 0,008 m, und die Rotationsgeschwindigkeit von Verteiler und Schaufel ist auf 3500 U/min eingestellt. Die Gesamtgröße des Strahlers einschließlich acht Schaufeln beträgt 0,25 m × 0,25 m × 0,07 m, der Steuerkäfig ist zur Einhaltung des korrekten Schusswinkels um 30\(^\circ\) im Uhrzeigersinn geneigt, und Innendurchmesser und Höhe betragen 0,092 bzw. 0,06 m. Wie in Abb. 2b gezeigt, beträgt die Größe der Öffnung im Steuerkäfig 0,052 m × 0,02566 m. Die Anzahl der vom Strahler abgefeuerten Schrotkugeln hängt von Form und Größe der Öffnung im Steuerkäfig ab. Mit abnehmender Öffnungsgröße verringert sich die Anzahl der abgefeuerten Schrotkugeln und umgekehrt. Daher sind die Lochform und die Größe des Kontrollkäfigs wichtige Parameter zur Minimierung der Kosten bei der Strahlbearbeitung.

Größe eines Kugelstrahlers mit Impeller (Inventor 2021, https://www.autodesk.com/products/inventor).

Wie in Abb. 2 gezeigt, wird angenommen, dass die horizontale Länge unendlich und die vertikale Länge 0,9 m beträgt, da sich das Substrat mit 1 m/s in horizontaler Richtung bewegt.

Der Durchmesser der Strahlkugel beträgt 0,0008 m, was dem Durchmesser der Strahlkugel entspricht, die an der tatsächlichen Bearbeitungsstelle verwendet wird. Darüber hinaus wird sowohl für die Strahlkugel als auch für die Oberfläche des Substrats ein allgemeines Edelstahlmaterial mit einer Dichte von 7800 kg/m3 und einem Elastizitätsmodul von 182 GPa verwendet. Bevor der Strahler zu rotieren beginnt, werden 100.000 Strahlkugeln erzeugt und setzen sich im Verteiler ab. Der Strahler rotiert mit konstanter Geschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn und erzeugt anschließend 1,1 kg (ungefähr 1,6 Millionen) Strahlkugeln pro Sekunde. Alle Daten wurden ab dem Zeitpunkt des Eintritts in den stationären Zustand alle 0,01 s einmal extrahiert und berechnet. Diese Studie wurde in EDEM Academic Version 2021 von Altair, einer kommerziellen DEM-Software, durchgeführt. Mit der i7-8700-CPU werden ungefähr 96 Stunden benötigt, um den Prozess von der Partikelerzeugungszeit bis auf 2 s zu berechnen.

Beim Strahlprozess eines Stahlunternehmens ist der Strahler fixiert und die Stahlplatte bewegt sich kontinuierlich in eine Richtung. Dementsprechend wird ein Teil der Eisenplatte mehrmals von Strahlkugeln getroffen, die von mehreren Klingen abgefeuert werden, wodurch die Abdeckung erhöht wird. Wenn jedoch alle diese Prozesse mit einem DEM analysiert werden, steigt die Anzahl der Strahlkugeln exponentiell an, was die Analyse schwierig macht. Daher wird in dieser Studie beim Berechnen der Abdeckung eine breite Substratoberfläche in 300 Bänder (entsprechend 300 Klingen) in regelmäßigen Abständen in x-Achsenrichtung unterteilt und überlappt sich, wie in Abb. 3 gezeigt. Zuerst wird ein Bereich von L × B gestrahlt, dann in 300 Bänder unterteilt und schließlich auf einem Band (L × d) überlagert. Dies entspricht einer Bandgröße von L × d 300-mal beschossen.

Überlagerte Schussmarkierungen zur Berechnung der Gesamtabdeckung (Inventor 2021, https://www.autodesk.com/products/inventor).

Die Schussmarkierungsfläche jedes Balls, \({A}_{sm}\), kann durch den Radius R des geschossenen Balls und die maximale normale Überlappungsdistanz, δn,max, wie folgt berechnet werden:

Abbildung 4 zeigt den Radius der abgeschossenen Kugel und die maximale normale Überlappungsdistanz zwischen der abgeschossenen Kugel und der Zieloberfläche. Die Diskrete-Elemente-Methode berechnet die auf jedes Partikel wirkende Kraft anhand des Abstands zwischen Partikeln/Partikeln oder zwischen Partikeln/Wänden. Die Überlappung lässt sich außerdem einfach berechnen, indem man den Abstand zwischen den Partikeln von der Summe der Radien der beiden Partikel subtrahiert.

Der maximale normale Überlappungsabstand zwischen der abgeschossenen Kugel und der Zieloberfläche.

Die Gesamtabdeckung wurde berechnet, indem die Summe der Schussmarkierungsbereiche unter Berücksichtigung des überlappenden Bereichs durch einen Bandbereich wie folgt geteilt wurde:

Dabei stellt C die Abdeckung dar, L × d ist der überlagerte Bereich, also die Fläche eines Bandes, und A stellt die Fläche einer Schussmarkierung dar.

Die Gleichmäßigkeit, die angibt, inwieweit die Strahlspuren der Strahlkugeln gleichmäßig verteilt sind, ist ein wichtiger Parameter für die Qualität, Wirtschaftlichkeit und Effizienz eines Strahlprozesses. Um die Verteilung der Strahlspuren nach Abschnitten zu überprüfen, sollten die überlappenden Bänder in mehrere Zellen mit regelmäßigen Abständen in y-Richtung unterteilt werden (siehe Abb. 3). Die Gleichmäßigkeit wird anhand der Differenz zwischen der Abdeckung jeder dieser Zellen und der Gesamtabdeckung berechnet. Anders ausgedrückt: Die Standardabweichung der Abdeckung jeder Zelle wird als Gleichmäßigkeit definiert. Eine detaillierte Berechnung der Gleichmäßigkeit findet sich in der Literatur23. In dieser Studie wurde die Gleichmäßigkeit berechnet, indem ein Band in zehn Zellen mit regelmäßigen Abständen unterteilt wurde. Ein Gleichmäßigkeitswert nahe Null bedeutet, dass die Strahlspuren gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt sind, während ein höherer Gleichmäßigkeitswert darauf hinweist, dass die Strahlspuren an einer einzigen Position konzentriert sind. Wenn die Strahlspuren also überall gleichmäßig sind, nähert sich die Gleichmäßigkeit Null, und der Wert steigt, wenn die Strahlspuren ungleichmäßig werden.

Beim Strahlen mit einem herkömmlichen Kontrollkäfig ist die Verteilung der Strahlspuren auf dem Substrat elliptisch. Einige Studien berichten, dass die Strahlspurdichte im zentralen Bereich hoch ist und zu den Rändern hin abnimmt23. Diese elliptisch geformten Strahlspuren weisen eine geringere Abdeckung und Gleichmäßigkeit auf als rechteckige Strahlspuren und werden insbesondere bei wiederholtem Strahlen deutlicher. Um dieses Problem zu lösen, haben wir das Design des vorgeschlagenen Kontrollkäfigs geändert. Wie in der Literatur beschrieben23, kann dieses Problem auch durch eine Änderung der Klingenform gelöst werden.

Um Abdeckung und Gleichmäßigkeit zu verbessern, schlagen wir zwei neue Formen für die Kontrollkäfigöffnung vor, wie in Abb. 5 dargestellt. Der konventionelle Kontrollkäfig mit einer rechteckigen Öffnung (0,052 m × 0,033 m), dargestellt in Abb. 5a, wird als konventionelles Modell bezeichnet. Die modifizierten Modelle heißen konkaves Modell, bei dem die vier Seiten der Öffnung nach innen konkav sind, wie in Abb. 5b dargestellt, und konvexes Modell, bei dem die vier Seiten der Öffnung nach außen konvex sind, wie in Abb. 5c dargestellt. Um den Grad der Konkavität und Konvexität zu messen, werden das ConCave-Verhältnis (CCR) und das ConVex-Verhältnis (CVR) wie folgt definiert:

Und

Dabei entspricht L0 der Länge (0,052 m) des Lochs des herkömmlichen Kontrollkäfigs, HCC ist die konkave Höhe und HCV die konvexe Höhe. Diese Verhältnisse wurden verwendet, um den Konkavitäts- und Konvexitätsgrad der horizontalen und vertikalen Längen zu bestimmen. Wie in Abb. 5b gezeigt, besteht das konkave Modell aus vier nach innen konkaven gekrümmten Oberflächen mit Höhen, die CCR = 5, 10 und 15 % entsprechen. Wie in Abb. 5c gezeigt, besteht das konvexe Modell aus vier nach außen konvexen gekrümmten Oberflächen mit Höhen, die CVR = 5, 10 und 15 % entsprechen. Wenn also der CCR um 5, 10 und 15 % steigt, weist das konkave Modell stärker konkav gekrümmte Oberflächen auf. Daher verringert sich die Fläche des Lochs, durch die die Schrotkugeln austreten. Umgekehrt weist das konvexe Modell stärker konvexe Formen auf, wenn der CVR steigt. Dadurch vergrößert sich der Bereich, durch den die abgeschossenen Kugeln entweichen können.

Vorgeschlagenes Design des Steuerkäfigs (Inventor 2021, https://www.autodesk.com/products/inventor).

Wie in Abb. 6 dargestellt, wurde für die Experimente eine Strahlanlage ähnlich der in der Literatur23 verwendeten mit einem Impeller mit 0,25 m Durchmesser (Modell Nr. PMI0608) verwendet. Als Stahlkugel wurde ein drahtgeschnittenes, abgerundetes Strahlmittel verwendet, das durch Zuschneiden eines harten Stahldrahts auf eine bestimmte Länge und anschließendes Kugelformen hergestellt wurde. Der durchschnittliche Durchmesser betrug 0,0008 m. Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung der Strahlkugeln. Die zur Messung der Strahlreichweite verwendete Probe bestand aus SM45C, einem gängigen Industrie-Kohlenstoffstahl, mit den Abmessungen 0,3 m Breite, 0,3 m Länge und 0,005 m Dicke. SM45C ist eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, die üblicherweise in mechanischen Komponenten verwendet wird. Der Kohlenstoffgehalt beträgt ca. 0,45 %. Tabelle 2 zeigt den Massendurchsatz der verwendeten Strahlkugel, die Rotationsgeschwindigkeit der Schaufel, den Elastizitätsmodul der Strahlkugel und der Zieloberfläche sowie die Anzahl der Schaufeln.

Kugelstrahler mit Impeller und Proben23.

Zunächst wird der Kontrollkäfig mit quadratischer Öffnung an der Laufradbaugruppe der Strahlanlage befestigt. Anschließend werden die Experimente durchgeführt, indem das Laufrad gedreht wird, um die Strahlkugeln zuzuführen. Die Drehzahl des Laufrads ist auf 2527 U/min eingestellt, und die Masse der dem Laufrad zugeführten Strahlkugeln beträgt 0,4 kg/s. Die Bearbeitungszeit beträgt 5 s, und die Oberfläche der Probe wird mattschwarz lackiert, um den Bereich, in dem die Stahlkugeln mit der Probenoberfläche kollidieren, leicht zu identifizieren. Nach Abschluss des Strahlvorgangs wird die Bedeckung der Probenoberfläche gemessen.

Abbildung 7 zeigt Fotos der Kontrollkäfige mit verschiedenen Lochformen, die im Experiment verwendet wurden. Alle Experimente wurden durchgeführt, indem eine gekrümmte Platte auf den vorhandenen Kontrollkäfig geflickt wurde, wie in Abbildung 7 gezeigt. Bemerkenswerterweise kann der Kontrollkäfig der Sprenganlage während der Experimente nicht ohne Weiteres in verschiedene Formen geändert werden. Deshalb wurden Flicken verwendet, die etwas kleiner waren als der eigentliche Kontrollkäfig. Bemerkenswerterweise hat das Loch des herkömmlichen Kontrollkäfigmodells, das als Standard gilt, eine quadratische Form mit einer Breite von 0,0333 m und einer Länge von 0,0333 m. Um die Formen der verschiedenen Löcher zu realisieren, wurden zusätzlich ein CCR-Modell mit 5 % und 10 % Einwärtskonkavität und ein CVR-Modell mit 5 % und 10 % Auswärtskonkavität basierend auf der Länge einer Seite hergestellt. Unter Verwendung dieser Kontrollkäfige wurden die Abdeckungsänderungen der Probenoberfläche je nach Konkavität oder Konvexität gemessen. Es war uns jedoch nicht möglich, das CCR-Modell mit einer Konkavität von 15 % herzustellen. Daher wurde es aus dem Experiment entfernt.

Kontrollkäfig mit verschiedenen Lochformen.

Es wurden mehrere Studien zum Kugelstrahlen zur Behandlung von Metalloberflächen durchgeführt. Kennedy et al.29 untersuchten das Mikrostrahlen von Werkzeugmaschinen zur Verbesserung der Oberflächengüte. Die Methoden zur Produktivitätssteigerung und Verbesserung der Oberflächengüte des Werkstücks wurden anhand des Mikrostrahlens von Schneidplatten und Werkzeugen erläutert. Darüber hinaus wurden die positiven Auswirkungen des Mikrostrahlens von Schneidplatten durch die Analyse von Zähigkeit, Lebensdauer, Härte und Rauheit erläutert. Jizhan Wu et al.30 analysierten die Wirkung der Kugelstrahlabdeckung auf Härte, Eigenspannung und Oberflächenform einer aufgekohlten Walze. Veränderungen der Oberflächenrauheit, Mikrohärte und Mikrostruktur der Walze in Abhängigkeit von der Kugelstrahlabdeckung wurden experimentell analysiert.

Beim Strahlen wird üblicherweise eine bestimmte Anzahl Strahlkugeln in einer bestimmten Masse aus dem Verteiler- und Steuerkäfig geschleudert. Die ausgestoßene Strahlkugelmasse wird gegen die sich mit konstanter Geschwindigkeit drehende Klinge gedrückt und kollidiert so. Die Strahlkugeln gleiten durch die Klinge und werden mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche geschleudert. Wie in Abb. 8a dargestellt, haben die Strahlkugeln beim herkömmlichen Modell vor dem Aufprall auf die Klinge eine annähernd rechteckige Masse, da sie aus dem quadratischen Ausgang des Steuerkäfigs ausgestoßen werden. Nach dem Aufprall auf die Klinge ist die Dichte der Strahlkugeln nach der Kollision mit der Klinge, wie in Abb. 8b dargestellt, im Mittelbereich im Allgemeinen am höchsten und nimmt zum Rand hin tendenziell ab. Wenn Strahlkugeln mit räumlicher Verteilung abgefeuert werden, ist daher die Dichte der Strahlspuren im Mittelbereich des Substrats am höchsten und nimmt zum Rand hin tendenziell ab. Dementsprechend konzentrieren sich die Strahlspuren in der Mitte, und Abdeckung und Gleichmäßigkeit verschlechtern sich.

Räumliche Verteilung der Schusskugeln in der Nähe des Kontrollkäfigs (linke Spalte: vor dem Aufprall der Klinge und rechte Spalte: nach dem Aufprall der Klinge, zur besseren Übersicht gelöscht) (EDEM Academic ver. 2021, https://www.altair.co.kr/edem/).

Das Phänomen der Verteilung elliptischer Schussspuren beim Pressen einer quadratischen Schusskugelmasse mit einer Klinge ähnelt dem Phänomen beim Warmwalzen von Blechen durch Pressen eines rechteckigen Eisenblocks (siehe Abb. 923,31). Beim Warmwalzen von Metall wird dieses Problem durch die Realisierung einer neuen Blockform, dem sogenannten Dogbone-Walzen, gelöst. Um die Bedeckung oder Gleichmäßigkeit zu verbessern, sollte die aus dem Kontrollkäfig austretende Schusskugelmasse daher eine Verteilung mit hoher Dichte am Rand und geringer Dichte in der Mitte aufweisen. Mit einer solchen Verteilung können Bedeckung und Gleichmäßigkeit des Substrats verbessert werden.

Verbessertes Design für das Warmwalzen von Platten in der Eisenindustrie26.

Daher wurde beim konkaven Modell, bei dem die Auslassöffnung konkav gestaltet wurde, die Masse der Schusskugeln vor dem Aufprall der Klinge (Abb. 8c) in eine nach unten gerichtete Halbmondform geändert, und die Masse nach dem Aufprall der Klinge (Abb. 8d) wurde geändert. Die Masse wurde leicht zu einer rechteckigen Form verbessert. Daher ist zu erwarten, dass nach dem Aufprall auf das Substrat eine verbesserte Form der Schussspuren auftritt.

Ähnlich verhält es sich beim konvexen Modell, bei dem die Auslassöffnung konvex gestaltet ist. Die Kugelmasse vor dem Aufprall auf die Klinge weist eine nach oben gerichtete Halbmondform auf, im Gegensatz zum konkaven Modell (siehe Abb. 8e). Daher verändert sich die Kugelmasse nach dem Aufprall auf die Klinge (siehe Abb. 8f) ebenfalls in ein Quadrat. Darüber hinaus ist eine verbesserte Verteilung der Schussspuren auf dem Substrat zu erwarten.

Abbildung 10a–c zeigt die Verteilung der Schussmarken im konventionellen, konkaven und konvexen Modell. Rot kennzeichnet eine starke und große Schussmarke, Blau eine kleine. Wie erwartet werden im konventionellen Modell (Abb. 10a) deutlich mehr Schussbälle in der Mitte als an den Rändern projiziert. Die Schussmarkenverteilung weist zudem eine schmale, längliche Ellipsenform auf. Die Schussmarkenverteilungen gelten jedoch für das verbesserte konkave Modell mit 15 % CCR und das verbesserte konvexe Modell mit 15 % CVR, wie in Abb. 10b bzw. c dargestellt.

Schussmarkenverteilung auf dem Substrat durch konventionelle, konkave und konvexe Modelle (Tecplot, https://www.tecplot.com/).

Ein Vergleich des konkaven und des konventionellen Modells zeigt, dass die Breite der Schussmarkenverteilung beim konkaven Modell geringer ist als beim konventionellen Modell. Zudem projiziert das konkave Modell die Schusskugeln in vertikaler Richtung deutlich weiter als das konventionelle Modell. Dasselbe Phänomen lässt sich beim Vergleich des konvexen und des konventionellen Modells beobachten. Im Vergleich zum konventionellen Modell sind die Schusskugeln beim konkaven bzw. konvexen Modell daher gleichmäßiger auf dem Substrat verteilt. Darüber hinaus weist das konventionelle Modell im zentralen Bereich, wo sich die grünen und roten Schussmarken konzentrieren, eine schmalere elliptische Form (grün und rot) auf als das konkave bzw. konvexe Modell. Mit anderen Worten: Die Verteilungen des konkaven und des konvexen Modells haben die Form einer kürzeren Ellipse (näher an einer gleichmäßigen Verteilung). Daher ist die Verbesserung der Abdeckung bzw. Gleichmäßigkeit bei Anwendung des konkaven und des konvexen Modells qualitativ. Das Ausmaß der Verbesserung wird in den folgenden Abschnitten auch quantitativ bestätigt.

Im Allgemeinen ist die Anzahl der beim Kugelstrahlen verwendeten Strahlkugeln erheblich, was den Prozess teuer macht und daher nicht vernachlässigt werden kann. Selbst bei gleicher Abdeckung ist es sinnvoll, nur eine kleine Anzahl von Strahlkugeln zu verbrauchen. Daher sollte die Gesamtzahl der im Strahlgerät verbrauchten Strahlkugeln kontrolliert werden. Erstens verringert sich beim konkaven Modell die Größe des Lochs, durch das die Strahlkugeln geschleudert werden, wenn die Konkavität um etwa 5 %, 10 % und 15 % des CCR zunimmt. Daher ist die Gesamtmasse der verbrauchten Strahlkugel umgekehrt proportional zum CCR, wie in Abb. 11 gezeigt. Beim konvexen Modell gilt: Je größer die Konvexität, desto größer die Lochgröße. Darüber hinaus erhöht sich die Masse der Strahlkugel leicht, wenn der CVR um etwa 5 %, 10 % und 15 % zunimmt, wie in Abb. 11 gezeigt. Der Grund für die geringere Änderung der Massenstromrate beim konvexen Modell im Vergleich zum konkaven Modell liegt darin, dass sich die Form des Verteilers nicht ändert. Folglich verbraucht das konkave Modell weniger Schrotkugeln im Blaster als das konventionelle Modell, während das konvexe Modell mehr Schrotkugeln verbraucht als das konventionelle Modell. Mit anderen Worten: Das konkave Modell ist in puncto Wirtschaftlichkeit am günstigsten.

Massenstrom je nach Modell.

Um die quantitative Verbesserung mithilfe der Abdeckung zu bestätigen, wird sie mit dem vorhandenen konventionellen Modell mit rechteckigen Löchern, dem konkaven Modell mit 10 % CCR und dem konvexen Modell mit 10 % CVR verglichen. Wie in Abb. 12 gezeigt, steigen die Abdeckungen aller drei Modelle bis etwa 0,2 s linear an und erreichen bei etwa 1,0 s eine Sättigung. Bis etwa 0,2 s ist die Anzahl der Schussspuren im Schussball gering, sodass fast keine Überlappungsfläche zwischen den Schussbällen zu beobachten ist. Daher steigt die Abdeckung linear an. Umgekehrt steigt ab etwa 1,0 s die Anzahl der Schussspuren deutlich an und die Fläche der einander überlappenden Schussspuren nimmt ebenfalls zu. Daher nimmt die Steigung der Abdeckungskurve allmählich ab. Die Steigung der Abdeckungskurve nimmt für jedes Modell in der Reihenfolge der konventionellen, konkaven und konvexen Modelle allmählich zu. Wie erwartet ist die Strahlabdeckung bei Verwendung des konkaven und des konvexen Modells höher als bei Verwendung des konventionellen Modells, was auf eine höhere Strahleffizienz hindeutet. Der Unterschied zwischen dem konkaven und dem konvexen Modell ist jedoch unbedeutend, obwohl das konvexe Modell eine höhere Strahlabdeckung aufweist.

Abdeckung je nach Modelltyp.

Zunächst wurde die Simulation durchgeführt, indem das konkave Modell je nach Konkavitätsgrad auf einen CCR von 5 %, 10 % und 15 % geändert wurde. Wie in Abb. 13 dargestellt, weisen alle Modelle eine allgemeine Abdeckungskurvenform auf. Mit steigendem CCR steigt die Abdeckung rapide an. Anders ausgedrückt: Die Abdeckung verbessert sich proportional zum CCR. Beim 5-%-CCR ist jedoch nur eine geringe Verbesserung zu beobachten. Daher ähnelt die Abdeckung der des konventionellen Modells.

Abdeckung konkaver Modelle entsprechend dem konkaven Verhältnis.

Anschließend wird die Abdeckung für das konvexe Modell gemessen, während der CVR auf 5 %, 10 % und 15 % geändert wird. Die Ergebnisse sind in Abb. 14 dargestellt. Das konvexe Modell weist ebenfalls eine ähnliche Abdeckungskurvenform wie das konkave Modell auf, und die Abdeckung verbessert sich proportional zum CVR. Der Gesamtverbesserungsgrad variiert jedoch nicht signifikant je nach CVR. Dies liegt daran, dass die Form des Verteilers unverändert bleibt. Selbst wenn die Lochgröße des Verteilers vergrößert wird, bleibt die Anzahl der ausgestoßenen Schrotkugeln konstant, da die Lochgröße des Verteilers unverändert bleibt.

Abdeckung konvexer Modelle entsprechend dem konvexen Verhältnis.

Beim 15 % CVR verbessern sich die Abdeckungskurven des konvexen und des konkaven Modells auf ein ähnliches Niveau. Da das konvexe Modell jedoch mehr Schussbälle verwendet als das konkave Modell, kann das konkave Modell aus wirtschaftlicher Sicht die bessere Wahl sein.

Um die Effizienz des mechanischen Kugelstrahlens mit Impellern zu erhöhen, müssen sowohl die Abdeckung als auch die Gleichmäßigkeit verbessert werden. Daher werden die Gleichmäßigkeiten der konkaven und konvexen Modelle gemessen und mit denen des konventionellen Modells verglichen. Wie in Abb. 15 gezeigt, sind die Gleichmäßigkeiten aller sechs Modelle der konkaven und konvexen Modelle geringer als die des konventionellen Modells (2,251). Mit anderen Worten: Die Gleichmäßigkeit ist verbessert und die Strahlspuren sind gleichmäßiger auf der Oberfläche verteilt. Darüber hinaus zeigt Abb. 15, dass die Strahlspuren gleichmäßiger verteilt sind, wenn der CCR oder CVR zunimmt, unabhängig von der konkaven oder konvexen Form. Unter den konkaven Modellen hat die Gleichmäßigkeit des 15-%-CCR den kleinsten Wert (2,223), d. h. die gleichmäßigste Strahlspur. Bemerkenswerterweise hat die Gleichmäßigkeit den größten Wert in der Größenordnung von 10-%- und 5-%-CCRs. Ähnlich verhält es sich mit dem konvexen Modell, wo die Gleichmäßigkeit schrittweise in der Größenordnung von 5 %, 10 % und 15 % CVR abnimmt. Betrachtet man alle sieben Modelle, weist das 15 % konvexe Modell die geringste Gleichmäßigkeit auf, gefolgt vom 15 % konkaven Modell.

Einheitlichkeit jedes Modells.

Der Kontrollkäfig des herkömmlichen Modells sowie der Modelle CCR 5 %, CCR 10 %, CVR 5 % und CVR 10 % wurde an der Strahlanlage befestigt und gestrahlt. Abb. 16 zeigt die Schussspuren, die beim Aufprall der Strahlkugeln auf die Oberfläche der Probe entstanden. Im Vergleich zu Abb. 16a weisen die CCR-Modelle in Abb. 16b und c größere Schussflächen, d. h. größere weiße Bereiche, auf. Ebenso ist bei den CVR-Modellen in Abb. 16d und e die Schussfläche im Vergleich zum herkömmlichen Modell vergrößert. Mit anderen Worten: Sowohl die CCR- als auch die CVR-Modelle weisen im Vergleich zum herkömmlichen Modell größere Schussflächen auf.

Schussballmarkierungen für konventionelle, konkave und konvexe Modelle.

Nach der Bildverarbeitung der Schussspuren jedes Modells in Schwarzweiß wurde die Abdeckung berechnet. Die Ergebnisse sind in Abb. 17 dargestellt. Wie das Foto des Schussballexperiments in Abb. 16 bestätigt, steigt die Abdeckung sowohl beim CCR- als auch beim CVR-Modell deutlicher an als beim konventionellen Modell. Darüber hinaus steigt sie proportional zum CCR- und CVR-Wert. Mit anderen Worten: Je konkaver oder konvexer der Kontrollkäfig ist, desto höher ist die Abdeckung. Obwohl ein quantitativer Unterschied zwischen Abdeckung und Simulation besteht, wird die Abdeckung durch die Änderung der Form der Kontrollkäfigöffnung in konkav oder konvex verbessert.

Abdeckung je nach Modelltyp, gemessen durch Experimente.

Um die Wirtschaftlichkeit und Effizienz des Kugelstrahlens zu bewerten, muss das Modell ermittelt werden, das in Bezug auf verschiedene Aspekte wie Abdeckung, Gleichmäßigkeit und Massendurchfluss der Strahlkugeln am besten optimiert ist. Erstens stieg die Abdeckung bei den konkaven und konvexen Modellen schneller an als beim konventionellen Modell. Darüber hinaus stieg die Abdeckung bei den konkaven und konvexen Modellen rascher an, als CCR und CVR stiegen. Zweitens waren die konkaven und konvexen Modelle dem konventionellen Modell in Bezug auf die Gleichmäßigkeit überlegen. Und mit steigendem CCR und CVR wurden sie sogar noch überlegen. Drittens verbrauchte das konvexe Modell in Bezug auf den Massendurchfluss mehr Strahlkugeln als die konventionellen und konkaven Modelle. Daher war das konkave Modell mit einem hohen CCR das beste. Und auch in den Versuchsergebnissen zeigte das konkave Modell die beste Leistung. Daher war in dieser Studie das neu vorgeschlagene konkave Kontrollkäfigmodell mit einem hohen CCR das optimale Modell zum Kugelstrahlen.

Die im Rahmen der vorliegenden Studie generierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Schussmarkenbereich eines Schussballs

Radius des geschossenen Balls

Maximaler normaler Überlappungsabstand

Länge eines Bandes

Breite eines Bandes

Abdeckung

Konkaves Verhältnis

Konvexes Verhältnis

Konkave Höhe

Konvexe Höhe

Länge der Bohrung des konventionellen Steuerkäfigs

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Abteilung für Maschinenbau, Kumoh National Institute of Technology, 61 Daehak-Ro, Gumi, Gyeongbuk, 39177, Südkorea

Hyeryeon Seo & Junyoung Park

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Hyeryeon Seo & Junyoung Park

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Taehyung Kim

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Chulho Yang

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HS verfasste den Haupttext des Manuskripts und bereitete alle Abbildungen und Tabellen vor. Die Inhalte und Abbildungen zum Experiment wurden von TK verfasst. Alle Autoren, einschließlich des korrespondierenden Autors, überprüften das gesamte Manuskript.

Korrespondenz mit Junyoung Park.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Seo, H., Kim, T., Yang, C. et al. Neues Design für einen Kontrollkäfig zur Verbesserung der Abdeckung und Gleichmäßigkeit beim Strahlen und dessen Validierung mittels DEM und Experiment. Sci Rep 13, 5212 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32563-y

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Empfangen: 26. Oktober 2022

Akzeptiert: 29. März 2023

Veröffentlicht: 30. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32563-y

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