FREIBURG. Überprüfung einer Spannvorrichtung. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht. Sebastian Vonderach

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht FREIBURG Überprüfung einer Spannvorrichtung für Gussteile Sebastian Vonderach Schule: bucher Hydraulics Klettgau Jugend forscht 2010

2 Jugend Forscht 2010 Technik Überprüfung einer Spannvorrichtung für Gussteile Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH Das bild zeigt die Spannvorrichtung mit eingespanntem Ventilrohling. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 1

3 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Deckblatt Seite 2. Inhaltsverzeichnis - Quellenverzeichnis Seite 3. Problemstellung Seite 4. Gedanken: Wie könnte man es Messen Seite 5. Funktionsweise der Druckmessvorrichtung Seite 6. Parameter des Versuchs und Benötigte Bauteile Seite 7. Versuchsaufbau Seite 8. Versuchsablauf Seite 9. Herausforderungen bei den Messungen Seite 10. Auswertung Seite 11. Diagramm 1. Seite 12. Diagramm 2. Seite 13. Resümee und Fazit Quellenverzeichnis Der kursiv Gedruckte Text unter der Überschrift Herausforderungen bei den Messungen stammt aus dem Internetportl Wikipedia. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 2

4 Problemstellung Zur optimalen, mit Robotern Automatisierten Bearbeitung von Hydraulikventilen wird eine Vorrichtung benötigt welche die Ventile über zwei Bohrungen zentriert und mit zwei Hydraulischen Backen mit einer Spannkraft von bis zu 15KN spannt. Diese Vorrichtung wurde konstruiert und gefertigt. Es stellt sich aus Erfahrung mit Vorrichtungen gleichen Prinzips die Frage, ob beide Hydraulikzylinder mit gleicher Kraft auf das Bauteil wirken. Sind die Kräfte, die auf das Bauteil einwirken different wird das zu spannende Ventil nicht optimal bearbeitet, die Passstifte die zur Zentrierung dienen verbiegen sich oder können brechen. Folgen wären fehlerhaft bearbeitete Ventile, darüber hinaus würde die Prozesssicherheit leiden. Es muss also vor Aufnahme der Serienproduktion sichergestellt werden, dass die Vorrichtung einwandfrei funktioniert. Zu diesem Zweck wird eine Messvorrichtung benötigt, die wie das später zu spannende Ventile in die Vorrichtung gespannt wird und beim schließen der Zylinder die Kräfte unabhängig voneinander misst. Das Bild zeigt die Spannvorrichtung in der Draufsicht. Rechts und links die Spannbacken. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 3

5 Gedanken: Wie könnte man es messen? Der erste Gedanke war natürlich, bereits vorhandene Messmittel einzusetzen. Aber bald wurde klar, das wir so etwas nicht in der Firma haben. Nun wurden Kataloge gewälzt ob es etwas zu kaufen gibt. Ein elektronisches Messmittel ist nicht vorhanden, eine Anschaffung ist extrem teuer und es wird der Anforderung den Druck der einzelnen Backen zu Messen nicht gerecht. Mechanische Messmittel halten den zu erwartenden Kräften nicht stand und können nicht in Spannvorrichtung eingebaut werden. Die einzige Möglichkeit die herrschenden Kräfte zu ermitteln liefert die Hydraulik. Es ist möglich zwei voneinander unabhängige Kammern in einen Körper der die in etwa die gleichen Maße wie das später zu spannende Ventil besitzt einzuarbeiten, die Öffnungen mit Hydrauliköl zu füllen und diese dann mit beweglichen, jedoch hydraulisch dichten Kolben zu verschließen. Diese Vorrichtung soll dann in die Spannvorrichtung eingespannt werden. An den Kolben wird dann die Drücke, unabhängig voneinander, mithilfe eines Manometers ermittelt. Das Bild zeigt die fertige Messvorrichtung in der Draufsicht. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 4

6 Funktionsweise der Druckmessvorrichtung Bei der Konstruktion der Vorrichtung musste ein sehr großes Augenmerk auf die herrschenden Drücke gelegt werden. So wurde als Material für den Grundkörper Gusseisen aufgrund seiner hohen Druckbeständigkeit und seiner guten Gleiteigenschaften ausgewählt. Die Schieber mussten, um die Reibung zu minimieren vercromt und geschliffen werden. Als Dichtung werden Kunststoff O-Ringe verwendet. Die Größe der Messvorrichtung wurde durch die Aufnahme in die Spannvorrichtung und deren Backenhub begrenzt. Später wurde die Druckmessvorrichtung wie Folgt zusammengebaut: Die O-Ringe kommen in die dafür vorgesehenen Nuten in den Kammern, sie dichten die Kammern ab, damit es zu keinem Ölverlust und damit zu einer Verfälschung der Messergebnisse kommt. Ebenfalls in die Kammern eingesetzt werden die Kolben, sie übertragen die Kraft der Spannvorrichtung auf das später in die Kammern eingefüllte Hydrauliköl. Bevor das Hydrauliköl in die Kammern gefüllt wird, wird die Druckmessvorrichtung in die Spannvorrichtung über die Passstifte zentriert eingesetzt. Dann wird über die Messanschlüsse A und B Hydrauliköl mit einem Druck von 50 bar eingefüllt, bis sich die Kolben gegen die Spannvorrichtung legen. Nach dem füllen der Vorrichtung mit Öl werden die Druckanschlüsse durch je ein Manometer ersetzt. Beim zusammenfahren der Spannbacken werden die Kolben in die Kammern gepresst das Öl steht nun unter Druck. Dieser Druck wird auf den Manometern angezeigt. Der Wert in bar kann über die bekannte Kolbenfläche in die wirkende Kraft umgerechnet werden. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 5

7 Parameter des Versuchs und benötigte Bauteile Parameter Duck: 125bar Öl: HLP 46 Öltemperatur: 50 C Volumenstrom: ca.5 L/min Bauteile Öltank mit Temperaturanzeige Hydraulikpumpe mit Mengen- und Druckregelung 4/3 Wegeventil mit drucklosem Umlauf Spannvorrichtung Messvorrichtung Messgerät Diverse Hydraulikschläuche und Kupplungen Das Bild zeigt das verwendete und angeschlossenen Wegeventil Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 6

8 Versuchsaufbau Die Spannvorrichtung wird auf eine Grundplatte montiert, welche Anschlüsse für die Hydraulikschläuche besitzt. Die Hydraulikpumpe wird mit einem 4/3 Wegeventil verbunden vom Ventil führt ein Schlauch zurück in den Tank. Der dritte und vierte Schlauch führen zum Druck- bzw. Entlastungsanschluss der Grundplatte. Die Messvorrichtung wird über die Passstifte positioniert in die Spannvorrichtung eingelegt. Alle für den Versuch nötigen Elemente werden auf einem Prüftisch gesichert. Die Verschraubungen werden angezogen und auf Dichtheit überprüft. Das Bild zeigt den Versuchsaufbau auf einem Prüftisch. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 7

9 Versuchsablauf Als erstes werden die Spannbacken 50 mal ein und wieder ausgefahren. Dies geschieht um das Öl im System richtig zu verteilen, einen Schmierfilm in der Spannvorrichtung zu erzeugen und um evntl. vorhandenen Restschmutz auszuschwemmen. Die Spannvorrichtung wird geöffnet und die Messvorrichtung eingesetzt. Die Vorrichtungen werden zur Positionierung verstiftet. Durch die Messanschlüsse wird mit ca. 50bar ÖL eingepresst um die Kammern zu füllen, die Luft aus dem System zu entfernen und die Kolben gegen die Backen zu pressen. An die Messanschlüsse werden nun die Drucksensoren angebracht. Das Elektronische Messgerät wird gestartet und genullt. Jetzt wird das Ventil betätigt. Öl strömt in die beiden Hydraulikzylinder der Spannvorrichtung, sie fahren zusammen und Pressen die Kolben in Kammern. In der Kammer entsteht Hydraulischer Druck. Die Messgeräte zeichnen den Druckverlauf auf. Die Messung wird zur Sicherheit mehrmals wiederholt. Es wird auch untersucht, wie sich der Druck verhält, wenn kein weiteres Öl in die Zylinder eingepresst wird. Diese Messungen sind von großer Bedeutung wenn man bedenkt, das sich die Spannvorrichtung später in einer Maschine befindet und während der Dauer der Bearbeitung die Spannkraft halten muss. Um die Messergebnisse zu untermauern werden die beiden Passstifte entfernt. Die Messvorrichtung ist frei beweglich. Die Spannbacken werden zusammengefahren jetzt kann sich die Messvorrichtung frei bewegen, jeder Druckunterschied wird durch die Bewegung der Messvorrichtung ausgeglichen. Der Messwert auf den beiden Anzeigen sollte nun identisch sein. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 8

10 Herausforderungen bei den Messungen Bei ersten Versuchen stellte sich heraus, das es durch die geringe Ölmenge in den Kammern nicht möglich war, die Drücke mit einem normalen, anlogen Manometer zu messen. Analoge Manometer arbeiten mittels Schläuchen die das Öl ins Manometer selbst leiten. Das Öl strömt in eine am Ende verschlossene Röhre mit ovalem Querschnitt, die halbmondförmig gebogen ist. Der einwirkende Druck biegt diese Form auf, da der Druck bestrebt ist, den Querschnitt der Röhre in Kreisform zu bringen. Die Größe dieser Bewegung wird durch eine Mechanik in eine Drehbewegung umgesetzt, die den Zeiger dann bewegt und den Druckmesswert auf der Skala anzeigt. Es wird also Öl gebraucht das aus den Kammern nachfliest. Da die Kammern für die Kolben extrem Klein sind gibt es zu wenig Öl für ein Analoges Manometer. Aus diesem Grund musste ein Drucksensor verwendet werden welcher bei der Druckermittlung eine nur sehr kleine Volumenänderung hervorruft. Die Spannvorrichtung ist darauf ausgelegt, das sie mit bis maximal 200bar Eingangsdruck betrieben werden kann. Es stellte sich jedoch heraus, dass der Druck durch die mehrfache Druckübersetzung an der Messvorrichtung zirka das vierfache des Eingangsdrucks an der Spannvorrichtung betrug. Aus Sicherheitsgründen und aus Gründen der Messtechnik war es uns nur möglich mit einem Eingangsdruck von 125bar zu testen. Es musste natürlich auch bewiesen werden, dass die durchgeführten Messungen richtige Resultate liefern. Dies wurde durch das entfernen der Passstifte ermöglicht. Habe ich keine Passstifte eingesetzt fehlt der Widerstand welcher dazu führt das ich zwei Ergebnisse erhalte bzw. der die Vorrichtung zentriert. Also ist die Vorrichtung frei beweglich, gleichen sich die Drücke aus. Ich sollte also auf beiden Druckanzeigen den gleichen Wert ablesen können. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 9

11 Auswertung Auf dem ersten Diagramm (nächste Seite) ist eine Messung zu sehen die unter normalen Umständen mit Passstiften gemacht wurde nach dem betätigen des Ventils ist ein Druckanstieg zu erkennen. Jedoch sind die Druckanstiege nicht wie gewünscht parallel und verlaufen am Ende gleich hoch sondern weisen erhebliche Unterschiede im Druckverlauf und Maximaldruck auf. Auf dem zweiten Diagram ist die Messung ohne Passstifte zu sehen hier ist der Druckanstieg weitestgehend parallel. Es ergibt sich lediglich ein Unterschied von ca bar, der in der Toleranz der Messtechnik bzw. der Messvorrichtung liegt. Auf beiden Diagrammen ist der Druckanstieg nicht konstant sondern abgestuft. Dies ist im Schrittweisen erhöhen des Drucks begründet, hat aber keine Einwirkung auf das Messergebnis. Die in Bar gemessenen Differenzen lassen sich unter Berücksichtigung der Kolbenfläche und den Formeln zur Hydraulischen Kräfteberechnungen berechnen. Bsp. Kolbendurchmesser: Druckdifferenz: Kolbenfläche: 1,6cm 10bar/100N/mm2 2,01cm2 Kraft = Kolbenfläche X Überdruck Kraftdifferenz: 201,6N Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 10

12 Diagramm 1. Messung bei 125bar Druck mit Passstiften. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 11

13 Diagramm 2. Referenzmessung ohne Passstifte. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 12

14 Resümee Als Differenzgröße wurden vorab von uns eine Druckdifferenz von 400N festgesetzt. Zur Festsetzung dieser Größe wurden Erfahrungen mit bereits vorhandenen Spannvorrichtungen einbezogen. Auf dem zweiten Diagramm ist zu sehen das die Druckdifferenz ca. 40 bar beträgt dies entspricht ca. 800N. Nach Auswertung der Messreihen kommen wir zu dem Schluss, dass die Spannvorrichtung nicht unseren Ansprüchen genügt. Es ist zu vermuten, dass der Eingangsstrom nicht perfekt auf die zwei Zylinder aufgeteilt wird. Eine weitere Vermutung legt nahe, das die beiden Zylinder unterschiedlicher mechanischer Reibung unterliegen oder das beim übersetzen des vertikalen Zylinderhubs in den horizontalen Backenhub an einer Seite zu viel Reibung auftritt. Die Vorrichtung muss überarbeitet werden. Ein Verbessertes Modell wird Anfang 2010 erwartet. Fazit Ich kann für mich sagen, dass diese Aufgabe mir sehr viel spaß gemacht hat. Es war eine schöne Abwechslung zum Alltag, bei der ich meine Ideen verwirklichen konnte. Für das fortkommen in meiner Ausbildung hat mir dieses Projekt enorm viel gebrach, da ich alle meine Fähigkeiten einsetzen konnte und auch viel dazulernen musste. So musste ich beim herstellen der Baugruppe drehen, fräsen und bohren, erlernte aber auch neue dinge die für mich vor dem Projekt hinter dem Tellerrand lagen. Sebastian Vonderach Bucher Hydraulics GmbH 13