WO2009000232A1 - Verfahren und vorrichtung zum oberflächenstrahlen eines bauteils im bereich einer durchgangsöffnung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum oberflächenstrahlen eines bauteils im bereich einer durchgangsöffnung Download PDF

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WO2009000232A1
WO2009000232A1 PCT/DE2008/000968 DE2008000968W WO2009000232A1 WO 2009000232 A1 WO2009000232 A1 WO 2009000232A1 DE 2008000968 W DE2008000968 W DE 2008000968W WO 2009000232 A1 WO2009000232 A1 WO 2009000232A1
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WO
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passage opening
component
region
counter
deflection tool
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PCT/DE2008/000968
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Erwin Bayer
Eggert Reese
Jürgen STEINWANDEL
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Mtu Aero Engines Gmbh
Eads Deutschland Gmbh
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Publication date
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Priority to AT08773264T priority patent/ATE551154T1/de
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    • 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
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/47—Burnishing
    • Y10T29/479—Burnishing by shot peening or blasting

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for surface blasting, in particular for ultrasonic shot peening, of a component in the region of a through-opening of the type indicated in the preambles of claims 1 and 12, respectively.
  • a device which comprises a vibration device in the form of an ultrasonic sonotrode for acting on or accelerating the blasting material and respective counter-elements.
  • the vibration device on one side and the respective counter element on the opposite side are arranged relative to a component region having the passage opening.
  • the blasting of the component then takes place in two stages. In a first stage, the edge region facing the vibration device is blasted between the surface of the corresponding side of the component region and an inner surface of the through-opening.
  • a counter element is used, which is plugged into the passage opening in the manner of a plug pin.
  • the counter element and the passage opening thus have substantially identical cross sections.
  • a different counter element is used, which rests flat on the opposite side of the vibration of the device on the corresponding surface of the corresponding component area.
  • a homogeneous hardening of the surfaces in the region of the passage opening is to be created by the two steps of the surface blasting, so as to create a connection of the component - in this case a rotor disk of a gas turbine - which is extremely resistant to failure due to cracking.
  • Object of the present invention is to provide a method and an apparatus of the type mentioned, by means of which a particularly reliable and uniform solidification of the fürgangsöffhung having component area can be achieved.
  • the counter element is arranged at a distance from the corresponding side of the component region. In other words, it is provided according to the invention not to position the counter element, in contrast to the prior art according to DE 10 2004 059 592 Al directly on the corresponding surface area of the component, but rather to provide a corresponding distance.
  • an edge region between a counterelement facing surface of the corresponding side of the component region and an inner surface of the through holes is uniformly surface blasted.
  • the corresponding side of the component region is also achieved that the surface near the through hole is also solidified particularly reliable.
  • Another advantage is, moreover, that both opposing edge regions between the respective surfaces and the inner surface of the through hole can be simultaneously surface-blasted, so that the entire component in the region of the passage opening can be processed in one process step.
  • a method is provided with which a targeted treatment of through holes or boreholes in components made of aluminum base alloys can be provided which tend, for example, with appropriate vibration load and / or static force or pressurization to cracking.
  • a targeted treatment of through holes or boreholes in components made of aluminum base alloys can be provided which tend, for example, with appropriate vibration load and / or static force or pressurization to cracking.
  • the counter element is also designed as a sonotrode, which in addition to the abovementioned leads leads to a homogenization of the beam result and to a shortening of the beam time.
  • one of the passage opening facing, non-planar inner side of the counter element is used, by means of which an edge region between a surface of the corresponding side of the component region and an inner surface of the passage opening is surface-blasted.
  • the use of a non-planar inner side of the counter element ensures that the edge side between the respective surface of the component and the inner surface of the through opening can be solidified or rounded in an ideal manner.
  • the inner surface is blasted particularly well and uniformly, in particular in the upper region, ie near the counter element.
  • a deflection tool is arranged in the passage opening.
  • a deflection tool which has a smaller cross-section than the corresponding through-opening, a targeted deflection of the part through the vibration device is achieved.
  • accelerated blasting material reaches in the direction of the inner surface of the through hole, so that it is solidified particularly reliable and homogeneous.
  • the deflection tool is arranged in the passage opening from the side of the counter element. Consequently, the deflection tool is preferably positioned on the side opposite the vibration device so that the abrasive material accelerated by the vibration device is deflected in a particularly advantageous manner by means of the deflection tool, in particular in the direction of the inner surface of the through hole.
  • the deflection tool is arranged together with the counter element relative to the surface area of the component having the passage opening. This results in a procedurally particularly simple arrangement of the counter element and the deflection tool, wherein moreover can be ensured in a simple manner that the counter element and the deflection tool are always positioned consistently relative to each other. Thus, a particularly good reproducibility of surface blasting can be ensured.
  • the deflection tool dimensioned smaller than the passage opening in the cross section is moreover preferably arranged in a central region of the passage opening, so that it has a preferably uniform distance to the corresponding inner surface of the passage opening on all sides. As a result, a particularly homogeneous solidification of the inner surface of the passage opening is achieved.
  • the deflection tool is arranged over a partial length of the passage opening within the latter. Since, according to experience, the inner surface of the passage opening near the vibration device is sufficiently solidified, it is particularly necessary for the deflection tool to be positioned in the partial length of the passage opening which is arranged away from the vibration device. Consequently Overall, a very homogeneous or uniform solidification of the inner surface of the passage opening is ensured by a deflection tool positioned over only a partial length of the passage opening.
  • a surface of the vibration device acting on the blasting material is arranged at a distance from the corresponding side of the surface region of the component.
  • the surface of the corresponding side of the component region facing the vibration device or an edge region between this surface and the inner surface of the through-opening is also solidified or rounded off in a particularly reliable manner.
  • both the counter element as well as the vibrating surface of the vibration device are arranged at a respective distance from the corresponding surface of the component, a particularly reliable solidification of the two edge regions between the respective surfaces and the inner surface of the through hole can be achieved.
  • the surface region of the component having the passage opening is arranged essentially horizontally and the vibration device is arranged below the surface region.
  • the previously described deflection tool has in a further embodiment of the invention at its free end on a Ablenkspitze, which additionally ensures that accelerated by the vibrating device blasting material passes in a particularly advantageous manner in the direction of the inner surface of the through hole.
  • a holding device is provided by means of which the surface region of the component having the passage opening can be arranged relative to the vibration device or the counter element.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through an apparatus for ultrasonic shot peening of a component in the region of a through hole, wherein a blasting material acting on the vibrating device is arranged to a lower side and a counter-element on an opposite upper side relative to the passage opening having component portion, and wherein both the vibration device as well as the counter element are arranged at a respective distance to the corresponding side of the component region; and in 2 shows a schematic diagram of the depth distribution of the solidification or the compressive residual stress profile in the solidified edge layers or surfaces of the component, in particular in the region of the passage opening.
  • exposed areas occur where e.g. Bolt mounts are given with high force application or pressurization.
  • An example of such exposed locations are engine and surface fasteners or attachment points for external loads such as extra tanks or weapons.
  • For through-holes for bolts in light metals for example in aluminum base alloys, which typically accommodate bolts of a Fe / Ni material, e.g. to be reckoned with vibration and stress corrosion cracking.
  • the damage occurs in any case on the side of the light metal, ie in the region of the passage opening for the bolt on.
  • Untreated surfaces lead to rapid failure as a result of massive cracking, depending on relevant parameters such as pressure, force application or shrinkage stress. It is therefore absolutely necessary to construct a suitable compressive residual stress profile or suitable solidification in the boundary layer of corresponding passage openings.
  • a device for this purpose, comprises a vibration device 10 which is shown in section and which comprises a corresponding surface 12 by means of which blasting material - in the present case in the form of steel balls 14 - can be acted upon or accelerated.
  • the vibration device 10 is embodied, for example, as an ultrasound sonotrode and oscillates-as indicated by the double arrow 16 -approximately perpendicular to its surface 12. From FIG. 1 it can be seen that the vibration device 10 rests on a lower side 18 of a case extending approximately horizontally, section shown advantage section 20 of a component 22 is arranged.
  • a passage opening 24 is provided, which in the present example has a circular cross-section and serves to receive a bolt.
  • the component 22 may be, for example, a lightweight component from aircraft construction, which is created in particular from an aluminum-based alloy.
  • a variety of other components from the aircraft industry in particular in the form of engine parts would be conceivable.
  • a counter-element 28 is arranged on an upper side 26 of the component region 20 of the component 22 opposite the vibration device 10, the function of which will be explained in more detail below. Also, the counter element 28 is shown in the present case in a schematic sectional view.
  • both the vibration device 10 and the counter element 28 completely cover the clear cross section of the passage opening 24.
  • the vibration device 10 and the counter element 28 are associated with a blasting chamber 30, the blasting chamber walls 32 are shown in Figure 1 only very schematically by corresponding lines. It should therefore be explicitly noted that the vibration device 10 or its vibrating surface 12 is designed to be movable or vibrating relative to the blasting chamber 30 or its blasting chamber walls 32.
  • the component region 20 of the component 22 is held in such a manner by means of a holding device 34 or by means of retaining elements 36 shown only extremely schematically that the through-opening 24 is positioned within the blasting chamber 30.
  • the arrangement or positioning of the vibration device 10, the counter element 28 and the component region 20 relative to one another is achieved by the holding device 34 or the holding elements 36.
  • the method to be carried out by means of the described device for ultrasonic shot peening of the component region 20 encompassing the through-opening 24 is characterized in particular by the induction of an extremely homogeneous charge voltage profile or an extremely homogeneous solidification. Since the surface 12 of the vibration device 10 is arranged at a distance from the corresponding lower side 18, a part of the balls 14 accelerated by the surface 12 strikes a surface 42 of the lower side 18. In addition, part of the balls 14 impinge directly on the lower region of an inner surface 44 of the passage opening 24. In addition, the edge region 46 is uniformly surface-blasted between the surface 42 and the inner surface 44 of the passage opening, so that the edge region 46, on the one hand, solidifies and, on the other hand, is rounded off - provided with a radius.
  • a portion of the balls 14 accelerated by means of the surface 12 of the vibration device 10 is also deflected or diverted by means of the deflection tool 38 or the deflection tip 40 in such a way that the balls 14 in particular reach the upper area of the inner surface 44 of the passage opening 24.
  • the deflection tool 38 a homogeneous solidification or a homogeneous Druckeigenschreibs- profile over the entire inner surface 44 of the through hole 24 is achieved.
  • Another part of the balls 14 accelerated by the surface 12 of the vibration device 10 rebounds against the counter element 28, which is arranged at a distance from the corresponding upper side 26 of the component region 20.
  • One of the through-opening 24 facing inside 48 of the counter-element 28 is non-planar, but rather slightly tapered or obliquely formed in the present case.
  • the balls striking the inner side 48 are deflected obliquely outwards so that, on the one hand, a surface 50 of the upper side 26 of the component region 20 and, on the other hand, in particular an edge region 52 between the surface 50 and the inner surface 44 of the through-hole 24 solidifies becomes.
  • the edge region 52 between the surface 50 and the inner surface 44 is thereby simultaneously solidified and - provided with a radius - rounded.
  • the inner surface 44 could also have a different shape, in particular a rounded shape.
  • the vibrating device 10 is arranged on the lower side 18 of the component region 20, the blasting material easily returns to the vibration device 10 solely on account of its gravitational force.
  • a method and a device are provided by means of which an extremely homogeneous compressive residual stress profile in the surface layers - in the present case the surfaces 42 and 50, the edge regions 46 and 52, and the inner surface 44 of the passage opening 24 - can be created.
  • the counter element 28 ensures that through the through hole 24 upwardly emerging steel balls are preferably directed to the upper edge portion 52 and lead to rounding. This effect is obtained on the lower side 18 at the lower edge portion 46 from the outset.
  • the deflection tool 38 is guided from above, against the underside, whereby the homogeneous solidification is achieved.
  • FIG. 2 shows the depth distribution of the solidification or the compressive residual stress profile in the solidified boundary layers or surfaces of the component, in particular in the region of the passage opening, in a schematic diagram, the stress being plotted on the ordinate and the ablation depth on the abscissa. In particular, the homogeneous solidification of the corresponding components can be seen.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, eines Bauteils (22) im Bereich einer Durchgangsöffnung (24), bei welchem eine das Strahlgut beaufschlagende Vibrationseinrichtung (10) auf einer Seite (18) und ein Gegenelement (28) auf einer gegenüberliegenden Seite (26) relativ zu einem die Durchgangsöffnung (24) aufweisenden Bauteilbereich (20) angeordnet werden, wobei das Gegenelement (28) in einem Abstand relativ zur korrespondierenden Seite (26) des Bauteilbereichs (20) angeordnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen eines Bauteils im Bereich einer
Durchgangsöffnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, eines Bauteils im Bereich einer Durchgangsöffnung der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 12 angegebenen Art.
Ein solches Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise bereits aus der DE 10 2004 059 592 Al als bekannt zu entnehmen. Dabei wird eine Vorrichtung eingesetzt, welche eine Vibrationseinrichtung in Form einer Ultraschall-Sonotrode zur Beaufschlagung bzw. Beschleunigung des Strahlguts sowie jeweilige Gegenelemente umfasst. Zum Strahlen der Durchgangsöffnung werden dabei die Vibrationseinrichtung auf einer Seite und das jeweilige Gegenelement auf der gegenüberliegenden Seite relativ zu einem die Durchgangsöffnung aufweisenden Bauteilbereich angeordnet. Das Strahlen des Bauteils erfolgt dann zweistufig. In einer ersten Stufe wird der der Vibrationseinrichtung zugewandte Randbereich zwischen der Oberfläche der korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs und einer Innenfläche der Durchgangsöffnung gestrahlt. Hierbei wird ein Gegenelement eingesetzt, welches nach Art eines Steckbolzens in die Durchgangsöffnung gesteckt ist. Das Gegenelement und die Durchgangsöffnung weisen somit im Wesentlichen identische Querschnitte auf.
In einem zweiten Schritt wird ein andersartiges Gegenelement eingesetzt, welches auf der der Vibrationseinrichtung gegenüberliegenden Seite des Bauteils plan an der korrespondierenden Oberfläche des entsprechenden Bauteilbereichs aufliegt. Insgesamt soll durch die beiden Schritte des Oberflächenstrahlens eine homogene Verfestigung der Oberflächen im Bereich der Durchgangsöffnung geschaffen werden, um somit eine Verbindung des Bauteils — vorliegend einer Rotorscheibe einer Gasturbine — zu schaffen, welche äußerst resistent gegen ein Versagen infolge einer Rissbildung ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen eine besonders zuverlässige und gleichmäßige Verfestigung des die Durchgangsöffhung aufweisenden Bauteilbereichs erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Um eine äußerst zuverlässige und gleichmäßige Verfestigung des Bauteils im Bereich der Durchgangsöffnung zu ermöglichen, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das Gegenelement in einem Abstand zur korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs angeordnet wird. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Gegenelement im Unterschied zum Stand der Technik gemäß der DE 10 2004 059 592 Al nicht unmittelbar an dem entsprechenden Oberflächenbereich des Bauteils zu positionieren, sondern vielmehr einen entsprechenden Abstand vorzusehen.
Somit wird auf äußerst einfache und zuverlässige Weise erreicht, dass beispielsweise ein Randbereich zwischen einer dem Gegenelement zugewandten Oberfläche der korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs und einer Innenfläche der Durchgangsöffnungen gleichmäßig oberflächengestrahlt wird. Einhergehend damit kann auch eine gute Verrun- dung eines ursprünglich im Querschnitt im Wesentlichen eckigen Randbereichs erreicht werden, so dass dieser nach dem erfolgten Oberflächenstrahlen eine erwünschte Abrundung bzw. einen entsprechenden Radius aufweist.
Durch die beabstandete Anordnung des Gegenelements relativ zu der entsprechenden O- berfläche der korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs wird zudem erreicht, dass die Oberfläche nahe der Durchgangsöffnung ebenfalls besonders zuverlässig verfestigt wird. Ein weiterer Vorteil ist es darüber hinaus, dass beide einander gegenüberliegenden Randbereiche zwischen der jeweiligen Oberflächen und der Innenfläche der Durchgangsöffnung gleichzeitig oberflächengestrahlt werden können, so dass das gesamte Bauteil im Bereich der Durchgangsöffnung in einem Verfahrensschritt bearbeitet werden kann.
Insbesondere ist vorliegend eine Methode geschaffen, mit der eine gezielte Behandlung von Durchgangsöffnungen bzw. Bohrlöchern in Bauteilen aus Aluminium- Basislegierungen bereitgestellt werden kann, die beispielsweise bei entsprechender Schwingungsbelastung und/oder statischer Kraft bzw. Druckbeaufschlagung zur Rissbildung neigen. Somit ist es bei derartigen Bauteilen von großer Bedeutung, ein homogenes Druckeigenspannungsprofil im Bereich der Durchgangsöffnung induzieren zu können. Dies wird mit dem vorliegenden Verfahren auf besonders vorteilhafte Weise erreicht.
Bevorzugt ist das Gegenelement auch als Sonotrode ausgebildet, was zusätzlich zu den o- ben genannten Voreilen zu einer Vergleichmäßigung des Strahlergebnisses und zu einer Verkürzung der Strahlzeit führt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft gezeigt, wenn eine der Durchgangsöffnung zugewandte, nicht-planare Innenseite des Gegenelements eingesetzt wird, mittels welcher ein Randbereich zwischen einer Oberfläche der korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs und einer Innenfläche der Durchgangsöffnung oberflächengestrahlt wird. Mit anderen Worten wird durch den Einsatz einer nicht-planaren Innenseite des Gegenelements erreicht, dass die Randseite zwischen der jeweiligen Oberfläche des Bauteils und der Innenfläche der Durchgangsöffnung auf ideale Weise verfestigt bzw. abgerundet werden kann. Natürlich wird darüber hinaus erreich, dass auch die Innenfläche insbesondere im oberen Bereich — also nahe des Gegenelements — besonders gut und gleichmäßig gestrahlt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als zudem vorteilhaft gezeigt, wenn ein Ablenkwerkzeug in der Durchgangsöffnung angeordnet wird. Durch ein derartiges Ablenkwerkzeug, welches im Querschnitt geringer bemessen ist als die korrespondierende Durchgangsöffnung, wird eine gezielte Ablenkung des durch die Vibrationseinrichtung be- schleunigten Strahlguts in Richtung der Innenfläche der Durchgangsöffnung erreicht, so dass diese besonders zuverlässig und homogen verfestigt wird.
In diesem Zusammenhang hat es sich als weiter positiv gezeigt, wenn das Ablenkwerkzeug von der Seite des Gegenelements her in der Durchgangsöffnung angeordnet wird. Demzufolge wird das Ablenkwerkzeug vorzugsweise auf der der Vibrationseinrichtung gegenüber liegenden Seite positioniert, so dass das durch die Vibrationseinrichtung beschleunigte Strahlgut auf besonders vorteilhafte Weise mittels des Ablenkwerkzeugs insbesondere in Richtung der Innenfläche der Durchgangsöffnung abgelenkt wird.
Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Ablenkwerkzeug gemeinsam mit dem Gegenelement relativ zu dem die Durchgangsöffnung aufweisenden Oberflächenbereich des Bauteils angeordnet wird. Somit ergibt sich eine verfahrenstechnisch besonders einfache Anordnung des Gegenelements und des Ablenkwerkzeugs, wobei darüber hinaus auf einfache Weise sichergestellt werden kann, dass das Gegenelement und das Ablenkwerkzeug stets gleichbleibend relativ zueinander positioniert sind. Somit lässt sich eine besonders gute Reproduzierbarkeit des Oberflächenstrahlens gewährleisten. In diesem Zusammenhang hat es sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Ablenkwerkzeug und das Gegenelement einteilig ausgebildet sind.
Das im Querschnitt geringer als die Durchgangsöffnung bemessene Ablenkwerkzeug wird zudem bevorzugterweise in einem zentralen Bereich der Durchgangsöffnung angeordnet, so dass dieses nach allen Seiten hin einen vorzugsweise gleichmäßigen Abstand zur korrespondierenden Innenfläche der Durchgangsöffnung aufweist. Hierdurch wird eine besonders homogene Verfestigung der Innenfläche der Durchgangsöffnung erreicht.
Zudem vorteilhaft ist es, wenn das Ablenkwerkzeug über eine Teillänge der Durchgangsöffnung innerhalb dieser angeordnet ist. Da erfahrungsgemäß die Innenfläche der Durchgangsöffnung nahe der Vibrationseinrichtung hinreichend verfestigt wird, ist es insbesondere erforderlich, dass das Ablenkwerkzeug in derjenigen Teillänge der Durchgangsöffnung positioniert wird, welche von der Vibrationseinrichtung entfernt angeordnet ist. Somit wird insgesamt durch ein über lediglich eine Teillänge der Durchgangsöffhung positioniertes Ablenkwerkzeug eine äußerst homogene bzw. gleichmäßige Verfestigung der Innenfläche der Durchgangsöffnung gewährleistet.
Zudem vorteilhaft ist es, wenn eine das Strahlgut beaufschlagende Oberfläche der Vibrationseinrichtung in einem Abstand zur korrespondierenden Seite des Oberflächenbereichs des Bauteils angeordnet wird. Somit kann gewährleistet werden, dass auch die der Vibrationseinrichtung zugewandte Oberfläche der korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs bzw. ein Randbereich zwischen dieser Oberfläche und der Innenfläche der Durchgangsöffnung besonders zuverlässig verfestigt bzw. abgerundet wird. Wenn somit insgesamt sowohl das Gegenelement wie auch die vibrierende Oberfläche der Vibrationseinrichtung in einem jeweiligen Abstand zur korrespondierenden Oberfläche des Bauteils angeordnet sind, kann eine besonders zuverlässige Verfestigung der beiden Randbereiche zwischen den jeweiligen Oberflächen und der Innenfläche der Durchgangsöffnung erzielt werden.
Um eine besonders vorteilhafte Verfestigung des Bauteils im Bereich der Durchgangsöffnung zu erreichen, hat es sich als weiter vorteilhaft gezeigt, wenn der die Durchgangsöffnung aufweisende Oberflächenbereich des Bauteils im Wesentlichen horizontal und die Vibrationseinrichtung unterhalb des Oberflächenbereichs angeordnet werden.
Schließlich hat sich ein Verfahren als vorteilhaft gezeigt, bei welchem der Bauteilbereich innerhalb einer Strahlkammer positioniert wird, in welcher neben diesem zusätzlich die Vibrationseinrichtung und das Gegenelement angeordnet sind. Durch eine derartige Strahlkammer kann die Menge an Strahlgut auf einfache Weise gleichmäßig gehalten werden, so dass sich ein äußerst reproduzierbares Strahlergebnis erzielen lässt.
Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile geltend in ebensolcher Weise für die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12. Diese zeichnet sich darüber hinaus insbesondere dadurch aus, dass neben der Vibrationseinrichtung zumindest ein Gegenelement eingesetzt wird, welches im entsprechenden Abstand zur korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs positionierbar ist. Es ist klar, dass eine derar- tige Vorrichtung sowohl als ortsfest verbleibende statische Einheit gestaltet sein kann, als auch mobile Gerätschaft. Bei der statischen Anordnung der Vorrichtung wird demzufolge das Bauteil an der Vorrichtung - relativ zu der Vibrationseinrichtung und dem Gegenelement - positioniert, während eine mobile Vorrichtung relativ zu einem ortsfesten Bauteil angeordnet wird.
Das bereits vorbeschriebene Ablenkwerkzeug weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung an seinem freien Ende eine Ablenkspitze auf, welche zusätzlich dafür sorgt, dass von der Vibrationseinrichtung beschleunigtes Strahlgut auf besonders vorteilhafte Weise in Richtung der Innenfläche der Durchgangsöffnung gelangt.
Schließlich hat es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als weiter vorteilhaft gezeigt, wenn eine Halteeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher der die Durchgangsöffnung aufweisende Oberflächenbereich des Bauteils relativ zu der Vibrationseinrichtung bzw. dem Gegenelement angeordnet werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Ultraschall- Kugelstrahlen eines Bauteils im Bereich einer Durchgangsöffnung, wobei eine das Strahlgut beaufschlagende Vibrationseinrichtung zu einer unteren Seite und ein Gegenelement auf einer gegenüberliegenden oberen Seite relativ zu dem die Durchgangsöffnung aufweisenden Bauteilbereich angeordnet ist, und wobei sowohl die Vibrationseinrichtung wie auch das Gegenelement in einem jeweiligen Abstand zur korrespondierenden Seite des Bauteilbereichs angeordnet sind; und in Figur 2 ein schematisches Diagramm der Tiefenverteilung der Verfestigung bzw. des Druckeigenspannungsprofils in den verfestigten Randschichten bzw. Oberflächen des Bauteils insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung.
Beispielsweise im Flugzeugbau treten exponierte Stellen auf, an denen z.B. Bolzenbefestigungen mit hoher Krafteinleitung bzw. Druckbeaufschlagung gegeben sind. Ein Beispiel für derartige exponierte Stellen sind Triebwerks- und Flächenbefestigungen oder Befestigungsstellen für externe Lasten wie Zusatztanks oder Waffen. Bei Durchgangsöffnungen für Bolzen in Leichtmetallen, beispielsweise in Aluminium-Basislegierungen, welche in der Regel Bolzen aus einem Fe/Ni-Material aufnehmen, ist z.B. mit Schwingungs- und Spannungsrisskorrosion zu rechnen. Dabei tritt die Beschädigung in jedem Fall auf der Seite des Leichmetalls, also im Bereich der Durchgangsöffnung für den Bolzen, auf. Unbehandelte Oberflächen führen dabei in Abhängigkeit relevanter Parameter wie Druck, Krafteinleitung oder Schwindungsbelastung zum schnellen Versagen infolge einer massiven Rissbildung. Es ist daher unbedingt erforderlich, in der Randschicht entsprechender Durchgangsöffnungen ein geeignetes Druckeigenspannungsprofil bzw. eine geeignete Verfestigung aufzubauen.
Aus diesem Grund wird vorliegend ein Verfahren sowie eine Vorrichtung vorgeschlagen, mittels welchen Druckeigenspannungen zur Vermeidung von Spannungs-Risskorrosion oder dergleichen induziert werden können.
Hierzu umfasst eine Vorrichtung gemäß Fig. 1 eine im Schnitt dargestellte Vibrationseinrichtung 10, welche eine entsprechende Oberfläche 12 umfasst, mittels welcher Strahlgut - vorliegend in Form von Stahlkugeln 14 - beaufschlagt bzw. beschleunigt werden kann. Die Vibrationseinrichtung 10 ist vorliegend beispielsweise als Ultraschall-Sonotrode ausgebildet und oszilliert - wie durch den Doppelpfeil 16 angedeutet - etwa senkrecht bezogen auf deren Oberfläche 12. Aus Figur 1 ist erkennbar, dass die Vibrationseinrichtung 10 auf einer unteren Seite 18 eines vorliegend etwa horizontal verlaufenden, geschnitten dargestellten Vorteilbereichs 20 eines Bauteils 22 angeordnet ist. Im Bauteilbereich 20 des Bauteils 22 ist eine Durchgangsöffnung 24 vorgesehen, welche vorliegend beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt aufweist und zur Aufnahme eines Bolzens dient. Das Bauteil 22 kann beispielsweise ein Leichtbauteil aus dem Flugzeugbau sein, welches insbesondere aus einer Aluminium-Basislegierung geschaffen ist. Natürlich wäre eine Vielzahl von anderen Bauteilen aus dem Flugzeugbau insbesondere auch in Form von Triebwerksteilen denkbar. Natürlich wäre es auch denkbar, die beschriebene Vorrichtung bzw. das zugehörige Verfahren bei Bauteilen außerhalb des Flugzeugbaus einzusetzen.
Aus Figur 1 ist des Weiteren erkennbar, dass auf einer der Vibrationseinrichtung 10 gegenüber liegenden oberen Seite 26 des Bauteilbereichs 20 des Bauteils 22 ein Gegenelement 28 angeordnet ist, dessen Funktion im Weiteren noch näher erläutert werden wird. Auch das Gegenelement 28 ist vorliegend in einer schematischen Schnittansicht dargestellt.
Es ist erkennbar, dass sowohl die Vibrationseinrichtung 10 wie auch das Gegenelement 28 vollständig den lichten Querschnitt der Durchgangsöffnung 24 überdecken. Die Vibrationseinrichtung 10 und das Gegenelement 28 sind einer Strahlkammer 30 zugeordnet, deren Strahlkammerwände 32 in Figur 1 lediglich äußerst schematisch durch entsprechende Linien dargestellt sind. Es sei deshalb explizit angemerkt, dass die Vibrationseinrichtung 10 bzw. deren schwingende Oberfläche 12 relativ zur Strahlkammer 30 bzw. deren Strahlkammerwände 32 beweglich bzw. vibrierend ausgebildet ist.
Der Bauteilbereich 20 des Bauteils 22 ist vorliegend mittels einer Halteeinrichtung 34 bzw. mittels von lediglich äußerst schematisch dargestellten Halteelementen 36 derart gehalten, dass die Durchgangsöffnung 24 innerhalb der Strahlkammer 30 positioniert ist. Durch die Halteeinrichtung 34 bzw. die Haltelemente 36 wird zudem die Anordnung bzw. Positionierung der Vibrationseinrichtung 10, des Gegenelements 28 sowie des Bauteilbereichs 20 relativ zueinander erreicht.
Von der oberen Seite 26 - also der Seite des Gegenelements 28 her - ist ein Ablenkwerkzeug 38 innerhalb der Durchgangsöffnung 24 angeordnet. Es ist erkennbar, dass das Ab- lenkwerkzeug 38 im Querschnitt geringer ausgebildet ist als der Querschnitt der Durch- gangsöffhung 24. Des Weiteren ist erkennbar, dass das Ablenkwerkzeug 38 in einem zentralen Bereich der Durchgangsöffnung 24 angeordnet ist und über eine Teillänge der Durch- gangsöffnung 24 innerhalb dieser angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht diese Teillänge etwa der halben Breite des Bauteilbereichs 20. An seinem der Vibrationseinrichtung 10 zugewandten freien Ende umfasst das Ablenkwerkzeug 38 eine Ablenkspitze 40, deren Funktion im Weiteren ebenfalls noch näher erläutert werden wird. Das Ablenkwerkzeug 38 kann sowohl separat zu sowie auch einteilig mit dem Gegenelement 28 ausgeführt sein. In einer Ausführungsform ist das Ablenkwerkzeug 38 dabei gemeinsam mit dem Gegenelement 28 relativ zu dem die Durchgangsöffnung 24 aufweisenden Bauteilbereich 20 anordnenbar.
Das mittels der beschriebenen Vorrichtung durchzuführende Verfahren zum Ultraschall- Kugelstrahlen des die Durchgangsöffnung 24 umfassenden Bauteilbereichs 20 zeichnet sich insbesondere durch die Induktion eines äußerst homogenen Drackeigenspannungspro- fils bzw. einer äußerst homogenen Verfestigung aus. Da die Oberfläche 12 der Vibrationseinrichtung 10 in einem Abstand zur korrespondierenden unteren Seite 18 angeordnet ist, trifft ein Teil der durch die Oberfläche 12 beschleunigten Kugeln 14 auf eine Oberfläche 42 der unteren Seite 18 auf. Zudem trifft ein Teil der Kugeln 14 unmittelbar auf den unteren Bereich einer Innenfläche 44 der Durchgangsöffnung 24 auf. Darüber hinaus wird der Randbereich 46 zwischen der Oberfläche 42 und der Innenfläche 44 der Durchgangsöffnung gleichmäßig oberflächengestrahlt, so dass der Randbereich 46 einerseits verfestigt und andererseits entsprechend - mit einem Radius versehen — abgerundet wird.
Ein Teil der mittels der Oberfläche 12 der Vibrationseinrichtung 10 beschleunigten Kugeln 14 wird darüber hinaus mittels des Ablenkwerkzeugs 38 bzw. der Ablenkspitze 40 derart abgelenkt bzw. umgeleitet, dass die Kugeln 14 insbesondere in Richtung des oberen Bereichs der Innenfläche 44 der Durchgangsöffnung 24 gelangen. Somit wird durch das Ablenkwerkzeug 38 eine homogene Verfestigung bzw. ein homogenes Druckeigenspannungs- profil über die gesamte Innenfläche 44 der Durchgangsöffnung 24 erreicht. Ein weiterer Teil der durch die Oberfläche 12 der Vibrationseinrichtung 10 beschleunigten Kugeln 14 prallt an dem Gegenelement 28 ab, welches in einem Abstand zur korrespondierenden oberen Seite 26 des Bauteilbereichs 20 angeordnet wird. Eine der Durchgangsöffnung 24 zugewandte Innenseite 48 des Gegenelements 28 ist dabei nicht-planar, sondern vielmehr im vorliegenden Fall leicht kegelförmig bzw. schräg zulaufend ausgebildet. Hierdurch wird insbesondere erreicht, dass die auf die Innenseite 48 treffenden Kugeln schräg nach außen abgelenkt werden, so dass einerseits eine Oberfläche 50 der oberen Seite 26 des Bauteilbereichs 20 und andererseits insbesondere ein Randbereich 52 zwischen der Oberfläche 50 und der Innenfläche 44 der Durchgangsöffnung 24 verfestigt wird. Der Randbereich 52 zwischen der Oberfläche 50 und der Innenfläche 44 wird dabei gleichzeitig verfestigt und - mit einem Radius versehen - abgerundet. Als im Rahmen der Erfindung liegend ist es dabei zu betrachten, dass die Innenfläche 44 auch eine andere Gestalt, insbesondere eine abgerundete Form, aufweisen könnte.
Wie bereits erläutert, befinden sich sowohl das Gegenelement 28 wie auch die Vibrationseinrichtung 10 innerhalb der Strahlkammer 30, so dass die Menge an Strahlgut bzw. Stahlkugeln 14 auf einfache Weise gleichmäßig gehalten werden kann. Hierdurch wird ein besonders reproduzierbares Verfestigungsergebnis erreicht. Zwischen der Strahlkammer 30 und dem Bauteilbereich 20 können darüber hinaus entsprechende Dichtungselemente oder dergleichen vorgesehen sein, um einen unerwünschten Austritt von Strahlgut zu verhindern.
Durch die vorliegend horizontale Anordnung des Bauteilbereichs 20 und der Oberfläche 12 der Vibrationseinrichtung 10 wird zudem ein besonders reproduzierbares Strahlergebnis erzielt. Da die Vibrationseinrichtung 10 auf der unteren Seite 18 des Bauteilbereichs 20 angeordnet ist, gelangt das Strahlgut auf einfache Weise alleine aufgrund seiner Schwerkraft zur Vibrationseinrichtung 10 zurück.
Insgesamt ist somit erkennbar, dass vorliegend ein Verfahren sowie eine Vorrichtung geschaffen sind, mittels welchen ein äußerst homogenes Druckeigenspannungsprofil in den Randschichten - vorliegend den Oberflächen 42 und 50, den Randbereichen 46 und 52, sowie der Innenfläche 44 der Durchgangsöffhung 24 - geschaffen werden kann. Dabei sorgt insbesondere das Gegenelement 28 dafür, dass durch die Durchgangsöffnung 24 nach oben austretende Stahlkugeln vorzugsweise auf den oberen Randbereich 52 gerichtet werden und zur Abrundung führen. Dieser Effekt wird auf der unteren Seite 18 am unteren Randbereich 46 von vornherein erhalten. Zur Verstärkung des Effekts an den Innenfläche 44 wird von oben her das Ablenkwerkzeug 38 gegen die Unterseite geführt, wodurch die homogene Verfestigung erreicht wird.
In Figur 2 ist die Tiefenverteilung der Verfestigung bzw. des Druckeigenspannungsprofils in den verfestigten Randschichten bzw. Oberflächen des Bauteils insbesondere im Bereich der Durchgangsöffhung in einem schematischen Diagramm erkennbar, wobei auf der Ordinate die Spannung und auf der Abszisse die Abtragtiefe abgetragen ist. Dabei wird insbesondere die homogene Verfestigung der entsprechenden Bauteile erkennbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, eines Bauteils (22) im Bereich einer Durchgangsöffnung (24), bei welchem eine das Strahlgut beaufschlagende Vibrationseinrichtung (10) auf einer Seite (18) und ein Gegenelement (28) auf einer gegenüberliegenden Seite (26) relativ zu einem die Durchgangsöffnung (24) aufweisenden Bauteilbereich (20) angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (28) in einem Abstand relativ zur korrespondierenden Seite (26) des Bauteilbereichs (20) angeordnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelements (28) mit einer der Durchgangsöffhung (24) zugewandten, nicht-planaren Innenseite (48) des eingesetzt wird, mittels welcher ein Randbereich (52) zwischen einer Oberfläche (50) des Bauteilbereichs (20) und einer Innenfläche (44) der Durchgangsöffnung (24) gestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablenkwerkzeug (38) in der Durchgangsöffhung (24) angeordnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) von der Seite des Gegenelements (28) her in der Durchgangsöffhung (24) angeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) gemeinsam mit dem Gegenelement (28) relativ zu dem die Durchgangsöffhung (24) aufweisenden Bauteilbereich (20) angeordnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das im Querschnitt geringer als die Durchgangsöffhung (24) bemessene Ablenkwerkzeug (38) in einem zentralen Bereich der Durchgangsöffnung (24) angeordnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) über eine Teillänge der Durchgangsöffhung (24) innerhalb dieser angeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Strahlgut beaufschlagende Oberfläche (12) der Vibrationseinrichtung (10) in einem Abstand zur korrespondierenden Seite (18) des Bauteilbereichs (20) angeordnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der die Durchgangsöffnung (24) aufweisende Bauteilbereich (20) im Wesentlichen horizontal und die Vibrationseinrichtung (10) unterhalb des Oberflächenbereichs (20) angeordnet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil (22) aus einer Aluminium-Basislegierung eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der die Durchgangsöffnung (24) aufweisende Bauteilbereich (20) innerhalb einer Strahlkammer (30) positioniert wird, in welcher die Vibrationseinrichtung (10) und das Gegenelement (28) angeordnet sind.
12. Vorrichtung zum Oberflächenstrahlen, insbesondere zum Ultraschall-Kugelstrahlen, eines Bauteils (22) im Bereich einer Durchgangsöffhung (24), mit einer das Strahlgut beaufschlagenden Vibrationseinrichtung (10) und mit einem Gegenelement (28), welche aufeinander gegenüberliegenden Seiten (18, 26) relativ zu einem die Durchgangsöffnung (24) aufweisenden Bauteilbereich (20) anordnenbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (28) in einem Abstand relativ zur korrespondierenden Seite (26) des Bauteilbereichs (20) anordnenbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement eine der Durchgangsöffhung (24) zugewandte, nicht-planare Innenseite (48) aufweist, mittels welcher ein Randbereich (52) zwischen einer Oberfläche (50) des Bauteilbereichs (20) und einer Innenfläche (44) der Durchgangsöffnung (24) strahlbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ablenkwerkzeug (38) vorgesehen ist, welches in der Durchgangsöffnung (24) anordnenbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) von der Seite des Gegenelements (28) her in der Durchgangsöffnung (24) anordnenbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) gemeinsam mit dem Gegenelement (28) relativ zu dem die Durchgangsöffhung (24) aufweisenden Bauteilbereich (20) anordnenbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) im Querschnitt geringer bemessen ist als die Durchgangsöffnung (24), wobei das Ablenkwerkzeug (38) in einem zentralen Bereich der Durchgangsöffnung (24) anordnenbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) über eine Teillänge der Durchgangsöffnung (24) innerhalb dieser anordnenbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkwerkzeug (38) an seinem freien Ende eine Ablenkspitze (40) aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine das Strahlgut beaufschlagende Oberfläche (12) der Vibrationseinrichtung (10) in einem Abstand zur korrespondierenden Seite (18) des Bauteilbereichs (20) anordnenbar ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrichtung (54) vorgesehen ist, mittels welcher der die Durchgangsöffnung (24) aufweisende Bauteilbereich (20) im Wesentlichen horizontal und die Vibrationseinrichtung (10) unterhalb des Bauteilbereichs (20) anordnenbar sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlkammer (30) vorgesehen ist, in welcher die Vibrationseinrichtung (10) und das Gegenelement (28) angeordnet sind und innerhalb welcher der die Durchgangsöffnung (24) aufweisende Bauteilbereich (20) positionierbar ist.
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