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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung von in metallischen
Hohlprofilen ausgebildeten Oberflächen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es
zählt zum
Stand der Technik, die Lebensdauer von schwingungsbelasteten Bauteilen,
wie z.B. Federn und Torsionsstäben,
durch das Verfestigungsstrahlen zu erhöhen. Mit Hilfe des Verfestigungsstrahlens
werden u.a. durch Umformung oder durch Wärmezufuhr in die Oberfläche eines
Bauteils eingebrachte Zugspannungen in definierte Druckspannungen
umgewandelt. Auch können
kleinere Oberflächenfehler,
wie beispielsweise Kratzer oder bei einer Umformung hervorgerufene
leichte Eindrücke, überstrahlt
werden, so dass diese Oberflächenfehler
nicht mehr vorhanden sind.
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Eine
Variante des Verfestigungsstrahlens ist das Druckluftstrahlen. Dieses
wird meistens eingesetzt, um Oberflächen im Inneren von Bauteilen,
insbesondere von Rohren, wie z.B. Torsionsprofile im Fahrzeugbau,
zu strahlen. Problemhaft beim Druckluftstrahlen solcher Hohlprofile
ist jedoch, dass zu strahlende Oberflächen häu fig nicht erreicht werden können. Dies
ist der Fall, wenn Spalte vorhanden sind, die zu klein für beim Druckluftstrahlen
verwendete Strahlrohre bemessen sind. Auch ist beim Druckluftstrahlen
ein hoher Druckluftverbrauch nicht zu vermeiden. Die Strahlrohre
müssen
ferner im Durchmesser sehr klein (in der Regel kleiner als 12 mm
im Durchmesser) und in der Länge
sehr lang sein (mindestens ca. 300 mm). Aufgrund dieser Abmaße unterliegen
die Strahlrohre einem großen
Verschleiß mit
sich hieraus ergebender Prozessstreuung. Diese wirkt sich negativ
auf die Lebensdauer und die eingebrachten Druckspannungen aus. Des
Weiteren ist die Prozesssicherheit nicht in ausreichender Form gegeben,
da die Strahlrohre nicht immer gezielt auf die zu strahlenden Oberflächen gerichtet
werden können. Ferner
ist aufgrund der Düsengeometrien
der Strahlrohre die kinetische Energie der Strahlmittel (Stahl- oder
Keramikkugeln) nicht ausreichend hoch.
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Beim
Verfestigungsstrahlen von äußeren Oberflächen wird
in der Regel die Variante des Turbinen- oder Schleuderradstrahlens
angewandt. Dieses Verfahren gelangt zwar auch beim Innenstrahlen
von Rohren zum Einsatz, jedoch nur dann, wenn die Strahlmittel problemlos
in Strahlrichtung entweichen können.
Hierbei werden die Strahlmittel zentrisch in ein Schleuderrad eingebracht,
das dann die Strahlmittel am Umfang über einen bestimmten Austrittssektor
mit hoher kinetischer Energie auf die zu verfestigenden Oberflächen schleudert.
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Aus
der
DE 35 27 923 C2 ist
eine Kugelstrahldüse
zum Verfestigen der Wandung einer Bohrung in einem metallischen
Werkstück
durch Kugelstrahlen mittels Kugeln bekannt. Die Kugelstrahldüse besitzt
eine Prallfläche,
die mit der Rohrachse einen Winkel von weniger als 45° bildet.
Diese Art von Kugelstrahldüse
ist ausschließlich
zur Verwendung in Bohrungen geeignet und speziell auf diesen Anwendungsfall
abgestimmt.
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Der
Erfindung liegt – ausgehend
vom Stand der Technik – die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfestigung von in metallischen
Hohlprofilen ausgebildeten Oberflächen zu schaffen, bei welchem auch
schwer zugängliche
Oberflächen
durch Schleuderradstrahlen einwandfrei verfestigt werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Im
Hinblick auf den Sachverhalt, dass häufig zu strahlende Oberflächen, insbesondere
im Inneren von Torsionsprofilen, insbesondere aus Stahl oder Aluminium,
durch direkte Bestrahlung nicht erreichbar sind oder auch der Aufprallwinkel
in Relation zu dem idealen Aufprallwinkel von 90° zu klein ist, macht sich die
Erfindung den sogenannten Sekundärstrahl beim
Schleuderradstrahlen zunutze. Das heißt, die Strahlmittel (Stahl-
oder Keramikkugeln) werden zunächst
in einem Primärstrahl
gegen eine einer zu verfestigenden Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche geschleudert,
von der die Strahlmittel reflektiert werden und dann in einem möglichst
wenig von 90° zur
zu verfestigenden Oberfläche
abweichenden Winkel auf die zu verfestigende Oberfläche treffen. Durch
dieses indirekte Strahlen können
damit auch Oberflächen
erreicht werden, die sehr schmale Spalte begrenzen und direkt nicht
zu bestrahlen sind.
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Da
die Strahlmittel mit einer sehr hohen kinetischen Energie in das
jeweilige Hohlprofil eingebracht werden, kann dieses nicht verstopfen.
Sie fliegen vielmehr wieder selbstständig aus dem Hohlprofil.
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Bei
extrem schwer zugänglichen
Oberflächen
kann es entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 zweckmäßig sein,
dass die Strahlmittel vor dem Aufprall auf die zu verfestigende
Oberfläche zweimal
an inneren Oberflächen
des Hohlprofils abgelenkt werden. Es erfolgt gewissermaßen eine
zickzackförmige
Führung
der Strahlmittel unter einem vergleichsweise flachen Winkel zu den
ablenkenden Oberflächen.
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Da
auch gekrümmte
Oberflächen
in einem Hohlprofil verfestigt werden sollen, ist es entsprechend
Anspruch 3 von Vorteil, dass das Hohlprofil während des Schleuderstrahlens
räumlich
verlagert wird. Dies kann durch Drehen oder Kippen des Hohlprofils
erfolgen. Auf diese Weise ist das Hohlprofil nicht in einer konstanten
Stellung den Strahlmitteln ausgesetzt. Die Verlagerung des Hohlprofils
kann beispielsweise per Roboter erfolgen. Hierbei sind der Strahlprozess,
also die Winkel, die Positionen und die Strahlzeiten sowie die Intensität und die
jeweils verwendeten Strahlmittel dem jeweils zu strahlenden Hohlprofil
entsprechend zu entwickeln.
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Ein
Schleuderrad kann nach den Merkmalen des Anspruchs 4 dazu genutzt
werden, gleichzeitig mehrere nebeneinander positionierte Hohlprofile
zu strahlen. Auch diese Hohlprofile werden, soweit sie gekrümmte Oberflächen aufweisen,
dann während des
Strahlens bevorzugt räumlich
verlagert, damit alle gewünschten
Oberflächenbereiche
einwandfrei verfestigt werden.
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Sollen
gleichzeitig mehrere Hohlprofile unter Einsatz eines Schleuderrads
bestrahlt werden, kann es nach Anspruch 5 zweckmäßig sein, die Hohlprofile kontinuierlich
an dem Schleuderrad vorbei zu führen.
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Denkbar
ist gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 6 aber auch eine getaktete Vorbeiführung der Hohlprofile an dem
Schleuderrad.
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Besonders
vorteilhaft ist es , wenn das erfindungsgemäße Verfahren bei Torsionsprofilen
im Fahrzeugbau angewendet wird, bei denen die Endabschnitte einen
runden oder ovalen hohlen Querschnitt besitzen und die Längenabschnitte
zwischen den Endabschnitten durch radiale Verformung U- oder V-förmig ausgebildet
sind. In diesem Fall sind in den Übergangsbereichen zwischen
den vollständig verformten
U- oder V-förmigen
mittleren Längenabschnitten
und den rohrförmigen
Endabschnitten von den Endabschnitten ausgehende, stetig enger werdende
sichelförmige
Spalte vorhanden. Hierbei können,
insbesondere durch zweimaliges Ablenken der Strahlmittel, auch die
Oberflächenbereiche
erreicht werden, die nahezu an der Gegenfläche anliegen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
der Perspektive einen Endabschnitt eines Torsionsprofils für den Kraftfahrzeugbau;
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2 einen
vertikalen Längsschnitt
durch die Darstellung der 1 entlang
der Linie II-II in Richtung der Pfeile IIa gesehen;
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3 einen
vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der 2 entlang
der Linie IIII-III in Richtung der Pfeile IIIa gesehen;
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4 einen
vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der 2 gemäß der Linie
IV-IV in Richtung der Pfeile IVa gesehen;
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5 einen
vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der 2 entlang
der Linie V-V in Richtung der Pfeile Va gesehen;
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6 einen
vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der 2 entlang
der Linie VI-VI in Richtung der Pfeile VIa gesehen;
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7 im
Schema die Darstellung der 2 in Kombination
mit einem Schleuderrad und
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8 in
schematischer Draufsicht mehrere nebeneinander liegende Torsionsprofile
zusammen mit einem Schleuderrad.
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In
den 1 und 2 ist mit 1 ein Längenbereich
eines Hohlprofils in Form eines Torsionsprofils für die Hinterachse
eines Kraftfahrzeugs bezeichnet. Das Hohlprofil 1 umfasst
zwei im Querschnitt runde hohle Endabschnitte 2 und einen
zwischen den Endabschnitten 2 durch radiales Pressen hervorgerufenen,
im Querschnitt doppellagigen U-förmigen Längenabschnitt 3.
Zwischen dem U-förmigen
Längenabschnitt 3 (siehe
auch 2 und 3), in welchem innere Oberflächen 4, 5 des
Hohlprofils 1 aneinander liegen, und den runden Endabschnitten 2 (6)
erstrecken sich Übergangsabschnitte 6,
in denen die Abstände
zwischen einander gegenüber liegenden
inneren Oberflächen 7, 8 von
den runden Endabschnitten 2 ausgehend in Richtung zum mittleren
U-förmigen
Längenabschnitt 3 stetig
kleiner werden, so dass sich sichelförmige Spalte 9 ergeben.
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In
der Praxis ist es gewünscht,
zumindest die Oberflächen 7 der Übergangsabschnitte 6 zu
verfestigen.
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Mit
Rücksicht
auf den Sachverhalt, dass die Spalte 9 zwischen den zu
verfestigenden Oberflächen 7 und
den Gegenflächen 8 immer
enger werden, gelangt das Schleuderradstrahlen zur Anwendung. Bei
dem Schleuderradstrahlen (7) werden Strahlmittel
in Form von Stahl- oder Keramikkugeln einem Schleuderrad 10 zentrisch
zugeführt
und von dem Schleuderrad 10 umfangsseitig über einen
bestimmten Sektor S (siehe auch 8) weggeschleudert.
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In
der 7 ist ein Strahlmittel enthaltender Primärstrahl 11 verdeutlicht.
Dieser Primärstrahl 11 trifft
zunächst
auf eine Oberfläche 12 im
runden Endabschnitt 2 des Hohlprofils 1. Hier
werden die Strahlmittel abgelenkt und gelangen in einem Sekundärstrahl 13 auf
die der zu verfestigenden Oberfläche 7 gegenüber liegende
Oberfläche 8.
Von hier aus werden sie nochmals abgelenkt und auf die zu verfestigende
Oberfläche 7 geschleudert.
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Man
erkennt, dass auf diese Art und Weise auch der engste Bereich im
sichelförmigen
Spalt 9 zwischen der zu verfestigenden Oberfläche 7 und
der gegenüberliegenden
Oberfläche 8 noch
mit den Strahlmitteln beaufschlagt werden kann.
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Da,
wie die 4 und 5 zu erkennen
geben, die zu verfestigende Oberfläche 7 nicht nur in Längsrichtung
des Hohlprofils 1, sondern auch in Querrichtung konvex
gekrümmt
ist, wird während
des Schleuderradstrahlens das Hohlprofil 1 räumlich,
insbesondere durch einen nicht näher
veranschaulichten Roboter, so verlagert, dass der Sekundärstrahl 13 mit
den Strahlmitteln in einem von 90° möglichst
nur gering abweichenden Winkel auf die zu verfestigende Oberfläche 7 trifft.
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Die 8 veranschaulicht
eine Ausführungsform,
bei welcher mehrere nebeneinander positionierte Hohlprofile 1 gemäß 1 an
einem Schleuderrad 10 vorbei geführt werden, um die aus den 2, 4, 5 und 7 erkennbaren
inneren Oberflächen 7 in
den Übergangsabschnitten 6 mittels
Schleuderradstrahlen verfestigen zu können.
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Auch
hierbei können
die Hohlprofile 1 während
der Relativbewegung zum Schleuderrad 10 räumlich verlagert
werden, damit alle Abschnitte der zu verfestigenden Oberflächen 7 auch
von den Strahlmitteln erreicht werden.
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Das
Vorbeiführen
der Hohlprofile 1 am Schleuderrad 10 kann kontinuierlich
oder auch taktweise erfolgen.
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- 1
- Hohlprofil
- 2
- Endabschnitte
v. 1
- 3
- mittlerer
Längenabschnitt
v. 1
- 4
- Oberfläche v. 1
- 5
- Oberfläche v. 1
- 6
- Übergangsabschnitte
- 7
- Oberfläche v. 6
- 8
- Oberfläche v. 6
- 9
- Spalte
- 10
- Schleuderrad
- 11
- Primärstrahl
- 12
- Oberfläche in 2
- 13
- Sekundärstrahl
- S
- Sektor