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Verfahren und Vorrichtung zur Feinstbearbeitung der Oberflächen von
dem Verschleiß unterworfenen Gegenständen 1)ieErfindung bezieht sich auf Gegenstände,
deren Oberflächen dem Verschleiß unterworfen sind, und betrifft Verfahren und Vorrichtungen
zur Feinstbearbeitung solcher Oberflächen. Die Erfindung soll, um ein Beispiel zu
nennen, zur Bearbeitung der Oberflächen der 7,vlinder und Zvlin(lerlaufbüchsen von
\'erl)rennungskraftmaschiiien und Pumpen dienen, wie überhaupt von Oberflächen,
an denen hohe Gleitgeschwindigkeiten, Temperaturen und mechanische Drücke auftreten,
wie z. B. bei Stößelführung von Ventilen, Federführungen usw. Ferner soll mit der
Erfindung auch eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Oberflächen erreicht werden,
die von heißen, mit hohen Geschwindigkeiten und bei hohen Drücken strömenden Medien
beaufschlagt werden, z. B. an den Ventilen und Ventilsitzen von Verbrennungskraftmaschinen,
oder von solchen Oberflächen. deren Verschleiß, wie hei den Schiffsschrauben und
"hurliinenschaufeln; auf die Wirkung der Cavitationserscheinung zurückzuführen ist.
Endlich sollen zum Anwendungsbereich der Erfindung auch die Oberflächen von MeBinstrumenten,
wie z. B. von Parallelendmassen. gehören.
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Man hat bisher den Verschleiß durch Bearbeiten der Oberflächen auf
die dafür vermeintlich höchste Oberflächengüte, nämlich durch Honen, Polieren usw.
und ferner durch die sog. Hartverchromung herabzudrücken versucht. Die eingehende
Untersuchung hat aber ergeben, daB an gehonten,-geschliffenen oder hochglanzpolierten
Oberflächen
nach einiger Belastung kauhigkeiten auftreten, welche
daher rühren, daß die beim Bearbeiten niedergedrückten, von der spanabhebenden Bearbeitung
herrührenden Rauhigkeiten sich wieder aufrichten. Die Hartverchromung hochbeanspruchter
Oberflächen, die an sich ein vorzüglicher Oberflächenschutz ist, konnte mit Erfolg
bisher gerade hei Zylindern, insbesondere solchen aus Grauguß, von Verbrennungskraftmaschinen
nicht angewendet werden, weil man es nicht verstanden hat, das frühere oder spätere
Loslösen und Abblättern der Chromschicht zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß die
Gleiteigenschaften hochbeanspruchter Oberflächen dadurch verbessert werden können,
daß, anstatt wie beim Honen oder Polieren die Rauhigkeiten niederzudrücken und flachzulegen,
man sie überhaupt abträgt. Als geeignetes Mittel hierzu wurde gefunden, die Flächen
einer Art von Sandstrahlbehandlung, d. h. einer Behandlung durch Aufschleudern von
feinen harten Körnern mit hoher Geschwindigkeit, zu unterziehen. Es entsteht dadurch
eine feinporige Oberfläche von samtartigem Aussehen, deren Rauhigkeit bei etwa 4
bis 8 ,c' (nach S c h m a 1 t z) liegt. Der Grad der Vorbearbeitung der Oberflächen
hängt vom Verwendungszweck und der Verschleißbeanspruchung ab. Jedenfalls wunde
vom Erfinder erkannt, daß die SandstrahlbehandlungeineOberflächenverbesserung von
etwa 4 bis 5,u erbringt. Es ist deshalb, wenn eine Oberflächengüte von etwa .4 bis
8 ,u verlangt ist, nicht erforderlich, durch Honen oder andere Verfahren zur Feinstbearbeitung
auf eine Oberflächengüte von etwa 2 bis 4 ,u vorzuarbeiten, es genügt vielmehr,
die Vorbearbeitung durch Feinstdrehen, Feinstbohren, Grobschleifen usw. auf Gütewerte
von etwa 8 bis i2 ,u vorzunehmen. Die Gleiteigenschaften der nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren bearbeiteten Oberflächen sind ausgezeichnet und in der Regel besser als
die gehonter oder hochglanzpolierter oder geschliffener Oberflächen, weil infolge
der Feinporigkeit das Schmiermittel besser haftet. Das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren
bietet aber auch bedeutende fertigungstechnische Vorteile; die Vorrichtungen zur
Bearbeitung der Oberflächen sind von einfacher Art, arbeiten sehr intensiv und ermöglichen
endlich, Oberflächen von verwickelter Raumform, wie z. B. Gewinde, zu bearbeiten.
Vorteilhaft an dieser Bearbeitungsmethode .ist ferner, daß keinerlei Reste Arbeitsmittel
wie hei anderen, mit Schmirgel. 01, Säuren u. dgl. arbeitenden Verfahren
zurückbleiben oder chemische Veränderungen der Metalloberfläche eintreten.
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Vorzugsweise wird nach der Erfindung Quarzsand, Glassand oder Stahlsand
verwendet, wobei den feinen Körnungen in der Regel der Vorzug zu geben sein wird;
wie eingehende Versuche ergeben haben, können aber auch mit gröberen Körnungen bis
zu drei Typen Unterschied befriedigende Resultate in bezug auf Verschleiß- und Schmiereigenschaft
erzielt werden. Dies gilt auch für Stahlsand, bei welchem nämlich wegen der verhältnismäßigen
Ungleichheit seiner Körnung die behandelte Oberfläche ebenfalls etwas ungleichmäßig
ausfällt.
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Wie Versuche ergeben haben, wird die beste Wirkung der Behandlung
dann erzielt, wenn die Schleuderung senkrecht zii der zu bearbeitenden Oberfläche
erfolgt.
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Nach einem zusätzlichen Erfindungsmerkmal kann die Behändlung so weit
und so lange durchgeführt werden, daß eine oberflächliche Verdichtung des bearbeitenden
Körpers eintritt. Diese Behandlung ist besonders für solche Flächen zu empfehlen,
die z. B. wegen bestimmter Genauigkeitsvorschriften durch Schleifen vorbearbeitet
werden müssen, wie etwa kreisrunde Bohrungen. Bekanntlich tritt beim Schleifen,
besonders beim Trockenschleifen, eine Gefügeänderung der Oberflächenschicht ein,
durch welche die Verschleißfestigkeit herabgemindert wird. Die Sandstrahlbehandlung
hat nun die günstige Wirkung, daß feine Bearbeitungsrisse in der Oberfläche verrundet
werden und dadurch das Weiterreißen unter Belastung vermieden wird.
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Die Behandlung wird vorzugsweise auf Gegenstände aus Metallen jeder
Art, auch Leichtmetallen, angewendet, ist aber keineswegs hierauf beschränkt; sie
kann auch zur Bearbeitung der Oberflächen von Gegenständen aus metallähnlichen Stoffen,
wie z. B. Metallkeramiken, Sinterlegierungen, ferner auch bei Gläsern, keramischen
und anderen harten Stoffen angewendet werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die durch
Sandstrahlung bearbeitete Oberfläche nach bekannten Verfahren hart zu verchromen.
Es hat sich nämlich gezeigt, claß solchermaßen aufgebrachte Hartchromschichten wie
bei keinem anderen Verfahren der Ablösung und Abblä tterung widerstehen. eorneli@nilicli.
weil sie sich in der feinporigen Oberfläche gewissermaßen verankern und dann, weil
die Oberfläche metallisch rein, d. h. frei von durch Gasbildung oder andere chemische
Beeinflussungen das Haften der Chromschicht beeinträchtigenden Fremdstoffen (z.
B. 01,
Oxyde, Säureresten) ist. Die Oberfläche der Hartchromschicht nimmt
ihrerseits die Feinporigkeit ihrer Grundfläche an, vereinigt also den Vorzug der
guten Schmiermittelhaftung mit dem der einwandfreien Haftung der Chromschicht. Es
entstehen dadurch Oberflächen von einer auch bei den höchsten im Maschinenbau vorkommenden
Gleitgeschwindigkeiten, Drücken und Temperaturen bisher unerreichten Verschleißfestigkeit.
Darüber hinaus gilt das erfindungsgemäße Verfahren erstmals die 1'Iöglichkeit, hochbeanspruchte
Gußteile, insbesondere Zylinderblöcke von Verbrennungskraftmaschinen -, Pumpen u.
dgl., an den Laufflächen hart zii verchromen. Dies ist nämlich trotz mannigfacher
Versuche bisher bei auf Verschleiß hoch beanspruchten Gußteilen zufriedenstellend
nicht gelungen. Die Chromschicht haftete nämlich nicht auf den Graphitadern und
-einschlüssen. Das Abblättern nimmt vielmehr an diesen Stellen seinen Anfang. Durch
die Sandstrahlbehandlung werden nuii offenbar die Graphitädern verstemmt und dadurch
eine geschlossene metallische Oberfläche geschaffen, an welcher
die
Hartchrotnschicht einwandfrei haftet. Der gleiche Vorteil wurde auch für Leichtmetalle
gefunden.
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens zeichnen
sich durch Einfachheit und Betriebssicherheit aus. Sand- und Preßluft werden in
getrennten Leitungen zugeführt und vereinigen sich erst kurz vor der Mündung der
düsenartigen Vorrichtung. Die zur Verteilung des Sand-I.uft-Gemisches dienenden
Teile sind naturgemäß hohem Verschleiß unterworfen und daher in einfacher @N'eise
auswechselbar angeordnet. Der Luftdruck all der Düse hängt von der Härte des zu
bearbeitenden 1-laterials all; er kann 1 bis 2 atü betragen.
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In der Zeichtiitttg sind als :@usführurngsbeispiel je eine Düse für
Innen- bzw. für Außenbearbeitung dargestellt. Es zeigt Fig. i den Mündungsteil einer
Düse für Innenbearbeitung in Seitenansicht, und zwar in der rechten Hälfte der Figur
aufgeschnitten nach der Linie P-C in Fig. 3; Fig. 2 ist die zu F ig. i um 9o° versetzte
Seitenansicht, wobei die linke Hälfte aufgeschnitten ist nach der Linie A-B in Fig.
3; Fig. 3 ist die zu Fig. i gehörende Draufsicht; Fig. 4 zeigt einen :lxialschnitt
nach der Linie A-B in Fig. 5 durch die Mischdüse einer Vorrichtung zur Bearbeitung
von Außenflächen; Fig. 5 ist die zu Fig.4 gehörende Obenansicht; Fig. < ist der
zu Fig. 4 um 9o° versetzte Axialschnitt durch Fig. 5 nach der Linie C-D.
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Die in den hig. i bis 3 dargestellte Vorrichtung zur Vergütung der
Innenflächen, insbesondere von engen Bohrungen von dem Verschleiß unterworfenen
Gegenständen. w-cist ein Preßluft führendes Innenrohr i und ein über das Vorderende
des Innenrohres überstehendes :Mantelrohr 2 auf, deren vordere Enden zur Bildung
einer Mischdüse dienen, in welche die beiden Zuleitungen sich vereinigen. Der Iantelrauni
zwischen Innenrohr und Mantelrohr dient zur vom Preßluftstrom gesonderten Zuführung
der Schleuderpartikel, so daß sie sich erst am vorderen Ende des Innenrohres mit
der Preßluft mischen. Das vordere Ende des Mantelrohres ist zur Bildung radialer
Austrittsöffnungen 2a, 2b für das Gemisch aus Preßluft und Schleuderpartikeln ausgeschnitten.
Die stehengebliebenen Teile 2c der Rohrwandung dienen zur Halterung des Streukeiles
3 der Mischdüse, dessen dachförmig aneinanderstoßende Flächen 3a und 3b zur Umlenkung
des Gemischstromes aus der axialen Strömungsrichtung in die radiale dienen. Da der
den Mündungsteil der '.Mischdüse bildende Streukeil 3 starkem Verschleiß unterliegt,
ist er auswechselbar und wird in seiner Arbeitsstellung von einem Federbügel 4 gegen
das Innenrohr gezogen, der in den .,Xugen 5 und 6 am Mantelrohr 2 angelenkt ist.
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'.Mit 3c ist eine Rill: all der vorn liegenden Stirnseite 3 bezeichnet,
in welche der Federbügel eingreift.
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Die in den Fig. 4 bis 6 dargestellte Mischdüse der Vorrichtung zur
Vergütung von Außenflächen von dem Verschleiß unterworfenen Körpern weist wieder
ein Preßluft führendes Inmenrohr it auf, hinter dessen breitgequetschter Düsenmündung
(von der Mündung aus gesehen) Kanäle i ja für den Durchtritt der Schleuderpartikel
aus einem Mantelrohr io für ihre vom Preßluftstrom gesonderte Zuführung zur Düse
angebracht sind. Eine mittels Überwurf mutter 13 am Mantelrohr befestigte Platte
12 schließt den Raum zwischen- dem Innenrohr i i und dem Mantelrohr 13 vorn ab.
In die Platte 12 ist eine Düsenöffnung 12a als Fortsetzung der Mündungsöffnung des
Innenrohres i i eingearbeitet-.'Die beschriebene Ausbildung und Befestigung der
Platte 12 ist zu dem Zweck erfolgt, diesen Mündungsteil der Mischdüse, der starkem
Verschleiß unterworfen ist; leicht auswechseln-zu können. .: Der Luftdruck an der
Düsenmündung hängt von der Härte des zu bearbeitenden Materials ab; er beträgt vorzugsweise
i bis 2 atü.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt außer dem Verfahren und der Vorrichtung
zur Ausübung des Verfahrens auch nach dem Verfahren bearbeitete Gegenstände, z.
B. Grauguß- und Leichtmetallzylinder von V erbrennungskraftmaschinen, Dampfmaschinen
und Pumpen, Ventile und Ventilsitze, Maschinenteile, wie Wellen, ferner Turbinenschaufeln
und Schiffsschrauben.