EP2640551A1 - Vorrichtung und verfahren zur behandlung eines keramischen werkstücks - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur behandlung eines keramischen werkstücks

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Publication number
EP2640551A1
EP2640551A1 EP11785013.1A EP11785013A EP2640551A1 EP 2640551 A1 EP2640551 A1 EP 2640551A1 EP 11785013 A EP11785013 A EP 11785013A EP 2640551 A1 EP2640551 A1 EP 2640551A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
rolling
treatment
treatment body
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11785013.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Gegner
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SKF AB
Original Assignee
SKF AB
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SKF AB filed Critical SKF AB
Publication of EP2640551A1 publication Critical patent/EP2640551A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C71/00—After-treatment of articles without altering their shape; Apparatus therefor
    • 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
    • B23P9/02—Treating or finishing by applying pressure, e.g. knurling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B19/00—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group
    • B24B19/008—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group for grinding ceramics, pottery, table ware
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
    • 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
    • C21D7/08—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by burnishing or the like

Definitions

  • the present invention relates to the mechanical treatment of workpieces or components which have a ceramic material completely or at least in the region of the surface to be treated.
  • Ceramic materials are characterized by high hardness, strength and rigidity.
  • the most important structural ceramics include alumina, silicon carbide, silicon nitride and zirconia.
  • silicon nitride and silicon carbide are used, for example, in the production of rolling or sliding bearings. In addition to low wear, they have a high temperature and corrosion resistance.
  • DE 196 52 872 C2 discloses a method for increasing the edge Layer strength known on surfaces of workpieces made of brittle-hard materials.
  • the workpiece surface is brought into tightly limited surface areas in contact with a tool that removes material without plastically deformed the surface area and generates near the surface compressive residual stresses within the workpiece.
  • an irradiation with balls is proposed, which are driven onto the surface of the workpiece by means of a jet-driven or blast-wheel-driven blasting machine in order to achieve a plastic deformation of the surface, without so-called brittle fractures occurring. It can be seen that even ceramics have sufficient plastic deformability to allow the mechanical generation of residual compressive stresses in the surface layer.
  • a disadvantage of the method of shot peening is that the beam must be adjusted so that a limit to the occurrence of brittle fractures of the material is not exceeded, which narrows the accessible process window.
  • precise adjustment of momentum transfer to the material is not possible due to the statistical distribution of the particles in the jet.
  • the particles differ to some extent in terms of their shape, mass and speed, so that in terms of their impulses also results in a statistical distribution.
  • a certain safety distance to this limit which means that the stabilizing effect can not be fully exploited by increasing the residual compressive stresses.
  • a central idea of the present invention resides in a device for the mechanical treatment of a workpiece or component which has a ceramic material completely or at least in the region of the surface to be treated, with a treatment body which is designed to apply a substantially bum-free contact pressure to a surface of the workpiece To transfer workpiece and in the workpiece, which has the ceramic material to produce or increase residual compressive stresses.
  • the workpiece or the component may therefore comprise wholly or partly a ceramic, semi-ceramic or a composite material.
  • the treatment body preferably has a higher hardness than the ceramic to be treated, or the surface of the workpiece or component to be treated.
  • the contact pressure is set sufficiently high that it comes to plastic deformation in the ceramic, or in the workpiece or component.
  • the treatment parameters are chosen so that cracking is completely avoided or at least only takes place in uncritically small dimensions for the application of the workpiece or component.
  • Shock-free or virtually bum-free in the present description is understood to mean that no substantial momentum transfer takes place from the treatment tool to the workpiece.
  • the treatment body thus has substantially no momentum and also no relative speed relative to the workpiece.
  • a rolling body can be used as the treatment body.
  • the rolling body eg ball, cone, roller, cylinder
  • the rolling body can roll on the surface of the component or workpiece to be treated under a sufficiently large contact pressure.
  • the surface of the workpiece can be smoothed simultaneously, e.g. due to breakage of roughness peaks.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device for treating a workpiece or component.
  • Fig. 2 shows another embodiment of a device for treating a workpiece or component.
  • FIG. 1 illustrates a device 100 for processing a workpiece / component 110, wherein the workpiece / component 110 comprises a ceramic material, with a treatment body 120 that is configured to apply a substantially bumpless contact pressure force to a surface of the workpiece / component 110 transferred and in the workpiece / component 110, which has the ceramic material to produce or increase residual compressive stresses.
  • the treatment body 120 may have higher hardness than the ceramic material of the workpiece / component 110 to be treated.
  • the device 100 may further include a corresponding holding device or clamping device for fixing the workpiece 110.
  • the Halteeimichtung may be formed to exert on the workpiece 110 no forces that are above the brittle fracture limit of the workpiece.
  • the holding direction can be e.g. have appropriate jaws or be generally formed so as not to exceed a predetermined force on the workpiece 110.
  • the essentially bumpless or impulsive transmission is to be understood that the transmission can also be completely bumpless.
  • different treatment bodies 120 come into consideration in the treatment in which not always a pulse transmission, in particular during placement, can be avoided.
  • the actual treatment can, however, be bumpless.
  • Embodiments thus perform a method for building up compressive residual stress in a workpiece 110, wherein the workpiece 110 comprises a ceramic material.
  • the method comprises a step of essentially In other words, the pressing can be done with a constant or almost constant force.
  • the treatment body 120 may be designed as a rolling body 120, which transmits the contact pressure force to the surface of the workpiece 110 during rolling. Accordingly, the pressing can be generated by rolling by a relative movement between the workpiece 110 and the rolling body 120. The contact pressure can then be transmitted by rolling and thus kept substantially constant.
  • the rolling body 120 may be formed, for example, as a ball or as a roller. 1 shows an example of a treatment body 120 which is formed in a spherical shape. In principle, in embodiments with rolling elements 120, any shapes for the rolling body 120 are conceivable, provided that they are suitable for unrolling, or substantially for unwinding, such as, for example, rolling. Balls, rollers, cones, etc. Thus, in the corresponding method, a step of substantially bum-free placement of a ball or a roller on the workpiece 110 may be provided.
  • Exemplary embodiments do not exclude that slippage may occur between the rolling body 120 and the surface of the workpiece 110.
  • the treatment body 120 both exerts the contact force on the surface of the workpiece 110, as well as causes a smoothing effect.
  • the smoothing effect can be caused for example by ablation (abrasive) or by breaking the roughness peaks on the surface.
  • a grinding effect can additionally be caused by the treatment body 120.
  • a small material removal z. B. by breaking roughness peaks (thus possibly smoothing the surface is connected) may be provided.
  • the treatment body 120 may comprise a ceramic and / or a metallic material.
  • metal eg high-strength steel
  • ceramic eg shot-blasted silicon nitride
  • a composite material eg hard metal: for example WC / Co
  • the B auteil / workpiece 110 may in particular consist of polymer-derived ceramic and have a certain metallic content.
  • the (functional) surface to be treated can be ground and, after the treatment / roll treatment to set a desired roughness with low material removal surface treated or processed (eg honed) or used directly without further finishing or finishing.
  • the apparatus 100 may further include, in embodiments, means for effecting relative movement between the workpiece 110 and the treatment body 120. According to the embodiments already described above, this relative movement may provide for unrolling of the treatment body 120. In other exemplary embodiments, however, it is also possible, for example, for a massaging relative movement between the treatment body 120 and the surface of the workpiece 110, wherein unrolling need not necessarily be provided for this purpose. Embodiments are not limited to a particular movement of the relative movement.
  • the relative movement may, for example, be circular, sinusoidal, sawtooth, or similar.
  • the treatment tool 120 can move and the workpiece 110 can be held. It is also conceivable to hold the treatment tool 120 and to move the workpiece 110.
  • both treatment tool 120 and also the workpiece 110 are moving.
  • either the rolling body 120 or the component 110 or both may be moved (rotated).
  • An estimation of the actions) with equal or different treatment body diameters and / or contact pressures allows the calculation of the depth distribution (s) of the Mises reference voltage for the respective Hertzian contact (s).
  • exemplary embodiments may comprise a device 100 or a method, wherein a pressing or rolling step is performed simply or repeatedly simultaneously or successively with one or more treatment or rolling bodies 120 of the same or different diameter with a constant, nearly constant or specifically varying contact force.
  • the device 100 may be configured to transmit the contact force of the treatment body 120 by direct contact with the surface of the workpiece 110. This method is shown in FIG. 1. The pressing force is transmitted directly from the treatment body 120 to the surface of the workpiece 110.
  • FIG. 2 shows first the same embodiment as Fig. 1, therefore, the device 100, the workpiece / component 110 and the treatment body 120.
  • the device 100 In contrast to the embodiment of Fig. 1 is located in the embodiment of Fig. 2 between the surface of Workpiece 110 and the treatment body 120 an intermediate substance 140. This is indicated in Fig. 2 by the enlarged portion 130.
  • the pressing force is transferred from the precursor 140 to the surface of the workpiece 110, wherein the precursor may be solid, liquid or gaseous, and the pressing force is transmitted from the treatment body 120 to the precursor 140.
  • An advantage of the embodiment shown in Fig. 2 is that in roll treatment of Intermediate 140 can reduce the friction and thus energy loss in contact, which enhances the desired compressive residual stress build-up in the workpiece / component 110.
  • the device 100 may be configured to transmit the contact force of the treatment body 120 by indirect contact with a surface of the workpiece 110.
  • a suitable (eg, liquid) precursor 140 may be solid, liquid or gaseous.
  • Embodiments may also provide for carrying out the step of unrolling repeatedly.
  • Embodiments may thus comprise a method of mechanical surface treatment in which surfaces of ceramic materials and components 110 are treated or processed.
  • the surface by simply or repeatedly, simultaneously or successively rolling one or more rolling elements 120 of the same or different diameters either without direct contact on a gaseous, liquid or solid precursor 140 or in direct contact with little or vanishing material removal by a (nearly) constant or selectively varying contact pressure can be applied to residual compressive stresses.
  • the compressive residual stresses generated can increase the static and dynamic strength (eg impression or rolling strength).
  • the fatigue life of a cyclically loaded ceramic component increases.
  • the usefulness is shown by the compressive stresses as inherent stresses of the first type, such as load stresses, which are included in the stress intensity factor, which corresponds to an increase in toughness (resistance to crack growth).
  • ceramic rolling bearing rolling elements eg cylindrical rollers
  • roller bearing rings can be treated in order to increase the service life of the bearing. Wear resistance is also increasing. It appears to be particularly expedient to treat cheaper ceramic types (eg polymer-derived ceramic, aluminum oxide) according to the invention in order to reinforce the surface layer which is highly stressed during operation with a cost-effective method.

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Abstract

Ein Konzept zur Behandlung eines Werkstücks 110, wobei das Werkstück 110 vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweist, mit einem Behandlungskörper 120, der ausgebildet ist, um eine im Wesentlichen stoßfrei Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks 110 zu übertragen und in dem Werkstück 110, das den keramischen Werkstoff aufweist, Druckeigenspannungen zu erzeugen oder zu erhöhen.

Description

B e s c h r e i b u n g
Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung eines keramischen Werkstücks
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die mechanische Behandlung von Werkstücken oder Bauteilen, die vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweisen.
Aus dem Bereich der konventionellen Technik ist bekannt, dass sich keramische Werkstoffe, die beispielsweise für Bauteile im Maschinen- und Automobilbau verwendet werden, durch ihre Sprödigkeit und geringe Duktilität (hoher innerer Gleitwiderstand) nachteilig auszeichnen. Zugspannungsabhängig kommt es in vielen Fällen zu einem Versagen, welches zumeist von der Materialoberfläche ausgeht. Die statische und dynamische Festigkeit (z.B. gegenüber Wälzermüdungen) dieser Werkstoffe ist begrenzt.
Keramische Materialien zeichnen sich durch eine hohe Härte, Festigkeit und Steifigkeit aus. Zu den wichtigen Strukturkeramiken zählen vor allem Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Zirkonoxid. Insbesondere Siliziumnitrid und Siliziumcarbid werden zum Beispiel bei der Herstellung von Wälz- bzw. Gleitlagern eingesetzt. Sie weisen neben geringem Verschleiß eine hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit auf.
Im Betrieb eines Bauteils wird meist die Werkstoffrandschicht am stärksten beansprucht. Aus der DE 196 52 872 C 2 ist ein Verfahren zur Steigerung der Rand- Schichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken bekannt. Hierbei wird die Werkstückoberfläche in eng begrenzten Oberflächenbereichen mit einem Werkzeug in Kontakt gebracht, das ohne Werkstoff abzutragen den Oberflächenbereich plastisch verformt und innerhalb des Werkstückes oberflächennahe Druckeigenspannungen erzeugt. Um dies zu erreichen wird ein Bestrahlen mit Kugeln vorgeschlagen, die mittels einer druckluftbetriebenen oder schleuderradgetriebenen Strahlanlage auf die Werkstückoberfläche getrieben werden, um eine plastische Verformung der Oberfläche zu erreichen, ohne dass so genannte Sprödbrüche auftreten. Daraus geht hervor, dass auch Keramiken hinreichende plastische Verformbarkeit besitzen, um die mechanische Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Randschicht zu ermöglichen.
Weiterhin ist im Rahmen des Standes der Technik für hochbeanspruchte Bauteile die Verwendung kostenintensiver Hochleistungskeramiken bekannt, wie etwa heiß (isostatisch) gepresstes Siliziumnitrid, welches zum Beispiel für ermüdungsbean- spruchte Bauteile, wie Wälzlager, eingesetzt wird. Alternativ sind aus der Literatur für die Verwendung kostengünstigerer Keramikwerkstoffe auch Verfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in der oberflächennahen Randschicht von Werkstücken bekannt. Hierbei wird etwa auf Kugelstrahlen oder Ionenimplantation verwiesen.
Nachteilig an dem Verfahren des Kugelstrahlens ist, dass der Strahl so eingestellt werden muss, dass eine Grenze zum Auftreten der Sprödbrüche des Werkstoffs nicht überschritten wird, was das zugängliche Prozessfenster einengt. Bei Verfahren, die Druckluft oder ein anderes Medium zum Erzeugen des Strahls und zum Beschleunigen von Kugeln oder Partikeln verwenden, ist eine exakte Einstellung der Impulsübertragung auf den Werkstoff aufgrund der statistischen Verteilung der Partikel in dem Strahl nicht möglich. Die Partikel weichen hinsichtlich ihrer Form, Masse und Geschwindigkeit in gewissem Maße voneinander ab, so dass sich hinsichtlich ihrer Impulse ebenfalls eine statistische Verteilung ergibt. Um die Bruchgrenze des Werkstoffs nicht zu überschreiten, wird daher ein gewisser Sicherheits- abstand zu dieser Grenze eingehalten, was dazu führt, dass der stabilisierende Effekt durch die Erhöhung der Druckeigenspannungen nicht vollständig ausgenutzt werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur mechanischen Behandlung von Werkstücken oder Bauteilen, die vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweist, zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt in einer Vorrichtung zur mechanischen Behandlung eines Werkstücks oder Bauteils, das vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweist, mit einem Behandlungskörper, der ausgebildet ist, um eine im Wesentlichen stoßfreie Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks zu übertragen und in dem Werkstück, das den keramischen Werkstoff aufweist, Druckeigenspannungen zu erzeugen oder zu erhöhen. Das Werkstück oder das Bauteil kann demnach vollständig oder teilweise einen keramischen, teilkeramischen oder einen Verbundwerkstoff aufweisen. Bevorzugt weist der Behandlungskörper eine höhere Härte als die zu behandelnde Keramik, bzw. die Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks oder Bauteils, auf. Die Anpresskraft wird hinreichend hoch eingestellt, dass es zu plastischer Verformung in der Keramik, bzw. in dem Werkstück oder Bauteil, kommt. Die Behandlungsparameter werden so gewählt, dass Rissbildung vollständig vermieden wird oder zumindest nur in für die Anwendung des Werkstücks oder Bauteils unkritisch geringem Maße erfolgt.
Es ist ein Kerngedanke von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, mechanisch erzeugte Druckeigenspannungen in die Oberfläche und die randnahen Werkstoffzonen von Werkstücken oder Bauteilen, die keramische Werkstoffe auf- weisen, möglichst stoßfrei oder nahezu stoßfrei einzubringen. Dies beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass bei einer stoßfreien Kraftübertragung gerade sprödharte Werkstoffe, wie beispielsweise Keramiken, näher an deren Bruchgrenze (Sprödbruchgrenze) bearbeitet bzw. behandelt werden können. Die Anpresskraft ist durch eine stoßfreie oder nahezu stoßfreie Behandlung oder Bearbeitung definierter einstellbar als beispielsweise bei Bestrahlungsverfahren. Dadurch lassen sich insbesondere keramische Werkstoffe näher an deren Bruchgrenze behandeln oder bearbeiten und insgesamt kann eine verbesserte Stabilität erzielt werden.
Unter stoßfrei bzw. nahezu stoßfrei sei in der vorliegenden Beschreibung verstanden, dass von dem Behandlungs Werkzeug auf das Werkstück kein wesentlicher Impulsübertrag stattfindet. In anderen Worten soll die Anpresskraft zwar auf die Oberfläche des Werkstücks übertragen werden, jedoch soll dies weitgehend„impulslos" oder stoßfrei erfolgen. Dabei wird von dem Behandlungskörper auf das Werkstück ein Stoß, ein Impuls oder auch Energie insoweit übertragen, als die Oberfläche des Werkstücks der Anpresskraft des Behandlungskörpers nachgibt. Der Behandlungskörper besitzt somit relativ zu dem Werkstück im Wesentlichen keinen Impuls und auch keine Relativgeschwindigkeit.
In Ausführungsbeispielen kann als Behandlungskörper ein Rollkörper verwendet werden. Hierzu kann auf der zu behandelnden Oberfläche des Bauteils oder Werkstücks der Rollkörper (z. B. Kugel, Kegel, Walze, Zylinder) unter einem hinreichend großen Anpressdruck abrollen. Dabei kann vorteilhafterweise die Oberfläche des Werkstücks gleichzeitig geglättet werden, z.B. durch Bruch von Rauheitsspitzen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstücks oder Bauteils; und Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstücks oder Bauteils.
Fig. 1 illustriert eine Vorrichtung 100 zur Behandlung eines Werkstücks/Bauteils 110, wobei das Werkstück/Bauteil 110 einen keramischen Werkstoff aufweist, mit einem Behandlungskörper 120, der ausgebildet ist, um eine im Wesentlichen stoßfreie Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks/Bauteils 110 zu übertragen und in dem Werkstück/Bauteil 110, das den keramischen Werkstoff aufweist, Druckeigenspannungen zu erzeugen oder zu erhöhen.
Der Behandlungskörper 120 kann höhere Härte besitzen als der zu behandelnde keramische Werkstoff des Werkstücks/Bauteils 110.
Die Vorrichtung 100 kann ferner eine entsprechende Halteeimichtung oder Spanneinrichtung zur Fixierung des Werkstücks 110 aufweisen. Die Halteeimichtung kann ausgebildet sein, um auf das Werkstück 110 keine Kräfte auszuüben, die über der Sprödbruchgrenze des Werkstücks liegen. Demnach kann die Halteeimichtung z.B. entsprechende Backen aufweisen oder generell ausgebildet sein, um eine vorgegebene Kraft auf das Werkstück 110 nicht zu überschreiten.
Dabei ist die im Wesentlichen stoßfreie oder impulslose Übertragung so zu verstehen, dass die Übertragung auch vollständig stoßfrei erfolgen kann. Wie im Folgenden näher erläutert werden wird, kommen bei der Behandlung verschiedene Behandlungskörper 120 in Betracht, bei denen nicht immer eine Impulsübertragung, insbesondere beim Aufsetzen, vermieden werden kann. Die eigentliche Behandlung kann jedoch stoßfrei erfolgen.
Ausführungsbeispiele führen demnach ein Verfahren zum Aufbau von Druckeigenspannung in einem Werkstück 110 durch, wobei das Werkstück 110 einen keramischen Werkstoff aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des im Wesentli- chen stoßfreien Anpressens eines Behandlungskörpers 120 und einen Schritt des Übertragens einer Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks 110. In anderen Worten kann das Anpressen mit einer konstanten oder nahezu konstanten Kraft erfolgen.
In Ausführungsbeispielen kann der Behandlungskörper 120 als Rollkörper 120, der bei einem Abrollen die Anpresskraft auf die Oberfläche des Werkstücks 110 überträgt, ausgebildet sein. Dementsprechend kann das Anpressen durch Abrollen durch eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 110 und dem Rollkörper 120 erzeugt werden. Die Anpresskraft kann dann durch Abrollen übertragen und damit im Wesentlichen konstant gehalten werden. Der Rollkörper 120 kann beispielsweise als Kugel oder als Walze ausgebildet sein. Fig. 1 zeigt hier beispielhaft einen Behandlungskörper 120 der in kugelartiger Gestalt ausgebildet ist. Prinzipiell sind in Ausführungsbeispielen mit Rollkörpern 120 beliebige Formen für den Rollkörper 120 denkbar, sofern sich diese zum Abrollen, oder im Wesentlichen zum Abrollen, eignen, wie z.B. Kugeln, Walzen, Kegel, usw. Im entsprechenden Verfahren kann also auch ein Schritt des im Wesentlichen stoßfreien Aufsetzens einer Kugel oder einer Walze auf dem Werkstück 110 vorgesehen sein.
Ausführungsbeispiele schließen dabei nicht aus, dass es zwischen dem Rollkörper 120 und der Oberfläche des Werkstücks 110 zu Schlupf kommen kann. In anderen Worten kann es in Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass der Behandlungskörper 120 sowohl die Anpresskraft auf die Oberfläche des Werkstücks 110 ausübt, als auch einen glättenden Effekt hervorruft. Der glättende Effekt kann beispielsweise durch Abtragen (abrasiv) oder durch Brechen der Rauigkeits spitzen auf der Oberfläche hervorgerufen werden. Auch ein schleifender Effekt kann zusätzlich durch den Behandlungskörper 120 hervorgerufen werden. In anderen Worten kann in Ausführungsbeispielen mit direkten Kontakt zwischen dem Behandlungskörper 120 und der Oberfläche des Werkstücks 110 ein geringer Materialabtrag z. B. durch Bruch von Rauheits spitzen (damit ist ggf. ein Glätten der Oberfläche verbunden) vorgesehen sein. In Ausführungsbeispielen kann der Behandlungskörper 120 einen keramischen und/oder einen metallischen Werkstoff aufweisen. Als Behandlungs-/Rollkörperma- terial kann Metall (z. B. hochfester Stahl), Keramik (z. B. kugelgestrahltes Siliziumnitrid) oder ein Verbundwerkstoff (z. B. Hartmetall: etwa WC/Co) verwendet werden. Das B auteil /Werkstück 110 kann insbesondere aus polymerabgeleiteter Keramik bestehen und einen bestimmten metallischen Anteil aufweisen. Die zu behandelnde (Funktions-) Fläche kann geschliffen sein und nach der Behandlung/Rollbehandlung zur Einstellung einer gewünschten Rauhigkeit mit geringem Materialabtrag oberflächenbehandelt bzw. -bearbeitet (z.B. gehont) oder direkt ohne weitere Endbearbeitung bzw. Endbehandlung eingesetzt werden.
Die Vorrichtung 100 kann in Ausführungsbeispielen ferner eine Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück 110 und dem Behandlungskörper 120 aufweisen. Gemäß den oben bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen kann diese Relativbewegung ein Abrollen des Behandlungskörpers 120 vorsehen. In anderen Ausführungsbeispielen kann es aber beispielsweise auch zu einer massierenden Relativbewegung zwischen dem Behandlungskörper 120 und der Oberfläche des Werkstücks 110 kommen, wobei ein Abrollen dabei nicht zwingend vorgesehen sein muss. Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf einen bestimmten Bewegungsablauf der Relativbewegung eingeschränkt. Die Relativbewegung kann beispielsweise kreisförmig, sinuswellenförmig, sägezahnförmig, oder ähnlich verlaufen. Dazu kann sich das Behandlungswerkzeug 120 bewegen und das Werkstück 110 kann festgehalten werden. Es ist auch denkbar, das Behandlungswerkzeug 120 festzuhalten und das Werkstück 110 zu bewegen. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es denkbar, dass sich sowohl Behandlungswerkzeug 120 und auch das Werkstück 110 bewegen. In anderen Worten können in Ausführungsbeispielen zur Erzielung der Relativbewegung entweder der Rollkörper 120 oder das Bauteil 110 oder auch beide bewegt (gedreht) werden. Es können auch mehrere Behandlungskörper/Rollkörper 120 mit gleichen oder verschiedenen Durchmessern verwendet werden und diese in einem integrierten Behandlungswerkszeug gemein- sam gleichzeitig oder auch mehrfach in einer Einzelkörpervorrichtung 100 nach Austausch zeitlich nacheinander jeweils bei (nahezu) konstantem oder gezielt variierender Anpresskraft abgerollt werden, um den gewünschten Druckeigenspannung saufbau (Maximum, Tiefe) zu erreichen. Eine Abschätzung der Einwirkungen) bei gleichen oder verschiedenen Behandlungskörperdurchmessern und/oder Anpressdrücken erlaubt die Berechnung der Tiefenverteilung(en) der Vergleichsspannung nach von Mises für den/die jeweiligen Hertzschen Kontakt(e).
Ausführungsbeispiele können demnach eine Vorrichtung 100 oder ein Verfahren umfassen, wobei ein Schritt des Anpressen oder des Abrollens einfach oder wiederholt gleichzeitig oder aufeinander folgend mit einem oder mehreren Behandlungsoder Rollkörpern 120 gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers bei konstanter, nahezu konstanter oder gezielt variierender Anpresskraft ausgeführt wird.
Die Vorrichtung 100 kann ausgebildet sein, um die Anpresskraft des Behandlungskörpers 120 durch direkte Berührung mit der Oberfläche des Werkstücks 110 zu übertragen. Dieses Verfahren ist in der Fig. 1 dargestellt. Die Anpresskraft wird direkt von dem Behandlungskörper 120 auf die Oberfläche des Werkstücks 110 übertragen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt zunächst das gleiche Ausführungsbeispiel wie die Fig. 1, demnach die Vorrichtung 100, das Werkstück/Bauteil 110 und den Behandlungskörper 120. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 befindet sich in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zwischen der Oberfläche des Werkstücks 110 und dem Behandlungskörper 120 ein Zwischenstoff 140. Dies ist in der Fig. 2 durch den vergrößerten Bereich 130 angedeutet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Anpresskraft von dem Zwischenstoff 140 auf die Oberfläche des Werkstücks 110 übertragen, wobei der Zwischenstoff fest, flüssig oder gasförmig sein kann, und die Anpresskraft von dem Behandlungskörper 120 auf den Zwischenstoff 140 übertragen wird. Ein Vorteil des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass bei Rollbehandlung der Zwischenstoff 140 die Reibung und damit Energie Verluste im Kontakt vermindern kann, was den gewünschten Druckeigenspannungsaufbau im Werkstück/Bauteil 110 verstärkt.
In Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 100 ausgebildet sein, um die Anpresskraft des Behandlungskörpers 120 durch indirekte Berührung mit einer Oberfläche des Werkstücks 110 zu übertragen. Die Erhöhung der Druckeigenspannungen in der Oberfläche des Werkstücks 110 kann demnach ohne direkte Berührung von Rollkörper 120 und Bauteiloberfläche 110 erfolgen, indem ein geeigneter (z. B. flüssiger) Zwischenstoff 140 verwendet wird. Der Zwischenstoff 140 kann dabei fest, flüssig oder gasförmig sein.
Ausführungsbeispiele können dabei auch vorsehen, den Schritt des Abrollens wiederholt auszuführen. Ausführungsbeispiele können demnach ein Verfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung umfassen, bei dem Oberflächen von keramischen Werkstoffen und Bauteilen 110 behandelt oder bearbeitet werden. Dabei kann die Oberfläche durch einfaches oder wiederholtes, gleichzeitiges oder aufeinander folgendes Abrollen eines oder mehrerer Wälzkörper 120 gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers entweder ohne direkte Berührung über einen gasförmigen, flüssigen oder festen Zwischenstoff 140 oder im direkten Kontakt mit geringem oder verschwindendem Materialabtrag durch eine (nahezu) konstante oder gezielt variierende Anpresskraft mit Druckeigenspannungen beaufschlagt werden.
Durch die erzeugten Druckeigenspannungen kann die statische und dynamische Festigkeit (z. B. Eindruck- oder Wälzfestigkeit) erhöht werden. Die Ermüdungslebensdauer eines zyklisch belasteten keramischen Bauteils nimmt zu. Bruchmechanisch zeigt sich der Nutzen, indem die Druckeigenspannungen als Eigenspannungen 1. Art wie Lastspannungen in den Spannungsintensitätsfaktor eingerechnet werden, was einer Steigerung der Zähigkeit (Widerstand gegen Risswachstum) entspricht. Es können beispielsweise keramische Wälzlagerrollkörper (z. B. Zylinderrollen) oder Wälzlagerringe behandelt werden, um die Lebensdauer des Lagers zu erhöhen. Auch der Verschleiß wider stand nimmt zu. Besonders sinnvoll erscheint es, günstigere Keramiksorten (z. B. polymerabgeleitete Keramik, Aluminiumoxid) erfindungsgemäß zu behandeln, um so die im Betrieb hoch beanspruchte Oberflächenschicht mit einem kostengünstigen Verfahren zu verstärken.
Bezugszeichenliste
100 Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstücks
110 Werkstück
120 Behandlungskörper
130 Vergrößerungsbereich
140 Zwischenstoff

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung eines keramischen Werkstücks
1. Eine Vorrichtung (100) zur Behandlung eines Werkstücks (110), wobei das Werkstück (110) vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweist, mit einem Behandlungskörper (120), der ausgebildet ist, um eine im Wesentlichen stoßfreie Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks (110) zu übertragen und in dem Werkstück (110), das den keramischen Werkstoff aufweist, Druckeigenspannungen zu erzeugen oder zu erhöhen.
2. Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der der Behandlungskörper
(120) als Rollkörper (120), der bei einem Abrollen die Anpresskraft auf die Oberfläche des Werkstücks (110) überträgt, ausgebildet ist.
3. Die Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 2, bei der der Rollkörper (120) als Kugel oder als Walze ausgebildet ist.
4. Die Vorrichtung (100) gemäß einem vorangehenden Ansprüche bei der der Behandlungskörper (120) einen keramischen und/oder einen metallischen und/oder Verbund- Werkstoff aufweist.
5. Die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (110) und dem Behandlungskörper (120) aufweist.
6. Die Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, die ausgebildet ist, um die Anpresskraft des Behandlungskörpers (120) durch direkte Berührung mit einer Oberfläche des Werkstücks (110) zu übertragen oder die ausgebildet ist, um die Anpresskraft des Behandlungskörpers (120) durch indirekte Berührung mit einer Oberfläche des Werkstücks (110) über einen Zwischenstoff (140) zu übertragen.
7. Ein Verfahren zur Erhöhung der Druckeigenspannung eines Werkstücks
(110), wobei das Werkstück (110) vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweist, durch im Wesentlichen stoßfreies Anpressen eines Behandlungskörpers (120); und
Übertragen einer Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks (110).
8. Das Verfahren gemäß Anspruch 7 bei dem die Anpresskraft direkt von dem Behandlungskörper (120) auf die Oberfläche des Werkstücks (110) übertragen wird oder bei dem die Anpresskraft von einem Zwischenstoff (140) auf die Oberfläche des Werkstücks (110) übertragen wird, wobei der Zwischenstoff (140) fest, flüssig oder gasförmig ist, und die Anpresskraft von dem Behandlungskörper (120) auf den Zwischenstoff (140) übertragen wird.
9. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem der Behandlungskörper (120) ein Rollkörper (120) ist und das Anpressen durch Abrollen durch eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück (110) und dem Rollkörper (120) erzeugt wird.
10. Die Vorrichtung (100) oder das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 bei dem das Anpressen oder Abrollen einfach oder wiederholt gleich- zeitig oder aufeinander folgend mit einem oder mehreren Behandlungsoder Rollkörpern (120) gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers bei konstanter, nahezu konstanter oder gezielt variierender Anpresskraft ausgeführt wird.
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