DE602005003382T2 - Verfahren zur Strahlverfestigung - Google Patents

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorspannungs-Kugelstrahlen bzw. Strahlverfestigung einer Wand einer Ausnehmung bzw. eines Hohlraums.
  • Berücksichtigter Stand der Technik
  • Das Vorspannungs-Kugelstrahlen ist eine Oberflächenbehandlung, welche es ermöglicht bzw. erlaubt, die mechanische Haltbarkeit bzw. Festigkeit von Stücken zu erhöhen, welche dynamischen Beanspruchungen unterworfen sind. Diese Erhöhung der Festigkeit wird durch das Setzen unter Druck der Oberfläche erhalten bzw. erreicht, was das Auftreten oder das Fortschreiten von Sprüngen bzw. Haarrissen vermeidet oder verzögert. Das Setzen unter Druck wird durch die Bombardierung bzw. den Beschuß der zu behandelnden Oberfläche beispielsweise durch den Schrot bzw. das Korn bzw. Strahlmittel oder harte Mikrokugeln provoziert, welche eine oberflächliche, plastische Deformation erzeugen, welche selbst die Erzeugung von Druck- bzw. Kompressionsspannungen in einer Unterschicht erzeugt.
  • Um diesen Beschuß zu realisieren bzw. auszubilden, wird das Strahlmittel aufgesaugt und in einem Luftstrom oder Gasstrom suspendiert, welcher mit großer Geschwindigkeit pulsiert, um seine kinetische Energie am Austritt einer Düse zu erhöhen, oder durch eine Turbine ausgestoßen, welches perfekt für die Behandlung einer Außenoberfläche geeignet ist, wobei der Auftreffwinkel des Strahls, welcher das Strahlmittel enthält, gewählt werden kann, um einen geeigneten Auftreffwinkel auf der zu behandelnden Oberfläche zu erhalten. Wenn es sich um das Kugelstrahlen einer Bohrung oder einer inneren Oberfläche eines hohlen Stücks, insbesondere mit großer Länge in bezug auf seinen Querschnitt handelt, verkompliziert sich das Problem, da man weder eine Turbine noch eine Gasdüse oder pulsierende Luft verwenden kann. Tatsächlich weist das Gas am Austritt der Düse einen im wesentlichen laminaren Fluß auf, das Strahlmittel bzw. das Kugelstrahlmittel in Suspension in diesem Fluß bzw. Strom durchquert den zu behandelnden Hohlraum, ohne korrekt auf seine Oberfläche aufzuschlagen, wobei die Strömungs- bzw. Flußlinien im wesentlichen parallel zu Erzeugenden der Wände dieses Hohlraums bleiben.
  • Um diesen Nachteil zu beheben, werden entweder Ablenkeinrichtungen, die am Ende der Ausstoßdüse angeordnet sind, die am Ende einer Lanze montiert bzw. angeordnet ist, welche in den zu behandelnden Hohlraum eindringt, oder bewegliche Prall- bzw. Auftreffplatten (d. h. Hindernisse mit geeigneter Form, welche auf der Flugbahn des Gases im Inneren des zu behandelnden Hohlraums angeordnet sind) verwendet, um das Strahlmittel zu den Wänden abzulenken. Diese Systeme weisen drei Hauptnachteile in bezug auf das Verfahren und die Herstellungskosten auf:
    • • In einer Bohrung mit reduziertem Durchmesser bilden sie eine Behinderung, welche, indem sie die Menge des Strahlmittels beschränkt, die Behandlungszeit erhöht (ungeachtet der Tatsache, daß unter einem bestimmten zu behandelnden Querschnitt es nicht mehr möglich ist, eine Lanze oder eine Auftreffplatte in den Hohlraum einzubringen, insbesondere wenn er lang oder gekrümmt ist).
    • • Die Ablenkung des Strahls verbraucht bzw. verschleißt die Lanze oder die Auftreffplatte (welche selbstver ständlich aus sehr harten und teuren Materialien realisiert sind), indem ein großer Teil der kinetischen Energie, welche zur Behandlung des Stücks bestimmt ist, absorbiert wird, was einen Überverbrauch an Energie nach sich zieht.
    • • Das Strahlmittel wird durch die Auftreffplatte oder die Ablenkeinrichtung verschlechtert, ebenso wie durch die zu behandelnde Oberfläche, was seine Lebensdauer verkürzt bzw. reduziert.
  • Diese unterschiedlichen existierenden Techniken können, abgesehen von ihren sehr hohen Kosten aufgrund des Verschleißes von Stücken und der Änderungszeiten des Werkzeugs, es nicht ermöglichen bzw. erlauben, in korrekter und homogener Weise Bohrungen mit großer Länge und/oder einem erhöhten Verhältnis von Länge/Breite zu bearbeiten.
  • Nun existieren zahlreiche Stücke mit im wesentlichen zylindrischem Innenquerschnitt, für welche das Vorspannungs-Kugelstrahlen eine wesentliche Verbesserung ihrer Widerstandsfähigkeit bringt, wenn sie wechselnden Spannungen unterworfen werden.
  • Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in dem Dokument GB 1236205 beschrieben.
  • Ziel der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine einfache und ökonomische Lösung für die gestellten Probleme durch den Einsatz von bereits bekannten Mitteln zu bringen bzw. zu ergeben. Sie besteht in einem Verfahren zum Vorspannungs-Kugelstrahlen gemäß Anspruch 1.
  • Das Austritts- bzw. Ausstoßende der Düse ist gegenüber und nahe dem Eintritt bzw. der Öffnung des zu behandelnden Hohlraums angeordnet. Aufgrund eines turbulenten Ausstoßes weisen die Strahlmittelteilchen vollständig ungeordnete bzw. zufällige Flugbahnen bzw. Trajektorien auf, von welchen der größte Teil in bezug auf die zu behandelnde Oberfläche auftreffen wird. Es gibt daher abgerissene Flugbahnen, welche perfekt auf diese Oberfläche auftreffen und das erhoffte Ergebnis erzeugen, d. h. das Setzen unter Druck über die gesamte Strömungsbahn bzw. -strecke.
  • Für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung umfaßt die Vorrichtung eine Strahlmitteldüse bekannter Art, welche durch ein Ausstoßansatzstück verlängert ist, dessen innere Form lokal den Durchtrittsquerschnitt des Gasstrahls, enthaltend das Kugelstrahlmittel in Suspension modifiziert. Am Austritt der Rohrleitung beim Eintreffen bzw. Ankommen der Mischung Gas/Strahlmittel in der Strahldüse erzeugen die Modifikationen der Geschwindigkeit und des Druckgradienten in der Zone des Ausstoßansatzstücks die Ablösung der Gasschichten und machen den Ausstoß turbulent, was es ermöglicht, das zuvor beschriebene Ergebnis zu erhalten. Diese Modifikationen der Querschnitte können kontinuierlich oder diskontinuierlich sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Düse umfaßt diese eine Eintrittsrohrleitung der Mischung, gefolgt von einem Ausstoßquerschnitt mit zunehmendem Querschnitt, was einer einfachen Ausführungsform entspricht und den Verschleiß beschränkt, wobei das Ausbilden einer Turbulenz progressiv unter einem Fortschreiten zu dem Auslaß stattfindet.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante ist die Eintrittsrohrleitung der Mischung zylindrisch und der Austrittsquerschnitt ist konisch divergierend.
  • Gemäß einem zusätzlichen Kennzeichen liegt der Winkel der Erzeugenden des Konus zwischen 15° und 45°; andere Werte verändern den Gehalt bzw. das Wesen der Erfindung nicht. Gemäß einem anderen Kennzeichen bzw. Merkmal ist der Querschnitt des Ausbring- bzw. Ausstoßaustritts identisch zu dem Eintrittsquerschnitt des zu behandelnden Hohlraums.
  • Gemäß noch einem anderen Kennzeichen bzw. Charakteristikum einer Ausführung liegt das Verhältnis der Querschnitte zwischen der Eintrittsrohrleitung des Gases und dem Austritt der Ausstoßzone zwischen 0,25 und 0,45.
  • Gemäß noch einem anderen Charakteristikum bzw. Kennzeichen der Düse gemäß der Erfindung ist das Teil bzw. der Abschnitt der Mündung der Düse, welches(r) einen ansteigenden Ausstoßquerschnitt umfaßt, abnehmbar und demontierbar. Dieses Kennzeichen ist aus zwei Gründen gerechtfertigt:
    • – der erste ist die Möglichkeit eines bedeutenderen Verschleißes in diesem Bereich, was es ermöglicht, die Mündung zu tauschen bzw. zu wechseln, ohne den Körper der Düse auszutauschen.
    • – der zweite ist es, den Ausstoß als Funktion des Eintrittsquerschnitts des zu behandelnden Hohlraums verändern zu können.
  • Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich offensichtlich: da kein Stück bzw. Element, das zum Ablenken des mit dem Strahlmittel beladenen Gasstroms bestimmt ist, notwendig ist, kann man die Hohlräume kugelstrahlen, deren Verhältnis Länge/Querschnitt erhöht ist, ohne zu Zusatzvorrichtungen (Ablenk- bzw. Aufprallblechen, Ablenkeinrichtungen) zurückzugreifen, welche sich schnell verschleißen und schwierig in einer Serienproduktion einzusetzen sind. Die Düse, die es erlaubt, einen turbulenten Strom zu erhalten, ist insbesondere einfach auszubilden, wobei der divergierende Querschnitt der Ausstoßzone den Verschleiß dieser Vorrichtung weiter beschränkt.
  • Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung
  • Die Kennzeichen bzw. Charakteristika und Vorteile der Erfindung werden sich aus der folgenden Beschreibung ergeben, welche unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform der gegebenen Erfindung gegeben ist.
  • 1 ist eine Schnittansicht einer Ausstoßdüse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, um das Verfahren gemäß der Erfindung durchzuführen.
  • Gemäß 1 umfaßt die Düse 1 eine Ausnehmung 2, in deren Inneren montiert bzw. festgelegt sind:
    • – eine Mündung bzw. ein Endstück 3, umfassend den Ausstoßbereich 4 mit ansteigendem Querschnitt zwischen seinem Eintritt 5 des mit Kugelstrahlmittel bzw. Strahlmittel beladenen Fluids (dessen Zirkulationsrichtung durch den Pfeil 7 angedeutet ist) und seinem Austritt 6. In diesem Beispiel ist die Ausstoßzone bzw. der Ausstoßbereich ein Konus mit divergierendem Querschnitt.
    • – ein Stück 8, umfassend eine Leitung bzw. Rohrleitung 9 mit identischem Querschnitt zu dem Eintrittsbereich 5 der Ausstoßzone 4, welche in dem Endstück 3 ausge bildet ist. In diesem Beispiel ist die Rohrleitung 9 zylindrisch.
  • Es ist selbstverständlich anzumerken, daß der Rahmen und die Merkmale bzw. Charakteristika der Erfindung nicht modifiziert werden, wenn die Stücke 3 und 8 aus einem einzelnen Stück ausgebildet sind oder wenn der Ausstoßquerschnitt 4 und die Rohrleitung 9 direkt in den Körper der Düse 1 gebohrt sind. Die zu 1 beschriebene Ausführungsform ist dazu bestimmt, die Austauschbarkeit der Ausstoßzonen unter Verringerung des Herstellungspreises der Vorrichtung zu erlauben.
  • Die Eintrittsöffnung 10 des kugelzustrahlenden Hohlraums ist vor dem Austritt 6 der Ausstoßzone 4 angeordnet.
  • Ein Zusatzstück 11 kann in die Düse 1 mit einer Bohrung 12 wieder eingefügt werden, um den Standardeintrittsquerschnitt 13 der Düse 1 in den Rohrleitungsabschnitt 9 am Eintritt des Ansatzstücks 3 durchtreten zu lassen.
  • Die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung, um das Durchführen des Verfahrens zu ermöglichen, erlaubt es, das Innere des Hohlraums 10 zu kugelstrahlen bzw. zu strahlen, ohne auf eine Ablenkeinrichtung oder ein Aufprallblech in dem Inneren davon zurückzugreifen, aus folgendem Grund:
    Das zuvor mit dem Strahlmittel beladene Fluid wird in die Rohrleitung 9 in einem im wesentlichen laminaren Bereich bzw. Regime zugeführt.
  • Ausgehend von seinem Eintritt in die Austrittszone 4 provoziert die Querschnittsänderung eine Turbulenzerzeugung des Stroms, welcher auf diese Weise in den Hohlraum 10 eindringt, was das effektive Kugelstrahlen seiner Wände provoziert, d. h. mit ungeordneten bzw. zufälligen Flugbahnen bzw. Trajektorien des Strahlmittels und welche auf der Oberfläche des Hohlraums 10 auftreffen.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Vorspannungs-Kugelstrahlen bzw. zur Strahlverfestigung von Innenwänden eines Hohlraums mit einem im Wesentlichen laminaren Gasstrom bzw. -fluß, der das Strahlmittel im stromaufwärtigen Kanal (9) einer Düse (1) befördert und im Ausstoßbereich (4) der Düse (1) in eine turbulente Strömung bzw. Fluß umgewandelt wird und in die Öffnung (10) des zu behandelnden Hohlraums geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzenerzeugung so nahe wie möglich am Ausgang der Düse (1) und am Eingang (10) des zu behandelnden Hohlraums erfolgt.
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