Produktivitätssteigerung im Fertigungsverfahren des Wasserabrasivstrahlschneidens durch Optimierung des Hochdruckübersetzers

Abstract

Das Wasserabrasivstrahlschneiden gehört wie das Laserstrahl-, Plasma- und Brennschneiden zu den Trennverfahren in der Fertigungstechnik. Es soll untersucht werden, welche Maßnahmen ergriffen werden können, um die Konkurrenzfähigkeit des Wasserstrahles zu steigern. Mit dieser Zielsetzung werden Möglichkeiten und dabei entstehende Problemkreise bei der Produktivitätssteigerung von Druckübersetzern in dieser Arbeit diskutiert. Wesentlichster Punkt ist die Verfügbarkeit der Druckübersetzerpumpe. Um diese zu maximieren, ist die "Meantime between failures" zu vergrößern.<br />Dabei gewinnt die Standzeit der einzelnen Hochdruckkomponenten an Bedeutung. Ein weiterer Ansatzpunkt ist die "Meantime to repair", welche möglichst minimiert werden soll. Hierdurch wird die Servicefreundlichkeit der Hochdruckbaugruppe zu einem wesentlichen Punkt. In die Konstruktion müssen deswegen beide Aspekte Eingang finden.<br />Um ein attraktives Hochdruckübersetzersystem für den Fertigungseinsatz zu entwickeln, begleiten Aspekte wie Verfügbarkeit, Leistungsspektrum und Kosten durchgehend die Untersuchung. Da Konstruktionsentscheidungen auf wirtschaftlichen Zielen aufbauen, werden die anfallenden Kosten für den Schneidbetrieb betrachtet. Die Tatsache, dass ein Großteil der Anschaffungs- und Betriebskosten durch die Konstruktion festgelegt wird, tritt auch hier zu Tage. Als weiterer Punkt wird eine Druck- und eine Fördermengensteigerung aus einem wirtschaftlichen Blickwinkel betrachtet. Der derzeitige Stand der Technik liegt bei ca. 400 MPa für Schneidanwendungen, jedoch zeigen Untersuchungen, dass eine Drucksteigerung aus der Perspektive des Schneidprozesses von Vorteil ist. Zylinder- und Dichtungstechnologie sind Kerntechnologien für den Bau von hydraulischen Druckübersetzern. Einerseits will man eine höhere Lebensdauer der Hochdruckkomponenten bei 400 MPa erzielen. Andererseits ist eine Optimierung der Hochdruckkomponenten für eine Drucksteigerung erforderlich, da sonst die wirtschaftliche Betrachtung keinen sinnvollen Einsatz prognostiziert. Die Zylindertechnologie für Hochdruckanwendungen umfasst Vorspannverfahren wie Schrumpfkonstruktion und Autofrettage. Diese sollen gegenübergestellt, die Potentiale von konstruktiven Varianten untersucht, und deren Praxiseinsatz diskutiert werden.<br />Die Plungerdichtung stellt das Herzstück der Hochdruckpumpe dar.<br />Deswegen wird auf die unterschiedlichen Möglichkeiten der Dichtungskonstruktion eingegangen. Es werden verschiedene Konzepte ausgearbeitet und Versuche durchgeführt, um die Eignung der Dichtlösungen in Bezug auf 400 MPa zu ermitteln und einen Ausblick auf eine Drucksteigerung geben zu können. Zentrales Thema sind Extrusion und Spalteffekte, die einer hohen Zuverlässigkeit im Wege stehen. Mit der Finite Elemente Methode werden Theorie und Praxis der Varianten verglichen. Eine Schadensanalyse der Verschleißerscheinung im metallischen Spaltbereich grenzt die in Frage kommenden Effekte ein.<br />Anhand weiterer Versuche im Rahmen der Schadensanalyse konnte die Hauptschädigungskomponente ermittelt werden. Von dieser Erkenntnis ausgehend werden Konzepte vorgestellt, welche ein abgemindertes Verschleißverhalten bezüglich der durch Schwingungsverschleiß hervorgerufenen Abtragungen aufweisen sollen.<br />

Abrasiv water jet cutting is one of a variety of cutting methods by production technology like laser cutting, plasma cutting and oxy-fuel cutting. To raise the competitiveness of water jet cutting several measures, which can be seized should be investigated. Due to that different possibilities and the arising problems concerning intensifiers are discussed in this work.<br />An essential point is the availability of intensifier pumps. To maximize that, the meantime between failures has to be extended, which draws the interest to the durability of the components. Further the meantime to repair should be minimized if possible. Therefore the maintainability of the high pressure assembly becomes an essential point. Because of this, attention must be paid to both aspects in the construction process.<br />To design an attractive intensifier used in production, aspects as availability, capacity and cost must always be present during investigation. Since construction decisions are made on economic aims, the arising costs for the cutting business are looked at. The fact, that a large amount of the acquisition and operating costs is determined by the construction is also true in this case. As a further point a pressure increase versus a flow rate increase is analyzed from an economic point of view. The present state of technology is approx. 400 MPa for cutting applications, however investigations point out that a pressure increase is an advantage concerning the cutting process. The high pressure cylinder and high pressure sealing technology is of immense importance for constructing a hydraulic pressure intensifier. On one hand it is searched for long life time of high pressure components for 400 MPa. On the other hand the design has to be optimized for higher pressure since economic consideration does not forecast a meaningful use applying standard components.<br />High pressure cylinder technology uses methods to improve durability as shrinking constructions and autofrettage. These main methods are discussed and the potential as well as the practical use of further versions are investigated. The piston seal represents the heart of the high pressure pump. Because of this several design concepts are taken into account. Different concepts are realized and tested to determine the suitability of the seal with respect to 400 MPa and to give a view for increased pressure.<br />Central topics are the extrusion and gap-effects which oppose a high life time. Finite element models and test results are compared. A failure analysis of the wear appearance in the metallic gap limits the possible effects. By means of further tests over the course of failure analysis the main factor of damnification was detected. Knowing that fact, concepts are presented which should reduce wear behavior concerning fretting.