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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
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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
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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
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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).
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A b b i 1 dun g 2
Prufspindeln und Schutzhaube des Prufstandes
A b b i 1 dun g 3
_Qbtisch des Prufstandes
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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
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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
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