Projektinformationen

Zur Abdichtung von Wellen­durchführungen im drucklosen Betrieb oder bei geringem Druck­unterschied kommen überwiegend Radial­wellen­dicht­ringe (RWDRs) zum Einsatz. Das Reib­moment von RWDRs ist im Vergleich zu anderen Maschinen­elementen wie Wälz­lagern jedoch sehr hoch. So verursacht beispiels­weise ein handelsüblicher RWDR mit einem Durchmesser von 80 mm ein Reibmoment von 0,4 Nm bis 0,8 Nm, was auch einen entsprechenden Verschleiß dieses Maschinen­elements nach sich zieht. Ziel des Projekts ist daher eine Verringerung der Reibung sowie des Verschleißes von RWDRs durch eine funktions­orientierte Modifikation des Dreh­prozesses zur Fertigung von Dicht­ring­gegen­lauf­flächen (DRGFs). In diesem Zusammenhang steht der Einfluss von beim Hartdrehen gezielt eingebrachten, deter­ministischen Mikro­strukturen auf die hydro­dynamischen Eigen­schaften des RWDRs im Dicht­kontakt im Fokus.

Das Hartdrehen der DRGFs zeichnet sich gegenüber dem Schleifen vor allem durch seine höhere Wirt­schaft­lichkeit aus, ist jedoch wegen der drallinduzierten Förder­wirkung nur eingeschränkt nutzbar. Eine deutliche Reduzierung des Förder­quer­schnitts ist lediglich innerhalb enger Grenzen möglich, da es bei DRGFs mit sehr geringen Rauheiten (Ra < 0,2 µm) aufgrund der Störung der Schmier­mittel­zufuhr zu einem Abriss des hydro­dynamischen Schmier­films und somit zu einer thermischen Schädigung der Dicht­kante kommen kann. Die Erzeugung mikro­strukturierter DRGFs mittels einer zwei­stufigen Dreh­bearbei­tung erschließt dagegen das Potenzial sehr kleiner Förder­quer­schnitte, da die resultierenden Mikro­strukturen durch ihre hydro­dynamische Druck- und Reservoir­wirkung den Schmier­film aufrecht­erhalten und somit die Reibung sowie den Verschleiß der DRGFs reduzieren. Dafür wird in einem ersten Prozess­schritt (Stufe 1) die Werkzeug­kinematik beim Außen­längs­drehen mit einer hochfrequenten Ultra­schall­schwingung senkrecht zur Werk­stück­ober­fläche überlagert. Die Schwingung des Werkzeugs erzeugt dabei eine mikro­strukturierte Ober­fläche, welche in Schnitt­richtung ein Sinus­profil aufweist. Im zweiten Prozess­schritt (Stufe 2) erfolgt eine Bearbeitung ohne Ultra­schall­schwingung, wobei die Schnitt­tiefe kleiner gewählt wird als die durch Stufe 1 erzeugte Mikro­struktur­tiefe. Die resultierenden Mikro­strukturen in Form von Kalotten können hinsichtlich ihrer Größe (Breite, Länge), ihres Abstands und ihrer Tiefe gezielt variiert werden.

Das übergeordnete wissen­schaftliche Ziel des Forschungs­vorhabens besteht in der Erlangung eines tiefgründigen Verständnisses für die im Dicht­kontakt auftretenden Wechsel­wirkungen zwischen Mikro­struktur­geometrie, Fluid und RWDR auf der Basis von Zerspanungs- und Prüfstandsversuchen sowie computer­gestützter Prozess- bzw. Hydro­dynamik-Simulation. Auf dieser Grundlage kann das ultra­schall­schwingungs­überlagerte, zwei­stufige Hart­drehen als Bearbeitungs­strategie im Rahmen der Fertigung gehärteter DRGFs etabliert und das Anwendungs­potenzial der resultierenden Mikro­strukturen bzgl. ihres funktionalen Verhaltens in Radial­wellen­dichtungen validiert werden.