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Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der physikalischen
Eigenschaften von Konstruktionselementen aus plastisch verformbarem Material
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von
Konstruktionselementen aus plastisch verformbarem Material, insbesondere Metallen und deren Legierun- gen sowie deren Schweissverbindungen, die eine Elastizitätsgrenze bzw. eine Streckgrenze aufweisen, durch mechanische Behandlung der Oberfläche der Konstruktionselemente in einem Drückprozess, bei dem in der Oberflächenschichte eingeschlossene innere Spannungen erzeugt werden, so dass das Konstruktionselement eine höhere statische Festigkeit, höhere Dauer-bzw. Wechselfestigkeit, bessere Korrosionsbeständigkeit und höhere Widerstandsfestigkeit gegen Abnützung und Erosion erhält.
Es ist bekannt, zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften der Oberfläche in der Hitze bei Gegenständen aus Stahl und Kupfer in die Oberfläche kleine Erhöhungen, insbesondere Längs- und Querrippen, einzudrücken, so dass diese Oberfläche über die ganze Ausdehnung eine kompakte harte, sie bedeckende Schichte erhält.
Es ist ferner bekannt, auf Gleitflächen für Walzen od. dgl. mittels Schneidwerkzeugen Rillen herzustellen, zwischen welchen Rippen verbleiben, die in einem zweiten Arbeitsgang durch Rollen im Druckverfahren abgeflacht oder verdrückt werden, wodurch die Oberfläche eine Erhärtung erfährt. Diese Rillen sind in Höchstbreite gleich der Rillentiefe ausgeführt.
Ferner ist es bekannt, durch eigens gestaltete Drückwerkzeuge, z. B. Walzen mit Noppen oder Stegen, in Bänder od. dgl. Rillen einzupressen und durch die Formänderungsarbeit eine Erhöhung der Festigkeitseigenschaften zu erzielen.
Es ist fermer bekannt, die Widerstandsfestigkeit gegen dauernde Schwingungsbeanspruchungen von Bauteilen dadurch zu erhöhen, dass man waffelförmige Muster in diese Bauteile einprägt oder dass man durch Druck die Oberfläche verfestigt.
Zu den obigen bekannten Verfahren werden verschiedene Werkzeuge und Drückvorrichtungen verwendet, wobei Rollen mit entsprechendem Profil oder Walzen od. dgl. verwendet werden.
Gegenüber dem Bekannten besteht nun das wesentliche Kennzeichen der Erfindung darin, dass durch Druck auf linienförmige Abschnitte der Oberfläche eines Konstruktionselementes Zonen bleibender Deformation erzeugt werden, die mit linienförmigen Zonen nicht deformierten Materials unmittelbar abwechseln.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung beträgt das Ausmass der plastisch deformierten Zonen, auf die Flächeneinheit des Konstruktionselementes bezogen, zwischen 10 und 900/0, insbesondere zwischen 40 und 60%.
In Bauelementen, wie z. B. Profilen, Blechen, Barren, Stangen, Rohren, Bohrhülsen, Bohrgestängen Bohrfuttern, dünnen Blechen für Flugzeugwandungen und-fachwerken u. dgl. von einfacher bis zu komplizierter Gestalt, ihren Schweiss-, Gelenk-, Keil-, Schrauben-, Nutverbindungen u. dgl., werden Spannungszustände aufgebaut, die den Belastungssnar!nungen entgegenwirken und dadurch die Belastungsfähig- keit und Lebensdauer der Bauelemente vergrössern. Diese eingeschlossenen inneren Spannungen werden durch erfindungsgemässe Vorrichtungen verschiedener Bauart erzeugt, die es gestatten, durch Druckanwendung auf abgegrenzte Teile der Oberfläche des Werkstoffes diesem stellenweise plastische Verformung
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zu geben und anderseits angrenzende Teile in ihrem normalen Zustand zu belassen.
Die nebeneinander- liegenden plastisch verformten und nicht verformten, nämlich normal elastisch belassenen Gebiete be- wirken einen Einschluss von inneren Spannungen in dem behandelten Werkstoff, so dass die daraus beste- henden Bauelemente höhere Belastungsfähigkeit und längere Lebensdauer erhalten.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf der Erzeugung von eingeschlossenen inneren Spannungen durch vorzugsweise plastische Verformung begrenzter Flächen, die neben und zwischen vornehmlich pla- stisch verformten begrenzten Flächen auf den Bauteilen liegen. Der Grundgedanke dieses erfindungsge- mässen Verfahrens ist also, nebeneinanderliegende plastisch und minder plastisch verformte Zonen auf der Oberfläche eines Bauteils in bestimmten Mustern anzulegen. Der Übergang zwischen diesen beiden
Zonen kann allmählich oder schroff sein. Die Richtung der eingeschlossenen inneren Spannungen verläuft im wesentlichen rechtwinklig zu den plastisch verformten Zonen, d. h. zu der Richtung der Prägung.
Die
Wahl der Muster und die Tiefe der Rillen oder Prägungen gewährleisten durch das sogenannte gemeinsa- me"Verflechtungsphänomen" (interlocking phenomena) eine Vorherbestimmung und Regelung der plastischen Verformung der behandelten Oberflächen und somit die Möglichkeit, einen Spannungszustand bestimmter Ausbildungsform in den Bauelementen zu erzeugen, um die Festigkeitseigenschaften zu verbessern.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtungen werden speziell in bezug auf Metalle beschrieben. Sie sind jedoch ebenso auf andere elastisch und plastisch verformbare Werkstoffe, wie z. B.
Kunstharze, die eine Streckgrenze aufweisen, anwendbar, wobei auch hier verbesserte Festigkeitseigenschaften erzielt werden.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur beträchtlichen Erhöhung der Festigkeitseigenschaften von Bauelementen aus Metallen oder ändern elastisch und plastisch verformbaren Werkstoffen, die eine Streckgrenze aufweisen, durch Walzen oder Einprägen von Rinnen und dergleichen
Vertiefungen in verschiedenen Mustern und Formen in die Oberfläche des Elements.
Ein besonderes Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung von Vorrichtungen zur Durchführung des obengenannten erfindungsgemässen Verfahrens, deren Aufgabe darin besteht, die Festigkeitseigenschaften, speziell die Dauerfestigkeit von Bauelementen, wie z. B. Bohrstangen, Bohrstählen, Bohrerspitzenhaltern, Bohrrohren, Bohrerspitzen, Achsen, Wellen, Rohren ; Profilen u. dgl. sowie ihren Verbindungelementen, zu verbessern, indem in die Oberfläche eine Anzahl von flachen Rinnen und dergleichen Vertiefungen eingewalzt oder eingeprägt wird.
Die Zeichnungen zeigen vor allem zwei einfache Demonstrationsbeispiele zur Erläuterung der Spannungszustände sowie inAnwendungsbeispielen die Erfindung sowie einige der zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtungen.
Fig. A veranschaulicht die Zug-und Druckwechselbeanspruchung einer Welle vor Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung, Fig. B den inneren Spannungszustand in dieser Welle nach Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung und die Fig. C und D die resultierenden Zug-und Druckbeanspru- chungen bei Überlagerung des eingeschlossenen inneren Spannungszustandes mit dem Belastungszustand.
Fig. a zeigt die Belastungsspannungen in der Wand eines von innen mit Druck beaufschlagten rohrförmigen Bauelementes ; Fig. b den eingeschlossenen inneren Spannungszustand in dieser Wand nach Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung auf die Innenfläche und Fig. c den resultierenden Beanspruchungsspannungszustand. Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Bauelementes mit plastisch verformten und angrenzend auf der Oberfläche normal elastisch gebliebenen Abschnitten ; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Musters, das in eine Welle aus Metall eingewalzt wird. Die Fig. 3, 4, 5, 6 sind weitere schematische Darstellungen verschiedener Muster der erfindungsgemässen Behandlung. Die Fig. 7,8 und 9 sind vergrösserte Querschnitte durch Metallteile, die verschiedene Ausführungsbeispiele für die Rinnen und Einprägungsprofile aufzeigen.
Die Fig. 10, 10a, 11 und lla, b, c, d zeigen verschiedene Bauarten der erfindungsgemässen Vorrichtung, teilweise im Schnitt. Die Fig. l0b, c, d, e, f, g und h sind Seiten-und Vorderansichten der verschiedenen Walzentypen. Fig. 12 ist teilweise im Schnitt eine Draufsicht auf eine Bauart der erfindungsgemässen Vorrichtung. Fig. 13 ist. die Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Bauart der erfindungsgemässen Vorrichtung. Fig. 14 ist die Frontansicht der in Fig. 13 gezeigten Bauart. Fig. 15 ist ein Schnitt nach der Linie 15-15 durch die in Fig. 13 gezeigte Bauart. Fig. 16 ist ein Längsschnitt durch eine Gesteinsböhrstange mit Bohrerspitzenhalter und Bohrerspitze, die erfindungsgemäss behandelt wurde. Fig. 17 ist ein Querschnitt nach der Linie 17-17 durch die in Fig. 16 gezeigte Gesteinsbohrstange.
Fig. 18 ist eine Seitenansicht mit Ausschnitten von einem Gesteinsbohrer mit Kappe und Bohrspitze, der erfindungsgemäss behandelt wurde. Fig. 19 ist ein Querschnitt durch diesen Gesteinsbohrer nach der Linie 19-19 in Fig. 18. Fig. 20 ist ein vergrösserter Längsschnitt von einem Teil
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- C+Tmax und die maximalen Druckbeanspruchungen mit-Tmax bezeichnet. Für den Bruch der Welle sind die maximalen Zugbeanspruchungen an der Oberfläche ausschlaggebend. Der dem Belastungszustand ent- gegengerichtete eingeschlossene innere Spannungszustand wird so gewählt, dass die resultierenden Zug- spannungen nach Druckanwendung auf abgegrenzte Teile der Oberfläche annähernd zu Null werden. Da- mit ergibt sich der in Fig.
B dargestellte eingeschlossene innere Spannungszustand nach Anwendung der
Oberflächenbehandlung. Überlagert man diesen Eigenspannungszustand mit dem Belastungsspannungszu- stand, u. zw. entweder durch Zug- oder durch Druckbeanspruchung, so ergeben sich die in den Fig. C und D dargestellten resultierenden Zug-und Druckbeanspruchungen. Während die resultierenden Zugbe- anspruchungen an der Oberfläche nahezu Null sind, die Festigkeitsreserve an der kritischen Stelle also ausserordentlich gesteigert wird, werden die Druckspannungen um die Eigenspannung S erhöht. Dadurch wird wiederum Dauerhaltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit des Bauelementes ge- steigert.
Das in den Fig. a - c veranschaulichte Beispiel behandelt die vereinfachten Spannungsverhältnisse vor und nach Druckbehandlung der Innenfläche eines durch einen Innendruck beanspruchten hohlen Bau- elementes, wie z. B. Gewehrläufe, Druckgefässe od. dgl. Die Spannungsverteilung auf Grund der Druck- beanspruchung in der Wandung ist in Fig. a aufgetragen, in der P den Druck, r2 den Aussenradius der
Wand und rl den Innenradius der Wandung, und Tmax und Tmin jeweils die maximale und minimale
Zugbeanspruchung bezeichnen. Die maximale Zugbeanspruchung tritt demnach auf der Innenseite der
Wandung auf. Diese Wandseite wird durch Druckbehandlung auf abgegrenzte Teile der Oberfläche diffe- rentiell plastisch verformt, so dass in der Wandung ein eingeschlossener innerer Spannungszustand aufge- baut wird, der in Fig. b dargestellt ist.
Nach Überlagerung des Eigenspannungszustandes mit dem Bela- stungszustand, wie sie in Fig. c vorgenommen ist, ergibt sich, dass die verbleibenden maximalen Zugspannungen ungefähr in der Mitte der Wandung - genau genommen auf dem Radius r, - liegen, wogegen die resultierenden Zugspannungen auf der Innenseite der Wandung nahezu Null erreichen. Aus Fig. c ersieht man, dass auf der Aussenseite der Wandung verhältnismässig hohe resultierende Zugspannungen auf- treten. Durch Anbringung von Oberflächenverformungen auf dieser Seite ist jedoch ihr Abbau möglich, wenn auch nur in den Fällen wünschenswert, in denen der Druck auf der Innenseite annähernd konstant bleibt. Bei unter stark wechselnden Druckbeanspruchungen stehenden Hohlgefässen wirken dagegen die hohen resultierenden Zugspannungen auf der Aussenseite als Puffer und bieten eine zusätzliche Festigkeitsreserve.
Selbstverständlich sollen die oben beschriebenen Beispiele nur als Demonstrationsbeispiele zur Klarlegung der Erfindung dienen. Tatsächlich liegen die Spannungsverhältnisse komplizierter und sind vor allem einer zweidimensionalen Darstellung nur schwer zugänglich. Bei Anwendung der Oberflächenbehandlung gemäss der Erfindung sind die Belastungsspannungen von Fall zu Fall zu bestimmen und nach den oben aufgezeigten Grundsätzen die anzustrebenden inneren Spannungen auszuwählen, die in dem Bauelement aufgebaut werden, so dass ein dem Belastungsspannungszustand entgegengerichteter oder entgegenwirkender Eigenspannungszustand entsteht. Im folgenden sind einige Muster angegeben, in denen die Oberflächenverformungen angelegt werden, und ihr Anwendungszweck erwähnt.
Erfindungsgemäss werden die Festigkeitseigenschaften von Konstruktionselementen aus Metallen verbessert, besonders Dauerfestigkeit bzw. Wechselfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, statische und dynamische Festigkeit, Verschleiss- und Erosionsbeständigkeit von Bauelementen aus Metallen und ausserdem wird eine Art"Ferrandeffekt"erzielt. Diese Verbesserung wird durch Eindrücken von Rinnen und dergleichen Vertiefungen in einem bestimmten Muster in die Aussen-und/oder Innenflächen des Bauelementes erreicht. Die oberflächlichen Eindrücke werden so verteilt, dass Zwischenräume erhalten bleiben, die dem Deformationsprozess nicht unmittelbar unterliegen.
Charakteristisch für das erfindungsgemässe Verfahren ist die Möglichkeit, Grösse und Richtung der eingeschlossenen inneren Spannungen durch verschiedene Druckkombinationen, Richtung des angewandten Druckes, der Art und Richtung des Musters, Tiefe der Eindrücke und Gestalt und Art der Querschnitte der Eindrücke zu regulieren. Um die Wirkung der erfindungsgemässen Behandlung bei Bauelementen zu erhöhen, kann die Behandlung erforderlichenfalls während des Belastungszustandes vorgenommen werden.
Der auf diese Weise erzeugte innere Spannungszustand ist dem Betriebsspannungszustand des Bauelementes entgegengerichtet. Das hat zur Folge, dass der Bauteil längere Lebensdauer und grössere Aufnahmefähigkeit für die Betriebsbelastungen erhält.
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Die Vertiefungen bzw. Eindrücke können, in bestimmten Abständen angelegt, jede gewünschte Form auf den verschiedenen Bauelementen aus Metallen, ihren Schweiss-, Gelenk-, Keil-, Schrauben-, Nutverbindungen u. dgl. annehmen und auf verschiedene Are und Weise erzeugt werden. Die Eindrücke werden vorzugsweise durch Walzen, Spiralwalzen, Ausstanzen, Pressen, Drücken, Hämmern, Quetschen, Ziehen, Drehen u. dgl. je nach Art des zu behandelnden Gegenstandes und des zu erzeugenden Musters erreicht. Im Falle von röhrenförmigen Gegenständen, wie z. B. Druckgefässen, Zylindern und andern hohlen Bauteilen, können die Eindrücke auf der Innen- und/oder Aussenfläche liegen.
Die erzeugten Rinnen und Eindrücke sowie deren Erhöhungen, die-sowohl bearbeitet als auch unbearbeitet ausgeführt werden können, können gleichzeitig als Führungen für andere darauf gleitende Bauelemente oder als Haftelemente für Anstriche, Kunststoffe und andere Oberflächenschutzstoffe dienen. Selbstverständlich können die Erhöhungen und Wellenkämme der Eindrücke jeder beliebigen nachfolgenden Behandlung, wie z. B. spanabhebender Bearbeitung, Schleifen od. dgl., unterworfen werden. Darüber hinaus können die Vertiefungen so entworfen sein, dass sie als Führungen für Bauteile dienen können, die sich auf den bearbeiteten Flächen bewegen sollen. Die Vertiefungen, die entweder teilweise, wie z. B. nach vorheriger spanabhebender Bearbeitung, oder vollständig nach diesem Verfahren erzeugt wurden, verbessern z.
B. nicht nur die Festigkeitseigenschaften von Gewehrläufen durch das automatische Passungswalzen, sondern gewährleisten gleichzeitig den erforderlichen Drall. Es ist klar, dass sich noch viele andere praktische Anwendungsfälle für die vorliegende Erfindung angeben lassen.
In der vergrösserten Schnittansicht Fig. 1 ist der Vorgang zeichnerisch dargestellt, auf der Oberfläche eines Bauelementes 1 aus Metall Einprägungen 2 auszubilden ; wobei Wellenkämme oder unbehandelte Abschnitte 3 übrigbleiben. Der angewendete Druck zur Erzeugung der Rinnen und dergleichen Vertiefungen 2 bewirkt im Abschnitt A des Metallbauteiles vorherrschend plastische Deformationen, während im Abschnitt B das Metall vorherrschend in seinem ursprünglichen elastischen Zustand verbleibt. Die dadurch ineinander verflochtenen inneren Spannungen verursachen in dem Material die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften des Bauteils.
Die Grösse der eingeschlossenen inneren Druckspannungen wird durch das Ausmass des in Abschnitt A plastisch verformten Metalls und durch die relative Breite des dazwischenliegenden, nahezu elastisch gebliebenen, mit nur geringerer plastischer Deformation an den Rändern versehenen Metalles in Abschnitt B reguliert. Wenn man auf die ganze Fläche des Metalls Druck anwendet, wie z. B. bei dem bekannten Kaltwalzverfahren oder dem Oberflächendrücken, werden keine derartigen ineinander verflochtenen inneren Spannungen, wie sie erfindungsgemäss hervorgerufen werden, entwickelt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Welle aus Metall oder eine andere runde Metallstange 4, deren Oberfläche erfindungsgemäss behandelt wurde. Die Eindrücke 5 und 6 in der Oberfläche sind schraubenförmig, ein-oder mehrgängig, mit mehr oder minder grossen Steigungen.
Die Metalloberfläche 7 in Fig. 3 hat parallel und diagonal verlaufende Rinnen oder dergleichen Vertiefungen 8 oder parallel angelegte Schraubengänge.
In Fig. 4 zeigt die Metalloberfläche 7 zwei Gruppen von parallel verlaufenden Rinnen oder dergleichen Eindrücken 9 und 10 oder parallel verlaufenden Schraubengängen. In dieser Zeichnung laufen die zwei Gruppen von parallelen Eindrücken und Rinnen fast rechtwinklig zueinander.
Die Metalloberfläche 7 in Fig. 5 hat eine Mehrzahl von parallel verlaufenden Rinnen oder derglei- : hen Vertiefungen 11.
Die Metalloberfläche in Fig. 6 hat eine Anzahl von Rinnen oder dergleichen Vertiefungen 13 in 'orm von konzentrischen Kreisen. Die Rinnen oder dergleichen Vertiefungen können in verschiedenem abstand auf der Oberfläche des Metallgegenstandes angelegt werden.
Die Fig. 7,8 und 9 zeigen die häufigsten Formen bzw. Profile der Rinnen oder dergleichen Vertiefungen. Das Metallelement 14 in Fig. 7 hat eine U-förmige Rinne 15. In Fig. 8 ist die Rinne 16 V-förnig und in Fig. 9 die Rinne 17 trapezförmig.
Die physikalischen Eigenschaften, die durch die Rinnen und dergleichen Eindrücke geschaffen werten, hängen von dem Winkel der Rinnenachse zur Achse des behandelten Gegenstandes ab und im Falle on einfachen oder vielfachen Schraubengängen von der Steigung derselben. Um die Biegewechselfestig- : eit einer Stange zu verstärken, muss eine bedeutende eingeschlossene innere Druckspannung parallel zur chse der Stange oder sonstigen Elementes geschaffen werden.
Um ein Konstruktionselement, wie z. B. Bohrrohre, Drehstangen, Rohre, Wellen, Drehfeder usw.
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Drehbeanspruchungles Elementes liegen, muss ein Muster mit einer relativ grossen Steigung beim Anlegen von Rinnen und lergleichen Vertiefungen verwendet werden, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Bei Anwendung einer gro-
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ssen Steigung, wie z. B. vom zweifachen Durchmesser des behandelten Elementes, beträgt der Winkel zwischen der Achse der Rinnen und dergleichen Vertiefungen zur Achse des Elementes 450, dadurch wird die eingeschlossene innere Druckspannung der Richtung der Drehbeanspruchung entgegengesetzt.
Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, müssen die Rinnen und dergleichen Vertiefungen in dem , behandelten Metall mindestens 0,025 mm tief sein. In besonders harten Metallen sind die Vertiefungen, die durch Druck in bestimmten Abständen angelegt werden, sehr seicht. Die empfehlenswerte Tiefe ist
0, 1 - 0, 5 mm. Die angelegten Abstände zwischen den Rinnen und dergleichen Vertiefungen sowie ihre Tiefe hängt von der Form der Eindrücke ab. Die bevorzugte Entfernung zwischen den Rinnen und dergleichen Vertiefungen ist 3, 2-0, 4 mm. Für die generelle Anwendung ist 1, 00 mm empfehlenswert.
Die folgenden Beispiele beschreiben die Vorzüge, die durch die Erfindung erreicht werden können.
Zum Nachweis der erfindungsgemässen Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von Bau- und Maschi- nenelementen und zur direkten Ermittlung der Grösse der eingeschlossenen Spannungen wurde das in den
Vereinigten Staaten von Amerika genormte Verfahren nach Almen angewendet.
Beispiel l : Auf 2,5 mm dicken, 75 mm langen und 12,5 mm breiten Platten aus hartem Stahl werden auf der einen Oberfläche Rinnen und dergleichen Vertiefungen unter 320 kg Druck erzeugt.
Die nach diesem Verfahren behandelten Platten weisen eine bleibende Biegung auf, welche aus den folgenden Tabellen ersehen werden kann. Die Grösse der Biegung weist auf die Grösse der eingeschlosse- nen inneren Druckspannung hin und dadurch auf die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des
Metalls, wie oben beschrieben. Dieses Prüfverfahren ist allgemein als"Almen"-Platte bekannt.
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<tb>
<tb>
Abstände <SEP> von <SEP> Breite <SEP> der <SEP> unbehandelter <SEP> Bleibende
<tb> Rinnen <SEP> in <SEP> Rinnen <SEP> in <SEP> Abschnitt <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Breite <SEP> Oberfläche <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP> %
<tb> Nicht <SEP> behandelte <SEP> Platte <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 3, <SEP> 17 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 2, <SEP> 57 <SEP> 81 <SEP> 15
<tb> 1,59 <SEP> 0,6 <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP> 62 <SEP> 15
<tb> 1, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 46 <SEP> 43 <SEP> 27
<tb> 0,80 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0,20 <SEP> 24 <SEP> 34
<tb>
Beispiel 2 :
Vergleichs-Prüfungsresultate von Kugelstrahlen einerseits und Walzen in bestimmten Mustern auf SAE 1060-Stahl anderseits sind :
Bei einer Spannung 42 kg/mm2 brach die unbehandelte Metallprobe nach 56000 Lastperioden ; die kugelgestrahlte Metallprobe nach 65000 Lastperioden und die in Mustern gewalzte, nach dem erfindung- gemässen Verfahren behandelte Metallprobe nach 465000 Lastperioden.
Beispiel 3 : Eine 25, 4 mm dicke, viereckige Cr-Ni-Mo-Bohrstange wurde mit einem Muster von 0,4 mm tiefen Rinnen in Abständen von 1 mm unter einem Druck von 320 kg schraubenförmig gewalzt.
Danach wurde die Bohrstange unter Biegewechselspannungen belastet mit folgendem Resultat :
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<tb>
<tb> Belastungs-Maximale <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Lastperioden <SEP> Steigerung <SEP> der
<tb> Biegemoment <SEP> Spannung <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> Zeitfestigkeit
<tb> mkg <SEP> kg/mm2 <SEP> Vor <SEP> der <SEP> Nach <SEP> der <SEP> x <SEP> mal
<tb> Behandlung <SEP> Behandlung
<tb> 80,5 <SEP> 40 <SEP> 350 <SEP> 000 <SEP> ohne <SEP> Bruch <SEP> 17
<tb> nach <SEP> 6000000
<tb> 92,1 <SEP> 46 <SEP> 282000 <SEP> ohne <SEP> Bruch <SEP> 21,5
<tb> nach <SEP> 6000000
<tb> 103, <SEP> 5 <SEP> 51,8 <SEP> 80 <SEP> 000 <SEP> ohne <SEP> Bruch
<tb> nach <SEP> 6 <SEP> 000 <SEP> 00075 <SEP>
<tb>
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Beispiel 4 :
Eine ähnliche Prüfung eines 7/8 Zoll viereckigen SAE 1080 Stahls (einfacher Kohlenstoffstahl) in Form einer Bohrstange ergab das folgende Resultat :
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<tb>
<tb> Belastungs-Maximale <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Lastperioden <SEP> Steigerung <SEP> der
<tb> Biegemoment <SEP> Spannung <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> Zeitfestigkeit
<tb> mkg <SEP> kg/mm <SEP> Vor <SEP> der <SEP> Nach <SEP> der <SEP> x <SEP> mal
<tb> Behandlung <SEP> Behandlung
<tb> 57, <SEP> 5 <SEP> 43, <SEP> 0 <SEP> 90000. <SEP> 1055000 <SEP> 11, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
Beispiel 5 : 1, 65 mm dicke Platten aus einer Aluminiumlegierung"24ST-cladded"und einer Magnesiumlegierung"MA"wurden entsprechend Beispiel 1 behandelt, wobei ein Druck von 22,5 kg angewendet wurde mit folgendem Resultat : Aluminiumlegierung "24ST -cladded" :
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<tb>
<tb> Abstand <SEP> zwischen <SEP> Breite <SEP> der <SEP> Unbehandelter <SEP> Bleibende
<tb> Rinnen <SEP> Rinnen <SEP> Probeabschnitt <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Breite <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP> %
<tb> Nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 88 <SEP> 79, <SEP> 2 <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 69 <SEP> 58, <SEP> 0 <SEP> 20, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 36, <SEP> 7 <SEP> 28, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Magnesium <SEP> "MA" <SEP> -Legierung: <SEP>
<tb> Nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1, <SEP> 78 <SEP> 74, <SEP> 8 <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 59 <SEP> I <SEP> 49, <SEP> 6 <SEP> 30 <SEP> ;
<SEP> 5 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 24, <SEP> 1 <SEP> 45, <SEP> 7 <SEP>
<tb>
Beispiel 6 : 1,65 mm dicke plastische Kunststoff-Platten ergaben nach Behandlung unter einem angewandten Druck von 22,5 kg gemäss Beispiel 1 die folgenden Resultate :
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<tb>
<tb> Abstand <SEP> zwischen <SEP> Breite <SEP> der <SEP> Unbehandelter <SEP> Bleibende
<tb> Rinnen <SEP> Rinnen <SEP> Probeabschnitt <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Breite <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP> %
<tb> Nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 1, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 47 <SEP> 43 <SEP> 63, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
Eine der Vorrichtungen zur Ausführung des oben beschriebenen erfindungsgemässen Verfahrens ist in Fig. 10 gezeigt.
Der Apparat, der an eine Drehbank oder andere Werkzeugmaschinen angeschlossen werden kann, umfasst ein Untergestell 18, eine aufrechte feststehende Stütze 19 und eine aufrechtstehende
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Stütze 20, die gleitbar am Untergestell 18 mittels der Schraube 21 eingestellt werden kann. Die beiden
Stützen 19 und 20 haben je eine drehbare Büchse 22, welche durch eine Stellschraube 23 festgehalten wird. Je eine Walzenstütze 24 ist gleitbar in jede Büchse 22 eingesetzt. Das Ende der Walzenstütze 24 hat eine rohrartige Form 25, um eine Feder 26 aufzunehmen. Das gegenüberliegende Ende trägt eine
Walze 27 auf einer Achse 28.
Die Spannung der Feder 26 kann nach Wunsch durch einen Schraubpfropfen 29 eingestellt werden.
30 ist das Konstruktionselement, in diesem Falle eine viereckige Bohrstange. Jede Walze hat das Nega- tivmuster zum Muster, welches in die Oberfläche des Metalles eingedrückt werden soll, wie z. B. in den
Fig. 2 - 9 gezeigt. In den Fig. 10a und l0b ist eine Walze 32 für parallele Muster 31 ähnlich Fig. 5 ge- zeigt. Fig. 10c zeigt eine Walze 32 für diagonale Muster ähnlich dem Muster in den Fig. 3 und 4, wobei die Eindrücke unter 450 verlaufen ; zwei solcher Walzen, eine von links und eine von rechts auf das Werk- stück einwirkend, sind für Muster wie in Fig. 4 gezeigt erforderlich. Fig. 10d zeigt eine Walze 32 mit zwei in Abstand voneinander angeordneten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke 31 zu vermehren, die parallel zur Drehachse der Walze 32 verlaufen.
Fig. 10e zeigt wie Fig. 10d eine Walze 32 mit zwei ver- setzten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke zu vermehren, die jedoch unter 450 zur Drehachse der
Walze 32 verlaufen. Fig. 10f veranschaulicht eine Walze 32, deren Oberfläche einen zur Drehachse der
Walze koaxialen Zylinder und einen daran angrenzenden Kegel umfasst. Dieser Walzentyp kann besonders gut benutzt werden, um die kegelförmigen Ansatzteile zu walzen, wie z. B. den konischen Befestigungs- teil einer Bohrstange. Verständlicherweise können der konische und der zylindrische Teil der Oberfläche auf zwei oder mehr Walzen vorgesehen werden, anstatt, wie gezeigt, nur auf einer. Besonders sei her- ausgestellt, dass die Belastungskante der Walzen 32 so gestaltet, z. B. abgerundet, werden kann, dass die
Bearbeitung des zu behandelnden Gegenstandes erleichtert wird.
Fig. 10g zeigt eine Walze 32 mit ein- oder mehrgängige schraubenförmigen Mustern, bei denen die Rillen 31 unter sehr steilen Winkeln zur
Drehachse der Walze verlaufen. Fig. 10h zeigt ein Beispiel einer Profilwalze 32 für eine geformte Flä- che, nämlich einen Gewinde-Bohrspitzenhalter und dessen Verbindungsprofil nach den Fig. 20 und 20a, wobei die Rillen 31 im wesentlichen parallel zur Drehachse der Walze 32 verlaufen.
Dadurch, dass die Walzen 27 durch die Federn gegeneinander gedrückt werden, kann dieser Apparat dazu dienen, um Eindrücke in Form von Rinnen auf Elemente mit wechselnden Diagonalen einzuwalzen. Die oben beschriebenen Walzen können mit oder ohne Abstand voneinander in Paaren oder Gruppen in irgendeiner erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eingebaut werden. Es ist ersichtlich, dass der Winkel zwischen den Rillen 31 und der Drehachse der Walze 32 zwischen 0 und 90 variieren kann in Abhängigkeit von der gewünschten Behandlung. Weiterhin sei betont, dass die gezeigten Walzentypen lediglich als Beispiele gelten sollen. Die Möglichkeit, Anzahl und Richtung der Rillen oder sonstigen linienförmigen Vertiefungen zu verändern, bleibt im Rahmen der Erfindung vorbehalten.
Falls gewünscht, können alle oder einige Walzen wechselseitig synchronisiert oder gekuppelt werden, um ein regelmässig wiederholtes Muster zu erzielen.
In einigen Fällen kann vorzugsweise nur eine Walze des Walzenpaares zum Eindrücken der notwendigen linienförmigen Einzeleindrücke oder durchlaufenden Rillen verwendet werden, während die andere Walze eine glatte Mantelfläche hat und dazu dient, den Druck der ersten Walze auszugleichen und den behandelten Teil oder die verwendete Vorrichtung zu führen. Die glatte Walze wird zum Glätten oder Überwalzen des durch die erste Walze erzeugten Musters verwendet. Falls bei irgendeinem Arbeitsgang mehr als zwei Walzen eingesetzt werden, kann wenigstens eine Walze zur Prägung und wenigstens eine der restlichen Walzen zum Glätten oder Überwalzen benutzt werden. Die Behandlung von Bauteilen nach einem Verfahren, das das Überwalzen einschliesst, ist sehr geeignet, um die inneren Spannungszustände genau aufzubauen und zu regulieren.
Besonders sei in diesem Zusammenhang angeführt, dass die Bearbeitungskanten der Walzen keilförmig oder andersartig geformt sein können, um den Kraftbedarf zu verringern.
In den Fig. 11, 11a, b, c, d wird ein anderer erfindungsgemässer Apparattyp beschrieben. Der Apparat gemäss Fig. 11 gleicht dem Apparat nach Fig. 10 mit dem Unterschied, dass der Druck auf die Walzenstütze 33 durch hydraulische Kolben 34 und Zylinder 35 hervorgerufen wird, in welche ein flüssiger Stoff durch Rohre 36 eingeleitet wird.
Die in den Fig. 11a, llb, llc und 11d veranschaulichten Vorrichtungen dienen zur Behandlung innerer Oberflächen von hohlen Bauteilen, z. B. Zylindern, Hohlwellen, Hohlachsen, Rohren, Geschützläufen, Bohrrohren u. dgl. m.
Die Vorrichtung nach Fig. lla besteht aus einem Grundteil 18 mit einer Bohrung, in der in doppelter Kniehebelanordnung ein Walzenpaar 27 drehbar auf Achsen 28 gelagert ist. Eine Feder 26 belastet die Kniehebelanordnung über die Führung 24 und kann durch die Schraube 29 in dem Grundteil 18 justiert werden.
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Der in Fig. 11b dargestellte Apparat besteht aus einem Grundteil 35 mit einer in Längsrichtung durch- gehenden Bohrung, in der ein Paar Kolben 34 läuft. Jeder Kolben trägt auf einer Achse 28 eine drehbar gelagerte Walze 27. Durch eine Bohrung 36 wird auf den Kolben 34 und damit auf die Walzen 27 der er- forderliche Druck hydraulisch-ausgeübt. Erforderlichenfalls kann dieser Apparat auf einen solchen mit festem Durchmesser dadurch abgeändert werden, dass die Hydraulik durch eine Federung mit entspre- chenden Anschlagbegrenzungen ersetzt wird.
Selbstverständlich kann eine beliebige Vorkehrung getroffen werden, um die Walze in richtiger Lage zur Oberfläche zu halten, die behandelt werden soll, indem der Kolben an einem Überschreiten einer bestimmten Grenzauslenkung gehindert ist.
Teile von Apparaten mit festen Durchmessern werden in den Fig. 11c und 11d gezeigt. Sie bestehen aus einem Tragkopf 24, der auf Achsen 28 ein drehbar gelagertes Walzenpaar trägt, wobei beide Walzen in festem vorgegebenem Abstand voneinander stehen.
Alle hier beschriebenen Vorrichtungen gemäss der Erfindung können auf der zu behandelnden Ober- fläche unter Druck entlanggeführt oder rotiert werden.
Fig. 12 illustriert für die Herstellung eines zweigängigen Gewindes eine Modifikation des Apparates nach den Fig. 10 und 11. Die Walze 37 ist durch eine Feder wie in Fig. 10 belastet und die Walze 38 in der Stütze 39 mittels der Achse 40 gelagert. Der erforderliche Druck wird auf die Stütze 39 über einen
Hebelarm 41 durch eine Feder 42 ausgeübt. Der Mechanismus des Hebelarmes ermöglicht die Verwen- dung einer schwächeren und damit leichteren Feder, um den benötigten Druck auf die Walzen auszu- üben.
Der Apparat, welcher auch ein Drehbankfutter 43 und eine Drehbankspindel 44 umfasst, ist so ge- baut, dass er an eine normale Drehbank angeschlossen werden kann. Die Stange 45 wird durch das Dreh- bankfutter 43 zwischen den Walzen 37 und 38 gedreht, um das gewünschte Muster 46 zu formen. Die hydraulischen Zylinder, welche in Fig. 11 gezeigt sind, können auch hier an Stelle der Feder verwendet werden.
Noch eine andere Form eines erfindungsgemässen Apparates ist in den Fig. 13,14 und 15 gezeigt.
Der Apparat setzt sich zusammen aus einem Untergestell 47, welches an einem normalen Drehbankbett befestigt werden kann, einem feststehenden Rahmen 48, der auf das Untergestell 47 aufgesetzt wird, und einem verstellbaren Rahmen 49, der gleitbar von dem feststehenden Rahmen getragen wird und durch die Schrauben 50 in bestimmter Höhe fixierbar ist. Der bewegliche Rahmen hat einen unteren Tragarm 51 und ein Obergestell 52 mit einem durchlaufenden Zylinder 53. Eine rohrförmige Hülse oder ein Walzentragrahmen 54 stützen eine Achse 55 und eine Walze 56. Die Walze 56 ist auf einem unteren Ende des Zylinders 53 gleitend verstellbar aufgesetzt und wird durch einen Keil geführt, welcher durch Schrauben 57 befestigt ist.
Eine topfförmige Schraube 58 auf dem oberen Ende des Zylinders 53 reguliert den Druck der Feder 59, die sich im Zylinder 53 befindet und mit ihrem unteren Ende auf die Hülse 54 wirkt. Die Walze 60 auf der Achse 61 wird vom stützenden Arm 51 getragen. Wenn eine Stange 62 zwischen die Walzen 56 und 60 geschoben wird, werden dadurch die Walzen auseinandergedrückt und wirken unter dem Druck der Feder 59 auf die Werkstückoberfläche ein.
In der praktischen Anwendung wird der eben beschriebene Apparat auf eine gewöhnliche Drehbank aufgesetzt und das Konstruktionselement im Drehbankfutter festgeklemmt. Der gewünschte Druck wird von den Walzen 56 und 60 durch die Feder 59 oder durch hydraulisch getriebene Kolben 34 wie in den Fig. 11 und 11b auf das Element ausgeübt. Wenn die Drehbank läuft, wird das Konstruktionselement gedreht und das gewünschte Muster eingedrückt. Die verschiedenen oben beschriebenen Apparate können für das Einwalzen von längs oder quer gerichteten oder schraubenlinienartigen Mustern benutzt werden, je nach entsprechender Einstellung der Walzen und entsprechender Bewegung des Elementes während der Behandlung. Falls gewünscht, können eine oder mehrere Walzen verwendet werden, z.
B. zur Winkelverstellung der Walzenmuster, zur Verwendung der Walzen als Speisevorrichtung od. ähnl. während der erfindungsgemässen Behandlung.
Jedes Paar Walzen kann in den verschiedenen Ausführungen des Apparates so angeordnet werden, dass ihre Mantelflächen gegenüberliegen oder versetzt und mehr oder weniger parallel eingestellt sind, je nach der Steigung und Vielfältigkeit der Rinnen und Einzeleindrücke, welche durch dieses Verfahren auf das Konstruktionselement übertragen werden sollen. Ausserdem kann eine grössere Anzahl von Walzen in jedem Typ von Apparat benutzt werden. Eine oder mehrere dieser Walzen können eine glatte Mantelfläche haben, entweder um der Musterwalze den nötigen Gegendruck zu bieten, und/oder um das Muster zu glätten und zu überwalzen.
Die Beispiele 3 und 4 zeigen die weitreichende Bedeutung der Erfindung in spezieller Hinsicht auf
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Method and device for improving physical
Properties of construction elements made of plastically deformable material
The invention relates to a method for improving the physical properties of
Construction elements made of plastically deformable material, in particular metals and their alloys as well as their welded connections, which have an elastic limit or a yield point, by mechanical treatment of the surface of the construction elements in a spinning process in which internal stresses are generated in the surface layer, so that the construction element a higher static strength, higher permanent or. Fatigue strength, better corrosion resistance and higher resistance to wear and tear and erosion are maintained.
It is known, to increase the strength properties of the surface in the heat of objects made of steel and copper, to press small elevations, in particular longitudinal and transverse ribs, into the surface, so that this surface is given a compact, hard layer covering the entire area.
It is also known to produce grooves on sliding surfaces for rollers or the like by means of cutting tools, between which ribs remain, which are flattened or pressed in a second operation by rolling in the printing process, whereby the surface undergoes hardening. The maximum width of these grooves is equal to the groove depth.
It is also known to use specially designed spinning tools such. B. Rolls with knobs or webs, od in strips. Like. Grooves to be pressed and to achieve an increase in strength properties through the deformation work.
It is also known to increase the resistance to permanent vibration loads of components by embossing waffle-shaped patterns in these components or by consolidating the surface by pressure.
Various tools and pressing devices are used for the above known methods, rollers with a corresponding profile or rollers or the like being used.
Compared to the known, the essential characteristic of the invention is that by pressure on linear sections of the surface of a construction element, zones of permanent deformation are generated which alternate directly with linear zones of undeformed material.
According to a further characteristic of the invention, the extent of the plastically deformed zones, based on the unit area of the construction element, is between 10 and 900/0, in particular between 40 and 60%.
In components such as B. profiles, sheets, bars, rods, pipes, drill sleeves, drill rods, drill chucks, thin sheets for aircraft walls and trusses and the like. Like. From simple to complicated shape, their welded, joint, wedge, screw, groove connections and. Like., states of stress are built up which counteract the stress signals and thereby increase the load capacity and service life of the components. These enclosed internal stresses are generated by devices according to the invention of various types which allow the material to be plastically deformed in places by applying pressure to delimited parts of the surface of the material
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and on the other hand to leave adjacent parts in their normal condition.
The plastically deformed and non-deformed areas lying next to one another, namely areas left normally elastic, cause internal stresses to be included in the treated material, so that the components made of them have a higher load capacity and a longer service life.
The method according to the invention is based on the generation of enclosed internal stresses by preferably plastic deformation of limited surfaces which lie next to and between mainly plastic deformed limited surfaces on the components. The basic idea of this method according to the invention is therefore to create adjacent plastically and less plastically deformed zones on the surface of a component in specific patterns. The transition between these two
Zones can be gradual or rugged. The direction of the internal stresses involved is essentially perpendicular to the plastically deformed zones, i.e. H. to the direction of the embossing.
The
The choice of the pattern and the depth of the grooves or embossing ensure through the so-called common "interlocking phenomena" a predetermination and regulation of the plastic deformation of the treated surfaces and thus the possibility of creating a state of tension of a certain form in the construction elements to improve the strength properties.
The method according to the invention and the devices are described specifically in relation to metals. However, they are also suitable for other elastically and plastically deformable materials, such as. B.
Synthetic resins that have a yield point can be used, with improved strength properties being achieved here too.
An object of the invention is to provide a method for considerably increasing the strength properties of structural elements made of metals or changing elastically and plastically deformable materials which have a yield point by rolling or embossing grooves and the like
Depressions in various patterns and shapes in the surface of the element.
A particular object of the invention is to create devices for performing the above-mentioned inventive method, the object of which is to improve the strength properties, especially the fatigue strength of components, such as. B. boring bars, boring steels, drill bit holders, drill pipes, drill tips, axes, shafts, pipes; Profiles u. Like. As well as their connecting elements, by rolling or embossing a number of flat grooves and the like indentations into the surface.
The drawings primarily show two simple demonstration examples to explain the voltage states and, in application examples, the invention and some of the devices used to carry out the method.
A illustrates the alternating tensile and compressive stresses on a shaft prior to application of the method according to the invention, FIG. B the internal stress state in this shaft after application of the method according to the invention, and FIGS. C and D the resulting tensile and compressive loads when the enclosed internal stress state is superimposed on the load state.
FIG. A shows the stress stresses in the wall of a tubular component that is pressurized from the inside; FIG. FIG. B shows the enclosed internal stress state in this wall after application of the method according to the invention to the inner surface and FIG. C shows the resulting stress stress state. Fig. 1 is a sectional view of a structural element with plastically deformed and adjoining portions remained normally elastic on the surface; Figure 2 is a schematic representation of a pattern being rolled into a metal shaft. 3, 4, 5, 6 are further schematic representations of various patterns of the treatment according to the invention. 7, 8 and 9 are enlarged cross-sections through metal parts, which show different embodiments for the channels and embossing profiles.
10, 10a, 11 and 11a, b, c, d show different types of device according to the invention, partly in section. Figures 10b, c, d, e, f, g and h are side and front views of the various types of rollers. Fig. 12 is a partially sectioned plan view of one type of device according to the invention. Fig. 13 is. the side view, partly in section, of a further type of device according to the invention. FIG. 14 is the front view of the type shown in FIG. FIG. 15 is a section along line 15-15 through the type shown in FIG. 16 is a longitudinal section through a rock drill rod with drill bit holder and drill bit which has been treated according to the invention. FIG. 17 is a cross section taken along line 17-17 through the rock drill rod shown in FIG.
Figure 18 is a side elevational view, with cutouts, of a cap and bit rock drill that has been treated in accordance with the present invention. Figure 19 is a cross-section through this rock drill taken along line 19-19 in Figure 18. Figure 20 is an enlarged longitudinal section of a portion
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EMI3.1
- C + Tmax and the maximum compressive stresses with -Tmax. The maximum tensile stresses on the surface are decisive for the breakage of the shaft. The enclosed internal stress state, which is opposite to the load state, is selected in such a way that the resulting tensile stresses after pressure is applied to delimited parts of the surface are approximately zero. This results in the in Fig.
B shown enclosed internal stress state after application of
Surface treatment. If this residual stress state is superimposed with the load stress state, u. Either through tensile or compressive stress, the resulting tensile and compressive stresses shown in FIGS. C and D result. While the resulting tensile stresses on the surface are almost zero, i.e. the strength reserve at the critical point is increased extremely, the compressive stresses are increased by the residual stress S. This in turn increases the durability, corrosion resistance and abrasion resistance of the component.
The example illustrated in FIGS. A - c deals with the simplified stress conditions before and after pressure treatment of the inner surface of a hollow structural element that is subjected to internal pressure, such as B. rifle barrels, pressure vessels or the like. The stress distribution due to the pressure load in the wall is plotted in Fig. A, in which P is the pressure, r2 the outer radius of the
Wall and rl the inner radius of the wall, and Tmax and Tmin the maximum and minimum, respectively
Designate tensile stress. The maximum tensile stress occurs accordingly on the inside of the
Wall on. This side of the wall is differentially plastically deformed by pressure treatment on delimited parts of the surface, so that an enclosed internal stress state is built up in the wall, which is shown in FIG.
After superimposing the internal stress state with the load state, as is done in FIG. C, it results that the remaining maximum tensile stresses lie approximately in the middle of the wall - to be more precise on the radius r -, whereas the resulting tensile stresses are on the Reach almost zero inside the wall. From FIG. C it can be seen that relatively high resulting tensile stresses occur on the outside of the wall. By applying surface deformations on this side, however, their reduction is possible, even if only desirable in those cases in which the pressure on the inside remains approximately constant. In the case of hollow vessels that are subject to strongly changing pressure loads, on the other hand, the high resulting tensile stresses act as a buffer on the outside and offer additional strength reserves.
Of course, the examples described above are only intended to serve as demonstration examples to clarify the invention. In fact, the tensions are more complicated and, above all, a two-dimensional representation is difficult to access. When using the surface treatment according to the invention, the load stresses are to be determined on a case-by-case basis and the internal stresses to be aimed for, which are built up in the component, are selected according to the principles outlined above, so that an internal stress state that is opposite or counteracting the stress stress state arises. In the following some patterns are given in which the surface deformations are applied and their purpose is mentioned.
According to the invention, the strength properties of construction elements made of metals are improved, particularly fatigue strength or alternating strength, corrosion resistance, static and dynamic strength, wear and erosion resistance of construction elements made of metals, and a kind of "Ferrand effect" is also achieved. This improvement is achieved by pressing grooves and similar depressions in a specific pattern into the outer and / or inner surfaces of the component. The superficial impressions are distributed in such a way that gaps remain that are not directly subject to the deformation process.
Characteristic of the method according to the invention is the possibility of regulating the size and direction of the internal stresses involved by different combinations of pressure, the direction of the applied pressure, the type and direction of the pattern, the depth of the impressions and the shape and type of cross-sections of the impressions. In order to increase the effect of the treatment according to the invention on structural elements, the treatment can, if necessary, be carried out during the loading state.
The internal stress state generated in this way is opposite to the operating voltage state of the component. The consequence of this is that the component has a longer service life and greater capacity to withstand the operational loads.
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The depressions or impressions can, created at certain intervals, any desired shape on the various components made of metals, their welded, joint, wedge, screw, groove connections and. Like. Assume and are generated in different Are and ways. The impressions are preferably made by rolling, spiral rolling, punching, pressing, pressing, hammering, squeezing, pulling, turning and the like. Like. Achieved depending on the type of object to be treated and the pattern to be generated. In the case of tubular objects, such as. B. pressure vessels, cylinders and other hollow components, the impressions can be on the inner and / or outer surface.
The grooves and impressions produced as well as their elevations, which can be machined as well as untreated, can simultaneously serve as guides for other structural elements sliding on them or as adhesive elements for paints, plastics and other surface protection materials. Of course, the ridges and crests of the indentations can be used for any subsequent treatment, e.g. B. machining, grinding or the like., Are subjected. In addition, the indentations can be designed so that they can serve as guides for components that are intended to move on the machined surfaces. The wells, either partially, such as. B. after previous machining, or generated entirely by this process, improve z.
B. not only the strength properties of rifle barrels through the automatic fitting rolling, but also ensure the required twist. It is clear that many other practical applications for the present invention can be given.
In the enlarged sectional view of FIG. 1, the process of forming embossments 2 on the surface of a component 1 made of metal is shown in the drawing; with wave crests or untreated sections 3 remaining. The pressure applied to produce the grooves and similar depressions 2 causes predominantly plastic deformations in section A of the metal component, while in section B the metal predominantly remains in its original elastic state. The resulting intertwined internal tensions cause the material to improve the strength properties of the component.
The size of the enclosed internal compressive stresses is regulated by the extent of the plastically deformed metal in section A and by the relative width of the metal in section B, which has remained almost elastic and has only less plastic deformation at the edges. When applying pressure to the entire surface of the metal, e.g. B. in the known cold rolling process or surface pressing, no such intertwined internal stresses, such as are caused according to the invention, are developed.
Fig. 2 shows schematically a shaft made of metal or another round metal rod 4, the surface of which has been treated according to the invention. The impressions 5 and 6 in the surface are helical, single or multi-thread, with more or less large gradients.
The metal surface 7 in FIG. 3 has parallel and diagonal grooves or similar depressions 8 or parallel screw threads.
In FIG. 4, the metal surface 7 shows two groups of parallel grooves or similar impressions 9 and 10 or parallel screw threads. In this drawing the two sets of parallel indentations and gullies run almost at right angles to each other.
The metal surface 7 in FIG. 5 has a plurality of parallel grooves or similar depressions 11.
The metal surface in Fig. 6 has a number of grooves or the like depressions 13 in the form of concentric circles. The grooves or the like depressions can be created at different distances on the surface of the metal object.
7, 8 and 9 show the most common shapes or profiles of the channels or similar depressions. The metal element 14 in FIG. 7 has a U-shaped channel 15. In FIG. 8 the channel 16 is V-shaped and in FIG. 9 the channel 17 is trapezoidal.
The physical properties created by the channels and the like impressions depend on the angle of the channel axis to the axis of the treated object and, in the case of single or multiple screw threads, on the pitch of the same. In order to increase the flexural fatigue strength of a rod, a significant enclosed internal compressive stress must be created parallel to the axis of the rod or other element.
To a construction element such. B. drill pipes, rotating rods, pipes, shafts, torsion springs, etc.
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Rotary stresses of the element lie, a pattern with a relatively large slope must be used when creating channels and the same depressions, as shown in FIGS. 3 and 4. When using a large
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ssen slope, such as B. of twice the diameter of the treated element, the angle between the axis of the channels and the like depressions to the axis of the element 450, thereby the enclosed internal compressive stress is opposite to the direction of the torsional stress.
In order to achieve the object of the invention, the grooves and the like depressions in the treated metal must be at least 0.025 mm deep. In particularly hard metals, the depressions that are created by pressure at certain intervals are very shallow. The recommended depth is
0.1-0.5 mm. The spacing between the grooves and the like depressions as well as their depth depends on the shape of the impressions. The preferred distance between the grooves and like depressions is 3.2-0.4 mm. For general use, 1.00 mm is recommended.
The following examples describe the benefits that can be achieved by the invention.
To prove the improvement according to the invention of the strength properties of construction and machine elements and to directly determine the size of the enclosed stresses, the
United States of America standardized procedures applied to alpine pastures.
Example 1: On 2.5 mm thick, 75 mm long and 12.5 mm wide plates made of hard steel, grooves and similar depressions are produced on one surface under 320 kg of pressure.
The panels treated according to this method show a permanent curvature, which can be seen from the following tables. The size of the bend indicates the size of the enclosed internal compressive stress and thus the improvement in the physical properties of the
Metal as described above. This test method is commonly known as the "Almen" panel.
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<tb>
<tb>
Distances <SEP> from <SEP> width <SEP> of the <SEP> untreated <SEP> permanent
<tb> channels <SEP> in <SEP> channels <SEP> in <SEP> section <SEP> bend
<tb> mm <SEP> mm <SEP> width <SEP> surface <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP>%
<tb> <SEP> not treated <SEP> disk <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 3, <SEP> 17 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 2, <SEP> 57 <SEP> 81 <SEP> 15
<tb> 1.59 <SEP> 0.6 <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP> 62 <SEP> 15
<tb> 1, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 46 <SEP> 43 <SEP> 27
<tb> 0.80 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0.20 <SEP> 24 <SEP> 34
<tb>
Example 2:
Comparative test results of shot peening on the one hand and rolls in certain patterns on SAE 1060 steel on the other hand are:
At a tension of 42 kg / mm2, the untreated metal specimen broke after 56,000 load periods; the shot-peened metal sample after 65,000 load periods and the metal sample rolled in patterns and treated according to the method according to the invention after 465,000 load periods.
Example 3: A 25.4 mm thick, square Cr-Ni-Mo boring bar was helically rolled with a pattern of 0.4 mm deep grooves at 1 mm intervals under a pressure of 320 kg.
The boring bar was then loaded under alternating bending stresses with the following result:
EMI5.2
<tb>
<tb> Maximum load <SEP> Number <SEP> of <SEP> load periods <SEP> Increase <SEP> of
<tb> bending moment <SEP> tension <SEP> to <SEP> to <SEP> break <SEP> fatigue strength
<tb> mkg <SEP> kg / mm2 <SEP> Before <SEP> the <SEP> After <SEP> the <SEP> x <SEP> times
<tb> treatment <SEP> treatment
<tb> 80.5 <SEP> 40 <SEP> 350 <SEP> 000 <SEP> without <SEP> break <SEP> 17
<tb> according to <SEP> 6000000
<tb> 92.1 <SEP> 46 <SEP> 282000 <SEP> without <SEP> break <SEP> 21.5
<tb> according to <SEP> 6000000
<tb> 103, <SEP> 5 <SEP> 51.8 <SEP> 80 <SEP> 000 <SEP> without <SEP> break
<tb> after <SEP> 6 <SEP> 000 <SEP> 00075 <SEP>
<tb>
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Example 4:
A similar test of 7/8 inch square SAE 1080 steel (simple carbon steel) in the form of a boring bar gave the following result:
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<tb>
<tb> Maximum load <SEP> Number <SEP> of <SEP> load periods <SEP> Increase <SEP> of
<tb> bending moment <SEP> tension <SEP> to <SEP> to <SEP> break <SEP> fatigue strength
<tb> mkg <SEP> kg / mm <SEP> Before <SEP> the <SEP> After <SEP> the <SEP> x <SEP> times
<tb> treatment <SEP> treatment
<tb> 57, <SEP> 5 <SEP> 43, <SEP> 0 <SEP> 90000. <SEP> 1055000 <SEP> 11, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
Example 5: 1.65 mm thick plates made of an aluminum alloy "24ST-cladded" and a magnesium alloy "MA" were treated according to Example 1, a pressure of 22.5 kg being applied with the following result: Aluminum alloy "24ST -cladded":
EMI6.2
<tb>
<tb> Distance <SEP> between the <SEP> width <SEP> of the <SEP> untreated <SEP> end
<tb> channels <SEP> channels <SEP> trial section <SEP> bend
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Width <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP>%
<tb> Not <SEP> handled <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 88 <SEP> 79, <SEP> 2 <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 69 <SEP> 58, <SEP> 0 <SEP> 20, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 36, <SEP> 7 <SEP> 28, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Magnesium <SEP> "MA" <SEP> alloy: <SEP>
<tb> Not <SEP> handled <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1, <SEP> 78 <SEP> 74, <SEP> 8 <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 59 <SEP> I <SEP> 49, <SEP> 6 <SEP> 30 <SEP>;
<SEP> 5 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 24, <SEP> 1 <SEP> 45, <SEP> 7 <SEP>
<tb>
Example 6: 1.65 mm thick plastic plastic plates gave the following results after treatment under an applied pressure of 22.5 kg according to Example 1:
EMI6.3
<tb>
<tb> Distance <SEP> between the <SEP> width <SEP> of the <SEP> untreated <SEP> end
<tb> channels <SEP> channels <SEP> trial section <SEP> bend
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Width <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP>%
<tb> Not <SEP> handled <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 1, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 47 <SEP> 43 <SEP> 63, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
One of the devices for carrying out the above-described method according to the invention is shown in FIG.
The apparatus, which can be connected to a lathe or other machine tool, comprises a base 18, an upright fixed support 19 and an upright one
<Desc / Clms Page number 7>
Support 20 which can be slidably adjusted on the base 18 by means of the screw 21. The two
Supports 19 and 20 each have a rotatable sleeve 22 which is held in place by an adjusting screw 23. One roller support 24 is slidably inserted into each sleeve 22. The end of the roller support 24 has a tubular shape 25 to receive a spring 26. The opposite end carries a
Roller 27 on an axle 28.
The tension of the spring 26 can be adjusted by a screw plug 29 as desired.
30 is the construction element, in this case a square boring bar. Each roller has the negative pattern for the pattern which is to be impressed into the surface of the metal, such as Tie
Figures 2-9 shown. FIGS. 10a and 10b show a roller 32 for parallel patterns 31 similar to FIG. Figure 10c shows a diagonal pattern roller 32 similar to the pattern in Figures 3 and 4 with the indentations at 450; two such rollers, one from the left and one from the right acting on the workpiece, are required for patterns as shown in FIG. 10d shows a roller 32 with two rows of teeth arranged at a distance from one another in order to increase the number of impressions 31 which run parallel to the axis of rotation of the roller 32.
Like FIG. 10d, FIG. 10e shows a roller 32 with two offset rows of teeth in order to increase the number of impressions, which, however, are less than 450 to the axis of rotation of the
Roll 32 run. Fig. 10f illustrates a roller 32, the surface of which is one to the axis of rotation
Roll includes coaxial cylinder and an adjacent cone. This type of roller can be used particularly well to roll the conical extension parts, such as. B. the conical fastening part of a boring bar. Understandably, the conical and cylindrical portions of the surface can be provided on two or more rollers instead of just one as shown. It should be noted in particular that the loading edge of the rollers 32 is designed such. B. rounded, it can be that the
Processing of the object to be treated is facilitated.
Fig. 10g shows a roller 32 with single or multiple helical patterns, in which the grooves 31 at very steep angles to
The axis of rotation of the roller run. 10h shows an example of a profile roller 32 for a shaped surface, namely a threaded drill bit holder and its connection profile according to FIGS. 20 and 20a, the grooves 31 running essentially parallel to the axis of rotation of the roller 32.
Because the rollers 27 are pressed against each other by the springs, this apparatus can serve to roll impressions in the form of grooves onto elements with changing diagonals. The rollers described above can be installed with or without a spacing from one another in pairs or groups in any device according to the invention for carrying out the method. It can be seen that the angle between the grooves 31 and the axis of rotation of the roller 32 can vary between 0 and 90 depending on the treatment desired. It should also be emphasized that the roller types shown are only intended as examples. The possibility of changing the number and direction of the grooves or other linear depressions is reserved within the scope of the invention.
If desired, all or some of the rollers can be mutually synchronized or coupled in order to achieve a regularly repeated pattern.
In some cases, only one roller of the roller pair can preferably be used to impress the necessary linear indentations or continuous grooves, while the other roller has a smooth surface and serves to equalize the pressure of the first roller and to guide the treated part or the device used . The smooth roller is used to smooth or roll over the pattern produced by the first roller. If more than two rollers are used in any operation, at least one roller can be used for embossing and at least one of the remaining rollers can be used for smoothing or overrolling. The treatment of components by a process that includes over-rolling is very suitable for building up and regulating the internal stress states precisely.
In this context, it should be mentioned in particular that the machining edges of the rollers can be wedge-shaped or shaped differently in order to reduce the force required.
Another type of apparatus according to the invention is described in FIGS. 11, 11a, b, c, d. The apparatus according to FIG. 11 is similar to the apparatus according to FIG. 10 with the difference that the pressure on the roller support 33 is generated by hydraulic pistons 34 and cylinders 35 into which a liquid substance is introduced through pipes 36.
The devices illustrated in FIGS. 11a, 11b, 11c and 11d are used to treat internal surfaces of hollow components, e.g. B. cylinders, hollow shafts, hollow axles, pipes, gun barrels, drill pipes and. like m.
The device according to FIG. 11a consists of a base part 18 with a bore in which a pair of rollers 27 is rotatably mounted on axles 28 in a double toggle lever arrangement. A spring 26 loads the toggle lever arrangement via the guide 24 and can be adjusted by the screw 29 in the base part 18.
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The apparatus shown in FIG. 11b consists of a base part 35 with a longitudinal bore in which a pair of pistons 34 run. Each piston carries a rotatably mounted roller 27 on an axle 28. The required pressure is hydraulically exerted on the piston 34 and thus on the rollers 27 through a bore 36. If necessary, this device can be changed to one with a fixed diameter by replacing the hydraulic system with a suspension system with appropriate limit stops.
Of course, any measure can be taken to keep the roller in the correct position relative to the surface to be treated by preventing the piston from exceeding a certain limit deflection.
Parts of fixed diameter apparatus are shown in Figures 11c and 11d. They consist of a support head 24 which carries a rotatably mounted pair of rollers on axles 28, the two rollers being at a fixed predetermined distance from one another.
All devices according to the invention described here can be guided along or rotated on the surface to be treated under pressure.
FIG. 12 illustrates a modification of the apparatus according to FIGS. 10 and 11 for the production of a two-start thread. The roller 37 is loaded by a spring as in FIG. 10 and the roller 38 is mounted in the support 39 by means of the axis 40. The required pressure is on the support 39 via a
Lever arm 41 exerted by a spring 42. The mechanism of the lever arm enables the use of a weaker and thus lighter spring to exert the required pressure on the rollers.
The apparatus, which also includes a lathe chuck 43 and a lathe spindle 44, is constructed so that it can be connected to a normal lathe. The bar 45 is rotated between the rollers 37 and 38 by the lathe chuck 43 to form the desired pattern 46. The hydraulic cylinders shown in Fig. 11 can also be used here in place of the spring.
Yet another form of apparatus according to the invention is shown in FIGS. 13, 14 and 15.
The apparatus is composed of a base 47 which can be attached to a normal lathe bed, a fixed frame 48 which is placed on the base 47, and an adjustable frame 49 which is slidably supported by the fixed frame and through the screws 50 can be fixed at a certain height. The movable frame has a lower support arm 51 and an upper frame 52 with a continuous cylinder 53. A tubular sleeve or a roller support frame 54 support an axis 55 and a roller 56. The roller 56 is slidably mounted on a lower end of the cylinder 53 and is adjustable guided by a wedge which is fastened by screws 57.
A cup-shaped screw 58 on the upper end of the cylinder 53 regulates the pressure of the spring 59, which is located in the cylinder 53 and acts with its lower end on the sleeve 54. The roller 60 on the axle 61 is carried by the supporting arm 51. When a rod 62 is pushed between the rollers 56 and 60, the rollers are thereby pushed apart and act under the pressure of the spring 59 on the workpiece surface.
In practical use, the apparatus just described is placed on an ordinary lathe and the structural element is clamped in the lathe chuck. The desired pressure is exerted on the element by the rollers 56 and 60 by the spring 59 or by hydraulically driven pistons 34 as in FIGS. 11 and 11b. When the lathe is running, the construction element is rotated and the desired pattern is impressed. The various apparatuses described above can be used for rolling in longitudinal or transverse or helical patterns, depending on the corresponding setting of the rollers and the corresponding movement of the element during the treatment. If desired, one or more rollers can be used, e.g.
B. for angular adjustment of the roller pattern, od to use the rollers as a feed device. Similar. during the treatment according to the invention.
Each pair of rollers can be arranged in the different versions of the apparatus so that their outer surfaces are opposite or offset and are set more or less parallel, depending on the incline and variety of the channels and individual impressions that are to be transferred to the structural element by this method. In addition, a greater number of rollers can be used in any type of apparatus. One or more of these rollers can have a smooth outer surface, either to provide the pattern roller with the necessary counterpressure and / or to smooth and roll over the pattern.
Examples 3 and 4 show the far-reaching importance of the invention in a specific respect
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