DE102009018988A1 - Hardening a surface of a complex thin-walled component with varying cross-section by hardening critical surface area using an ultrasonic vibrator and a tool, comprises delivering high-frequency local mechanical impulse to the component - Google Patents
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Abstract
Description
Einleitungintroduction
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenverfestigung komplexer dünnwandiger Bauteile mit variierendem Querschnitt durch Verfestigung der kritischen Oberflächenbereiche, wobei zur Verfestigung mittels lokaler tiefreichender Druckspannungen hochfrequente lokale mechanische Impulse auf das Bauteil abgegeben werden. Insbesondere betrifft die Erfindung die Oberflächenverfestigung hochbeanspruchter dünnwandiger Gewindebauteile.The The invention relates to a method and a device for surface hardening Complex thin-walled components with varying cross section through Solidification of the critical surface areas, wherein for consolidation by means of local deep-reaching compressive stresses high-frequency local mechanical impulses are emitted to the component. In particular, the invention relates to surface hardening highly stressed thin-walled threaded components.
Stand der TechnikState of the art
Es ist bekannt, dass die Belastbarkeit von Bauteilen durch eine Erhöhung der Oberflächenfestigkeit verbessert werden kann. Insbesondere betrifft diese Verbesserung die Verschleißfestigkeit, die Rissneigung, und somit die Lebensdauer derartiger Bauteile, was sich in höheren Betriebssicherheiten und geringeren Kosten niederschlägt.It It is known that the load capacity of components by increasing the surface strength can be improved. Especially this improvement relates to the wear resistance, the tendency to crack, and thus the life of such components, resulting in higher Operational reliability and lower costs.
Zur Erhöhung der Oberflächenfestigkeit sind aus dem Stand der Technik verschiedenartige Verfahren bekannt. Hierbei kommen insbesondere mechanische Verfahren zum Einsatz.to Increasing the surface strength are from the Prior art various methods known. Come here In particular, mechanical methods are used.
Nach einem Verfahren wird die zu verfestigende Oberfläche mittels Kugelstrahlens behandelt. Durch die statistisch verteilt auftreffenden Kugeln, die beispielsweise aus Stahl bestehen, werden die oberflächennahen Bereiche plastisch verformt und verdichtet. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch die ungenügende Dirigierbarkeit sowie die nur eingeschränkt einstellbare Auftreffgeschwindigkeit der Kugelstrahlen, so dass beim Arbeitsergebnis mit Toleranzen sowohl im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit als auch auf die lokale Begrenzbarkeit der Behandlung gerechnet werden muss. Insbesondere bei kleinen und/oder dünnwandigen Bauteilen ist diese Technik daher nicht anwendbar. Auch die erzielbare Oberflächenrauheit genügt nur eingeschränkten Anforderungen. Schließlich werden durch das statistisch verteilte Auftreffen der Kugeln geometrisch definierte Oberflächenstrukturen zerstört.To a method, the surface to be solidified by Shot blasting. Staggered by the statistically distributed Balls made of steel, for example, become near-surface Areas plastically deformed and compacted. A disadvantage of one However, such a solution is insufficient in conducting as well as the limited adjustable impact speed the shot peening, so that at work result with tolerances both in terms of uniformity as well the local limitation of the treatment must be calculated. Especially for small and / or thin-walled components Therefore, this technique is not applicable. Also the achievable surface roughness meets only limited requirements. After all become geometric through the statistically distributed impact of the spheres destroys defined surface structures.
Ein anderes Verfahren sieht eine Oberflächenverfestigung mittels Festwalzens vor. Derartige Lösungen sind geometriebedingt jedoch nicht für Bauteile wie beispielsweise Gewindemuttern oder Hohlwellen einsetzbar. Ferner ist aufgrund der Notwendigkeit des Anpressens an die zu behandelnde Oberfläche eine Hinterstützung insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen unverzichtbar.One Another method provides for surface hardening by means of Rolling before. Such solutions are geometry-related but not for components such as threaded nuts or hollow shafts used. Further, due to the need the pressing against the surface to be treated a Hinterstützung indispensable especially for thin-walled components.
Nach einem weiteren Verfahren wird die zur Verfestigung benötigte Energie mittels eines hochfrequent schwingenden Werkzeugs (Sonotrode) in die Werkstückoberfläche gebracht. Hierzu kommen bevorzugt Ultraschallschwinger zum Einsatz. Durch die Verwendung eines geometrisch klar definierbaren und ausrichtbaren Werkzeugs lassen sich entsprechend enger tolerierte Ergebnisse erzielen.To another method is needed for solidification Energy by means of a high-frequency oscillating tool (sonotrode) brought into the workpiece surface. Come to this preferably ultrasonic vibrator used. By use a geometrically clearly definable and alignable tool can achieve correspondingly narrower tolerated results.
In
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Beschreibungdescription
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. mit der eine Oberflächenverfestigung komplexer dünnwandiger Bauteile mit variierendem Querschnitt und insbesondere dünnwandiger Gewindebauteile ermöglicht wird. Sowohl Innen- als auch Außengewinde sollen bearbeitet werden können. Dabei soll die Behandlung hinterstützungsfrei erfolgen und Oberflächen mit einer sehr geringen Oberflächenrauheit erzeugen. Die an der Oberfläche angeordneten Geometrien dürfen in ihrer Form nicht verändert werden. Es sollen neben zwei- auch dreidimensionale Geometrien verfestigt werden können. Die Erfindung soll auch eine wirtschaftliche Parallelbehandlung mehrerer gleichartiger benachbarter Geometrien mit nur einem Werkzeug ermöglichen.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus to provide, with or with the surface hardening complex thin-walled components with varying cross section and especially thin-walled threaded components allows becomes. Both internal and external threads are to be processed can be. The treatment should be support-free done and surfaces with a very low surface roughness produce. The geometries arranged on the surface may not be changed in their form. It should be solidified in addition to two- and three-dimensional geometries can. The invention is also an economical parallel treatment several similar neighboring geometries with only one tool enable.
Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung komplexer dünnwandiger Bauteile mit variierendem Querschnitt durch Verfestigung der kritischen Oberflächenbereiche. Dabei kommen zur Verfestigung lokale tiefreichende Druckspannungen zum Einsatz, die mittels hochfrequenter lokaler mechanischer Impulse auf das Bauteil abgegeben werden.The Invention discloses a surface consolidation process complex thin-walled components with varying cross section by solidification of the critical surface areas. In doing so, local deepening compressive stresses occur for solidification used by means of high-frequency local mechanical impulses be delivered to the component.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei insbesondere zur Oberflächenverfestigung von Gewindebauteilen geeignet. Gewindebauteile zeichnen sich durch eine regelmäßige, an ihrem inneren bzw. äußeren Umfang angeordnete, eng tolerierte Geometrie aus, wobei der Querschnitt des Bauteils entlang seiner Gewindeachse nicht konstant ist, sondern entsprechend der Gewindeform variiert. Bei der Oberflächenverfestigung von Gewindebauteilen ist es demnach besonders wichtig, ein Werkzeug einzusetzen, welches die genau definierten Geometrien nicht oder nur in geringstem Maße plastisch verformt, so dass auch nach der Behandlung die geometrischen Eigenschaften der Gewindebauteile und insbesondere der Gewinde vollständig intakt sind.The inventive method is particular suitable for surface hardening of threaded components. Threaded components are characterized by a regular, arranged at its inner or outer periphery, closely tolerated geometry, where the cross-section of the component along its thread axis is not constant, but accordingly the thread shape varies. During surface hardening Of threaded components, it is therefore particularly important to have a tool which does not use the well-defined geometries or only plastically deformed to the slightest extent, so that too After treatment, the geometric properties of the threaded components and especially the threads are completely intact.
Zur Behandlung wird ein Werkzeug mit einem Werkzeugkopf eingesetzt, welcher eine an die zu bearbeitende komplexe Oberfläche des Bauteils angepasste Kontur aufweist. Während der Behandlung wird das an einem Ultraschallschwinger angebrachte und von diesem in hochfrequente Schwingungen versetzte Werkzeug mit dem Werkzeugkopf derart an der zu bearbeitenden Oberfläche entlang geführt, dass die angepasste Kontur jederzeit mit der Kontur der zu behandelnden Oberfläche kongruent ist. Kongruent bedeutet, dass die Konturen des Werkzeugkopfes im Wesentlichen als invertiertes Bild der Konturen des zu verfestigenden Bereichs des Bauteils ausgebildet sind, und dementsprechend exakt an bzw. auf der Bauteiloberfläche positioniert werden müssen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch komplexe, nicht-ebene Oberflächen in der gewünschten Weise bearbeitbar sind, ohne dass eine Beschädigung der Oberflächengeometrien erfolgt. Für eine kontinuierliche Bearbeitung müssen Werkzeug und Bauteil relativ zueinander bewegt werden, worauf später detailliert eingegangen wird.to Treatment a tool is used with a tool head which one to the complex surface to be processed having the component adapted contour. During the treatment this is attached to and from an ultrasonic transducer in high-frequency oscillations offset tool with the tool head such guided along the surface to be machined, that the adjusted contour at any time with the contour of the treated Surface is congruent. Congruent means that the Contours of the tool head essentially as an inverted image formed the contours of the region to be solidified of the component are, and therefore exactly on or on the component surface must be positioned. In this way it is ensured that also complex, non-level surfaces in the desired Way are workable without damaging the Surface geometries are done. For a continuous Machining must be tool and component relative to each other be moved, which will be discussed in detail later.
Zur Behandlung muss zunächst das Werkzeug an der zu bearbeitenden Oberfläche positioniert werden.to Treatment must first of all the tool to be edited Surface to be positioned.
Wenn noch nicht geschehen, muss spätestens jetzt der Ultraschallschwinger eingeschaltet werden, der die Schwingungsbewegungen auf das Werkzeug überträgt.If has not happened yet, at the latest now the ultrasonic transducer be turned on, which transmits the vibration movements to the tool.
Schließlich muss das Werkzeug bzw. der Werkzeugkopf an der Bauteiloberfläche entlanggeführt werden. Besonders bevorzugt erfolgt dieses Entlangführen kontinuierlich. Für den Fall einer gewindeartig ausgestalteten Bauteiloberfläche ist es bevorzugt, dass gleichzeitig eine Rotation des Bauteils relativ zum Werkzeug und einer Linearbewegung ausgeführt wird. Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, das Werkzeug oder das Bauteil oder beide Komponenten zugleich eine oder auch alle notwendigen Bewegungsarten ausführen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Werkzeug die Linearbewegung und das Bauteil die Rotationsbewegung durchführt.After all must the tool or the tool head on the component surface be guided along. It is particularly preferred that this entrainment takes place continuously. In the case of a thread-like designed Component surface, it is preferred that at the same time a Rotation of the component relative to the tool and a linear movement is performed. Depending on the application, it may be advantageous be the tool or component or both components at the same time execute one or even all necessary movement types. It is particularly preferred if the tool is the linear movement and the component performs the rotational movement.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist sichergestellt, dass die behandelte Oberfläche eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit aufweist. Derartig geringe Oberflächenrauhigkeiten sind mittels der nach dem Stand der Technik ausgeführten Vorrichtungen nicht zu erreichen, insbesondere nicht bei einer wirtschaftlichen Parallelbehandlung mehrerer benachbarter Strukturen mittels eines einzigen Werkzeugs.By Application of the method according to the invention is Ensured that the treated surface is a very has low surface roughness. Such a small one Surface roughness is by means of the stand not reachable by the art, especially not with economic parallel treatment several adjacent structures by means of a single tool.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei besonders gut für Gewindebauteile mit einem Außengewinde geeignet.The inventive method is particularly good for threaded components with an external thread suitable.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch ebenso für Gewindebauteile mit einem Innengewinde eingesetzt werden. Es ist dabei jeweils unerheblich, ob sich das Gewinde nur über Teile oder über die gesamte Länge des Gewindebauteils erstreckt. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Bereichen, in welchem sich kein Gewinde befindet, eingesetzt werden.Further however, the process of the invention may as well used for threaded components with an internal thread. It is irrelevant whether the thread only over Parts or over the entire length of the threaded component extends. In addition, the inventive method also in areas where there is no thread used become.
Zur Erzeugung der hochfrequenten lokalen mechanischen Impulse wird nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Ultraschallschwinger zur Behandlung (Ultrasonic Impact Treatment, UIT) eingesetzt.In order to generate the high-frequency local mechanical impulses, according to a preferred embodiment, an ultrasonic vibrator for treatment (Ultrasonic Impact Treatment, UIT) is used puts.
Besonders bevorzugt wird dieser Ultraschallschwinger in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 30 kHz betrieben. Es ist möglich, dass die Amplitude der Schwingung während der gesamten Behandlung konstant gehalten oder je nach Bedarf variiert wird.Especially This ultrasonic vibrator is preferably in a frequency range operated from 10 kHz to 30 kHz. It is possible that the Amplitude of oscillation constant throughout the treatment held or varied as needed.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Behandlung ohne eine mechanische Hinterstützung durchgeführt. Das bedeutet, dass auch bei sehr dünnwandigen Bauteilen, die Wanddicken im Bereich von 0,1–2 mm aufweisen, eine Behandlung möglich ist, bei der auf zusätzliche Hilfsmittel, die auf der Rückseite der zu behandelnden Oberfläche angeordnet sein müssen, verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise lange rohrartige Bauteile außenbehandelt werden müssen, da die Innenseite derartiger Bauteile nur schwer zugänglich ist, so dass für eine entsprechend wirksame Abstützung ein hoher Aufwand betrieben werden müsste.To a particularly preferred embodiment of the invention The procedure will be the treatment without a mechanical support carried out. That means that even with very thin-walled Components having wall thicknesses in the range of 0.1-2 mm, a treatment is possible in which to extra Aids on the back of the treated Surface must be arranged, waived can be. This is particularly advantageous if, for example, long tubular components must be treated outside, because the inside of such components difficult to access is, so for a correspondingly effective support a high effort would have to be operated.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Bauteil und/oder das Werkzeug automatisiert geführt. Eine automatisierte Führung bietet sich grundsätzlich an, da die zumeist geforderten Toleranzen mit manuellen Führungen nur schwer oder überhaupt nicht erreichbar sind. Für die Außen- oder Innenbehandlung leicht handhabbarer Bauteile ist es ausreichend, wenn das Bauteil automatisiert geführt wird. Für komplexer gestaltete Bauteile oder solche, welche bereits eingebaut sind, ist insbesondere eine automatisierte Werkzeugführung vorteilhaft. Es ist jedoch auch eine Kombination aus manueller und automatisierter Bauteil- oder Werkzeugführung denkbar, wobei die Grobpositionierung manuell erfolgt, die anschließende Positionierung während der Behandlung jedoch automatisiert durchgeführt wird.To In another preferred embodiment, the component and / or the tool automatically guided. An automated Leadership offers itself in principle, since the mostly Required tolerances with manual guides difficult or impossible are unreachable. For exterior or interior treatment easily manageable components, it is sufficient if the component is automated. For more complex designed Components or those which are already installed, in particular an automated tool guide advantageous. It is but also a combination of manual and automated component or tool guide conceivable, the coarse positioning done manually, the subsequent positioning during the Treatment is automated, however.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können das Werkzeug und das Bauteil relativ zueinander rotiert werden. Dies bietet sich insbesondere in solchen Fällen an, in denen es sich um rotationssymmetrische Bauteile handelt, was bei Gewindebauteilen grundsätzlich der Fall ist. Es ist dabei möglich, dass das Werkzeug ortsfest ist und das Bauteil entlang des Werkzeugs rotiert, oder dass das Bauteil ortsfest ist und das Werkzeug um das Bauteil rotiert. In bestimmten Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn sowohl das Bauteil als auch das Werkzeug relativ zueinander (gleich- und gegenläufig) rotieren können.To Another preferred embodiment the tool and the component are rotated relative to each other. This is particularly appropriate in such cases, in which are rotationally symmetrical components, which at Threaded components is basically the case. It is possible that the tool is stationary and the component along the tool rotates, or that the component is stationary and the tool to the component rotates. In certain cases it can be beneficial be when both the component and the tool relative to each other (same and opposite directions) can rotate.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können das Werkzeug und das Bauteil relativ zueinander linear bewegt werden. Das bedeutet, dass sich beispielsweise das Werkzeug parallel zur Rotationsachse des rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteils bewegen kann. Eine derartige Bewegung ist beispielsweise vom Gewindeschneiden mittels einer Drehbank her bekannt. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, dass sich das Bauteil linear am Werkzeug entlang bewegt, beispielsweise dann, wenn das Werkzeug aufgrund seiner Größe oder Forum weniger leicht als das Bauteil handhabbar ist.To Another preferred embodiment the tool and the component are moved linearly relative to each other. This means, for example, that the tool is parallel to the axis of rotation of the rotationally symmetrical component can move. A Such movement is, for example, by threading means a lathe ago known. However, it can also be beneficial that the component moves linearly along the tool, for example then if the tool is due to its size or forum less easily than the component is manageable.
Nach einer anderen Ausführungsform können Werkzeug und/oder Bauteil auf beliebigen Bahnen geführt werden. Hierzu kommen besonders bevorzugt robotergestützte Führungseinrichtungen zum Einsatz.To another embodiment may be tool and / or component are guided on any tracks. For this purpose, robotic guidance devices are particularly preferred for use.
Schließlich sind auch Kombinationen der vorstehend genannten Varianten denkbar, und zwar sowohl jeweils im Hinblick auf die relative Rotation als auch die relative Linearbewegung, sowie im Hinblick auf Kombinationen aus Rotation und Linearbewegung sowie beliebiger Bahnführung.After all Combinations of the above variants are also conceivable both in terms of relative rotation as also the relative linear movement, as well as with regard to combinations from rotation and linear movement as well as any web guide.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Werkzeug mit einer definierten Anpresskraft auf das Bauteil gepresst wird. Die Anpresskraft kann dabei beispielsweise pneumatisch, hydraulisch, elektromechanisch, oder über eine einfache Feder bereitgestellt werdenTo another preferred embodiment of the invention Method is provided that the tool with a defined contact force is pressed onto the component. The contact force can, for example pneumatic, hydraulic, electromechanical, or over be provided a simple spring
Nach noch einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bauteil zur Behandlung erwärmt wird. Mittels dieser Erwärmung, die beispielsweise elektrisch, insbesondere durch Heizwendel oder eine zwischen Werkzeug und Bauteil angelegte Spannung, elektromagnetisch, insbesondere durch Induktion oder durch Strahlungswärme erzeugt werden kann, kann der Behandlungseffekt zusätzlich gesteigert werden.To Yet another embodiment is provided that the component is heated for treatment. By means of this Heating, for example, electric, in particular by heating coil or a voltage applied between the tool and the component, Electromagnetically, in particular by induction or by radiant heat can be generated, the treatment effect may be additional be increased.
Nach einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Behandlung der Oberfläche mehrmals hintereinander und/oder mit mehreren Werkzeugen erfolgt. Dabei können von Behandlung zu Behandlung bzw. von Werkzeug zu Werkzeug unterschiedliche Behandlungsparameter (Anpressdruck, Amplitude, Vorschubgeschwindigkeit, Vorschubrichtung, Grad der Erwärmung, Behandlungsfrequenz, Werkzeuggeometrie) vorteilhaft sein.To another embodiment provides that the Treatment of the surface several times in succession and / or done with several tools. It can be of treatment for treatment or from tool to tool different treatment parameters (Contact pressure, amplitude, feed rate, feed direction, Degree of heating, treatment frequency, tool geometry) be beneficial.
Die Erfindung offenbart ferner eine Vorrichtung zur Oberflächenverfestigung dünnwandiger Bauteile mit einem komplexen variierendem Querschnitt. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Komponente zur Bereitstellung hochfrequenter mechanischer Impulse, sowie eine Komponente zur Übertragung der hochfrequenten mechanischen Impulse auf das zu behandelnde Bauteil (Sonotrode) umfasst.The The invention further discloses a surface hardening apparatus thin-walled components with a complex varying Cross-section. It is provided that the device is a component for providing high-frequency mechanical impulses, as well as a Component for transmission of high-frequency mechanical Impulse on the component to be treated (sonotrode) includes.
Die Oberflächenverfestigung entsteht dabei durch lokale tiefreichende Druckspannungen. Die Erfindung ist insbesondere dazu vorgesehen, dass das zu behandelnde Bauteil ein dünnwandiges Gewindebauteil ist. Um eine Bearbeitung derartiger Bauteile zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Komponente zur Übertragung der hochfrequenten mechanischen Impulse einen Werkzeugkopf aufweist, dessen Kontur an die zu bearbeitende komplexe Oberfläche des Bauteils angepasst ist. Mit anderen Worten ermöglicht erst die Formgebung des Werkzeugkopfes die erfindungsgemäß gewünschte Bearbeitbarkeit. Die hierzu vorgeschlagenen Formgebungen sind insbesondere im Rahmen der Figurenbeschreibungen genauer erläutert.The Surface hardening results from local deepening Compressive stresses. The invention is particularly intended to that the component to be treated is a thin-walled threaded component is. In order to enable processing of such components, is inventively provided that the component for transmission of high-frequency mechanical impulses a tool head whose contour to be machined complex surface of the component is adjusted. With others Words only allows the shape of the tool head the inventively desired machinability. The proposed shapes are particularly in the context the figure descriptions explained in more detail.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Komponente zur Bereitstellung hochfrequenter mechanischer Impulse ein Ultraschallschwinger. Besonders bevorzugt arbeitet der Ultraschallschwinger in einem Bereich von 10 kHz bis 30 kHz. Die Schwingungen können dabei beispielsweise durch piezokeramische oder elektromagnetische Bauelemente generiert werden. Die Schwingrichtung ist dabei im Wesentlichen entgegen der Bauteiloberfläche ausgerichtet.To In a preferred embodiment, the component is for Providing high-frequency mechanical impulses an ultrasonic transducer. Particularly preferably, the ultrasonic vibrator operates in a range from 10 kHz to 30 kHz. The vibrations can be, for example generated by piezoceramic or electromagnetic components become. The oscillation direction is substantially opposite to Component surface aligned.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Komponente zur Übertragung der hochfrequenten mechanischen Impulse auf das zu behandelnde Bauteil an ihrem zur mechanischen Berührung des Bauteils vorgesehenen Ende, welches als Werkzeugkopf ausgebildet ist, eine Kontur aufweist, welche der invertierten Kontur mindestens eines Teils des zu behandelnden Bauteils entspricht. Ist beispielsweise die zu behandelnde Oberfläche als Außengewinde vorgesehen, so muss die Kontur des Werkzeugkopfes als ein invertiertes Außengewinde im zu verfestigenden Bereich ausgeführt sein. Sinngemäß das Gleiche gilt für den Fall eines Innengewindes.Especially it is preferably provided that the component for transmission the high-frequency mechanical impulses on the component to be treated at their intended for mechanical contact of the component End, which is designed as a tool head, has a contour, which of the inverted contour of at least a part of the to be treated Component corresponds. For example, is the surface to be treated provided as an external thread, so must the contour of the tool head as an inverted external thread in the to be consolidated Be executed area. The same thing applies in the case of an internal thread.
Mit anderen Worten spiegelt das Werkzeug gerade die invertierte Kontur der Oberfläche des Bauteils wieder. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Werkzeugkontur bewusst lokal von der Bauteilkontur abweicht, um an diesen Stellen eine Kraftkonzentration bzw. eine Kraftreduzierung bei der Übertragung der Impulse auf die Bauteiloberfläche zu erreichen.With In other words, the tool just reflects the inverted contour the surface of the component again. It can be provided be that the tool contour aware of locally from the component contour deviates to at these points a concentration of force or a Force reduction in the transmission of impulses to the Achieve component surface.
Ferner bedeutet dies, dass die Lage des Werkzeugs in Bezug auf das Bauteil jederzeit exakt kontrollierbar sein muss, da bei einer Fehlpositionierung zwischen Werkstück und Bauteil eine Zerstörung der an der Oberfläche des Bauteils angeordneten Geometrien wie beispielsweise der Gewindegänge die Folge wäre.Further This means that the location of the tool relative to the component must be precisely controllable at any time, as in a faulty positioning between workpiece and component destruction the geometries arranged on the surface of the component such as the threads would be the result.
Nach einer Ausführungsform ist das Werkzeug so ausgestaltet, dass seine Geometrie gerade der kleinsten sich wiederholenden Einheit der Bauteiloberflächengeometrie entspricht. Für den Fall eines Außen- oder Innengewindes ist demnach die Werkzeuggeometrie so bemessen, dass sie sich beispielsweise gerade über die Breite eines Gewindeganges erstreckt.To In one embodiment, the tool is designed that its geometry is just the smallest repetitive unit corresponds to the component surface geometry. For the case of an external or internal thread is therefore the Tool geometry so that they, for example, just about the width of a thread extends.
Nach einer anderen Ausführungsform ist das Werkzeug so ausgestaltet, dass seine Geometrie einem vielfachen der entsprechenden kleinsten sich wiederholenden Einheit der Bauteiloberflächengeometrie entspricht. Für den Fall eines Außen- oder Innengewindes ist demnach die Werkzeuggeometrie so bemessen, dass sie sich beispielsweise gerade über zwei, drei, oder über eine andere Anzahl von Gewindegängen erstreckt.To In another embodiment, the tool is configured to that its geometry is a multiple of the corresponding smallest repetitive unit of component surface geometry equivalent. In the case of an external or internal thread Accordingly, the tool geometry is such that it is, for example just over two, three, or over another Number of threads extends.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Kontur des Werkzeugs zweidimensional ausgebildet. Das bedeutet, dass die Kontur des Werkzeugs der invertierten Kontur eines zweidimensionalen Schnitts entspricht, der durch die Rotationsachse des Bauteils verläuft.To Another embodiment is the contour of the tool formed two-dimensionally. That means the contour of the tool corresponds to the inverted contour of a two-dimensional section, which passes through the axis of rotation of the component.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Kontur des Werkzeugs dreidimensional, also als Relief ausgebildet. Das bedeutet, dass die Kontur des Werkzeugs einem Ausschnitt der invertierten dreidimensionalen Oberflächengeometrie des Bauteils entspricht. Dabei muss die dreidimensionale Oberflächengeometrie des Bauteils regelmäßige und sich wiederholende Abschnitte aufweisen, welche dann durch das Werkzeug beispielsweise schrittweise abgearbeitet werden. Für den Fall eines rotationssymmetrischen Bauteils kann diese Abarbeitung ggf. auch kontinuierlich erfolgen. Im Sinne des obigen Beispiels eines (Außen-)Gewindes entspräche die Werkzeuggeometrie einem invertierten Segmentausschnitt der Bauteiloberfläche. Durch Rotieren des Bauteils und eine axial-parallele Linearbewegung des Werkzeugs kann dann die Oberflächenbehandlung auch mittels einer reliefartig ausgestalteten Werkzeuggeometrie erfolgen.To Another embodiment is the contour of the tool three-dimensional, so designed as a relief. It means that the contour of the tool a section of the inverted three-dimensional Surface geometry of the component corresponds. It must the three-dimensional surface geometry of the component regular and repetitive sections which, for example, gradually through the tool be processed. In the case of a rotationally symmetric If necessary, this processing can also be carried out continuously. In the sense of the above example of an (external) thread would correspond the tool geometry an inverted segment cutout of the component surface. By rotating the component and an axially-parallel linear movement of the Tool can then also surface treatment by means of made a relief-like designed tool geometry.
Es ist dabei bevorzugt, dass das Werkzeug und das Bauteil relativ zueinander rotierbar und/oder relativ zueinander linear bewegbar sind. Besonders bevorzugt ist es, dass beide Bewegungsarten kombiniert durchführbar sind, was insbesondere bei der Bearbeitung von Gewindeoberflächen vorteilhaft ist.It is preferred that the tool and the component relative to each other are rotatable and / or relatively linearly movable. Especially preferred is it that both types of movement combined feasible are, especially when machining threaded surfaces is advantageous.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bewegungen von Werkzeug und/oder Bauteil automatisierbar sind, wozu beispielsweise robotergestützte Führungseinrichtungen zum Einsatz kommen können. Das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Oberflächenverfestigung komplexer dünnwandiger Bauteile mit variierendem Querschnitt und insbesondere eine Behandlung hochbeanspruchter dünnwandiger Gewindebauteile durch Verfestigung der kritischen Oberflächenbereiche mittels hochfrequenter lokaler mechanischer Impulse. Mit dem im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen, an die Kontur der Bauteiloberfläche angepassten Werkzeug ist ebenfalls insbesondere die Bearbeitung von Gewindebauteilen auf wirtschaftliche und effektive Weise erreichbar. Mittels des erfindungsgemäßen Werkzeugs sind aufgrund der verschiedenen, im Rahmen der Erfindung abgedeckten Ausführungsformen zwei-, aber auch dreidimensionale Oberflächengeometrien sowohl von Innen- als auch von Außengewinden bearbeitbar. Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbaren Oberflächenrauheiten sind im Vergleich zu dem anhand der nach dem Stand der Technik ausgeführten Verfahren bzw. Vorrichtungen signifikant geringer, so dass ggf. Nachbearbeitungsschritte entfallen können.According to a particularly preferred embodiment, it is provided that the movements of the tool and / or component can be automated, for which purpose, for example, robot-supported guide devices can be used. The method according to the invention described allows a surface hardening of complex thin-walled components with varying cross section and in particular a treatment of highly stressed thin wall-mounted threaded components by solidification of the critical surface areas by means of high-frequency local mechanical impulses. With the tool described in the context of the device according to the invention, adapted to the contour of the component surface also machining of threaded components in an economical and effective manner is also achievable. By means of the tool according to the invention, due to the various embodiments covered within the scope of the invention, two-dimensional, but also three-dimensional surface geometries of both internal and external threads can be machined. The surface roughness achievable by means of the method according to the invention and the device according to the invention are significantly lower in comparison with the method or devices carried out according to the prior art, so that optionally post-processing steps can be dispensed with.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Verschleißfestigkeit, die Rissneigung, und somit die Lebensdauer dünnwandiger Gewindebauteile verbessert, was sich in höheren Betriebssicherheiten und geringeren Kosten niederschlägt.By Application of the method or the device according to the invention is the wear resistance, the tendency to crack, and thus the life of thin-walled Threaded components improved, resulting in higher operational safety and lower costs.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The Invention is limited in its execution not to the preferred embodiments given above. Rather, a number of variants is conceivable, which of the illustrated Solution even with fundamentally different kind Designs makes use.
Figurenbeschreibungfigure description
Die
Die
In
der
An
der Spitze der Sonotrode
Der
bereits bearbeitete und somit verfestigte Oberflächenbereich
Die
Die
- 11
- Ultraschallschwinger, Komponente zur Bereitstellung hochfrequenter mechanischer ImpulseUltrasonic vibrator Component for providing high-frequency mechanical impulses
- 22
- Schwingungsrichtungvibration direction
- 33
- Bewegungsrichtungendirections of movement
- 3A3A
- Parallele Bewegungsrichtungparallel movement direction
- 44
- Komponente zur Übertragung der hochfrequenten mechanischen Impulse, Sonotrode, Werkzeugcomponent for the transmission of high-frequency mechanical impulses, Sonotrode, tool
- 55
- Sonotrodenkopf, Werkzeugkopfsonotrode, tool head
- 66
- Dünnwandiges Gewindebauteil, Bauteil mit variierendem Querschnittthin-walled Threaded component, component with varying cross section
- 77
- Verfestigter Oberflächenbereichsolidified surface area
- 88th
- Rotationsachseaxis of rotation
- 99
- Grundreason
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - DE 102004058146 A1 [0009] - DE 102004058146 A1 [0009]
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