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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Festigkeit eines Bauteils durch Einbringen von Eigenspannungen, indem eine erste Bauteiloberfläche des Bauteils einer oberhalb der Streckgrenze liegenden Krafteinwirkung ausgesetzt wird, während eine der ersten Bauteiloberfläche abgewandte zweite Bauteiloberfläche im Wesentlichen unbelastet bleibt.
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Ein bekanntes Verfahren zur Steigerung der Dauerfestigkeit von Bauteilen der Hochdrucktechnik ist die Autofrettage. Als Autofrettage (Selbstschrumpfung) bezeichnet man ein Verfahren zur Festigkeitssteigerung von beispielsweise Rohrleitungen für den Einsatz bei hohen und pulsierenden Innendrücken.
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Dabei wird das Rohr einem über dem späteren Betriebsdruck und über der Streckgrenze liegenden Innendruck ausgesetzt, sodass die Bereiche an der Innenwand plastifizieren. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen.
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Der Effekt der Autofrettage beruht auf der wechselseitigen Beziehung der plastifizierten inneren und der elastisch verformten äußeren Zone. Diese wird von der inneren plastisch verformten Zone daran gehindert, wieder ihre ursprüngliche Form einzunehmen, sie bleibt gedehnt. Dies erklärt die auftretenden Zugeigenspannungen in der äußeren Schicht. Die innere plastisch verformte Schicht wiederum wird von der zurückfedernden äußeren Schicht zusammengedrückt oder auch -gepresst. Dies erklärt die hier auftretenden Druckeigenspannungen.
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Einer der Vorteile, bei späterem Betrieb mit Innendruck ist nun der, dass die durch den im Betrieb aufgebrachten Innendruck an der Randfaser (= innerste Schicht des Rohres) auftretenden Spannungsspitzen durch die bereits vorhandenen Druckeigenspannungen aus der Autofrettage kompensiert werden.
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Bei einem Autofrettage-Prozess wird eine Hydraulikflüssigkeit in Bohrungen oder Hohlräume eines Werkstücks unter sehr hohem Druck eingepresst, um Materialeigenspannungen in den Wänden des Werkstücks zu erzeugen. Die so behandelten Werkstücke kommen beispielsweise als Comman Rails in modernen Diesel-Einspritzsystemen zum Einsatz.
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Autofrettage ist in allen Bereichen der Hochdrucktechnik ein besonders kostengünstiges Verfahren zur Steigerung der Dauerfestigkeit. Eine derartige Vorrichtung und ein hierbei anwendbares Verfahren ist beispielsweise aus der
WO 2008/058494 A1 bekannt.
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Die
WO 2011/070063 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Autofrettage von Werkstücken mit einem umlaufend geschlossenen Gehäuse mit einer Innenseite zur Aufnahme des Werkstücks, mindestens einem Abdichtelement zum Verschließen einer Öffnung des Werkstücks und einer Zufuhreinheit zum Zuführen eines Autofrettagemediums in den Innenraum des Werkstücks, wobei das Abdichtelement an der Innenseite des Gehäuses angeordnet ist und einen bewegbaren Kolben zum Verschließen der Öffnung aufweist. Durch das umlaufend geschlossene Gehäuse wird ein einfacher und kompakter Aufbau möglich.
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Die
EP 2 298 940 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen von Hochdruckbauteilen, insbesondere von Rohrleitungen, mit einem Autofrettagedruck. Um die Dauerfestigkeit einer Autofrettagevorrichtung der eingangs genannten Art zu erhöhen, ist in dem Absperrkörper der Hochdruckventileinheit ein Hochdruckkanal zur Verbindung der Druckerfassungseinheit mit dem zu beaufschlagenden Hochdruckbauteil gebildet.
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Die
DE 10 2009 057 176 A1 betrifft ein Verfahren zur Autofrettage eines Bauteils, insbesondere einer Verteilerleiste für Einspritzsysteme, wobei ein gefährdeter Bereich des Bauteils für den Autofrettagevorgang mit einem Verstärkungselement ausgestattet wird. Hierdurch kann die Wandung des Bauteils, ungeachtet des Autofrettagedrucks, nur für den Betriebsdruck ausgelegt werden.
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In der
DE 102 60 856 A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, dass ein Bauteil in seinem Hohlraum während einer Druckbeaufschlagungsphase mit einem derartigen Druck beaufschlagt wird, dass das Bauteil wenigstens abschnittsweise zur Erzeugung von Druckeigenspannungen im Bauteil teilplastisch verformt wird und dass das Bauteil während einer Temperaturbehandlungsphase auf eine Bauteiltemperatur höher als Raumtemperatur erwärmt wird. Durch die Temperaturbehandlungsphase werden physikalische Effekte der teilplastischen Verformung im Bauteil, die die Verbesserung der Dauerfestigkeit bewirken, dahingehend begünstigt, dass die erzeugten Druckeigenspannungen vorteilhafterweise stabilisiert werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Bauteiltemperatur lediglich in jenen Bereichen erhöht wird, in welchen die Bauteile zur Erzeugung von Druckeigenspannungen teilplastisch verformt werden, und die anderen Bereiche des Bauteils weniger stark oder überhaupt nicht erwärmt werden.
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Die
DE 10 2009 046 437 A1 betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Einspritzdüse bei dem die der Kraftstoffführung dienenden Ausnehmungen der Einspritzdüse mit einem rheopexischen oder dilatanten Fluid gefüllt werden, wobei das Fluid mit einem Autofrettagedruck beaufschlagt wird.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Einbringen von Eigenspannungen wesentlich zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die erste Bauteiloberfläche vorübergehend auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt wird und ein Temperaturgradient zwischen den Bauteiloberflächen derart erzeugt wird, dass eine thermische Schrumpfung der der ersten Bauteiloberfläche benachbarten Schichten des Bauteils bis zum Überschreiten der Streckgrenze erreicht wird. Hierdurch wird in einer überraschend einfachen Weise die erforderliche Verformung zum Einbringen der gewünschten Druckeigenspannungen durch eine thermische Schrumpfung der ersten Bauteiloberfläche erzeugt, während die der ersten Bauteiloberfläche gegenüberliegende zweite Bauteiloberfläche zunächst keine Temperaturveränderung erfährt. Dadurch, dass die mit der thermischen Schrumpfung einhergehende Verformung irreversibel ist. kommt es wie auch bei anderen Autofrettageverfahren zu dem Aufbau von Druckeigenspannungen in dem Bauteil, sobald der nachfolgende Temperaturausgleich zwischen den Bauteiloberflächen abgeschlossen ist.
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Der Entzug der Wärme der ersten Bauteiloberfläche kann durch beliebige und an sich bekannte Verfahren erfolgen, wobei der Wärmeübergang durch Leitung, Strahlung oder Konvektion realisiert werden kann. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die erste Bauteiloberfläche mittels eines auf die erste Bauteiloberfläche einwirkenden Fluids sehr geringer Temperatur abgekühlt wird. Hierdurch kann das Bauteil gezielt partiell im Bereich der ersten Bauteiloberfläche abgekühlt werden, indem die Kontaktfläche zwischen dem als Kältemittel dienenden Fluid und der ersten Bauteiloberfläche exakt begrenzt wird. Dadurch ist es zudem auch möglich, in verschiedene Bereiche der Bauteiloberfläche unterschiedliche Druckeigenspannungen einzubringen, indem die Einwirkung, beispielsweise die Dauer oder die Intensität, des Fluids entsprechend gesteuert wird.
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Um durch die Verformung die Streckgrenze zuverlässig zu überschreiten, sind sehr geringe Temperaturen bzw. hohe Temperaturgradienten zwischen den einander gegenüberliegenden Bauteiloberflächen erforderlich. Besonders praxisgerecht ist es daher, wenn die erste Bauteiloberfläche auf eine Temperatur zwischen –150°C und dem absoluten Nullpunkt, beispielsweise zwischen –180°C und –220°C, abgekühlt wird, um so eine wirksame Schrumpfung zu erreichen.
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Eine realisierbare Variante betrifft die Verwendung von flüssigem Sauerstoff als ein geeignetes Fluid. Besonders zweckmäßig ist es hingegen, wenn das Fluid im Wesentlichen durch Stickstoff gebildet wird, welcher in seinem flüssigen Aggregatzustand mit einer Temperatur unterhalb vom –195,80°C zugeführt wird.
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Zur weiteren Erhöhung des Temperaturgradienten hat es sich bereits als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die zweite Bauteiloberfläche zumindest abschnittsweise erwärmt wird, wobei neben der Zuführung eines Wärmeträgermediums auch andere Formen der Energiezuführung denkbar sind. Beispielsweise eignen sich viele an sich bekannte Heizelemente, wobei der Einwirkungsbereich vorzugsweise klar abgegrenzt ist, um so den gewünschten Temperaturgradienten zwischen den Bauteiloberflächen zuverlässig zu erreichen.
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Das Bauteil kann eine nahezu beliebige Geometrie aufweisen. Besonders einfach ist hingegen eine Abwandlung der Erfindung, bei welcher die erste Bauteiloberfläche eine Innenwandfläche eines Hohlkörpers ist, sodass das Fluid in einfacher Weise den Hohlkörper durchströmen kann und dabei alle Oberflächenbereiche der Innenwandfläche des Hohlkörpers zuverlässig erreicht. Gegebenenfalls vorhandene zusätzliche Öffnungen bzw. Durchbrechungen des Hohlkörpers können dabei dicht verschlossen werden.
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Auf diese Weise können beispielsweise eine Kraftstoffleitung, eine Verteilerleiste oder dergleichen hergestellt werden, die im Betrieb hohen Druckbeanspruchungen unterliegen.
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Bei einer anderen Geometrie des Bauteils hat sich das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls bereits als besonders gewinnbringend erwiesen, wenn ein flächiges, insbesondere massives Bauteil vor der Fluidbeaufschlagung in einer Spannvorrichtung an gegenüberliegenden Bereichen fixiert wird. Ein solches, beispielsweise in seiner Grundform gestrecktes Bauteil, wie etwa ein stabförmiges Bauteil, wird hierzu an gegenüberliegenden Endabschnitten fest eingespannt. Infolge der Einspannung ist die thermische Schrumpfung des Bauteils bei der Kälteeinwirkung unterbunden. Die Blockierung der Dehnung aufgrund der Einspannung in einer entsprechenden Bauteilaufnahme führt zu Zugspannungen, die bei Überschreitung der Streckgrenze zu einer irreversiblen Materialstreckung des Bauteils führen. Nach dem Temperaturausgleich führen die nun gelängten Schichten des Bauteils zu einer Stauchung innerhalb der festen Bauteilaufnahme. Diese Stauchung geht einher mit den gewünschten Druckeigenspannungen.
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Weiterhin erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das Fluid in einem flüssigen Aggregatzustand zugeführt wird und das Fluid ohne oder mit einem geringen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck auf die erste Bauteiloberfläche einwirkt, wobei eine Kombination von erhöhtem Fluiddruck und einer thermischen Schrumpfung nicht grundsätzlich ausgeschlossen ist.
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Das Bauteil könnte in einen Behälter mit dem flüssigen Kältemittel getaucht werden, um so die gewünschte Abkühlung zu erreichen. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn das Fluid in einem kontinuierlichen Prozess das Bauteil anströmt oder durchströmt, bis die gewünschte Oberflächentemperatur erreicht ist, wobei eine unerwünschte Erwärmung des Fluids auf ein Minimum beschränkt und die gewünschte schlagartige Abkühlung des Bauteil sichergestellt ist.
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Die Einwirkungsdauer ist dabei grundsätzlich von der Beschaffenheit des Bauteils, insbesondere auch seiner Wandstärke zwischen den Bauteiloberflächen abhängig. In der Praxis hat sich jedoch bereits eine kurzzeitige Einwirkungsdauer durch die Fluidbeaufschlagung zwischen wenigen Sekunden und mehreren Minuten, bevorzugt zwischen 10 und 90 Sekunden, insbesondere zwischen 30 und 60 Sekunden, als praxisgerecht erwiesen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
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1 einen Spannungsverlauf eines rohrförmigen Bauteils während der Einwirkung eines Kühlmediums;
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2 einen Spannungsverlauf des Bauteils nach einem Temperaturausgleich;
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3 eine Anordnung zur Behandlung eines stabförmigen Bauteils.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steigerung der Festigkeit eines Bauteils 1 durch Einbringen von Eigenspannungen wird nachstehend anhand der 1 bis 3 jeweils anhand einer Prinzipdarstellung näher erläutert. Wie in 1 zu erkennen, ist das rohrförmige Bauteil 1 mit einem Fluid 2 als Kältemittel gefüllt und wird von diesem laminar durchströmt. Als Fluid 2 eignet sich beispielsweise flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur von ca. –196°C. Das Fluid 2 entzieht dem Bauteil 1 in einer zu einer ersten Bauteiloberfläche 3 benachbarten inneren Ringquerschnittsschicht 4 einen wesentlichen Wärmeanteil, sodass es zu einer schnellen Abkühlung kommt, während es in einer zweiten, die erste Ringquerschnittsschicht 4 koaxial einschließenden äußeren Ringquerschnittsschicht 5 sowie in einer der ersten Bauteiloberfläche 3 abgewandten zweiten Bauteiloberfläche 6 zu keiner wesentlichen Abkühlung kommt. Indem die innere Ringquerschnittsschicht 4 auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt und ein hoher Temperaturgradient zwischen den beiden Bauteiloberflächen 3, 6 erzeugt wird, tritt eine thermische Schrumpfung in der inneren Ringquerschnittsschicht 4 ein. Die so entstehenden Zugspannungen 7a überschreiten die Streckgrenze, sodass das Bauteil 1 einer plastischen Verformung unterliegt. Im Bereich der äußeren Ringquerschnittsschicht 5 kommt es infolge der Schrumpfung in der inneren Ringquerschnittsschicht 4 zu Druckspannungen 8a und infolgedessen zu einer elastischen Verformung. Der Bereich der wirksamen Zugspannungen 7a und der Druckspannungen 8a ist durch eine gestrichelt dargestellte neutrale Faser 9 getrennt. Der Temperaturgradient kann dabei in einfacher Weise durch Zuführung von Wärme zu der äußeren Bauteiloberfläche erhöht werden, wie dies durch ein beispielhaft dargestelltes Heizelement 10 realisierbar ist.
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In 2 ist der Spannungszustand in dem Bauteil 1 nach einem Temperaturausgleich durch Rückerwärmung des Bauteils 1 auf Raumtemperatur dargestellt. In einer äußeren Ringquerschnittsschicht 5 sind nunmehr aufgrund der Weitung im Bereich der inneren Ringquerschnittsschicht 4 Zugeigenspannungen 7b wirksam, die zu einer elastischen Verformung führen. In einem durch die neutrale Faser 9 getrennten Bereich der inneren Ringquerschnittsschicht 4 führt die Weitung zu dem gewünschten Aufbau von Druckeigenspannungen 8b aufgrund der dort entstandenen plastischen Verformung.
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In 3 ist zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein als Massivstab ausgeführtes Bauteil 11 während der Durchführung der thermischen Behandlung dargestellt. Hierzu ist das Bauteil 11 in seinen gegenüberliegenden Endbereichen 12 in einer Bauteilaufnahme 13 durch eine Fixierkraft F festgelegt, sodass eine Längenänderung parallel zu einer neutralen Faser 14 ausgeschlossen ist. Dadurch wird eine Temperaturdehnung durch thermische Schrumpfung infolge der Zufuhr des als Kältemittel dienenden flüssigen Fluids 15 und der damit verbundenen Kältebeaufschlagung unterbunden. Die der Fluidbeaufschlagung zugewandten Bauteiloberflächen 16 und 17 des Bauteils 11 werden dabei so weit abgekühlt, bis die auftretenden Zugspannungen die Streckgrenze überwinden, sodass sich eine irreversible Materialstreckung des Bauteils 11 ergibt. Nach Abschluss des nachfolgenden Temperaturausgleichs führt die Streckung des Bauteils 11 zu einer Stauchung innerhalb der Bauteilaufnahme 13 und bewirkt so die Druckeigenspannungen innerhalb des Bauteils 11.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Fluid
- 3
- Bauteiloberfläche
- 4
- Ringquerschnittsschicht
- 5
- Ringquerschnittsschicht
- 6
- Bauteiloberfläche
- 7a, 7b
- Zugeigenspannung
- 8a, 8b
- Druckeigenspannung
- 9
- neutrale Faser
- 10
- Heizelement
- 11
- Bauteil
- 12
- Endbereich
- 13
- Bauteilaufnahme
- 14
- neutrale Faser
- 15
- Fluid
- 16
- Bauteiloberfläche
- 17
- Bauteiloberfläche
- F
- Fixierkraft
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/058494 A1 [0007]
- WO 2011/070063 A1 [0008]
- EP 2298940 A1 [0009]
- DE 102009057176 A1 [0010]
- DE 10260856 A1 [0011]
- DE 102009046437 A1 [0012]
