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Verfahren und Vorrichtung zum Aufbau eines dem Belastungsspannungszustand
entgegengerichteten inneren Eigenspannungszustandes in hochbeanspruchten Bauelementen
aus Metallen durch plastische Verformung ihrer Oberfläche Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbau eines dem Belastungsspannungszustand
entgegengerichteten inneren Eigenspannungszustandes in hochbeanspruchten Bauelementen
aus Metallen durch plastische Verformung ihrer Oberfläche.
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Es ist allgemein bekannt, daß die Dauerhaltbarkeit und damit auch
die spannungsabhängigen Eigenschaften von Bauelementen aus Metallen durch Behandlung
ihrer Oberflächen verbessert werden können, wie z. B. Kugelstrahlen, einfaches Kaltwalzen,
Einsatzhärten, Nitrieren, Induktionshärten, andere Wärmebehandlungen der Oberfläche
od. dgl. Die Anwendbarkeit dieser verschiedenen Methoden und Verfahren hängt jeweils
von der Eigenart des Metalls, der Form des Bauelementes und der Wirtschaftlichkeit
ab.
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Es sind insbesondere eine Reihe von Verfahren zur Verbesserung der
Dauerhaltbarkeit von Bauelementen aus Metallen bekanntgeworden, bei denen auf die
Oberfläche des Bauelementes durch Kaltwalzen-, -prägen oder -hämmern Druck angewendet
wird, so daß entweder feinste Kerben in der Oberfläche verschlossen werden, von
denen Dauerbrüche ausgehen könnten, oder Druckspannungen an der Oberfläche als Eigenspannungen
eingeschlossen werden, die Zugspannungen bei Belastung entgegenwirken.
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Diese bekannten Oberflächenbehandlungen hochbeanspruchter Bauelemente
aus Metallen durch plastische Verformung ihrer Oberfläche gehen auf das bekannte
Verfahren des Oberflächendrückens zurück, bei dem die Oberfläche eines Bauelementes
oder wenigstens der Oberflächenteil, der am stärksten beansprucht wird, lückenlos
einer Druckanwendung ausgesetzt wird, so daß eine integrale Verformung der Oberfläche
erzielt wird, d. h. die behandelte Oberfläche keine wahrnehmbare Veränderung ihrer
Oberflächenform erfährt. Die Anwendung dieses bekannten Verfahrens ist insbesondere
für Wellen aus Stahl vorgeschlagen worden sowie aber auch für den Gewindegrund oder
Verzahnungsfuß- oder -wurzel$ächen. Der Anwendbarkeit dieses Verfahrens ist durch
kompliziertere Formgebung des Bauelementes eine Grenze gesetzt. Außerdem lassen
sich wegen der dazu erforderlichen hohen Drücke keine großen Druckeigenspannungen
aufbauen. Schließlich stellt dieses bekannte Verfahren wegen des verhältnismäßig
großen erforderlichen Zeit-, Druck- und Vorrichtungsaufwandes relativ zu dem erzielten
Ergebnis ein sehr teures Verfahren dar.
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Hauptziel der Erfindung ist grundsätzlich die Erhöhung der Festigkeitsreserve
von Bauelementen aus Metallen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung
eines Verfahrens, durch dessen Anwendung der Widerstand von hochbeanspruchten Bauelementen
gegen Materialermüdung, Spannungskorrosion, Verschleiß und Passungsrost, d. h. der
Reibkorrosion unter Vibrationsbeanspruchungen zwischen zwei miteinander verspannten,
aufeinandergepreßten oder geschrumpften Bauelementen entscheidend verbessert wird.
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Die Erfindung bezweckt schließlich, den Spannungszustand an Verbindungs-
und Übergangsstellen zweier Bauelemente erträglicher zu gestalten.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche der Bauelemente in Mustern, insbesondere linienförmigen Mustern,
differential plastisch verformt wird, die in Abhängigkeit von der Belastung festgelegt
werden.
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Vorzugsweise weisen die differentiellen plastischen Verformungen die
Form schwach wahrnehmbarer, dicht nebeneinander verlaufender Rillen und/oder Vertiefungen
auf, die die behandelte Oberfläche streifen-,
Bitter- oder netzförmig,
entsprechend dem gewählten Muster, überziehen, wobei die Oberflächenmuster im wesentlichen
flächennormal zu der Hauptrichtung der Belastungsspannungen des Bauelementes ausgerichtet
werden.
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Die aus Betriebsbelastungen und Eigenspannungen resultierenden Spannungen
werden im Idealfall der Erfindung zu Null, d. h. die Belastungsspannungen durch
entgegenwirkende Vorspannungen gleicher Höhe vollständig abgebaut. Praktisch läßt
sich dieses Ergebnis je nach der Ermittelbarkeit der Belastungsspannungszustände
und der Ausführbarkeit dem entsprechend zu wählenden Muster für die differentiellen
plastischen Verformungen in Abhängigkeit von der Formgebung nur angenähert erreichen.
Bei Bauelementen einfacher Formgebung ist diese Annäherung bereits sehr genau, auf
jeden Fall kann jedoch die Festigkeitsreserve des Bauelementes durch das Verfahren
gemäß der Erfindung so weit erhöht werden, daß die tatsächlich noch übrigbleibenden
resultierenden Spannungen weit unterhalb der zulässigen bleiben.
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Werden aber die Spannungen gemäß der Erfindung herabgesetzt, so ist
damit auch gleichzeitig eine Verbesserung der spannungsabhängigen Eigenschaften
des Werkstoffs verbunden, wie z. B. Ermüdung, Korrosion u. dgl. Darin dürfte der
Grund liegen, daß bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung auch eine erhebliche
Verbesserung dieser allgemeinen Werkstoffeigenschaften erreicht wird.
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Unter differentiellen plastischen Verformungen wird im Gegensatz zu
integralen plastischen Verformungen eine Mehrzahl dicht benachbarter örtlicher Verformungen
verstanden, die bei einer vorher ebenen Fläche zu einem Netz feiner Erhebungen und
Senken führen und wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten plastischen Verformungen
so angeordnet ist, daß in dem Gebiet zwischen ihnen keine plastische Verformung,
wohl aber eine eingeschlossene elastische Verformung verbleibt. Mit anderen Worten
ist eine einzelne differentielle plastische Verformung durch die Anordnung zweier
benachbarter plastischer Verformungen derart definiert, daß die dabei aufgebauten
inneren Spannungen zwischen ihnen jeweils größer als Null sind.
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Durch die Anwendung solcher differentiellen plastischen Oberflächenverformungen
im Gegensatz zu den bisher bei bekannten Verfahren gebräuchlichen integralen plastischen
Verformungen hat man den Aufbau von Eigenspannungen nach Größe und Vorzeichen vollständig
in der Hand. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Erfindung das Prinzip der differentiellen
plastischen Verformungen, das oben definiert ist, gleichzeitig mit einem bestimmten
Richtungs-, Verteilungs- und Dosierungsprinzip verbindet, welches durch den Belastungsspannungszustand
nach den bekannten Zusammenhängen zwischen `Spannung und Verformung (Verflechtungsphänomen)
vorgeschrieben wird. Das letztere Prinzip ist als Muster bezeichnet.
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Vorzugsweise werden die differentiellen plastischen Verformungen in
die Oberfläche des Bauelementes kalt eingewalzt oder eingeprägt, während das Bauelement
unter Last steht, wodurch sich höhere innere Spannungen aufbauen lassen.
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Zweckmäßigerweise beträgt die Tiefe der differentiellen plastischen
Verformungen jeweils 0,025 bis 2 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm, und der Abstand
zwischen den einzelnen differentiellen plastischen Verformungen 0,4 bis 3 mm. Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung beträgt der Oberflächenanteil der differentiellen
plastischen Verformungen 20 bis 80 % der gesamten behandelten Oberfläche des Bauelementes.
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Zweckmäßigerweise erhalten die einzelnen differentiellen plastischen
Verformungen im wesentlichen U- oder V-förmigen Querschnitt, wobei vorzugsweise
die einzelnen differentiellen plastischen Verformungen so angelegt werden, daß jeweils
an eine vorzugsweise linienförmige maximale plastische Verformung beidseitig ein
Übergangsbereich schroff oder allmählich bis auf elastische Verformung abnehmender
plastischer Verformung angrenzt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Größe und Verteilung
der Eigenspannungen im Bauelement durch anschließendes Glätten, Nachwalzen oder
Abspanen der Grate an den Verformungsrändern nachträglich korrigiert.
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Der Anwendungsbereich des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorerst
nur so weit übersehbar, als man die für seine Durchführbarkeit notwendigen Voraussetzungen
genau angeben kann. Infolge seiner überraschenden Erfolge konnte sich das erfindungsgemäße
Verfahren bereits auf einigen Gebieten auf breiter Basis durchsetzen, z. B. bei
der Behandlung von hochbeanspruchten Bauelementen der Bohrgestänge, welche unter
rauhen Betriebsverhältnissen eingesetzt werden. Ferner ist die Anwendung des Verfahrens
gemäß der Erfindung auf Geschützrohre und Gewehrläufe zu erwähnen. Schließlich sind
auch bereits bei Flugzeugbauteilen befriedigende Ergebnisse erzielt worden. Die
Verbesserungen übertreffen solche mit bekannten Verfahren erzielte bei weitem und
wurden bisher nur durch Verbesserung der Werkstoffqualitäten selbst für möglich
gehalten.
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Der wesentliche und entscheidende Unterschied der bekannten Verfahren
gegenüber dem Verfahren gemäß der Erfindung beruht darauf, daß erstens die Oberfläche,
sei es nun in ihrer Gesamtheit oder örtlich begrenzt, bei den bekannten Verfahren
integral plastisch verformt wird, so daß keine Veränderung der äußeren Form ,der
Oberfläche nach der Behandlung wahrnehmbar ist, während sie bei dem Verfahren gemäß
der Erfindung durch die differentiellen plastischen Verformungen eine wahrnehmbare
Veränderung ihrer äußeren Form erfährt, und daß zweitens der resultierende Spannungszustand,
als Ganzes gesehen, bei den bekannten Verfahren eine geringfügige Verlagerung von
Zug auf Druckspannungen erhält, während bei dem Verfahren gemäß der Erfindung nach
Aufgabe der Belastung tatsächlich ein abgebauter Gesamtspannungszustand resultiert.
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Die Erfindung ist beispielsweise an Hand der Fig. 1 bis 22 a näher
beschrieben.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Bauelementes mit plastisch verformten
und angrenzend auf der Oberfläche vorherrschend elastisch vorgespannten Abschnitten;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Musters, das in eine Welle aus Metall
eingewalzt wird; Fig. 3, 4, 5, 6 und 8 sind weitere schematische Darstellungen verschiedener
Muster der erfindungsgemäßen Behandlung; Fig. 7 ist ein Längsschnitt 7-7 durch das
Muster in Fig. 6; Fig. 9, 10 und 11 sind vergrößerte Querschnitte durch Metallteile,
die verschiedene Ausführungsbeispiele
für die Rinnen und Einprägungsprofile
aufzeigen; Fig. 12, 13 bzw. 13 a, 13 b, 13 c, 13 d zeigen verschiedene Bauarten
der .erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt bzw. Einzelteile dieser Vorrichtung;
Fig. 12 a, 12 b, 12.c, 12d, 12 e, 12f, 12 g und 12 h sind Seiten- und Vorderansichten
der verschiedenen Walzentypen; Fig. 14 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt
einer Bauart der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 15 ist die Seitenansicht, teilweise
im Schnitt, einer weiteren Bauart der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 16 ist
die Frontansicht der in Fig. 15 gezeigten Bauart; Fig. 17 ist ein Schnitt 17-17
durch die in Fig. 15 gezeigte Bauart; Fig. 18 ist ein Längsabschnitt durch eine
Gesteinsbohrstange mit Bohrerspitzenhalter und Bohrerspitze, die erfindungsgemäß
behandelt wurde; Fig. 19 ist ein Querschnitt 19-19 durch die in Fig. 18 gezeigte
Gesteinsbohrstange; Fig. 20 ist eine Seitenansicht mit Ausschnitten von einem Gesteinsbohrer
mit Kappe und Bohrspitze, der erfindungsgemäß behandelt wurde; Fig. 21 ist ein Querschnitt
durch diesen Gesteinsbohrer 21-21 in Fig. 20; Fig. 22 ist ein vergrößerter :Querschnitt
von einem Teil der Verbindung zwischen Gesteinsbohrstange und Bohrspitze des Gesteinsbohrers
nach Fig. 20; Fig. 22a ist die. Ansicht von dem Gewinde eines Bohrerspitzenhalters,
Glas gemäß der Erfindung behandelt wurde.
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Die differentiellen plastischen Verformungen in Form schwach wahrnehmbarer,
dicht nebeneinander verlaufender Rillen und/oder Vertiefungen können durch Walzen,
Spiralwalzen, Ausstanzen, Pressen, Drücken, Hämmern, Quetschen, Ziehen, Drehen u.
dgl. in die Oberflächen der verschiedenen Bauelemente aus Metallen, ihrer Schweiß-,
Gelenk-, Keil-, Schrauben-, Nutverbindungen u. dgl. je nach Art und Form des zu
behandelnden Gegenstandes und des zu erzeugenden Musters angelegt werden.
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Im Fall von rohrförmigen Bauelementen, z. B. Druckgefäßen, Zylindern
und anderen hohlen Bauteilen, können die Rillen und/oder Vertiefungen auf der Innen-
und/oder Außenfläche liegen. Sie können ferner sowohl bearbeitet als auch unbearbeitet
gleichzeitig als Führungen für andere gleitende Bauelemente oder als Verhaftung
und Verdübelung für Anstriche, Kunststoffe und andere Oberflächenschutzstoffe dienen.
Beispielsweise kann der Drall in einem Gewehrlauf durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellt werden.
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In der vergrößerten Schnittansicht nach Fig. 1 ist der Vorgang zeichnerisch
dargestellt, auf der Oberfläche eines Bauelementes 1 aus Metall Rillen oder Vertiefungen
2 auszubilden, wobei Wellenkämme oder unbehandelte Abschnitte 3 übrigbleiben. Der
angewendete Druck zur Erzeugung der Rillen oder Vertiefungen 2 bewirkt im
Abschnitt A des Bauelementes 1 vorherrschend plastische Verformungen, während der
Abschnitt B vorherrschend :elastisch verformt wird. Die dadurch nach den eingangs
beschriebenen Zusammenhängen in dem Bauelement aufgebauten inneren Spannungen werden
seine Festigkeitsreserve erhöhen. Die Größe dieser Eigenspannungen wird durch das
Ausmaß des im Abschnitt A plastisch verformten Metalls und durch die relative Breite
des dazwischenliegenden vorherrschend ,elastisch verformten Abschnittes B bestimmt.
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Fig. 2 zeigt schematisch Eine Welle aus Metall .oder eine andere runde
Metallstange 4, deren Oberfläche erfindungsgemäß behandelt wurde. Die Rillen oder
Vertiefungen 5 und 6 in der Oberfläche verlaufen spiralförmig, einfach oder mehrfach,
mit mehr oder minder großen Steigungen.
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Die Metalloberfläche 7 in Fig. 3 hat diagonale, parallel verlaufende
Rinnen und;/oder Vertiefungen B. In Fig. 4 zeigt die Metalloberfläche 7 zwei Gruppen
von parallel verlaufenden Rinnen und/oder Vertiefungen 9 und 10. In
dieser Zeichnung laufen die zwei Gruppen von parallelen Vertiefungen und Rinnen
in fast entgegengesetzten diagonalen Richtungen.
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Die Metalloberfläche 7 in Fig. 5 hat eine Mehrzahl von parallel verlaufenden
Rinnen und Vertiefungen 11.
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In Fig. 6 hat die Metallfläche 7 eine Mehrzahl von über die Fläche
verstreuten, in zwei sich diagonal kreuzenden Scharen von Parallelen angeordneten
Vertiefungen 12.
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Die Metalloberfläche 7 in Fig. 8 hat eine Anzahl von Rinnen
und Vertiefungen 13 in Form von konzentrischen Kreisen. Die Rinnen und/oder
Vertiefungen können in verschiedenen Mustern auf :der Oberfläche des Metallgegenstandes
angelegt werden.
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Fig. 9, 14 und 11 zeigen die :häufigsten Gestalten und Umrisse der
Rinnen und Vertiefungen. Das Metallelement 14 in Fig. 9 hat eine .U-förmige
Rinne 15. In Fig. 10 ist die Rinne 16 V-förmig und in Fig. 11 die Rinne 17 rhomboid,
ähnlich der inneren Riffelung von hohlen Bauteilen.
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Die physikalischen Eigenschaften, die :durch die Rinnen und/oder Vertiefungen
geschaffen werden, hängen von dem Winkel der Rinnenachse zur Achse des behandelten
Gegenstandes ab und im Falle von einfachen oder vielfachen Spiralen von der Steigung
des Musters. Um die Biegewechselfestigkeit einer Stange zu verstärken, muß eine
bedeutende innere Eigendruckspannung parallel zur Achse der Stange bzw. zur Achse
des Elementes geschaffen werden. In diesem Falle sind die: quer verlaufenden inneren
Eigendruckspannungen jedoch nur bedingt zu empfehlen, da es auf die parallel zur
Achse der Stange verlaufenden Spannungen, hier sind Muster mit kleiner Steigung
wie in Fig. 2 dargestellt, in erster Linie ankommt. Ausgeführte Messungen ergeben,
daß das Verhältnis von längs zu quer verlaufenden Druckspannungen in diesem Muster
größer als Eins ist. Infolgedessen werden die Belastungsspannungen verringert, so
daß dadurch an Material gespart werden kann.
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Um ein Konstruktionselement, wie z. B. Bohrrohre, Drehstangen, Rohre,
Wellen, Drehfedern usw., gegen Drehbeanspruchung zu verstärken, in dem ,die Druckspannungen
in einem Winkel von 45° zur Achse des Elementes liegen, muß ein Muster mit einer
relativ großen Steigung beim Anlegen von Rinnen und/oder Vertiefungen verwendet
werden, wie in Fig. 3 und 4 gezeigt. Bei Anwendung einer großen Steigung, wie z.
B. vom zweifachen Durchmesser des behandelten Elementes, beträgt der Winkel zwischen
der Achse der Rinnen und/oder Vertiefungen zur Achse des Elementes 45°, wodurch
die innere Eigendruckspannung .der Richtung der Drehbeanspruchung entgegengesetzt
ausgerichtet wird.
Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, müssen
die Rinnen und/oder 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, nicht sehr tief. Die empfehlenswerte Tiefe ist 0,1 bis
0,5 mm. Die angelegten Abstände zwischen den Rinnen und/oder Vertiefungen, sowie
ihre Tiefe hängt von der Form der Eindrücke ab. Die bevorzugte Entfernung zwischen
den Rinnen und/oder Vertiefungen ist 3,0 bis 0,4 mm. Für die generelle Anwendung
ist 1,00 mm empfehlenswert.
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Die folgenden Beispiele beschreiben die Vorzüge, die durch die Erfindung
erreicht werden können. Zum Nachweis der erfindungsgemäßen Verbesserung der Festigkeitseigenschaften
von Bau- und Maschinenelementen und zur direkten Ermittlung der Größe der eingeschlossenen
Spannungen wurde das in USA. genormte »Strip-or-split-ring«-Verfahren nach Alm e
n angewendet. Beispiel 1 Auf 2,5 mm dicken, 75 mm langen und 12,5 mm breiten Platten
aus hartem Stahl werden auf der einen Oberfläche Rinnen und/oder Vertiefungen unter
320 kg Druck erzeugt.
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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 inneren Eigendruckspannung hin und dadurch auf die
Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des Metalls, wie oben beschrieben.
Dieses Prüfverfahren ist allgemein als »Almen-Test« bekannt.
Beispiel 2 Vergleichs-Prüfungsresultate von Kugelstrahlen einerseits und Walzen
in bestimmten Mustern auf SAE-1060-Stahl andererseits sind: Bei einer Spannung von
42 kg!mm= brach die unbehandelte Metallprobe nach 56 000 Lastperioden, die kugelgestrahlte
Metallprobe nach 65 000 Lastperioden und die in Mustern gewalzte nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren behandelte Metallprobe nach 465 000 Lastperioden.
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Beispiel 3 Eine 25,4 mm dicke, viereckige Cr-Ni-Mo-Bohrstange wird
mit einem Muster von 0,4 rum tiefen Rinnen in Abständen von 1 mm unter einem Druck
von 320 kg spiralförmig gewalzt. Danach wird die Bohrstange unter Biegewechselspannungen
belastet mit folgendem Resultat:
Beispiel 4 Eine ähnliche Prüfung eines 7/8Z011 viereckigen SAE-1080-Stahls (einfacher
Kohlenstoffstahl) in Form einer Bohrstange ergab das folgende Resultat:
| Belastungs- Anzahl der Lastperioden Steigerung |
| Biege- Maximale Spannung bis zum Bruch der Zeit- |
| moment vor der Be nach der festigkeit |
| mkg kg/mm2 handlung I Behandlung x-mal |
| 57,5 I 43,0 I 90 000 j 1055 000 I > 1 1,5 |
Beispiel 5 1,65 mm dicke Platten aus einer Aluminiumlegierung mit Cu 4,9 bis 3,8%,
Fe maximal 0,5%, Mg 1,8 bis 1,2%, Mn 0,9 bis 0,311/o, Si maximal 0,5010 und Rest
Al, die einer Ausscheidungshärtung und künstlichen Alterung unterzogen und beidseitig
mit einer dünnen Tafel aus Reinaluminium plattiert waren, sowie entsprechende Platten
aus einer Magnesiumlegierung mit 1,511/o Mn und 98,5% Magnesium wurden entsprechend
Beispiel 1 behandelt, wobei ein Druck von 22,5 kg angewandt wurde.
Eine der Vorrichtungen zur Ausführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in Fig. 12 gezeigt. Der Apparat, der an eine Drehbank oder an andere Werkzeugmaschinen
angeschlossen werden kann, umfaßt ein Untergestell 18, eine aufrechte feststehende
Stütze 19 und eine aufrechtstehende bewegliche Stütze 20, die gleitbar am Untergestell
18 durch die Schraube 21 eingestellt werden kann. Die beiden Stützen 19 und 20 haben
je eine drehbare Büchse 22, welche durch eine Stellschraube
23 festgehalten
wird. Eine Walzenstütze 24 ist gleitbar auf die Büchse 22 aufgesetzt. Das Ende der
Walzenstütze 24 hat eine rohrförmige Form 25, um eine Feder 26 in Position zu halten,
deren Spannung nach Wunsch mittels einer Schraubkappe 29 eingestellt werden kann.
Das gegenüberliegende Ende trägt eine Walze 27 auf der Achse 28, die, wie in Fig.
12 a angedeutet, als Arbeitswalze 32 ausgeführt ist, welche über ihren Umfang mit
Kerben 31 versehen sein kann.
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30 zeigt das Bauelement während des Arbeitsprozesses, in diesem Fall
eine viereckige Bohrstange. Jede Walze trägt das Negativmuster des Musters, welches
in die Oberfläche des Metalls eingedrückt werden soll, wie z. B. in Fig. 2 bis 11
gezeigt. Die Peripherie der Walze kann glatt oder gezackt sein. In Fig. 12b wird
in 31 auf der Walze 32 eine Walze für parallele Muster ähnlich Fig. 5 gezeigt. Fig.
12e zeigt eine Walze 32 für diagonale Muster 31 ähnlich dem Muster in Fig. 3 und
4, wobei die Eindrücke unter einer Neigung von 45° verlaufen; zwei solche Walzen,
eine links und eine rechts, sind notwendig für ein Muster, wie es in Fig. 4 gezeigt
wird. Fig. 12d
zeigt eine Walze 32 mit zwei versetzten, voneinander im Abstand
angeordneten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke 31 zu vermehren, die parallel
zur Drehachse der Walze 32 verlaufen. Fig. 12e zeigt wie Fig. 12d eine Walze 32
mit zwei versetzten Zahnreihen, um die Zahl der Eindrücke zu vermehren, die jedoch
unter 45° zur Drehachse der Walze 32 verlaufen. Fig. 12f veranschaulicht eine Walze
32 mit einer zur Drehachse der Walze parallelen Oberfläche 31. Dieser Walzentyp
kann besonders gut benutzt werden, um die kegelförmigen Ansatzteile zu walzen, wie
z. B. das konische Befestigungsteil einer Bohrstange. Verständlicherweise kann das
konische, parallel oder anderweitig geformte 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 werden kann, daß die Berührung
mit dem zu behandelnden Gegenstand erleichtert wird. Fig. 12 g zeigt eine Walze
32 mit einfachen und mehrfachen spiralförmigen Mustern, bei denen die Rillen 31
unter sehr steilen Winkeln zur Drehachse der Walze verlaufen. Fig. 12h zeigt ein
Beispiel einer Profilwalze 32 für eine geformte Fläche, nämlich einem Gewinde-Bohrspitzenhalter
und deren Verbindungen und Kerbe nach Fig. 22 a und 22, wobei die Rillen 31 im wesentlichen
parallel zur Drehachse der Walze 32 verlaufen.
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Dadurch, daß die Walzen 27 durch die Federn aufeinandergedrängt werden,
kann dieser Apparat dazu dienen, um Vertiefungen und/oder Rinnen auf Elemente mit
wechselnden Diagonalen einzuwalzen. Jede der oben beschriebenen Walzen kann entweder
glatt anliegend oder auseinanderklaffend in Paaren oder Gruppen aus zwei oder mehreren
Walzen in irgendeiner erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens eingebaut werden. Es ist offensichtlich, 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. Anzahl und Richtung der Rillen oder Vertiefungen
können variiert werden, sofern diese Änderungen sich im Rahmen der Erfindung bewegen.
Falls gewünscht,- können alle oder einige Walzen wechselseitig synchronisiert oder
gekuppelt werden, um ein regelmäßig wiederholtes Muster zu erzielen.
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In einigen Fällen kann vorzugsweise nur eine Walze des Walzenpaares
zum Eindrücken der notwendigen Eindrücke oder Rillen verwendet werden, während die
andere Walze eine glatte Mantelfläche hat und dazu dient, den Druck der ersten Walze
auszugleichen und das behandelte Teil oder die verwendete Vorrichtung zu führen.
Die glatte Walze wird auch 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 der Verformungsränder benutzt werden.
Die Behandlung von Bauteilen nach einem Verfahren, das das Überwalzen einschließt,
ist sehr geeignet, um die inneren Eigenspannungszustände genau aufzubauen und zu
regulieren.
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Besonders sei in diesem Zusammenhang angeführt, daß die Belastungskante
irgendeiner Walze kegelig oder andersartig geformt sein kann, um die Berührung mit
dem zu behandelnden Gegenstand zu erleichtern.
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In Fig. 13, 13 a und 13 b, 13 c, 13 d wird ein anderer erfindungsgemäßer
Apparattyp beschrieben. Der Apparat 13 gleicht dem Apparat in Fig. 12 mit dem Unterschied,
daß der Druck auf die Walzenstütze 33 durch hydraulisch bewegte Kolben 34 und Zylinder
35, welche durch einen flüssigen Stoff, der durch Rohre 36 eingepreßt wird, betrieben
werden, ausgeübt wird.
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Die in Fig. 13 a, 13 b, 13 c und 13 d veranschaulichten Vorrichtungen
dienen zur Behandlung innerer Oberflächen von hohlen Bauteilen 30, z. B. Zylindern,
Hohlwellen, Hohlachsen, Rohren, Gewehrläufen und Bohrrohren.
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Die Vorrichtung nach Fig. 13 a 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 Konterschraube 29 in dem Grundteil 18 justiert
werden.
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Der in Fig.13 b dargestellte Apparat besteht aus einem Grundteil 35
mit einer in Längsrichtung durchgehenden Bohrung, in der ein Paar Kolben 34 laufen.
Jeder Kolben trägt auf einer Achse 28 eine drehbar gelagerte Walze 27. Durch die
Öffnung 36 wird auf den Kolben 34 und damit auf die Walzen 27 der erforderliche
Druck hydraulisch ausgeübt. Erforderlichenfalls kann dieser Apparat auf einen solchen
mit festem Durchmesser dadurch abgeändert werden, daß die Hydraulik durch eine Federung
mit entsprechenden Anschlagbegrenzungen ersetzt wird.
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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
wird.
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Teile von Apparaten mit festen Durchmessern werden in Fig. 13 c und
13 d 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.
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Alle hier beschriebenen Vorrichtungen gemäß der Erfindung können auf-der
zu. behandelnden Oberfläche
entlang gedrückt, gezogen und/oder
rotiert werden.
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Fig. 14 stellt eine Abwandlung des Apparates nach Fig. 12 und 13 dar.
Die Walze 37 ist durch eine Feder wie in Fig. 12 belastet und die Walze 38 auf die
Stütze 39 durch die Achse 40 aufgesetzt. Der erforderliche Druck wird
auf Stütze 39 über einen Hebelarm 41 durch eine Feder 42 ausgeübt.
Der Mechanismus des Hebelarms ermöglicht die Verwendung einer leichteren Feder,
um den benötigten Druck auf die Walzen auszuüben.
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Der Apparat, welcher ein Drehbankfutter 43 und eine Drehbankspindel
44 hat, ist so gebaut, daß er an eine normale Drehbank angeschlossen werden
kann. Die Stange 45 wird durch das Drehbankfutter 43 zwischen den
Walzen 37 und 38 gedreht, um das gewünschte Muster 46 zu formen. Die
hydraulischen Zylinder, welche in Fig. 13 gezeigt werden, können an Stelle der Feder
verwendet werden.
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Eine noch andere Form eines erfindungsgemäßen Apparates wird in Fig.15,
16 und 17 gezeigt. Der Apparat setzt sich zusammen aus einem Untergestell
47, welches an einem normmalen 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 verstell- und anpaßbar ist. Der bewegliche
Rahmen hat einen unteren Tragarm 51 und ein Obergestell 52 mit einem durchlaufenden
Zylinder 53. Ein hohler Kolben oder ein Walzentragrahmen 54 trägt eine Achse
55 und eine Walze 56. Die Walze 56
befindet sich unterhalb des
unteren Endes des Zylinders, wobei sie durch den Kolben 54 undrehbar auf
und ab verschiebbar ist. Der Kolben 54 weist zu diesem Zweck eine Nut auf, die einen
Keil aufnimmt, welcher durch Schrauben 57 an dem Zylinder 53 befestigt ist. Eine
kelchförmige Schraubenmutter 58 auf dem oberen Ende des Zylinders 53 ermöglicht,
die Spannung einer Feder 59 im Zylinder 53 einzustellen, die zwischen dem Kolben
54 und der Schraubenmutter 58 eingesetzt ist, wie aus Fig.15 und 16 hervorgeht.
Eine Gegenwalze 60 auf einer Achse 61 ist von dem unteren Tragarm
51 getragen. Beim Einschieben einer Stange 62, die behandelt werden soll,
zwischen die Walzen 56 und 60 werden die Walzen auseinandergedrückt, wobei der Druck
auf die Walze 56 über den Kolben 54 auf das untere Ende der Feder 59 und der Druck
auf die Walze 60 über den verstellbaren Rahmen 49 und Schraubenmutter 58 auf das
obere Ende der Feder 59 übertragen werden.
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In der praktischen Anwendung wird der oben 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, Zylinder 35 und Rohre 36, wie in
Fig. 13 und 13 b, auf das Element ausgeübt. Wenn die Drehbank arbeitet, wird das
Konstruktionselement gedreht und das gewünschte Muster eingedrückt. Die verschiedenen
oben beschriebenen Apparate können für längs-, quer- und spiralförmiges Musterwalzen
benutzt werden, je nach entsprechender Einstellung der Walzen und entsprechender
Bewegung des Elementes unter Behandlung. Falls gewünscht, können eine oder mehrere
Walzen verwendet werden, z. B. zur Winkelverstellung der Walzenmuster, zur Verwendung
der Walzen als Speisevorrichtung oder ähnliches während der erfindungsgemäßen Behandlung.
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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 Vertiefungen, 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 kann eine glatte
Mantelfläche haben, entweder um den Druck der Musterwalze auszugleichen oderkund
um das Muster zu glätten und zu überwalzen.
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Beispiel 3 und 4 zeigen die weitreichende Bedeutung der Erfindung
in spezieller Hinsicht auf die Behandlung von Bohrstangen, Bohrerspitzenhalter,
Bohrrohren, Bohrspitzen, Achsen, Wellen, Rohren usw. und Verbindungsglieder all
dieser obengenannten Teile. Der Abschnitt des Konstruktionselementes, welcher den
Bohrer oder andere Elemente hält, ist dem Bruch oder einer Beschädigung am stärksten
ausgesetzt. Die Widerstandsdauerfestigkeit dieses Abschnittes des Elementes wird
durch Anwendung der oben ausgeführten Erfindung um mindestens 70% verlängert. In
manchen Bohrprüfungen ist die Widerstandsfähigkeit um 700% vergrößert worden, und
in vielen Fällen brach die Bohrstange in dem unbehandelten Abschnitt.
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Eine besonders empfehlenswerte Ausführungsform einer Bohrstange und
eines Bohrhalters, wie auch Bohrrohr, Achsen, Wellen und Rohre, wird in Fig. 18
bis 22a einschließlich gezeigt. Der Bohrerspitzenhalter- oder die Verbindungsenden
63 der Bohrstange 64 sind auf einer bestimmten Länge behandelt worden, um Rinnen
und Vertiefungen 65 in verschiedenen Mustern einzudrücken. Das behandelte Ende der
Bohrstange kann durch eine einhüllende Kappe oder durch einen aus einem Stück gezogenen
Hut 66 aus homogenem oder plattiertem Metall geschützt werden. Wenn die Bohrstange
od. dgl. so eingehüllt oder gekappt in die Fassung der Drillspitze 67 oder anderen
Verbindungen gedrückt wird, so füllt das Metall des Hutes 66 die Rinnen und Vertiefungen
65 und schützt letztere vor Passungsrost und Korrosion, das dadurch die gewünschten
Festigkeitseigenschaften beibehält. Das gleiche trifft auf einen schraubenförmigen
Bohrspitzenhalter zu (vgl. Fig. 22 a) wie auch auf einen Treibbohrerspitzenhalter
oder Verbindungsenden anderer Elemente. Der Metallhut oder geformte Ring 66 ist
so gestaltet, daß er den ganzen oder einen Teil des Fassungsabschnittes überdeckt
und vor elektrochemischen und mechanischen Einwirkungen schützt. In manchen Fällen
ist es am besten die Bohrstange und in ähnlicher Weise Bohrerspitzenhalter, Achsen,
Bohrrohr und andere Elemente auf dem gewünschten Abschnitt mit spiralförmigen Eindrücken
oder anderen verschiedenen Mustern von Rinnen oder Vertiefungen zu versehen, wie
in Fig. 20 gezeigt. Diese behandelten Abschnitte können an dem Ende 68 der
Bohrstange, das zusätzlichen Beanspruchungen ausgesetzt ist, oder neben den wärmebehandelten
Teilen 69, letzterer Abschnitt wird allgemein die metallurgische Kerbe genannt,
oder aber an der Verbindung 63 der Bohrstange oder anderen Elementen liegen. Eine
weitere Maßnahme dieser Erfindung ist, in die ganze Außen- oder Innenoberfläche
von
Bohrstangen, Bohrspitzenhaltern,Bohrröhren und deren Verbindungen in mindestens
einem Längsabschnitt ein spiralförmiges Muster einzuwalzen, wozu die Apparate, die
im Zusammenhang mit dieser Erfindung entwickelt wurden, benutzt werden. Um ein recht
gutes Ergebnis durch Spiralwalzen bzw. Musterwalzen - im Sinne dieser Erfindung
- zu erreichen, muß die Oberfläche des obengenannten Elementes querweise (umrißweise),
d. h. fast senkrecht zur Richtung derMaximaderLastspannungen, gewalztwerden.
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Der gleiche Apparat wird zur Behandlung innerer Oberflächen von Hohlbauelementen,
wie z. B. Zylinder, Hohlwellen, Hohlachsen, Druckgefäßen, Gewehrläufen, Bohrrohren
u. dgl., sowie ihrer Verbindungselemente empfohlen, wobei wenigstens einer Zone
der gesamten Oberfläche dieses Elementes unter Anwendung verschiedener Walzenkombinationen
ein Muster eingewalzt wird, um den vorteilhaften Effekt zu erhalten, wie er ähnlich
bei der sogenannten Autofrettage auftritt. Dieses neue Verfahren der mechanischen
Autofrettage infolge innerer Walzung oder Überwalzung bei Hohlbauelementen beruht
auf der plastischen Verformung durch Walzen oder Quetschen bis zu einer Tiefe, wie
sie durch die Abmessungen und zukünftige Anwendungszwecke sowie durch die Belastungsbedingungen
gefordert wird.
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Autofrettage ist ein bekanntes Verfahren bei der Herstellung von Druckgefäßen.
Dabei wird die innere Oberflächenschicht eines glatten Rohres durch Dehnung über
die Streckgrenze hinaus durch hydraulischen Druck beansprucht, so daß verbleibende
Druckspannungen hervorgerufen werden.