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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der resultierenden Druckeigenspannungen von Bauteilen bei einem Kugelstrahlbearbeitungsprozess, mit dem Schritt des Einbringens von Probenkörpern in den Kugelstrahlbearbeitungsprozess, welche zusätzlich zu den Bauteilen bearbeitet werden. Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Kugelstrahlen ist bei der Behandlung von Metallkomponenten, um die Ermüdungsbeständigkeit bzw. Bauteilfestigkeit zu steigern oder wiederherzustellen, gängige Praxis. Kugelförmiges Strahlmittel wird zum Aufprall auf die Oberfläche einer Komponente gebracht, wobei es sehr kleine kugelförmige Plastifizierungen auf der Oberfläche erzeugt und Druckeigenspannung in die Komponente in der kugelgestrahlten Oberfläche der Komponente einleitet. Es ist höchst erwünscht, falls nicht erforderlich, die Intensität des Kugelstrahlens zu kontrollieren, weil eine Intensität oberhalb und unterhalb eines kritischen Intensitätsbereiches eine Komponente zur Folge haben kann, die weniger optimale Ermüdungsbeständigkeitseigenschaften bzw. generell geringere Bauteilfestigkeiten aufweist.
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Ein Verfahren zum Kontrollieren der Kugelstrahlintensität ist der Almentest, bei welchem ein Almen-Streifen verwendet wird, anhand dessen Krümmung, die gewöhnlich als die Bogenhöhe bezeichnet wird, die Intensität messbar ist. Die Almen-Streifen sind dünne Präzisionsstreifen (mit kontrollierter Härte und Dicke) aus Stahl 1070, welche an einem Halter angeschraubt werden, die den Streifen davon abhält sich durchzubiegen, bis die Schraubenbolzen gelöst werden. Der Streifen wird dann dem Strahlmittelstrom unter den gleichen Bedingungen wie die dem Strahlen unterworfene Komponente ausgesetzt. Nachdem der Streifen für eine vorbestimmte Zeitdauer dem Strahlen unterzogen worden ist, wird der Streifen aus dem Halter entfernt und die Bogenhöhe (Durchbiegung) gemessen.
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Die
GB 2475214 B offenbart ein solches Verfahren zum Bestimmen der Kugelstrahlintensität an einer Kugelstrahloberfläche eines Werkstücks. Dazu wird der Almen-Teststreifens an einer Kugelstrahloberfläche befestigt. Anschließend an die Bearbeitung wird der Almen-Teststreifen entfernt, um die Bogenhöhe und damit die Kugelstrahlintensität an der Kugelstrahloberfläche zu ermitteln.
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Der Almentest hat die Nachteile, dass damit die Strahlenergie ermittelt wird. Es wird jedoch nicht die direkte Auswirkung auf das Zielmaterial bestimmt, nämlich die für die Bauteilfestigkeit ausschlaggebenden Druckeigenspannungen. Zusätzlich sind die Einspannbedingungen für den Almen-Teststreifen sehr genau einzuhalten, wodurch dieses Messverfahren aufwändig ist. Des Weiteren werden bei höherer Strahlintensität sowie konzentriertem Kugelstrahl, die Blättchen nur lokal plastifiziert, so dass das Ergebnis der Messung der Durchbiegung stark verfälscht und nicht mehr aussagekräftig ist. Zudem kommt ein standardisiertes Material zur Anwendung, was in den meisten Fällen nicht dem zu bearbeitenden Material entspricht, so dass eine Übertragbarkeit nicht gegeben ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem bei kugelgestrahlten Bauteilen eine einfachere und genauere Rückführung der Druckeigenspannungen auf absolute Messverfahren möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch die Schritte des Messens der magnetischen Kenngrößen der Probenkörper nach dem Kugelstrahlbearbeitungsprozess, und des Ermittelns der zu den magnetischen Kenngrößen hinterlegten absoluten Messwerte der Druckeigenspannungen anhand von Kalibrierungsdaten.
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Die magnetischen Kenngrößen gemäß der Erfindung sind dabei Größen, welche mittels eines magnetischen Messverfahrens ermittelt werden, die repräsentativ für die Druckeigenspannungen in dem Probenkörper und dem gewählten Material sind. Das magnetisches Messverfahren ermöglicht dabei ein zerstörungsfreies Messen der relativen Druckeigenspannungen des Probenkörpers. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die magnetischen Kenngrößen mittels des Barkhausenrauschens ermittelt. Alternativ werden diese Kenngrößen mittels der Überlagerungspermeabilität bestimmt.
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Die absoluten Messwerte der Druckeigenspannungen sind dabei Werte, über welche die absoluten Druckeigenspannungen der Probenkörper angegeben werden. Diese werden vorzugsweise mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt, welches zumeist ein zerstörendes Messverfahren ist.
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Die Kalibrierungsdaten geben dabei zu einer bestimmten Bauteil- und Materialart eine Abhängigkeit zwischen den magnetischen Kenngrößen und den absoluten Druckeigenspannungen an. Dadurch kann mittels der während des laufenden Betriebs einfach durchführbaren Ermittlung der magnetischen Kenngrößen, eine genauere Bestimmung der absoluten Messwerte der Druckeigenspannungen ermittelt werden. Es ist dadurch nicht notwendig auf eine zeitaufwändig Messung der absoluten Kenngrößen zu warten, so dass ein solches Verfahren wirtschaftlicher durchführbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Kalibrierungsdaten anhand einer Vielzahl an Probenkörpern mit gewählten Material und Zustand erstellt, zu welchen die magnetischen Kenngrößen mit gemessenen absoluten Messwerten der Druckeigenspannungen korreliert werden. Dadurch werden magnetischen Kenngrößen einer Bauteilart mit gewähltem Material und Zustand verschiedene absolute Messwerte zugeordnet, so dass diese während des Betriebs aus den magnetischen Kenngrößen ermittelt werden können. Dies wird vorzugsweise vor der Durchführung des Kugelstrahlbearbeitungsprozesses an Bauteilen durchgeführt, so dass die Anzahl an Ausschussteilen minimiert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden bei einer ermittelten Abweichung der magnetischen Kenngrößen die Prozessparameter des Kugelstrahlbearbeitungsprozesses angepasst. Durch die ständige Überwachung der magnetischen Kenngrößen kann während des Betriebs eine Abweichung festgestellt werden, die außerhalb eines Toleranzbereichs liegt. Anhand dieser Abweichung können die Prozessparameter, wie beispielsweise das verwendete Strahlmittel, der Strahldruck oder die Strahlspreizung variiert werden, um die geforderten Werte zu erzielen. Dadurch kann vermieden werden, dass Ausschussteile produziert werden, oder die Anzahl dieser Teile minimiert wird. Das Verfahren kann dadurch wirtschaftlicher durchgeführt werden und die Qualität der produzierten Bauteile wird verbessert.
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Vorzugsweise werden bedarfsabhängig bei einem Probenkörper zusätzlich zu den magnetischen Kenngrößen die absoluten Messwerte der Druckeigenspannungen gemessen. Dies hat den Vorteil, dass eine Abweichung in dem Produktionsprozess oder bei dem Material frühzeitig erkannt wird. Bei einer solchen Abweichung können auch die Kalibrierungsdaten keine verlässliche Angaben zu den absoluten Messwerten der Druckspannungen liefern. Eine solche Abweichung kann dadurch frühzeitig erkannt werden, so dass die Anzahl an Ausschussteilen minimiert und die Qualität verbessert wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung werden bei einer Abweichung der Kalibrierungsdaten zu den gemessenen absoluten Messwerte, die Kalibrierungsdaten aktualisiert. Die vorherigen Daten werden dadurch durch neue Daten ersetzt. Dadurch können prozessbedingte Standardabweichungen korrigiert werden, so dass die Genauigkeit der Messung verbessert wird.
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Vorteilhafterweise wird der Probenkörper vor dem Einbringen in den Kugelstrahlbearbeitungsprozess bei einer Messposition eines in Form des Bauteils ausgebildeten Dummy-Bauteil angeordnet. Das Dummy-Bauteil weist dabei die gleichen geometrischen Abmessungen auf, wie das Bauteil. Zusätzlich ist bei dem Dummy-Bauteil eine Aufnahme zum Einbringen des Probenkörpers ausgebildet. Die Messposition ist dabei eine Position an dem Dummy-Bauteil an der die erzielten Druckeigenspannungen für die Bauteile bestimmt werden sollen. Da die geometrischen Abmessungen des Bauteils sich auf die erzielten Druckeigenspannungen auswirken, kann dadurch die für das Bauteil erzielten Druckeigenspannung genauer bestimmt werden. Die Qualität der Bauteile kann dadurch verbessert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird der Probenkörper an einer Messposition des Dummy-Bauteils angeordnet, welche für die absolute Messung der Druckeigenspannungen und/oder Messung der magnetischen Kenngrößen unzugänglich ist, und wird von dieser Messposition nach dem Kugelstrahlbearbeitungsprozess zur Messung entnommen. Als unzugängliche Messposition wird eine Position, wie beispielsweise ein Bohrlochgrund, verstanden, die lediglich durch eine Zerstörung übriger Bereiche zum Messen erreichbar ist. Durch eine Zerstörung der umliegenden Bereiche würde jedoch durch Umlagerung der Druckeigenspannungen das Messergebnis verfälscht, so dass keine genaue Aussage zu den Druckeigenspannungen möglich ist. Die Druckeigenspannungen können dadurch auch an unzugänglichen Bereichen genau gemessen werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung wird die dem Kugelstrahlbearbeitungsprozess ausgesetzte Oberfläche des Probenkörpers eben ausgebildet. Eine ebene Oberfläche hat dabei den Vorteil, dass insbesondere für ein absolutes Messverfahren, wie beispielsweise Röntgendiffraktometrie, keine Bearbeitung der Oberfläche notwendig ist und die Druckeigenspannungen genauer bestimmbar sind.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird für den Probenkörper im Vergleich zu dem Bauteil das gleiche Material und/oder die gleichen Größenverhältnisse und/oder die gleiche Vorbehandlung verwendet. Durch die Verwendung des gleichen Materials können die erzielten Druckeigenspannungen genauer für dieses Material bestimmt werden. Unter den Größenverhältnisse wird verstanden, der Probenkörper beispielsweise die gleiche Materialstärke wie das Bauteil aufweist. Dadurch können die durch die Materialstärke verursachten Abweichungen der Druckeigenspannungen zwischen dem Bauteil und dem Probenkörper minimiert werden, so dass die Messergebnisse verbessert werden.
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Unter der Vorbehandlung im Sinne der Erfindung werden Behandlungen, wie beispielweise Wärmebehandlung, Randschichthärten, Beschichtungen etc. verstanden. Durch die gleiche Vorbehandlung der Probenkörper, können die dadurch verursachten Abweichungen der Druckeigenspannungen ausgeschlossen werden, so dass auch hierdurch die Genauigkeit der Messergebnisse verbessert werden.
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Die Aufgabe wird zusätzlich gelöst durch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Kugelstrahlbearbeitungsanlage, zum Kugelstrahlen von Bauteilen, eine Messeinrichtung, zum Messen der magnetischen Kenngrößen von Probenkörpern, eine Messwertverarbeitungseinrichtung, mittels welcher anhand der magnetischen Kenngrößen, absoluten Messwerte der Druckeigenspannung ausgebbar sind, und eine Prozesssteuereinrichtung, mittels welcher anhand der absoluten Messwerte der Druckeigenspannungen die Prozessparameter der Kugelstrahlbearbeitungsanlage steuerbar sind.
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In der Messwertverarbeitungseinrichtung sind dabei die Kalibrierungsdaten hinterlegt anhand derer die Druckeigenspannungen ermittelt werden. In einer bevorzugten Ausführung können die Messeinrichtung und die Messwertverarbeitungseinrichtung auch zusammen in einer gemeinsamen Einrichtung angeordnet sein. Mit einer solchen Vorrichtung können die zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 3 Ausführungsbeispiel eines Bauteils und eines Dummy-Bauteils mit Probenkörper.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die Vorrichtung weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Bearbeitungsstraße 14 auf, auf welcher Bauteile 18 angeordnet sind. Zusätzlich zu den Bauteilen 18 sind gelegentlich anstelle eines Bauteils ein Probenkörper 22 auf der Bearbeitungsstraße 14 angeordnet. Die Vorrichtung weist zusätzlich eine Kugelstrahlbearbeitungsanlage 26 auf, in welcher die Bauteile 18 und die Probenkörper 22 nacheinander kugelgestrahlt werden.
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Nach dem Kugelstrahlen werden die Probenkörper 22 von der Bearbeitungsstraße 14 genommen und einer Messeinrichtung 30 zugeführt. In der Messeinrichtung 30 werden die magnetischen Kenngrößen beispielsweise mittels des Barkhausenrauschens ermittelt. Die über dieses Verfahren ermittelten Werte werden an eine Messwertverarbeitungseinrichtung 34 weitergegeben, welche anhand von hinterlegten Kalibrierungsdaten den magnetischen Kenngrößen absolute Messwerte der Druckeigenspannungen zuordnet.
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Die absoluten Messwerte der Druckeigenspannungen werden an eine Prozesssteuereinrichtung 38 weitergegeben, welche anhand dieser Werte gegebenenfalls die Prozessparameter der Kugelstrahlbearbeitungsanlage 26 verändert, so dass die nach der Kugelstrahlbearbeitungsanlage 26 erzielten absoluten Messwerte wieder in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt A wird der Probenkörper 22 zusätzlich zu den Bauteilen 18 in den Kugelstrahlbearbeitungsprozess gegeben, so dass der Probenkörper 22 die gleiche Kugelstrahlbearbeitung erfährt, wie das Bauteil 18. In einem nächsten Schritt B werden nach dem Kugelstrahlbearbeitungsprozess die magnetischen Kenngrößen der Probenkörper 22 ermittelt. Anhand dieser magnetischen Kenngrößen werden in einem darauf folgenden Schritt C, anhand von Kalibrierungsdaten die absoluten Messwerte ermittelt.
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Anhand der absoluten Messwerte wird der Strahlprozess in Schritt A angepasst. In einem sich an Schritt C anschließenden Schritt D, welcher jedoch lediglich bei Bedarf ausgeführt wird, wird der Probenkörper 22 einem absoluten Messverfahren zugeführt, über welchen die Druckeigenspannungen ermittelt werden. Die ermittelten Werte werden anschließend den Kalibrierungsdaten in Schritt C zugeführt, um diese gegebenenfalls zu korrigieren.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Bauteils 18 und eines Dummy-Bauteils 42 mit Probenkörper 22 gezeigt. In Teilfigur a. ist ein mögliches Ausführungsbeispiel eines Bauteils 18 gezeigt. Dieses Bauteil 18 weist eine tiefe Materialaussparung 46 auf. Ein Bodengrund 50 dieser Materialaussparung 46 wäre für das magnetische Messverfahren und für die beispielsweise Röntgendiffraktometrie, unzugänglich. Bevor dieser Bodengrund 50 vermessen werden kann, müssten die beiden die Materialaussparung 46 begrenzenden Seiten 54 entfernt werden.
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In Teilfigur b. ist ein Dummy-Bauteil 42 gezeigt, welches im Bereich des Bodengrundes 50 einen seitlichen Schacht 58 aufweist, über die der Probenkörper 22 in das Dummy-Bauteil 42 eingesetzt und entnommen werden kann. Dadurch kann der Probenkörper 22 nach dem Kugelstrahlen ohne eine Zerstörung der Probenkörpers 22 und damit Verfälschung der Messergebnisse vermessen werden. c. zeigt ein Ausführungsbeispiel des Probenkörpers 22. Dieser ist dabei als ebene Platte ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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