EP2629927A1 - Verfahren und vorrichtung zur oberflächenbehandlung eines objektes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur oberflächenbehandlung eines objektes

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EP2629927A1
EP2629927A1 EP11775909.2A EP11775909A EP2629927A1 EP 2629927 A1 EP2629927 A1 EP 2629927A1 EP 11775909 A EP11775909 A EP 11775909A EP 2629927 A1 EP2629927 A1 EP 2629927A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
jet
blasting
generated
treated
nozzle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11775909.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard Reisacher
Horst Buck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2629927A1 publication Critical patent/EP2629927A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P9/00—Treating or finishing surfaces mechanically, with or without calibrating, primarily to resist wear or impact, e.g. smoothing or roughening turbine blades or bearings; Features of such surfaces not otherwise provided for, their treatment being unspecified
    • B23P9/04—Treating or finishing by hammering or applying repeated pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants
    • B24C3/18—Abrasive blasting machines or devices; Plants essentially provided with means for moving workpieces into different working positions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants
    • B24C3/32—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/04—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface
    • C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for surface treatment of an object, in particular for blasting and / or beam hardening, wherein at least one beam of blasting agent is generated, and the object is kept in a levitated state by the at least one beam, and the Surface of the object is treated by the at least one beam.
  • Blasting and blasting are well established methods of surface engineering. They include u.a. the shot peening and the shot peening process.
  • the methods can be used for workpieces of all solid materials, in particular for metallic and brittle-hard materials.
  • DE 196 52 872 A1 discloses a method for increasing the surface layer strength on surfaces of workpieces made of brittle-hard materials, wherein the workpiece surface is brought into contact with a tool in a narrowly limited surface area, which plastically deforms the surface area and thereby within the Workpiece generated near-surface residual compressive stresses.
  • DE 10 2006 046 263 describes a method for increasing the fracture toughness of the surface layer of a carbide cutting edge of a drill by means of a shot peening method, wherein the shot peening beam is directed at least over a partial region of the cemented carbide cutting edge.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method by which the surface of an object is completely and uniformly treatable. It is also the task to create an appropriate specify the method by which the procedure is feasible.
  • the method according to the invention can thus be regarded as a blasting method and in particular embodied as a beam hardening method.
  • the fact that the object is kept in a floating state, can be dispensed with a holder for the object.
  • the beam exerts a force on the object.
  • the effect of the weight of the object is compensated so that the object is held in a floating state, ie a state in which the Fallbe ⁇ motion of the object due to the weight force by the force effect of the at least one beam is compensated.
  • the object in this state is not in contact with fixed devices, such as holding devices or guiding devices.
  • the object is guided in at least one degree of freedom also by contact with a guide device, such as a rail or spiral.
  • the object floats in a jet of blasting agent, which is directed We ⁇ sentlichen vertically upwards, that is the direction against gravity.
  • the object is preferably substantially spherical or round in this embodiment.
  • the object is preferably substantially spherical or round in this embodiment.
  • Beam here a divergent course, its cross section perpendicular to the direction of movement of the blasting medium in the beam center is thus greater with increasing distance from the jet generating nozzle.
  • the cross-section is in this case circular or elliptical We ⁇ sentlichen, so that the beam is cone-shaped.
  • the object can float freely in the conical beam.
  • Object is the position of the object near the cone axis, that is stabilized near the center of the cone.
  • the object can be introduced into the vertical beam by placing it directly on a nozzle emitting the jet before turning on the beam, and then turning on the beam. As the pressure increases, the ball is lifted with increasing jet flow so that it finally floats freely on the exiting abrasive.
  • the to radiating object can also be introduced directly into the existing beam, for example via a mechanical feed, such as a roller rail or a robot arm.
  • the distance of the ball from the exit nozzle or nozzles may be adjusted by appropriate choice of the jet stream pressure, carrier stream flow, and / or appropriate choice of nozzle geometry.
  • Different jet conditions can be achieved by adjusting the nozzle geometry, the pressure, the grit transported through the jet, and the distance between the nozzle (s) and the object.
  • the beam used in the invention preferably comprises a blasting agent that is transported by a carrier ⁇ medium.
  • the carrier medium advantageously gas or liquid in question.
  • gases can be, for example, air, nitrogen or other gases adapted to the corresponding use.
  • a liquid for example, water comes into question.
  • Blasting agents may include metal beads, sand, ceramic materials such as zirconia, glass, hard metal and / or nutshells (preferably for cleaning jets).
  • the object to be treated whose upper ⁇ surface, preferably spherical or a sphere.
  • the object can be kept particularly stable in the beam, in particular if only one beam is used which, as described above, is directed essentially vertically upwards.
  • the sphere may be a zirconia Be ball bearing ball.
  • a jet of the blasting medium can be generated, which is directed essentially vertically upwards and in which the object is introduced.
  • at least one stream of the carrier medium and / or one jet of the blasting medium can be generated, by which the object is stabilized in the vertical jet and / or moved in a targeted manner.
  • Those nozzles which generate the additional streams of the carrier medium or additional jets of the blast medium preferably emit the object from other directions than from below, so that they exert lateral forces on the object
  • the desired effect of the surface treatment for example the Effect of shot peening or solidification blasting, the suspended object achieved.
  • the self-stabilizing effect of the jet on the position of the ball is not impaired by the addition of a suitable amount of blasting agent.
  • a particularly homogeneous treatment of the surface of the object results according to the invention in that surface areas which were already influenced by the blasting material during the blasting process and thus were roughened somewhat more usually compared to not yet or not completely treated surface areas, a slightly increased friction in the stream Experienced.
  • the resulting asymmetrical torques on the object it is aligned with the beam direction in such a way that surface areas which were previously unirradiated are preferably aligned downward, opposite the stream of jet material.
  • This effect is particularly advantageous in the case of spherical objects which float in a beam pointing vertically upwards.
  • the inventive method is particularly advantageous designed as a pressure jet method with air. But it can also be used or configured as a pressurized liquid jets or cleaning jets.
  • the method can be advantageously controlled by the pressure of the carrier medium flow, the choice of the nozzle and the choice of the blasting medium.
  • the shape of the beam cone can be controlled.
  • the amount of blast media per time can be controlled by the size of the outlet opening of the blasting medium reservoir.
  • the total amount of blasting agent per treatment is preferably adjusted by an appropriate stocking.
  • the number of objects corresponding to a large number of outlet nozzles are arranged in a grid on a horizontal plane in accordance with the method described above in such a way that a gas flow pad with a correspondingly large number of locally self-stabilizing beam positions is produced for many balls.
  • a guide device may be provided by means of which the object or objects in the beam are durable, but in particular allows a free rotation of the object.
  • a guide device may, for example, be a spiral whose spiral axis coincides with an outflow seal of the blasting medium.
  • the object can move in the direction of the beam direction inside this spiral and can rotate freely, but is limited in its movement to the interior of the spiral.
  • Spiral at its end remote from the nozzle have a conclusion, for example in the form of a portion of the spiral forming wire, which is bent over the opening of the spiral at the nozzle end remote.
  • the spiral can be attached to the nozzle.
  • the use of the method according to the invention can be detected, for example, by means of X-ray-induced residual stress analyzes, which can detect the presence of high residual stresses in the surface of objects, as typically produced by shot peening. By means of light or electron microscopic analyzes, the impacts of the particles of the blasting agent on the surface of the object can be detected.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for ball bearings, in particular when using balls as blasting media, in order to increase their service life and load capacity.
  • the OF INVENTION ⁇ dung modern method is also well for uniform cleaning and / or polishing of objects, more preferably balls, of all solid materials once set zbar.
  • the invention also provides an apparatus for surface treatment of an object, which has at least one nozzle, with which at least one jet of a blasting medium can be generated such that the object to be treated is held in a floating state by the at least one blast and there ⁇ at the surface of the Object is treated by the at least one beam.
  • the method described above can be carried out with the device.
  • the method according to the invention makes it possible to treat workpieces, particularly preferably spherical workpieces, uniformly over the entire surface and, in particular, to realize the advantages of shot blasting methods.
  • Figure 1 shows a device according to the invention, with which the inventive method is feasible
  • FIG. 2 shows a nozzle with an attached spiral for guiding the object to be treated in the beam.
  • the figure shows the basic structure of a pre ⁇ direction, with which the inventive method is feasible.
  • the outlet nozzle 3 has here a circular From ⁇ baumso réelle, whereby the blasting abrasive jet 2 is cone-shaped.
  • the ball 1 floats in the beam 2, since this exerts a force on the ball 1 by the flow resistance of the ball 1 in the beam 2, which is directed against the weight of the ball 1 opposite.
  • the beam 2 is formed here as a single beam, which is substantially perpendicular to the top is directed. It can be provided to further stabilize the object 1 and other nozzles, the streams of the carrier medium or rays of the
  • outlet nozzles 3 such as those shown here to be arranged next to one another, preferably in such a way that their outlet openings lie in one plane.
  • these nozzles 3 may preferably be arranged in an equidistant grid. In this way, a surface, as a pad of the blasting agent, can be produced, on which the object can be moved in the horizontal direction.
  • the ball 1 can be introduced directly into the existing jet 2 or placed on the nozzle 3 before switching on the jet 2 and then raised by switching on the jet 2.
  • object 1 floats freely. But it is also possible to provide Vorrich ⁇ obligations that guide the object. However, this pre ⁇ directions should not festhal ⁇ th the object, so that each area of the surface of the Ob ⁇ jektes 1 in the sphere of influence of the beam 2 bewe ⁇ gen can and will treated by it.
  • the jet 2 is in the case shown an air flow with a blasting agent such as beads or sand.
  • the device has a supply line for compressed air 4 as a carrier medium and a device for supplying the blasting medium 5.
  • the blasting medium is introduced into the compressed air. brought, so that a beam of the blasting medium 2 is formed.
  • a jet nozzle 3 was used whose opening had a diameter of 8 mm.
  • air was used as the carrier medium, which was fed to the nozzle at a pressure of 2 bar.
  • a blasting agent here 4 kg of hard metal balls with a diameter of 0.65 mm (HMG0.65) were used, as are commercially available.
  • the treated sphere was then characterized by X-ray residual stress analysis.
  • the detector used was a scintillation counter and a D5000 diffractometer.
  • the use ⁇ te radiation was Cr- ⁇ and the elasticity constants E-modulus and Poisson's ratio (Poissonkonstante) were used 210 MPa and 0.28.
  • radiographic constants modulus of elasticity and transverse number
  • the macroscopic elasticity constants are used from the data sheets of the material manufacturers. The difference is usually small, especially in the present case of the steel material used.
  • the height of the compressive residual stress generated at the different measuring points, ie at measuring point 1 and measuring point 2, and also in different directions at a measuring point is the same. So it was a plane isotropic Druckei- genditionsSullivan at every point of the surface, it aims ⁇ .
  • FIG. 2 shows an example of a nozzle 3 with a guide device 6 or stabilizing device 6 for the ball 1 which floats in the air flow.
  • the stabilizing device 6 is in this case designed as a spiral which is wound around an outlet direction of the jet out of the nozzle 3. At its end facing away from the nozzle 3, the stabilizing device 6 has a conclusion 7, which closes the opening of the spiral 6 facing away from the nozzle 3, so that the ball can not be pushed out of the stabilizing device 6 by the jet.
  • the stabilizing device 6 thus prevents the ball 1 from escaping laterally or upwards from the air flow during a momentarily excessive deflection.
  • the rotation of the ball is not hindered by the device, however, so that nevertheless a uniform machining of the spherical surface, ie, especially in the shot peening process, a uniform degree of coverage can be achieved.
  • the device can be adjusted accordingly ⁇ speaking.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes, insbesondere zum Strahlen und/oder Strahlverfestigen, wobei zumindest ein Strahl eines Strahlmittels erzeugt wird, und das Objekt durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten wird und dabei die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- richtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes, insbesondere zum Strahlen und/oder Strahlverfestigen, wobei zumindest ein Strahl eines Strahlmittels erzeugt wird, und das Objekt durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten wird und da- bei die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt wird.
Das Strahlen und das Strahlverfestigen sind etablierte Verfahren der Oberflächentechnik. Sie umfassen u.a. das Kugelstrahlen und das Kugelstrahlverfesti- gen .
Durch Strahlen können in einer Oberfläche eines Objektes gezielt Druckeigenspannungen erzeugt werden und dadurch die Randschichtfestigkeit des Objektes gesteigert werden. Die Verfahren sind für Werkstücke aller festen Werkstoffe einsetzbar, insbesondere für metallische und sprödharte Werkstoffe.
Aus der DE 196 52 872 AI ist beispielsweise ein Verfahren zur Steigerung der Randschichtenfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken bekannt, wobei die Werkstückoberfläche in einem eng begrenzten Oberflächenbereich mit einem Werkzeug in Kontakt gebracht wird, das den Oberflächenbereich plastisch verformt und dadurch innerhalb des Werkstückes oberflächennahe Druckeigenspannungen erzeugt.
Die DE 10 2006 046 263 beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Bruchzähigkeit der Randschicht einer Hartmetallschneide eines Bohrers mittels eines Kugelstrahlverfahrens, wobei der Kugelstrahl zumindest auf einen Teilbereich der Hartmetallschneide gerichtet wird .
Wünschenswert bei Strahlverfahren ist es, einen möglichst gleichmäßigen Überdeckungsgrad der Oberfläche zu erzielen, also die Oberfläche möglichst gleichmäßig der Strahlbehandlung auszusetzen. In Verfahren nach dem Stand der Technik wird stets eine mechanische Halterung benötigt, um das Werkstück zu positionieren. Soll das Werkstück nur bereichsweise behandelt werden, ist eine solche Halterung nicht störend. Eine vollständige Behandlung des Werkstücks ist hierbei jedoch schwierig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit welchem die Oberfläche eines Objektes vollständig und gleichmäßig behandelbar ist. Aufgabe ist es außerdem, eine entsprechende Vorrich- tung anzugeben, mit welcher das Verfahren durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Objektes nach Anspruch 1 sowie die Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes nach Anspruch 12. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine besonders gleichmäßige und vollständige Behandlung einer Oberfläche eines Objektes möglich ist, wenn auf eine Hal- terung zum Halten des Objektes verzichtet werden kann .
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Objektes wird daher zumindest ein Strahl eines Strahlmittels erzeugt und das Objekt, dessen
Oberfläche zu behandeln ist, durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten. Dabei wird die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt. Das erfindungsgemäße Verfah- ren kann also als Strahlverfahren angesehen werden und insbesondere als Strahlverfestigungsverfahren ausgeführt sein. Dadurch, dass das Objekt in einem Schwebezustand gehalten wird, kann auf eine Halterung für das Objekt verzichtet werden.
Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass der Strahl eine Kraft auf das Objekt ausübt. Mittels dieser Kraft wird die Wirkung der Gewichtskraft des Objektes kompensiert, so dass das Objekt in einem Schwebezustand gehalten wird, also einem Zustand, in dem die Fallbe¬ wegung des Objektes aufgrund der Gewichtskraft durch die Kraftwirkung des zumindest einen Strahls kompensiert wird. Vorteilhafterweise ist das Objekt in diesem Zustand nicht mit festen Vorrichtungen, wie beispielsweise Haltevorrichtungen oder Leitvorrichtun- gen, in Kontakt. Es ist jedoch möglich, dass das Objekt in zumindest einem Freiheitsgrad auch durch Kontakt mit einer Führungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Schiene oder Spirale, geleitet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform schwebt das Objekt in einem Strahl des Strahlmittels, der im We¬ sentlichen senkrecht nach oben, also der Richtung der Schwerkraft entgegen, gerichtet ist. Das Objekt ist in dieser Ausführungsform bevorzugt im Wesentlichen kugelförmig oder rund. Bevorzugterweise hat der
Strahl hier einen divergenten Verlauf, sein Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahlmittels in der Strahlmitte wird also mit zunehmendem Abstand von einer den Strahl erzeugenden Düse größer. Bevorzugterweise ist der Querschnitt hierbei im We¬ sentlichen kreisförmig oder elliptisch, so dass der Strahl kegelförmig ist.
Das Objekt kann hierbei in dem kegelförmigen Strahl frei schweben. Durch aerodynamische Effekte an dem
Objekt wird die Position des Objektes nahe der Kegelachse, also nahe dem Zentrum des Kegels, stabilisiert . Das Objekt kann in den senkrechten Strahl eingebracht werden, indem es vor dem Einschalten des Strahls direkt auf eine den Strahl emittierende Düse gelegt wird und dann der Strahl eingeschaltet wird. Mit Erhöhung des Druckes wird hierbei die Kugel mit zuneh- mendem Strahlstrom angehoben, so dass sie schließlich frei auf dem austretenden Strahlmittel schwebt. Das zu strahlende Objekt kann auch, beispielsweise über eine mechanische Zuführung, wie eine Rollschiene oder einen Roboterarm, direkt in den bestehenden Strahl eingebracht werden.
In allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Abstand der Kugel von der Austrittsdüse oder den Austrittsdüsen durch geeignete Wahl des Drucks des Strahlmittelstroms, Trägermittelstroms und/oder geeignete Wahl der Düsengeometrie eingestellt werden.
Unterschiedliche Strahlbedingungen können erzielt werden, indem die Düsengeometrie, der Druck, das Strahlgut, welches durch den Strahl transportiert wird, und der Abstand zwischen der oder den Düsen und dem Objekt eingestellt werden.
Der erfindungsgemäß eingesetzte Strahl weist vorzugsweise ein Strahlmittel auf, welches durch ein Träger¬ medium transportiert wird. Als Trägermedium kommen vorteilhaft Gas oder Flüssigkeit in Frage. Gase können hierbei z.B. Luft, Stickstoff oder andere, dem entsprechenden Einsatz angepasste Gase sein. Als Flüssigkeit kommt beispielsweise Wasser in Frage. Strahlmittel können u.a. Metallkügelchen, Sand, keramische Werkstoffe, z.B. Zirkonoxid, Glas, Hartmetall und/oder Nussschalen (bevorzugt für das Reinigungsstrahlen) sein. Wie bereits beschrieben, ist das Objekt, dessen Ober¬ fläche zu behandeln ist, vorzugsweise kugelförmig bzw. eine Kugel. In diesem Fall lässt sich das Objekt besonders stabil im Strahl halten, insbesondere wenn nur ein Strahl verwendet wird, der wie oben beschrie- ben im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist. Die Kugel kann beispielsweise eine Zirkonoxid- Kugellagerkugel sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wie beschrieben ein Strahl des Strahlmittels erzeugt werden, der im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist und in welchen das Objekt eingebracht wird. Es kann dann hierbei zusätzlich zumindest ein Strom des Trägermediums und/oder ein Strahl des Strahlmittels erzeugt werden, durch den das Objekt im senkrechten Strahl stabilisiert und/oder gezielt bewegt wird. Jene die zusätzlichen Ströme des Trägermediums bzw. zusätzlichen Strahlen des Strahlmittels erzeugenden Düsen strahlen das Objekt hierbei vorzugsweise von anderen Richtungen als von unten an, so dass sie seitliche Kräfte auf das
Objekt ausüben.
Durch geringe Asymmetrien im Teilchenstrom bzw. durch Asymmetrien der Oberfläche des zu strahlenden Objek- tes, beispielsweise einer Kugel, werden durch aerody¬ namische Effekte wechselnde Drehmomente auf das schwebende Objekt ausgeübt, die zu zeitlich wechseln¬ den Rotationen des Objektes führen. Bei hinreichend langer Strahlzeit ergibt sich hierdurch eine isotrope Verteilung der Rotationsachsen, so dass die Oberfläche des Objektes gleichmäßig bestrahlt wird. Durch geeignete Ausgestaltung der den Strahl erzeugenden Düse können solche Asymmetrien im Teilchenstrom auch gezielt vorgesehen werden, im Allgemeinen ergibt sich der Effekt jedoch auch bei rotationssymmetrischen Düsen und rotationssymmetrischen Strahlen.
Durch eine kontinuierliche Zugabe eines Strahlmittels in den Strom des Trägermediums wird, wie beim übli- chen Druckstrahlverfahren auch, der gewünschte Effekt der Oberflächenbehandlung, also beispielsweise der Effekt eines Kugelstrahlens oder Verfestigungsstrahlens, des schwebenden Objektes erreicht. Die selbststabilisierende Wirkung des Strahles auf die Position der Kugel wird durch die Zugabe einer geeigneten Men- ge des Strahlmittels nicht beeinträchtigt.
Eine besonders homogene Behandlung der Oberfläche des Objektes ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, dass Oberflächenbereiche, die während des Strahlprozesses schon vom Strahlgut beeinflusst wurden und dadurch in der Regel verglichen mit noch nicht oder nicht vollständig behandelten Oberflächenbereichen etwas stärker aufgeraut wurden, eine etwas erhöhte Reibung im Strom erfahren. Durch die dadurch sich ergebenden un- symmetrischen Drehmomente auf das Objekt wird dieses so zur Strahlrichtung ausgerichtet, dass bisher nicht bestrahlte Oberflächenbereiche bevorzugt nach unten, dem Strahlgutstrom entgegen gesetzt, ausgerichtet werden. Dadurch wird quasi automatisch ein gleichmä- ßiges Strahlen und damit eine gleichmäßige Überdeckung der gesamten Objektoberfläche erzielt. Besonders vorteilhaft ergibt sich dieser Effekt wiederum bei kugelförmigen Objekten, die in einem senkrecht nach oben gerichteten Strahl schweben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft als Druckstrahlverfahren mit Luft ausgestaltet. Es kann aber auch als Druckflüssigkeitsstrahlen oder Reinigungsstrahlen eingesetzt bzw. ausgestaltet sein.
Das Verfahren kann vorteilhafterweise über den Druck des Trägermittelstroms, die Wahl der Düse und die Wahl des Strahlmittels gesteuert werden.
Durch Steuerung des Drucks wird die Geschwindigkeit des Trägermittelstroms und des mitgeführten Strahl- guts eingestellt. Dies kann z.B. durch einen Druckminderer erfolgen.
Durch die Ausgestaltung der Düse (Durchmesser, Länge des Düsenrohres) kann die Form des Strahlkegels gesteuert werden.
Die Strahlmittelmenge pro Zeit kann durch die Größe der Auslassöffnung des Strahlmittelvorratsbehälters gesteuert werden. Die Gesamtmenge des Strahlmittels pro Behandlung wird vorzugsweise durch eine entsprechende Bevorratung eingestellt.
Möglich ist auch eine dynamische Steuerung der Aus¬ lassöffnung durch eine elektrische- und/oder pneumatische Einstellung der Auslassöffnung.
Für das gleichzeitige Strahlen vieler Objekte sind vorzugsweise der Zahl der Objekte entsprechend viele Austrittsdüsen entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren in einem Raster auf einer waagrechten Ebene so angeordnet, dass ein Gasstrompolster mit entsprechend vielen, lokal selbststabilisierend wirkenden Strahlpositionen für viele Kugeln erzeugt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Führungsvorrichtung vorgesehen sein, mittels derer das oder die Objekte im Strahl haltbar sind, die jedoch insbesondere eine freie Drehbarkeit des Objektes ermöglich. Eine solche Führungsvorrichtung kann beispielsweise eine Spirale sein, deren Spiralachse mit einer Ausströmdichtung des Strahlmittels zusammenfällt. Das Objekt kann sich im Inneren dieser Spirale in Richtung der Strahlrichtung bewegen und kann frei rotieren, wird jedoch in seiner Bewegung auf das Innere der Spirale beschränkt. Vorteilhaft kann diese Spirale an ihrem der Düse abgewandten Ende ein Ab- schluss aufweisen, beispielsweise in Form eines Abschnittes des die Spirale bildenden Drahtes, der über die Öffnung der Spirale am der Düse abgewandten Ende gebogen wird. Vorteilhaft kann die Spirale auf die Düse aufgesteckt sein.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nachweisbar beispielsweise mittels röntgenographi- scher Eigenspannungsanalysen, die das Vorliegen von hohen Eigenspannungen in der Oberfläche von Objekten, wie sie typischerweise durch das Kugelstrahlen erzeugt werden, nachweisen können. Mittels licht- oder elektronenmikroskopischer Analysen können die Einschläge der Teilchen des Strahlmittels auf der Oberfläche des Objektes nachgewiesen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist, insbesondere bei Verwendung von Kugeln als Strahlmittel, besonders vorteilhaft für Kugellager einsetzbar, um deren Lebensdauer und Tragfähigkeit zu erhöhen. Das erfin¬ dungsgemäße Verfahren ist außerdem auch zum gleichmäßigen Reinigen und/oder Polieren von Objekten, besonders bevorzugt Kugeln, aller festen Werkstoffe ein- set zbar .
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes angegeben, welche zumindest eine Düse aufweist, mit der zumindest ein Strahl eines Strahlmittels so erzeugbar ist, dass das zu behandelnde Objekt durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten wird und da¬ bei die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt wird. Besonders bevorzugt ist mit der Vorrichtung das vorstehend beschriebene Verfahren ausführbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Werkstücke, besonders bevorzugt kugelförmige Werkstücke, gleichmäßig auf der gesamten Oberfläche zu behandeln und dabei insbesondere die Vorteile von Kugelstrahlverfahren zu realisieren.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Figur beispielhaft erläutert werden.
Es zeigt
Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, und
Figur 2 eine Düse mit einer aufgesteckten Spirale zum Führen des zu behandelnden Objektes im Strahl.
Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vor¬ richtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Dabei wird die Oberfläche eines Objektes 1, das im gezeigten Beispiel kugelförmig ist, mittels eines Strahlmittelstrahls 2 behandelt, der durch eine Austrittsdüse 3 ausgestrahlt wird. Die Austrittsdüse 3 hat hierbei eine kreisförmige Aus¬ trittsoffnung, wodurch der Strahlmittelstrahl 2 kegelförmig ausgebildet ist. Die Kugel 1 schwebt dabei im Strahl 2, da dieser durch den Strömungswiderstand der Kugel 1 im Strahl 2 eine Kraft auf die Kugel 1 ausübt, die der Gewichtskraft der Kugel 1 entgegen gerichtet ist. Durch aerodynamische Effekte wird die Kugel 1 nahe der Kegelachse des Strahls 2 stabilisiert. Der Strahl 2 ist hierbei als einzelner Strahl ausgebildet, der im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist. Es können zur weiteren Stabilisierung des Objektes 1 auch weitere Düsen vorgesehen sein, die Ströme des Trägermediums oder Strahlen des
Strahlmittels erzeugen, die seitliche Kräfte auf das Objekt 1 ausüben können und dieses dadurch weiter stabilisieren oder gezielt bewegen.
Es können auch eine Mehrzahl von Austrittsdüsen 3, wie jene hier gezeigte nebeneinander angeordnet sein, vorzugsweise so, dass ihre Austrittsöffnungen in einer Ebene liegen. Dabei können diese Düsen 3 vorzugsweise in einem äquidistanten Raster angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Fläche, als ein Polster des Strahlmittels, erzeugt werden, auf der das Objekt in horizontaler Richtung bewegt werden kann.
Die Kugel 1 kann im gezeigten Beispiel direkt in den bestehenden Strahl 2 eingebracht werden oder vor dem Einschalten des Strahls 2 auf die Düse 3 aufgelegt worden sein und dann durch Einschalten des Strahls 2 angehoben worden sein. Im gezeigten Beispiel schwebt das Objekt 1 frei. Es ist aber auch möglich, Vorrich¬ tungen vorzusehen, die das Objekt leiten. Diese Vor¬ richtungen sollten jedoch das Objekt nicht festhal¬ ten, damit sich jeder Bereich der Oberfläche des Ob¬ jektes 1 in den Einflussbereich des Strahles 2 bewe¬ gen kann und dadurch behandelt wird.
Der Strahl 2 ist im gezeigten Fall ein Luftstrom mit einem Strahlmittel wie beispielsweise Kügelchen oder Sand.
Zur Erzeugung des Strahls weist die Vorrichtung eine Zuleitung für Druckluft 4 als Trägermedium und eine Vorrichtung zur Zufuhr des Strahlmittels 5 auf. Das Strahlmittel wird hierbei in die Druckluft einge- bracht, so dass ein Strahl des Strahlmittels 2 entsteht .
In einer beispielhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Strahldüse 3 verwendet, deren Öffnung einen Durchmesser von 8 mm hatte. Als Trägermedium wurde hierbei Luft eingesetzt, die der Düse mit einem Druck von 2 bar zugeführt wurde. Als Strahlmittel wurden hierbei 4 kg Hartmetallkugeln mit einem Durchmesser von 0,65 mm (HMG0,65) verwendet, wie sie handelsüblich sind. Ein kugelförmiges Objekt, hier eine Kugellagerkugel aus Stahl mit einem Durchmesser von 15 mm, wurde 20 Minuten bestrahlt. Dabei wurde ein Abstand zwischen der Düse 2 und dem Objekt 1 von 10 cm eingestellt.
Die behandelte Kugel wurde anschließend durch röntge- nographische Eigenspannungsanalyse charakterisiert. Dabei wurden als Detektor ein Szintillationszähler und ein D5000-Diffraktometer verwendet. Die verwende¬ te Strahlung war Cr-Κ und für die Elastizitätskonstanten E-Modul und Querzahl (Poissonkonstante) wurden 210 MPa bzw. 0,28 verwendet.
Die exakten röntgenographischen Konstanten (E-Modul und Querzahl) können zwar messtechnisch ermittelt werden. Üblicherweise werden aber die makroskopischen Elastizitätskonstanten aus den Datenblättern der Werkstoffhersteiler verwendet. Der Unterschied ist in der Regel gering, insbesondere im vorliegenden Fall des verwendeten Stahlwerkstoffs.
Die Eigenspannungsanalyse wurde wie z.B. in Hauck, V. : „Structural and Residual Stress Analysis by Non- destructive Methods", Elsevier (1997), S. 344 ff., S. 596 ff., S. 605 ff, und Spieß, L., Teichert, G.: „Moderne Röntgenbeugung" , Vieweg + Teubner, GWV Fachverlage GmbH (2009), 2. Auflage, Kap. 10, beschrieben, durchgeführt. Es ergaben sich folgende Resultate. Für eine nicht- bestrahlte polierte Vergleichskugel wurde an einem Messpunkt 1 in 0°-Richtung eine Druckeigenspannung von -633 MPa ± 37 MPa gemessen. Für eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben bestrahlten Kugel ergab sich an einem Messpunkt 1 in 0°-Richtung eine Druckeigenspannung von -1542 MPa ±72 MPa. An einem Messpunkt 2 in 0°-Richtung ergab sich eine
Druckeigenspannung von -1680 MPa ± 79 MPa, am Mess¬ punkt 2 in 45°-Richtung ergab sich eine Druckeigenspannung von -1493 MPa ± 68 MPa und am Messpunkt 2 in 90°-Richtung eine Druckeigenspannung von -1508 MPa ± 83 MPa.
Durch das Bestrahlen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde also eine deutliche Druckeigen- spannungserhöhung um ca. 920 MPa auf im Mittel -1555 MPa erzielt.
Im Rahmen der Messgenauigkeit ist die Höhe der erzeugten Druckeigenspannung an den verschiedenen Messstellen, also an Messpunkt 1 und Messpunkt 2, sowie auch in verschiedenen Richtungen an einem Messpunkt gleich. Es wurde also ein ebener isotroper Druckei- genspannungszustand in jedem Punkt der Oberfläche er¬ zielt .
Figur 2 zeigt ein Beispiel einer Düse 3 mit einer Führungsvorrichtung 6 bzw. Stabilisierungsvorrichtung 6 für die im Luftstrom schwebende Kugel 1. Die Stabilisierungsvorrichtung 6 ist hierbei als Spirale ausgestaltet, die um eine Austrittsrichtung des Strahls aus der Düse 3 gewunden ist. An ihrem der Düse 3 abgewandten Ende weist die Stabilisierungsvorrichtung 6 einen Abschluss 7 auf, der die der Düse 3 abgewandte Öffnung der Spirale 6 verschließt, so dass die Kugel nicht durch den Strahl aus der Stabilisierungsvorrichtung 6 herausgedrückt werden kann. Die Stabilisierungsvorrichtung 6 verhindert also, dass die Kugel 1 bei einer kurzzeitig zu starken Auslenkung seitlich oder nach oben aus dem Luftstrom austreten kann. Die Rotation der Kugel wird durch die Vorrichtung aber nicht behindert, so dass trotzdem eine gleichmäßige Bearbeitung der Kugeloberfläche, d.h. speziell beim Kugelstrahlprozess ein gleichmäßiger Überdeckungsgrad erzielt werden kann. Für andere Kugeldurchmesser oder einen anderen Strahldruck kann die Vorrichtung ent¬ sprechend angepasst werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Oberflächenbehandlung zumindest eines Objektes,
wobei zumindest ein Strahl eines Strahlmittels erzeugt wird,
und das Objekt durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten wird, und die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass genau ein Strahl des Strahlmittels erzeugt wird, der im esentli chen senkrecht nach oben gerichtet ist, und das Objekt durch den einen Strahl im Schwebezustand gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt kugelförmig ist oder eine Kugel ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Strahl kegelförmig ist, wobei vorzugsweise der kegelförmige Strahl senkrecht nach oben gerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt in den Strahl eingebracht wird, indem das Objekt bei abgeschaltetem Strahl auf eine den Strahl erzeugende Düse aufgelegt und dann der Strahl eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt in den bestehenden Strahl, vorzugsweise mittels einer mechanischen Zuführungsvorrichtung, eingebracht wird .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Objekt durch eine Führungsvorrichtung im Strahl geführt wird, die die Bewegung des Objektes auf einen zylinderförmigen Bereich um eine Strahlachse beschränkt, wobei vorzugsweise die Führungsvorrichtung eine um die Strahlachse gewundene Spirale ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl zumindest ein Gas, Luft oder eine Flüssigkeit als Trägermedium aufweist, das das Strahlmittel transportiert .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahl des Strahlmittels erzeugt wird, der im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist und zusätzlich zumindest ein Strom des Trägermediums und/oder ein Strahl des Strahlmittels zur Stabilisierung des Objektes im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichteten Strahl erzeugt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Strahlen des Strahlmittels erzeugt wird, wobei die Strahlen in einem Raster, vorzugsweise mit zueinander parallelen Strahlrichtungen, so erzeugt werden, dass das zumindest eine Objekt über der, vorzugsweise gesamten, von dem Raster überspannten Fläche in der Schwebe gehalten wird und behandelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt über die von dem Raster überspannten Fläche bewegt wird und dabei durchgehend in der Schwebe gehalten wird .
Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes mit
zumindest einer Düse, mit der zumindest ein Strahl eines Strahlmittels so erzeugbar ist, dass das zu behandelnde Objekt durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten wird, und die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt wird.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 durchführbar ist.
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