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Rückbezug zu verwandten Anmeldungen
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am
22. Juli 2005 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 11/188,158.
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Hintergrund der Erfindung
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1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Runden und Geraderichten
von hohlen zylindrischen Teilen, die aufgrund ungleichmäßiger
innerer Spannungen unrund sind oder nicht eben sind.
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2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Es
ist allgemein bekannt, dass sich Stahlteile nach einer Wärmebehandlung
aufgrund innerer Spannungen, die teilweise während des
Wärmebehandlungsprozesses entstehen, verformen können. Wenn
beispielsweise ein Teil aus Kohlenstoffstahl von oberhalb der Austenitisierungstemperatur
abgeschreckt wird, bildet sich Martensit. Die Umwandlung von Austenit
in Martensit wird von einer Volumenausdehnung begleitet. Infolge
der Volumenausdehnung werden innere Spannungen in das Teil eingetragen. Jegliche
Ungleichmäßigkeiten in den inneren Spannungen
können eine Verzerrung des Teils bewirken. Bei hohlen zylindrischen
Stahlteilen kann die Verzerrung bewirken, dass die Teile unrund
werden, oder kann bewirken, dass die Teile ihre ebene Gestalt verlieren, ähnlich
einem Kartoffelchip. Bei der Anwendung des Teils wird die Deformation
entweder toleriert, oder üblicherweise wird die Deformation
mit hohen Kosten durch Feinschleifen behoben. Es besteht daher ein
Bedarf an einem kostengünstigeren Verfahren zum Runden
und Geraderichten hohler zylindrischer Teile, die unrund sind und/oder
die nicht eben sind.
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Es
wurden bereits Verfahren zum Geraderichten von Strukturelementen
von Lastwagen vorgeschlagen. Außerdem wurden Verfahren
zum Geraderichten verzogener Wellen vorgeschlagen. Es werden bekannte
Verfahren genutzt, bei denen verbogene, wärmebehandelte
Wellen durch Zurückbiegen geradegerichtet werden. Es kommen
auch Verfahren zum Auswuchten verbogenen Wellen zum Einsatz, bei
welchen Kräfte auf eine verbogene Welle in einem lokal
begrenzten Bereich aufgebracht werden, wobei diese Kräfte
ausreichen, um die Welle lokal zu festigen, um eine Druckeigenspannung
in einer Oberflächenschichtzone der Welle zu bewirken,
um die Verbiegung der Welle zu reduzieren.
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Die
Druckeigenspannung kann in der Oberflächenschichtzone der
verbogenen Welle auf verschiedene Weise erzeugt werden. Beispiele
für Möglichkeiten, die bekannt sind, um eine Druckeigenspannung
in einer Oberflächenschichtzone zu erzielen, umfassen Einsatzhärtung,
Induktionshärtung, Laserstrahlhärtung, Nitrierung
und Tiefwalzen. Die Druckeigenspannungen werden nur in einer Oberflächenschichtzone
der Welle induziert, sodass die induzierten Druckeigenspannungen
eine entsprechende Deformation der Welle bewirken. Die Richtung dieser
Deformation hängt davon ab, in welchen speziellen Oberflächenzonen
der Welle Druckeigenspannungen induziert worden sind. Es wird berichtet, dass,
um eine gewünschte Auswuchtungswirkung zu erzielen, die
Druckeigenspannungen in der Welle in einem definierten, lokal begrenzten
Bereich induziert werden sollten. Dies kann mithilfe eines lokal
begrenzten Härtungsprozesses oder mithilfe eines lokal begrenzten
Tiefwalzvorgangs erreicht werden.
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Für
die Einsatzhärtung ist bei bekannten Verfahren eine selektive
Maskierung der Welle erforderlich, um zu verhindern, dass Oberflächenabschnitte der
Welle, die ungehärtet bleiben müssen, bei dem Einsatzhärtungsprozess
gehärtet werden. Das Einsatzhärtungsverfahren
zum Härten ist sowohl energie- als auch arbeitsintensiv
und ist daher recht teuer. Die Nitrierung weist ähnliche
Nachteile auf. Beim Induktionshärten wird die zu härtende
Welle im Inneren einer Spule platziert, durch welche schnell wechselnder
Strom fließt. Bei diesem Verfahren kann es ebenfalls schwierig
sein zu verhindern, dass Oberflächenabschnitte der Welle,
die ungehärtet bleiben müssen, bei dem Induktionshärtungsprozess
gehärtet werden. Insofern ist die Induktionshärtung
ebenfalls teuer und zeitaufwendig. Tiefwalzvorgänge erfordern eine
komplizierte Ausrüstung und sind daher ebenfalls ziemlich
teuer.
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Wenngleich
also Verfahren vorgeschlagen wurden, um verzogene Wellen geradezurichten,
besteht ein Bedarf an kosteneffizienteren Verfahren zum Runden und
Geraderichten hohler zylindrischer Teile, die unrund und/oder nicht
eben sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird dem vorstehenden genannten Bedarf gerecht,
indem ein Verfahren zum Runden und/oder Geraderichten eines ringförmigen
Teils, das aufgrund ungleichmäßiger innerer Spannungen,
die typischerweise durch eine Wärmebehandlung verursacht
werden, unrund und/oder nicht eben ist, bereitgestellt wird. Gemäß dem
Verfahren wird das ringförmige Teil gerundet oder geradegerichtet,
indem Druckspannungen in ausgewählte Bereiche der Unterseite,
des Innendurchmessers oder des Außendurchmessers des ringförmigen
Teils in solcher Weise eingebracht werden, dass die eingebrachten
Druckspannungen eine Deformation des ringförmigen Teils
bewirken, wodurch das ringförmige Teil gerundet und/oder
geradegerichtet wird.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Runden eines ringförmigen
Teils zur Verfügung gestellt, das eine Achse aufweist und
das eine innenseitige Oberfläche und eine außenseitige Oberfläche
aufweist, wobei das Teil aufgrund ungleichmäßiger
innerer Spannungen, die typischerweise durch eine Wärmebehandlung
verursacht sind, unrund ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst
festgestellt, wo das ringförmige Teil unrund ist. Dies
kann durch Messen von Abständen entlang von Bezugslinien
von der Achse des ringförmigen Teils aus zu entsprechenden
Abschnitten der innenseitigen Oberfläche des ringförmigen
Teils, die jeder Bezugslinie zugeordnet sind, erfolgen. Das ringförmige
Teil wird in einem Abschnitt der innenseitigen Oberfläche,
der am weitesten von der Achse entfernt ist, am stärksten unrund
sein. Daher umfasst das Verfahren den Schritt des Identifizierens
eines ersten Abschnitts der innenseitigen Oberfläche des
ringförmigen Teils, der sich in einem größeren
Abstand von der Achse befindet als ein zweiter Abschnitt der innenseitigen
Oberfläche. Danach werden Druckspannungen in den ersten
Oberflächenabschnitt der innenseitigen Oberfläche
eingebracht, wobei die eingebrachten Druckspannungen eine Deformation
des ringförmigen Teils bewirken, wodurch das ringförmige
Teil gerundet wird. Die Druckspannungen können durch Erwärmung
mittels Laser, durch Erwärmung mittels Laser und Abschreckung,
durch Induktionserwärmung, durch Induktionserwärmung
und Abschreckung, durch Laser-Stoßwellenstrahl- und Kugelstrahlverfahren
in die ausgewählten Abschnitte des ringförmigen
Teils eingebracht werden. Vorzugsweise weist jeder Querschnitt in
einem entsprechend diesem Aspekt der Erfindung bearbeiteten Teil
nach der Behandlung eine um den Schwerpunkt herum symmetrische,
ausgeglichene Spannung auf, sodass das Teil rund sein wird. Bei
einer Version der Erfindung werden Ringspannungen in Oberflächenabschnitten
der außenseitigen Oberfläche mithilfe der Finite-Element-Analyse
berechnet, um ein Laserleistungsmuster zur Anwendung auf die inneren
Oberflächenabschnitte zu erzeugen. Bei einem Beispiel wird
die Laserleistung erhöht, wenn sie in Richtung äußerer Oberflächenabschnitte
mit einer größeren berechneten Spannung als in
benachbarten Abschnitten der äußeren Oberfläche
angewandt wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Runden eines
ringförmigen Teils zur Verfügung gestellt, das
eine Achse aufweist und das eine innenseitige Oberfläche
und eine außenseitige Oberfläche aufweist, wobei
das Teil aufgrund ungleichmäßiger innerer Spannungen,
die typischerweise durch eine Wärmebehandlung verursacht
sind, unrund ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst festgestellt,
wo das ringförmige Teil unrund ist. Dies kann durch Messung
von Abständen entlang von Bezugslinien von der Achse des
ringförmigen Teils aus zu entsprechenden Abschnitten der
außenseitigen Oberfläche des ringförmigen
Teils, die der jeweiligen Bezugslinie zugeordnet sind, erfolgen.
Das ringförmige Teil wird in einem Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche, der sich am weitesten von der Achse entfernt
befindet, am stärksten unrund sein. Daher umfasst das Verfahren
den Schritt des Identifizierens eines ersten Abschnitts der außenseitigen Oberfläche
des ringförmigen Teils, der sich in einem größeren
Abstand von der Achse befindet als ein zweiter Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche. Danach werden Druckspannungen in einen Oberflächenabschnitt
der innenseitigen Oberfläche, welcher dem ersten Abschnitt
der außenseitigen Oberfläche gegenüberliegt,
eingebracht, wobei die eingebrachten Druckspannungen eine Deformation
des ringförmigen Teils bewirken, wodurch das ringförmigen
Teil gerundet wird. Die Druckspannungen können durch Erwärmung
mittels Laser, Erwärmung mittels Laser und Abschreckung,
ein Laser-Stoßwellenstrahlverfahren, Induktionserwärmung,
Induktionserwärmung und Abschreckung sowie ein Kugelstrahlverfahren
in die ausgewählten Abschnitte des ringförmigen
Teils eingebracht werden. Vorzugsweise weist jeder Querschnitt in
einem entsprechend diesem Aspekt der Erfindung bearbeiteten Teil
nach der Behandlung eine um den Schwerpunkt herum symmetrische,
ausgeglichene Spannung auf, sodass das Teil rund sein wird.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Runden
eines ringförmigen Teils zur Verfügung gestellt,
das eine Achse aufweist und das eine innenseitige Oberfläche
und eine außenseitige Oberfläche aufweist, wobei
das Teil aufgrund ungleichmäßiger innerer Spannungen, die
typischerweise durch eine Wärmebehandlung verursacht sind,
unrund ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst festgestellt,
wo das ringförmige Teil unrund ist. Dies kann durch Messung
von Abständen entlang von Bezugslinien von der Achse des
ringförmigen Teils aus zu entsprechenden Abschnitten der außenseitigen
Oberfläche des ringförmigen Teils, die der jeweiligen
Bezugslinie zugeordnet sind, erfolgen. Das ringformige Teil wird
in einem Abschnitt der außenseitigen Oberfläche,
der sich am weitesten von der Achse entfernt befindet, am stärksten
unrund sein. Daher umfasst das Verfahren den Schritt des Identifizierens
eines ersten Abschnitts der außenseitigen Oberfläche
des ringförmigen Teils, der sich in einem größeren
Abstand von der Achse befindet als ein zweiter Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche. Danach werden Druckspannungen in zumindest
einen anderen Oberflächenabschnitt der außenseitigen
Oberfläche als den ersten Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche eingebracht, wobei die eingebrachten Druckspannungen
eine Deformation des ringförmigen Teils bewirken, wodurch
das ringförmigen Teil gerundet wird. Die Druckspannungen
können durch Erwärmung mittels Laser, Erwärmung
mittels Laser und Abschreckung, Laser-Stoßwellenstrahlverfahren,
Induktionserwärmung, Induktionserwärmung und Abschreckung
sowie Kugelstrahlverfahren in die ausgewählten Abschnitte
des ringförmigen Teils eingebracht werden. Vorzugsweise
wird jeder Querschnitt in einem entsprechend diesem Aspekt der Erfindung
bearbeiteten ringförmigen Teil nach der Behandlung die
gleiche Verteilung innerer Spannungen um das Teil herum aufweisen,
sodass das Teil rund sein wird.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Geraderichten
eines ringförmigen Teils zur Verfügung gestellt,
das eine Achse sowie eine senkrecht zu der Achse liegende Bezugsebene
aufweist und das eine erste Endfläche sowie eine zweite
Endfläche aufweist, wobei aufgrund ungleichmäßiger
innerer Spannungen, die typischerweise durch eine Wärmebehandlung
bewirkt werden, nicht sämtliche Punkte auf der ersten Endfläche
gleich weit von der Bezugsebene entfernt sind. Bei diesem Verfahren
wird zunächst festgestellt, wo das ringförmige
Teil nicht eben ist. Dies kann erfolgen, indem Abstände
entlang senkrechter Bezugslinien von der Bezugsebene aus zu Oberflächenabschnitten
der ersten Endfläche, die einer jeweiligen senkrechten
Bezugslinie zugeordnet sind, gemessen werden. Das Teil wird in einem
Abschnitt der ersten Endfläche, der am weitesten von der
unteren Bezugsebene entfernt ist, am stärksten von der
ebenen Gestalt abweichen. Daher umfasst das Verfahren den Schritt
des Identifizierens eines ersten Oberflächenabschnitts
der ersten Endfläche, der sich in einem größeren
Abstand von der Bezugsebene befindet als ein zweiter Abschnitt der
ersten Endfläche. Danach werden Druckspannungen in einen
Oberflächenabschnitt der zweiten Endfläche, welcher
dem ersten Oberflächenabschnitt der ersten Endfläche gegenüberliegt,
eingebracht, wobei die eingebrachten Druckspannungen eine Deformation
des ringförmigen Teils bewirken, wodurch das ringförmige
Teil geradegerichtet wird. Die Druckspannungen können durch
Erwärmung mittels Laser, Erwärmung mittels Laser
und Abschreckung, Laser-Stoßwellenstrahlverfahren, Induktionserwärmung,
Induktionserwärmung und Abschreckung sowie Kugelstrahlverfahren in
die ausgewählten Abschnitte des ringförmigen Teils
eingebracht werden. Vorzugsweise wird jeder Querschnitt in einem
entsprechend diesem Aspekt der Erfindung bearbeiteten ringförmigen
Teil nach der Behandlung die gleiche Verteilung innerer Spannungen
um das Teil herum aufweisen, sodass das Teil eben sein wird.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Runden
eines ringförmigen Teils zur Verfügung gestellt,
das eine Achse aufweist und das eine innenseitige Oberfläche
und eine außenseitige Oberfläche aufweist, wobei
das Teil aufgrund ungleichmäßiger innerer Spannungen, die
typischerweise durch eine Wärmebehandlung bewirkt werden,
unrund ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst festgestellt,
wo das ringförmige Teil unrund ist. Dies kann durch Messung
von Abständen entlang von Bezugslinien von der Achse des
ringförmigen Teils aus zu entsprechenden Abschnitten der
außenseitigen Oberfläche des ringförmigen
Teils, die der jeweiligen Bezugslinie zugeordnet sind, erfolgen.
Das ringförmige Teil wird in einem Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche, der sich am weitesten von der Achse entfernt
befindet, am stärksten unrund sein. Daher umfasst das Verfahren
den Schritt des Identifizierens eines ersten Abschnitts der außenseitigen Oberfläche
des ringförmigen Teils, der sich in einem größeren
Abstand von der Achse befindet als ein zweiter Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche. Danach werden Druckspannungen in dem ersten
Oberflächenabschnitt der außenseitigen Oberfläche
abgebaut, wobei der Abbau der Druckspannungen eine Deformation des
ringförmigen Teils bewirkt, wodurch das ringförmige
Teil gerundet wird. Die Druckspannungen können durch Laser-Tempern
des ersten Oberflächenabschnitts der außenseitigen
Oberfläche abgebaut werden.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Geraderichten
eines ringförmigen Teils zur Verfügung gestellt,
das eine Achse sowie eine senkrecht zu der Achse liegende Bezugsebene
aufweist und das eine erste Endfläche sowie eine zweite
Endfläche aufweist, wobei aufgrund ungleichmäßiger
innerer Spannungen, die typischerweise durch eine Wärmebehandlung
bewirkt werden, nicht sämtliche Punkte auf der ersten Endfläche
gleich weit von der Bezugsebene entfernt sind. Bei diesem Verfahren
wird zunächst festgestellt, wo das ringförmige
Teil nicht eben ist. Dies kann erfolgen, indem Abstände
entlang senkrechter Bezugslinien von der Bezugsebene aus zu Oberflächenabschnitten
der ersten Endfläche, die einer jeweiligen senkrechten
Bezugslinie zugeordnet sind, gemessen werden. Das Teil wird in einem
Abschnitt der ersten Endfläche, der am weitesten von der
unteren Bezugsebene entfernt ist, am stärksten von der
ebenen Gestalt abweichen. Daher umfasst das Verfahren den Schritt
des Identifizierens eines ersten Oberflächenabschnitts
der ersten Endfläche, der sich in einem größeren
Abstand von der Bezugsebene befindet als ein zweiter Abschnitt der
ersten Endfläche. Danach werden Druckspannungen in dem
ersten Oberflächenabschnitt der ersten Endfläche
abgebaut, wobei das Abbauen der Druckspannungen eine Deformation
des ringförmigen Teils bewirkt, wodurch das ringförmige
Teil geradegerichtet wird. Die Druckspannungen können durch
Laser-Tempern des ersten Oberflächenabschnitts der ersten
Endfläche abgebaut werden.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht daher darin, dass ein Verfahren zum
Runden eines ringförmigen Teils zur Verfügung
gestellt wird, welches aufgrund ungleichmäßiger
innerer Spannungen unrund ist, bei welchem Druckspannungen in einen
Oberflächenabschnitt der innenseitigen Oberfläche
des ringförmigen Teils eingebracht werden, und zwar gegenüberliegend
einem Abschnitt der außenseitigen Oberfläche des
ringförmigen Teils, welcher innere Spannungen aufweist,
die typischerweise durch die Wärmebehandlung bewirkt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Verfahren
zum Runden eines ringförmigen Teils zur Verfügung
gestellt wird, das aufgrund von ungleichmäßigen
inneren Spannungen unrund ist, bei welchen Druckspannungen in zumindest
einen Oberflächenabschnitt der außenseitigen Oberfläche
des ringförmigen Teils eingebracht werden, welcher nicht
einem ersten Abschnitt der außenseitigen Oberfläche
des ringförmigen Teils entspricht, der innere Spannungen
aufweist, die typischerweise durch die Wärmebehandlung
bewirkt werden.
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Ein
noch weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Verfahren
zum Geraderichten eines ringförmigen Teils zur Verfügung
gestellt wird, das aufgrund ungleichmäßiger innerer
Spannungen nicht eben ist, bei welchem Druckspannungen in einen
Oberflächenabschnitt der zweiten Endfläche des ringförmigen
Teils eingebracht werden, und zwar gegenüberliegend einem
Abschnitt der ersten Endfläche des ringförmigen
Teils, welcher innere Spannungen aufweist, die typischerweise durch
die Wärmebehandlung bewirkt werden.
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Ein
noch weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Verfahren
zum Runden eines ringförmigen Teils zur Verfügung
gestellt wird, das aufgrund ungleichmäßiger innerer
Spannungen unrund ist, bei welchem Druckspannungen durch Tempern
eines ersten Abschnitts der Außenseite des ringförmigen
Teils, die innere Spannungen aufweist, abgebaut werden.
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Ein
noch weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Verfahren
zum Geraderichten eines ringförmigen Teils bereitgestellt
wird, das aufgrund ungleichmäßiger innerer Spannungen
nicht eben ist, bei welchem Druckspannungen durch Tempern eines
Oberflächenabschnitts einer Endfläche des ringförmigen
Teils, die innere Spannungen aufweist, abgebaut werden.
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten
Beschreibung, der Zeichnungen sowie der anhängenden Ansprüche
besser verständlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Draufsicht eines unrunden ringförmigen Teils vor der
Bearbeitung entsprechend einem Verfahren der Erfindung.
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2 zeigt
einen seitlichen Aufriss eines ringförmigen Teils, der
nicht eben ist, vor der Bearbeitung entsprechend einem Verfahren
der Erfindung.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Modellhälfte eines Ringzahnrades,
das unrund ist, von oben.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Modellhälfte eines Ringzahnrades ähnlich
dem Ringzahnrad aus 3 von oben, wobei das Ringzahnrad
aus 4 nicht eben ist.
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5 zeigt
ein Ringzahnrad, das in Tests genutzt wurde, welche das erfindungsgemäße
Verfahren veranschaulichen.
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6 zeigt
eine graphische Darstellung der Wattleistung in Abhängigkeit
von dem Spannungsfaktor, die genutzt wurde, um Laserleistungspegel
in einem Test zu berechnen, der das erfindungsgemäße
Verfahren veranschaulicht.
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7 zeigt
ein Laserleistungsmuster, das in einem Test genutzt wurde, welcher
das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht.
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8 ist
eine graphische Darstellung, in welcher der Radius eines unbehandelten
Teils und desselben, mit einem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelten Teils verglichen wird.
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9 zeigt
eine graphische Darstellung der Wattleistung in Abhängigkeit
von dem Spannungsfaktor, die genutzt wurde, um Laserleistungspegel
in einem weiteren Test zu berechnen, der das erfindungsgemäße
Verfahren veranschaulicht.
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10 ist
eine weitere graphische Darstellung, in welcher der Radius eines
unbehandelten Teils und desselben, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
behandelten Teils verglichen wird.
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11 zeigt
ein Laserleistungsmuster, das in einem weiteren Test genutzt wurde,
welcher das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht.
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12 ist
eine weitere graphische Darstellung, in welcher der Radius eines
unbehandelten Teils und desselben, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren
behandelten Teils verglichen wird.
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13 zeigt
ein Laserleistungsmuster, das in einem weiteren Test genutzt wurde,
welcher das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Es
gibt viele unterschiedliche Möglichkeiten zur Wärmebehandlung
von metallischen Teilen, und Wärmebehandlungsprozesse können
innere Spannungen in metallischen ringförmigen Teilen bewirken. Beispielsweise
wird bei einem bestimmten Wärmebehandlungsprozess für
Stahl ein Teil aus Kohlenstoffstahl über die Austenitisierungstemperatur
hinaus erwärmt, bei welcher sich das Ferrit in Austenit umwandelt,
und das Teil wird schnell abgeschreckt, sodass sich härteres
Martensit ausbildet. Beim Abschrecken wandelt sich das kubisch-flächenzentrierte
Austenit spontan in raumzentriertes Martensit um, was zu einer Erhöhung
des Volumens des Teils führt. Infolge der Volumenänderung
werden innere Spannungen in dem Teil induziert. Jegliche Ungleichmäßigkeiten
bei der Martensit-Volumenänderung führen zu Ungleichmäßigkeiten
der inneren Spannung, welche eine Verzerrung des Teils bewirken
können. Beispielsweise kann bei hohlen zylindrischen Stahlteilen die
Verzerrung bewirken, dass das Teil unrund wird, oder kann bewirken,
dass das Teil seine Ebenheit verliert, ähnlich einem Kartoffelchip.
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Ringförmige
Teile aus Kohlenstoffstahl können durchgehärtet
werden oder können oberflächengehärtet
werden, wie beim Einsatzhärten, bei welchem man Kohlenstoff
in Oberflächenbereiche eines Stahlteils diffundieren lässt
und das Stahlteil erwärmt und abgeschreckt wird, sodass
sich eine Oberflächenschicht aus hartem Martensit bildet.
Ringförmige Teile aus Kohlenstoffstahl können
auch lokal in bestimmten Bereichen gehärtet werden, wie
dem innenseitigen Durchmesser oder dem außenseitigen Durchmesser,
und zwar mithilfe von beispielsweise Einsatzhärtungs-Maskierungsverfahren
oder eines Lasers. Jegliche Ungleichmäßigkeiten
bei der Martensit-Volumenänderung bei der Durchhärtung,
der Oberflächenhärtung oder der lokalen Härtung
führen zu Ungleichmäßigkeiten der inneren
Spannung, welche eine Verzerrung des Teils bewirken können.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein ringförmiges Teil, nachdem
es wärmebehandelt (und möglicherweise bei einer
niedrigen Temperatur getempert) worden ist, auf eine Unrundheit
und/oder unebene Gestalt hin überprüft, die auf
ungleichmäßige innere Spannungen zurückzuführen
ist, welche typischerweise durch die Wärmebehandlung bewirkt werden.
Unrunde Teile werden dann gerundet, indem Druckspannungen in ausgewählte
Oberflächenbereiche des Teils eingebracht werden, wobei
die eingebrachten Druckspannungen eine Deformation des ringförmigen
Teils bewirken, wodurch das ringförmige Teil gerundet wird.
Alternativ werden unrunde Teile gerundet, indem Druckspannungen
in ausgewählten Oberflächenabschnitten des Teils
abgebaut werden, wobei das Abbauen von Druckspannungen eine Deformation
des ringförmigen Teils bewirkt, wodurch das ringförmige
Teil gerundet wird. Unebene Teile werden geradegerichtet, indem
Druckspannungen in ausgewählte Oberflächenabschnitte
des Teils eingebracht werden, wobei die eingebrachten Druckspannungen
eine Deformation des ringförmigen Teils bewirken, wodurch
das ringförmige Teil geradegerichtet wird. Alternativ werden
unebene Teile geradegerichtet, indem Druckspannungen in ausgewählten
Endflächenabschnitten des Teils abgebaut werden, wobei
das Abbauen der Druckspannungen eine Deformation des ringförmigen
Teils bewirkt, wodurch das ringförmige Teil geradegerichtet
wird. Wenngleich unrunde und/oder unebene Zustände aufgrund
ungleichmäßiger innerer Spannungen typischerweise durch
die Wärmebehandlung verursacht werden, ist die Erfindung
nicht auf das Korrigieren unrunder und/oder unebener Zustände,
die durch die Wärmebehandlung bewirkt werden, eingeschränkt.
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Ein
beispielhaftes Verfahren entsprechend der Erfindung zum Runden eines
unrunden ringförmigen Teils wie etwa eines Rings kann unter
Bezugnahme auf 1 erklärt werden. In 1 ist
eine Draufsicht eines wärmebehandelten unrunden ringförmigen
Teils vor der Bearbeitung entsprechend einem erfindungsgemäßen
Verfahren gezeigt. Das ringförmige Teil 10 weist
eine innenseitige Oberfläche 13, eine außenseitige
Oberfläche 21, eine Oberseite 27 und
eine Achse A auf. Außerdem ist in 1 eine kreisförmige
Strich-Punkt-Linie 15 gezeigt, welche die innenseitige
Oberfläche eines perfekt runden Teils darstellt, und es
ist eine kreisförmige Strich-Punkt-Linie 23 gezeigt, welche
die außenseitige Oberfläche desselben perfekt
runden Teils darstellt. Das perfekt runde Teil weist die gleiche
Achse A wie das ringförmige Teil 10 auf. Die Abweichung der
innenseitigen Oberfläche 13 des ringförmigen Teils 10 von
der Strich-Punkt-Linie 15 und die Abweichung der außenseitigen
Oberfläche 21 des ringförmigen Teils 10 von
der Strich-Punkt-Linie 23 zeigen, dass das ringförmige
Teil unrund ist, und zwar aufgrund ungleichmäßiger
innerer Spannungen, die typischerweise durch die Wärmebehandlung
verursacht sind.
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Ein
Verfahren entsprechend der Erfindung zum Runden eines ringförmigen
Teils 10 geht folgendermaßen vonstatten: Als erstes
werden Abstände entlang von Bezugslinien von der Achse
A des ringförmigen Teils 10 aus zu Abschnitten
der außenseitigen Oberfläche 21 des ringförmigen
Teils 10 gemessen, wobei jeder Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche 21 einer Bezugslinie zugeordnet ist.
Diese Messungen können mithilfe herkömmlicher
Messgeräte wie beispielsweise eines optischen Komparators oder
eines auch als Vision System bezeichneten Bilderkennungssystems
erfolgen. Schauen wir uns 1 an, so
sind in dieser imaginäre Bezugslinien R1,
R2 und R3 gezeigt,
die sich von der Achse A aus zu jeweils entsprechenden Abschnitten
OS1, OS2, OS3 der außenseitigen Oberfläche 21 hin
erstrecken. Natürlich ist eine unendliche Anzahl von Bezugslinien
möglich, die einer unendlichen Anzahl entsprechender Abschnitte
der außenseitigen Oberfläche 21 des ringförmigen
Teils 10 entsprechen. Wäre das ringförmige
Teil 10 perfekt rund, wären die imaginären
Bezugslinien R1 bis Rn,
die sämtlichen Abschnitten OS1 bis
OSn der außenseitigen Oberfläche 21 entsprechen,
gleich lang. Bei dem Verfahren sollte sich zumindest eine der Bezugslinien
R1, R2 und R3 über die kreisförmige
Strich-Punkt-Linie 23, welche die außenseitige
Oberfläche des perfekt runden Teils darstellt, hinaus erstrecken.
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Weiter
auf 1 Bezug nehmend, wird danach die Länge
der Bezugslinien R1, R2 und
R3 verglichen, und der Abschnitt OS1, OS2, OS3 der außenseitigen Oberfläche 21,
welcher am stärksten von dem perfekt runden Zustand nach
außen abweicht, wird derjenige Abschnitt sein, welcher
der längsten Bezugslinie entspricht. Beispielsweise weist
in 1 die Bezugslinie R1 die
größte Länge auf, und daher weicht der
Abschnitt OS der außenseitigen Oberfläche 21 am
stärksten von dem perfekt runden Zustand nach außen
ab, im Vergleich zu den Abschnitten OS2, OS3 der außenseitigen Oberfläche 21.
Es ist zu erkennen, dass, würde man eine unendlich große
Anzahl von Bezugslinien in Entsprechung zu Abschnitten der außenseitigen
Oberfläche 21 des ringförmigen Teils 10 nutzten,
die imaginäre Bezugslinie mit der längsten Länge
dem Abschnitt der außen seitigen Oberfläche 21 entsprechen
würde, der am stärksten vom perfekt runden Zustand
nach außen abweicht.
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Da
der Abschnitt OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 im
Vergleich zu den Abschnitten OS2, OS3 der außenseitigen Oberfläche 21 stärker
von dem perfekt runden Zustand nach außen abweicht, kann
das ringförmige Teil 10 gerundet werden, indem Druckspannungen
in den Oberflächenabschnitt IS1 der
innenseitigen Oberfläche 13, der in 1 gezeigt ist,
eingebracht werden. Der Oberflächenabschnitt IS1 der innenseitigen Oberfläche 13 weist
eine Begrenzungslinie ISp um den Schnittpunkt
der Bezugslinie R1 mit der innenseitigen
Oberfläche 13 des ringförmigen Teils 10 herum
auf, und vorzugsweise werden Druckspannungen innerhalb der Begrenzungslinie
ISp der innenseitigen Oberfläche 13 eingebracht. Am
stärksten bevorzugt werden die Druckspannungen in einen
Oberflächenabschnitt der innenseitigen Oberfläche
eingebracht, welcher um 180 Grad dem Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche, welcher der Bezugslinie mit der längsten
Länge entspricht, gegenüberliegt.
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Alternativ
können Abstände entlang von Bezugslinien von der
Achse A des ringförmigen Teils 10 aus zu Abschnitten
der innenseitigen Oberfläche 13 des ringförmigen
Teils 10 gemessen werden, wobei jeder Abschnitt der innenseitigen
Oberfläche 13 einer Bezugslinie zugeordnet ist.
Wenn ein Abschnitt der innenseitigen Oberfläche 13 im
Vergleich zu anderen Abschnitten der innenseitigen Oberfläche 13 stärker von
dem perfekt runden Zustand nach außen abweicht, kann das
ringförmige Teil 10 gerundet werden, indem Druckspannungen
in den Oberflächenabschnitt der innenseitigen Oberfläche 13,
der am stärksten von dem perfekt runden Zustand nach außen
abweicht, eingebracht werden.
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Die
Druckspannungen werden in einen Oberflächenabschnitt IS1 der innenseitigen Oberfläche 13 in
solcher Weise eingebracht, dass die innere Spannung im Querschnitt
des ringförmigen Teils 10 zwischen dem Abschnitt
OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 und
dem Oberflächenabschnitt IS1 der innenseitigen
Oberfläche 13 gleichmäßig ist.
Die in den Oberflächenabschnitt IS1 der
innenseitigen Oberfläche 13 eingebrachten Druckspannungen
bewirken eine Deformation des ringförmigen Teils, wodurch
das ringförmige Teil gerundet wird. Der Rundungsbetrag
des ringförmigen Teils 10 hängt davon ab,
wie stark die eingebrachten Druckspannungen sind und wie tief die
eingebrachten Druckspannungen in den Oberflächenabschnitt
IS1 der innenseitigen Oberfläche 13 des
ringförmigen Teils 10 hinein reichen. in jedem
Fall sollten, um einen gewünschten Rundungseffekt zu erreichen,
die Druckspannungen in die innenseitige Oberfläche 13 des ringförmigen Teils 10 in
einem definierten, lokal begrenzten Bereich eingebracht werden.
Beispielsweise kann es notwendig sein, Druckspannungen im Bereich
von 90 Grad von dem Oberflächenabschnitt IS1 der
innenseitigen Oberfläche 13 des ringförmigen
Teils 10 einzubringen.
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Die
Druckspannungen können in den Oberflächenabschnitt
IS1 der innenseitigen Oberfläche 13 mithilfe
unterschiedlicher Verfahren eingebracht werden. Zum Beispiel kann
ein industrieller Laser oder ein ähnlicher Strahlungsstrahl
genutzt werden, um den Oberflächenabschnitt IS1 der
innenseitigen Oberfläche 13 schnell aufzuheizen.
Der Laser induziert eine Spannung in den Oberflächenabschnitt
IS1 der innenseitigen Oberfläche 13,
indem er den Abschnitt äußerst lokal erwärmt.
Durch die thermische Ausdehnung aufgrund der Wärme wird
der Oberflächenabschnitt IS1 plastisch
gedehnt, was zu einer Änderung der inneren Spannungsverteilung
führt.
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Wenn
das ringförmige Teil 10 aus einem Kohlenstoffstahl
besteht, kann ein industrieller Laser oder ein ähnlicher
Strahlungsstrahl genutzt werden, um den Oberflächenabschnitt
IS1 in solcher Weise schnell zu erwärmen,
dass sich die Energie von dem Laserstrahl innerhalb des Oberflächenabschnitts
IS1 in Wärmeenergie umwandelt.
Durch Nutzung eines Lasers zum schnellen Erwärmen des Oberflächenabschnitts
IS1 wird eine Eigenabschreckung des Oberflächenabschnitts
IS1 erfolgen, wobei sich Martensit bildet,
und zwar aufgrund des extrem hohen Wärmeunterschieds zwischen
dem flachen Oberflächenabschnitt IS1,
der durch den Laser erwärmt wird, und der Masse des ringförmigen
Teils 10. Die Umwandlung von Austenit in Martensit in dem
Oberflächenabschnitt IS1 wird von
einer Volumenausdehnung begleitet. Infolge der Ausdehnung werden
Spannungen in den Oberflächenabschnitt IS1 des
ringförmigen Teils 10 in solcher Weise induziert,
dass die innere Spannung in dem Querschnitt des ringförmigen
Teils 10 zwischen dem Abschnitt OS1 der
außenseitigen Oberfläche 21 und dem Oberflächenabschnitt
IS1 der innenseitigen Oberfläche 13 gleichmäßig
ist. Alternativ kann der Oberflächenabschnitt IS1 mithilfe eines Hochfrequenz-Induktionsheizsystems
erwärmt werden.
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Die
Druckspannungen können mithilfe eines Laser-Stoßwellenstrahlverfahrens
(Laser Shock Peening) in den Oberflächenabschnitt IS
1 der innenseitigen Oberfläche
13 eingebracht
werden. Mehrere Strahlungsimpulse von einem gepulsten Hochleistungslaser
werden genutzt, um Stoßwellen auf dem Oberflächenabschnitt
IS
1 des ringförmigen Teils
10 zu
erzeugen, ähnlich den Verfahren, wie sie in den
US-Patenten 5,131,957 ;
4,401,477 und
3,850,698 offenbart sind. Alternativ
können die Druckspannungen mithilfe eines Kugelstrahlverfahrens
(Shot Peening) in den Oberflächenabschnitt IS
1 der
innenseitigen Oberfläche
13 eingebracht werden.
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Ein
weiteres Verfahren entsprechend der Erfindung zum Runden des ringförmigen
Teils 10 erfolgt folgendermaßen: Als erstes werden
die Abstände entlang von Bezugslinien von der Achse A des
ringförmigen Teils 10 aus zu Abschnitten der außenseitigen
Oberfläche 21 des ringförmigen Teils 10 gemessen,
wobei jeder Abschnitt der außenseitigen Oberfläche 21 einer
Bezugslinie zugeordnet ist. Diese Messungen können unter
Nutzung herkömmlicher Messgeräte wie beispielsweise
eines optischen Komparators oder eines Bilderfassungssystems erfolgen.
Betrachten wir 1, so sind in dieser imaginäre
Bezugslinien R1, R2 und
R3 gezeigt, die sich von der Achse A aus
zu entsprechenden Abschnitten OS1, OS2, OS3 der außenseitigen
Oberfläche 21 hin erstrecken. Bei dem Verfahren
sollte sich zumindest eine der Bezugslinien R1,
R2 und R3 über
die kreisförmige Strich-Punkt-Linie 23, welche
die außenseitige Oberfläche des perfekt runden
Teils darstellt, hinaus erstrecken.
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Immer
noch auf 1 Bezug nehmend, wird danach
die Länge der Bezugslinien R1,
R2 und R3 verglichen,
und der Abschnitt OS1, OS2,
OS3 der außenseitigen Oberfläche 21,
der von dem perfekt runden Zustand am stärksten nach außen
abweicht, wird derjenige Abschnitt sein, welcher der längsten
Bezugslinie entspricht. Beispielsweise weist in 1 die
Bezugslinie R1 die größte
Länge auf, und daher weicht der Abschnitt OS1 der
außenseitigen Oberfläche 21 am stärksten
von dem perfekt runden Zustand nach außen ab, im Vergleich
zu den Abschnitten OS2, OS3 der
außenseitigen Oberfläche 21.
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Da
der Abschnitt OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 im
Vergleich zu den Abschnitten OS2, OS3 der außenseitigen Oberfläche 21 stärker
von dem perfekt runden Zustand nach außen abweicht, kann
das ringförmige Teil 10 gerundet werden, indem Druckspannungen
in andere Oberflächenabschnitte der außenseitigen
Oberfläche 21 als den Abschnitt OS1 der
außenseitigen Oberfläche 21 eingebracht werden.
Die Druckspannungen werden in Oberflächenabschnitte der
außenseitigen Oberfläche 21 in solcher
Weise eingebracht, dass die innere Spannung um die außenseitige
Oberfläche 21 des ringförmigen Teils 10 herum
einheitlich ist. Die in die Oberflächenabschnitte der außenseitigen
Oberfläche 21 eingebrachten Druckspannungen bewirken
eine Deformation des ringförmigen Teils, wodurch der ringförmige
Teil gerundet wird. Der Betrag der Rundung des ringförmigen
Teils 10 hängt davon ab, wie stark die eingebrachten
Druckspannungen sind und wie tief die eingebrachten Druckspannungen
in Oberflächenabschnitte der außenseitigen Oberfläche 21 des ringförmigen
Teils 10 hinein reichen.
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Das
ringförmigen Teil kann gerundet werden, indem Druckspannungen
in zumindest einen anderen Oberflächenabschnitt der außenseitigen
Oberfläche als den Abschnitt OS1 der
außenseitigen Oberfläche 21 eingebracht
werden, wobei die eingebrachten Druckspannungen eine Deformation
des ringförmigen Teils 10 bewirken, wodurch das
ringförmige Teil 10 gerundet wird. Vorzugsweise
werden Druckspannungen in jeden anderen Oberflächenabschnitt
der außenseitigen Oberfläche als den Abschnitt
OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 eingebracht,
und zwar in solcher Weise, dass die Druckspannungen in den anderen
Oberflächenabschnitten der außenseitigen Oberfläche
als dem Abschnitt OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 im
Wesentlichen gleich den Druckspannungen in dem Abschnitt OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 sind.
Am stärksten bevorzugt werden die Druckspannungen in die
anderen Oberflächenabschnitte der außenseitigen
Oberfläche als den Abschnitt der außenseitigen
Oberfläche, welcher der Bezugslinie mit der längsten
Länge entspricht, eingebracht.
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Die
Druckspannungen können in die anderen Oberflächenabschnitte
der außenseitigen Oberfläche als den Abschnitt
OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 unter
Nutzung von Verfahren der Erwärmung mittels Laser, Erwärmung
mittels Laser und Abschreckung, Laser-Stoßwellenstrahl-
und Kugelstrahlverfahren, die bereits beschrieben worden sind, eingebracht
werden. Wenn eine Härtung mittels Laser erfolgt, wird eine
Eigenabschreckung des erhitzten Bereichs durch die Masse des Teils
selbst auftreten.
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Nehmen
wir weiterhin auf 1 Bezug, so kann, wenn der Abschnitt
OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 im
Vergleich zu den Abschnitten OS2, OS3 der außenseitigen Oberfläche 21 stärker
von dem perfekt runden Zustand nach außen abweicht, das
ringförmige Teil 10 auch gerundet werden, indem Druckspannungen
in dem Oberflächenabschnitt OS1 der
außenseitigen Oberfläche 21 abgebaut
werden. Die Druckspannungen werden in dem Oberflächenabschnitt
OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 in solcher
Weise lokal abgebaut, dass die innere Spannung um die außenseitige
Oberfläche 21 des ringförmigen Teils 10 herum
gleichmäßig ist. Dadurch wird eine Deformation
des ringförmigen Teils bewirkt, wodurch das ringförmige
Teil gerundet wird. Die Druckspannungen können in dem Oberflächenabschnitt OS1 der außenseitigen Oberfläche 21 durch
Laser-Tempern des Oberflächenabschnitts OS1 der
außenseitigen Oberfläche 21 abgebaut
werden. Das Tempern ist insbesondere bei Teilen aus Kohlenstoffstahl
vorteilhaft.
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Verfahren
entsprechend der Erfindung zum Begradigen eines ringförmigen
Teils, das nicht eben ist, können unter Bezugnahme auf 2 erklärt
werden. In 2 ist ein seitlicher Aufriss
eines ringförmigen Teils gezeigt, das vor der erfindungsgemäßen Bearbeitung
nicht eben ist. Das ringförmige Teil 10 weist
eine außenseitige Oberfläche 21, eine
Oberseite 27, die eine erste Endfläche darstellt,
eine Unterseite 35, die eine zweite Endfläche
darstellt, sowie eine Achse A auf. Außerdem ist in 2 eine
perfekt ebene Strich-Punkt-Linie 29 gezeigt, welche die Oberseite
eines perfekt ebenen Teils darstellt, sowie eine perfekt ebene Strich-Punkt-Linie 37,
welche die Unterseite desselben perfekt ebenen Teils darstellt. Die
Unterseite des perfekt ebenen Teils definiert eine untere Bezugsebene
für das ringförmige Teil 10. Die Abweichung
der Oberseite 27 des ringförmigen Teils 10 von
der Strich-Punkt-Linie 29 und die Abweichung der Unterseite 35 des
ringförmigen Teils 10 von der Strich-Punkt-Linie 37 zeigen,
dass das ringförmige Teil nicht eben ist, und zwar aufgrund
ungleichmäßiger innerer Spannungen, die typischerweise
durch die Wärmebehandlung bewirkt werden.
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Das
vorliegende Verfahren entsprechend der Erfindung zum Geraderichten
des ringförmigen Teils 10 erfolgt folgendermaßen:
Zunächst werden Abstände entlang von Bezugslinien
von der Strich-Punkt-Linie 37 aus, welche die untere Bezugsebene
des ringförmigen Teils 10 definiert, bis zu Oberflächenabschnitten
der Oberseite 27 des ringförmigen Teils 10 gemessen,
wobei jeder Abschnitt der Oberseite 27 einer Bezugslinie
zugeordnet ist. Diese Messungen können mithilfe herkömmlicher Messgeräte
erfolgen, beispielsweise mit einem optischen Komparator oder einem
Bilderfassungssystem. Betrachten wir 2, so sind
in dieser imaginäre Bezugslinien L1,
L2 und L3 gezeigt,
die sich senkrecht von der Strich-Punkt-Linie 37 aus, welche
die untere Bezugsebene definiert, zu jeweils entsprechenden Abschnitten
US1, US2, US3 der Oberseite 27 hin erstrecken.
Natürlich ist eine unendliche Anzahl von Bezugslinien möglich,
die einer unendlichen Anzahl von entsprechenden Abschnitten der
Oberseite 27 des ringförmigen Teils 10 entsprechen.
Wäre das ringförmige Teil 10 perfekt
eben, wären die imaginären Bezugslinien L1 bis Ln, die sämtlichen
Abschnitten US1 bis USn der
Oberseite 27 entsprechen, gleich lang.
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Weiterhin
auf 2 Bezug nehmend, wird danach die Länge
der Bezugslinien L1, L2 und
L3 verglichen, und der Abschnitt US1, US2, US3 der Oberseite 27, der am stärksten
von dem perfekt ebenen Zustand nach oben abweicht, wird derjenige
Abschnitt sein, welcher der längsten Bezugslinie entspricht.
Beispielsweise hat in 2 die Bezugslinie L1 die größte
Länge, und daher weicht der Abschnitt US1 der
Oberseite 27 im Vergleich zu den Abschnitten US2, US3 der Oberseite 27 am
stärksten von dem perfekt ebenen Zustand nach oben ab.
Es ist zu erkennen, dass, würde man eine unendliche Anzahl von
Bezugslinien in Entsprechung zu Abschnitten der Oberseite 27 des
ringförmigen Teils 10 nutzen, die imaginäre
Bezugslinie mit der längsten Länge dem Abschnitt
der Oberseite 27 entsprechen würde, der am stärksten
von dem perfekt ebenen Zustand nach oben hin abweicht.
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Da
der Abschnitt US1 der Oberseite 27 im Vergleich
zu den Abschnitten US2, US3 der
Oberseite 27 stärker von dem perfekt ebenen Zustand
nach oben abweicht, und zwar, kann das ringförmige Teil 10 geradegerichtet
werden, indem Druckspannungen in den Oberflächenabschnitt
LS1 der Unterseite 35, der in 2 gezeigt
ist, eingebracht werden. Der Oberflächenabschnitt LS1 der Unterseite 35 weist eine Begrenzungslinie
LSp um den Schnittpunkt der senkrechten
Bezugslinie L1 mit der Unterseite 35 des ringförmigen
Teils 10 herum auf, und Druckspannungen werden bevorzugt
innerhalb der Begrenzungslinie LSp der Unterseite 35 eingebracht.
Am stärksten bevorzugt werden die Druckspannungen in einen Oberflächenabschnitt
der Unterseite eingebracht, der dem Abschnitt der Oberseite, welcher
der senkrechten Bezugslinie mit der längsten Länge
entspricht, in einem Winkel von 180 Grad gegenüberliegt.
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Die
Druckspannungen werden in den Oberflächenabschnitt LS1 der Unterseite 35 in solcher Weise
eingebracht, dass die innere Spannung in dem Querschnitt des ringförmigen
Teils 10 zwischen dem Abschnitt US1 der
Oberseite 27 und dem Oberflächenabschnitt LS1 der Unterseite 35 gleichmäßig
ist. Die in den Oberflächenabschnitt LS1 der
Unterseite 35 eingebrachten Druckspannungen bewirken eine Deformation
des ringförmigen Teils, wodurch das ringförmige
Teil 10 geradegerichtet wird. Der Betrag der Geraderichtung
des ringförmigen Teils 10 hängt davon
ab, wie stark die eingebrachten Druckspannungen sind und wie tief
die eingebrachten Druckspannungen in den Oberflächenabschnitt
LS1 der Unterseite 35 des ringförmigen
Teils 10 hinein reichen. In jedem Fall sollten, um eine
gewünschte Begradigungswirkung zu erreichen, die Druckspannungen
in die Unterseite 35 des ringförmigen Teils 10 in einen
definierten, lokal begrenzten Bereich eingebracht werden.
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Die
Druckspannungen können in Oberflächenabschnitte
der Unterseite 35 durch Verfahren der Erhitzung mittels
Laser, Erhitzung mittels Laser und Abschreckung, Laser- Stoßwellstrahl-
und Kugelstrahlverfahren, die bereits beschrieben worden sind, eingebracht
werden.
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Weiterhin
Bezug auf 2 nehmend, kann das ringförmige
Teil 10, wenn der Abschnitt US1 der Oberseite 27 im
Vergleich zu den Abschnitten US2, US3 der Oberseite 27 stärker
von dem perfekt ebenen Zustand nach oben hin abweicht, geradegerichtet
werden, indem lokale Druckspannungen in dem Abschnitt US1 der Oberseite 27, der in 2 gezeigt ist,
abgebaut werden. Damit wird eine Deformation des ringförmigen
Teils bewirkt, wodurch das ringförmige Teil geradegerichtet
wird. Die Druckspannungen können in dem Abschnitt US1 der Oberseite 27 durch Laser-Tempern
des Abschnitts US1 der Oberseite 27 abgebaut
werden. Das Tempern ist insbesondere bei Teilen aus Kohlenstoffstahl
vorteilhaft.
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Es
sollte erkannt werden, dass eine beliebige Kombination der vorstehenden
Verfahren ebenfalls in den Schutzumfang der Erfindung fällt.
Spannungen können in beliebiger Kombination in die dem
Außendurchmesser entsprechende Umfangsfläche,
dem Innendurchmesser entsprechende Umfangsfläche, die Oberseite
und die Unterseite des Teils eingebracht und/oder in diesen abgebaut
werden, um die inneren Spannungen in dem Teil zu verändern.
Beispielsweise könnte man in einem Oberflächenabschnitt
des innenseitigen Durchmessers Spannung abbauen und einen Oberflächenabschnitt
des außenseitigen Durchmessers härten (und dadurch Spannungen
in diesen einbringen), um den Rundungs- und/oder Geraderichtungsprozess
zu vervollständigen. Außerdem ist die Erfindung
nicht auf spezielle Verfahren zum Bestimmen der Ebenheit oder Rundheit
eingeschränkt.
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Beispiele
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Die
folgenden Beispiele werden dargestellt, um die Erfindung weitergehend
zu veranschaulichen, und es ist nicht beabsichtigt, mit diesen die
Erfindung in irgendeiner Weise einschränken.
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BEISPIEL 1
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Es
wurde eine Computermodellierung genutzt, um die Auswirkungen einer
Volumenausdehnung eines Oberflächenabschnitts auf die Rundheit eines
ringförmigen Teils zu zeigen. Das Diagramm "Doppelmarkierung
Laserformgebung", das in 3 gezeigt ist, stellt eine Modellhälfte
eines Ringzahnrads (die Zähne sind nicht modelliert) dar,
welches einen Durchmesser von ungefähr 254 mm (10 Zoll) aufweist.
Kleine Bereiche 71, 72 auf dem außenseitigen
Durchmesser, die um 180 Grad auseinander liegen, wurden im Volumen
um 0,23% vergrößert, um eine Härtung
in diesen lokalen Bereichen zu simulieren. Das Teil wich um 0,660
mm (0,026 Zoll) von der idealen Rundheit ab. Dieses Modell zeigt
die Auswirkung einer ungleichmäßigen Wärmebehandlung
und zeigt außerdem, dass das Teil durch eine weitere Wärmebehandlung
an den Stellen HT1, HT2,
HT3, HT4, HT5, HT6 um den außenseitigen
Durchmesser herum in solcher Weise, dass die inneren Spannungen
um den Umfang des Teils herum gleichmäßig wären,
gerundet werden könnte. Alternativ wäre die innere
Spannung in jedem Querschnitt um das ringförmige Teil herum
einheitlich, wenn man am innenseitigen Durchmesser in den Bereichen
ID1 und ID2 entsprechend
dem Bereich auf dem Außendurchmesser wärmebehandeln
würde.
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Es
gibt somit zumindest zwei Möglichkeiten, das runde Teil
infolge einer Verformung durch Wärmebehandlung zu runden.
Erstens wird das Teil rund sein, wenn die Verteilung der inneren
Spannung in jedem Querschnitt um das Teil herum gleich ist. Zweitens
wird das Teil rund sein, wenn jeder Querschnitt in dem Teil eine
um den Schwerpunkt herum symmetrische, ausgeglichene Spannung aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Unrundheit gemessen,
um zu bestimmen, wo Druckspannungen in das Teil eingebracht werden
sollen.
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BEISPIEL 2
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Es
wurde eine Computermodellierung genutzt, um die Auswirkungen einer
Volumenausdehnung eines Oberflächenabschnitts auf die Ebenheit eines
ringförmigen Teils zu zeigen. Das Diagramm "Doppelmarkierung
Lasergeraderichtung", das in 4 gezeigt
ist, stellt eine Modellhälfte des gleichen Ringzahnrads
wie in 3 dar (die Zähne sind nicht modelliert),
mit einem Durchmesser von ungefähr 254 mm (10 Zoll). Das
Volumen schmaler Bereiche 81, 82 an der Oberseite
des Zahnrades, die um 180 Grad auseinander liegen, wurde um 0,23%
vergrößert, um eine Härtung in diesen
lokalen Bereichen zu simulieren. Das Teil verzog sich um 0,0635
mm (0,0025 Zoll) aus dem ideal ebenen Zustand. Wiederum wird damit
die Auswirkung der ungleichmäßigen Wärmebehandlung
gezeigt, und es wird außerdem gezeigt, wie durch Wärmebehandlung
der entsprechenden Bereiche B1, B2 auf der Unterseite des Teils sämtliche
Querschnitte des Teils eine einheitliche Spannungsverteilung hätten.
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BEISPIEL 3
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Im
ersten Schritt wurden Metallstreifen gemäß dem
Konzept eines Almen-Streifens mittels Laser behandelt, um die induzierte
Verformung zu bestimmen. Die Verbiegung und die Verformung in dem Streifen
wurden graphisch dargestellt, um die Richtung für den zweiten
Schritt vorzugeben.
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Im
zweiten Schritt wurde eine Gruppe von Ringzahnrädern SF1009
(man vergleiche ein Beispielzahnrad in 5) an vier
Stellen gelasert, die auf der Innenumfangsfläche des Teils
gleichmäßig beabstandet waren, und zwar mit einer
vorgegebenen Einstellungen für die Laserleistung. Es wurde eine
Serie dieser Teile mit unterschiedlichen Leistungseinstellungen
hergestellt. Die resultierende Änderung bezüglich
der Rundheit wurde mit einer Finite-Element-Analyse(FEA)-Simulation
der einzelnen Testteile verglichen.
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Diese
Daten wurden genutzt, um eine Reihe von Verformungsfaktor-zu-Laserleistung(Watt)-Gleichungen
zu erzeugen. Bei den niedrigen Laserleistungspegeln und/oder bei
höheren Geschwindigkeiten (IPM) sind die Gleichungen linear;
wenn die Leistung erhöht wird, biegt sich die Kurve für
die Gleichung zurück und in dem Teil tritt eine geringere
Gesamtverformung auf. Der lineare Teil der Kurve ist auf das Tempern
zurückzuführen, während in dem gebogenen Übergangsbereich
eine erneute Härtung vorliegt. Die graphische Darstellung
der Wattleistung in Abhängigkeit von dem Verformungsfaktor
ist in 6 gezeigt.
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Im
dritten Schritt wurden Teile mittels Laser gerundet. Bei dem Laser-Rundungsprozess
wurde zunächst die Rundheit des Teils gemessen, es wurde ein
FEA-Modell ausgeführt, um das Teil zu runden, und danach
wurde eine Verformungsfaktor-Gleichung angewandt, um das zum Runden
des Teils benötigte Muster für den Laser zu erzeugen,
man vergleiche das Muster der Laserleistung aus 7.
Das Laserleistungsmuster korreliert mit der Ringspannung am außenseitigen
Durchmesser. Das Laserleistungsmuster ist umgekehrt proportional
zur Ringspannung am innenseitigen Durchmesser.
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Es
wurden erfolgreich vollmassive Stahlteile mit einer einsatzgehärteten
Oberfläche gerundet. 8 zeigt
eine graphische Darstellung, in welcher der Radius eines unbehandelten
Teils und desselben, mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelten Teils verglichen ist. Bei dem in 8 gezeigten
Diagramm des Teils BT37 wurde die Unrundheit um 75% reduziert. Ohne
dass wir uns auf die Theorie festlegen wollen, glauben wir, dass
das hauptsächlich für die Rundung verantwortliche
Phänomen das Tempern ist. Bei diesem Prozess ist es, wenn
der Laserstrahl sorgfältig gelenkt wird, wahrscheinlich,
dass keine wärmebeeinflusste Zone vorhanden sein wird. In
dem laserbehandelten Bereich wird eine Änderung der Härte
auftreten.
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Bei
Sinter-Testteilen wurden nur Schritt-2-Teile (an 4 gleichen Stellen
laserbehandelt) verwendet, wobei sich eine geringfügige Änderung der
Gestalt ergab. Diese Schritt-2-Teile, die bewertet wurden, hatten
eine Dichte von 6,8 g/cm3. Für
diese Tests wurde der Leistungsbereich der Verformungsfaktor-zu-Leistungsfaktor-Kurven
des Ringzahnrad SF1009 (5) angenommen und genutzt. Infolgedessen
wurden diese Teile mit Leistungseinstellungen in dem nichtlinearen
Bereich der Kurve laserbehandelt.
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Bei
einem Laserrundungsprozess funktionieren somit die entwickelten
Prozessschritte folgendermaßen gut: (1) Messung von 100
Punkten um den innenseitigen Durchmesser des Teils herum; (2) Eingabe
der Daten in ein Computer-Tabellenkalkulationsprogramm; (3) Runden
des Teils in einem FEA-Modell; (4) Nutzen der Ringspannung am innenseitigen Durchmesser
und der Ringspannung am außenseitigen Durchmesser der FEA,
um das Lasermuster um das Teil herum zu entwickeln; (5) Laserbehandlung auf
360 Grad des Teils am innenseitigen Durchmesser mit dem Lasermuster;
und (6) Messung von 100 Punkten um den innenseitigen Durchmesser
des Teils herum und Vergleich mit der ursprünglichen Gestalt.
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BEISPIEL 4
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In
diesem Beispiel wurden Sinterteile genutzt. Die grundlegende Laserrundungsprozedur,
die für die Sinterteile genutzt wurde, war die gleiche,
wie sie für die vollmassiven Teile wie in Beispiel 3 getestet
genutzt wurde. Es wurden Tests ausgeführt, wobei die Oberflächen
der Laser mit einer dunklen Farbe gestrichen wurden, die dafür
ausgelegt war, einen einheitlichen Absorptionsgrad zu erzeugen und Schwankungen
zu minimieren.
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Der
ersten Schritt beim Runden eines neuen Teils besteht darin, eine
Beziehung zwischen Laserleistung und Verformungsfaktor zu entwickeln.
Die Beziehung zwischen Laserleistung und Verformungsfaktor ist in 9 gezeigt,
welche anhand von Testteilen entwickelt wurde. Der "Z"-Bereich des
Graphen stellt eine Mischung aus frischem Martensit und getempertem
Martensit in der wärmebeeinflussten Zone dar, welche ein
unvorhersehbares Ergebnis liefert, der Bereich links des "Z" stellt
das Ergebnis der Temperung dar.
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Diese
Beziehung zwischen Leistung und Verformungsfaktor wird im nachstehenden
Schritt 5 genutzt, um das zum Runden eines Teils erforderliche Lasermuster
zu erzeugen. Die Laserrundungsprozedur geht folgendermaßen
vonstatten: (1) Messung von 100 Punkten um den innenseitigen Durchmesser
des Teils herum; (2) Eingabe der Daten in ein Computer-Tabellenkalkulationsprogramm
für Datenberechnungen; (3) Runden des Teils in einem FEA-Modell;
(4) Nutzen der Ringspannung am innenseitigen Durchmesser und der
Ringspannung am außenseitigen Durchmesser der FEA, um das
Basis-Lasermuster zu entwickeln; (5) Nutzen der Informationen aus
Schritt 4 und der Beziehung zwischen Leistung und Verformungsfaktor,
um die Stärke für das Lasermuster zu bestimmen;
(6) Laserbehandlung auf 360 Grad des innenseitigen Durchmessers des
Teils mit dem Lasermuster aus Schritt 5; (7) Messung von 100 Punkten
um den innenseitigen Durchmesser des Teils herum und Vergleich mit
der ursprünglichen Gestalt.
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Es
wurden erfolgreich Sinterstahlteile mit einer einsatzgehärteten
Oberfläche gerundet. 10 ist
eine graphische Darstellung, in welcher der Radius eines unbehandelten
Teils und desselben, mit einem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelten Teils verglichen ist. Bei dem in 10 gezeigten
Diagramm für das Teil PRE16 wurde die Unrundheit um über
90% reduziert. Ohne dass wir uns auf eine Theorie festlegen wollen,
nehmen wir an, dass das für die Rundung des Teils verantwortliche
Phänomen das Tempern war. Das zum Runden von PRE16 genutzte Lasermuster
ist in 11 gezeigt. Das Laserleistungsmuster
folgt der Ringspannung am außenseitigen Durchmesser. Das
Laserleistungsmuster ist umgekehrt proportional zur Ringspannung
am innenseitigen Durchmesser. Die genutzte maximale Leistung betrug
830 Watt bei 20 IPM, was in dem Diagramm aus 9 zu finden
ist.
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Der
Algorithmus zum Erzeugen eines Lasermusters für das Runden
mittels Laser funktioniert gut. 12 zeigt
die progressive Nutzung des Lasermusters. Die Gestalt "A" war das
Ergebnis des Musters eines ersten Durchlaufs, während die
Gestalt "B" einem zweiten Durchlauf mit dem gleichen Lasermuster
an demselben Teil in einem anderen Bereich des innenseitigen Durchmessers
entspricht. Die progressive Rundung zeigt, dass die Unrundheit mit
einem anhand der vorstehend erwähnten Schritte 4 und 5 entwickelten
Lasermuster gleichmäßig und fortschreitend reduziert
werden kann. 13 zeigt das zum progressiven
Runden von PRE18 genutzte Lasermuster.
-
Wenngleich
die vorliegende Erfindung recht detailliert mit Bezug auf bestimmte
Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird ein Fachmann
erkennen, dass die vorliegende Erfindung mit anderen als den beschriebenen
Ausführungsformen, die lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung
und nicht der Einschränkung dargestellt worden sind, ausgeführt
werden kann. Daher soll der Schutzumfang der anhängenden
Ansprüche nicht auf die vorliegend enthaltene Beschreibung
der Ausführungsformen eingeschränkt sein.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
Erfindung stellt Verfahren zum Runden und/oder Begradigen ringförmiger
Teile, beispielsweise Ringe, zur Verfügung, die aufgrund
ungleichmäßiger innerer Spannungen unrund und/oder
nicht eben sind.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Runden eines ringförmigen
Teils (10), das eine Achse (A), eine innenseitige Oberfläche
(13) und eine außenseitige Oberfläche
(21) aufweist, wobei das Teil aufgrund ungleichmäßiger
innerer Spannungen unrund ist, wobei das Verfahren umfasst:
- (a) Messen von Abständen entlang von
Bezugslinien (R1–Rn)
von der Achse (A) aus bis zu Oberflächenabschnitten (IS1–ISn) der
innenseitigen Oberfläche (13), wobei die Oberflächenabschnitte jeweils
einer Bezugslinie zugeordnet sind;
- (b) Identifizieren eines ersten Oberflächenabschnitts
(IS1) der innenseitigen Oberfläche,
der einen zugehörigen ersten Abstand entlang einer ersten
Bezugslinie (R1) von der Achse (A) aufweist,
der größer als ein zweiter Abstand entlang einer
zweiten Bezugslinie von der Achse (A) zu einem zweiten Oberflächenabschnitt
der innenseitigen Oberfläche (13) ist; und
- (c) Einbringen von Druckspannungen in den ersten Oberflächenabschnitt
(IS1) der innenseitigen Oberfläche,
wobei die eingebrachten Druckspannungen eine Deformation des ringförmigen
Teils (10) bewirken, wodurch das ringförmige Teil
(10) gerundet wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5131957 [0045]
- - US 4401477 [0045]
- - US 3850698 [0045]