DE4436530C2 - Verfahren zum Geraderichten eines aus Metall hergestellten stabförmigen Gegenstands - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Geraderichten eines aus Metall hergestellten stabförmigen Gegenstands, insbesondere einer Welle, der bzw. die mindestens einen ungeraden Bereich aufweist.

Stabförmige Gebilde, insbesondere Wellen sind nur unter besonderen Vorkehrungen in eine eng tolerierte gerade Form zu bringen:

• - Das Material wird durch eine Warmbehandlung spannungsarm geglüht.
• - Die spanabhebende Bearbeitung geschieht schonend mit feiner werdenden Zustellungen.
• - Die gewichtsbedingte Durchbiegung einer Welle auf der Bearbeitungsmaschine wird durch stützende Lünetten ausgeglichen.

Trotzdem gelingt es nicht immer, die vorgeschriebenen Toleranzen einzuhalten. So ist es nötig, auch nach der Fertigbearbeitung noch Korrekturen an der Geradheit des Gegenstandes vornehmen zu können. Dies geschieht üblicherweise durch ein gezieltes Biegen auf der Richtbank oder - falls für den Gegenstand eine Beschichtung vorgesehen ist - durch eine Korrektur im Rahmen einer ausgleichenden Schichtdicke.

Beide Methoden sind in ihrer Anwendbarkeit begrenzt - bei nukleartechnischen Anwendungen scheidet erstere aus, bei unbeschichteten Bauteilen letztere.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wenig aufwendiges Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe eine aus Metall bestehende, fertig bearbeitete, verkrümmte Stange, Achse oder Welle zu richten ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine an der Oberfläche gelegene Randschicht des ungeraden Bereichs, insbesondere durch Walzen, verfestigt wird, worauf an dem durch Messen ermittelten Hochpunkt des ungeraden Bereichs in der verfestigten Randschicht eine Kompensationsnut eingearbeitet wird.

Dabei kann die verfestigte Randschicht die gesamte Oberfläche des stab- bzw. stangenförmigen Gegenstands umfassen. Zur Erreichung der angestrebten Wirkung genügt es aber auch schon, wenn diese Randschicht nur im Nahbereich der beabsichtigten Kompensationsnut vorhanden ist, d. h. wenn sie den Nutrand allseitig z. B. in einem Abstand von 1/2 L (L = Nutlänge) umschließt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar bei metallischen Gegenständen beliebigen Querschnitts. Mit seiner Hilfe können also nicht nur kreiszylindrische Wellen oder Achsen, sondern auch Gegenstände gerichtet werden, die im Querschnitt die Form eines Polygons besitzen. Dabei können die Ecken eines solchen Polygons kantig oder abgerundet ausgebildet sein.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, daß durch das Verfestigen der Oberfläche im Bereich der Stellen, die geradegerichtet werden sollen, Druckspannungen entstehen. Durch das Fräsen einer Kompensationsnut wird nun ein Teil der Randschicht aus der Wellenoberfläche herausgetrennt. Der geschaffene Durchbruch in der Randschicht verursacht eine bleibende Verformung der Welle, und zwar so, als hätte der Nutrand eine zusammenziehende Wirkung. Eine analoge Wirkung könnte man z. B. dadurch erzielen, daß die Welle im Bereich der Nut lokal gekühlt wird. Diese Wirkung wäre jedoch von vorübergehender Natur. Im Gegensatz dazu wird durch die gefräste Nut eine dauerhafte Formänderung erreicht.

Das Verfestigen der Randschicht muß nicht durch Walzen erfolgen. Ebenso kann ein anderes Verfahren, wie z. B. Hämmern oder Glasperlenstrahlen, für diesen Zweck genutzt werden.

Die durch das Verfestigen erfolgte Glättung der Wellenoberfläche und die unter dieser Oberfläche entstehenden Druckeigenspannungen haben die positive Nebenwirkung, daß die Schwingfestigkeit der Welle verstärkt wird.

Andererseits bedeutet das Fräsen einer Nut nach DIN 6885, daß der Querschnitt der Welle lokal geschwächt wird und daß im Nutgrund eine Kerbwirkung entsteht. Um diese negativen Wirkungen zu minimieren, wird in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Nut angelegt, die anders geformt ist als die genormte Paßfedernut:

• - Um die volle Wirkung der Kompensation zu erreichen, ist es bereits ausreichend, wenn die Kompensationsnut 3 mm tief ist (Patentanspruch 2). Beim weiteren Vergrößern der Nuttiefe wird die Kompensationswirkung nicht mehr verstärkt.
• - Um die Kerbwirkung im Nutgrund zu minimieren, sind die Kanten des Grundes der Kompensationsnut vorteilhafterweise gerundet (Patentanspruch 3). Dies ergibt sich, wenn zum Fräsen der Kompensationsnut beispielsweise ein Fingerfräser mit gerundeten Ecken verwendet wird.

Selbstverständlich kann die Nut an denjenigen Stellen der Welle, wo Paßfederverbindungen vorgesehen sind, in der standardisierten Form ausgeführt werden, indem sowohl Kerbwirkung als auch Schwächung des Wellenquerschnitts in Kauf genommen werden.

Je nachdem wie es in der Konstruktion vorgesehen ist, kann die Paßfedernut in einem Bereich der Welle liegen, der vorher verfestigt worden ist. In einem solchen Fall entsteht ebenfalls zwangsläufig der beschriebene Wellenknick. Dieser kann jedoch durch eine Kompensationsnut gleicher Länge und Breite, die auf der gegenüberliegenden Seite der Welle liegt und die eine auf 3 mm reduzierte Tiefe besitzt, voll rückgängig gemacht werden.

Vorteilhafterweise erfolgt das Einarbeiten der Kompensationsnut in mehreren Schritten durch Fräsen, wobei die Nut zunächst noch nicht ihre endgültige Länge und Breite erhält und dann - nach Feststellen ihrer Wirkung - entsprechend vergrößert wird (Patentanspruch 4).

Die optimale Breite der Nut richtet sich nach dem gegebenen Wellendurchmesser. So sollte - für den Fall, daß der stabförmige Gegenstand eine Welle ist - die Länge (L) und Breite (B) der Kompensationsnut etwa folgende auf den Durchmesser (D) der Welle bezogene Werte aufweisen:

B = 0,25 D;

0,5 D < L < 0,75 D (Patentanspruch 5).

Wenn bei starken Verkrümmungen diese Grenzmaße keine ausreichende Kompensationswirkung ergeben, ist es möglich, - statt einer Nut - mehrere Kompensationsnuten vorzusehen, wobei diese in einem der Breite (B) entsprechenden Abstand hintereinander angeordnet sind (Patentanspruch 6).

Anhand verschiedener in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Maschinenwelle, deren Oberfläche in einem in der Mitte gelegenen Bereich festgewalzt wurde,

Fig. 2 die Welle der Fig. 1, welche mit einer im festgewalzten Bereich angeordneten Nut versehen wurde,

Fig. 3 eine mit mehreren hintereinander angeordneten Kompensationsnuten versehene Maschinenwelle, und

Fig. 4 eine S-förmig gekrümmte Welle, die durch mehrere entfernt voneinander gelegene Kompensationsnuten zu richten ist.

Die Darstellung der verschiedenen Wellenknicke wurde der Deutlichkeit wegen stark übertrieben. Ebenso wurde zur Verdeutlichung der durch ein Verfestigen und eine Kompensationsnut zu erzielenden Knickwirkung bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel von einer geraden Welle ausgegangen.

Die Welle 1 der Fig. 1 und 2 ist in ihrem mittleren Teil mit einem in der Zeichnung durch ein Gitternetz gekennzeichneten festgewalzten Bereich 2 versehen. In diesem Bereich 2 soll sich eine durch eine Messung ermittelte Wellenkrümmung befinden.

Um eine optimale Kompensationswirkung zu erzielen, muß der Verlauf der Wellenachse 3 zunächst mit einer üblichen Rundlaufmessung erfaßt werden, bei der der hohe Punkt bzw. Hochpunkt der Welle 1 nach Winkellage und Längslage ermittelt wird. Genau auf diesen hohen Punkt oder so nah wie möglich wird eine Kompensationsnut 4 gelegt. An dieser Stelle entsteht beim Fräsen der 3 mm tiefen Nut 4 dann der kompensierende Wellenknick, der die Welle 1 von der Kompensationsnut 4 wegkrümmt - siehe Fig. 2. Die kompensierende Wirkung drückt sich im Bogenmaß des Knickwinkels α aus. Es hat sich gezeigt, daß dieses Maß proportional dem Produkt aus Länge und Breite der Nut ist.

In der Praxis wird man sich iterativ an die gewünschte Form der Welle 1 herantasten d. h. zunächst wird eine Nut geringer Länge und Breite gefräst, anschließend die Wirkung gemessen und darauf aufbauend die notwendige Vergrößerung der Nut aus der Proportionalität (siehe oben) berechnet. Bei weiteren Iterationsschritten, bei denen die Nut vergrößert und gegebenenfalls weitere Kompensationsnuten gefräst werden, entsteht dann die gewünschte (gerade) Form der Wellenachse 3.

Die Fig. 3 zeigt eine mit mehreren hintereinander angeordneten Kompensationsnuten 4 versehene Welle 5. Die mit den in der Zeichnung angegebenen Maßen auszuführende Lösung ermöglicht eine Kompensation stärkerer Verkrümmungen.

In der Fig. 4 ist dargestellt, daß auch eine S-förmig gekrümmte Welle 6 mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens geradegerichtet werden kann. Voraussetzung ist, daß die Kompensationsnuten 4 an den verschiedenen Hochpunkten der Welle 6 angeordnet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Geraderichten eines aus Metall hergestellten stabförmigen Gegenstands, insbesondere einer Welle, der bzw. die mindestens einen ungeraden Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine an der Oberfläche gelegene Randschicht des ungeraden Bereichs (2), insbesondere durch Walzen, verfestigt wird, worauf an dem durch Messen ermittelten Hochpunkt des ungeraden Bereichs in der verfestigten Randschicht eine Kompensationsnut (4) eingearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsnut (4) 3 mm tief ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten des Grundes der Kompensationsnut (4) gerundet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einarbeiten der Kompensationsnut (4) in mehreren Schritten durch Fräsen erfolgt, wobei die Nut zunächst noch nicht ihre endgültige Länge und Breite erhält und dann - nach Feststellen ihrer Wirkung - entsprechend vergrößert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß - für den Fall, daß der stabförmige Gegenstand eine Welle (1; 5; 6) ist - die Länge (L) und Breite (B) der Kompensationsnut (4) etwa folgende auf den Durchmesser (D) der Welle bezogene Werte aufweisen: B = 0,25 D;0,5 D < L < 0,75 D.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß - statt einer - mehrere Kompensationsnuten (4) vorgesehen sind, wobei diese in einem der Breite (B) entsprechenden Abstand hintereinander angeordnet sind.