Ortsaufgelöste Untersuchung der Abbaumechanismen beim Hammerbohren auf Armierungsstahl

Abstract

Die numerische Simulation von technischen Prozessen bietet die Möglichkeit den Entwicklungsprozess von Werkzeugen wirtschaftlicher und effizienter zu gestalten. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist ein hohes wissenschaftliches Grundverständnis für den simulierten Prozess. Diese Arbeit widmet sich der Erforschung offener Fragestellungen in Bezug auf den Abbau von Armierungsstahl beim Hammerbohren auf Stahlbeton. Durch die systematische, großflächige Gefügeanalyse von Bohrlöchern mit 20 mm Durchmesser wurde festgestellt, dass sich der Abbaumechanismus im Bereich der Spitze des Bohrkopfs (<2 mm Abstand zum Zentrum) grundlegend vom Abbau in äußeren Radien unterscheidet. Für den Ablauf dieses Mechanismus wurde die „Kreislauf“-Hypothese erarbeitet. Zudem wurden in einer Reihe von Bohrexperimenten drei Typen von Hammerbohrern mit unterschiedlichen Bohrkopfgeometrien und Abbaugeschwindigkeiten miteinander verglichen. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Ausrichtung von Scherbändern im Gefüge und die Eindringtiefe der Schneidkante mit der Bohrgeschwindigkeit korrelieren. Folgeexperimente deuten darauf hin, dass die Geometrie der Bohrkopfspitze, bei aggressivem Design der äußeren Schneidkanten keinen limitierenden Faktor für die Bohrgeschwindigkeit darstellt. Über Härtemessungen konnte festgestellt werden, dass die Tiefe der Vorschädigung des Untergrunds unabhängig vom Bohrertyp ist und eine Maximalwert von 2 mm nicht überschreitet. Verschleißexperimente zeigten, dass die Bohrgeschwindigkeit auf Armierungsstahl wesentlich stärker durch Verschleiß am Hartmetallkopf beeinflusst wird, als auf Beton.

The numerical simulation of technical processes offers the possibility to make the development process of tools more economical and efficient. An important prerequisite for this is a high level of basic scientific understanding of the simulated process. This thesis is dedicated to the exploration of open questions related to the removal of reinforcing steel during hammer drilling on reinforced concrete. The systematic, large-scale microstructure analysis of 20 mm diameter drill holes has shown that the degradation mechanism at the tip of the drill head (<2 mm from the center) is fundamentally different from outer radius degradation. For the course of this mechanism, the "cycle" hypothesis has been worked out. In addition, in a series of drilling experiments, three types of hammer drills with different drill head geometries and degradation rates were compared. It was found that the alignment of shear bands in the structure and the penetration depth of the cutting edge correlate with the drilling speed. Subsequent experiments indicate that the geometry of the drill bit tip, with aggressive design of the outer cutting edges is not a limiting factor for the drilling speed. Hardness measurements showed that the depth of the pre-damage of the substrate is independent of the type of drill bit and does not exceed a maximum value of 2 mm. Wear experiments showed that the drilling speed on reinforcing steel is significantly more affected by wear on the hard metal head than on concrete.