-
Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veredelung (Kalthärten durch
Hämmern)
von Metallteiloberflächen,
wie z.B. für
Zahnräder,
Federn und Formen, und eine Vorrichtung, bei der ein solches Verfahren
ausgeführt
wird. Spezieller betrifft sie ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metallteil
und die Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, das besonders
für die
Bearbeitungsindustrie geeignet ist, wo Kugelstrahlen typischerweise
verwendet wird, um Metallteiloberflächen zu verbessern (z.B., um
Druckrestspannungen zu bilden, eine Ermüdungsfestigkeit zu verbessern,
das Werkstück
zu härten),
und zum Gebrauch in Gebieten, wo Teile gereinigt werden müssen.
-
Herkömmlicherweise
ist Kugelstrahlen verwendet worden, um die verschiedensten Metallteiloberflächen zu
verbessern, um Druckrestspannungen zu bilden, eine Ermüdungsfestigkeit
zu verbessern, das Werkstück
zu härten
usw..
-
Die
JP 07-328857 A offenbart eine konische Strahlabdeckung mit einem
Ausblasloch auf dem äußersten
Ende eines Düsenkörpers. Niedrigdruckumgebungswasser
wird durch ein System eingeführt, das
von einer Hochdruckwasserversorgung gesondert ist. Wenn das Hochdruckwasser
von dem Ausblasloch in das Umgebungswasser gerichtet wird, wird
ein Wasserstrahl, der eine heftige Kavitation hervorruft, erzeugt.
-
Erst
seit kurzem ist, um eine Spannungskorrosionsrissbildung zu behindern
und Materialien in kritischen Anwendungen, wie z.B. einen Kernreaktorbehälter, gegen
ein solches Rissbilden zu schützen, auch
eine Technik verfügbar,
um die Restspannungen auf der Oberfläche eines Werkstücks unter
Verwendung von Kavitation zu unterdrücken, die durch Einspritzen
von Wasser in Wasser über
eine Düse, die
zwei oder mehr Verengungen enthält,
erzeugt wird.
-
Diese
Technik, um Metallteiloberflächen
zu verbessern, ist jedoch offenbart worden, als ob sie die Kavitationskollabierschlagkraft
verwenden würde.
Nichtsdestoweniger ist sie praktisch verwendet worden, obwohl sie
mit einem "allgemeinen
Wasserstrahl" vermengt
wurde, der einen "kavitierenden Strahl" aufweist, der in
die Luft eingespritzt wird.
-
Mit
anderen Worten, die Verwendung des "allgemeinen Wasserstrahls" hat angenommen,
dass das Oberflächenhämmerniveau
(eingeführter
Restspannungswert, verbessertes Ermüdungsfestigkeitsniveau, Oberflächenhärtegrad
usw.) vom Druck des eingespritzten Wassers abhängt. Bei einer solchen Annahme
wird eine kostspielige Hochdruckpumpe verwendet, um den Pumpenausstoßdruck zu
erhöhen.
Nichtsdestoweniger ist ein zufriedenstellendes Behandlungsvermögen unter
dem Gesichtspunkt einer Oberflächenbehandlung
unerreichbar geblieben. Weiter hat es einige andere einer Lösung harrende Probleme
gegeben. Die Faktoren, die eine Kavitationskollabierschlagkraft
im Oberflächenmodifikationsprozess
bestimmen können,
sind noch nicht ganz verstanden. Und weder die Kollabierschlagkraft
der Kavitationsblase noch die Oberflächenbehandlungswirkung des
Kavitationsstrahls sind wirkungsvoll verwendet worden.
-
Der
Erfinder der hierin spezifizierten Offenbarung hat deshalb Untersuchungen über die
Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase und über die Oberflächenmodifikationserscheinung
des kavitierenden Strahls fortgeführt. Als ein Ergebnis ist verifiziert
worden, dass die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase und die
Oberflächenmodifikationswirkung
des kavitierenden Strahls (wobei Restspannungen verbessert werden,
das Werkstück
gehärtet
und eine Ermüdungsfestigkeit
verbessert wird) nicht nur vom Druck des Druckwassers abhängen, sondern auch
vom Druck des Wassertanks, in dem das Werkstück platziert ist, dass für das Verhältnis von
Druckwasserdruck zum Wassertankdruck ein optimaler Wert vorhanden
ist, dass die Kavitationskollabierschlagkraft entsprechend der Temperatur
des Fluids zunimmt und abnimmt und dass die Kavitationskollabierschlagkraft
erhöht werden
könnte,
wenn die Bedingungen, die oben angegeben sind, erfüllt wurden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist auf Grundlage einer solchen Kenntnis,
die oben angegeben ist, gemacht worden.
-
Ein
Druckbeaufschlagungsabschnitt ist in einem Rohr gebildet, um einen
Kavitationstrahl einzuspritzen. Folglich stellt die vorliegende
Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalthärten durch Hämmern und
Reinigen der Oberflächen
von Metall- und anderen Teilen bereit, die es ermöglichen
würden,
dass die innere Oberfläche
des Rohres behandelt und gereinigt wird, während der Abschnitt entlang
der inneren Oberfläche
des Rohrs bewegt wird.
-
Und
die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das/die oben erwähnte Reinigungsverfahren
und -vorrichtung zu verwenden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen.
-
Von
einem ersten Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung
ein Oberflächenmodifikations-
und Reinigungsverfahren für
ein Metall- und anderes Teil bereit, bei dem das zu behandelnde
Teil, das ein rohrförmiges
Teil oder Leitung ist, eine Fluiddruckbeaufschlagungskammer aufweist,
die in dem Rohr oder der Leitung gebildet ist, um einen kavitierenden
Strahl in ein solches Druckfluid einzuspritzen und um die Kollabierschlagkraft
der Kavitationsblase zu erhöhen,
so dass die innere Oberfläche
des Rohrs gehärtet
und gereinigt werden kann, indem eine solche Schlagkraft verwendet
wird, um einen Hämmereffekt
auf die innere Oberfläche
des Rohrs anzuwenden.
-
Von
einem zweiten Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung
eine Oberflächenmodifikations-
und Reinigungsvorrichtung für
ein Metall- und anderes Teil bereit, die ausgerüstet ist: mit einem ersten
und zweiten Element, um eine Fluiddruckbeaufschlagungskammer in
einem Rohr oder einer Leitung zu bilden, mit einer Düse, um ein
Druckfluid zwischen dem ersten und zweiten Element einströmen zu lassen,
und mit einer Düse,
um einen kavitierenden Strahl in die Fluiddruckbeaufschlagungskammer einzuspritzen,
um die Oberfläche
des behandelten Teils zu härten
und zu reinigen, indem die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase
verwendet wird, um einen Hämmereffekt
auf die Oberfläche
des Teils anzuwenden.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
stellt eine Oberflächenmodifikations-
und Reinigungsvorrichtung für
ein Metall- und anderes Teil bereit, bei der entweder das erste
Element oder das zweite Element mit einer Fluiddruckreglereinrichtung
versehen ist, um den Fluiddruck in der Fluiddruckbeaufschlagungskammer
zu regeln.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur als Beispiel und mit Bezug auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben.
-
1 stellt
die Druckbeaufschlagungsdaten dar, die sich auf die vorliegende
Erfindung beziehen.
-
2 ist
eine Blockdarstellung der Oberflächenmodifikationsvorrichtung,
die mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu tun hat.
-
3 stellt
die Druckrestspannungen dar, die unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung von einer Behandlung eines Stahls entstanden sind.
-
4 stellt
die Druckrestspannungen dar, die unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung von einer Behandlung eines aufgekohlten Zahnradmaterials
entstanden sind.
-
5 gibt
ein Beispiel für
ein Werkstückhärten wieder.
-
1 stellt
die Druckbeaufschlagungsdaten dar. In der Figur stellt A den Fall
mit Druckbeaufschlagung und B ohne Druckbeaufschlagung dar, während X
für die
Tiefe steht, bei der Restspannungen verbessert werden können. Im
Vergleich mit dem Fall ohne Druckbeaufschlagung wird die Tiefe,
in der Druckrestspannungen die Oberfläche des Werkstücks durchdringen,
bei Druckbeaufschlagung zweimal bis 10mal oder mehr erhöht, während das
Behandlungszeiterfordernis um die Hälfte bis ein Zehntel verringert
wird. (Dieser Wert ist erzielbar, wenn der Strahl einen Ausstoßdruck von
20 MPa aufweist, wobei eine Düsenbohrung
zwischen 0,4 und 0,8 Millimetern liegt. Je größer die Düse und je größer der
Ausstoßdruck
ist, desto offensichtlich wirkungsvoller ist die Druckbeaufschlagung.)
-
Die
innere Oberfläche
einer Leitung, die in einem Rohr oder einem Element ausgebildet
ist, wird behandelt. Ein erstes Element (1tes Verschlussstück) und
ein zweites Element (2tes Verschlussstück) sind im Innern eines Rohrs
(Leitung) vorgesehen, um die Oberfläche der Leitung zwischen diesen zwei
Elementen zu behandeln.
-
In 2 ist 41 das
Rohr als ein Werkstück. Im
Innern dieses Rohrs 41 sind das erste Verschlussstück 42 und
das zweite Verschlussstück 43 mittels eines
Verbindungsstabs 44 in spezifizierten Abständen angeordnet.
-
Das
erste Verschlussstück 42 ist
auf der inneren Oberfläche
des Rohrs mit Flüssigkeit
hermetisch abgedichtet und so angeordnet, dass es frei verschiebbar
ist. Auf diesem ersten Verschlussstück 42 ist eine Fluidablassöffnung 45 gebildet
und mit einem Ventil 46 versehen, das die Öffnung blockieren
kann. Das Ventil 46 wird durch die Spannkraft einer Feder 47 oder
dergleichen gegen die Öffnung 45 gepresst, wie
veranschaulicht. Sobald der Fluiddruck im Innern ein spezifiziertes
Niveau überschritten
hat, wird das Hochdruckfluid durch die Öffnung 45 abgeführt. Was eine
Ventilbildung anbetrifft, so ist das Ventil einer anderen Form verwendbar,
insofern als sein Funktionieren gleich ist.
-
Das
zweite Verschlussstück 43 hält weiter ein
Rohr 48, um ein Druckfluid in die Rohrleitung einströmen zu lassen,
und ein Rohr 49, um ein Hochdruckfluid für einen
kavitierenden Strahl C einströmen
zu lassen. Und das zweite Verschlussstück 43 ist so angeordnet,
dass es in den umgebenden Teilen einen gering fügigen Spielraum 50 gegen
die innere Oberfläche
des Rohrs aufweist. Die Rohre 48 und 49 sind mit
Druck- und Durchflusssteuerventilen versehen, ähnlich zu den Ausführungsformen,
auf die oben Bezug genommen wird, so dass der Druckfluiddruck, der
von jedem Rohr geliefert wird, geregelt werden kann. In der Figur
ist 51 der Fleck, der auf der inneren Oberfläche am Rohr
haftet.
-
In
dieser Ausführungsform
sind das erste Verschlussstück 42 und
das zweite Verschlussstück 43,
die mittels eines Verbindungsstabs im Rohr gekoppelt sind, angeordnet,
wie veranschaulicht, um ein rohrinternes Druckbeaufschlagungsfluid
zwischen den Verschlussstücken 42 und 43 einströmen zu lassen.
Während
beide Verschlussstücke
bei einem spezifizierten Fluiddruck gehalten werden, lässt man
das Hochdruckfluid für
einen kavitierenden Strahl C einströmen, um das Innere des Rohrs
zu reinigen. Wenn der kavitierende Strahl auf das Rohr auf der inneren
Oberfläche
auftrifft, ist es möglich,
die Oberfläche
auf der inneren Oberfläche
des Rohrs zu behandeln. Bei dem Behandlungsprozess wird das Fluid
zwischen dem ersten Verschlussstück 42 und dem
zweiten Verschlussstück 43 zusammen
mit Flecken durch den Spalt 50 zwischen dem zweiten Verschlussstück 43 und
dem Rohr 41 abgeführt.
Somit lassen das erste Verschlussstück 42 und das zweite Verschlussstück 43 ihre
Positionen durch ein geeignetes Mittel langsam fortschreitend bewegen,
so dass das Rohr auf der ganzen inneren Oberfläche des Rohrs gereinigt und
oberflächenbehandelt
werden kann. Der Fluiddruck zwischen dem ersten Verschlussstück 42 und
dem zweiten Verschlussstück 43 kann
durch Öffnen
und Schließen
derjenigen Ventile gesteuert werden, die in jedem Verschlussstück vorgesehen
sind.
-
In
dieser Ausführungsform
sind außerdem das
erste und zweite Verschlussstück
mittels des Verbindungsstabs 44 gekoppelt. Nichtsdestoweniger kann
auch ein Verbindungsstrang oder dergleichen anstelle eines solchen
Verbindungsstabs verwendet werden. Unter einigen Umständen brauchen
das erste und zweite Verschlussstück nicht mittels eines Stabs
oder Strangs gekoppelt zu werden. In diesem Fall ist es notwendig,
ein erstes und zweites Verschlussstück im Innern des Rohrs durch
gewisse geeignete Befestigungsmittel zu befestigen, wie z.B. Reibungskraft
oder dergleichen, so dass sich jedes Verschlussstück aufgrund
der Wirkung des Hochdruckfluids während der Behandlung nicht über die innere
Oberfläche
des Rohrs bewegt.
-
3 stellt
die Druckrestspannungen dar, die von einer Behandlung mit Druckrestspannungen, die
in das in der vorliegenden Erfindung verwendete Werkzeug (Gesenkmaterial)
eingeführt
sind, entstanden sind. In 3 ist das
Material SKD61, der Düsendurchmesser
2 Millimeter und der Einspritzdruck 30 MPa. Bei Druckbeaufschlagung
des Innern des Rohrs (K in der Figur) kann eine verbessernde Behandlung
in 10 Minuten beendet sein. Ohne Druckbeaufschlagung des Innern
(J in der Figur) werden 150 Minuten benötigt, während Druckrestspannungen bei einem
Niveau von ungefähr
60% übrigbleiben.
-
4 gibt
die Druckrestspannungen wieder, die von einer Behandlung mit Druckrestspannungen entstanden
sind, die in das aufgekohlte Zahnradmaterial, das in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, eingeführt
sind. In 4 weist die Düse einen Durchmesser
von 2 Millimetern bei einem Einspritzdruck von 30 MPa und einem
Druckbeaufschlagungsdruck von 0,32 MPa auf.
-
5 stellt
ein Beispiel dar, das das Werkstückhärten bei
einem Düsendurchmesser
von 2 Millimetern, einem Einspritzdruck von 30 MPa und einem Behandlungsdruck
von 0,32 MPa vergleicht.
-
Es
ist möglich,
die innere Oberfläche
eines Rohrs mit einem Druckbeaufschlagungsabschnitt, der im Innern
des Rohrs gebildet ist, leicht zu behandeln und zu reinigen.
-
Durchflussmengensteuerventile,
Druckventile und dergleichen sind in entweder automatischen oder
manuellen Steuertypen erhältlich.
Für ein
Fluid sind entweder Wasser oder Öl
und dergleichen anwendbar. In der Ausführungsform, auf die oben Bezug
genommen wird, kann die Temperatur des Fluids übermäßig ansteigen, weil sich die
Motorleistung durch einen kavitierenden Strahl in Wärme umwandeln
kann, wenn er in das Innere des Rohrs einströmt. In diesem Fall wird der
Druck im Innern des Rohrs verwendet, um das Fluid abzukühlen, indem das
Fluid zu verschiedenen Kühleinrichtungen,
die allgemein bekannt sind, geschickt wird. Später ist es möglich, der
Pumpe nochmals das Fluid erneut zuzuführen. Wenn eine solche Technik
eines Einspeisens des Fluiddrucks im ersten Behälter zu einer anderen Kühleinrichtung
verwendet wird, ist es nicht notwendig, eine neue Pumpe bereitzustellen,
um das Fluid im Innern des Rohrs zur Kühleinrichtung zu schicken, so
dass das Fluid in Wirklichkeit leicht abgekühlt werden kann.
-
Um
den Kavitationsstrahl und das Druckbeaufschlagungsfluid in das Innere
des Rohrs einströmen
zu lassen, ist es möglich,
sowohl die Kavitationsstrahldüse
als auch die Druckbeaufschlagungswasserdüse in der Ausführungsform,
auf die oben Bezug genommen wird, benachbart anzuordnen. Zusätzlich kann
eine Kavitationsstrahldüse
in der Mitte des Rohrs angeordnet sein, und die Druckbeaufschlagungswasserausströmdüsen können so
angeordnet sein, dass sie die erstgenannte umgeben, so dass der
kavitierende Strahl auf das Werkstück auftreffen kann, als ob
er vom Druckbeaufschlagungswasser umgeben wäre.
-
Zusätzlich ist
es möglich,
die Positionsbeziehungen zwischen Kavitationsstrahldüse und Druckbeaufschlagungswasserausströmdüse zu einer
anderen Form, wie erforderlich, zu ändern. Es ist möglich, wie
es erforderlich sein mag, die Anordnung des Werkstücks auf
Grundlage seiner Form frei einzustellen.
-
Die
vorliegende Erfindung kann auch in beliebigen anderen Formen verkörpert werden,
ohne dass man von ihren prinzipiellen Merkmalen abweicht. In diesem
Sinn wird die Ausführungsform,
auf die oben Bezug genommen wird, zwecks Beispiel gegeben und darf
auf keinen Fall in irgendeinem einschränkenden Sinn interpretiert
werden.
-
Industrielle
Anwendbarkeit
-
Bei
der vorliegenden Erfindung, wie in Einzelheit oben beschrieben,
wird ein Hochdruckfluid aus einer Düse eingespritzt, um die Kavitation
um den Strahl zu erzeugen, um eine Kavitationsblase gegen das Werkstück stoßen zu lassen.
Als Folge wirkt die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase auf
das Werkstück,
wodurch die Oberflächenmodifikations- und
Reinigungswirkungen herbeigeführt
werden, wie z.B. Werkstückhärten, Restspannungsverbesserung, Ermüdungsfestigkeitsverbesserung
usw.. Bilden eines Druckbeaufschlagsabschnitts in einem Rohr oder
einer Leitung ermöglicht,
dass die innere Oberfläche
des Rohrs behandelt und gereinigt wird. Wenn das Einströmwasser
zur Druckbeaufschlagung des Rohrs gesondert von dem Kavitationsstrahldruckbeaufschlagungswasser
bereitgestellt wird, ist es auch möglich, die Ausrüstung mit
geringeren Kosten aufzubauen, ohne dass eine Tauchkolbenpumpe mit großem Durchfluss
benötigt
wird. Solche ausgezeichneten Wirkungen, wie die, auf die oben Bezug genommen
wird, könnten
durch die vorliegende Erfindung herbeigeführt werden.