DE7005792U - Geraet zur entspannung von werkstuecken durch vibration. - Google Patents
Geraet zur entspannung von werkstuecken durch vibration.Info
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Description
"Gerät zur Entspannung von Werkstücken durch Vibration·*
Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf ein Gerät zur Entspannung eines Werkstück- 3 durch Vibration des Werkstückes
und insbesondere auf ein Gerät, durch das ein Werkstück in Schwingung versetzt wird und die Frequenz
und die Amplitude der Schwingung, die dem Werkstück verliehen wird, und die Energie, die zur Erzeugung der Amplitude
benötigt wird, überwacht wird.
Bei allen grundlegenden Verfahren zur Metallbearbeitung, wie z.B. beim Schmieden, Giessen. Schweissen und bei der
maschinellen Bearbeitung werden in dem Metallwerkstück zurückbleibende Spannungen hervorgerufen, die eine direkte
Folge der an dem Werkstück vorgenommenen Bearbeitung sind.
8 MÖNCHEN 2, THE RES I ENSTRASSE 33 ■ Telefon: 281202 ■ Telegramm-Adresse: Lipalli/München
Bayer. Vereinstank München, Zweigst. o#>fVWMjJ!w#M4$'o--Nr' 832495 · Postscheck-Konto: München Nr. 1633 97
Diese zurückbleibenden Spannungen stellen eine Vorspannung des Werkstückes dar, die die zusätzliche Belastbarkeit des
Werkstückes durch die Bearbeitung begrenzen. Diese zurückbleibenden Spannungen erhöhen auch in nennenswerter Weise
die Korrosionsgeschwindigkeit des Metalls in einer korrosiven Atmosphäre und können zu der Verziehung des Werkstückes während der anschi!essenden Bearbeitungs- oder
Herstellungsvorgänge führen.
Früher wurden zur Beseitigung der Spannungen in Metallwerkstücken diese ausserhalb geschlossener Räume für eine bestimmte Alterungszeitdauer gelagert. Die täglichen Änderungen der Aussentemperatur bewirkten eine Ausdehnung und
Zusammenziehung des Metallwerkstückes. Beispielsweise dehnte sich das Werkstück am Tage aus und zog sich in der Nacht zusammen. Während dieser Bewegung des Metalls wurden die Spannungen allmählich verringert, bis das Korngefüge eine stabile Stellung einnahm. Dieses Verfahren zur Entspannung
erforderte jedoch einen sehr grossen Zeitaufwand und es war nicht immer sicher, dass das Werkstück von allen Spannungen
befreit worden war. Ferner bildeten sich Rost und andere Formen der Korrosion an dem Werkstück und mussten entfernt
werden, bevor das Werkstück seiner endgültigen Bestimmung } zugeführt wurde. Ein schnelleres aber immer noch verhält
nismässig langsames Verfahren beruht auf Erwärmung des Werkstückes. Bestimmte Teile, die nicht einer angemessenen
Wärmebehandlung unterworfen werden können, werden jedocli
immer noch dadurch entspannt, dass sie für eine bestimmte Zeit ausserhalb eines geschlossenen Raumes angebracht werden.
Das bekannteste und am weitesten verbreitete Verfahren zur Entspannung eines Metallwerkstückes beruht auf Erwärmung,
Dieses Verfahren ist jedoch zeitraubend, teuer und ruft häufig zusätzliche Probleme hervor, die auf der dimensionalen Stabilität des Warkstückes und auf der Vorbereitung der
Metalloberfläche für die weitere Bearbeitung beruhen. Gegenwärtig wird die durch Erwärmung bewirkte Entspannung
dadurch erzielt, dass das Metallwerkstück unter Beachtung der erforderlichen Sorgfalt auf eine Temperatur erwärmt
wird, bei der das Metall semiplastisch wird, so dass die Spannungen in der Lage sind, das Korngefüge des Metallwerkstückes in ausreichendem Maß zu bewegen, um die Spannung aufzuheben. Bei diesem Verfahren muss das Werkstück
sehr sorgfältig gehaltert und gestützt werden, um zu verhindern, dass das Metallwerkstück infolge des Gewichtes
seiner nicht gestützten oder gehalterten Teile eine Verformung erfährt. Das Werkstück wird sodann langsam abgekühlt. Bei der Abkühlung kühlen die inneren Teile des Werkstückes schneller ab und führen wieder zu dem Aufbau einer
bestimmten Spannung in dem Werkstück. Bei Beendigung dieses Verfahrens muss das Metallwerkstück zur Entfernung des
während der Wärmebehandlung gebildeten Zunders einer Entzunderungsreinigung unterworfen werden.
Eine weitere Form der Entspannung eines Werkstückes ist die Entspannung durch Vibration. Die in der Vergangenheit
durchgeführte Entspannung durch Vibration war nur massig wirkungsvoll aufgrund des Umstandes, dass die für die Entspannungsbehandlung gewählte Frequenz entweder eine beliebig gewählte Frequenz war, die über einen Schwingungstisch
indirekt auf das Werkstück übertragen wurde, oder dass das Metallwerkstück mit der Grundresonanzfr^quenz des
Metallwerkstückes direkt in Schwingung versetzt wurde, wobei die Zeitdauer dieser Vibration empirisch bestimmt
und/oder durch Ermessensentscheidung auf der Grundlage des Gewi elites des Werkstückes gewählt wurde. Die Resonanzfrequenz ist diejenige Frequenz, bei der ein Teil vibriert
oder schwingt, wenn es einem Stoss oder einem Schlag ausgesetzt wird. Diese Frequenz wird auch als die Eigenfrequenz der Schwingung bezeichnet. Bei der Resonanzfrequenz
-I1-
eines MetallWerkstückes stehen die Resonanzfrequenzen
aller einzelnen Teile des Werkstückes in nathematischer
Beziehung zueinander. Wenn jedoch das Werkstück einer starken Vibration bei der Resonanzfrequenz des Werkstückes
unterworfen wird, um die stärksten Teile des Werkstückes zu entspannen, ist es möglich, dass einige der schwachen
Teile des Werkstückes überbeansprucht werden. Daher sind die bisher bekannten Verfahren zur Entspannung durch Vibration nicht vollständig zufriedenstellend gewesen.
Ausserhalb des Labors gibt es keine bekannte Möglichkeit, genau festzustellen, ob während des Entspannungsvorganges,
bei dem eines der gegenwärtig üblichen Entspannungsverfahren angewendet worden ist, tatsächlich eine Entspannung
erzielt worden ist. Die einzige Möglichkeit zur Oberprüfung des Werkstückes besteht entweder darin, es auseinanderzuschneiden f um die Bewegung eines Teiles des Werkstücken
gegenüber einem anderen Teil zu messen, oder darin, das Werkstück anschliessenden Bearbeitungsvorgängen zu unterwerfen, um die Dimensionsstabilität des Metallwerkstückes
zu prüfen.
In der Vergangenheit wurde manchmal ein Teil verschiedenen Entspannungsverfahren unterworfen, um die beste Weise für
die Entspannung des Werkstückes zu erfahren« Nachdem zahlreiche Werkstücke in besonderer Weise behandelt worden
sind, wurde ein auf der Grundlage der historischen Entwicklung beruhendes Behandlungsschema aufgestellt. Es
wurde dann angenommen, dass bei der Entspannungsbehandlung anderer gleicher Werkstücke in derselben Weise die Entspannung der Werkstücke erzielt werden könne. Es ist jedoch so,
dass nicht e71e Teile eines komplizierten Gebildes immer
gleich ha Spannungen enthalten. Daher ist es bei den bekannten Verfahren zur Entspannung durch Vibration möglich,
dass ein Teil des Werkstückes einer stärkeren Entspannung«—
behandlung unterworfen wird, als es erforderlich ist, na
70057923117.70
den Grad der erforderlichen Entspannung zu erzielen. Mit anderen Worten kann durch die Yi'fi^tion, die für die Entspannung
eines unter hoher 3p&E.,<..iE£, stehenden Teiles
eines Werkstückes geeignet ist, ein anderes Teil des gleichen Werkstückes einer Kaltbearbeitung in einem Maß
unterworfen werden, die wiederum Spannungen von unerwünschter Höhe in diesem anderen Teil des Werkstückes hervorruft.
Angesichts der Mangel der bekannten Verfahren zur Entspannung eines Werkstückes ist die der Neuerung zugrundeliegende
Aufgabe die Schaffung eines Gerätes zur separaten Befreiung jedes einzelnen Teiles eines zu entspannenden
Werkstückes von den in diesem Teil enthaltenen Spannungen. Ein mit dem Werkstück verbundener Vibrator soll auf die
Resonanzfrequenzen der einzelnen Teile des zu entspannenden Werkstückes abgestimmt werden. Ferner soll ein Teil des
Werkstückes mehr oder weniger vibriert werden können, als f»in anderes Teil des Werkstückes. Ferner soll die Vibration
in einer Richtung verlaufen, die parallel zu der Spannung in diesem Teil des Werkstückes gerichtet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Gerät zur Entspannung eines Werkstückes gelöst, das gekennzeichnet ist durch einen Vibrator,
der an dem Wertstück angebracht werden kann und durch einen Antrieb mit veränderlicher Geschwindigkeit betätigt
wird, einen Beschleunigungsmesser, der an dem Werkstück in Abstand von dem Vibrator angebracht werden kann,
um die Amplitude der dem Werkstück verliehenen Vibration zu messen, und eine elektrische Steuer- und Überwachungsschaltung,
die Einrichtungen zur Anzeige der Frequenz und der Amplitude der dem Werkstück verliehenen Vibration und
der für die Erzeugung der Amplitude erforderlichen Energie umfasst.
In den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Neuerung veranschaulicht sind, sind
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Gerätes zur Entspannung von Werkstücken;
Fig. 2 die Ansicht einer Ausführungsform der Anzeigeeinrichtung für das in Fig. 1 gezeigte Gerät;
Fig. 3 die Ansicht einer anderen Ausführungsform der An-Zeigeeinrichtung
für das in Fig. 1 gezeigte Gerät;
Fig. 4 die Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Anzeigeeinrichtung
für das in Fig. 1 gezeigte Gerät;
Fig. 5 ein Diagramm, in dem eine theoretische Amplituden-Frequenzkurve
für ein unter Spannung stehendes einfaches Werkstück dargestellt ist;
Fig. 6 ein Diagramm, in dem eine theoretische Amplituden-Frequenzkurve
für ein spannungsfreies einfaches Werkstück dargestellt ist;
Fig. 7 ein Diagramm, in dem eine Amplituden-Frequenskurve
eines unter Spannung stehenden komplizierten Werkstückes dargestellt ist und
Fig. 8 ein Diagramm, in dem eine Amplituden—Frequenzkurve
eines spannungsfreien komplizierten Werkstückes dargestellt ist.
In Fig. 1, auf die nunmehr Bezug genommen wird, ist ein Gerät zur Vibration eines Werkstückes mit der allgemeinen
Eezugszuhl 10 bezeichnet. Ein Werkstück ist mit der Bezugszahl 12 bezeichnet. Das Gerät 10 umfasst einen Vibrator
Ik1 einen abfühlenden Beschleunigungsmesser, ein Ge-
häuse 18 und einen fahrbaren, das Gehäuse tragenden Stand
20. Das Gehäuse 18 weist eine Schalttafel 21 auf, die Einrichtungen 22 für die Anzeige der Amplitude und der
Frequenz der Vibration sowie der für die Erzielung der Amplitude erforderlichen Energie aufweist.
Der Vibrator Ik ist von bekannter Bauart und umfasst einen
Antrieb 23 mit veränderlicher Geschwindigkeit, der einen
(nicht gezeigten) Exzenter in einem Gehäuse 2k antreibt. Der Vibrator 14 ist lösbar an dem Werkstück 12 angeklemmt.
j| Bei einer Ausführungsform ist der Antrieb mit veränderlicher
Geschwindigkeit ein elektrischer Reihenschlussmotor 23, der beispielsweise ein Kollektormotor ist, bei dem
Anktr und Feldwicklungen in Reihe geschaltet sind. Da die
Drehzahl eines elektrischen Reihenschlussmotors durch Änderung des dem Motor zugeführten Stromes gesteuert werden
kann, wird die Frequenz der dem Werkstück 12 verliehenen Vibration durch Änderung des dem Motor 23 zugeführten
Stromes gesteuert. Eine Stromsteuereinrichtung, vorzugsweise ein veränderlicher Transformator (nicht gezeigt) ist
für diesen Zweck vorgesehen und umfasst einen Verstellknopf 25.
Das Werkstück 12 wird im allgemeinen auf elastischen Bändern oder Streifen 28 und 30 gehaltert, die aus Gummi oder
einem ähnlichen Stoff bestehen und dem Werkstück gestatten, sich frei zu bewegen, wenn die dem Werkstück verliehene
Vibration die Eigenfrequenz jedes Teiles des Werkstückes erreicht. Der Beschleunigungsmesser 16 umfasst einen (nicht
gezeigten) Messwertumwandler von der bekannten Art, die
die mechanische Vibration in ein elektrisches Signal umwandelt, wodurch eine relative Messung der Amplitude der
Vibration vorgenommen werden kann. Das Signal wird einem (nicht gezeigten) Verstärker zugeführt, und das Maß der
Verstärkung wird durch einen Knopf 31 gesteuert. Der Be-
schleunigungsiiesser l6 ist trennbar an dem Werke to 3k in
Abstand von dem Vibrator lh angebracht.
Die Frequenz der Vibration eines Teiles eines Werkstückes 12 ist direkt proportional der Laufgeschwindigkeit des
Motors 23, während die Energie, die zur Erzielung der Amplitude der Frequenz erforderlich ist, direkt proportional
dem Strombedarf des Motors 23 ist, und diese beiden Grossen
können durch geeignete, bekannte elektrische Messeinrichtungen (nicht geze^t), wie z.B. ein Tachometer und ein
Amperemeter, gemessen werden. Das Gehäuse 18 enthält eine elektrische Steuer- und Überwachungsschaltung, die die
Stromsteuereinrichtung umfasst, die zwischen dem Motor 23 und einer elektrischen Stromquelle angeordnet ist. Diese
Schaltung uKfasst ferner die Anzeigeeinrichtungen 22, die
mit der Stroms teuer einrichtung und mit &&jb Beschleunigungsmesser verbunden sind, um die Frequent md die Amplitude
der dem Werkstück verliehenen Vibration und die für die Erzielung der Amplitude erforderliche Energie anzuzeigen.
Bisher wiesen die Geräte zur Vibrationsentspannung eines Werkstückes ein Amperemeter für die Anzeige des dem Vibratormotor zugeführten Stromes und einen Resonanzmesser
auf, der die Amplitude der dem Werkstück verliehenen Vibration anzeigte. Ein Resonanzpegelknopf war vorgesehen,
wie z.B. der Knopf 31, um den Pegel der auf dem Resonanz— messer angezeigten Amplitude zu ändern. Der Resonanzmesser
war dort angeordnet, wo die Anzeigeeinrichtung 22 auf der Schalttafel 21 des Gerätes angeordnet ist. Die Frequenz
der Vibration wurde ungefähr durch die Stellung des Verstellknopfes 25 des veränderlichen Transformators angezeigt.
Bei den bekannten Verfahren zur Entspannung eines Werkstückes durch Vibration drehte die Bedienungsperson den
Knopf 25, bis der Resonanzmesser den Resonanzpunkt für das ganze Werkstück, d„h., den Punkt der maximalen Amplitude
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anzeigte. Wenn die Höhe der Amplitude gering war, verstellte die Bedienungsperson die Amplitudenhöhe durch Drehung
des Knopfes 31· Die Bedienungsperson stellte dann den Vibrator
auf die Resonanzfrequenz fest und ein Zeitgeber wurde eingestellt, um das Werkstück mit der Resonanzfrequenz
für das gesamte Werkstück über eine bestimmte Zeitdauer in Schwingung zu versetzen. Die bestimmte Zeitdauer
beruhte auf den früher mit Werkstücken von verschiedenem Gewicht gemachten Erfahrungen. Diese Zeitdauer für die
Vibration bei der scheinbaren Resonanzfrequenz des gesamten
Werkstückes wurde daher empirisch und/oder nach freiem Ermessen gewählt. Ferner gab es nach Beendigung der Vibration
des Werkstückes mit der gewählten Frequenz und über die bestimmte Zeitdauer keine Möglichkeit, festzustellen
oder sicher zu sein, dass das Werkstück von allen Spannungen befreit worden ist.
Wenngleich es vielleicht von manchen Bedienungspersonen bemerkt worden ist, ist der Tatsache, dass die Amplitude,
d.h. die Ablesungswerte auf dem Resonanzmesser nicht stufenlos zunimmt oder abnimmt, keine besondere Beachtung geschenkt
worden. Mit anderen Worten wurde angenommen, dass eine Amplitudenfrequenzkurve einen stufenlosen Anstieg und
Abstieg aufweist, wie die in den Figuren 5 und 6 gezeigten Kurven. Die Tatsache, dass die Nadel des Resonanzmessers
bei ihrer allmählichen Bewegung in Richtung auf den Punkt der maximalen Amplitude auf der Skala auf- und abschwenkte
wurde elektrischen Schaltungsproblemen,wie z.B. Rückkopplung,
Ungeradlinigkeiten, Aufnahme von Fremdsignalen und so weiter, zugeschrieben. Ferner wurde der Tatsache keine
Bedeutung zagemessen, dass der Strom nicht stufenlos anstieg und abfiel.
- 10 -
Es wurde jedoch entdeckt, dass die von dem schwankenden
Resonanzmesser angezeigten kleineren Resonanzspitzen den Resonanzspitzen einzelner Teile des Werkstückes entsprechen,
die aufgrund ihrer Form jeweils bei einer anderen Frequenz als die übrigen Teile des Werkstückes resonieren.
Es wurde ferner entdeckt, dass der Strom, der für die Erzeugung einer gegebenen Amplitude im Bereich einer gegebenen
Resonanzspitze erforderlich ist, abnimmt, wenn das Werkstück der Vibration ausgesetzt wird.
Ferner nahm bei Abnahme des Stromes der Frequenzbereich der Spitze ab, bis es nahezu unmöglich war, die Frequenz
der Vibration auf diese Resonanzspitze abzustimmen. An dieser Stelle stabilisierte sich der Strom, d.h., er hörte
auf abzunehmen. Diese Erscheinung wird offensichtlich durch die Tatsache hervorgerufen, dass das besondere Teil
des Werkstückes, das eine Eigenvibrationsfrequenz aufweist, d.h., einen Resonanzpunkt in dem Frequenzbereich der beobachteten
Resonanzspitze, eine innere Spannung enthielt. Offensichtlich verhinderten die Spannungen in diesem und
um dieses Teil des Werkstückes dieses Teil daran, mit _. seiner Resonanzfrequenz frei zu vibrieren. Ferner erscheint
es, dass die Stromzunahme in dem Frequenzbereich der Resonanzspitze durch den Widerstand der Spannungen in
diesem Teil des Werkstückes gegenüber der Vibration hervorgerufen wurde· Es erscheint daher, dass nach der Vibration
des Werkstückes in dem Frequenzbereich der gegebenen Resonanzspitze (im Idealfall mit der Resonanzfrequenz),
die Spannungen allmählich herabgesetzt wurden. Dies wird durch die Abnahme des Stromes und durch den Umstand angezeigt,
dass die Amplitude der Resonanzspitze zunimmt, während der Frequenzbereich der Resonanzspitze abnimmt,
d.h., dass die Resonanzfrequenz (Eigenvibrationsfrequenz) spezifischer wird. Es sei bemerkt, dass bei einem nicht
entspannten Werkstück oft eine echte Resonanzspitze nicht
festgestellt wird, Anstattdessen wird ein Plateau festgestellt, das die echte Resonanzspitze einschliesst. Nachdem das Werkstück entspannt ist, ist nur die echte Resonanzspitze feststellbar, und da die Amplitude der Spitze
zugenommen hat, wird die Resonanzspitze leicht festgestellt. Wenn dies stattfindet, erscheint es manchmal,
dass die Resonanzfrequenz der Resonanzspitze sich verschoben hat. Es wird jedoch angenommen, dass die Resonanzfrequenz sich nicht verschiebt, sondern dass vielmehr die
scheinbare Verschiebung auf einen Mangel der Empfindlichkeit der verwendeten Instrumente und/oder auf die unzureichende Wiederholbarkeit der Einstellungen der Vibra—
tionsausrüstung zurückzuführen ist. Diese Erscheinung ist besser verständlich, wenn man die Resonanzspitzen für unter
Spannung stehende Werkstücke mit den Resonanzspitzen vergleicht für spannungsfreie Werkstücke, wie es in den Figuren 7 und 8 veranschaulicht ist.
Es ist wichtig, in der Lage zu sein, die Änderungen der Vibrationsamplitude und die Änderungen des für die Erzeugung der Amplitude erforderlichen Stromes mit den Änderungen der Vibrationsfrequenz zu vergleichen. Zu diesem
Zweck ist die Anzeigeeinrichtung 22 vorgesehen. Sie umfasst eine Oszilloskop-Ableseeinrichtung 32, wie sie in
Fig. 2 gezeigt ist, und/oder eine fortlaufende Bandschreiber-Ableseeinrichtung 34, wie sie in Figur 3 gezeigt ist
und/oder eine augenblickliche Ziffernableüeeinrichtung
36, wie sie in Figur 4 gezeigt ist. Die Oszilloskop-Ableseeinrichtung 32 zeigt eine der dem Werkstück verliehenen
Vibration entsprechende Schwingung 38.
Bei der Bandschreiber-Anzeigeeinrichtung 36 sind drei Schreiber 40, 41 und 42 vorgesehen, die sich quer über
ein Band 43 in Abhängigkeit von Änderungen der Frequenz
- 12 -
und der AmpIitr"^ der Schwingung bewegen, die dem Werkstück
verlieben wird, sowie in Abhängigkeit von Änderungen des zur Erzeugung der Amplitude erforderlichen Stromes. Das Band
bewegt sich waagerecht mit konstanter Geschwindigkeit, wenn der Vibrator läuft, um eine fortlaufende Aufzeichnung der
auf ein bestimmtes Werkstück ausgeübten Vibrationsent—
Spannungsbehandlung und der Ergebnisse dieser Behandlung herzustellen. Der Schreiber 40 zeigt die Amplitudenänderungen durch die Linie 44 an. Der Schreiber 41 zeigt die Stromänderungen durch die Linie 45 an. und der Schreiber 42 zeigt
die Frequenzänderungen durch die Linie 46 an.
Die Amplitude, die Frequenz und der von dem Vibrator zur*
Erzeugung der Amplitude in dem Werkstück erforderliche Strom können direkt von der Ziffernableseeinrichtung 36 bei jeder
gegebenen Betriebsfrequenz abgelesen werden. Die Frequenz wird auf der Ziffernanzeigevorrichtung 47 in Perioden pro
Minute angezeigt, die Amplitude wird als Spannungswert, der dem Signal von dem Messwertumwandler des Beschleunigungsmessers entspricht, auf der Ziffernanzeigevorrichtung 48 angezeigt, und der für die Erzeugung der Amplitude erforderliche Strom wird in Ampere oder Watt auf der Ziffernanzeige—
vorrichtung 49 angezeigt. Die Ziffernableseeinrichtung 36
könnte für sich allein oder mit der Oszilloskop—Einrichtung 32 und/oder mit der Bandschreiberableseeinrichtung 34 verwendet werden. Ferner könnte auch die Bandschreiberableseeinrichtung 34 für sich allein oder mit der Oszilloskop—
Ableseeinrichtung 32 verwendet werden.
Wenn ein Werkstück eine einfache symmetrische Form hat, gibt es theoretisch nur eine Eigen— bzw. Resonanzfrequenz für
alle Teile las Werkstückes. Mit anderen Worten, die Resonanzfrequenz jedes Teils des Werkstückes entspricht der
Resonanzfrequenz des gesamten Werkstückes. Die theoretische Resonanzspitze für ein derartiges einfaches Werkstück ist
- 13 -
70C57&2307.7P
- 13 in Figur 5 bei 50 und in Figur f ;}-.■■_ 51 gezeigt. In Figur
ist Hin Roannan7oni+7o KCl Λ hire T-Vi ViJt .. WAR cb"ailf hindeutet.
dans das Werkstück innere Spannungen enthält. Der Frequenzbereich
der Resonanzspitze 50 des Spannungen enthaltenden einfachen Werkstückes liegt zwischen den Frequenzen
A und B. um das Werkstück von diesen Spannungen zu befreien,
unterwirft die Bedienungsperson das Werkstück der Vibration zwischen den Frequenzen A und B. Wenn das Werkstück
der Vibration in dem Frequenzbereich der Resonanzspitze unterworfen wird, nimmt die Amplitude an den Rändern des
I* Frequenzbereiches, d.h. die Bandbreite der Resonanzfrequenz
etwas ab, und nimmt in dem Mittelteil der Bandbreite zue
Der für die Erzeugung der Amplitude erforderliche Strom nimmt ab. Ferner nimmt die Bandbreite der Resonanzspitze
ab, bis sie nahezu nicht existent ist, d.h., sie wird sehr schmal, wie es durch die Frequenzen C und D in Figur 6
angedeutet ist. Die Amplitude der Resonanzspitze 51 in der
Bandbreite zwischen den Frequenzen C und D in Figur 6 wird erheblich höher als die Spitze 50 in Figur 5. Auch der für
die Erzeugung dieser Amplitude benötigte Strom wird geringer und hat sich stabilisiert. An dieser Stelle weiss
die Bedienungsperson, dass das Werkstück im wesentlichen entspannt worden ist. Dies wird an der Oszilloskop-Ablese-
'·* einrichtung 32, auf der Bandsclireiberableseeinrichtung 34
und/oder auf der Ziffernableseeinrichtung 36 angezeigt.
Fig. 7 zeigt die Amplituden-Frequenzkurve 60 für ein kompliziertes
Werkstück, das Spannungen enthält. Es ist ersichtlich, dass bei einem komplizierten Werkstück die verschiedenen
Teile des Werkstückes eigene Resonanzspitzen 6l, 62, 63, 64, 65 und 66 aufweisen, was auf der besonderen
Ausbildung jedes Teiles des Werkstückes beruht. Diese Resonanzspitzen sind nicht nur voneinander verschieden,
sondern auch von der Hauptresonanzspitze 70 für das gesamte Werkstück verschieden.
- Ik -
Bei der Durchführung des Verfahrens unterwirft die Bedienungsperson
das Werkstück Vibrationen über einen bestimmten Frequenzbereich, vorzugsweise einen Frequenzbereich
zwischen 400 und 8000 Schwingungen pro Minute. Die Bedienungsperson stimmt selten direkt auf die Resonanzfrequenz
des gesamten Werkstückes ab. Anstattdessen tastet die Bedienungsperson alle Frequenzen ab, die von
dem verwendeten Vibrator entwickelt werden können. Wenn die Resonanzspitze jedes einzelnen Teiles des Werkstückes
erreicht wird, wird diese von der Bedienungsperson zusammen mit der Amplitude, der Breite der Resonanzfrequenzen
in Schwingungen pro Minute und dem von dem Vibrator zur Erzeugung der Amplitude, d.h., des Betrages der Durchbiegung
des Metallwerkstückes, benötigten Stromes aufgezeichnet. Vorzugsweise wird die von dem Vibrator benötigte
Stromstärke aufgezeichnet. Nach Aufzeichnung der scheinbaren Resonanzspitzen und des Frequenzbereiches dieser
Spitzen für jedes Teil des zu entspannenden Werkstückes kehrt die Bedienungsperson zu jeder zu entspannenden Spitze
zurück und unterwirft das Werkstück der Vibration in dem Frequenzbereich jeder scheinbaren Resonanzspitze für jedes
Teil des zu entspannenden Werkstückes. Die Bedienungsperson hält die Vibration aufrecht, während die Amplitude zunimmt
und der Frequenzbereich abnimmt, bis der für die Erzeugung der Amplitude erforderliche Strom sich stabilisiert
hat.
Wenn das Werkstück in dem Frequenzbereich jeder scheinbaren Resonanzspitze vibriert wird, wird die Spannung allmählich
herabgesetzt und die Amplitude (Betrag der Bewegung des Metalls) nimmt bei der besonderen Resonanzfrequenz
schnell zu, der Bereich bzw. die Bandbreite der Resonanzfrequenz wird schmal und der für die Amplitude der
Vibration an der Stelle der Resonanz erforderliche Strom wird erheblich verringert. Nach einer angemessenen Behandlungszeit
stabilisieren sich die Amplitude der Vibration
- 15 -
an jeder zu entspannenden Resonanzspitze und der für die Erzeugung dieser Amplitude erforderliche Strom, was
darauf hindeutet-, dass das Werkstück im wesentlichen entspannt
ist. Dies wird durch die Spitzen 81, 82, 84, 85
ρ und 86 der in Figur S gezeigten Kurve 80 angedeutet. Eine
fortlaufende Aufzeichnung der Frequenz, Amplitude und des Stromes wird entweder mit der Hand oder automatisch
vorgenommen. Bei Verwendung der Bandschreiber-Ableseeinrichtung 34, wie sie in Figur 3 gezeigt ist, wird eine
fortlaufende Aufzeichnung der Frequenz, der Amplitude und des für die Erzeugung der Amplitude erforderlichen Stromes
automatisch erhalten. Auf diese Weise wird eine genaue Aufzeichnung der a^f fin bestimmtes Werkstück ausgeübten
Vibrationsentspannungsbebsndlung sowie derer Ergebnisse erhalten.
Da jedes einzelne Teil des Werkstückes, des eine eigene
Resonanzfrequenz hat, gesondert durch Vibration im Bereich der Resonanzfrequenz behandelt wird, die diesem Teil eigen
ist, kann die Bedienungsperson das Ansprechen, d.h. die Änderung des Frequenzbereiches oder der Bandbreite der
Resonanzfrequenz sowie die Änderung des für die Erzeugung der Amplitude an jeder Resonanzsptze erforderlichen Stromes
überprüfen, um festzustellen, wie gründlich jedes Teil des
Werkstückes entspannt worden ist. Auf diese Weise ist es mit dem Vibrationsentspannungsverfahren möglich, wahlweise
ein einzelnes Teil des Werkstückes in höherem oder geringerem Grad zu entspannen, indem der Vibrator auf den Resonanzfrequenzbereica
des einzelnen Teiles für eine längere oder kürzere Zeitdauer abgestimmt wird, die lurch das Ansprechen
dieses Teiles auf die Vibrations-Entspannungs— behandlung angezeigt wird. Daraus ergibt sich, dass man
in der Lage ist, g^nau zu wissen, dass jedes Teil des Werkstückes in angemessener Weise entspannt worden ist und
dass kein Teil des Werkstückes einer übermässigen Vibrationsbehandlung
unterworfen worden ist.
- 16 -
Nach der Behandlung jeder scheinbaren Resonauzspitze jedes
siüzelnss sü sni.sp&ss.s:ids» Teiles ■sfit^eriiol't- die Bedienungsperson die Vibration des Werkstückes über den bestimmten Frequenzbereich und stellt die Änderungen der
Amplitude der Vibration mit den Frequenzänderungen und den Änderungen des für die Erzeugung der Amplitude erforderlichen stromes fest, um dadurch festzustellen, ob das
Werkstück von allen Spannungen befreit worden ist und ob irgendwelche neue J^annungen in dem Werkstück hervorgerufen worden sind. Ein Vergleich der Figur 8 mit Figur
ergibt, dass bei der Kurve in Figur 8 eine der Spitze in Figur 7 entsprechende Resonanzspitze nicht auftritt.
Diese Ersehe?rung beruht offenbar auf do. Umstand, dass
die inneren Spannungen in dem Teil des Werkstückes, die
der scheinbaren Resonanzspitze 63 ents^r ~ci?.en, von einer
derartigen Grosse und Art sind, das; sie als ein besonderes
Teil des Werkstückes, beispielsweise als ein Vorsprung, erscheinen. Versuche haben gezeigt, dass diese Spannungen
für gewöhnlich durch Schweissverbindungen hervorgerufen
werden. Wenn der Bereich der Schweissung entspannt worden ist, verschwindet die scheinbare Resonanzspitze 63.
Wenn ein Teil des Werkstückes einer übermässigen Vibrationsbehandlung derart unterworfen wird, dass dieses Teil
dadurch kalt bearbeitet wird, tritt eine Zunahme des Stromes auf, der für die Bewirkung einer bestimmten Durchbiegung des Metalls, d.h. die Amplitude der Vibration, in
dem Resonanzfrequenzbereich dieses besonderen Teiles des Metallwerkstückes erforderlich ist. Derartige neue Spannungen werden durch das Auftreten einer neuen abgerundeten
Resonanzspitze, wie z.B. der in Figur 8 gezeigten Spitze 88 angezeigt. Um das Werkstück von dieser neuen, mechanisch
hervorgerufenen Spannung zu befreien, kehrt die Bedienungsperson die Richtung der von dem Vibrator 14 auf das Werkstück 16 ausgeübten Vibration um und vibriert das Werkstück
- 17 -
für eine kurze Zeitdauer in dem Frequenzbereich der Resonanzspitze
88, bis eine zufriedenstellende Verringerung der Spannung erzielt wird. An runden oder kugelförmigen
Werkstücken kann es notwendig sein, den Vibrator an entgegengesetzten Seiten des Werkstückes anzubringen,
um die Ausscheidung von mechanisch hervorgerufenen Spannungen zu erzielen.
Die Vibration, die dem Werkstück auferlegt wird, umfasst eine primäre Wellenfunktion in einer Ebene, eine sekundäre
Wellenfunktion, die in einer Ebene entwickelt wird, die rechtwinklig zu der Ebene der primären vibratorischen
Wellenfunktion verläuft, und eine tertiäre Wellenfunktion, die in einer Ebene entwickelt wird, welche rechtwinklig
sowohl zu der Ebene der primären als auch zu der Ebene der sekundären Wellenfunktion verläuft. Unter Bezugnahme auf
Figur 1 ist die primäre Wellenfunktion in der YZ-Ebene und bewegt sich entlang der Z-Achse. Die sekundäre Wellenfunktion
wird in der XZ-Ebene entwickelt und bewegt sich entlang der X-Achee. Die tertiäre Wellenfunktion wird in
der XY-Ebene entwickelt und bewegt sich entlang der Y-Achse. Diese drei Wellenfunktionen werden manchmal als
Rayleigh-WeIIe (primäre Wellenfunktion), Love-Welle (sekundäre
Wellenfunktion) und Shear-Welle (tertiäre Wellenfunktion)
bezeichnet. Die Rayleigh-WeIIe bewirkt eine rückläufig
elliptische Bewegung der Teilchen in der Strecke der Welle. Die Love- und Shear-Wellen bewirken eine Oszillationsbewegung
der Teilchen in ihran Strecken in rechten Winkeln zu ihren Strecken. Da die Vibrationswellenform
Wellenfunktionen in drei verschiedenen Ebenen umfasst, kann das Werkstück in einer besonderen Richtung vibriert werden,
indem der Vibrator auf die besondere Resonanzfrequenz eines bestimmten Teiles des Werkstückes abgestimmt wird, wobei
entweder die primäre, die sekundäre odei die tertiäre Wellenfunktion
der Vibrationswellen die Resonanzwellenfunktion ist. Dies ist von grosser Bedeutung, da es festgestellt
- 18 -
worden ist, dass die Vibrations-Entspannungsbehandlung schneller und wirkungsvoller ist, wenn die einem Werkstück
auferlegte Vibration parallel zu der Spannung in dem Werkstück verläuft. Infolgedessen ist es möglich, diese
drei Funktionen bei der Entspannungsbehandlung von in dem Werkstück zurückbleibenden Spannungen zu verwenden, indem
auf die Wellenfunktion abgestimmt wird, die parallel zu der Spannung verläuft, so dass die Entspannung mit grösstem
Wirkungsgrad und in der kürzesten Zeitdauer erzielt wird. Unter Bezugnahme auf Figur 1 stimmt die Bedienungsperson
zur Entspannung der Schweissnaht R auf eine primäre oder Rayleigh-Wellenfunktion in dem Hesonanzfrequenzbereich
für die Schweissnaht R ab. Um die Schweissnaht L zu entspannen, stimmt die Bedienungsperson auf die sekundäre
oder Love-Wellenfunktion in diesem Resonanzfrequenzbereich
ab, und um die Schweissung S zu entspannen, stimmt die Bedienungsperson auf die tertiäre oder Shear-Wellenfunktion
in diesem Resonanzfrequenzbereich ab.
In einigen Fällen sind die inneren Spannungen in dem Werkstück das Ergebnis elastischer Verformung oder elastischer
Verschiebung der Moleküle, und es ist lediglich eine Vibration in einem Maß erforderlich, durch das eine elastische
Bewegung der gespannten Moleküle hervorgerufen wird, um die
Moleküle zurück in ihre normale oder spannungsfreie Stellung in dem Kristallgefüge des Metalls zu bewegen. In anderen
Fällen haben die inneren Spannungen auf den Molekülen eine plastische Verformung der Moleküle hervorgerufen und
es ist in diesen Fällen eine Vibration erforderlich, die ausreicht, um die plastische Verformung der gespannten Moleküle
in dem Kristallgefüge fortzusetzen, um die Moleküle in eine versetzte stabile Stellung zu bringen, wobei Schlupfebenen in dem Kristallgefüge des Metalls erzeugt werden.
7ββ57923§.7.7β
Claims (5)
1. Gerät zur Entspannung eines Werkstückes durch Vibration,
mit einem Vibrator, der lösbar an dem Werkstück angeklemmt werden kann, einem Beschleunlgungsnesser, der
lösbar an dem Werkstück in Abstand von dem Vibrator befestigt werden kann, um die Amplitude der dem Werkstück
auferlegten Vibrationswellenform zu messen, gekennzeichnet
durch eine elektrische Steuer- und überwachungsschaltung, die eine verstellbare iJtromsteuereinricbtung (25) umfasst,
die zwischen einer elektrischen Stromquelle und dem Vibrator (14) geschaltet ist, um den dem Vibrator (lA) zugeführ
ten Strom und dadurch die Frequenz der dem Werkstück (12) verliehenen Vibration zu verstellen, sowie eine Anzeigeeinrichtung
(22), die mit der Stromsteuereinrichtung und mit dem Beschleunigungsmesser (l6) verbunden ist, um die
Frequenz und die Amplitude der dem Werkstück (12) auferlegten Vibration sowie den für die Erzeugung der Amplitude
erforderlichen Strom anzuzeigen»
2. Gerät nach Ansprucb. 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzeigeeinrichtung (22) eine Oszilloskop-Ableseeinrichtung (32) umfasst.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anzeigeeinrichtung (22) eine Bandschreiber-Ableseeinrichtung (34) umfasst, die ein Band (43) aufweist, auf
dem die Frequenz, die Amplitude und der zur Erzeugung der Amplitude der dem Werkstück (12) auferlegten Vibration
erforderliche Strom angezeigt werden.
- 20 -
700579?™ 7 7fl
4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinrichtung (22) eine Ziffemableeeeinrichtung
(36) umfasst, die mindestens eine Zifferaanzeigevorrichtung (47, 48 oder 49) umfasst, die der Anzeige der Frequenz, der Amplitude oder des Stromes dient, der für die
Erzeugung der Amplitude der dem Werkstück (12) auferlegten Vibration erforderlich ist.
5. Gerät nacii Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ziffernabieseeini htung (36) drei Ziffernanzeigevor—
richtungen (47, 48 und 49) aufweist, die der Anzeige der Frequenz, der Amplitude bzw. des Stromes dienen, der für
die Erzeugung der Amplitude der dem Werkstück (12) auferlegten Vibratir ■. erforderlich ist.
Applications Claiming Priority (1)
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