DE19815572A1 - Verfahren zur Herstellung gezielter Oberflächenstrukturen durch Formgebung mit einem auf eine Seite eines Gegenstandes zur Einwirkung gelangenden Stoffstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Gattung.

Zu den Verfahren dieser Art zählt das Strahlen, das Kugel strahlen und auch das Kugelstrahlumformen, über welches in "Metal 12" 1991, Seiten 1220-1224, berichtet ist. Durch auf die Oberfläche des umzuformenden Gegenstandes auftreffende Formkörper werden plastische Zonen erzeugt, womit eine mehr lokale, teilweise aber auch vollständige Dehnung der Bauteildicke verbunden sein kann. Im Allgemeinen lassen sich diese Verfahren frei, d. h. ohne Einsatz von Werkzeugen gestalten.

Beispiele hierzu gibt es im Flugzeugbau und in der Raumfahrt bei der Herstellung von gekrümmten Tragflächen, Rumpfbeplankungen und Tankstrukturen. Den Widerstandsmomenten des Bauteiles wird durch die Intensität des Strahlprozesses Rechnung getragen. Die erreichten Umformungen sind den durch Biegung hergestellten Umformungen vergleichbar, jedoch besteht im Innern des Materials eine abweichende Spannungsverteilung. Darüber hinausgehende freie Umformungen von Bauteilen sind durch Steigerung der Strahldrücke erreichbar und führen zur Umkehrung der Umformrichtung dahingehend, daß im Bereich des erhöhten Strahldruckes der Gegenstand eine "Wölbung" nach der entgegengesetzten Seite hin erfährt und sich nicht mehr, wie sonst, eher in Richtung auf die Stoffstrahlquelle zu bewegt. Ziel dieser Verfahren ist die geometrische Veränderung ähnlich dem Vorgang Streckziehen bei möglichst glatter Oberfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch das einleitend angegebene Verfahren gezielte ausgeprägte Oberflächenstrukturen durch Umformungen an dünnwandigen Bauteilen vornehmen zu können, die über dasjenige Ausmaß hinausgehen, welches man sonst durch Strahlen verwirklichen kann. Auch soll das Verfahren nicht nur auf Tafeln oder dergleichen zur Anwendung gebracht werden, sondern gleichfalls auf Gegenstände mit in sich geschlossenen Flächenausbildungen, also gleichfalls auf Hohlzylinder und dergleichen.

Gelöst wird diese Aufgabenstellung durch den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 gemachten Vorschlag, der durch die Vorschläge gemäß den Unteransprüchen 2 bis 12 weiterentwickelt wird.

Während bislang also eine Beaufschlagung der zu strukturierenden oder umzuformenden Fläche nach Gesichtspunkten des einen oder des anderen Zieles erfolgt ist, sieht die Erfindung eine zeitlich vorgegebene Begrenzung der Beaufschlagung des unterliegenden Bereichs mit engem Intensitätspotential vor, wobei der vorgeschlagene Stoffstrahlquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Stoffstrahls zu verstehen ist. Die Querschnittsform ist also entweder rund bis höchstens flach-oval oder etwa quadratisch oder ähnlich polygonal. Die letztgenannte Querschnittsform ist zwar für den Stoffstrahl zunächst schwieriger zu verwirklichen, jedoch hat sie erhebliche Vorteile, wenn ein gemeinschaftlicher Stoffstrahl aus mehreren einzelnen Stoffstrahlen gebildet werden muß; in diesem Fall kann man nämlich ohne die bei kreisförmigen bzw. ähnlichen Querschnitten unvermeidlichen Zwischenräume zwischen den einzelnen Strahlspuren arbeiten.

Die primäre Relativbewegung zwischen dem Gegenstand und dem Stoffstrahl verbreitert nicht den der Beaufschlagung unterliegenden Bereich, sondern vermag letztgenannten lediglich in seiner Länge zu vergrössern. Bei dieser Bewegung kommt es also nicht zu einer flächendeckenden Beaufschlagung, sondern die Begrenzung bleibt aufrechterhalten. Durch eine weitere Relativbewegung kann der beaufschlagte Bereich vergrößert werden. Dies kann geschehen durch eine Bewegung in einer weiteren Raumkoordinate, also auch in der Ausbreitungsrichtung des Stoffstrahls, wenn beispielsweise die auf die Flächeneinheit bezogene kinetische Energie während eines Beaufschlagungsvorganges geändert werden soll. Die Breite des Flächenbereichs erfährt dann eine Vergrößerung, sofern nicht Maßnahmen getroffen werden, durch die der der Beaufschlagung unterliegende Bereich verkleinert werden kann. Die in den genannten Unteransprüchen vorgeschlagenen Überzüge sind dabei so gewählt, daß sie die kinetische Energie des Stoffstrahls abbremsen, so daß die Umformungen unterbleiben. Bekannte, selbstklebende Folien oder auch nachgebende Anstriche erfüllen diese Voraussetzungen besonders gut.

Die genannten Relativbewegungen können insbesondere auch Drehbewegungen sein, wenn es sich um einen als Rotationskörper gestalteten Gegenstand, also beispielsweise um einen Rohrabschnitt, handelt.

Für die Ausführungen der Erfindung werden im wesentlichen zwei physikalische Effekte kombiniert, nämlich die Umformungen einer plastifizierbaren Oberfläche und die geometrische Veränderung eines Bauteiles durch bleibende Dehnungen und den damit verbundenen Eigenspannungen. Man kann das derart differenzierte Ausmaß beider Umformungen durch die Intensität und auch die Einwirkungsdauer des Stoffstrahles steuern. Die erreichbaren Umformungen der Oberfläche und damit die erzielbaren Rauheiten werden nur durch die gesteuerten Umformungen des Bauteiles ermöglicht, wie sie sonst lediglich durch Ziehen, Drücken, Drückwalzen, Sicken oder Hochgeschwindigkeitsumformung erreichbar sind. Während jedoch die vorstehend aufgeführten, bekannten Umformverfahren einerseits durch Anwendung spezieller Werkzeuge aufwendig sind, benötigt man erfindungsgemäß keine der Endform entsprechende Werkzeuge. Der Erzeugung des Oberflächenprofils kann jedoch ein vorgenannter Prozeß vorausgehen. Die Endform wird jedoch von dem erfindungsgemäß ausgeführten Prozeß bestimmt.

Die Fig. 1 und 11 zeigen Gegenstände, die in der erfindungsgemäßen Weise einer Behandlung unterzogen wurden. Die in der Fig. 1 und 2 dargestellten Gegenstände wurden aus anfänglichen zylindrischen Rohrabschnitten hergestellt. Der Übergang in die strukturierten und umgeformten Bereiche erscheint in den Fig. 1, 2, 5 und 6 scharfkantig, jedoch ist er in Wirklichkeit leicht abgerundet. Die mehr allmähliche Anrundung bei den Gegenständen aus den Fig. 7 und 8 ist ebenso gewollt wie die gleichmäßige und vollständige Aufweitung von langen Hülsen (ohne Bild), deren Oberflächen besondere Bedeutung im Einsatz als Walzenhülsen in der Druckindustrie, Textilindustrie und Folienindustrie haben. Hier ist besonders die gleichmäßige und ausgeprägte Oberflächenstruktur als auch die reproduzierbare Geometrie der Hülse von maßgeblicher Bedeutung. Zu der erfindungsgemäß notwendigen auf das Werkstück abgestimmte speziellen Kombination von Strahlparametern (Formkörperwerkstoff, -größe, -form) muß hier besonders die kontinuierliche Reproduzierbarkeit gewährleistet werden.

Die Gegenstände nach Fig. 3 und 4 gehen von kreisformigen Scheiben aus, die durch das erfindungsgemäße Verfahren in der Oberfläche strukturiert und gleichzeitig zu kleinen Behältern umgeformt wurden.

Die Einwirkung des Formkörperstrahles auf nur eine einzige Stelle ergibt den aus einer Blechtafel hergestellten örtlich strukturierten Gegenstand nach Fig. 9. Demgegenüber zeigt Fig. 11 einen gleichfalls aus einer Tafel hergestellten Gegenstand, der zwei sich in Längsrichtung erstreckenden, parallel zueinander verlaufende Sicken mit definierter Rauheit aufweist. In diesem Fall wurde eine geradlinige Relativbewegung während des Beaufschlagungsvorganges für je eine strukturierte Sicke durchgeführt.

Schließlich zeigt der Gegenstand gemäß Fig. 10 die Möglichkeiten der Strukturierung und gleichzeitigen Umformung mit veränderlicher Krümmung.

In der praktischen Ausführung wird die Strukturierung und Umformung, wie bereits beschrieben, im wesentlichen durch die Formkörper, die zeitliche Einwirkung und die Intensität des Stoffstrahles gesteuert. Die Formkörper können aus Metallen, Glas oder Keramikwerkstoffen sein. Sie können in den Formen: Kugeln aus Stahlguß, geschliffene Kugeln, Drahtabschnitte aus rechtkantigem, ovalem, profiliertem oder rundem Draht, arrondierte polygonale Drahtabschnitte, aber auch als Kugeln oder Polygone aus Glas oder Keramik verwendet werden.

Man kann die Rauheitskennwerte (Bewertung nach DIN 4768) durch die Form und die Tiefe der bleibenden Abdrücke der Formkörper sowie den Bedeckungsgrad einstellen.

Hieraus ergibt sich zwingend die makroskopische Umformung. Ein bekanntes Mittel zur Überwachung der Umformenergie ist der Almen-Test (DGM-Fortbildungsseminar 4./5. 11. 1996 Braunschweig).

Der oder die Stoffstrahlen treten am zweckmäßigsten aus Düsen mit Durchmessern zwischen 3 bis 15 mm, insbesondere zwischen 6 bis 10 mm, aus. Dabei beträgt die Kugelgeschwindigkeit zwischen 10 bis 10 m/s, insbesondere zwischen 30 und 70 m/s.

Die Kugelgröße kann dabei zwischen 0,1 mm und 5 mm liegen. Jedoch wird eine Klassierung vorgenommen, indem beispielsweise Durchmesserbereiche von 0,3 mm erfaßt werden. So kann man wahlweise mit den Klassierungen 0,5 bis 0,8 mm oder 1,0 bis 1,3 mm oder 2,0 bis 2,4 mm oder 3,0 bis 3,5 mm arbeiten, wenn man beispielsweise von Bauteilen aus Stahl mit einer Dicke von 0,1 mm bis 5 mm ausgeht. Als Fördermittel für die Kugeln läßt sich Druckluft verwenden, deren Betriebsdruck auf 0,5 bis 10 bar einstellbar ist. Schleuderräder eignen sich nur, wenn besondere Maßnahmen zur Regelung der wichtigen Strahlparameter vorhanden sind.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung gezielter Oberflächenstrukturen durch Umformung von in wenigstens einer Richtung und zumindest bereichsweise biegbaren Gegenständen aus Material mit elastischem und plastischem Umformverhalten, wobei ein Stoffstrahl aus Formkörpern mit begrenzter, von der Dicke und Festigkeit des Gegenstandes abhängigen, auf die Fläche bezogenen kinetischen Energie auf die eine Seite des Gegenstandes zur Einwirkung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der bei einem Beaufschlagungsvorgang zur Herstellung der gezielten Oberflächenstruktur durch Umformung momentan zu unterziehende Flächenbereich von höchstens gleicher Breite strukturiert und geometrisch verändert wird wie der unterstützende Halt sowie der den Gegenstand beaufschlagende Stoffstrahl, der seinerseits mit sich im wesentlichen gleichmäßig bezüglich seiner Flächenkoordinaten erstreckenden Querschnitt zur Anwendung gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffstrahl aus gleichen Formkörpern besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffstrahl aus verschiedenen Formkörpern besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Stoffstrahl aus Formkörpern besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gegenstand, dem Halt und dem Stoffstrahl während des Beaufschlagungsvorganges Relativbewegungen vorgenommen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Relativbewegung eine Drehbewegung um die Längsachse eines im wesentlichen als Rotationskörper gestalteten Gegenstandes vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit einer bereichsweise mit einem anhaftenden Überzug versehenen Fläche dem Stoffstrahl ausgesetzt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinschaftlicher Stoffstrahl, der von mehreren einzelnen Stoffstrahlen gebildet ist, zur Einwirkung auf den Gegenstand gebracht wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung eines im wesentlichen als Rotationskörper gestalteten Gegenstandes auf einen Ausschnitt seiner Mantelfläche begrenzt wird.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Oberflächenstruktur durch Umformung des im wesentlichen als Rotationskörper gestalteten Gegenstandes zusätzlich durch eine elastische Verspannung des Gegenstandes erfolgt, die durch Beaufschlagung des Ausschnittes erzeugt wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit einem Überzug aus aufgeklebter Folie verwendet wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand mit einem Überzug in Form eines nachgebenden Anstrichs versehen wird.