DE3233643C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Hämmern mit Schrot, insbesondere eine Vorrichtung, in der die Schrotkörner durch die Schwerkraft beschleunigt werden.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich damit, in einem Produktionsprozeß Werkstücke mit einer Oberflächenspannung und einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit zu versehen. Von besonderem Interesse ist es, gute Oberflächen und Druck­ spannungen in den Oberflächen von Erzeugnissen wie Schaufeln, von Gasturbinen zu erhalten. Üblicherweise haben solche Schaufeln eine gekrümmte Oberfläche 20, dünne Kanten 19, 19′ und Schulterflächen 26, vgl. Fig. 1. Turbinenschaufeln können nicht leicht und gleichmäßig gehämmert werden, wenn sie nicht in geeigneter Weise im Strahl der Schrotkugeln angeordnet werden. Die Schrotkugeln müssen die Oberfläche des Werk­ stücks in einem steilen Winkel treffen, damit sie wirksam sind. Bisher sind Turbinenschaufeln hauptsächlich in pneu­ matischen Maschinen oder in Schleudern gehämmert worden. Mit solchen Maschinen kann man aber nicht die gleichmäßi­ gen Geschwindigkeiten der Schrotkugeln erhalten, die zur Erzielung der Oberflächenbeschaffenheit erforderlich sind, die in mit der vorliegenden Anmeldung zusammenhängenden Anmeldungen der Anmelderin beschrieben ist. Speziell im Fall der pneumatischen Maschinen kann jedoch das Schrot in einer Vielfalt von verschiedenen Richtungen auf das Werkstück gelenkt werden. In dieser Hinsicht ist die pneu­ matische Maschine anderen Maschinen überlegen.

Das Hämmern mit Hilfe von Schwerkraft ist ein Ver­ fahren, bei dem man das Schrot mit der Erdbeschleunigung frei fallen läßt. Solche Methoden sind schon länger be­ kannt. Aus der US-PS 9 37 180 ist ein Gerät zum Hämmern mit Schrot mit Hilfe der Schwerkraft beschrieben. Stahl­ kugeln fallen aus trichterförmigen Öffnungen und der Strahl wird durch einen Schieber an den Öffnungen ge­ steuert. In der US-PS 40 67 240 ist eine ähnliche Vor­ richtung beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird eine konstante Füllhöhe des Schrots im Trichter durch einen röhrenförmigen Überlauf erreicht. In der US-PS 37 05 511 ist schließlich eine Einrichtung beschrieben, in der die Schrotkugeln auf eine bestimmte Höhe gehoben werden und dann eine geneigte Fläche hinunterrollen. Die Schrotkugeln rollen über die Kante der Fläche und fallen frei auf das Werkstück.

Eine Masse von Kugeln in einem Trichter verhält sich be­ kanntlich ähnlich wie eine Flüssigkeit. Die Geschwindig­ keit, mit der die Schrotkugeln einen Trichter verlassen, hängt deshalb von der Größe der Kugeln und von der Füllhöhe im Trichter ab. Wenn bei der Vorrichtung nach der US-PS 37 05 511 auf einen Trichter verzichtet wird, verleiht die geneigte Fläche den Schrotkörnern eine erhebliche horizontale Geschwindigkeitskomponente. Das folgt daraus, daß das Schrot über schräge Bleche nach unten abgegeben wird, die in der Art einer "Sprungschanze" wirken und dem Schrot somit eine be­ trächtliche seitliche Geschwindigkeitskomponente verleihen. Das Schrot fällt daher entlang einer Fallkurve.

Alle bekannten Vorrichtungen zum Hämmern mit Hilfe der Schwer­ kraft scheinen darüber hinaus nur zum Hämmern ebener Flächen geeignet und angewandt worden zu sein. Weiterhin können die Schaufeln nicht mit der geforderten Genauigkeit gehämmert werden, wenn sie in einem Gerät der bekannten Art einfach starr befestigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Richtung und die Geschwin­ digkeit der Schrotkugeln genauer zu steuern als bei bekannten Vorrichtungen und eine Vorrichtung zu schaffen, die geeignet ist, kompliziertere Formen wie beispielsweise Schaufeln für Gasturbinen, gleichmäßig zu hämmern.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Erfindung werden gleichmäßige Druckspannungen und glatte Oberflächen von Werkstücken erreicht, insbesondere von solchen, die eine unregelmäßige und verhältnismäßig empfindliche Struktur haben, wie dies beispielsweise bei Schaufeln von Gasturbinen der Fall ist.

Gemäß der Erfindung wird ein gleichmäßiger Strahl von Schrotkugeln in ein Gehäuse geführt. Das Schrot wird zu­ nächst mit einer sehr niedrigen und gleichmäßigen An­ fangsgeschwindigkeit abgegeben und dann durch die Schwer­ kraft auf eine gleichmäßige höhere Geschwindigkeit be­ schleunigt. Nach dem Aufprall auf das Werkstück fallen die Schrotkugeln auf den Boden des Gehäuses, werden dort gesammelt und zum Ausgangspunkt zurückgebracht.

Das Schrot wird durch ein Gitter geführt, das die Ge­ schwindigkeit des zurücktransportierten Schrots vermindert und gleichzeitig die gewünschte Anfangsgeschwindigkeit sicherstellt. Das Gitter ist vorzugsweise als eine Loch­ platte ausgeführt, die den Schrotkörnern eine kleine seit­ liche Geschwindigkeitskomponente verleiht. Dadurch erreicht man in einem kurzen Abstand unterhalb der Platte und damit in dem Bereich, in dem das Werkstück gehalten wird, einen gleichmäßigen Strom von Schrotkörnern. Werkstücke können an eine beliebige Stelle innerhalb einer quer zu dem gleich­ mäßigen Schrotstrom verlaufenden Ebene gebracht werden und werden dort überall gleich gehämmert. Als Gitter, die genaue Geschwindigkeitsparameter und gleichförmige Verteilung der Kugeln sicherstellen, werden Lochbleche bevorzugt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Mitteln versehen, um eine konstante Schrothöhe über einer einzelnen Lochplatte einzuhalten, die einen gleichmäßigen Fluß des Schrots ermöglicht. Bei einem anderen Ausführungs­ beispiel ist eine Mehrzahl von Lochblechen gegeneinander versetzt; die Lochbleche bilden so ein Labyrinth, durch das das Schrot fließen muß. Beide Arten von Gittern haben sich als geeignet erwiesen, gleichmäßige niedrige Anfangsge­ schwindigkeiten zu erhalten. Diese Gitter ermöglichen es zu­ sammen mit eng tolerierten Schrotkugeln mit einem Durch­ messer im Bereich von 1,0 bis 2,5 mm, eine gleichmäßige Aufschlagenergie mit einer Streuung von etwa ±25% auf dem Werkstück zu erreichen. Eine solche Gleichförmigkeit konnte bisher nicht erreicht werden. Sie ist aber erforder­ lich, um glatte Oberflächen in der Größenordnung von 30 AA (Arithmethic Average) oder besser zu erhalten und dies in Kombination mit Druckspannungen bis zu einer Tiefe von mindestens 0,13 mm.

Die Geschwindigkeit, mit der die Schrotkugeln auf der Ober­ fläche des Werkstücks auftreffen, hängt ab von der Höhe, aus der das Schrot fällt. Diese Höhe kann durch ein vertikales Verstellen des Gitters verändert werden. Die Anfangsge­ schwindigkeit am Gitter ist, wie erwähnt, gering und be­ trägt etwa 1 bis 3% der typischen Aufprallgeschwindigkeit. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen die Aufprallge­ schwindigkeiten im Bereich von 2,5 bis 12 m/s. Diese Ge­ schwindigkeiten sind gleichmäßig mit Schwankungen von höchstens ±4%. Obwohl die seitliche Komponente der An­ fangsgeschwindigkeit nötig ist, ist sie klein, nämlich in der Größenordnung von 0,1 m/s. Damit ist beim Auftreffen auf das Werkstück die seitliche Komponente der Geschwindig­ keit ein vernachlässigbar kleiner Bruchteil der senkrechten Komponente, und das Schrot bewegt sich in einem gleichmäßigen Strom. Dies bewirkt ein präzises Hämmern von Werkstücken, die Krümmungen, empfindliche Bereiche oder Zonen aufweisen, die eine besondere Sorgfalt erfordern um eine gleichmäßige Ober­ flächenbeschaffenheit und gleichmäßige Druckspannungen zu erzielen.

Eine Haltevorrichtung, die innerhalb des Gehäuses beweg­ bar angeordnet ist, bringt das Werkstück in eine solche Stellung, daß seine Oberfläche quer zum Schrotstrom liegt. Die Konstruktion des Werkstückhalters ermöglicht es, das Werkstück während des Schlichtens hin und her zu drehen. Ein solches Hin- und Herdrehen des Werkstücks erlaubt ein gleich­ mäßiges Behandeln von gekrümmten Werkstücken nach der Art von Turbinenschaufeln. Es ermöglicht ein gleichmäßiges Be­ handeln der gesamten Oberfläche. Wird das Hin- und Herdrehen dagegen weggelassen, kann der Auftreffwinkel des Schrots und die sich daraus ergebenden Druckspannungen ungleichmäßig sein. Im Vergleich zu Anordnungen, in denen das Werkstück einfach nur rotiert wird, vermeidet das Hin- und Herdrehen das Aufprallen von Schrot beispielsweise auf verhältnis­ mäßig empfindliche Kanten.

Bei einer besonderen erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Be­ handeln eines Werkstücks nach der Art einer Turbinenschaufel ist der Anstellwinkel des Werkstückhalters und damit der An­ stellwinkel der Achse des Werkstücks in bezug auf die Rich­ tung des Schrotstrahls veränderbar. Dadurch kann ein gleich­ mäßiges Behandeln von Werkstücken wie Turbinenschaufeln so­ gar in Bereichen erreicht werden, in denen sich Schultern oder ähnliches befinden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind daher drei Arten möglich, die Turbinenschaufel zu drehen: Schwingen um eine Achse, schrittweise Rotation um die gleiche Hauptachse und Neigen der Achse. Wenn ein Werkstück, wie z. B. eine Schaufel für eine Gasturbine, empfindliche Oberflächen hat und zwei Seiten, die gehämmert werden sollen, wird eine Ab­ lenkplatte benützt, die den Schrotstrom abfängt, bevor er das Werkstück trifft. Durch das Abfangen des Schrots ist es möglich, die Stellung des Werkstücks zu verändern, ohne daß das Werkstück von Schrotkugeln getroffen wird, die empfind­ liche Oberflächen zerstören könnten. Die Ablenkplatte läßt einen kontinuierlichen Schrotstrom durch das Gitter zu. Dadurch ist ohne weiteres ein fortlaufendes Hämmern möglich, wenn die Ablenkplatte wieder in ihre Ruhestellung gebracht wird.

Die Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine typische Turbinenschaufel, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung behandelt werden kann.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Vorrichtung und zeigt das Gehäuse und die Fördervorrichtung.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 2, teilweise im Schnitt.

Fig. 4 ist eine Teilansicht der Vorrichtung zum Hin- und Herbewegen des Werkstücks, das in Fig. 3 gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt ein Werkstück, das quer zum Schrotstrom inner­ halb des Gehäuses angeordnet ist; das Werkstück ist so positioniert, daß der Aufschlagwinkel C kleiner als 90 Grad ist.

Fig. 6 ist eine Seitenansicht eines Gitters im oberen Teil des Gehäuses; es ist gezeigt, wie das Schrot das Gitter, das eine einfache Lochplatte ist, verläßt.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen Teil des Gitters von Fig. 6.

Fig. 8 ist eine Seitenansicht ähnlich Fig. 6; es ist ein Gitter gezeigt, das aus mehreren Lochblechen besteht.

Fig. 9 ist eine Draufsicht auf einen Teil des Gitters von Fig. 8.

Fig. 10 zeigt einen oberen Gehäuseteil mit einer Einrich­ tung, die einen konstanten Zustrom von Schrot zum Gitter sicherstellt.

Fig. 11 zeigt den Zusammenhang zwischen Fallhöhe und Schrotkugelgeschwindigkeit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders geeignet zum Hämmern von Schaufeln mit Schrot, die in einem Kompressor von Gasturbinen verwendet werden. Eine solche typische Turbinenschaufel 18 ist in Fig. 1 gezeigt. Sie besteht aus einem Schaufelteil 20 und einem Schulterteil 22. Zwischen dem Schaufelteil 20 und der Oberseite 26 des Schulterteils 22 befindet sich ein Übergangsbereich 24. Der Schulterteil 22 läuft konisch zu, um eine Halterung in einem anderen Bauteil der Maschine zu ermöglichen. Man sieht, daß der Schaufelteil 20 eine gekrümmte Oberfläche und dünne Vorder- und Hinter­ kanten 19, 19′ hat. Die gegenüberliegenden Seiten des Schau­ felteils weisen üblicherweise Krümmungen geringen Unter­ schieds auf. Die Hauptachse 27 der Schaufel 18 ist gleichzeitig ihre Längsachse. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ober­ seite 26 des Schulterteils 22 gegenüber der hauptsächlichen Fläche der Schaufel 20 in einem Winkel von etwa 90 Grad steht. Damit die Maschine ohne Materialermüdung eine volle Leistung erreichen kann, müssen die Oberflächen der Teile 20 und 24 geschlichtet sein. Die erfindungsgemäße Vorrich­ tung ist dazu in der Lage.

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vor­ richtung und zeigt eine Turbinenschaufel 18, die in einem Gehäuse 28 angeordnet ist. Beim Betrieb der Vorrichtung fällt Stahlschrot 30, beispielsweise gehärtete Stahlkugeln eines Durchmessers von 1,8 mm, aus einer bestimmten Höhe entlang einer Fallinie 31 und trifft auf das Werkstück 18. Der Bo­ den 32 des Gehäuses 28 dient zum Auffangen des Schrots 30, nach­ dem es vom Werkstück 18 abgesprungen ist, und zum Fortlei­ ten des Schrots 30 zur Unterseite eines Kübelförderers 34, der das Schrot 30 wieder in den oberen Teil der Vorrichtung bringt. Eine Gleitbahn 36 am Ausgang des Kübelförderers 34 ist an eine obere Kammer 38 des Gehäuses 28 angeschlossen. In der oberen Kammer 38 befindet sich ein Gitter 40 in Form eines Lochbleches, durch das das Stahlschrot 30 fallen muß, um in das Gehäuse 28 zu gelangen. Die Aufgabe des Gitters 40 ist es, das Schrot 30 im wesentlichen auf die Geschwindigkeit Null zu bringen und es zu ermöglichen, daß das Schrot 30 mit einer verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeit abgegeben wird. Die Einzelheiten des Gitters 40 sind weiter unten beschrieben. Ein Rüttler 42 ist an der oberen Kammer 38 befestigt und hilft dem Schrot 30, das Gitter 40 zu passieren; im allgemeinen ist dies jedoch nicht nötig. Das Gitter 40 ist senkrecht über dem Werkstück 18 montiert und so dimensioniert, daß das Werkstück 18 von dem Schrotstrom, der das Gitter 40 ver­ läßt, gleichmäßig bedeckt wird. Es ist aber auch denkbar, das Werkstück 18 in seitlicher Richtung unter einem klei­ neren Gitter 40 hin- und herzubewegen. Das Gitter 40 ist in senkrechter Richtung verstellbar, so daß die Strecke des freien Falls zwischen der Unterseite des Gitters 40 und dem Werkstück 18 und damit die kinetische Energie des Schrots 30 beim Auftreffen auf das Werkstück 18 verändert wer­ den kann.

Im oberen Teil des Gehäuses 28 ist eine Ablenkplatte 44 angeordnet. Sie ist in einem Zapfen 45 drehbar, so daß sie in den Schrotstrom geschwenkt werden kann. Mit der Platte 44 kann so das Schrot 30 auf seinem Weg zum Werkstück 18 aufgefangen werden. Die Ablenkplatte 44 wird durch eine An­ triebsvorrichtung, beispielsweise einem Zylinder 46, dann bewegt, wenn sie gebraucht wird. Wenn die Ablenkplatte 44 wie angedeutet in ihrer Betriebsstellung ist, wird das Schrot 30 so, wie es ebenfalls angedeutet ist, abgelenkt. Statt der Linie 31 zum Werkstück zu folgen, bewegt sich das Schrot 30 auf einem Weg, der am Werkstück 18 vorbeiführt. Die Ablenkplatte 44 könnte selbstverständlich irgendeine andere Gestalt haben, und das Schrot 30 könnte zum Eingang des Kübel­ förderers 34 auf einem anderen Weg als durch das Gehäuse 28 geführt werden. Das Bewegen der Ablenkplatte 44 bewirkt nicht, daß das Schrot 30 auf dem Gitter 40 zurückgehalten wird. Dies wäre nur dann der Fall, wenn ein Schieber einfach die Öffnungen auf der Unterseite des Gitters verschließen wür­ de. Diese spezielle Ausbildung des Anmeldungsgegenstands ist nützlich, um eine Ansammlung von Schrot 30 auf der Einlaßseite des Gitters 40 oder unterhalb des Gitters 40 zu vermeiden, wenn das Hämmern eines Werkstücks 18 mit Schrot 30 unterbrochen wird. In den Fällen, in denen andere Methoden angewandt werden, hat das Schrot 30, das als erstes das Werkstück 18 er­ reicht, nicht die gleiche Energie und Geschwindigkeit wie das Schrot 30, das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihrem kontinuierlichen Verfahren auf das Werkstück 18 fällt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat jedes Schrotkorn, das das Werkstück 18 trifft, stets die gleiche durch das Gitter 40 vorgegebene Energie.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten der Vorrichtung. Das Werkstück 18 ist mit seiner Schulter 22 in einem Werkstückhalter 48 mit einer Welle 50 befestigt. Die Welle 50 ist in einem Lager 52 drehbar gehalten. Das Lager 52 ist an dem Arm 54 der Werk­ stückhaltevorrichtung befestigt. Der Arm 54 ist in Zapfen 58 mit Hilfe eines Zylinders 56 drehbar. Wie man sieht, ist der Winkel zwischen dem Schrotfluß und der Werkstückwelle 50 positiv oder negativ veränderbar, wenn der Arm 54 gedreht wird. Mit der Welle 50 ist auch die Hauptachse 27 des Werk­ stücks 18 verstellbar. In Fig. 5 ist das Werkstück 18 in einer Stellung gezeigt, die sich aus einer negativen Drehung um seine Längsachse ergibt. Aus Fig. 5 kann man entnehmen, daß dadurch der Auftreffwinkel C des Schrots 30 auf die Ober­ fläche der Turbinenschaufel 18 vermindert wird, während gleich­ zeitig der Auftreffwinkel auf die Schulter 22 erhöht wird. Auf­ treffwinkel sind per definitionem Winkel unter 90 Grad zwischen Werkstückoberfläche und Schrotstrahlrichtung. Wenn der Arm 54 geschwenkt wird, bewegt sich die Welle 50 in senkrechter Richtung. Um einen Austritt von Schrot 30 aus dem Gehäuse 28 zu vermeiden, ist eine gleitbare Platte 60 vorgesehen, die die Welle 50 umgibt und eine Öffnung 61 in der Wand des Gehäuses 28 bedeckt.

Der Auftreffwinkel des Schrots 30 auf das Werkstück 18 wird üblicherweise inner­ halb eines Bereichs von ±20 Grad verändert; in besonderen Fällen können jedoch auch größere Schwenkwinkel bis zu 45 Grad erwünscht sein.

Praktisch werden aber große Änderungen des Aufschlagwin­ kels nur dann gewünscht, wenn eine Fläche wie der Übergangs­ bereich 24 oder die Oberfläche 26 des Schulterteils 22 aus­ reichend gehämmert werden soll. Wird das Werkstück 18 stark geschwenkt, ergeben sich für die Fläche des Schaufeltei­ les 20 nur geringe Aufschlagwinkel und damit kein wirkungs­ volles Hämmern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist, wie Fig. 2 andeutet, für ein Drehen des Werkstücks 18 um seine Längsachse mit Hilfe der Welle 50 eingerichtet. Es sind zwei Arten Drehungen vorgesehen. Die erste Art ist eine schwingende Bewegung, die durch ein exzentrisches Antriebssystem bewirkt wird. Dieses Antriebssystem ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Die zweite Art ist eine Drehung in einer Richtung, die eine volle Drehung des Werkstücks 18 erlaubt. Man sieht, daß für die schwingende Bewegung ein Motor 62 einen exzentrischen Arm 64 antreibt, der seinerseits über den Zapfen 65 eine Verbin­ dungsstange 66 hin- und herbewegt. Die Verbindungsstange 66 verursacht eine schwingende Bewegung des Werkstücks 18 über einen Stift 69 und einen Kragen 68, der an der Welle 50 be­ festigt ist. Die Amplitude der schwingenden Bewegung des Werkstücks 18 kann verstellt werden durch die Änderung des Abstands der Stifte 65, 69 von ihrem jeweiligen Drehpunkt. Die zweite Art der Drehung der Welle 50 und des Werkstücks 18 wird bewerkstelligt durch die Verbindung der Welle 50 mit dem Kragen 68. Aus Fig. 4 ist zu ersehen, daß die Welle 50 in den Kragen 68 eingesteckt und mit Stellschrau­ ben 71 befestigt ist. Die Welle 50 ist mit zwei Sperr­ klinken 73, die sich um 180 Grad gegenüberliegen, versehen. Wenn die Stellschrauben 71 gelockert werden und die Welle 50 um 180 Grad gedreht wird, wird die gegenüberliegende andere Seite des Werkstücks 18 dem Schrotstrom ausgesetzt. Außer­ dem dreht der Motor 62 beim Betrieb der Vorrichtung das Werkstück 18 hin und her und setzt so die gesamte gekrümmte Oberfläche der Turbinenschaufel 18 dem Schrotstrom aus. Wenn dann die eine Seite des Werkstücks 18 genügend gehämmert ist, wird der Motor 62 angehalten, die Welle 50 und das mit ihr verbundene Werkstück 18 gedreht. Daraufhin wird die andere Seite des Werkstücks 18 gehämmert, wobei auch mit der schwingenden Bewegung fortgefahren werden kann. Selbstver­ ständlich kann die Mechanik der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung weiter verfeinert werden, um diese beiden Arten der Drehbewegung auszuführen.

Fig. 2 zeigt, um wieder auf das Gitter 40 zurückzukommen, eine einfache Platte mit Öffnungen, beispielsweise ein Lochblech mit runden oder rechteckigen Ausnehmungen. In den Fig. 6 und 7 ist ein Gitter 40 a dieser Art, das aus einem runden Lochblech 76 hergestellt ist, näher gezeigt. Die Öffnungen 78 müssen natürlich einen größeren Durchmesser aufweisen als die Schrotkugeln. Für Schrot 30 mit Kugeln von 1,8 mm Durchmesser wurden Lochbleche benutzt, die runde Öffnungen 78 von etwa 6 mm hatten, wobei die Mittelpunkte der Löcher 78 einen Abstand von etwa 7,5-9,0 mm hatten. Das Lochblech wies damit eine offene Fläche von 59% der Ge­ samtfläche auf. Brauchbar erwies sich auch ein anderes Lochblech mit Löchern 78 von 3,9 mm lichter Weite, einem Mittel­ punktsabstand von 4, 7 mm und 62% offener Fläche.

Wenn nur eine einzige Platte benützt wird und der Fluß der Schrotkugeln, die vom Kübelförderer 34 geliefert werden, kleiner ist als der Schrotstrom durch das Gitter 40, gelingt es einigen Schrotkugeln, direkt durch die Löcher 78 zu fallen, ohne erst das Lochblech 40a zu berühren. Das bedeutet, daß diese einzelnen Schrotkugeln das Gitter 40 mit einer höheren Anfangsgeschwindigkeit verlassen. Dies ist aber un­ erwünscht, weil dadurch die Aufschlagenergie des Schrots 30 auf dem Werkstück 18 schwankt. Es besteht eine Abhängigkeit der Oberflächenbe­ handlung und der Oberflächenspannungen von der Masse des Schrots 30 und seiner Geschwindigkeit. Die Vorausbestimmbar­ keit von Sättigungszeiten ist wichtig für die Gleichmäßig­ keit bei der Herstellung; die Sättigungszeit für irgendwelche gegebenen Werte von Schrotmasse und Schrotgeschwindigkeit ist aber abhängig vom Massenfluß. Deshalb muß das Gitter 40 einen gleichmäßigen Massefluß garantieren.

Deshalb verlangsamt das Gitter 40 der erfindungsgemäßen Vor­ richtung das gesamte Schrot 30, das durch das Gitter 40 fließt, und versieht es mit einer niedrigen und verhältnismäßig gleichmäßigen Geschwindigkeit am Gitterausgang. Ein Weg, dies zu erreichen, wenn der Schrotfluß auf ein einziges Gitter 40 oder eine einzige Platte den Durchfluß des Schrots 30 durch das Gitter 40 oder die Platte übersteigt, ist, einen Über­ lauf vorzusehen. Dies ist in Fig. 10 gezeigt. Dadurch wird eine konstante Füllhöhe H über der Lochplatte 40a erreicht. Für die obenerwähnten Schrotkugelgrößen ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wichtig, daß der Schrotzu­ lauf eine Füllhöhe von wenigstens 10 cm einhält. Versuche haben gezeigt, daß die Durchflußgeschwindigkeit von Schrot­ kugeln mit 1,8 mm Durchmesser durch eine einzelne Lochplatte 40a, beispielsweise die oben angegebene Lochplatte 40a mit den 6-mm-Öffnungen, stark ansteigt, wenn der Zulauf unter be­ stimmte untere Werte sinkt. Offensichtlich nimmt dabei die Packungsdichte des Schrots 30 ab und damit der Widerstand gegen die Bewegungsfähigkeit, die bei größerer Füllhöhe bewirkt werden. Für größere Füllhöhen des Zulaufs, nämlich im Be­ reich zwischen 10 und 30 cm, ergaben sich in der hier be­ schriebenen Anordnung keine Auswirkungen auf den Schrot­ fluß.

Eine andere Möglichkeit, die gewünschte Anfangsgeschwindig­ keit zu erhalten, ist das Einbauen von Gittern in Form eines Labyrinths oder in Form von Stufen. Dies ist in den Fig. 8 und 9 gezeigt. Das Gitter 40b weist eine Reihe von fünf voneinander in einem Abstand und gegeneinander versetzt angeordnete Lochplatten 80 bis 84 auf. Die Größe der Löcher 85 in den Lochplatten 80, 81, 82, 83, 84 kann entsprechend der Schrotkorngröße gewählt werden. Zu Schrotkörnern von 1,8 mm Durchmesser passen Löcher mit 12 mm Durchmesser. Die Lochmitten haben einen Abstand von 15 bis 22 mm, die Platte hat eine offene Fläche von 36% der Gesamtfläche. Die Platten 80, 81, 82, 83, 84 sind 1,5 mm dick und sind in einem Abstand T von etwa 6 mm angeordnet. Die Versetzung A beträgt etwa 4 mm. Die Gesamtdicke des Gitters 40b über alles beträgt etwa 32 mm. Der Wert der Ver­ setzung A kann in Größe und Richtung von dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel abweichen, aber er muß sicher­ stellen, daß das Schrot 30 nicht direkt durch das Gitter 40b fal­ len kann, sondern einem verschlungenen Zick-Zack-Kurs folgt. Auch die Zahl der Lochplatten, ihr genauer Anstand und ihre Dimensionierung kann, wenn diese Forderung erfüllt wird, etwas geändert werden. Für das vorliegende Ausführungs­ beispiel wurden Lochplatten mit runden Öffnungen vorge­ schlagen; selbstverständlich können jedoch auch andere Arten von Lochplatten mit Öffnungen, die eine vom Ausführungsbei­ spiel verschiedene Gestalt aufweisen, zum Realisieren der Erfindung verwendet werden.

Ein stufenförmiges Gitter ist ziemlich unempfindlich in bezug auf die Füllhöhe auf der ersten obersten Platte. Trotzdem sollte die Füllhöhe etwa Null sein. Dies wird dadurch erreicht, daß die Förderkapazität des Kübelförderers 34 kleiner als der maximal mögliche Fluß durch das Gitter 40b ge­ halten wird. Aus der Zeichnung ist klar ersichtlich, daß das Schrot 30 ein Stufengitter 40b nicht auf einem direkten Weg passieren kann. Die Schrotkörner müssen mindestens auf eine der drei letzten Platten treffen, dadurch wird die senk­ rechte Komponente ihrer Bewegung zu Null gemacht. Anderer­ seits ist es aber auch klar, daß die Schrotkugeln, die auf und durch die letzte Platte fallen, notwendigerweise eine seitliche Geschwindigkeitskomponente haben. Man beobachtet sogar bei einer einzelnen Lochplatte, daß das Schrot 30 eine seitliche Geschwindigkeitskomponente beim Verlassen des Gitters 40b hat, da das Schrot 30 sich ja über die geschlossenen Flächen der Platte in die Löcher hinein seitlich fort­ bewegen muß. Das Auftreten einer kleinen seitlichen Ge­ schwindigkeitskomponente im Schrot 30 ist allerdings unbe­ deutend. Wenn ein gleichförmiger Schrotstrom vorgesehen­ wird, muß das Werkstück 18 im Schrotstrom nicht seitlich ver­ setzt werden, um eine gleichmäßige Bestrahlung zu er­ reichen, im Gegensatz zu einer solchen Notwendigkeit bei Verfahren, bei denen Reihen von Trichtern verwendet werden oder bei denen der Schrotstrom kleiner als das Werkstück ist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Werkstückbereich etwa 0,15 m mal 1,5 m groß und umfaßt zwanzig nebeneinanderliegende Schaufeln 18, wie eine in Fig. 3 gezeigt ist. Innerhalb einer solchen Werkstückzone wird ein gleichförmiger Schrotstrom benötigt, und dies wird durch ein Gitter bewirkt, dessen Fläche gleich groß wie die Fläche der Werkstückzone ist.

Berechnungen und Beobachtungen zeigten, daß die Anfangs­ geschwindigkeit des Schrots 30 im Bereich 0,22 bis 0,53 m/s schwankt, gemessen an der Stelle, wo der Schrotkornmittel­ punkt die untere Ebene des Gitters 40b passiert. Eine genaue Beobachtung zeigt, daß Schrot 30 mit 1,8 mm Durchmesser, das verschiedene Öffnungen der Lochplatte mit 6-mm-Öffnungen verläßt, sich etwa 0,125 m unterhalb der Platte vermischt. Dies ist in Fig. 6 skizziert. Daraus ergibt sich eine seit­ liche Geschwindigkeitskomponente von etwa 0,08 m/s. Die an­ fängliche seitliche Geschwindigkeit ist etwa 15 bis 35% der anfänglichen senkrechten Geschwindigkeit. Wenn aber die seitliche Geschwindigkeit auf die Endgeschwindigkeit, also die Aufprallgeschwindigkeit, in der Größenordnung von 2,4 bis 7,8 m/s bezogen wird, beträgt die seitliche Ge­ schwindigkeitskomponente, die sich theoretisch nicht ändert, nur etwa 1 bis 3%. Dies bedeutet, daß sie vernachlässig­ bar ist und daß das Schrot 30 sich im wesentlichen entlang einer mittleren Fallinie bewegt.

Das Stahlschrot 30, das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung benützt wird, hat einen Durchmesser im Bereich 1,0 bis 2,5 mm. Überlegungen zu den Materialkosten und den Liefer­ möglichkeiten führten auf Schrot 30 mit einer tolerierten Abweichung von ±0,05 mm vom Nenndurchmesser. Die Partikel mit 1 bis 2,5 mm Durchmesser nehmen ein Volumen zwischen 0,52 und 8,2 × 10^-9 m³ ein und haben eine Masse zwischen 4 und 64 × 10^-3 g. Die Masse eines Schrotpartikels schwankt, je nach seinem Durchmesser, bis zu ±17% um die Nennmasse, ungeachtet der engen Durchmessertoleranz, von der oben ausgegangen wird. Der Fachmann sieht aber, daß die Massetoleranzen nichtsdestoweniger tatsächlich sehr eng sind.

Der typische Massenfluß bei der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung liegt in der Größenordnung von 80 bis 110 kg/s × m² in der Werkstückzone, und aus diesem Massenfluß ergibt sich eine Sättigungszeit in der Größenordnung von 60 bis 600 Sekunden, je nach der Intensität des Hämmerns mit Schrot, der Schrotgröße, usw.

Der Abstand zwischen dem Gitter und dem Werkstück, nämlich die Fallhöhe h, bestimmt die Geschwindigkeit v des Schrots entsprechend der bekannten Gleichung v² = 2 gh. Fig. 11 zeigt die Geschwindigkeit für verschiedene Höhen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Für eine gegebene Schlag­ intensität benötigt kleineres Schrot eine größere Höhe, da der Hämmergrad eine Funktion der kinetischen Energie des Schrots beim Aufschlagen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Oberflächenbehandeln wird von verhältnismäßig groben Schrot und von einer verhältnismäßig geringen Schlagintensität Gebrauch gemacht. Große Schrotkugeln bedeuten, daß das Gitter verhältnismäßig dicht über dem Werkstück angeordnet werden muß, wenn mäßig niedere Schlagintensitäten angewandt werden.

In beiden Fällen gibt es praktische Grenzen. Eine zu große Fallhöhe ist unpraktisch, wenn man die Abmessungen bedenkt. Fallhöhen über 3 bis 6 m dürften unpraktisch sein. Ein zu kleiner Abstand zwischen dem Gitter und dem Werkstück hat Schwankungen in der Schlagintensität zur Folge, und zwar wegen der unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten des Schrots und wegen Änderungen des wirksamen Abstands, die durch die Drehung des Werkstücks um seine Längsachse be­ gründet sind. Für eine Fallhöhe von 0,3 m und eine An­ fangsgeschwindigkeit des Schrots von 0,2 oder 0,5 m/s schwankt beispielsweise die Aufprallgeschwindigkeit um 2%, bei einer Fallhöhe von 0,6 m beträgt die Schwankung weniger als 1%.

Unter bezug auf Fig. 11 und unter Einrechnung der Schwan­ kungen der Anfangsgeschwindigkeit und der Änderungen der Höhe des Werkstücks sollte eine Fallhöhe h von weniger als 0,6 m nicht angewandt und Fallhöhen von weniger als 0,3 m ganz vermieden werden. Der Fallhöhenbereich von 0,3 bis 6 m ergibt Auftreffgeschwindigkeiten von 2,5 bis 12 m/s. Der bevorzugte Fallhöhenbereich von 0,6 bis 3 m bewirkt Aufschlaggeschwindigkeiten von etwa 3,5 bis 8 m/s. Die angegebenen Geschwindigkeitsbereiche sind entscheidend für gute Ergebnisse, wenn gleichzeitig gehämmert und geglättet werden soll.

Analog zu den Toleranzen der Schrotkörnung kann zugelas­ sen werden, daß die Aufprallgeschwindigkeit um etwa ±4% schwanken darf. (Die zweite Potenz der Geschwindigkeit, die proportional zur Energie beim Aufprall ist, wird dann ent­ sprechend um etwa ±16% schwanken.) Die Geschwindigkeit selbst ist natürlich unabhängig von der Schrotkörnung, sie wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich durch die Gittercharakteristiken und die Fallhöhe beeinflußt.

Mit den oben festgelegten Masse- und Geschwindigkeits­ toleranzen und -bereichen findet man, daß bei der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung für das Schrot Aufprallenergien im Be­ reich von 0,2 × 10^-10 bis 12 × 10^-4 J mit einer Toleranz von ±25% erreicht werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde teilweise schon in der bisherigen Beschreibung angegeben. Zusammenfassend kann das folgende gesagt werden. Ein Werk­ stück wird in die Werkstückzone (Werkstückhalterzone, de­ finiert als der Bereich, in dem sich das Werkstück mit dem Werkstückhalter bewegen darf und in dem es vom Schrot ge­ troffen wird) durch eine in der Zeichnung nicht gezeichnete Tür auf einer Seite des Gehäuses eingesetzt.

Das Werkstück wird so positioniert, daß der Auftreffwinkel des Schrots in dem Bereich liegt, den Versuche als zum Behandeln einer Oberfläche, beispielsweise der Oberseite 26 des Schulterbereichs 22, als angemessen erwie­ sen haben. Die Längsachse des Werkstücks kann während des Hämmerns gekippt werden, um den Auftreffwinkel zu verändern. In den meisten Fällen genügt jedoch bei einer Turbinen­ schaufel ein einziger fester Winkel im Bereich von 5 bis 15 Grad zum Hämmern des Schaufelteils und des Übergangsbe­ reichs.

Nach dem Einsetzen der Turbinenschaufel in das Gehäuse beginnt ihr Hin- und Herbewegen. Diese Bewegung liegt in der Größenordnung von 20 Schwingungen pro Minute bei einer Hämmerzeit von etwa 2 bis 3 Minuten pro Seite. Normalerweise wird eine Tur­ binenschaufel um einen Winkel von etwa ±20 Grad gedreht.

Daraufhin wird der Kübelförderer 34 gestartet und Schrot 30 in die obere Kammer des Gehäuses 28 transportiert. Das Schrot 30 bewegt sich daraufhin durch das Gitter 40a, 40b und fällt dann auf das Werkstück 18. Der Schrotstrom ist so groß, daß durch das Hämmern der gewünschte Sättigungsgrad in einer wirt­ schaftlich vertretbaren Zeit erreicht wird. Schrotstrom­ werte, die zu hoch sind, sollten vermieden werden, da "weiße Flecken" zu geringer Behandlung im mittleren Bereich des Werkstücks die Folge sein können. Solche weißen Flecken werden durch gegenseitige Beeinflussung einzelner Schrotkörner bei ihrem Versuch, von der Werkstückoberfläche wegzuspringen, verursacht.

Der Vorgang des Hämmerns wird so lange fortgesetzt, bis ein Versuch zeigt, daß das Werkstück 18 die gewünschte Oberflächen­ güte erreicht hat. Danach wird die Ablenkplatte 44 einge­ schwenkt, um den Schrotstrom zum Werkstück 18 zu stoppen, und das Werkstück 18 schnell um 180 Grad aus einer ursprünglichen Lage geschwenkt, um seine zweite Seite dem Schrotstrom aus­ setzen zu können. Der Schrotstrom wird während dieses Drehens deshalb abgelenkt, um ein unerwünschtes Aufschlagen von Schrot 30 auf die empfindlichen Kanten 19, 19′ der Tur­ binenschaufel 18 zu vermeiden. Sobald das Werkstück 18 umgedreht ist, wird die Ablenkplatte 44 wieder ausgeschwenkt, und der Schrotstrom beginnt wieder entlang der Hauptstrahlrichtung zu fließen. Selbstverständlich könnte man, statt eine Ab­ lenkplatte 44 zu benützen, den Kübelförderer 34 anhalten, auch dies würde den Schrotstrom stoppen. Die Ablenkplatte 44 jedoch garantiert eine schnellere und wirkungsvollere Verfahrens­ weise und verhindert, daß möglicherweise zufällig einige Schrotpartikel auf das Werkstück 18 fallen und es müglicherwei­ se zerstören. Die Ablenkplatte 44 kann anders als hier be­ schrieben gestaltet sein, sie könnte auch woanders ange­ ordnet sein, um ihre beschriebene Aufgabe zu erfüllen. Im Rahmen des Erfindungsgedankens liegt es auch, daß die Ablenkplatte das Gehäuse völlig abschließt, um den Schrot­ fluß zu stoppen. Dadurch wird allerdings Schrot 30 auf der Ablenkplatte unterhalb des Gitters angesammelt. Die Ab­ lenkplatte 44 muß dann langsam geöffnet werden, damit es dem angesammelten Schrot 30 ermöglicht wird, ohne das Werkstück 18 direkt zu berühren durch das Gehäuse 28 zu fallen, und um die Wiederaufnahme eines kontinuierlichen Schrotstroms zu er­ möglichen. Wenn dies erreicht ist, wird die Ablenkplatte 44 voll geöffnet.

Nach einer gewissen Zeit, die etwa der Bearbeitungszeit für die erste Seite des Werkstücks 18 entspricht, wird der Schrotfluß wieder mit Hilfe der Ablenkplatte 44 oder durch ein Anhalten des Förderers 34 unterbrochen. Das Werkstück 18 wird dann aus dem Werkstückhalter 48 entnommen, ein neues Werkstück 18 wird an seiner Stelle eingesetzt.

Aus dem bisher dargelegten kann man entnehmen, daß das Schrot 30 im wesentlichen entlang einer mittleren Fallinie 31 senkrecht fällt, abgesehen von einer kleinen seitlichen Komponente, die in ihrer Bedeutung immer mehr verschwindet, da die Fallgeschwindigkeit bei Annäherung an das Werkstück 18 immer mehr ansteigt. Daß die erfindungsgemäße Vorrichtung es möglich macht, daß das Schrot 30 mit im wesentlichen gleich­ förmiger Geschwindigkeit entlang einer geraden Fallinie 31 fällt, ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung. Dieser Umstand stellt berechenbare Energiewerte und, im Fall von Schrot­ kugeln gleicher Abmessungen, gleichförmige Energiewerte sicher.

Um ein gleichmäßig gutes Hämmern gemäß der Erfindung zu erreichen, muß die Vorrichtung so konstruiert sein, daß das Schrot 30 während des Bearbeitungsprozesses nicht beschädigt wird. Um dies zu erreichen, sollten die Innenseiten des Ge­ häuses 28 mit thermoplastischem Material überzogen sein, um die Stöße der Schrotkugeln abzufangen, insbesondere der­ jenigen, die am Werkstück 18 vorbeifliegen. Auch der Kübel­ förderer 34 und die anderen Mittel im Kreislauf des Schrots 30 sollten so ausgebildet sein, daß sie die Schrotkörner nicht beschädigen. Die Gleichmäßigkeit des Hämmerns mit Schrot 30 innerhalb der Vorrichtung kann überwacht werden durch ein geeignetes Meßinstrument, das die Intensität des Hämmerns, z. B. fortlaufend die Intensität eines Hämmervorgangs mit Schrot 30 an vielen Punkten innerhalb einer großen Hämmerzone eines Werkstücks 18, messen kann. Ein solches Gerät ist besonders nützlich in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Hämmern eines Werkstücks mit Schrot mit einem Gehäuse, in dem sich Schrot entlang einer Fallinie bewegt, einer Fördervorrichtung, die das Schrot zurück an seinen Ausgangspunkt fördert, und mit einem Werkstückhalter, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und das Werkstück in einer Werkstückzone im Schrotstrom hält, gekennzeichnet durch

• a) wenigstens eine waagerechte, senkrecht über der Werkstückzone angeordnete Lochplatte (40a) zum Ein­ fallenlassen des Schrots (30) unter der Einwirkung der Erdbe­ schleunigung aus einer Vielzahl von Öffnungen (78, 85) in der wenigstens einen Lochplatte (40a) in eine im Gehäuse gebildete Kammer, so daß das Schrot (30) mit einer kleinen seitlichen Geschwindigkeitskomponente aufgrund der Bewegung auf der oberen Fläche der Lochplatte (40a) aus den Öffnungen (78, 85) fällt und sich zu einem im wesentlichen gleichförmigen Schrot­ strom vermischt, der gleichmäßig auf das Werkstück (18) auf­ trifft, und
• b) durch ein Antriebssystem (62, 64, 65, 66) für den Werk­ stückhalter (48) zum Hin- und Herdrehen des Werkstücks (18) um dessen Längsachse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückhalter (48) und das an ihm befestigte Werkstück (18) zur Veränderung des Winkels zwischen der Fallinie (31) des Schrots (30) und der Längsachse des Werkstücks (18) verschwenk­ bar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (40a) höhenverstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des Werkstücks (18) vor dem fallenden Schrot (30) ohne Unterbrechung des Schrotflusses durch das Lochblech (40a) ein Ablenkblech (44) zum Ablenken des Schrotstroms aus seiner Fallinie (31) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lochplatten (80, 81, 82, 83, 84) vorhanden sind, die jeweils in einem Abstand voneinander angeordnet sind und deren Löcher (78, 85) gegeneinander ver­ setzt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (40a) zum Durchlaß von Schrotkugeln mit einem Durchmesser von 1 bis 2,5 mm ausgebil­ det ist und ein Überlauf (90) zum Konstanthalten der Füllhöhe des Schrots (30) in einem Bereich von 10 bis 30 cm vorgesehen ist.