DE3219732A1 - Verfahren zur verfestigung von komplizierten formflaechen durch plastische umformung - Google Patents

Description

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- 3 BBSCHRBIBUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verfestigungsbearbeitung durch plastische Oberflächenumformung von Maschinenteilen, die komplizierte Formflächen aufweisen, insbesondere von Teilen in Gestalt einer Raumspirale, beispielsweise von Spiralfedern.

Am zweckmässigsten ist diese Erfindung bei der Verfestigung von Teilen in Form einer Raumspirale zu verwenden, deren Windungen aus einem Werkstoff mit im wesentlichen rundem Querschnitt ausgeführt sind.

Die wichtigste Betriebscharakteristik von Federn ist bekanntlich ihre Ermüdungsfestigkeit, die eine hohe lebensdauer unter den Verhältnissen von Schwingspannungen sicherstellt, kratzer, Risse, mikroskopischen Unebenheiten, Mikrorisse, die das* Mikrorelief der Oberfläche der Federn bilden, stellen Spannungskonzentratoren dar, was die Ermüdungsfestigkeit der Pedera herabsetzt. Wenn die Risse und Kratzer mit der Richtung der Arbeitsbelastung zusammenfallen, nimmt die Srmüdungsfestigkeit der Erzeugnisse sprunghaft ab. Eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit von Maschinenteilen wird in der Technik hauptsächlich durch deren Oberflächenverfestigung erreicht. Die Oberflächenverfestigung kann nach verschiedenen Verfahren ausgeführt werden, beispielsweise durch thermische Behandlung, Wärmebehandlung mit chemischen Vorgängen, mechanische, thermomechanische Bearbeitung u.a.

Zur Zeit bereitet die Verfestigung von Erzeugnissen des Typs von Spiralfedern mit rundem Windungsquerschnitt bei gleichem Grad der Verfestigung über den Windungsquerschnitt und bei niedriger Rauhigkeit grosse Schwierigkeiten. Es sind mehrere Verfanren zur Verfestigung von Erzeugnissen des Typs von Pedern durch plastische Oberfläcbenumformung bekannt.

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In der Technik wird zur Verfestigung von Erzeugnissen des Typs von Federn das Kugelstrahlen weitgehend angewandt. Bei diesem Verfahren erfolgt die Verfestigung durch Stahl- oder Hartgusskies in Form von Kugeln, denen man kinetische Energie mitteilt und mit dieser Energie auf die zu bearbeitende Feder einwirkt .

Der Nachteil des genannten Verfahrens ist ungleich mäßige Bearbeitung über den Querschnitt der Federwindung und hohe Rauhigkeit der Federoberfläche. Dies bewirkt die Bildung von kleinen Spannungskonzentrat oren, welche den Ermüdungsbruchwiderstand der Feder herabsetzen.

Bei einem anderen in der Technik angewandten Verfahren bewerkstelligt man die Verfestigung mit losen Kugeln unter Anlegen von Ultraschallschwingungen an diese. Bei diesem Verfahren erteilt man den in einem geschlossenen Volumen befindlichen Kugeln Ultraschalischwingungen. Die Erzeugnisse des Typs von Schrauben und Federn bringt man in dasselbe geschlossene Volumen ein und nimmt ihre Verfestigung mittels der Kugeln vor, denen Ultraschallschwingungen erteilt worden sind.

Bei der Verfestigung von Erzeugnissen, die eine räumliche Spiralform haben, ist es unmöglich, eine gleiche Tiefe der verfestigten Schicht auf der gesamten Oberfläche zu erhalten. Ausserdem ist es nach diesem Verfahren schwer, die vorgegebene Tiefe der verfestigtes. Schicht zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und zuverlässiges Verfahren und eine Einrichtung zur Verfestigung von Federn mit rundem Windungsquerschnitt zu schaffen, die durch entsprechende Anordnung der verformenden Elemente am Erzeugnis und Erteilung von Ultraschallschwingungen dem Erzeugnis die erforderliche Tiefe der verfestigten Oberflächenschicht gewährleisten.

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Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass im Verfahren zur Verfestigung' komplizierter Formfläcben von Erzeugnissen in Gestalt einer Raumspirale aus einem Werkstoff mit im wesentlichen rundem Querschnitt durch plastische Umformung mittels verformenden Elementen, die über die Oberflache des Teils bewegt werden, man erfindungsgemass die verformenden Elemente diametral gegenüberliegend an den Seiten einer Spirale zwangsläufig drehbar mit einem Kontakt an der Werkstoffoberflache der Spirale anbringt, für die Drehung des Teiles um seine Längsachse sorgt und ihm gleichzeitig Ultraschallschwingungen erteilt, die verformenden Elemente in entgegengesetzten Richtungen umlaufend antreibt, derart, dass sie auf der Oberfläche des ^ Teils ein regelmassiges Mikrorelief in Form von sich ähnlich einem Netz kreuzenden Bahnen formieren, und durch Änderung des Verhältnisses zwischen den Winkelgeschwindigkeiten der verformenden Elemente die Erzielung der erforderlichen Werte der geometrischen Parameter des Mikroreliefs gewährleistet.

Infolge der komplizierten Spiralform der Feder entstehen in dieser drei Arten Schwingungen: Longitudinal-, Biege- und Torsionsscbwingungen. Da die Wellenlänge einer jeden Art der Ultraschallschwingungen verschiöden ist, erfahren sämtliche Punkte der Feder zusammengesetzte Schwingungen, d.h« die Gesamtamplitude in jedem Punkt ist annähernd gleich. Dank diesem Umstand ist eine Verfestigung mit geringen statischen Belastungen am verformenden Element möglich. Das letztere begünstigt stabilen Umlauf der verformenden Elemente« was die Erzielung einer.gleichen Tiefe der verfestigten Schicht sicherstellt.

Im folgenden wird die Erfindung durch eingebende Beschreibung eines konkreten Ausfuhrungsbeispiels und an Hand von Zeicbnungen erläutert¹, es zeigt;

Fig. 1 ein Prinzipschema der Durchführung des

Verfahrene 2ur Verfestigung von komplizierten Pormflächen durch plastische Umformung; Pig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der Pig. 1· Pig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III der *ig. 1;

Pig. 4 Bahnen der Kreuzung der Spuren von verformenden Elementen auf der bearbeiteten Oberfläche des Erzeugnisses bei gleichen Winkelgeschwindigkeiten der verformenden Elemente·

Pig. 5 Bahnen der Kreuzung der Spuren von verformenden Elementen auf der bearbeiteten Oberfläche des Erzeugnisses bei ungleichen Winkelgeschwindigkeiten der verformenden Elemente.

In Pig. 1, 2 ist die Einrichtung dargestellt, und in Pig, 3 ist das Prinzipschema abgebildet, welches das Verfahren zum durch plastische Umformung erfolgenden Verfestigen von komplizierten Pormflächen in Gestalt einer Raumspirale aus einem Werkstoff mit im wesentlichen rundem Querschnitt erläutert. Die Verfestigungseinrichtung enthält zwei Elektromotoren 1 und 2 (Pig. D mit stufenloser Drehzahlregelung, Vielehe auf Wagen 3 angebracht sind. Auf die Wellen der Elektromotoren 1 und 2 sind Treibscheiben 4 und 5 aufgesetzt, die mittels Riementrieben 6 und 7 die Drehbewegung zu verformenden Elementen Ξ, Ρ übertragen, welche sich in Schäkeln 8 und 9 befinden. In konstruktiver Hinsicht sind die verformenden Elemente E, P identisch und enthalten Antifriktionsbeilagen 10, Kugeln 11 (Pig. 2), Käfige 12 und Belastungsringe Durch die verformenden Elemente B, F ist eine Peder 14 hindurchgesteckt, die am Ende eines Wellenleiter» (Pig. 3) befestigt ist. Das andere Ende des Wellenleiters 15 ist mit einer Quelle 16 von Ultraschallschwingungen starr verbunden.

Das Verfahren zur Verfestigung von komplizierten Pormflächen durch plastische Umformung besteht im folgenden.

Am Sude des Wellenleiters 15 (Fig. 3) befestigt man die Feder 14. An dei Feder 14 bringt man ein verformendes Element, beispielsweise das Element E, mit einer Vorspannung an, die von der Differenz zwisehen dem Querschnittsdurchmesser der Windung der Jeder 14 und dem Arbeitsdurehmesser des verf onnenden Elementes E herrührt. Die Anbringung der verformenden Elemente E, F an der Feder 14 nimmt man dei* Reihe nach vor. Zuerst baut man das eine verformende Element, beispielswöise das Element E, zusammen, d.ii., man steckt die Kugeln 11 (Fig. 2) in den Käfig 12 und setzt diese in den Belastungsring 13 ein. An den Seitenflächen des Belastungsringes 13 bringt man die Antifriktionsbeilagen 10 (Fig. 1) an. Das zusammengebaute verformende Element E schiebt man auf die Feder 14. An zwei Seiten wird das verformende Element E durch den Schäkel 8 umfasst. Auf den Belastunssring 13 legt man den Antriebsriemen 6 auf. Der Feder 14 erteilt man von der Quelle 16 von Ultraschallschwingungen über den Wellenleiter 15 Ultraschallschwingungen und drehende Bewegung um die Längsachse der Feder mit einer Frequenz n. Gleichzeitig versetzt man das verformende Element E vom Elektromotor 2 über die Treibscheibe 4 und den Antriebsriemen 6 in drehende Bewegung um den Querschnitt der Federwindung mit einer Frequenz H₁ (Fig. 2). Nachdem eine Hälfte der Windung der Feder 14 (Fig. 1) bearbeitet ist, hört man mit der drehenden Bewegung der Feder 14 auf, schaltet den Elektromotor 2 und die Quelle 16 (Fig_e 3) von Ultraschallschwingungen ab.

Dann nimmt man auf der anderen Seite der Feder 14 den Zusammenbau des zv/eiten verformenden Elementes F vor. Sein Zusasssnbau ist des bereits angebrachten verformenden Element E ähnlich.

Hiernach erteilt man der Feder 14 von der Quelle 16 über den Wellenleiter 15 Ultraschallschwingungen und drehende Bewegung um die Längsachse. Die verformenden Elemente E, F und somit die Kugeln 11, die dia-

metral gegenüberliegend an den Seiten der Feder 14 angebracht sind, versetzt man in drehende Bewegung von den Elektromotoren 1, 2 über die !Treibscheiben 4, und die Antriebsriemen 6 und 7 in entgegengesetzten Richtungen mit einer Frequenz n^ bzw. ng.

Während einer Umdrehung der Feder 14 verschiebt sich jedes verformende Element E oder F relativ zur Feder 14 an der Peripherie einer Windung um die länge L =c5^D, worin D den Durchmesser der Feder bedeutet und Si = 3s14. Wenn man den das geforderte regelmäßige Mikrorelief gewährleistenden zulässigen Vorschub des verformenden Elementes, z.B. des Elementes E, für eine Umdrehung desselben um seine Achse als S bezeichnet, so wird die Grosse -- die Drehzahl n-, des verformenden Elementes während ° einer Umdrehung der Feder bezeichnen. Um ebenso viele Male übersteigt folglich die Frequenz n·, die Umlauf frequenz η der Feder.

Die verformenden Elemente E, F formieren mittels der Kugeln 11 auf der Oberfläche der Feder 14 ein. regelmässiges Relief in Form von sich ähnlich einem Setz kreuzenden Bahnen, und durch Änderung des Verhältnisses zwischen den Winkelgeschwindigkeiten der verformenden Elemente E, F gewährleistet man die Erzielung der erforderlichen Werte der geometrischen Parameter des Mikroreliefs.

Bei einer Umdrehung der Feder 14 urn ihre Achse verschiebt man die Wagen 3 mit den verformenden Elementen E, F längs der Federachse um einen Abstand, der der Steigung t der Feder 14 (Fig. 3) gleich ist. Bei ausreichender Steifigkeit der Feder 14 (bei Federdraht durchmess era über 5 mm) erübrige sich der Antrieb zur zwangsläufigen Verschiebung der Wagen 3 (Fig. 1). Werden die Wagen 3 auf den Führungen der Einrichtung frei verschiebbar längs der Achse der Feder 14 angeordnet, ao wird bei der Drehung der Feder 14 um die Achse eine Kraftkomponente erzeugt, die längs der Federachse gerichtet ist. Unter der

Wirkung dieser Kraft werden sich die Wagen längs der Achse der Feder 14 verschieben und die Bearbeitung derselben über die Länge ausführen.

Infolge der komplizierten Form der Feder 14 (Fig. 3) entstehen in ihr bei der Einschaltung der Quelle 16 von Ultraschallschwingungen drei Arten zusammengesetzte Schwingungen Longitudinalschwingungen A, Torsionsschwingungen E und Biegeschwingungen C. Da die Wellenlänge Jeder Schwingungsart verschieden ist, erfahren sämtliche Punkte der Feder 14 zusammengesetzte Ultraschallschwingungen, d.h., die Gesamtamplitude der Schwingungen ist in Jedem Punkt annähernd gleich. Bas Vorhandensein der Ultraschallschwingungen in Jedem Punkt der Feder 14 vergrSssert die Plastizität des Werkstoffs und dia Aktivierung der Dislokationsbewegung, was die Verformungskraft und die Reibungskräfte herabmindert. Die der Feder 14 (Fig. 2) erteilten Ultraschallschwingungen werden zu den F.ug^ln 11 übertragen, und da diese durch den

2G Ring 13 federbelastet sind, gewährleistet der letztere zusätzlich niederfrequente Schwingungen der Kugeln Hierbei findet die Amplitudenmodulation der niederfrequenten Schwingungen der Kugeln 11 durch UItraschallsehwingungen statt, was eine grosse Tiefe der verfestigten Schicht bei geringeren Verformungskräften zu erhalten erlaubt und die Reibungskräfte herabsetzt. Diese Erscheinung intensiviert den Prozess, und sie wurde früher in der Verfestigungstechnik nicht angewendet.

Das Fehlen von Ultraschallschwingungen vergrößert aber die Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes gegen die plastische Tex-rojrniuug sowie die Reibungskräfte, was zum Schlüpfen der Antriebsriemen auf den Belastungsringen 13 führt, und der Prozess der Bearbeitung der Feder 14 hört auf. Gerade dadurch, dass der Feder 14 TJltraschallschwingungen

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erteilt werden, entsteht die Möglichkeit, die Bearbeitung des gesamten Umfangs des Windungsquerschnitts der Feder 14 mittels der verformenden Elemente E, F mit gleichmassigen Druckspannungen unä einer Oberflächenrauhigkeit von 0,15 V& sicherzustellen.

Indem man die Umlaufgeschwindigkeit der verformenden Elemente Ξ, F* die Belastungskraft der verformenden Elemente S. «' (d. h. der Kugeln 11) mittels der auswechselbaren Ringe 13 (Fig. 2) und die Intensität der Ultra ^o-aallschwiiigungen der Feder 14 regelt_? erhält mau ein regelmässiges Mikrorelief mit d^m erforderlichen Grad und der erforderlichen Tiefe der verfestigten Schicht auf den bearbeiteten Oberflachen der Erzeugnisse vom Typ der Federn und erreicht zugleich optimale Druckspannungen auf dem gansen Querschnittsumriss der Windung der au verfestigenden Feder, was die Dauerwechselfestigkeit der Federn erhöht .

Dadurch, dass der Feder 14 Ultrsschsllsehwin^ gungen erteilt werden, wird es überdies für den Fall, dass in ihr visuell nicht festzustellende Mikrorisse Vorhanden 3ind möglich, diese gleichzeitig mit der Bearbeitung aufzudecken.

Die wichtigste Besonderheit des erfindungsgemäss vorgeschlagenen Yerfahrens ist, dass man die verformenden Elemente E, F in verschiedenen Sichtungen in Drehung vernetzt» Auf diese Weise walzt das eine verformende Element (beispielsweise S) die rechte Spirale uzid das zweite (beispielsweise F) die linke Spirale.

Infolgedessen bildet sich auf der bearbeiteten Oberfläche ein "Netz" von Spulen ähnlich dem Feinziehsehleifen oder Honen. In Fig. 4 und 5 ist ein Element der Kreuzung der Bahnen von zwei Kugeln gezeigt. Ahnlich der Vibrationsabwälzung bildet sich auf der bearbeiteten Oberfläche ein regelmässiges Mikrorelief, das zur Erhöhung der Betriebseigenschaften der bear-

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beiteten Oberfläche, im besonderen zur Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit, beiträgt.

Man muss hervorheben, dass das erfindungsgemässe Verfahren umfassendere Möglichkeiten vom Standpunkt der Regelung der geometrischen Parameter des Mikroreliefs aus hat. In Pig. 4 ist eine Kreuzungsart der Spuren auf der bearbeiteten Oberfläche bei der Gleichheit der Winkelgeschwindigkeiten der verformenden Elemente B, P (η_χ = n₂ und CV_-1 = o^₂) gezeigt. In Fig. 5 ist eine andere Art der Spuren infolge der Ungleichheit der Umlaufgeschwindigkeiten n-^ y· η« ( o<. -^ > oc ^) dargestellt, d.h., die SpiralwinKel sind nicht gleich, was eine Änderung des Charakters des entstehenden Netzes hervorruft. Möglich ist auch die Bearbeitung mit einer veränderlichen Umlaufgeschwindigkeit der verformenden Elemente. Durch Änderung der WiBk¹³I.geschwindigkeit en η-, und Ώ-2 der verformenden Elemente E, P sowie η der Feder 14 wählt man ein solches Bearbeitungsregime, das die geforderten Betriebscharakteristiken der zu bearbeitenden Oberflächen gewährleistet.

Die Anbringung der verformenden Elemente E, F an den gegenüberliegenden Seiten der Feder 14 erklärt |

sich durch die Notwendigkeit, die von äen Antrieben | entstehenden Radialkräfte gegenseitig auszugleichen, |

was bei der Bearbeitung von wenig steifen Federn besonders | wichtig ist.

Bei der Verfestigung von Erzeugnissen hoher Härte können in den verformenden Elementen E, F anstatt der Kugsln 11 Diamant spitz en verwendet werden.

Ss ist offensichtlich, dass bei der Bearbeitung von Oberflächen grosser Ausdehnung mehrere verformende Elemente E, F eingesetzt werden können, was es erlaubt, die Arbeitsleistung des Prozesses zu steigern. Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren zur Verfestigung der Oberfläche von Erzeugnissen in Form einerB&nsapirale aus einem Werkstoff mit im wesent-

lichen rundem Querschnitt durch plastische Umformung bietet die Möglichkeit:

1. ein regelmassiges Mikrorelief auf der Erzeugnisoberfläche zu erzielen, was die Ermüdungsfestigkeit der Erzeugnisse erhöht;

2. eine gleiche Tiefe der verfestigten Schicht über den Querschnitt und die Länge des Erzeugnisses zu erhalten;

35. die Verminderung der Rauhigkeit der Erzeugnisse von 2,4- ywm auf 0,15 /*m sicherzustellen;

4. die Ermüdungsfestigkeit der Erzeugnisse um das, 1,5- bis 2fache zu erhöhen.

Claims (1)

1. 3213732

   VERFAHHEK ZDR VERFESTIGUNG VOU KOMPLIZIERTEN FORMFLÄCHEN DURCH PLASTISCHE TMPQBMDNG

   PATEHTANSPRUCH

   Vexiahre-a zur Verfestigung der Oberfläche von 5- Teilen in Gestalt einer Saumspirale aus einem Werkstoff mit im wesentlichen rundem Querschnitt durch plastische Umformung mittels verformenden Elementen (E, F), die über die Oberfläche des Teiles bewegt werden, d .a durch gekennzeichnet, dass man die Terföiraeaaea Elemente (Ξ, F) diametral gegenüberliegend an den Seiten eiaer Spirale (14) zwangsläufig drehbar mit einem Kontakt an der Werkstoffoberfläche der Spirale (14) anbringt, für die Drehung des Teiles um seine Längsachse sorgt und ihm gleichzeitig Ultraschallschwingungen erteilt, die verformenden Elemente (E, F) in entgegengesetzten Richtungen umlaufend antreibt, derart, dass sie auf der Oberfläche des Teiles ein regelmässiges Mikrorelief in Form von sich ähnlich einezn Netz kreuzenden Bahnen formieren, und durch Änderung des Verhältnisses zwischen den V/inkelgeschwindigkeiten der verformenden Elemente (E, F) die Erzie-

   lung der erforderlichen Werte der geometrischen Parameter des Mikroreliefs gewahrleistet.