Verfahren zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von Konstruktionselementen aus plastisch verformbarem Werkstoff, der eine Streckgrenze besitzt Die Erfindung bezweckt die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von Konstruktionselementen, wie z. B. Bauelementen, die aus plastisch verform barem Werkstoff bestehen, der eine Streckgrenze besitzt.
Diesen Zweck will die Erfindung durch den Auf bau eines im Werkstoff eingeschlossenen inneren Spannungszustandes erreichen. Dementsprechend be steht das Verfahren nach der Erfindung darin, dass Teile der Oberflächenpartien des Konstruktionsele mentes durch Druckanwendung plastisch verformt werden, während die angrenzenden Teile dieser Druck anwendung nicht unterworfen werden. Zwischen den plastisch verformten und den angrenzenden elastisch gebliebenen Teilen entstehen dann nach dem Ver- flechtungs-Phänomen innere Spannungen, die im Werkstoff eingeschlossen bleiben und daher als Eigenspannungen des Werkstoffs bezeichnet werden können.
Da die Richtung der eingeschlossenen inneren Spannungen im wesentlichen normal zu den plasti schen Verformungen verläuft und die Höhe dieser Eigenspannungen von der Stärke dieser plastischen Verformungen abhängt, lässt sich ein innerer Span nungszustand solcher Ausbildungsform durch Steue rung der Stärke der Druckanwendung und Festlegung ihrer Verteilung über die Oberflächenpartien des Konstruktionselementes aufbauen, dass er dem später zu erwartenden äusseren Spannungszustand infolge Belastung des Konstruktionselementes entgegenge richtet ist und dadurch dessen Festigkeitsreserve erhöht.
Grösse und Richtung der eingeschlossenen inneren Spannungen können durch verschiedene Druckkom binationen, Druckausrichtungen und Druckverteilun gen sowie Verteilung, Tiefe und Gestalt der plasti- sehen Verformungen reguliert werden. Die Behand lung kann auch vorgenommen werden, wenn das Konstruktionselement unter Last steht.
Vorzugsweise werden die plastischen Verformun gen in Form von Eindrücken und Vertiefungen durch Walzen, Spiralwalzen, Pressen, Drücken, Häm mern, Quetschen, Ziehen und dergleichen je nach Art des zu behandelnden Konstruktionselementes und des auf seinen Oberflächenpartien zu erzeugenden Musters der plastischen Verformungen angelegt.
Erforderlichenfalls können die Grate und Wellen kämme der Vertiefungen und Eindrücke zur Erzie lung einer glatten Oberfläche durch spanabhebende Bearbeitung, wie z. B. Drehen, Fräsen oder Schleifen, entfernt werden, ohne dass dabei die dem Konstruk tionselement aufgedrückten Spannungen abgebaut werden.
Die Erfindung wird im folgenden in Anwendungs beispielen und einigen praktischen Ausführungsfor men an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Biege-Wechselbeanspruchung einer unbehandelten Welle, Fig. 2 den inneren Spannungszustand in dieser Welle nach Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung und Fig. 3 und 4 die resultierenden Zug- und Druck beanspruchungen bei Überlagerung des Belastungs zustandes nach Fig.1 mit dem eingeschlossenen inneren Spannungszustand nach Fig.2.
Fig. 5 zeigt die Belastungsspannungen in der Wand eines von innen mit Druck beaufschlagten rohrförmigen Bauelementes.
Fig. 6 den eingeschlossenen inneren Spannungs zustand in dieser Wand nach Anwendung des Ver fahrens gemäss der Erfindung auf die Innenfläche und Fig. 7 den resultierenden Beanspruchungsspan nungszustand bei Überlagerung der Spannungen nach Fig. 5 und 6.
Fig. 8 ist eine Schnittansicht eines Bauelementes mit plastisch verformten und angrenzend auf der Oberfläche normal elastisch gebliebenen Abschnitten.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines Musters, das in eine Welle aus Metall eingewalzt wird.
Fig. 10, 11, 12, 13 und 15 sind weitere schema tische Darstellungen verschiedener eingearbeiteter Muster.
Fig. 14 ist ein Längsschnitt 14-14 durch das Muster in Fig. 13.
Fig. 16, 17 und 18 sind vergrösserte Querschnitte durch Metallteile, die verschiedene Ausführungsbei spiele für die Rinnen und Einprägungsprofile auf zeigen.
Fig. 19, 20 und 21, 22, 23, 24 sind verschiedene Bauarten der erfindungsgemässen Vorrichtung im Schnitt.
Fig. 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 und 32 sind Seiten- und Vorderansichten verschiedener Walzen typen.
Fig. 33 ist teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Bauart der Vorrichtung.
Fig. 34 ist die Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Bauart der Vorrichtung.
Fig. 35 ist die Frontansicht der in Fig. 34 ge zeigten Bauart.
Fig. 36 ist ein Schnitt 36-36 durch die in Fig. 34 gezeigte Bauart.
Fig. 37 ist ein Längsschnitt durch eine Gesteins bohrstange mit Bohrerspitzenhalter und Bohrerspitze, die nach dem Verfahren behandelt wurde.
Fig. 38 ist ein Querschnitt 38-38 durch die in Fig. 37 gezeigte Gesteinsbohrstange.
Fig. 39 ist eine Seitenansicht mit Ausschnitten von einem Gesteinsbohrer mit Kappe und Bohr spitzen.
Fig. 40 ist ein Querschnitt durch diesen Gesteins bohrer 40-40 in Fig. 39.
Fig. 41 ist ein vergrösserter Querschnitt von einem Teil der Verbindung zwischen Gesteinsbohr stange und Bohrspitze des Gesteinsbohrers nach Fig. 39.
Fig. 42 ist die Ansicht von dem Gewinde eines Bohrerspitzenhalters.
In dem in Fig. 1 bis 4 veranschaulichten Beispiel sind die maximalen Zugbeanspruchungen mit + Tmax und die maximalen Druckbeanspruchungen mit -T"max bezeichnet, die bei Biege-Wechselbeanspru chung in dem Querschnitt Y-Y am Umfang einer Welle auftreten. In Fig. 1 ist unterhalb der Welle das Belastungsbild für einen Umfangspunkt der Welle in Abhängigkeit von der Zeit t1 für einen Lastwechsel schematisch angedeutet. Man erkennt, dass bei der unbehandelten Welle in Fig. 1 die maximalen Zug beanspruchungen, die für den Bruch ausschlaggebend sind, voll an der Oberfläche zur Wirkung kommen.
Wie in Fig. 2 dargestellt, werden Teile der Ober flächenpartien der Welle durch Druckanwendung plastisch verformt, während die angrenzenden Teile dieser Druckanwendung nicht unterworfen werden, so dass in dem Querschnitt Y-Y ein eingeschlos sener innerer Spannungszustand aufgebaut wird, bei dem Druckspannungen von der Grösse - S in einer schmalen Randzone des Umfangs von verhältnis mässig geringen Zugspannungen der Grösse + S im Inneren der Welle im Gleichgewicht gehalten werden.
Fig. 3 veranschaulicht den Fall für die behan delte Welle, wenn den eingeschlossenen inneren Spannungen die maximalen Zugspannungen infolge der Biege-Wechselbeanspruchung überlagert sind. Man erkennt, dass für den im Querschnitt Y-Y gezeichneten resultierenden Spannungszustand am Umfang der Welle nur noch maximale Zugspannun gen in Höhe der Differenz Tmax- S auftreten.
In Fig. 4 ist die behandelte Welle dargestellt, wobei den eingeschlossenen inneren Spannungen die maximalen Druckspannungen infolge der Biege- Wechselbeanspruchung überlagert sind. Man erkennt, dass für den im Querschnitt Y-Y gezeichneten resultierenden Spannungszustand am Umfang der Welle Druckspannungen in der Höhe der Summe von S plus Tmax auftreten, während Zugspannungen an keiner Stelle des Querschnitts mehr vorhanden sind.
Infolgedessen wird nach der beschriebenen Be handlung die Festigkeitsreserve der Welle gegenüber Biegewechselbeanspruchung ausserordentlich gestei gert, so dass sich ihre Dauerhaltbarkeit und im Zu sammenhang mit dem Abbau der Zugspannungen am Umfang und der Erhöhung der Druckspannungen am Umfang auch Korrosionsbeständigkeit und Ab riebfestigkeit der Welle erhöhen.
In Fig. 5 bis 7 sind die Spannungsverhältnisse für eine durch Innendruck beanspruchte Zylinder wand dargestellt, bei der Teile der Oberflächen partien durch Druckanwendung plastisch verformt werden, während die angrenzenden Teile dieser Druckanwendung nicht unterworfen werden.
Die Spannungsverteilung infolge der Druck beanspruchung ist in Fig. 5 auf einem Radialschnitt y-y der unbehandelten Wand dargestellt, wobei mit P die innere Druckbeanspruchung der Wand, r. der Aussenradius der Wand, r1 der Innenradius der Wand und T",ax und T",;" jeweils die maximale und mini male Zugbeanspruchung bezeichnet sind. Die maxi male Zugbeanspruchung tritt demnach auf der Innen seite der Wandung auf, so dass von dort ein Bruch der Wand zu erwarten ist.
In Fig.6 ist der eingeschlossene innere Span nungszustand für den Radialschnitt y-y der Wand dargestellt, der nach dem beschriebenen Verfahren erhalten wird, wobei mit S die maximalen Druck spannungen bezeichnet sind, die an der Innenfläche der Wand auftreten.
In Fig. 7 ist der resultierende Spannungszustand für den Radialschnitt der Wand bei LJberlagerung des Belastungszustandes nach Fig. 5 mit dem Eigenspan nungszustand nach Fig. 6 dargestellt. Man erkennt, dass an der kritischen Stelle, das heisst an der Innen fläche der Wand, keine Zugspannungen mehr vorhan den sind, die maximalen Zugspannungen vielmehr in die Wand hinein verlagert sind, so dass sie ungefähr lich werden und nicht mehr zum Bruch führen. Die Festigkeitsreserve der Wand ist also erheblich ge steigert worden.
Die verhältnismässig hohen resultierenden Zug spannungen auf der Aussenseite der Wand lassen sich ebenfalls reduzieren, wenn auch Teile der Aussen oberflächen der Wand durch Druckanwendung pla stisch verformt werden, während die angrenzenden Teile dieser Druckanwendung nicht unterworfen wer den. Bei unter stark wechselnden Druckbeanspru chungen stehenden Hohlgefässen ist eine solche Be handlung der Innenwandung jedoch nicht erwünscht, da die hohen resultierenden Zugspannungen auf der Aussenseite als Puffer wirken und dadurch eine zusätzliche Festigkeitsreserve bieten.
Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die Dar stellung der Spannungszustände bei den obigen Demonstrationsbeispielen stark vereinfacht ist, um die Zusammenhänge, die in Wirklichkeit komplizier ter liegen, leichter verständlich zu machen. Tatsäch lich sind die wahren Verhältnisse einer zweidimen sionalen Darstellung nur schwer zugänglich. Grund sätzlich werden die inneren Spannungen, die in dem Konstruktionselement aufgebaut werden, aber in der veranschaulichten Weise nach den Belastungsspan nungen von Fall zu Fall ausgewählt, so dass ein dem Belastungsspannungszustand entgegengerichteter oder entgegenwirkender Eigenspannungszustand entsteht. Im folgenden sind einige Muster angegeben, nach denen die Oberflächenverformungen angelegt werden können, und ihr Anwendungszweck erwähnt.
Eine grundsätzliche Darstellung der angelegten Oberflächenverformungen 2 gibt Fig. 8 wieder. Während der Abschnitt (A) vorherrschend plastisch verformt ist, bleibt im Abschnitt (B) der elastische Zustand erhalten. Infolgedessen übertragen sich nach dem Verflechtungsphänomen aus dem Abschnitt (A) Druckspannungen auf den Abschnitt (B), so dass in der Oberfläche durchgehend Druckeigenspannungen aufgebaut werden. Durch entsprechende Einstellung von Tiefe, Ausbildung, Verteilung und Form der Eindrücke 2 hat man es in der Hand, die Druck eigenspannungen in der Oberfläche zu regulieren.
Fig. 9 zeigt schematisch ein auf einer Welle oder einer runden Metallstange 4 angelegtes Muster von spiralförmig verlaufenden Oberflächenverformungen 5 und 6. Durch die spiralförmige Anlage mit mehr oder minder grossen Steigungen liegen die normal zu der Verformungsrichtung aufgebauten Eigendruck spannungen in der Oberfläche nicht mehr achspar- allel. Es hat sich gezeigt, dass die zulässige Biege wechselfestigkeit einer Welle dann ihren Höchstwert erreicht, wenn das Verhältnis von längs- zu quer verlaufenden Eigendruckspannungen grösser ist als 1, wie es bei dem Muster nach Fig. 9 ungefähr der Fall ist.
Zur Erhöhung der Festigkeitsreserve von z. B. Bohrrohren, Drehstangen, Rohren, Wellen, Torsions federn und dergleichen gegenüber Drehbeanspruchun gen, bei der die Belastungsspannungen unter einem Winkel von 45 zur Achse liegen, ist ein Muster zweckmässig, bei dem die Steigungen der Eindrücke und Vertiefungen verhältnismässig gross sind. Der artige Muster sind in Fig. 10 und 11 dargestellt. Während nach Fig. 10 die Eindrücke in Form von Rinnen zueinander parallel und diagonal auf der Oberfläche des Bauelementes verlaufen, sind in Fig. 11 zwei Gruppen einander kreuzender Rinnen dargestellt, so dass auch die Eigenspannungen in sich kreuzenden Richtungen aufgebaut werden und dem gemäss in beiden Beanspruchungsrichtungen wirken.
Nach Fig. 12 verlaufen die in der Oberfläche angelegten Verformungen 11 in gleichem Abstand voneinander und quer zu einer Beanspruchungsachse. Damit lässt sich etwa der in Fig. 2 dargestellte Eigen spannungszustand erreichen.
Als weiteres Muster für die Anlage der Ober flächenverformungen ist in Fig. 15 die Kreisform angedeutet. Die einzelnen Rinnen 13 verlaufen als konzentrische Kreise. Dementsprechend ergibt sich ein strahlenförmig gerichteter Eigenspannungszustand, der etwa Belastungsspannungen mit punktförmig stei gendem Maxima entgegengerichtet ist.
In Fig. 16, 17 und 18 sind die häufigsten Form gebungen der Rinnen und Vertiefungen dargestellt. Am zweckmässigsten hat sich die in Fig. 16 gezeigte abgerundete U-Form erwiesen, bei der eine gleich mässige Druckeigenspannung über die Oberfläche des Bauteiles 14 verteilt wird.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist jedoch an Stelle der Rinne 15 häufig die in Fig. 17 dargestellte V-förmige Rinne 16 vorzu ziehen, insbesondere dann, wenn es sich um sehr harte Oberflächen handelt. Fig. 18 zeigt schliesslich eine rhomboidisch geformte Rinne 17, die bei An legen der Oberflächenverformungen in Innenflächen bevorzugt wird.
Die Rinnen und Vertiefungen sind mindestens 0,025 mm tief. Diese geringe Tiefe gilt für besonders harte Metalle. Im allgemeinen ist eine Tiefe von 0,1 bis 0,4 mm empfehlenswert. Die gewählte Tiefe hängt im übrigen von der Form der Eindrücke und Vertiefungen ab, wie auch der Abstand zwi schen den einzelnen Rinnen und Vertiefungen. Die bevorzugte Entfernung zwischen den Rinnen und Vertiefungen ist 3,2 bis 0,4 mm. Im allgemeinen ist ein Abstand von 1,00 mm empfehlenswert.
Zum Nachweis der erreichten Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von Konstruktionselementen sollen die folgenden praktischen Anwendungsbeispiele angeführt werden, bei denen der eingeschlossene Spannungszustand nach dem in den USA genormten strip or split ring -Verfahren nach Almen ermittelt ist.
<I>Beispiel 1</I> Teile der Oberflächenpartien von 2,5 mm starken, 75 mm langen und 12,5 mm breiten Platten aus hartem Stahl werden durch Anwendung von 320 kg Druck plastisch verformt, während die angrenzenden Teile dieser Druckanwendung nicht unterworfen wer den, wobei das Verhältnis der Flächen der behandel- ten zu den unbehandelten Teilen variiert und an schliessend jeweils die bleibende Dehnung, welche ein Mass für die eingeschlossene innere Druckspannung und damit für die Erhöhung der Festigkeitsreserve bietet, gemessen wird. Dieses Prüfverfahren ist unter dem Begriff Almen-Platte bekannt.
Folgende Ergebnisse wurden erhalten:
EMI0004.0002
Abstände <SEP> Breite <SEP> Unbehandelter <SEP> Abschnitt <SEP> Bleibende
<tb> von <SEP> Rinnen <SEP> der <SEP> Rinnen <SEP> Breite <SEP> Oberfläche <SEP> Biegung
<tb> in <SEP> mm <SEP> in <SEP> mm <SEP> mm <SEP> % <SEP> 1/100o <SEP> m
<tb> nicht <SEP> behandelte <SEP> Platte <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 3,17 <SEP> 0,6 <SEP> 2,57 <SEP> 81 <SEP> 15
<tb> 1,59 <SEP> 0,6 <SEP> 0,99 <SEP> 62 <SEP> 15
<tb> 1,06 <SEP> 0,6 <SEP> 0,46 <SEP> 43 <SEP> 27
<tb> 0,80 <SEP> 0,6 <SEP> 0,20 <SEP> 24 <SEP> 34 <I>Beispiel 2</I> Stahl mit 0, 8 0/o C, 0,25 0/o Mn, 0,18 0/o P, 0,15 0/0 Si, 0,018% S, Rest Fe wurde einmal mit Kugeln gestrahlt und zum anderen gewalzt.
Die Vergleichs prüfung ergab: Bei einer Spannung von 42 kg/mm2 brach die unbehandelte Metallprobe nach 56 000 Lastwechseln; die kugelgestrahlte Metallprobe nach 65000 Last wechseln und die in Mustern gewalzte nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelte Metallprobe nach 465000 Lastwechseln. <I>Beispiel 3</I> Eine 25,4 mm dicke viereckige Cr-Ni-Mo-Bohr- stange wird mit einem Muster von 0,4 mm tiefen Rinnen in Abständen von 1 mm unter einem Druck von 320 kg spiralförmig gewalzt.
Danach wird die Bohrstange unter Biegewechselspannungen belastet mit folgendem Resultat:
EMI0004.0006
Belastungs- <SEP> Maximale <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Lastwechsel <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> Steigerung
<tb> Biegemoment <SEP> Spannung <SEP> der <SEP> Zeitfestigkeit
<tb> mkg <SEP> kg/mm2 <SEP> vor <SEP> der <SEP> Behandlung <SEP> nach <SEP> der <SEP> Behandlung <SEP> xmal
<tb> 80,5 <SEP> 40 <SEP> 350000 <SEP> ohne <SEP> Bruch <SEP> 17
<tb> nach <SEP> <B>6000000</B>
<tb> 92,1 <SEP> 46 <SEP> 282000 <SEP> nach <SEP> 6000000 <SEP> 21,5
<tb> 103,5 <SEP> 5<B>1</B>,8 <SEP> 80000 <SEP> nach <SEP> 6000000 <SEP> 75 <I>Beispiel 4</I> Eine ähnliche Prüfung einer 22,225 mm viereckigen Stange aus einfachem Kohlenstoffstahl in Form einer Bohrstange ergab das folgende Resultat:
EMI0004.0007
Belastungs- <SEP> Maximale <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Lastwechsel <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> Steigerung
<tb> Biegemoment <SEP> Spannung <SEP> der <SEP> Zeitfestigkeit
<tb> mkg <SEP> kg/mm2 <SEP> vor <SEP> der <SEP> Behandlung <SEP> nach <SEP> der <SEP> Behandlung <SEP> xmal
<tb> 57,5 <SEP> 43,0 <SEP> 90000 <SEP> <B><I>1055000</I></B> <SEP> 11,5 <I>Beispiel 5</I> 1,65 mm dicke Platten aus einer Aluminium legierung mit 3,8--4,9% Cu, max. 0,5% Fe, 1,2 bis 1,8% Mg, 0,3-0,91%, Mn, max.
0,51% Si und Rest Al, die einer Ausscheidungshärtung und künst lichen Alterung unterworfen und beiderseits mit einer dünnen Reinaluminiumschicht plattiert ist und aus einer Magnesiumlegierung mit 1,5 Mn, Rest Mg wurden entsprechend Beispiel 1 behandelt, wobei ein Druck von 22,5 kg angewendet wurde mit folgen dem Resultat:
EMI0005.0000
<I>Aluminiumlegierung</I>
<tb> Unbehandelter
<tb> Abstand <SEP> Breite <SEP> Probeabschnitt <SEP> Bleibende
<tb> zwischen <SEP> Rinnen <SEP> der <SEP> Rinnen <SEP> Breite <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP> % <SEP> 1/100o <SEP> mm
<tb> nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2,38 <SEP> 0,5 <SEP> 1,88 <SEP> 79,2 <SEP> 12,7
<tb> 1,19 <SEP> 0,5 <SEP> 0,69 <SEP> 58,0 <SEP> 20,3
<tb> 0,80 <SEP> 0,5 <SEP> 0,30 <SEP> 36,7 <SEP> 28,0
<tb> Magnesiumlegierung
<tb> Abstand <SEP> Breite <SEP> Unbehandelter <SEP> Bleibende
<tb> Probeabschnitt
<tb> zwischen <SEP> Rinnen <SEP> der <SEP> Rinnen <SEP> Breite <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP> % <SEP> 1/100o <SEP> mm
<tb> nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2,38 <SEP> 0,6 <SEP> 1,78 <SEP> 74,8 <SEP> 12,7
<tb> 1,19 <SEP> 0,6 <SEP> 0,59 <SEP> 49,6 <SEP> 30,5
<tb> 0,
80 <SEP> 0,6 <SEP> 0,2 <SEP> 24,1 <SEP> 45,7 <I>Beispiel. 6</I> 1,65 mm dicke plastische Kunststoffplatten erga ben nach Behandlung unter einem angewandten Druck von 22,5 kg gemäss Beispiel 1 die folgenden Resultate:
EMI0005.0002
Unbehandelter
<tb> Abstand <SEP> Breite <SEP> Probeabschnitt <SEP> Bleibende
<tb> zwischen <SEP> Rinnen <SEP> der <SEP> Rinnen <SEP> Breite <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP> % <SEP> 1/1o00 <SEP> <B>--</B>
<tb> nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 1,06 <SEP> 0,6 <SEP> 0,47 <SEP> 43 <SEP> 63,5 Eine der Vorrichtungen zur Ausführung oben beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 19 gezeigt.
Der Apparat, der an eine Drehbank oder andere Werk zeugmaschinen angeschlossen werden kann, umfasst ein Untergestell 18, eine aufrechte, feststehende Stütze 19 und eine aufrechtstehende bewegliche Stütze 20, die gleitbar am Untergestell 18 durch die Schraube 21 eingestellt werden kann.. Die beiden Stützen 19 und 20 haben je eine drehbare Büchse 22, welche durch eine Stellschraube 23 festgehalten wird. Eine Walzenstütze 24 ist gleitbar auf die Büchse 22 aufgesetzt. Das Ende der Walzenstütze 24 hat eine rohrförmige Form 25, um eine Feder 26 in Position zu halten. Das gegenüberliegende Ende trägt eine Walze 27 auf der Achse 28.
Die Spannung der Feder 26 kann nach Wunsch durch die Schraubkappe 29 eingestellt werden. 30 zeigt das Konstruktionselement während des Arbeitsprozesses, in diesem Fall der Bearbeitung einer viereckigen Bohrstange. Jede Walze hat eine Arbeitsfläche, wie z. B. in Fig. 26 bis 32 gezeigt. Die Peripherie der Walze kann glatt oder gezackt sein. In 31 auf der Walze 32 ist in Fig. 26 eine Walze für parallele Muster ähnlich Fig. 12 gezeigt. Fig. 12 zeigt eine Walze 32 für diagonale Muster ähnlich dem Muster in Fig. 10 und 11, wobei die Eindrücke unter 45 verlaufen; zwei solche Walzen eine mit Neigung nach links und eine mit Nei gung nach rechts - werden für die Muster nach Fig. 11 benutzt.
Fig. 28 zeigt eine Walze 32 mit zwei versetzten, voneinander beabstandeten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke 31 zu vermehren, die parallel zur Drehachse der Walze 32 verlaufen. Fig.29 zeigt wie Fig.28 eine Walze 32 mit zwei versetzten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke zu vermehren, die jedoch unter 45 zur Drehachse der Walze 32 verlaufen. Fig. 30 veranschaulicht die zweckmässige Ausführung einer Walze 32 zum Wal zen kegelförmiger Ansatzteile, z. B. des konischen Befestigungsteils einer Bohrstange.
Verständlicher weise kann das konische, parallel oder anderweitig geformte Teil der Oberflächen auf zwei oder mehr Walzen vorgesehen werden anstatt - wie gezeigt nur auf einer. Besonders sei herausgestellt, dass die Belastungskante der Walzen 32 so gestaltet werden kann, dass die Berührung .mit dem zu behandelnden Gegenstand erleichtert wird. Fig. 31 zeigt eine Walze 32 mit einfachen und mehrfachen spiralförmigen Mustern, bei denen die Rillen 31 unter sehr steilen Winkeln zur Drehachse der Walze .verlaufen.
Fig. 32 zeigt ein Beispiel einer Profilwalze 32 für eine ge formte Fläche, nämlich einen Gewinde-Bohrspitzen halter und dessen Verbindungen und Kerbe nach Fig. 41 und 42, wobei die Rollen 31 im wesentlichen parallel zur Drehachse der Walze 32 verlaufen.
Da die Walzen 27 durch die Federn gegenein ander gedrängt werden, kann diese Vorrichtung Ein drücke und Rinnen auf Elemente mit unterschied lichen Abmessungen über den Querschnitt einwalzen. Der Winkel zwischen den Rillen 31 und der Dreh achse der Walze 32 kann in Abhängigkeit von der gewünschten Behandlung zwischen 0 und 90 vari ieren.
Die gezeigten Walzentypen stellen lediglich Aus führungsbeispiele dar. Es ist möglich, Anzahl und Richtung der Rillen oder Vertiefungen zu verändern. 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 Eindrücke oder Rillen verwendet werden, während die andere Walze eine glatte Mantelfläche hat und dazu dient, den Druck der ersten Walze auszugleichen und das behandelte Teil oder die verwendete Vorrich tung zu führen. Die glatte Walze wird zum Glätten oder Überwalzen des durch die erste Walze erzeug ten Musters verwendet. Falls bei irgendeinem Arbeits gang mehr als zwei Walzen eingesetzt werden, kann wenigstens eine Walze zur Prägung und wenigstens eine der restlichen Walzen zum Glätten oder Über walzen benutzt werden.
Die Behandlung von Bau teilen nach einem Verfahren, das das Überwalzen einschliesst, ist sehr geeignet, um die inneren Span nungszustände genau aufzubauen und zu regulieren.
Besonders sei in diesem Zusammenhang ange führt, dass die Belastungskante irgendeiner Walze kegelig oder andersartig geformt sein kann, um die Berührung mit dem zu behandelnden Gegenstand zu erleichtern.
Die Vorrichtung nach Fig. 20 gleicht der Vorrich tung nach Fig. 19 mit dem Unterschied, dass der Druck auf die Walzenstücke 33 durch hydraulische Kolben 34 und Zylinder 35 ausgeübt wird. Das zum Betrieb erforderliche flüssige Medium wird durch Rohre 36 zugeführt.
Die in Fig. 21, 22, 23 und 24 veranschaulichten Vorrichtungen dienen zur Behandlung innerer Ober flächen von hohlen Bauteilen, z. B. Zylindern, Hohl wellen, Hohlachsen, Rohren, Gewehrläufen, Bohr rohren und dergleichen mehr.
Die Vorrichtung nach Fig. 21 besteht aus einem Grundteil 18 mit einer Bohrung, in der in doppelter Kniehebelanordnung ein Walzenpaar 27 drehbar auf Achsen 27 gelagert ist. Eine Feder 26 belastet die Kniehebelanordnung über die Führung 24 und kann durch die Konterschraube 29 in dem Grundteil 18 justiert werden.
Der in Fig. 22 dargestellte Apparat besteht aus einem Grundteil 35 mit einer in Längsrichtung durch- gehenden Bohrung, in der ein Paar Kolben 34 laufen. Jeder Kolben trägt auf einer Achse 28 eine drehbar gelagerte Walze 27. Durch die Öffnung wird auf den Kolben 34 und damit auf die Walzen 27 der erfor derliche Druck hydraulisch ausgeübt. Erforderlichen falls kann dieser Apparat auf einen solchen mit festem Durchmesser dadurch abgeändert werden, dass die Hydraulik durch eine Federung mit entsprechenden Anschlagbegrenzungen ersetzt wird.
Selbstverständlich kann eine beliebige Vorkeh rung getroffen werden, um die Walze in richtiger Lage zur Oberfläche zu halten, die behandelt wer den soll, indem der Kolben an einem Überschreiten einer bestimmten Grenzauslenkung gehindert wird.
Teile von Vorrichtungen mit festen Durchmessern werden in Fig. 23 und 24 gezeigt. Sie bestehen aus einem Tragkopf 24, der auf einer Achse 28 ein drehbar gelagertes Walzenpaar trägt, wobei beide Walzen in festem vorgegebenem Abstand voneinander stehen. Alle hier beschriebenen Vorrichtungen können auf der zu behandelnden Oberfläche entlang gedrückt, gezogen und/oder rotiert werden.
Fig. 33 illustriert eine Modifikation der Vorrich tung nach den Fig. 19 und 20. Die Walze 37 ist durch eine Feder wie in Fig. 19 belastet und die Walze 38 auf die Stütze 39 durch die Achse 40 auf gesetzt. Der erforderliche Druck auf Stütze 39 wird über einen Hebelarm 41 durch eine Feder 42 aus geübt. Der Mechanismus des Hebelarmes ermöglicht für einen vorgegebenen Druck die Verwendung einer leichteren Feder.
Die Vorrichtung, welche ein Drehfutter 43 und eine Drehspindel 44 hat, ist so gebaut, dass sie an eine normale Drehbank angeschlossen werden kann. Die Stange 45 wird durch das Drehfutter 43 zwischen den Walzen 37 und 38 gedreht, um das gewünschte Muster 46 zu formen. An Stelle der Feder können auch hydraulische Zylinder nach Fig. 20 verwendet werden.
Eine noch andere Form der Vorrichtung wird in Fig. 34, 35 und 36 gezeigt. Die Vorrichtung besitzt ein Untergestell 47, welches an einem normalen Drehbankbett befestigt werden kann, einen fest stehenden Rahmen 48, der auf das Untergestell 47 aufgesetzt wird, und einen verstellbaren Rahmen 49, der gleitbar von dem feststehenden Rahmen getragen wird und durch die Schrauben 50 verstell- und anpass- bar ist. Der bewegliche Rahmen hat einen unteren Tragarm 51 und ein Obergestell 52 mit einem durch laufenden Zylinder 53. Eine rohrförmige Hülse oder ein Walzentragrahmen 54 stützt eine Achse 55 und Walze 56.
Die Walze 56 ist auf dem unteren Ende des Zylinders 53 gleitend verstellbar aufgesetzt und wird durch einen Keil geführt, welcher durch eine Schraube 57 befestigt ist. Eine kelchförmige Schrau benmutter 58 auf dem oberen Ende des Zylinders 53 reguliert den Druck der Feder 59 im Zylinder 53. Diese kelchförmige Schraubenmutter liegt zwischen der Hülse 54 und der Schraubenmutter 58. 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 Wal zen auseinandergedrückt.
Der Druck auf die Walze 56 wird durch die Hülse 54 zum unteren Ende der Feder 59 übertragen und der Druck auf Walze 60 durch ein bewegliches Glied 49 und die Schrauben mutter 58 zum oberen Ende der Feder 59 geführt.
In der praktischen Anwendung wird die oben beschriebene Vorrichtung auf eine gewöhnliche Dreh bank 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, Zylinder 35 und Rohre 36, wie in Fig. 20 und 21, auf das Element ausgeübt. Wenn die Drehbank arbeitet, wird das Konstruktionselement gedreht und das gewünschte Muster eingedrückt. Die verschie denen oben beschriebenen Vorrichtungen können für längsweises, querweises und spiralförmiges Musterwalzen benutzt werden, je nach entsprechen der Einstellung der Walzen und entsprechender Be wegung des Elementes unter Behandlung. Falls ge wünscht, können eine oder mehrere Walzen verwen det werden.
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 Eindrücke, 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 kann eine glatte Mantelfläche haben, entweder um den Druck der Musterwalze aus zubalancieren oder/und um das Muster zu glätten und zu überwalzen.
Beispiele 3 und 4 zeigen die Behandlung von Bohrstangen, Bohrerspitzenhaltern, Bohrrohren, Bohr spitzen, Achsen, Wellen, Rohren usw. und Verbin dungsglieder all dieser obengenannten Teile. Der Abschnitt des Konstruktionselementes, welcher den Bohrer oder andere Elemente hält, ist dem Bruch oder einer Beschädigung am stärksten ausgesetzt. Die Widerstandsdauerfestigkeit dieses Abschnittes des Elementes wird durch Anwendung der oben ausge führten Erfindung um mindestens 700/o verlängert. In manchen Bohrprüfungen ist die Widerstands fähigkeit um 7001h, vergrössert worden und in vielen Fällen brach die Bohrstange in dem unbehandelten Abschnitt.
Eine besonders empfehlenswerte Ausführungs form einer Bohrstange und eines Bohrhalters, wie auch Bohrrohr, Achsen, Wellen und Rohre, wird in Fig.37-42 gezeigt. Der Bohrerspitzenhalter oder die Verbindungsenden 63 der Bohrstange 64 sind auf einer bestimmten Länge behandelt worden, um Rin nen und Vertiefungen 65 in verschiedenen Mustern einzudrücken. Das behandelte Ende der Bohrstange kann durch eine einhüllende Kappe oder durch einen aus einem Stück gezogenen Hut 66 aus homogenem oder plattiertem Metall geschützt werden.
Wenn die Bohrstange oder dergleichen so eingehüllt in die Fassung der Bohrerspitze 67 oder anderen Verbin dungen gedrückt wird, so füllt das Metall die Ein drücke und schützt letztere vor Passungsrost und Korrosion, das dadurch die gewünschten Festigkeits eigenschaften beibehält. Das gleiche trifft auf einen schraubenförmigen Bohrspitzenhalter zu, vergleiche Fig. 42, wie auch auf einen Treibbohrerspitzenhalter oder Verbindungsenden anderer Elemente. Der Me tallhut oder geformte Ring 66 ist so gestaltet, dass er den ganzen oder einen Teil des Fassungsabschnittes überdeckt und vor elektrochemischen und mecha nischen Einwirkungen schützt.
In manchen Fällen ist es am besten, die Bohrstange und in ähnlicher Weise Bohrerspitzenhalter, Achsen, Bohrrohr und andere Elemente auf dem gewünschten Abschnitt mit Spiral- eindrücken oder anderen verschiedenen Mustern von Rinnen oder Eintiefungen zu versehen, wie in Fig. 39 gezeigt. Diese besagten Abschnitte 68 können an dem Ende der Bohrstange, das zusätzlichen Be anspruchungen ausgesetzt ist, oder neben den wärme behandelten Teilen 69 oder aber an der Verbindung 63 der Bohrstange oder anderen Elementen liegen.
Eine weitere Massnahme besteht darin, die ganzen Aussen- oder Innenoberflächen von Bohrstangen, Bohrspitzenhaltern, Bohrrohren und deren Verbin dungen in mindestens einem Längsabschnitt spiral förmig zu walzen, wozu die beschriebenen Apparate benutzt werden können. Um ein recht gutes Ergebnis durch Spiralwalzen und Musterwalzen zu erreichen, muss die Oberfläche des obengenannten Elements quer, das heisst fast senkrecht zur Richtung der Maxima der Lastspannungen, gewalzt werden.
Die gleiche Vorrichtung wird zur Behandlung innerer Oberflächen von hohlen Bauteilen, wie z. B. Zylinder, Hohlwellen, Hohlachsen, Druckgefässen, Gewehrläufen, Bohrrohren und dergleichen sowie ihrer Verbindungselemente empfohlen, wobei wenig stens eine Zone unter Anwendung verschiedener Walzenkombinationen der gesamten Oberfläche dieses Elements gewalzt werden sollte, um den vor teilhaften Effekt zu erhalten, wie er vergleichsweise beim sogenannten Passungsrost auftritt.