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.
Method for improving the strength properties of construction elements made of plastically deformable material which has a yield point. The aim of the invention is to improve the strength properties of construction elements, such as. B. Components that are made of plastically deformable material that has a yield point.
The invention aims to achieve this purpose by building an internal stress state enclosed in the material. Accordingly, the method according to the invention is that parts of the surface portions of the Konstruktionsele Mentes are plastically deformed by the application of pressure, while the adjacent parts are not subjected to this pressure application. Between the plastically deformed and the adjoining parts that have remained elastic, internal tensions arise according to the entanglement phenomenon, which remain enclosed in the material and can therefore be referred to as internal stresses of the material.
Since the direction of the internal stresses involved is essentially normal to the plastic deformations and the level of these internal stresses depends on the strength of these plastic deformations, an internal stress state of this type can be determined by controlling the strength of the pressure application and determining its distribution over the Build up surface parts of the construction element that it is directed against the later expected external stress condition due to loading of the construction element and thereby increases its strength reserve.
The size and direction of the enclosed internal stresses can be regulated by various pressure combinations, pressure orientations and pressure distributions as well as the distribution, depth and shape of the plastic deformations. The treatment can also be carried out when the structural element is under load.
The plastic deformations are preferably created in the form of impressions and depressions by rolling, spiral rolling, pressing, pressing, hamming, squeezing, pulling and the like depending on the type of construction element to be treated and the pattern of plastic deformations to be generated on its surface areas.
If necessary, the ridges and waves can comb the depressions and impressions to achieve a smooth surface by machining, such. B. turning, milling or grinding, can be removed without the tensions imposed on the construction element being reduced.
The invention is described in more detail below in application examples and some practical Ausführungsfor men with reference to the drawing.
Fig. 1 shows the alternating bending stress on an untreated shaft, Fig. 2 shows the internal stress state in this shaft after application of the method according to the invention and Fig. 3 and 4 the resulting tensile and compressive stresses when the load state is superimposed according to Fig.1 with the included internal stress state according to Figure 2.
Fig. 5 shows the stress stresses in the wall of a tubular component which is pressurized from the inside.
FIG. 6 shows the internal stress state enclosed in this wall after the method according to the invention has been applied to the inner surface; and FIG. 7 shows the resulting stress stress state when the stresses according to FIGS. 5 and 6 are superimposed.
Fig. 8 is a sectional view of a structural element with plastically deformed and adjoining portions remained normally elastic on the surface.
Figure 9 is a schematic representation of a pattern being rolled into a metal shaft.
Fig. 10, 11, 12, 13 and 15 are further schematic representations of various incorporated patterns.
FIG. 14 is a longitudinal section 14-14 through the pattern in FIG.
16, 17 and 18 are enlarged cross-sections through metal parts, which show various Ausführungsbei games for the grooves and embossing profiles.
19, 20 and 21, 22, 23, 24 are various types of device according to the invention in section.
25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 and 32 are side and front views of various types of rollers.
Fig. 33 is a side view, partially in section, of one type of apparatus.
Figure 34 is a side view, partly in section, of another type of device.
Fig. 35 is the front view of the type shown in Fig. 34.
36 is a section 36-36 through the type shown in FIG.
37 is a longitudinal section through a rock drill rod with drill bit holder and drill bit which has been treated according to the method.
38 is a cross-section 38-38 through the rock drill rod shown in FIG. 37.
39 is a side elevational view, with cutouts, of a cap and drill bit rock drill.
FIG. 40 is a cross section through this rock drill 40-40 in FIG. 39.
41 is an enlarged cross-section of part of the connection between the rock drill rod and the drill bit of the rock drill of FIG. 39.
Figure 42 is a view of the threads of a drill bit holder.
In the example illustrated in FIGS. 1 to 4, the maximum tensile stresses are denoted by + Tmax and the maximum compressive stresses are denoted by -T "max, which occur in the cross-section YY at the circumference of a shaft in the case of alternating bending stresses. In Fig. 1 is below of the shaft, the load pattern for a circumferential point of the shaft as a function of the time t1 for a load change is indicated schematically. It can be seen that in the untreated shaft in Fig. 1, the maximum tensile loads that are decisive for the breakage are fully on the surface Effect come.
As shown in Fig. 2, parts of the upper surface parts of the shaft are plastically deformed by the application of pressure, while the adjacent parts are not subjected to this application of pressure, so that an enclosed internal stress state is built up in the cross section YY, in which compressive stresses of the size - S in a narrow edge zone of the circumference of relatively low tensile stresses of the size + S are kept in balance inside the shaft.
Fig. 3 illustrates the case for the treated shaft when the included internal stresses are superimposed on the maximum tensile stresses due to the alternating bending stress. It can be seen that for the resulting stress state drawn in the cross section Y-Y, only maximum tensile stresses of the amount of the difference Tmax-S occur at the circumference of the shaft.
In Fig. 4, the treated shaft is shown, the internal stresses included, the maximum compressive stresses due to the alternating bending stress are superimposed. It can be seen that for the resulting stress state drawn in the Y-Y cross section, compressive stresses in the amount of the sum of S plus Tmax occur on the circumference of the shaft, while tensile stresses are no longer present at any point in the cross section.
As a result, after the treatment described, the strength reserve of the shaft against alternating bending stress is extraordinarily increased, so that its durability and, in connection with the reduction in tensile stresses on the circumference and the increase in compressive stresses on the circumference, also increase the shaft's corrosion resistance and abrasion resistance.
In Fig. 5 to 7, the stress conditions for a stressed by internal pressure cylinder wall are shown, in which parts of the surface parts are plastically deformed by the application of pressure, while the adjacent parts are not subjected to this pressure application.
The stress distribution as a result of the compressive stress is shown in Fig. 5 on a radial section y-y of the untreated wall, where P is the internal compressive stress on the wall, r. the outer radius of the wall, r1 the inner radius of the wall and T ", ax and T" ,; "the maximum and minimum tensile stress are designated. The maximum tensile stress occurs on the inside of the wall, so that from there Wall breakage is expected.
In Figure 6, the enclosed internal stress state for the radial section y-y of the wall is shown, which is obtained by the method described, with S denotes the maximum compressive stresses that occur on the inner surface of the wall.
FIG. 7 shows the resulting stress state for the radial section of the wall when the load state according to FIG. 5 is superimposed with the residual stress state according to FIG. It can be seen that at the critical point, i.e. on the inner surface of the wall, there are no longer any tensile stresses, rather the maximum tensile stresses are shifted into the wall, so that they are safe and no longer lead to breakage. The strength reserve of the wall has thus been increased considerably.
The relatively high resulting tensile stresses on the outside of the wall can also be reduced if parts of the outer surfaces of the wall are plastically deformed by the application of pressure, while the adjacent parts are not subjected to this application of pressure. In the case of hollow vessels that are subject to highly fluctuating pressures, such treatment of the inner wall is not desirable, since the resulting high tensile stresses act as a buffer on the outside and thus offer additional strength reserves.
It should also be pointed out that the representation of the stress states in the demonstration examples above is greatly simplified in order to make the relationships, which are actually more complicated, easier to understand. In fact, the true relationships are difficult to access in a two-dimensional representation. In principle, the internal stresses that are built up in the structural element are selected from case to case, however, in the manner illustrated according to the loading stresses, so that an internal stress state that is opposite or counteracting the stress stress state arises. In the following some patterns are given according to which the surface deformations can be applied and their purpose is mentioned.
A basic illustration of the applied surface deformations 2 is shown in FIG. 8. While section (A) is predominantly plastically deformed, section (B) maintains the elastic state. As a result, after the entanglement phenomenon, compressive stresses are transferred from section (A) to section (B), so that internal compressive stresses are continuously built up in the surface. By setting the depth, training, distribution and shape of the impressions 2 accordingly, it is in the hand to regulate the internal pressure stresses in the surface.
9 shows schematically a pattern of helically running surface deformations 5 and 6 applied to a shaft or a round metal rod 4. Due to the helical contact with more or less steep slopes, the inherent compressive stresses built up normal to the direction of deformation are no longer axially in the surface. allele. It has been shown that the permissible alternating bending strength of a shaft reaches its maximum value when the ratio of longitudinal to transverse internal compressive stresses is greater than 1, as is approximately the case with the sample according to FIG.
To increase the strength reserve of z. B. drill pipes, torsion bars, tubes, shafts, torsion springs and the like against Drehbeanspruchun gene, in which the loading stresses are at an angle of 45 to the axis, a pattern is useful in which the slopes of the impressions and depressions are relatively large. Such patterns are shown in FIGS. 10 and 11. While according to FIG. 10 the impressions in the form of grooves run parallel and diagonally to one another on the surface of the component, in FIG. 11 two groups of intersecting grooves are shown so that the internal stresses are also built up in intersecting directions and accordingly in both Load directions act.
According to FIG. 12, the deformations 11 created in the surface run at the same distance from one another and transversely to a stress axis. The inherent stress state shown in FIG. 2 can thus be achieved.
As a further pattern for the plant of the upper surface deformations, the circular shape is indicated in FIG. The individual channels 13 run as concentric circles. Correspondingly, there is a radial internal stress state, which is opposed to stress stresses with point-wise rising maxima.
In Fig. 16, 17 and 18 the most common shapes of the grooves and depressions are shown. The rounded U-shape shown in FIG. 16 has proven to be most expedient, in which a uniform residual compressive stress is distributed over the surface of the component 14.
For manufacturing reasons, however, instead of the channel 15, the V-shaped channel 16 shown in FIG. 17 is often preferred, especially when the surfaces are very hard. Finally, FIG. 18 shows a rhomboid-shaped channel 17 which is preferred when applying the surface deformations in inner surfaces.
The grooves and recesses are at least 0.025 mm deep. This shallow depth applies to particularly hard metals. In general, a depth of 0.1 to 0.4 mm is recommended. The depth chosen also depends on the shape of the impressions and depressions, as well as the distance between the individual channels and depressions. The preferred distance between the grooves and depressions is 3.2 to 0.4 mm. In general, a distance of 1.00 mm is recommended.
To demonstrate the improvement in the strength properties of construction elements, the following practical application examples should be given, in which the enclosed stress state is determined according to the Almen strip or split ring method standardized in the USA.
<I> Example 1 </I> Parts of the surface areas of 2.5 mm thick, 75 mm long and 12.5 mm wide plates made of hard steel are plastically deformed by the application of 320 kg of pressure, while the adjacent parts are not subjected to this application of pressure where the ratio of the areas of the treated to the untreated parts varies and the permanent elongation, which provides a measure for the enclosed internal compressive stress and thus for the increase in the strength reserve, is then measured. This test method is known as the Almen plate.
The following results were obtained:
EMI0004.0002
Spacing <SEP> Width <SEP> Untreated <SEP> Section <SEP> Remaining
<tb> of <SEP> channels <SEP> of <SEP> channels <SEP> width <SEP> surface <SEP> bend
<tb> in <SEP> mm <SEP> in <SEP> mm <SEP> mm <SEP>% <SEP> 1 / 100o <SEP> m
<tb> <SEP> not treated <SEP> disk <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> Example 2 </I> Steel with 0.8 0 / o C, 0.25 0 / o Mn, 0.18 0 / o P, 0.15 0/0 Si, 0.018% S, remainder Fe was blasted once with balls and then rolled.
The comparison test showed: At a tension of 42 kg / mm2, the untreated metal sample broke after 56,000 load changes; change the shot-peened metal specimen after 65,000 load changes and the metal specimen rolled in patterns according to the method according to the invention after 465,000 load changes. <I> Example 3 </I> A 25.4 mm thick square Cr-Ni-Mo drill rod is rolled in a spiral shape with a pattern of 0.4 mm deep grooves at intervals of 1 mm under a pressure of 320 kg.
The boring bar is then loaded under alternating bending stresses with the following result:
EMI0004.0006
Load <SEP> Maximum <SEP> number <SEP> of <SEP> load changes <SEP> to <SEP> to <SEP> break <SEP> increase
<tb> bending moment <SEP> stress <SEP> of the <SEP> fatigue strength
<tb> mkg <SEP> kg / mm2 <SEP> before <SEP> the <SEP> treatment <SEP> after <SEP> the <SEP> treatment <SEP> x times
<tb> 80.5 <SEP> 40 <SEP> 350000 <SEP> without <SEP> break <SEP> 17
<tb> according to <SEP> <B> 6000000 </B>
<tb> 92.1 <SEP> 46 <SEP> 282000 <SEP> after <SEP> 6000000 <SEP> 21.5
<tb> 103,5 <SEP> 5 <B> 1 </B>, 8 <SEP> 80000 <SEP> according to <SEP> 6000000 <SEP> 75 <I> Example 4 </I> A similar test of a 22,225 mm square bar made of simple carbon steel in the form of a boring bar gave the following result:
EMI0004.0007
Load <SEP> Maximum <SEP> number <SEP> of <SEP> load changes <SEP> to <SEP> to <SEP> break <SEP> increase
<tb> bending moment <SEP> stress <SEP> of the <SEP> fatigue strength
<tb> mkg <SEP> kg / mm2 <SEP> before <SEP> the <SEP> treatment <SEP> after <SEP> the <SEP> treatment <SEP> x times
<tb> 57.5 <SEP> 43.0 <SEP> 90000 <SEP> <B><I>1055000</I> </B> <SEP> 11.5 <I> Example 5 </I> 1 , 65 mm thick plates made of an aluminum alloy with 3.8--4.9% Cu, max. 0.5% Fe, 1.2 to 1.8% Mg, 0.3-0.91%, Mn, max.
0.51% Si and the remainder Al, which is subjected to precipitation hardening and artificial aging and is plated on both sides with a thin layer of pure aluminum and made of a magnesium alloy with 1.5 Mn, the remainder Mg, were treated according to Example 1, with a pressure of 22.5 kg was applied with the following result:
EMI0005.0000
<I> Aluminum alloy </I>
<tb> Untreated
<tb> Distance <SEP> Width <SEP> Trial section <SEP> Remaining
<tb> between <SEP> channels <SEP> of <SEP> channels <SEP> width <SEP> bend
<tb> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP>% <SEP> 1 / 100o <SEP> mm
<tb> not <SEP> handled <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> magnesium alloy
<tb> Distance <SEP> Width <SEP> Untreated <SEP> Remaining
<tb> rehearsal section
<tb> between <SEP> channels <SEP> of <SEP> channels <SEP> width <SEP> bend
<tb> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP>% <SEP> 1 / 100o <SEP> mm
<tb> not <SEP> handled <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> Example. 6 </I> 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:
EMI0005.0002
Untreated
<tb> Distance <SEP> Width <SEP> Trial section <SEP> Remaining
<tb> between <SEP> channels <SEP> of <SEP> channels <SEP> width <SEP> bend
<tb> mm <SEP> mm <SEP> mm <SEP>% <SEP> 1 / 1o00 <SEP> <B> - </B>
<tb> not <SEP> handled <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 1.06 <SEP> 0.6 <SEP> 0.47 <SEP> 43 <SEP> 63.5 One of the devices for carrying out the above-described method is shown in FIG.
The apparatus, which can be connected to a lathe or other machine tools, comprises a base 18, an upright fixed support 19 and an upright movable support 20 which can be slidably adjusted on the base 18 by 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. A roller support 24 is slidably fitted on the sleeve 22. The end of the roller support 24 has a tubular shape 25 to hold a spring 26 in place. The opposite end carries a roller 27 on the axle 28.
The tension of the spring 26 can be adjusted by means of the screw cap 29 as desired. 30 shows the construction element during the working process, in this case the machining of a square boring bar. Each roller has a work surface, such as B. shown in Figs. 26-32. The periphery of the roller can be smooth or jagged. In 31 on the roller 32 in FIG. 26 a roller for parallel patterns similar to FIG. 12 is shown. Figure 12 shows a diagonal pattern roller 32 similar to the pattern of Figures 10 and 11 with the indentations at 45; two such rollers - one inclined to the left and one inclined to the right - are used for the pattern of FIG.
28 shows a roller 32 with two offset, spaced-apart rows of teeth in order to increase the number of impressions 31 which run parallel to the axis of rotation of the roller 32. FIG. 29 shows, like FIG. 28, a roller 32 with two rows of teeth offset in order to increase the number of impressions, which, however, run below 45 to the axis of rotation of roller 32. Fig. 30 illustrates the appropriate embodiment of a roller 32 for rolling zen conical attachment parts, for. B. the conical fastening part of a drill rod.
Understandably, the conical, parallel or otherwise shaped part of the surfaces can be provided on two or more rollers instead of - as shown only on one. It should be emphasized in particular that the loading edge of the rollers 32 can be designed in such a way that contact with the object to be treated is facilitated. Fig. 31 shows a roller 32 with single and multiple spiral patterns in which the grooves 31 run at very steep angles to the axis of rotation of the roller.
Fig. 32 shows an example of a profile roller 32 for a ge shaped surface, namely a threaded drill bit holder and its connections and notch according to FIGS. 41 and 42, the rollers 31 running parallel to the axis of rotation of the roller 32 substantially.
Since the rollers 27 are urged against each other by the springs, this device can press a and roll channels on elements with different union dimensions across the cross section. The angle between the grooves 31 and the axis of rotation of the roller 32 can vary between 0 and 90 depending on the desired treatment.
The roller types shown are only exemplary embodiments. It is possible to change the number and direction of the grooves or depressions. 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 be used to make the necessary impressions or 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 for smoothing or rolling over the pattern generated by the first roller. If more than two rollers are used in any work course, at least one roller can be used for embossing and at least one of the remaining rollers for smoothing or rolling over.
The treatment of construction parts by a process that includes overrolling is very suitable to precisely build up and regulate the internal tension states.
In this context, it should be noted in particular that the loading edge of any roller can be conical or otherwise shaped in order to facilitate contact with the object to be treated.
The device according to FIG. 20 is similar to the device according to FIG. 19 with the difference that the pressure on the roller pieces 33 is exerted by hydraulic pistons 34 and cylinders 35. The liquid medium required for operation is supplied through pipes 36.
The devices illustrated in FIGS. 21, 22, 23 and 24 are used to treat inner upper surfaces of hollow components, e.g. B. cylinders, hollow shafts, hollow axles, pipes, gun barrels, drilling pipes and the like.
The device according to FIG. 21 consists of a base part 18 with a bore in which a pair of rollers 27 is rotatably mounted on axles 27 in a double toggle lever arrangement. A spring 26 loads the toggle lever arrangement via the guide 24 and can be adjusted by means of the counter screw 29 in the base part 18.
The apparatus shown in FIG. 22 consists of a base part 35 with a longitudinally extending bore in which a pair of pistons 34 run. Each piston carries a rotatably mounted roller 27 on an axle 28. Through the opening, the required pressure is applied hydraulically to the piston 34 and thus to the rollers 27. If necessary, this device can be modified to a fixed diameter by replacing the hydraulic system with a suspension system with appropriate limit stops.
Of course, any provision can be made 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.
Portions of fixed diameter devices are shown in Figs. They consist of a support head 24 which carries a rotatably mounted pair of rollers on an axle 28, the two rollers being at a fixed predetermined distance from one another. All devices described here can be pushed, pulled and / or rotated along the surface to be treated.
33 illustrates a modification of the Vorrich device according to FIGS. 19 and 20. The roller 37 is loaded by a spring as in FIG. 19 and the roller 38 is placed on the support 39 through the axis 40. The required pressure on support 39 is exercised via a lever arm 41 by a spring 42. The lever arm mechanism enables a lighter spring to be used for a given pressure.
The device, which has a lathe chuck 43 and a lathe spindle 44, is constructed so that it can be connected to a normal lathe. The rod 45 is rotated between the rollers 37 and 38 by the rotary chuck 43 to form the desired pattern 46. Instead of the spring, hydraulic cylinders according to FIG. 20 can also be used.
Yet another form of device is shown in FIGS. 34, 35 and 36. The device has 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 adjustable by the screws 50 - and is customizable. The movable frame has a lower support arm 51 and an upper frame 52 with a cylinder 53 running through it. A tubular sleeve or roller support frame 54 supports an axle 55 and roller 56.
The roller 56 is slidably mounted on the lower end of the cylinder 53 and is guided by a wedge which is fastened by a screw 57. A cup-shaped screw nut 58 on the upper end of the cylinder 53 regulates the pressure of the spring 59 in the cylinder 53. This cup-shaped screw nut lies between the sleeve 54 and the screw nut 58. The roller 60 on the shaft 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.
The pressure on the roller 56 is transmitted through the sleeve 54 to the lower end of the spring 59 and the pressure on the roller 60 through a movable member 49 and the screw nut 58 to the upper end of the spring 59 out.
In practical use, the device described above is placed on an ordinary lathe and the structural element is clamped in the lathe chuck. The desired pressure is applied to the element by rollers 56 and 60 through spring 59 or by hydraulically driven pistons 34, cylinders 35 and tubes 36, as in FIGS. 20 and 21. When the lathe is working, the construction element is turned and the desired pattern is impressed. The various devices described above can be used for longitudinal, transverse and spiral pattern rolls, depending on the setting of the rolls and corresponding movement of the element under treatment. If desired, one or more rollers can be used.
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 grooves and impressions that are to be transferred to the construction 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 in order to balance the pressure of the pattern roller and / or to smooth and roll over the pattern.
Examples 3 and 4 show the treatment of drill rods, drill bit holders, drill pipes, drill bits, axles, shafts, tubes, etc., and connectors for all of the above-mentioned parts. The portion of the structural element that holds the drill or other element is most susceptible to breakage or damage. The resistance fatigue strength of this section of the element is extended by at least 700 / o by using the invention carried out above. In some drilling tests the resistance has been increased by 7001h and in many cases the drill rod broke in the untreated section.
A particularly recommended embodiment of a drill rod and a drill holder, as well as drill pipe, axles, shafts and pipes, is shown in Fig.37-42. The drill bit holder or the connecting ends 63 of the drill rod 64 have been treated to a certain length in order to impress grooves and depressions 65 in various patterns. The treated end of the drill rod may be protected by a wrap-around cap or by an integral hat 66 of homogeneous or plated metal.
When the drill rod or the like is pressed so wrapped in the socket of the drill bit 67 or other connec tions, the metal fills the pressure and protects the latter from fretting and corrosion, which thereby maintains the desired strength properties. The same applies to a helical bit holder, see Fig. 42, as well as to a driving bit holder or connecting ends of other elements. The Me tallhut or shaped ring 66 is designed so that it covers all or part of the socket section and protects against electrochemical and mechanical effects.
In some cases, it is best to spiral indentations or other various patterns of grooves or indentations into the drill rod and similar drill bit holders, axles, drill pipe and other elements on the desired section, as shown in FIG. Said sections 68 can be at the end of the drill rod that is subjected to additional loading, or next to the heat-treated parts 69 or at the connection 63 of the drill rod or other elements.
Another measure is to roll the entire outer or inner surfaces of drill rods, drill bit holders, drill pipes and their connec tions in at least one longitudinal section in a spiral shape, for which the apparatuses described can be used. In order to achieve a very good result with spiral rolling and pattern rolling, the surface of the above-mentioned element must be rolled transversely, i.e. almost perpendicular to the direction of the maxima of the load stresses.
The same device is used for the treatment of internal surfaces of hollow components such. B. cylinders, hollow shafts, hollow axles, pressure vessels, gun barrels, drill pipes and the like and their connecting elements recommended, with little least one zone should be rolled using different combinations of rollers of the entire surface of this element in order to get the beneficial effect before, as it compares with so-called fretting corrosion occurs.