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Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der physikalischen
Eigenschaften von Konstruktionselementen aus plastisch verformbarem Material
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von
Konstruktionselementen aus plastisch verformbarem Material, insbesondere Metallen und deren Legierun- gen sowie deren Schweissverbindungen, die eine Elastizitätsgrenze bzw. eine Streckgrenze aufweisen, durch mechanische Behandlung der Oberfläche der Konstruktionselemente in einem Drückprozess, bei dem in der Oberflächenschichte eingeschlossene innere Spannungen erzeugt werden, so dass das Konstruktionselement eine höhere statische Festigkeit, höhere Dauer-bzw. Wechselfestigkeit, bessere Korrosionsbeständigkeit und höhere Widerstandsfestigkeit gegen Abnützung und Erosion erhält.
Es ist bekannt, zur Erhöhung der Festigkeitseigenschaften der Oberfläche in der Hitze bei Gegenständen aus Stahl und Kupfer in die Oberfläche kleine Erhöhungen, insbesondere Längs- und Querrippen, einzudrücken, so dass diese Oberfläche über die ganze Ausdehnung eine kompakte harte, sie bedeckende Schichte erhält.
Es ist ferner bekannt, auf Gleitflächen für Walzen od. dgl. mittels Schneidwerkzeugen Rillen herzustellen, zwischen welchen Rippen verbleiben, die in einem zweiten Arbeitsgang durch Rollen im Druckverfahren abgeflacht oder verdrückt werden, wodurch die Oberfläche eine Erhärtung erfährt. Diese Rillen sind in Höchstbreite gleich der Rillentiefe ausgeführt.
Ferner ist es bekannt, durch eigens gestaltete Drückwerkzeuge, z. B. Walzen mit Noppen oder Stegen, in Bänder od. dgl. Rillen einzupressen und durch die Formänderungsarbeit eine Erhöhung der Festigkeitseigenschaften zu erzielen.
Es ist fermer bekannt, die Widerstandsfestigkeit gegen dauernde Schwingungsbeanspruchungen von Bauteilen dadurch zu erhöhen, dass man waffelförmige Muster in diese Bauteile einprägt oder dass man durch Druck die Oberfläche verfestigt.
Zu den obigen bekannten Verfahren werden verschiedene Werkzeuge und Drückvorrichtungen verwendet, wobei Rollen mit entsprechendem Profil oder Walzen od. dgl. verwendet werden.
Gegenüber dem Bekannten besteht nun das wesentliche Kennzeichen der Erfindung darin, dass durch Druck auf linienförmige Abschnitte der Oberfläche eines Konstruktionselementes Zonen bleibender Deformation erzeugt werden, die mit linienförmigen Zonen nicht deformierten Materials unmittelbar abwechseln.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung beträgt das Ausmass der plastisch deformierten Zonen, auf die Flächeneinheit des Konstruktionselementes bezogen, zwischen 10 und 900/0, insbesondere zwischen 40 und 60%.
In Bauelementen, wie z. B. Profilen, Blechen, Barren, Stangen, Rohren, Bohrhülsen, Bohrgestängen Bohrfuttern, dünnen Blechen für Flugzeugwandungen und-fachwerken u. dgl. von einfacher bis zu komplizierter Gestalt, ihren Schweiss-, Gelenk-, Keil-, Schrauben-, Nutverbindungen u. dgl., werden Spannungszustände aufgebaut, die den Belastungssnar!nungen entgegenwirken und dadurch die Belastungsfähig- keit und Lebensdauer der Bauelemente vergrössern. Diese eingeschlossenen inneren Spannungen werden durch erfindungsgemässe Vorrichtungen verschiedener Bauart erzeugt, die es gestatten, durch Druckanwendung auf abgegrenzte Teile der Oberfläche des Werkstoffes diesem stellenweise plastische Verformung
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zu geben und anderseits angrenzende Teile in ihrem normalen Zustand zu belassen.
Die nebeneinander- liegenden plastisch verformten und nicht verformten, nämlich normal elastisch belassenen Gebiete be- wirken einen Einschluss von inneren Spannungen in dem behandelten Werkstoff, so dass die daraus beste- henden Bauelemente höhere Belastungsfähigkeit und längere Lebensdauer erhalten.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf der Erzeugung von eingeschlossenen inneren Spannungen durch vorzugsweise plastische Verformung begrenzter Flächen, die neben und zwischen vornehmlich pla- stisch verformten begrenzten Flächen auf den Bauteilen liegen. Der Grundgedanke dieses erfindungsge- mässen Verfahrens ist also, nebeneinanderliegende plastisch und minder plastisch verformte Zonen auf der Oberfläche eines Bauteils in bestimmten Mustern anzulegen. Der Übergang zwischen diesen beiden
Zonen kann allmählich oder schroff sein. Die Richtung der eingeschlossenen inneren Spannungen verläuft im wesentlichen rechtwinklig zu den plastisch verformten Zonen, d. h. zu der Richtung der Prägung.
Die
Wahl der Muster und die Tiefe der Rillen oder Prägungen gewährleisten durch das sogenannte gemeinsa- me"Verflechtungsphänomen" (interlocking phenomena) eine Vorherbestimmung und Regelung der plastischen Verformung der behandelten Oberflächen und somit die Möglichkeit, einen Spannungszustand bestimmter Ausbildungsform in den Bauelementen zu erzeugen, um die Festigkeitseigenschaften zu verbessern.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Vorrichtungen werden speziell in bezug auf Metalle beschrieben. Sie sind jedoch ebenso auf andere elastisch und plastisch verformbare Werkstoffe, wie z. B.
Kunstharze, die eine Streckgrenze aufweisen, anwendbar, wobei auch hier verbesserte Festigkeitseigenschaften erzielt werden.
Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur beträchtlichen Erhöhung der Festigkeitseigenschaften von Bauelementen aus Metallen oder ändern elastisch und plastisch verformbaren Werkstoffen, die eine Streckgrenze aufweisen, durch Walzen oder Einprägen von Rinnen und dergleichen
Vertiefungen in verschiedenen Mustern und Formen in die Oberfläche des Elements.
Ein besonderes Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung von Vorrichtungen zur Durchführung des obengenannten erfindungsgemässen Verfahrens, deren Aufgabe darin besteht, die Festigkeitseigenschaften, speziell die Dauerfestigkeit von Bauelementen, wie z. B. Bohrstangen, Bohrstählen, Bohrerspitzenhaltern, Bohrrohren, Bohrerspitzen, Achsen, Wellen, Rohren ; Profilen u. dgl. sowie ihren Verbindungelementen, zu verbessern, indem in die Oberfläche eine Anzahl von flachen Rinnen und dergleichen Vertiefungen eingewalzt oder eingeprägt wird.
Die Zeichnungen zeigen vor allem zwei einfache Demonstrationsbeispiele zur Erläuterung der Spannungszustände sowie inAnwendungsbeispielen die Erfindung sowie einige der zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtungen.
Fig. A veranschaulicht die Zug-und Druckwechselbeanspruchung einer Welle vor Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung, Fig. B den inneren Spannungszustand in dieser Welle nach Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung und die Fig. C und D die resultierenden Zug-und Druckbeanspru- chungen bei Überlagerung des eingeschlossenen inneren Spannungszustandes mit dem Belastungszustand.
Fig. a zeigt die Belastungsspannungen in der Wand eines von innen mit Druck beaufschlagten rohrförmigen Bauelementes ; Fig. b den eingeschlossenen inneren Spannungszustand in dieser Wand nach Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung auf die Innenfläche und Fig. c den resultierenden Beanspruchungsspannungszustand. Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Bauelementes mit plastisch verformten und angrenzend auf der Oberfläche normal elastisch gebliebenen Abschnitten ; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Musters, das in eine Welle aus Metall eingewalzt wird. Die Fig. 3, 4, 5, 6 sind weitere schematische Darstellungen verschiedener Muster der erfindungsgemässen Behandlung. Die Fig. 7,8 und 9 sind vergrösserte Querschnitte durch Metallteile, die verschiedene Ausführungsbeispiele für die Rinnen und Einprägungsprofile aufzeigen.
Die Fig. 10, 10a, 11 und lla, b, c, d zeigen verschiedene Bauarten der erfindungsgemässen Vorrichtung, teilweise im Schnitt. Die Fig. l0b, c, d, e, f, g und h sind Seiten-und Vorderansichten der verschiedenen Walzentypen. Fig. 12 ist teilweise im Schnitt eine Draufsicht auf eine Bauart der erfindungsgemässen Vorrichtung. Fig. 13 ist. die Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren Bauart der erfindungsgemässen Vorrichtung. Fig. 14 ist die Frontansicht der in Fig. 13 gezeigten Bauart. Fig. 15 ist ein Schnitt nach der Linie 15-15 durch die in Fig. 13 gezeigte Bauart. Fig. 16 ist ein Längsschnitt durch eine Gesteinsböhrstange mit Bohrerspitzenhalter und Bohrerspitze, die erfindungsgemäss behandelt wurde. Fig. 17 ist ein Querschnitt nach der Linie 17-17 durch die in Fig. 16 gezeigte Gesteinsbohrstange.
Fig. 18 ist eine Seitenansicht mit Ausschnitten von einem Gesteinsbohrer mit Kappe und Bohrspitze, der erfindungsgemäss behandelt wurde. Fig. 19 ist ein Querschnitt durch diesen Gesteinsbohrer nach der Linie 19-19 in Fig. 18. Fig. 20 ist ein vergrösserter Längsschnitt von einem Teil
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- C+Tmax und die maximalen Druckbeanspruchungen mit-Tmax bezeichnet. Für den Bruch der Welle sind die maximalen Zugbeanspruchungen an der Oberfläche ausschlaggebend. Der dem Belastungszustand ent- gegengerichtete eingeschlossene innere Spannungszustand wird so gewählt, dass die resultierenden Zug- spannungen nach Druckanwendung auf abgegrenzte Teile der Oberfläche annähernd zu Null werden. Da- mit ergibt sich der in Fig.
B dargestellte eingeschlossene innere Spannungszustand nach Anwendung der
Oberflächenbehandlung. Überlagert man diesen Eigenspannungszustand mit dem Belastungsspannungszu- stand, u. zw. entweder durch Zug- oder durch Druckbeanspruchung, so ergeben sich die in den Fig. C und D dargestellten resultierenden Zug-und Druckbeanspruchungen. Während die resultierenden Zugbe- anspruchungen an der Oberfläche nahezu Null sind, die Festigkeitsreserve an der kritischen Stelle also ausserordentlich gesteigert wird, werden die Druckspannungen um die Eigenspannung S erhöht. Dadurch wird wiederum Dauerhaltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit des Bauelementes ge- steigert.
Das in den Fig. a - c veranschaulichte Beispiel behandelt die vereinfachten Spannungsverhältnisse vor und nach Druckbehandlung der Innenfläche eines durch einen Innendruck beanspruchten hohlen Bau- elementes, wie z. B. Gewehrläufe, Druckgefässe od. dgl. Die Spannungsverteilung auf Grund der Druck- beanspruchung in der Wandung ist in Fig. a aufgetragen, in der P den Druck, r2 den Aussenradius der
Wand und rl den Innenradius der Wandung, und Tmax und Tmin jeweils die maximale und minimale
Zugbeanspruchung bezeichnen. Die maximale Zugbeanspruchung tritt demnach auf der Innenseite der
Wandung auf. Diese Wandseite wird durch Druckbehandlung auf abgegrenzte Teile der Oberfläche diffe- rentiell plastisch verformt, so dass in der Wandung ein eingeschlossener innerer Spannungszustand aufge- baut wird, der in Fig. b dargestellt ist.
Nach Überlagerung des Eigenspannungszustandes mit dem Bela- stungszustand, wie sie in Fig. c vorgenommen ist, ergibt sich, dass die verbleibenden maximalen Zugspannungen ungefähr in der Mitte der Wandung - genau genommen auf dem Radius r, - liegen, wogegen die resultierenden Zugspannungen auf der Innenseite der Wandung nahezu Null erreichen. Aus Fig. c ersieht man, dass auf der Aussenseite der Wandung verhältnismässig hohe resultierende Zugspannungen auf- treten. Durch Anbringung von Oberflächenverformungen auf dieser Seite ist jedoch ihr Abbau möglich, wenn auch nur in den Fällen wünschenswert, in denen der Druck auf der Innenseite annähernd konstant bleibt. Bei unter stark wechselnden Druckbeanspruchungen stehenden Hohlgefässen wirken dagegen die hohen resultierenden Zugspannungen auf der Aussenseite als Puffer und bieten eine zusätzliche Festigkeitsreserve.
Selbstverständlich sollen die oben beschriebenen Beispiele nur als Demonstrationsbeispiele zur Klarlegung der Erfindung dienen. Tatsächlich liegen die Spannungsverhältnisse komplizierter und sind vor allem einer zweidimensionalen Darstellung nur schwer zugänglich. Bei Anwendung der Oberflächenbehandlung gemäss der Erfindung sind die Belastungsspannungen von Fall zu Fall zu bestimmen und nach den oben aufgezeigten Grundsätzen die anzustrebenden inneren Spannungen auszuwählen, die in dem Bauelement aufgebaut werden, so dass ein dem Belastungsspannungszustand entgegengerichteter oder entgegenwirkender Eigenspannungszustand entsteht. Im folgenden sind einige Muster angegeben, in denen die Oberflächenverformungen angelegt werden, und ihr Anwendungszweck erwähnt.
Erfindungsgemäss werden die Festigkeitseigenschaften von Konstruktionselementen aus Metallen verbessert, besonders Dauerfestigkeit bzw. Wechselfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, statische und dynamische Festigkeit, Verschleiss- und Erosionsbeständigkeit von Bauelementen aus Metallen und ausserdem wird eine Art"Ferrandeffekt"erzielt. Diese Verbesserung wird durch Eindrücken von Rinnen und dergleichen Vertiefungen in einem bestimmten Muster in die Aussen-und/oder Innenflächen des Bauelementes erreicht. Die oberflächlichen Eindrücke werden so verteilt, dass Zwischenräume erhalten bleiben, die dem Deformationsprozess nicht unmittelbar unterliegen.
Charakteristisch für das erfindungsgemässe Verfahren ist die Möglichkeit, Grösse und Richtung der eingeschlossenen inneren Spannungen durch verschiedene Druckkombinationen, Richtung des angewandten Druckes, der Art und Richtung des Musters, Tiefe der Eindrücke und Gestalt und Art der Querschnitte der Eindrücke zu regulieren. Um die Wirkung der erfindungsgemässen Behandlung bei Bauelementen zu erhöhen, kann die Behandlung erforderlichenfalls während des Belastungszustandes vorgenommen werden.
Der auf diese Weise erzeugte innere Spannungszustand ist dem Betriebsspannungszustand des Bauelementes entgegengerichtet. Das hat zur Folge, dass der Bauteil längere Lebensdauer und grössere Aufnahmefähigkeit für die Betriebsbelastungen erhält.
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Die Vertiefungen bzw. Eindrücke können, in bestimmten Abständen angelegt, jede gewünschte Form auf den verschiedenen Bauelementen aus Metallen, ihren Schweiss-, Gelenk-, Keil-, Schrauben-, Nutverbindungen u. dgl. annehmen und auf verschiedene Are und Weise erzeugt werden. Die Eindrücke werden vorzugsweise durch Walzen, Spiralwalzen, Ausstanzen, Pressen, Drücken, Hämmern, Quetschen, Ziehen, Drehen u. dgl. je nach Art des zu behandelnden Gegenstandes und des zu erzeugenden Musters erreicht. Im Falle von röhrenförmigen Gegenständen, wie z. B. Druckgefässen, Zylindern und andern hohlen Bauteilen, können die Eindrücke auf der Innen- und/oder Aussenfläche liegen.
Die erzeugten Rinnen und Eindrücke sowie deren Erhöhungen, die-sowohl bearbeitet als auch unbearbeitet ausgeführt werden können, können gleichzeitig als Führungen für andere darauf gleitende Bauelemente oder als Haftelemente für Anstriche, Kunststoffe und andere Oberflächenschutzstoffe dienen. Selbstverständlich können die Erhöhungen und Wellenkämme der Eindrücke jeder beliebigen nachfolgenden Behandlung, wie z. B. spanabhebender Bearbeitung, Schleifen od. dgl., unterworfen werden. Darüber hinaus können die Vertiefungen so entworfen sein, dass sie als Führungen für Bauteile dienen können, die sich auf den bearbeiteten Flächen bewegen sollen. Die Vertiefungen, die entweder teilweise, wie z. B. nach vorheriger spanabhebender Bearbeitung, oder vollständig nach diesem Verfahren erzeugt wurden, verbessern z.
B. nicht nur die Festigkeitseigenschaften von Gewehrläufen durch das automatische Passungswalzen, sondern gewährleisten gleichzeitig den erforderlichen Drall. Es ist klar, dass sich noch viele andere praktische Anwendungsfälle für die vorliegende Erfindung angeben lassen.
In der vergrösserten Schnittansicht Fig. 1 ist der Vorgang zeichnerisch dargestellt, auf der Oberfläche eines Bauelementes 1 aus Metall Einprägungen 2 auszubilden ; wobei Wellenkämme oder unbehandelte Abschnitte 3 übrigbleiben. Der angewendete Druck zur Erzeugung der Rinnen und dergleichen Vertiefungen 2 bewirkt im Abschnitt A des Metallbauteiles vorherrschend plastische Deformationen, während im Abschnitt B das Metall vorherrschend in seinem ursprünglichen elastischen Zustand verbleibt. Die dadurch ineinander verflochtenen inneren Spannungen verursachen in dem Material die Verbesserung der Festigkeitseigenschaften des Bauteils.
Die Grösse der eingeschlossenen inneren Druckspannungen wird durch das Ausmass des in Abschnitt A plastisch verformten Metalls und durch die relative Breite des dazwischenliegenden, nahezu elastisch gebliebenen, mit nur geringerer plastischer Deformation an den Rändern versehenen Metalles in Abschnitt B reguliert. Wenn man auf die ganze Fläche des Metalls Druck anwendet, wie z. B. bei dem bekannten Kaltwalzverfahren oder dem Oberflächendrücken, werden keine derartigen ineinander verflochtenen inneren Spannungen, wie sie erfindungsgemäss hervorgerufen werden, entwickelt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Welle aus Metall oder eine andere runde Metallstange 4, deren Oberfläche erfindungsgemäss behandelt wurde. Die Eindrücke 5 und 6 in der Oberfläche sind schraubenförmig, ein-oder mehrgängig, mit mehr oder minder grossen Steigungen.
Die Metalloberfläche 7 in Fig. 3 hat parallel und diagonal verlaufende Rinnen oder dergleichen Vertiefungen 8 oder parallel angelegte Schraubengänge.
In Fig. 4 zeigt die Metalloberfläche 7 zwei Gruppen von parallel verlaufenden Rinnen oder dergleichen Eindrücken 9 und 10 oder parallel verlaufenden Schraubengängen. In dieser Zeichnung laufen die zwei Gruppen von parallelen Eindrücken und Rinnen fast rechtwinklig zueinander.
Die Metalloberfläche 7 in Fig. 5 hat eine Mehrzahl von parallel verlaufenden Rinnen oder derglei- : hen Vertiefungen 11.
Die Metalloberfläche in Fig. 6 hat eine Anzahl von Rinnen oder dergleichen Vertiefungen 13 in 'orm von konzentrischen Kreisen. Die Rinnen oder dergleichen Vertiefungen können in verschiedenem abstand auf der Oberfläche des Metallgegenstandes angelegt werden.
Die Fig. 7,8 und 9 zeigen die häufigsten Formen bzw. Profile der Rinnen oder dergleichen Vertiefungen. Das Metallelement 14 in Fig. 7 hat eine U-förmige Rinne 15. In Fig. 8 ist die Rinne 16 V-förnig und in Fig. 9 die Rinne 17 trapezförmig.
Die physikalischen Eigenschaften, die durch die Rinnen und dergleichen Eindrücke geschaffen werten, hängen von dem Winkel der Rinnenachse zur Achse des behandelten Gegenstandes ab und im Falle on einfachen oder vielfachen Schraubengängen von der Steigung derselben. Um die Biegewechselfestig- : eit einer Stange zu verstärken, muss eine bedeutende eingeschlossene innere Druckspannung parallel zur chse der Stange oder sonstigen Elementes geschaffen werden.
Um ein Konstruktionselement, wie z. B. Bohrrohre, Drehstangen, Rohre, Wellen, Drehfeder usw.
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Drehbeanspruchungles Elementes liegen, muss ein Muster mit einer relativ grossen Steigung beim Anlegen von Rinnen und lergleichen Vertiefungen verwendet werden, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Bei Anwendung einer gro-
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ssen Steigung, wie z. B. vom zweifachen Durchmesser des behandelten Elementes, beträgt der Winkel zwischen der Achse der Rinnen und dergleichen Vertiefungen zur Achse des Elementes 450, dadurch wird die eingeschlossene innere Druckspannung der Richtung der Drehbeanspruchung entgegengesetzt.
Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, müssen die Rinnen und dergleichen Vertiefungen in dem , behandelten Metall mindestens 0,025 mm tief sein. In besonders harten Metallen sind die Vertiefungen, die durch Druck in bestimmten Abständen angelegt werden, sehr seicht. Die empfehlenswerte Tiefe ist
0, 1 - 0, 5 mm. Die angelegten Abstände zwischen den Rinnen und dergleichen Vertiefungen sowie ihre Tiefe hängt von der Form der Eindrücke ab. Die bevorzugte Entfernung zwischen den Rinnen und dergleichen Vertiefungen ist 3, 2-0, 4 mm. Für die generelle Anwendung ist 1, 00 mm empfehlenswert.
Die folgenden Beispiele beschreiben die Vorzüge, die durch die Erfindung erreicht werden können.
Zum Nachweis der erfindungsgemässen Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von Bau- und Maschi- nenelementen und zur direkten Ermittlung der Grösse der eingeschlossenen Spannungen wurde das in den
Vereinigten Staaten von Amerika genormte Verfahren nach Almen angewendet.
Beispiel l : Auf 2,5 mm dicken, 75 mm langen und 12,5 mm breiten Platten aus hartem Stahl werden auf der einen Oberfläche Rinnen und dergleichen Vertiefungen unter 320 kg Druck erzeugt.
Die nach diesem Verfahren behandelten Platten weisen eine bleibende Biegung auf, welche aus den folgenden Tabellen ersehen werden kann. Die Grösse der Biegung weist auf die Grösse der eingeschlosse- nen inneren Druckspannung hin und dadurch auf die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des
Metalls, wie oben beschrieben. Dieses Prüfverfahren ist allgemein als"Almen"-Platte bekannt.
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<tb>
<tb>
Abstände <SEP> von <SEP> Breite <SEP> der <SEP> unbehandelter <SEP> Bleibende
<tb> Rinnen <SEP> in <SEP> Rinnen <SEP> in <SEP> Abschnitt <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Breite <SEP> Oberfläche <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP> %
<tb> Nicht <SEP> behandelte <SEP> Platte <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 3, <SEP> 17 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 2, <SEP> 57 <SEP> 81 <SEP> 15
<tb> 1,59 <SEP> 0,6 <SEP> 0, <SEP> 99 <SEP> 62 <SEP> 15
<tb> 1, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 46 <SEP> 43 <SEP> 27
<tb> 0,80 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0,20 <SEP> 24 <SEP> 34
<tb>
Beispiel 2 :
Vergleichs-Prüfungsresultate von Kugelstrahlen einerseits und Walzen in bestimmten Mustern auf SAE 1060-Stahl anderseits sind :
Bei einer Spannung 42 kg/mm2 brach die unbehandelte Metallprobe nach 56000 Lastperioden ; die kugelgestrahlte Metallprobe nach 65000 Lastperioden und die in Mustern gewalzte, nach dem erfindung- gemässen Verfahren behandelte Metallprobe nach 465000 Lastperioden.
Beispiel 3 : Eine 25, 4 mm dicke, viereckige Cr-Ni-Mo-Bohrstange wurde mit einem Muster von 0,4 mm tiefen Rinnen in Abständen von 1 mm unter einem Druck von 320 kg schraubenförmig gewalzt.
Danach wurde die Bohrstange unter Biegewechselspannungen belastet mit folgendem Resultat :
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<tb>
<tb> Belastungs-Maximale <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Lastperioden <SEP> Steigerung <SEP> der
<tb> Biegemoment <SEP> Spannung <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> Zeitfestigkeit
<tb> mkg <SEP> kg/mm2 <SEP> Vor <SEP> der <SEP> Nach <SEP> der <SEP> x <SEP> mal
<tb> Behandlung <SEP> Behandlung
<tb> 80,5 <SEP> 40 <SEP> 350 <SEP> 000 <SEP> ohne <SEP> Bruch <SEP> 17
<tb> nach <SEP> 6000000
<tb> 92,1 <SEP> 46 <SEP> 282000 <SEP> ohne <SEP> Bruch <SEP> 21,5
<tb> nach <SEP> 6000000
<tb> 103, <SEP> 5 <SEP> 51,8 <SEP> 80 <SEP> 000 <SEP> ohne <SEP> Bruch
<tb> nach <SEP> 6 <SEP> 000 <SEP> 00075 <SEP>
<tb>
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Beispiel 4 :
Eine ähnliche Prüfung eines 7/8 Zoll viereckigen SAE 1080 Stahls (einfacher Kohlenstoffstahl) in Form einer Bohrstange ergab das folgende Resultat :
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<tb>
<tb> Belastungs-Maximale <SEP> Anzahl <SEP> der <SEP> Lastperioden <SEP> Steigerung <SEP> der
<tb> Biegemoment <SEP> Spannung <SEP> bis <SEP> zum <SEP> Bruch <SEP> Zeitfestigkeit
<tb> mkg <SEP> kg/mm <SEP> Vor <SEP> der <SEP> Nach <SEP> der <SEP> x <SEP> mal
<tb> Behandlung <SEP> Behandlung
<tb> 57, <SEP> 5 <SEP> 43, <SEP> 0 <SEP> 90000. <SEP> 1055000 <SEP> 11, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
Beispiel 5 : 1, 65 mm dicke Platten aus einer Aluminiumlegierung"24ST-cladded"und einer Magnesiumlegierung"MA"wurden entsprechend Beispiel 1 behandelt, wobei ein Druck von 22,5 kg angewendet wurde mit folgendem Resultat : Aluminiumlegierung "24ST -cladded" :
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<tb>
<tb> Abstand <SEP> zwischen <SEP> Breite <SEP> der <SEP> Unbehandelter <SEP> Bleibende
<tb> Rinnen <SEP> Rinnen <SEP> Probeabschnitt <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Breite <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP> %
<tb> Nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 88 <SEP> 79, <SEP> 2 <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 69 <SEP> 58, <SEP> 0 <SEP> 20, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 30 <SEP> 36, <SEP> 7 <SEP> 28, <SEP> 0 <SEP>
<tb> Magnesium <SEP> "MA" <SEP> -Legierung: <SEP>
<tb> Nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 2, <SEP> 38 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 1, <SEP> 78 <SEP> 74, <SEP> 8 <SEP> 12, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 1, <SEP> 19 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 59 <SEP> I <SEP> 49, <SEP> 6 <SEP> 30 <SEP> ;
<SEP> 5 <SEP>
<tb> 0, <SEP> 80 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 24, <SEP> 1 <SEP> 45, <SEP> 7 <SEP>
<tb>
Beispiel 6 : 1,65 mm dicke plastische Kunststoff-Platten ergaben nach Behandlung unter einem angewandten Druck von 22,5 kg gemäss Beispiel 1 die folgenden Resultate :
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<tb>
<tb> Abstand <SEP> zwischen <SEP> Breite <SEP> der <SEP> Unbehandelter <SEP> Bleibende
<tb> Rinnen <SEP> Rinnen <SEP> Probeabschnitt <SEP> Biegung
<tb> mm <SEP> mm <SEP> Breite <SEP> 1/1000 <SEP> mm
<tb> mm <SEP> %
<tb> Nicht <SEP> behandelt <SEP> 100 <SEP> 0
<tb> 1, <SEP> 06 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 47 <SEP> 43 <SEP> 63, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
Eine der Vorrichtungen zur Ausführung des oben beschriebenen erfindungsgemässen Verfahrens ist in Fig. 10 gezeigt.
Der Apparat, der an eine Drehbank oder andere Werkzeugmaschinen angeschlossen werden kann, umfasst ein Untergestell 18, eine aufrechte feststehende Stütze 19 und eine aufrechtstehende
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Stütze 20, die gleitbar am Untergestell 18 mittels der Schraube 21 eingestellt werden kann. Die beiden
Stützen 19 und 20 haben je eine drehbare Büchse 22, welche durch eine Stellschraube 23 festgehalten wird. Je eine Walzenstütze 24 ist gleitbar in jede Büchse 22 eingesetzt. Das Ende der Walzenstütze 24 hat eine rohrartige Form 25, um eine Feder 26 aufzunehmen. Das gegenüberliegende Ende trägt eine
Walze 27 auf einer Achse 28.
Die Spannung der Feder 26 kann nach Wunsch durch einen Schraubpfropfen 29 eingestellt werden.
30 ist das Konstruktionselement, in diesem Falle eine viereckige Bohrstange. Jede Walze hat das Nega- tivmuster zum Muster, welches in die Oberfläche des Metalles eingedrückt werden soll, wie z. B. in den
Fig. 2 - 9 gezeigt. In den Fig. 10a und l0b ist eine Walze 32 für parallele Muster 31 ähnlich Fig. 5 ge- zeigt. Fig. 10c zeigt eine Walze 32 für diagonale Muster ähnlich dem Muster in den Fig. 3 und 4, wobei die Eindrücke unter 450 verlaufen ; zwei solcher Walzen, eine von links und eine von rechts auf das Werk- stück einwirkend, sind für Muster wie in Fig. 4 gezeigt erforderlich. Fig. 10d zeigt eine Walze 32 mit zwei in Abstand voneinander angeordneten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke 31 zu vermehren, die parallel zur Drehachse der Walze 32 verlaufen.
Fig. 10e zeigt wie Fig. 10d eine Walze 32 mit zwei ver- setzten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke zu vermehren, die jedoch unter 450 zur Drehachse der
Walze 32 verlaufen. Fig. 10f veranschaulicht eine Walze 32, deren Oberfläche einen zur Drehachse der
Walze koaxialen Zylinder und einen daran angrenzenden Kegel umfasst. Dieser Walzentyp kann besonders gut benutzt werden, um die kegelförmigen Ansatzteile zu walzen, wie z. B. den konischen Befestigungs- teil einer Bohrstange. Verständlicherweise können der konische und der zylindrische Teil der Oberfläche auf zwei oder mehr Walzen vorgesehen werden, anstatt, wie gezeigt, nur auf einer. Besonders sei her- ausgestellt, dass die Belastungskante der Walzen 32 so gestaltet, z. B. abgerundet, werden kann, dass die
Bearbeitung des zu behandelnden Gegenstandes erleichtert wird.
Fig. 10g zeigt eine Walze 32 mit ein- oder mehrgängige schraubenförmigen Mustern, bei denen die Rillen 31 unter sehr steilen Winkeln zur
Drehachse der Walze verlaufen. Fig. 10h zeigt ein Beispiel einer Profilwalze 32 für eine geformte Flä- che, nämlich einen Gewinde-Bohrspitzenhalter und dessen Verbindungsprofil nach den Fig. 20 und 20a, wobei die Rillen 31 im wesentlichen parallel zur Drehachse der Walze 32 verlaufen.
Dadurch, dass die Walzen 27 durch die Federn gegeneinander gedrückt werden, kann dieser Apparat dazu dienen, um Eindrücke in Form von Rinnen auf Elemente mit wechselnden Diagonalen einzuwalzen. Die oben beschriebenen Walzen können mit oder ohne Abstand voneinander in Paaren oder Gruppen in irgendeiner erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eingebaut werden. Es ist ersichtlich, dass der Winkel zwischen den Rillen 31 und der Drehachse der Walze 32 zwischen 0 und 90 variieren kann in Abhängigkeit von der gewünschten Behandlung. Weiterhin sei betont, dass die gezeigten Walzentypen lediglich als Beispiele gelten sollen. Die Möglichkeit, Anzahl und Richtung der Rillen oder sonstigen linienförmigen Vertiefungen zu verändern, bleibt im Rahmen der Erfindung vorbehalten.
Falls gewünscht, können alle oder einige Walzen wechselseitig synchronisiert oder gekuppelt werden, um ein regelmässig wiederholtes Muster zu erzielen.
In einigen Fällen kann vorzugsweise nur eine Walze des Walzenpaares zum Eindrücken der notwendigen linienförmigen Einzeleindrücke oder durchlaufenden Rillen verwendet werden, während die andere Walze eine glatte Mantelfläche hat und dazu dient, den Druck der ersten Walze auszugleichen und den behandelten Teil oder die verwendete Vorrichtung zu führen. Die glatte Walze wird zum Glätten oder Überwalzen des durch die erste Walze erzeugten Musters verwendet. Falls bei irgendeinem Arbeitsgang mehr als zwei Walzen eingesetzt werden, kann wenigstens eine Walze zur Prägung und wenigstens eine der restlichen Walzen zum Glätten oder Überwalzen benutzt werden. Die Behandlung von Bauteilen nach einem Verfahren, das das Überwalzen einschliesst, ist sehr geeignet, um die inneren Spannungszustände genau aufzubauen und zu regulieren.
Besonders sei in diesem Zusammenhang angeführt, dass die Bearbeitungskanten der Walzen keilförmig oder andersartig geformt sein können, um den Kraftbedarf zu verringern.
In den Fig. 11, 11a, b, c, d wird ein anderer erfindungsgemässer Apparattyp beschrieben. Der Apparat gemäss Fig. 11 gleicht dem Apparat nach Fig. 10 mit dem Unterschied, dass der Druck auf die Walzenstütze 33 durch hydraulische Kolben 34 und Zylinder 35 hervorgerufen wird, in welche ein flüssiger Stoff durch Rohre 36 eingeleitet wird.
Die in den Fig. 11a, llb, llc und 11d veranschaulichten Vorrichtungen dienen zur Behandlung innerer Oberflächen von hohlen Bauteilen, z. B. Zylindern, Hohlwellen, Hohlachsen, Rohren, Geschützläufen, Bohrrohren u. dgl. m.
Die Vorrichtung nach Fig. lla besteht aus einem Grundteil 18 mit einer Bohrung, in der in doppelter Kniehebelanordnung ein Walzenpaar 27 drehbar auf Achsen 28 gelagert ist. Eine Feder 26 belastet die Kniehebelanordnung über die Führung 24 und kann durch die Schraube 29 in dem Grundteil 18 justiert werden.
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Der in Fig. 11b dargestellte Apparat besteht aus einem Grundteil 35 mit einer in Längsrichtung durch- gehenden Bohrung, in der ein Paar Kolben 34 läuft. Jeder Kolben trägt auf einer Achse 28 eine drehbar gelagerte Walze 27. Durch eine Bohrung 36 wird auf den Kolben 34 und damit auf die Walzen 27 der er- forderliche Druck hydraulisch-ausgeübt. Erforderlichenfalls kann dieser Apparat auf einen solchen mit festem Durchmesser dadurch abgeändert werden, dass die Hydraulik durch eine Federung mit entspre- chenden Anschlagbegrenzungen ersetzt wird.
Selbstverständlich kann eine beliebige Vorkehrung getroffen werden, um die Walze in richtiger Lage zur Oberfläche zu halten, die behandelt werden soll, indem der Kolben an einem Überschreiten einer bestimmten Grenzauslenkung gehindert ist.
Teile von Apparaten mit festen Durchmessern werden in den Fig. 11c und 11d gezeigt. Sie bestehen aus einem Tragkopf 24, der auf Achsen 28 ein drehbar gelagertes Walzenpaar trägt, wobei beide Walzen in festem vorgegebenem Abstand voneinander stehen.
Alle hier beschriebenen Vorrichtungen gemäss der Erfindung können auf der zu behandelnden Ober- fläche unter Druck entlanggeführt oder rotiert werden.
Fig. 12 illustriert für die Herstellung eines zweigängigen Gewindes eine Modifikation des Apparates nach den Fig. 10 und 11. Die Walze 37 ist durch eine Feder wie in Fig. 10 belastet und die Walze 38 in der Stütze 39 mittels der Achse 40 gelagert. Der erforderliche Druck wird auf die Stütze 39 über einen
Hebelarm 41 durch eine Feder 42 ausgeübt. Der Mechanismus des Hebelarmes ermöglicht die Verwen- dung einer schwächeren und damit leichteren Feder, um den benötigten Druck auf die Walzen auszu- üben.
Der Apparat, welcher auch ein Drehbankfutter 43 und eine Drehbankspindel 44 umfasst, ist so ge- baut, dass er an eine normale Drehbank angeschlossen werden kann. Die Stange 45 wird durch das Dreh- bankfutter 43 zwischen den Walzen 37 und 38 gedreht, um das gewünschte Muster 46 zu formen. Die hydraulischen Zylinder, welche in Fig. 11 gezeigt sind, können auch hier an Stelle der Feder verwendet werden.
Noch eine andere Form eines erfindungsgemässen Apparates ist in den Fig. 13,14 und 15 gezeigt.
Der Apparat setzt sich zusammen aus einem Untergestell 47, welches an einem normalen Drehbankbett befestigt werden kann, einem feststehenden Rahmen 48, der auf das Untergestell 47 aufgesetzt wird, und einem verstellbaren Rahmen 49, der gleitbar von dem feststehenden Rahmen getragen wird und durch die Schrauben 50 in bestimmter Höhe fixierbar ist. Der bewegliche Rahmen hat einen unteren Tragarm 51 und ein Obergestell 52 mit einem durchlaufenden Zylinder 53. Eine rohrförmige Hülse oder ein Walzentragrahmen 54 stützen eine Achse 55 und eine Walze 56. Die Walze 56 ist auf einem unteren Ende des Zylinders 53 gleitend verstellbar aufgesetzt und wird durch einen Keil geführt, welcher durch Schrauben 57 befestigt ist.
Eine topfförmige Schraube 58 auf dem oberen Ende des Zylinders 53 reguliert den Druck der Feder 59, die sich im Zylinder 53 befindet und mit ihrem unteren Ende auf die Hülse 54 wirkt. Die Walze 60 auf der Achse 61 wird vom stützenden Arm 51 getragen. Wenn eine Stange 62 zwischen die Walzen 56 und 60 geschoben wird, werden dadurch die Walzen auseinandergedrückt und wirken unter dem Druck der Feder 59 auf die Werkstückoberfläche ein.
In der praktischen Anwendung wird der eben beschriebene Apparat auf eine gewöhnliche Drehbank aufgesetzt und das Konstruktionselement im Drehbankfutter festgeklemmt. Der gewünschte Druck wird von den Walzen 56 und 60 durch die Feder 59 oder durch hydraulisch getriebene Kolben 34 wie in den Fig. 11 und 11b auf das Element ausgeübt. Wenn die Drehbank läuft, wird das Konstruktionselement gedreht und das gewünschte Muster eingedrückt. Die verschiedenen oben beschriebenen Apparate können für das Einwalzen von längs oder quer gerichteten oder schraubenlinienartigen Mustern benutzt werden, je nach entsprechender Einstellung der Walzen und entsprechender Bewegung des Elementes während der Behandlung. Falls gewünscht, können eine oder mehrere Walzen verwendet werden, z.
B. zur Winkelverstellung der Walzenmuster, zur Verwendung der Walzen als Speisevorrichtung od. ähnl. während der erfindungsgemässen Behandlung.
Jedes Paar Walzen kann in den verschiedenen Ausführungen des Apparates so angeordnet werden, dass ihre Mantelflächen gegenüberliegen oder versetzt und mehr oder weniger parallel eingestellt sind, je nach der Steigung und Vielfältigkeit der Rinnen und Einzeleindrücke, welche durch dieses Verfahren auf das Konstruktionselement übertragen werden sollen. Ausserdem kann eine grössere Anzahl von Walzen in jedem Typ von Apparat benutzt werden. Eine oder mehrere dieser Walzen können eine glatte Mantelfläche haben, entweder um der Musterwalze den nötigen Gegendruck zu bieten, und/oder um das Muster zu glätten und zu überwalzen.
Die Beispiele 3 und 4 zeigen die weitreichende Bedeutung der Erfindung in spezieller Hinsicht auf
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