DE60017681T2

DE60017681T2 - Verfahren zum Ultraschall-Kugelstahlen von grossformatigen ringförmigen Oberflächen von dünnwandigen Werkstücken

Info

Publication number: DE60017681T2
Application number: DE60017681T
Authority: DE
Inventors: Catherine Dominique Beatrice Duquenne; Veronique Christiane Raymonde Giffard; Gerard Michel Roland Gueldry; Claude Marcel Mons
Original assignee: SNECMA Moteurs SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 2000-11-16
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2020-11-17
Also published as: EP1101827B1; FR2801322A1; CA2325897A1; US6289705B1; WO2001036692A1; JP2001170866A; JP4267199B2; RU2210602C2; CA2325897C; DE60017681D1; EP1101827A1; FR2801322B1; ES2233310T3; UA66403C2

Description

Diese Erfindung betrifft ein sogenanntes „Ultraschall"-Kugelstrahl-Verfahren, bei dem ein Nebel von Mikrokügelchen im Inneren eines geschlossenen Raums unterhalten wird, und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Kugelstrahlen von grossformatigen, ringförmigen Oberflächen von dünnwandigen Werkstücken.
Es ist bekannt, die Oberfläche von Werkstücken aus Metall durch Spritzen mit Mikrokügelchen zu strahlen. Wenn die Mikrokügelchen auf die Oberfläche mit ausreichender kinetischer Energie in einem geringen Winkel zur Senkrechten auf dieser Oberfläche auftreffen, bewirken sie, dass die Oberfläche ständig in geringer Dicke unter Druck gesetzt wird. Dieses Unter-Druck-Sein wirkt dem Entstehen und Fortschreiten von Rissen auf der Oberfläche des Werkstücks entgegen und ermöglicht es dadurch, seine Festigkeit gegen Materialermüdung zu erhöhen. Die Mikrokügelchen sind üblicherweise Kugellager-Kügelchen. Sie bestehen gewöhnlich aus Keramik oder aus Stahl und haben einen Durchmesser von 0,2 mm bis 4 mm. Das Kugelstrahlen erfolgt im Inneren einer geschlossenen Kabine mittels Düsen, die gleichzeitig mit komprimiertem Gas und mit Mikrokügelchen gespeist werden, wobei das komprimierte Gas den Vortrieb der Mikrokügelchen gewährleistet.
In der Luftfahrttechnik werden dünnwandige und grossformatige Werkstücke hergestellt, deren Bearbeitung durch Kugelstrahlen einige Schwierigkeiten bereitet:

– die großflächigen Stücke machen große Kabinen erforderlich,
– Das Kugelstrahlen fällt oft nur leicht aus, um die dünnen Werkstücke nicht zu verformen. Diese können in der Tat Belastungen, die durch Druckbeanspruchungen bei starkem Kugelstrahlen verursacht werden, nicht standhalten, ohne sich zu verformen, da dieser Druck dann in die Tiefe unter der gestrahlten Oberfläche wirkt.
– Wenn das Werkstück dem Kugelstrahlen ausgesetzt wird, wird dabei ein Optimum durchlaufen, bei dem dieses Werkstück die beste Festigkeit erhält. Es ist jedoch schwer, ein solches Kugelstrahlen zu gewährleisten, da die Strahldüsen schwierig einzustellen sind und nicht stabil sind. Ein ungenügendes Kugelstrahlen ergibt also nicht die vorgesehene Festigkeit, doch kann auch noch durch ein ergänzendes Kugelstrahlen die optimale Wirkung erzielt werden. Ein zu starkes Kugelstrahlen hingegen verursacht eine irreparable Beschädigung der Oberfläche des Werkstücks mit verminderter Festigkeit.

Aus der Patentschrift FR 2 689 431 ist ein unzutreffend so genanntes „Ultraschall"-Kugelstrahl-Verfahren, das darin besteht, einen Mikrokügelchen-„Nebel" im Inneren eines geschlossenen Raums einzusetzen, wobei dieser Nebel mittels eines Vibrators unterhalten wird, der sich mit Frequenzen in der Größenordnung von 20 KH bewegt, wobei das Werkstück gegen die Öffnung des geschlossenen Raums gedrückt wird und das Kugelstrahlen durch das Auftreffen der Mikrokügelchen auf dem Werkstück gewährleistet wird, wobei der geschlossene Raum und das Werkstück dergestalt zueinander bewegt werden, dass der geschlossene Raum über die gesamte Oberfläche des zu strahlenden Werkstücks hinwegstreicht. In der Patentschrift wird auch gezeigt, wie runde Werkstücke wie z. B. Wellen kugelgestrahlt werden.
Der Begriff „Nebel" wird in Analogie zu den Nebeln verwendet, die von winzigen Wassertröpfchen gebildet werden. Bei dem Verfahren zum Ultraschall-Kugelstrahlen werden die Mikrokügelchen nämlich mit Geschwindigkeiten bewegt, die im Maße und in der Richtung regellos sind, so dass sie gegeneinander, gegen die Wände des geschlossenen Raums und gegen die Oberfläche des sich mit dem Mikrokügelchen-Nebel in Kontakt befindlichen Werkstücks prallen.
In diesem Patent werden Beispiele für massive Werkstücke angegeben, die geeignet sind, den sich aus dem Kugelstrahlen ergebenden Belastungen standzuhalten, ohne sich zu verformen. Mit diesem Verfahren könnten jedoch keine dünnen, runden Werkstücke kugelgestrahlt werden, da diese schon während des Strahlens sehr schnell beginnen, sich zu verformen. Selbst wenn die Oberfläche gleichmäßig gestrahlt wird, werden diese Verformungen am Ende des Strahlens nur teilweise resorbiert, da die Belastung durch die plastische und nicht lineare Verformung des Werkstoffs erfolgt. Außerdem erfordert das Verfahren, dass das Strahlen präzise aufhört, sobald das Werkstück eine Umdrehung vollführt hat, wenn man ein homogenes Strahlen erreichen will. Ein verspätetes Stoppen des Strahlens hat nämlich ein stellenweise zu starkes Strahlen in einem Überlappungsbereich zur Folge, während ein vorzeitiges Stoppen ein stellenweise fehlendes Strahlen zur Folge hat, das schwierig zu ergänzen ist, ohne direkt daneben ein zu starkes Strahlen zu verursachen.
Ein erstes zu lösendes Problem ist es, die dünnwandigen und runden Werkstücke, deren Abmessungen größer sind als die des geschlossenen Kugelstrahl-Raums, kugelzustrahlen, ohne sie zu verformen.
Ein zweites zu lösendes Problem ist es, ein homogenes Strahlen über die gesamte zu strahlende Oberfläche zu gewährleisten.
Diese Erfindung schlägt ein Verfahren zum Ultraschall-Kugelstrahlen von grossformatigen, ringförmigen Oberflächen an dünnwandigen Werkstücken vor, wobei dieses Verfahren darin besteht, die zu strahlende Oberfläche an der Öffnung eines geschlossenen Kugelstrahl-Raums vorbeizuführen, wobei dieser Raum einen Mikrokügelchen-„Nebel" einschließt, der im Inneren des geschlossenen Raums mittels eines Vibrators unterhalten wird, wobei diese Mikrokügelchen auf den vor der Öffnung befindlichen Abschnitt der zu strahlenden Oberfläche auftreffen, wobei dieses Auftreffen das Kugelstrahlen darstellen, wobei dieser geschlossene Raum und dieses Werkstück während des Strahlens in eine relative Drehbewegung versetzt werden, um die gesamte zu strahlende Oberfläche vor der Öffnung des geschlossenen Raums vorbeizuführen.
Ein solches Verfahren ist darin bemerkenswert, dass die zu strahlende Oberfläche während des Strahlens mindestens N = fünf Umdrehungen vor der Öffnung des geschlossenen Raums vollführt, und dass die zu strahlende Oberfläche mit einem Spiel, das kleiner ist als der Durchmesser der verwendeten Mikrokügelchen, vor der Öffnung positioniert wird.
Mit anderen Worten: Das Kugelstrahlen erfolgt in N Durchgängen vor der Öffnung des geschlossenen Raums, wobei bei jedem Durchgang ein Anteil beigetragen wird, der im Wesentlichen 1/N des gesamten auszuführenden Strahlens beträgt.
Ein solches Verfahren bewirkt eine verbesserte Homogenität des Strahlens über die gesamte zu strahlende Oberfläche bereits während der Durchführung des Strahlens. Es wurde festgestellt, dass durch diese Homogenität die Verformungen des Werkstücks während des Strahlens sowie die Restverformungen des Werkstücks nach ausgeführtem Strahlen geringer werden. Dieses Ergebnis könnte damit erklärt werden, dass die Belastungen, die während des Strahlens auf das Werkstück einwirken, über die gesamte gestrahlte Oberfläche im Wesentlichen gleichmäßig bleiben. Auf diese Weise wird das erste Problem gelöst.
Außerdem ist es nicht mehr erforderlich, das Kugelstrahlen präzise zu stoppen, wenn das Werkstück N Durchgänge vor dem geschlossenen Kugelstrahl-Raum vollzogen hat, denn das Zuviel oder Zuwenig an Strahlbehandlung, das sich aus dieser Nicht-Präzision ergibt, beträgt höchstens 1/N des gesamten Strahlens, so dass auch das zweite Problem gelöst ist.
Der Erfinder meint, dass das erzielte Ergebnis ab N = 5 Umdrehungen akzeptabel ist. Dieses Ergebnis wird natürlich bei einer größeren Anzahl von Umdrehungen noch besser, beispielsweise bei 20 oder 100 Umdrehungen. Es empfiehlt sich eine große Zahl N, wenn sehr dünnwandige Werkstücke gestrahlt werden sollen.
Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass es ein starkes Kugelstrahlen bis hin zum Optimum an dünnwandigen Werkstücken ermöglicht, ohne dass diese verformt werden, da die auf das Werkstück einwirkenden Belastungen während des gesamten Kugelstrahlens gleichmäßig bleiben.
Das Verfahren, das Gegenstand dieser Patentanmeldung ist, kann nicht mit dem Verfahren verwechselt werden, das in dem zitierten Patent beschrieben wird, und scheint uns auch nicht durch dieses Patent nahegelegt. Wenn auch in diesem Patent nicht explizit ausgedrückt ist, dass das Kugelstrahlen in einem einzigen Durchgang erfolgt, so ist das dort doch unterstellt.
Auf Seite 7, Zeile 20 wird die Formel Vi = Ai/To angegeben, wobei Vi die Geschwindigkeit des Verfahrens des geschlossenen Raums auf dem Werkstück ausdrückt, Ai die Größe der vibrierenden Oberfläche ausdrückt, die sich in der Ansicht von 1 im Wesentlichen mit der Größe des geschlossenen Raums deckt, und To die Zeitdauer, während der die Oberfläche dem Kugelstrahlen ausgesetzt ist, wobei diese Zeitdauer durch eine Formel auf Seite 7, Zeile 7 angegeben ist. Wäre das Kugelstrahlen in N Durchgängen ausgeführt worden, hätte es heißen müssen: Vi = N × Ai/To, damit jeder Teil der gestrahlten Oberfläche während der Zeitdauer To der Behandlung ausgesetzt wird. Also ist N = 1 die einzige Möglichkeit, dieses Patent zu verstehen.
Ferner wird auf Seite 7, Zeilen 24 bis 34 insbesondere gesagt, dass eine höhere Geschwindigkeit zu einem ungenügenden Kugelstrahlen führt, während eine geringere Geschwindigkeit zu einem „zu starken Kalthämmern" führt. Der Parameter der Geschwindigkeit Vi ist hier wichtig, da der gesamte Umkreis des Werkstücks präzise in einer einzigen Umdrehung oder mit einer sehr geringen Anzahl von Umdrehungen gestrahlt werden muss, um die Zeitdauer To einzuhalten, während der jeder Teil der Oberfläche dem Kugelstrahlen ausgesetzt werden muss. Bei der hier vorliegenden Erfindung hingegen ist dieser Parameter der Geschwindigkeit ohne Bedeutung, vorausgesetzt natürlich, dass er im Verhältnis zur Geschwindigkeit, mit der die Mikrokügelchen auf das Werkstück auftreffen, niedrig ist.
Die Erfindung und ihre Vorteile gehen deutlicher aus einer detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten einzigen Figur hervor, in der das Kugelstrahlen der Anlagefläche des Flanschs eines Antriebskegels für ein Luftfahrzeug-Turbotriebwerk dargestellt ist.
Es wird Bezug auf die einzige Figur genommen. Das Werkstück 1 ist ein Antriebskegel an einem Turbotriebwerk für Luftfahrzeuge. Das Werkstück 1 wird von einer dünnen Wand gebildet, die eine runde, um eine Geometrieachse 2 umlaufende Form aufweist. Das Werkstück 1 weist einen kegelstumpfförmigen Schaft 3 auf, dessen Ende mit größerem Durchmesser in radialer Richtung von einem Flansch 4 fortgesetzt wird, wobei dieser Flansch 4 seinerseits eine Anlagefläche 5 aufweist, die kugelgestrahlt werden soll, wobei diese Anlagefläche 5 ringförmig, eben und radial ausgeführt ist.
Es wird ein geschlossener Raum 10 verwendet, in dessen Inneren ein Nebel von Mikrokügelchen 11 unterhalten wird, wobei dieser geschlossene Raum seitlich von einer Wand 12 begrenzt wird und eine Öffnung 13 aufweist, deren Ränder die Bezugszahl 14 tragen. Ferner wird ein Vibrator 20 verwendet, der von einer Sonotrode 21 gebildet wird, die durch einen Schwingungsgenerator 22, gewöhnlich ein Quartz-Schwingungsgenerator, an einem ihrer Enden in ein Mitschwingen versetzt wird, wobei das andere Ende der Sonotrode 21 eine im Wesentlichen ebene vibrierende Oberfläche 23 aufweist, wobei diese vibrierende Oberfläche 23 auf dem Boden des geschlossenen Raums 10 und gegenüber der Öffnung 13 angeordnet ist. Der Schwingungsgenerator 22 versetzt die Sonotrode 21 in Längsschwingung. Die so angeregte vibrierende Oberfläche 23 überträgt Energie an die Mikrokügelchen, die von der zu strahlenden Oberfläche 5 gegenüber der Öffnung 13 und von den Wänden 12 des geschlossenen Raums 10 zurückprallen, wobei diese Mikrokügelchen ständig Energie verlieren, wobei diese Mikrokügelchen auch auf die vibrierende Oberfläche 23 gelangen, die ihnen erneut Energie überträgt. So bewegen sich die Mikrokügelchen im Inneren des geschlossenen Raums mit Geschwindigkeiten, die im Maße und in der Richtung regellos sind, wobei diese Mikrokügelchen so im Inneren des geschlossenen Raums 10 einen wahrhaftigen Mikrokügelchen-„Nebel" bilden.
Zum Kugelstrahlen der Oberfläche 5 wird:

– eine Dosis Mikrokügelchen in den geschlossenen Raum gefüllt,
– das Werkstück 1 dergestalt angeordnet, dass die zu strahlende Oberfläche 5 mit einem Spiel E zu den Rändern 14 der Öffnung 13 vor diese Öffnung 13 gebracht wird, wobei dieses Spiel E kleiner ist als der Durchmesser der Mikrokügelchen,
– das Werkstück 1 in Drehbewegung um seine Geometrieachse 2 versetzt,
– der Schwingungsgenerator 22 für eine zuvor bestimmte Zeitdauer T eingeschaltet, wobei diese Drehgeschwindigkeit einfach berechnet wird, damit das Werkstück während der Zeitdauer T mindestens N = 5 Umdrehungen vollführt,
– der Schwingungsgenerator 22 am Ende der Zeitdauer T ausgeschaltet und das Werkstück 1 entnommen.

Ein Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das Kugelstrahlen ohne Kontakt zwischen dem Werkstück 1 und dem Raum 10 erfolgt, so dass jegliche Beschädigung der Oberfläche des Werkstücks vermieden werden kann. Dennoch werden die Mikrokügelchen im Inneren des geschlossenen Raums 10 zurückgehalten, da das Spiel E kleiner ist als der Durchmesser dieser Mikrokügelchen.
Diese Anordnung bietet auch den Vorteil, dass keine Verschleißkufen auf dem geschlossenen Raum 10 verwendet werden müssen.
Die Gesamtzeitdauer T, während der das Werkstück dem Kugelstrahlen ausgesetzt ist, wird mit folgender Formel angegeben: T = To × Π × D/L
Wobei To die Zeitdauer, in der jedes Element der zu strahlenden Oberfläche 5 dem Kugelstrahlen ausgesetzt ist, ausdrückt, D den mittleren Durchmesser dieser Oberfläche 5 ausdrückt und L die Weite des geschlossenen Raums 10 tangential zur Verschiebung dieser Oberfläche 5 vor der Öffnung 13 gemessen ausdrückt, d h. im rechten Winkel zu der Ebene der einzigen Figur.
Wenn die zu strahlende Oberfläche 5 nicht eben ist, wird den Rändern 14 des geschlossenen Raums 10 eine komplementäre Form zu der dieser Oberfläche verliehen, um das Spiel E aufrecht zu erhalten.

Claims

Verfahren zum Ultraschall-Kugelstrahlen von grossformatigen, ringförmigen Oberflächen an dünnwandigen Werkstücken, wobei das Verfahren darin besteht, die zu strahlende Oberfläche (5) an der Öffnung (13) eines geschlossenen Raums (10) zum Kugelstrahlen vorbeizuführen, wobei diese Öffnung (13) Ränder (14) aufweist, wobei dieser Raum (10) einen Mikrokügelchen-„Nebel" (11) einschließt, der im Inneren des geschlossenen Raums (10) mittels eines Vibrators (20) unterhalten wird, wobei diese Mikrokügelchen auf den vor der Öffnung (13) befindlichen Abschnitt der zu strahlenden Oberfläche (5) auftreffen, wobei dieses Auftreffen das Kugelstrahlen darstellen, wobei dieser geschlossene Raum (10) und dieses Werkstück (1) während des Strahlens in eine relative Drehbewegung versetzt werden, um die gesamte zu strahlende Oberfläche vor der Öffnung (13) vorbeizuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die zu strahlende Oberfläche (5) mit einem Spiel E, das kleiner ist als der Durchmesser der verwendeten Mikrokügelchen, vor der Öffnung (13) positioniert wird und dass diese Oberfläche während des Strahlens mindestens N = fünf Umdrehungen vor der Öffnung (13) vollführt.