DE102011055104B4

DE102011055104B4 - Verfahren zum Verfestigungsstrahlen von Metallbauteilen sowie Strahlanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102011055104B4
Application number: DE201110055104
Authority: DE
Inventors: Sebastian Saggel; Ullrich Hammelmaier; Christoph Conze
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2031-11-08
Also published as: DE102011055104A1

Abstract

Verfahren zum Verfestigungsstrahlen von Metallbauteilen, insbesondere von einem Kraftfahrzeugstabilisator (15), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Metallbauteils (1) und Einlegen des Metallbauteils (1) in eine Strahlanlage, wobei das Metallbauteil (1) vor dem Strahlvorgang erwärmt wird, – Vorstrahlen (9) mit einer Vorstrahlgeschwindigkeit, – Anschließend Verfestigungsstrahlen (12) mit einer Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit, wobei die Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit größer ist als die Vorstrahlgeschwindigkeit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigungsstrahlen von Metallbauteilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Strahlmittelanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 17.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Oberflächen von metallischen Bauteilen einem Strahlprozess zu unterziehen, um in die Oberfläche des metallischen Bauteils Druckeigenspannungen einzubringen. Die Oberfläche wird durch die Druckeigenspannungen verfestigt. Dies wirkt sich insbesondere vorteilig auf die Lebensdauer des metallischen Bauteils aus, da bei Schwingbelastungen beispielsweise Dauerwechselbeanspruchungen auftreten, die bei dem Bauteil ohne verfestigte Oberfläche zu einem früheren Versagen führen können.
Beispielsweise ist aus der US 6,544,360 B1 ein Oberflächenbehandlungsverfahren bekannt, durch das eine entsprechend behandelte Oberfläche einen besseren Spannungsverlauf aufzeigt. Im Falle zuvor genannter Druckschrift werden Kraftfahrzeugfedern erwärmt und anschließend mit einem Verfestigungsstrahlen behandelt, um so die gewünschten Druckeigenspannungen an der Oberfläche zu erzielen.
In der Serienfertigung, insbesondere in der Großserienfertigung von Metallbauteilen, treten jedoch Faktoren auf, die das mit der Strahlbehandlung erzielbare Ergebnis nachteilig beeinflussen. Bei unbehandelten Metallbauteilen weist die Oberfläche Verschmutzungen und/oder Korrosion auf, die durch das Verfestigungsstrahlen mit in die Oberfläche des zu behandelnden Metallbauteils eingeschlossen werden.
Bei einer dem Strahlvorgang vorgeschalteten Wärmebehandlung tritt an der Oberfläche eine Verzunderung auf. Auch die Zunderschicht wird durch das Verfestigungsstrahlen zumindest partikulär in die Oberfläche des Bauteils eingeschossen bzw. eingearbeitet.
Oben benannte Verschmutzungen beeinflussen die Homogenität der durch das Verfestigungsstrahlen erreichten Oberflächentopografie und können wiederum als Quelle von Mikrorissen zu einem vorzeitigen Bauteilversagen führen.
Darüber hinaus führen die mit hoher Wucht auftreffenden Strahlmittel an der Oberfläche des Bauteils zu starken inhomogenen Verformungen. Die dadurch hergestellte, zwar harte, aber gleichzeitig sehr unebene Oberfläche bzw. Oberfläche mit hoher Rauigkeit, ist unter Umständen nicht gewollt, da hier Inhomogenitäten in der Spannungsverteilung auftreten können, die wiederum zu einem frühzeitigen Bauteilversagen führen können. Darüber hinaus gibt es für Nachbehandlungsschritte, beispielsweise einen Pulverbeschichtungsschritt, ein Tauchlackieren oder aber designtechnische bzw. optisch-ästethische Aspekte Vorgaben, die die Oberflächenrauigkeit einzuhalten hat.
Aus der DE 11 09 561 B sowie aus der DE 699 27 635 T2 ist jeweils ein Verfahren zum Verfestigungsstrahlen eines Metallbauteils bekannt, bei dem ein zweistufiger Strahlvorgang einsetzbar ist, wobei der jeweils zweite Verfestigungsstrahlvorgang mit verminderter Intensität durchgeführt wird.
Aus der DE 10 2004 039 364 B3 ist eine Strahlmittelanlage bekannt, bei der eine Strahlturbine örtlich fest angeordnet wird und ein Strahlmittel an metallische Bauteile befördert, wobei die metallischen Bauteile während des Strahlvorganges örtlich verlagert werden und an der Strahlturbine vorbeigeführt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Verfestigungsstrahlen bereit zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik bekannten Strahlverfahren verbessert ist. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Strahlenanlage zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der gegenständliche Anteil der Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Patentanspruch 17 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der abhängigen Patentansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verfestigungsstrahlen von Metallbauteilen, insbesondere von einem Kraftfahrzeugstabilisator, ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

– Bereitstellen eines Metallbauteils und einlegen des Metallbauteils in eine Strahlanlage, wobei das Metallbauteil vor dem Strahlvorgang erwärmt wird,
– Vorstrahlen mit einer Vorstrahlgeschwindigkeit,
– anschließend Verfestigungsstrahlen mit einer Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit, wobei die Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit größer ist als die Vorstrahlgeschwindigkeit.

Der erfindungsgemäße Verfestigungsstrahlprozess wird in zwei aufeinander folgende Strahlprozesse aufgeteilt. Zunächst erfolgt ein Vorstrahlen mit einer Vorstrahlgeschwindigkeit, wobei durch das Vorstrahlen mit relativ geringer Geschwindigkeit an der Oberfläche haftende Verunreinigungen entfernt werden. Insbesondere werden Zunder, Korrosion oder sonstige Verunreinigungen von der Oberfläche entfernt. Hierbei handelt es sich um eine Art Reinigungsprozess, bei dem Verunreinigungen entfernt werden und somit nicht durch den eigentlichen Strahlprozess in die Oberfläche eingearbeitet werden können.
Weiterhin wird durch das Vorstrahlen die Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils bereits leicht vorgeformt, insbesondere deformiert und somit verfestigt. Durch diese Vorverfestigung wird bei dem später durchgeführten eigentlichen Verfestigungsstrahlen ein gewisser Widerstand durch die vorverfestigte Oberfläche entgegengesetzt. In der Folge fällt die plastische Verformung während des Verfestigungsstrahlens weniger inhomogen aus. Die Oberflächenrauigkeit wird geringer und die Oberflächenverfestigung während des eigentlichen Verfestigungsstrahlens homogener.
Durch die zwei zuvor genannten, sich durch das Vorstrahlen ergebenden Vorteile wird die Lebensdauer der erfindungsgemäß hergestellten Bauteile deutlich gegenüber mit herkömmlichen, aus dem Stand der Technik behandelten Verfestigungsstrahlverfahren hergestellten Bauteilen erhöht. Eventuell durch die Verunreinigungen in die Oberfläche eingearbeitete Splitter können zu Mikrorissen führen, die dann zu einem früheren Bauteilversagen geführt haben. Dies wird jedoch durch das erfindungsgemäße Vorstrahlen vermieden.
An das erfindungsgemäße Vorstrahlen schließt sich dann ein Verfestigungsstrahlprozess an, wobei eine Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit des Strahlmittels gewählt wird, die größer ist als die Vorstrahlgeschwindigkeit während des Vorstrahlprozesses. Hier ist es aufgrund des Vorstrahlprozesses wiederum möglich, die Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfestigungsstrahlverfahren herabzusetzen und so die Energiekosten des Gesamtverfestigungsstrahlverfahrens entsprechend zu senken. Insbesondere wird jedoch aufgrund der durch das erfindungsgemäße Vorstrahlen bereit gestellten Möglichkeit zur Qualitätssicherung der automatisierten Fertigung eine hohe Produktqualität gewährleistet. Während des Verfestigungsstrahlens auftretende Ausschussware wird minimiert.
Darüber hinaus sind das Vorstrahlen und das eigentliche Verfestigungsstrahlen darin zu unterscheiden, wie hoch die kinetische Energie des Strahlmittels selbst ist, das auf die Bauteiloberfläche des Bauteils einwirkt. Es ist somit auch möglich, durch Wahl des Gewichtes und/oder der Größe des Stahlmittels die auf der Bauteiloberfläche entstehende Wirkung gezielt zu steuern. Beispielsweise kann bei gewünschter abrasiver Wirkung des Strahlmittels ein dem Sandstrahlen ähnlicher Prozess mit sehr kleinen und leichten Partikeln gewählt werden, wohingegen bei einem Schwerpunkt auf der Vorverfestigung im Gegensatz hierzu Strahlmittel mit größerem Durchmesser und höherem spezifischen Eigengewicht gewählt werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um Glaskugeln.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Metallbauteile jeglicher Art behandelt werden. Insbesondere handelt es sich dabei um Bauteile, die im Kraftfahrzeugbau, vorzugsweise im Karosseriebau oder aber auch im Fahrwerksbau, eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden metallische Bauteile, insbesondere wärmebehandelte metallische Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch Leichtmetalle durch das erfindungsgemäße Verfahren behandelt werden. Ganz besonders bevorzugt werden Fahrwerkslenker oder aber auch Kraftfahrzeugstabilisatoren, insbesondere aus Langmaterial, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt.
Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Metallbauteil vor und/oder während des Strahlvorgangs erwärmt wird, insbesondere während des Verfestigungsstrahlvorgangs. Hierdurch ist es zum einen möglich, die eigentliche Wärmebehandlung zur Vergütung des Metallbauteils kurz vor dem Strahlvorgang durchzuführen und/oder während des Strahlvorgangs durchzuführen. Es entsteht somit kaum Verlustwärme bei einem Bauteiltransfer des Bauteils in eine erfindungsgemäße Strahlanlage.
Im Rahmen der Erfindung wird durch das Vorstrahlen die Oberfläche des Metallbauteils homogenisiert und/oder gereinigt. Unter einem Homogenisieren ist im Rahmen der Erfindung ein Glätten bzw. Vorverfestigen, aber auch ein abrasives Bearbeiten der Oberfläche zu verstehen. Das Reinigen selber erfolgt maßgeblich mechanisch abrasiv. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch vorstellbar, während des Vorstrahlens dem Strahlmittel entsprechende Additive beizufügen, die eine chemische und/oder physikalische unterstützende Reinigungswirkung haben. Beispielsweise ist es vorstellbar, durch dem Strahlmittel während des Vorstrahlens beigefügte Lösungsmittel die Oberfläche zusätzlich zu der abrasiven mechanischen Reinigung chemisch zu reinigen, so dass beispielsweise verbleibende Zunderschichten, Ferritsäume und/oder chemische Verunreinigungen in Form von Lackspritzern, Fetten oder Ölen entfernt werden. Darüber hinaus ist ein physikalisches Reinigen, beispielsweise durch Eisperlstrahlen, vorstellbar. Die Additive können dabei im Rahmen der Erfindung vor, während oder nach dem Vorstrahlen begleitend und/oder zeitlich versetzt auf das Bauteil geschossen werden. Im Rahmen der Erfindung findet jedoch der gesamte Strahlvorgang in einer Strahlanlage statt. Weiterhin vorteilhaft werden auch die gleichen Strahlturbinen zum Aufbringen der Additive genutzt, die auch für das Vorstrahlen genutzt werden.
Im Rahmen der Erfindung wird insbesondere eine Strahlmittelgeschwindigkeit zum Vorstrahlen zwischen 10 und 60 m/s, insbesondere zwischen 20 und 50 m/s, besonders bevorzugt zwischen 30 und 40 m/s, ganz besonders bevorzugt zwischen 32 und 38 m/s gewählt. In den zuvor genannten Intervallen hat sich bei der Behandlung von metallischen Bauteilen, insbesondere von Kraftfahrzeugstabilisatoren, bei Einsatz von herkömmlichem Strahlmittel ein Optimum zwischen Energieeintrag bzw. Energieaufwand für das Strahlverfahren und erzielbaren Effekt gezeigt. Je nach Schwerpunkt des Vorstrahlverfahrens, entweder auf abrasive Reinigung bzw. auf Vorverfestigung, wird eine entsprechend, in den zuvor genannten Intervallen gewählte Strahlmittelgeschwindigkeit des Strahlmittels für das Vorstrahlen eingesetzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung werden für das Verfestigungsstrahlen selber Strahlmittelgeschwindigkeiten zwischen 30 und 100 m/s, insbesondere zwischen 40 und 90 m/s, bevorzugt zwischen 50 und 80 m/s und besonders bevorzugt zwischen 60 und 70 m/s gewählt. Erfindungsgemäß ergibt sich bei diesen Strahlmittelgeschwindigkeiten ein optimal erzielbares Ergebnis in Verbindung mit dem Vorstrahlen. Bei Einsatz von handelsüblichem Strahlmittel ist es mit zuvor genannten Strahlmittelgeschwindigkeiten während des Verfestigungsstrahlens möglich, die Oberfläche mit ausreichenden Druckeigenspannungen zu versehen und gleichzeitig eine homogene Oberfläche zu schaffen.
Weiterhin bevorzugt wird die Strahlmittelgeschwindigkeit beim Verfestigungsstrahlen selber verändert. Vorzugsweise werden dem Metallbauteil Bereiche zugewiesen, die mit einer jeweiligen Strahlmittelgeschwindigkeit bearbeitet werden, so dass Bereiche auf dem Metallbauteil mit voneinander verschiedenen Eigenspannungen hergestellt werden. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, insbesondere durch ein Verfahren der Strahlturbine und/oder ein Verfahren des Metallbauteils, also einer örtlichen Lageänderung, das Metallbauteil zunächst nur bereichsweise und/oder abschnittsweise mit dem Strahlprozess zu behandeln. Das bereichsweise oder abschnittsweise behandeln kann dabei durch das Vorstrahlen oder aber auch durch das Verfestigungsstrahlen stattfinden. Weiterhin ist es möglich, durch Variation der Strahlmittelgeschwindigkeit Bereiche mit voneinander verschiedenen Eigenspannungen herzustellen. Der Übergang von den Bereichen zueinander erfolgt vorzugsweise fließend, so dass die Drehgeschwindigkeit der Strahlturbine von einem Bereich zum anderen Bereich entweder angehoben oder aber abgesenkt wird.
Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, durch Variation der Masse des Strahlmittels entsprechend unterschiedliche Verfestigungseigenschaften herzustellen. Ein Strahlmittel, das ein geringeres spezifischeres Gewicht hat, weist folglich bei gleicher Drehgeschwindigkeit der Strahlturbine eine höhere Geschwindigkeit auf als ein hierzu korrespondierendes Strahlmittel mit einem höheren spezifischen Eigengewicht. Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere für das Vorstrahlen unter Umständen denkbar, zwei voneinander verschiedene Strahlmittel gleichzeitig auf das Metallbauteil zu schießen. Hierdurch ist es möglich, parallel einen abrasiven Reinigungsprozess sowie ein Vorverfestigen während des Vorstrahlvorgangs durchzuführen.
Bevorzugt wird als Strahlmittel ein Stahldrahtkorn, aus Stahldraht geschnitten, arrondiert (G3) mit mittleren Durchmessern zwischen 0,1 und 2 mm, insebsondere zwischen 0,4 und 1,2 mm eingesetzt.
Die Strahlmitteltemperarturen des Strahlmittels sind weiterhin bevorzugt beim Warmstrahlen zwischen 100°C und 400°C, insbesondere zwischen 150° und 300°C. Findet kein Warmstrahlen statt, hat das Strahlmittel bevorzugt Raumtemperatur.
Das Strahlmittel weist bevorzugt eine Härte zwischen 500 und 800 HV1, insbesondere zwischen 530 und 730 HV1 auf.
Die Dichte des Strahlmittels beträgt vorzugsweise zwischen 6 und 9 kg/dm³, insbesondere zwischen 7 und 8 kg/dm³ und ganz besonders bevorzugt 7,85 kg/dm³.
Im Rahmen der Erfindung werden weiterhin das Vorstrahlen und das Verfestigungsstrahlen in einer Strahlanlage durchgeführt. Vorzugsweise wird hierbei durch Variation der Turbinendrehzahl die Strahlmittelgeschwindigkeit eingestellt. Hierdurch ergeben sich erfindungsgemäß besonders kurze Taktzeiten, ohne dabei die Produktqualität zu gefährden, da Ausschussware und/oder Produktionsfehler durch den erfindungsgemäßen zweistufigen Aufbau des Strahlprozesses vermieden werden.
Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, mindestens zwei Turbinen in der Strahlanlage einzusetzen, wobei eine Turbine zum Vorstrahlen benutzt wird und eine weitere Turbine zum Verfestigungsstrahlen genutzt wird. Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls vorstellbar, drei, vier oder mehr Turbinen und/oder Turbinenpaare einzusetzen. Hierbei wird zunächst eine Vorstrahlturbine und/oder ein Vorstrahlturbinenpaar oder aber auch drei, vier oder mehr Vorstrahlturbinen angeschaltet, die entsprechend den Vorstrahlprozess in einer Anlage durchführen. Überschneidend und/oder zeitlich nacheinander versetzt werden dann die Verfestigungsstrahlturbine bzw. das Verfestigungsstrahlturbinenpaar oder aber auch drei, vier oder mehr Verfestigungsstrahlturbinen angeschaltet, die den Verfestigungsstrahlprozess durchführen. Auch diese Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung erlaubt besonders kurze Taktzeiten bei einer gleichzeitigen hohen Produktqualität.
Weiterhin bevorzugt werden für das Vorstrahlen und das Verfestigungsstrahlen das gleiche Strahlmittel genutzt. Alternativ hierzu kann für das Vorstrahlen und das Verfestigungsstrahlen ein verschiedenes Strahlmittel genutzt werden. Im Falle des gleichen verwendeten Strahlmittels ist es insbesondere mögliche, durch bloße Variation der Turbinendrehzahl entsprechend zwischen Vorstrahlprozess, der schwerpunktmäßig eine Reinigung und/oder eine Vorverfestigung durchführt, und Verfestigungsstrahlprozess, der das Verfestigungsstrahlen durchführt, zu unterscheiden. Beide Strahlvorgänge können dann nahtlos ineinander übergehen, da in der einfachsten Ausführungsvariante lediglich die Turbinendrehzahl verändert wird.
Im Falle der voneinander verschiedenen Strahlmittel ist es möglich, entweder ein erstes Strahlmittel der Strahlturbine zuzuführen und dann während des Strahlprozesses durch Variation des Strahlmittels ein zweites Strahlmittel der gleichen Turbine zuzuführen bei im Wesentlichen konstanter Turbinendrehzahl. Auch ist es vorstellbar, die Turbinendrehzahl je nach verwendetem Strahlmittel entsprechend zu verändern. Darüber hinaus ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, eine erste Strahlturbine für ein erstes Strahlmittel und eine zweite Strahlturbine für ein zweites Strahlmittel in einer Anlage zu verwenden. Für den jeweiligen Prozess, also den Vorstrahlprozess oder den Verfestigungsstrahlprozess, wird dann die jeweilige Strahlturbine eingeschaltet.
Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin besonders bevorzugt das Verfestigungsstrahlen nur bereichsweise durchgeführt. Hierdurch ist es möglich, die Vorgaben aus dem Lasten- bzw. Pflichtenheft des Metallbauteils zu erfüllen bei gleichzeitig geringen Produktionskosten und kurzen Produktionszeiten. Mit herkömmlichen Strahlverfahren ist es zwingend notwendig, aufgrund der Auslegung der Strahlanlage sowie der Strahlturbinen maßgeblich ein gesamtes Bauteil mit dem Verfestigungsstrahlprozess zu bearbeiten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es insbesondere möglich, das Metallbauteil nur bereichsweise mit dem Verfestigungsstrahlen zu bearbeiten. Somit ist es wiederum möglich, nur an den jeweils geforderten Bereichen die Druckeigenspannungen zu erzeugen und an Bereichen, die weniger stark belastet sind, kein oder nur ein Verfestigungsstrahlen mit geringer Intensität durchzuführen.
Weiterhin besonders bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Turbine beweglich in der Strahlanlage angeordnet, wobei die Turbine während zumindest einem der Strahlprozesse verlagert wird. Durch die Verlagerbarkeit der Strahlturbine ist es insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Strahlverfahren möglich, das Metallbauteil nur bereichsweise und/oder homogen zu bearbeiten. Im Falle der bereichsweisen Bearbeitung, beispielsweise bei einem Kraftfahrzeugstabilisator, der als Langmaterial ausgebildet ist, ist es somit möglich, einen Endabschnitt und eine Kopfabschnitt mit dem Strahlverfahren zu behandeln, wohingegen die Strahlturbine über den Mittelabschnitt verfahren wird und nur ein Strahlverfahren mittlerer Intensität angewandt wird und/oder abgeschaltet wird. Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, das Bauteil möglichst homogen, also allseitig, zu behandeln, da durch das Verfahren der Strahlturbine, also das Verlagern der Strahlturbine, realisiert wird, das Bauteil möglichst von allen Seiten gleichmäßig mit Strahlmittel zu beschießen. Insbesondere ist das Bauteil selber in der Strahlanlage drehbar und/oder verlagerbar, so dass sich zusätzliche Freiheitsgrade ergeben.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, dass für das Verfestigungsstrahlen mehrere Turbinen zugeschaltet werden, um so die Strahlmitteldichte einzustellen. Insbesondere umfasst die erfindungsgemäße Strahlanlage zwei, drei oder mehr Turbinen, so dass durch das Verfestigungsstrahlen mit einer Hauptturbine zunächst eine hinreichende Eigenspannung an der Oberfläche des Bauteils während des Verfestigungsstrahlprozesses erzeugt wird. Bereichsweise und/oder für beispielsweise eine Sonderserie ist es zusätzlich möglich, eine zweite Turbine oder aber mehrere Turbinen zuzuschalten, um somit die auf die Bauteiloberfläche auftreffende Strahlmitteldichte zu erhöhen.
Darüber hinaus ist es möglich, in den verschieden zugeschalteten Turbinen voneinander jeweils verschiedene Strahlmittel einzusetzen, so dass es durch gezieltes Einschalten von Turbinen mit jeweils einem spezifischen Strahlmittel und der sich daraus ergebenden Strahlmittelgeschwindigkeit möglich ist, ein Bauteil mit einer gezielten vorgegebenen Druckeigenspannung zu behandeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Strahlanlage lassen sich insbesondere auf ein breites Anwendungsspektrum nutzen, so dass die Anschaffungskosten vergleichsweise zu herkömmlichen Strahlanlagen, die insbesondere nur für eine Strahlmittelgeschwindigkeit und für einen Anwendungsfall eines herzustellenden Bauteils einsetzbar sind, gering ausfallen.
Weiterhin bevorzugt wird das Strahlmittel im Rahmen der Erfindung während des Vorstrahlens und/oder während des Verfestigungsstrahlens vorgeheizt. Hierbei wird temperiertes Strahlmittel auf das Metallbauteil geschossen. Hierdurch ergeben sich wiederum Vorteile in dem Einbringen von Druckeigenspannungen in die Bauteiloberfläche für das Verfestigungsstrahlen oder aber im Falle der Reinigung bzw. Vorverfestigung während des Vorstrahlens.
Im Rahmen der Erfindung ist es darüber hinaus vorstellbar, einen zusätzlich zu dem zweistufigen Strahlprozess mehrstufigen Strahlprozess durchzuführen. D. h., es wird ein Vorstrahlen, ein Verfestigungsstrahlen sowie mindestens eine zusätzliche Strahlstufe durchgeführt. Hierbei kann es sich beispielsweise im Rahmen der Erfindung um ein zweites Vorstrahlen, ein zweites Verfestigungsstrahlen oder aber ein Nachstrahlen handeln. Ein Anwendungsfall kann im Rahmen der Erfindung vorsehen, dass nach dem Verfestigungsstrahlen Druckeigenspannungen bereichsweise wieder durch ein Nachstrahlen relativiert werden, was produktionstechnisch unter Umständen günstiger ist als nur ein bereichsweise ausgeführtes Verfestigungsstrahlen.
Die vorliegende Erfindung sieht weiterhin eine Strahlmittelanlage zur Durchführung des Verfestigungsstrahlens mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale vor, wobei die Strahlmittelanlage dadurch gekennzeichnet ist, dass die Strahlmittelanlage mindestens eine Strahlturbine aufweist, wobei die Strahlturbine während des Strahlvorganges in mindestens einer translatorischen Richtung örtlich verfahrbar bzw. verlagerbar ist. Durch die verlagerbare Strahlturbine ist es im Rahmen der Erfindung möglich, das Metallbauteil nur abschnittsweise und/oder bereichsweise zu behandeln. Insbesondere kann die Strahlturbine dazu benutzt werden, beide Strahlprozesse, also das Vorstrahlen und das Verfestigungsstrahlen, durchzuführen oder aber die Strahlturbine kann nur für das Verfestigungsstrahlen oder nur für das Vorstrahlen benutzt werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin vorstellbar, zwei, drei, vier oder mehr Strahlturbinen in der Strahlmittelanlage anzuordnen, wobei mindestens eine Strahlturbine verlagerbar ist. Vorzugsweise sind alle zuvor genannten Strahlturbinen verlagerbar. Ebenfalls ist es im Rahmen der Erfindung vorstellbar, dass ein Turbinenpaar angeordnet wird, wobei eine jeweilige Turbine verlagerbar ist, jedoch das Turbinenpaar jeweils symmetrisch verlagert wird. Im Rahmen der Erfindung bedeutet dies, dass entweder eine Turbine einer anderen Turbine folgt oder aber jeweils eine gleichmäßige Dreh-, Schwenk- oder aber translatorische Bewegung von beiden Turbinen spiegelsymmetrisch ausgeführt wird.
Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, zwei voneinander verschiedene Strahlmittel für das Vorstrahlen und das Verfestigungsstrahlen zu verwenden, wobei das Strahlmittel automatisiert einer Turbine zugeführt wird, so dass der zeitliche Übergang von Vorstrahlen zu Verfestigungsstrahlen fließend durchführbar ist. Insbesondere muss dabei die Turbinendrehzahl nicht oder nur unwesentlich geändert werden, so dass sich keine zeitliche Verzögerung durch einen Wechsel der Turbine und/oder durch ein Umschalten der Turbine ergibt. Das Zuführen von Strahlmittel kann dabei revolverartig bzw. magazinartig geschehen, so dass von einem auf das andere Strahlmittel umgeschaltet werden kann. Die Strahlturbine kann somit fortlaufend auf ihrer Betriebsdrehzahl gehalten werden, so dass für einen Anlaufvorgang und gegebenenfalls für einen Abbremsvorgang keine Energieaufwendungen vorgesehen sind. Hierdurch ergeben sich wiederum günstige Betriebskosten der erfindungsgemäßen Strahlmittelanlage.
Die zuvor beschriebenen Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar mit den sich dadurch ergebenden Vorteilen. Der Rahmen der Erfindung wird dadurch nicht verlassen.
Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sind Bestandteil der nachfolgenden Beschreibung. Vorteilhafte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
1 eine Oberfläche eines Metallbauteils mit herkömmlichen Verfestigungsstrahlen;
2 die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfestigungsstrahlens;
3 eine erfindungsgemäße Strahlmittelanlage mit einem Strahlturbinenpaar und
4 eine erfindungsgemäße Strahlmittelanlage mit beweglicher Strahlturbine.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Metallbauteil 1 mit einer Oberfläche 2, wobei auf der Oberfläche 2 Verschmutzungen 3, Ablagerungen 4 sowie eine Zunderschicht 5 vorhanden sind. Weiterhin dargestellt ist ein aus dem Stand der Technik bekannter durchgeführter Strahlprozess, bei dem ein Strahlmittel 6 auf die Oberfläche 2 geschossen wird. Auf der rechten Bildebene von 1 ist gezeigt, dass nach der Durchführung des Strahlprozesses eine sehr große Oberflächenrauigkeit 7 vorhanden ist. Insbesondere sind die Verschmutzungen 3, Ablagerungen 4 und die Zunderschicht 5 in die bearbeitete Oberfläche 8 eingearbeitet bzw. untergearbeitet. Durch die Inhomogenität sowie die Verschmutzungen 3 an der bearbeiteten Oberfläche 8 kann es im Laufe der Bauteilnutzung zu Mikrorissen oder Bauteilversagen führen.
2 zeigt das gleiche Ausgangsmaterial in Form eines Metallbauteils 1 mit an der Oberfläche 2 des Metallbauteils 1 anhaftenden Verschmutzungen 3, Ablagerungen 4 sowie Zunderschichten 5. Erfindungsgemäß wird nun zunächst an dem Metallbauteil 1 ein Vorstrahlen 9 durchgeführt, wobei Vorstrahlmittel 10 mit einer Geschwindigkeit V1, die die Strahlmittelgeschwindigkeit während des Vorstrahlens 9 darstellt, auf die Oberfläche 2 des Metallbauteils 1 geschossen. Hierdurch wird eine vorgestrahlte Oberfläche 11 an dem Metallbauteil 1 hergestellt, die eine geringe Oberflächenrauigkeit sowie einen homogenen Oberflächenverlauf aufweist sowie von Verschmutzungen, Ablagerungen und Zunder befreit ist. Im Anschluss hieran wird ein Verfestigungsstrahlen 12 durchgeführt, wobei für das Verfestigungsstrahlen 12 Verfestigungsstrahlmittel 6 verwendet wird, das mit einer Geschwindigkeit V2 als Strahlmittelgeschwindigkeit während des Verfestigungsstrahlens 12 auf die durch das Vorstrahlen behandelte Oberfläche 11 geschossen wird. Im Ergebnis ergibt sich nach dem Verfestigungsstrahlen 12 eine erfindungsgemäße verfestigungsgestrahlte Oberfläche 13, die eine homogene Oberflächentopografie sowie einen homogenen Spannungsverlauf ohne Ablagerungen, Verschmutzungen und Zunderschichten aufweist. Diese verfestigungsgestrahlte Oberfläche 13 lässt sich produktionssicher herstellen, so dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallbauteile 1 eine besonders hohe Produktqualität aufweisen.
3 zeigt weiterhin eine erfindungsgemäße Strahlmittelanlage 14, mit der ein, im hier gezeigten Beispiel, Kraftfahrzeugstabilisator 15 verfestigungsgestrahlt wird. Der Kraftfahrzeugstabilisator 15 ist dazu an Halterungen 16 in der Strahlmittelanlage 14 aufgehangen, wobei der Kraftfahrzeugstabilisator 15 optional um die Halterungen 16 drehbar mit einer Drehbewegung D verlagerbar ist. Weiterhin dargestellt sind eine erste Strahlturbine 17 sowie eine zweite Strahlturbine 18, wobei die erste Strahlturbine 17 und die zweite Strahlturbine 18 in der hier gezeigten Ausführungsvariante gleichzeitig eingesetzt sind. In der hier gezeigten Ausführungsvariante wird von der ersten Strahlturbine 17 ein erstes Strahlmittel 19 und von der zweiten Strahlturbine 18 ein zweites Strahlmittel 20 auf die Oberfläche 2 des Stabilisators geschossen. Im Rahmen der Erfindung können das erste und das zweite Strahlmittel 19, 20 gleich sein oder aber voneinander verschieden. Ebenfalls ist es vorstellbar, die erste Strahlturbine 17 und die zweite Strahlturbine 18 gleichzeitig zu betreiben oder aber zeitlich versetzt zu betreiben.
4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung, wobei die Strahlmittelanlage 14 ebenfalls zur Aufnahme eines Kraftfahrzeugstabilistors 15 Halterungen 16 aufweist, wobei der Kraftfahrzeugstabilisator 15 wiederum optional drehbar mit einer Drehbewegung D um die Halterungen 16 verlagerbar ist. Die dargestellte Strahlturbine 17 ist hier angedeutet mit einem translatorischen Bewegungsfreiheitsgrad 21 ausgestattet, so dass diese über die Länge L des Kraftfahrzeugstabilisators 15 verlagerbar, also örtlich veränderbar bzw. verfahrbar, ist. Das durch die Strahlturbine 17 auf die Oberfläche 2 des Kraftfahrzeugstabilisators 15 aufgebrachte Strahlmittel 6 ist somit über die gesamte Länge L zumindest abschnittsweise auf die Oberfläche 2 des Kraftfahrzeugstabilisators 15 auftragbar. Hierdurch ist es erfindungsgemäß wiederum möglich, die Distand d zwischen Strahlturbine 17 und Oberfläche 2 des Bauteils zu verringern, da durch den translatorischen Bewegungsfreiheitsgrad 21 eine Annäherung von Strahlturbine 17 zu Oberfläche 2 geschaffen werden kann und trotzdem das gesamte Bauteil erfassbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Metallbauteil
2: Oberfläche
3: Verschmutzung
4: Ablagerung
5: Zunderschicht
6: Strahlmittel
7: Oberflächenrauigkeit
8: bearbeitete Oberfläche
9: Vorstrahlen
10: Vorstrahlmittel
11: vorgestrahlte Oberfläche
12: Verfestigungsstrahlen
13: verfestigungsgestrahlte Oberfläche
14: Strahlmittelanlage
15: Kraftfahrzeugstabilisator
16: Halterung
17: erste Strahlturbine
18: zweite Strahlturbine
19: erstes Strahlmittel
20: zweites Strahlmittel
21: translatorischer Bewegungsfreiheitsgrad
d: Distanz
D: Drehbewegung
L: Länge zu 15
V1: Strahlmittelgeschwindigkeit Vorstrahlen
V2: Strahlmittelgeschwindigkeit Verfestigungsstrahlen

Claims

Verfahren zum Verfestigungsstrahlen von Metallbauteilen, insbesondere von einem Kraftfahrzeugstabilisator (15), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Metallbauteils (1) und Einlegen des Metallbauteils (1) in eine Strahlanlage, wobei das Metallbauteil (1) vor dem Strahlvorgang erwärmt wird, – Vorstrahlen (9) mit einer Vorstrahlgeschwindigkeit, – Anschließend Verfestigungsstrahlen (12) mit einer Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit, wobei die Verfestigungsstrahlgeschwindigkeit größer ist als die Vorstrahlgeschwindigkeit.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (1) während des Strahlvorganges erwärmt wird, insbesondere während des Verfestigungsstrahlvorganges.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftfahrzeugstabilisator (15) bearbeitet wird, vorzugsweise ein Kraftfahrzeugstabilisatorstab.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Vorstrahlen (9) die Oberfläche (2) des Metallbauteils (1) homogenisiert und/oder gereinigt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Vorstrahlen (9) eine Zunderschicht (5) und/oder Ferritsäume entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorstrahlen (9) bei einer Strahlmittelgeschwindigkeit zwischen 10 und 60 m/s, insbesondere zwischen 20 und 50 m/s und besonders bevorzugt zwischen 30 und 40 m/s und ganz besonders bevorzugt zwischen 32 und 38 m/s durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigungsstrahlen (12) bei einer Strahlmittelgeschwindigkeit zwischen 30 und 100 m/s, insbesondere zwischen 40 und 90 m/s, bevorzugt zwischen 50 und 80 m/s und besonders bevorzugt zwischen 60 und 70 m/s durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmittelgeschwindigkeit (V2) beim Verfestigungsstrahlen verändert wird, vorzugsweise werden dem Metallbauteil (1) Bereiche zugewiesen, die mit einer jeweiligen Strahlmittelgeschwindigkeit (V2) bearbeitet werden, so dass Bereiche auf dem Metallbauteil (1) mit voneinander verschiedenen Eigenspannung hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorstrahlen (9) und das Verfestigungsstrahlen (12) in einer Strahlanlage durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Turbinendrehzahl die Strahlmittelgeschwindigkeit eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Turbinen in der Strahlanlage vorgesehen sind, wobei eine Turbine zum Vorstrahlen (9) genutzt wird und eine Turbine zum Verfestigungsstrahlen (12) genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für das Vorstrahlen (9) und das Verfestigungsstrahlen (12) das gleiche Strahlmittel (6) genutzt wird oder dass für das Vorstrahlen (9) und das Verfestigungsstrahlen (12) voneinander verschiedene Strahlmittel (6) genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigungsstrahlen (12) nur bereichsweise durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine beweglich in der Strahlanlage angeordnet wird, wobei die Turbine während zumindest einem der Strahlprozesse verlagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfestigungsstrahlen (12) mehrere Turbinen zugeschaltet werden, um so die Strahlmitteldichte einzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlmittel (6) des Vorstrahlens und/oder Verfestigungsstrahlens vorgeheizt wird.
Strahlmittelanlage (14) zur Durchführung eines Verfestigungsstrahlverfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlmittelanlage (14) mindestens eine Strahlturbine (17) aufweist, wobei die Strahlturbine (17) während des Strahlvorganges in mindestens einer translatorischen Richtung (21) örtlich verfahrbar ist.
Strahlmittelanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwei voneinander verschiedene Strahlmittel (6) für das Vorstrahlen (9) und das Verfestigungsstrahlen (12) verwendet werden, wobei die Strahlmittel (6) automatisiert einer Turbine zugeführt werden, so dass der zeitliche Übergang von Vorstrahlen (9) zu Verfestigungsstrahlen (12) fließend durchführbar ist.