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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorspannungs-Kugelstrahlen bzw.
Strahlverfestigung einer Wand einer Ausnehmung bzw. eines Hohlraums.
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Berücksichtigter
Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist in dem Dokument
GB
1236205 beschrieben.
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Ziel der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante ist die Eintrittsrohrleitung der Mischung zylindrisch
und der Austrittsquerschnitt ist konisch divergierend.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung
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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.
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1 ist
eine Schnittansicht einer Ausstoßdüse gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, um
das Verfahren gemäß der Erfindung
durchzuführen.
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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.
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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.
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Die
Eintrittsöffnung 10 des
kugelzustrahlenden Hohlraums ist vor dem Austritt 6 der
Ausstoßzone 4 angeordnet.
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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.
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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.
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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.