DE19680789C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils, nachdem dieses durch Fräsen eine Form erhalten hat.

Technischer Hintergrund

Metallbauteile wie zum Beispiel Zahnräder, die im Gebrauch wiederholten Belastungen ausgesetzt sind, müssen auf ihren Oberflächen eine gesteigerte Dauerfestigkeit aufweisen. Um diesem Erfordernis zu entsprechen, wurde im Stand der Technik umfangreicher Gebrauch von Kugelstrahlen gemacht, um durch Bestrahlen der Oberfläche des Metallbauteils mit Stahlkügelchen oder dergleichen Rest-Druckspannungen aufzubringen.

Beispielsweise offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 5- 33047 einen Kugelstrahlprozeß, bei dem gestrahlte Kügelchen auf Zahn­ flanken von Zahnrädern unter einem Winkel aufgebracht werden, der größer ist, als würden sie in einer Richtung senkrecht zur Zahnradachse aufge­ bracht. Dieser Kugelstrahlprozeß hat den Zweck, Rest- Druckspannungen der Zahnflanken des Zahnrads zu steigern.

Während der Kugelstrahlprozeß die Rest-Druckspannungen der Zahnflanken zu steigern vermag, können die gestrahlten Kügelchen jedoch nicht in ausreichendem Maß auf die Zahnfüße aufgebracht werden, bedingt durch den großen Winkel, unter dem die gestrahlten Kügelchen auf die Zahnflanken auftreffen, so daß den Zahnfüßen oder den Zahnlückenflächen des Zahnrads nicht die gewünschten Rest-Druckspannungen vermittelt wer­ den können. Außerdem vermag der große Winkel, unter dem die gestrahlten Kügelchen auf die Zahnflanken aufgebracht werden, kaum eine Oxidschicht zu beseitigen, die sich auf den Zahnflanken bei der Wärmebehandlung aus­ gebildet hat, wodurch zwischen den Zahnflanken und den Zahnfüßen des Zahnrads eine Stufe verbleibt.

Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 6-172850 zeigt eine Vorrich­ tung, die aus einer Hartkugel-Ausstoßeinrichtung unter Druck harte Kügel­ chen zusammen mit einer Flüssigkeit ausstößt, um auf die Zahnfüße oder Zahnlückenflächen eines Zahnrads Rest-Druckspannungen aufzubringen. Die dargestellte Vorrichtung ist in der Lage, die Rest-Druckspannungen der Zahnfüße des Zahnrads zu steigern. Allerdings berücksichtigt die Vorrich­ tung nicht das Aufbringen von Rest-Druckspannungen auf die Zahnflanken.

Der Kugelstrahlprozeß des oben erläuterten Typs verwendet Stahlkügel­ chen in Form eines Kügelchen-Strahls. Folglich werden die mit den Stahlkügelchen gestrahlten Oberflächen aufgerauht, so daß man eine schlechte Oberflächenrauhigkeit erhält.

Eine Lösung dieses Problems besteht in dem Einsatz eines Prozesses zum Steigern der Festigkeit einer Metallfläche durch Glühen der Ober­ fläche eines geformten Metallbauteils, Schleifen der metallischen Ober­ fläche und anschließendes Strahlen der Metallfläche mit Glaskügelchen, deren Durchmesser im Bereich von 0,2 mm bis 0,6 mm liegen, wie dies in der japanischen Patentschrift 5-21711 offenbart ist. Dieser Prozeß hat die Wirkung, daß die Dauerfestigkeit des metallischen Bauteils gesteigert wird, ohne daß dabei die Metalloberfläche aufgerauht wird.

Der oben erläuterte herkömmliche Prozeß vermag die Rauhigkeit der Me­ talloberfläche zu verbessern, kann jedoch nicht die Dauerfestigkeit bis zu einem gewünschten Wert steigern, bedingt durch eine Senkung der aufge­ brachten Rest-Druckspannungen. Sofern die auf die metallische Oberfläche aufgebrachten Glaskügelchen nicht in hohem Maße orientiert sind, haben diese außerdem die Neigung, in verschiedene Richtungen verstreut zu wer­ den. Aus diesem Grund ist die Effizienz des Strahlens sehr gering, wenn die Glaskügelchen auf die Zahnfüße eines Zahnrads sowie solche Flächen des Zahnrads aufgebracht werden, die von den Zahnflanken ausgehend zu den Zahnfüßen des Zahnrads verlaufen.

Die Glaskügelchen werden bei ihrem Zusammenprall mit den Oberflächen des Zahnrads, bei denen es sich um Metalloberflächen handelt, zerkleinert. Folglich schwebt in der Bearbeitungskammer, in der das metallische Bauteil oder Zahnrad bearbeitet wird, Glaskügelchen-Staub oder teilchenförmiger Staub mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich. Innerhalb der Bearbei­ tungskammer wird das bearbeitete Zahnrad auf einer Spindel gelagert und mit hoher Geschwindigkeit gedreht, und an der Spindel bleibt mit hoher Wahrscheinlichkeit der aus feinen Teilchen bestehende Staub haften. Aus diesem Grund wird die Spindel fehleranfällig, beispielsweise dreht sie nicht mehr ordnungsgemäß und dergleichen.

Außerdem haben die feinen, aus den Glaskügelchen entstandenen Staubpar­ tikel die Neigung, sich auf Oberflächenbereichen des Zahnrads niederzu­ schlagen. Ein separat durchgeführter Spülprozeß zum Befreien der Zahnra­ doberflächen von jeglichem Glasstaub verhindert, daß die Behandlung des Zahnrads mit dem Zweck, seine Festigkeit zu steigern, wirtschaftlich ist.

Üblicherweise sind die Glaskügelchen in einem Trichter gespeichert und werden mit vorgegebenem Durchsatz aus dem Trichter durch ein Rohr ge­ liefert, welches den Trichter mit einer Düse verbindet, aus der die Glaskü­ gelchen ausgestoßen werden. Da die Glaskügelchen einen geringen Durch­ messer haben, nehmen sie leicht Feuchtigkeit auf und können das Rohr zwi­ schen dem Trichter und der Düse verstopfen. Wenn sich eine solche Glas­ kügelchen-Verstopfung ausgebildet hat, ist es unmöglich, Glaskügelchen mit einem Soll-Durchsatz auf die Zahnradflächen aufzubringen, mit dem Ergebnis, daß das Zahnrad zum Zweck seiner Festigkeitserhöhung nicht stabil bearbeitet werden kann.

Zum Stand der Technik wird ferner verwiesen auf Kuppinger, Günther: "Strahlen von Oberflächen" in: Metall 1990, Heft 10, Seiten 932 bis 935 sowie die SU-232 297. Aus der erstgenannten Druckschrift ist das Strahlen von Oberflächen mit verschiedenen "Strahlmitteln" bekannt, u. a. sind als Strahlmittel Glasstrahlperlen angegeben. Mit welchen Ver­ fahren und welcher Vorrichtung diese speziellen Strahlmittel jedoch eingesetzt werden, läßt sich der Druckschrift nicht entnehmen. Der SU- Druckschrift läßt sich eine Vorrichtung zum Strahlen von Oberflächen entnehmen, bei dem die Strahlmittel in einem breitgefächerten Strahl in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks abgestrahlt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines metallischen Bauteils anzugeben, mit dem bzw. mit der die Oberflächenrauhigkeit und die Dauerfestigkeit des metallischen Bauteils mit hohem Wirkungsgrad verbessert werden.

Durch die Erfindung sollen speziell Verfahren und eine Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Zahnrads geschaffen werden, um aus­ reichende Rest-Druckspannungen hervorzurufen, glatte Oberflächen zu erzeugen, die sich von den Zahnflanken zu den Zahnfüßen des Zahnrads erstrecken, und zuverlässig eine Oxidschicht von den Zahnradober­ flächen zu beseitigen.

Dazu soll je in einer speziellen Ausführungsform eine zuverlässige Be­ seitigung von feinen Glasstaubpartikeln erreicht werden, und zwar exakt und zuverlässig mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 17 bzw. 27 angegebene Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge­ staltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Da auf ein Metallbauteil eine mit Glaskügelchen versetzte Flüssigkeit aus­ gestoßen wird, sind die Glaskügelchen derart orientiert, daß sie exakt mit einer gewünschten Oberfläche des Metallbauteils zusammenprallen. Der Oberfläche des Metallbauteils werden Druckspannungen zuteil, und die Oberfläche des Metallbauteils wird durch die Glaskügelchen geschliffen. Wenn die Glaskügelchen durch die Kollision mit dem metallischen Bauteil zerkleinert werden, werden Bruchstücke der zerkleinerten Glaskügelchen durch die auf das metallische Bauteil ausgestoßene Flüssigkeit gegen die Oberfläche des Bauteils gedrückt, wodurch das Metallbauteil wirksam ge­ schliffen und eine Oxidschicht beseitigt wird.

Soweit die Flüssigkeit mit der Oberfläche des Metallbauteils kollidiert, er­ hält die Oberfläche des Metallbauteils Druckspannungen und wird von der Flüssigkeit geschliffen, ebenso wie durch die Glaskügelchen. Folglich wer­ den die Glaskügelchen so orientiert, daß sie mit dem Metallbauteil zusam­ menprallen, und die Glaskügelchen und die Flüssigkeit wirken so, daß sie die Festigkeit des Metallbauteils steigern und das Metallbauteil schleifen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach einer ersten Ausführungsform der Er­ findung;

Fig. 2 ist eine anschauliche Darstellung eines Verfahrens zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils mit der Vorrichtung gemäß der ersten Aus­ führungsform;

Fig. 3 ist ein Diagramm, welches die Bedingungen zum Erhitzen eines Zahnrads veranschaulicht;

Fig. 4 ist eine anschauliche Darstellung von Versuchsbedingungen für das Verfahren, welches von der Vorrichtung nach der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;

Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Dauerfestigkeiten von Versuchs- und Vergleichsbeispielen darstellt;

Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die Relation zwischen dem Durchmesser von Glaskügelchen und der Dauerfestigkeit veranschaulicht;

Fig. 7 ist ein Diagramm, welches die Relation zwischen dem Durchmesser von Glaskügelchen und der Oberflächenrauhigkeit veranschaulicht;

Fig. 8 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Druck, unter dem Wasser ausgestoßen wird, und der Dauerfestigkeit;

Fig. 9 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 10 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform;

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht eines Laser-Durchflußmessers der Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform;

Fig. 12A ist eine Ansicht, die die Art und Weise veranschaulicht, in der die Kopffläche eines Radzahns verarbeitet wird;

Fig. 12B ist eine Ansicht, die die Art und Weise veranschaulicht, auf die eine Flanke eines Radzahns verarbeitet wird;

Fig. 12C ist eine Ansicht, die die Art und Weise veranschaulicht, auf die ein Zahnfuß eines Zahnrads verarbeitet wird;

Fig. 13 ist eine Ansicht, die die Art und Weise veranschaulicht, auf die ein Glaskügelchen mit einer Flanke eines Radzahns kollidiert;

Fig. 14A ist eine vergrößerte Darstellung einer Zahnflanke an dem Teilkreis, nachdem das Zahnrad mit der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungs­ form einsatzgehärtet wurde;

Fig. 14B ist eine vergrößerte Ansicht der Zahnflanke bei dem Teilkreis, die zur Steigerung der Festigkeit mit der Vorrichtung nach dem zweiten Aus­ führungsbeispiel bearbeitet wurde;

Fig. 15A ist eine vergrößerte Ansicht eines Zahnfußes, nachdem das Zahn­ rad von der Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform einsatzgehärtet wurde;

Fig. 15B ist eine vergrößerte Ansicht des Zahnfußes, der zur Steigerung der Festigkeit mit der Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform bearbei­ tet wurde;

Fig. 16 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Ausstoßwinkel, un­ ter dem Glaskügelchen aufgebracht werden, den Restspannungen und der Oberflächenrauhigkeit;

Fig. 17 ist eine Ansicht einer Düse, die in der Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform versetzt wird;

Fig. 18 ist ein Diagramm, welches Lastmomente eines Zahnrads veran­ schaulicht, welches zur Steigerung der Festigkeit bearbeitet wurde, sowie eines Zahnrads, welches nicht zum Zweck der Festigkeitssteigerung bear­ beitet wurde;

Fig. 19 ist ein Diagramm, welches Wurzelspannungen eines Zahnrads ver­ anschaulicht, welches zum Zweck der Festigkeitssteigerung bearbeitet wur­ de, sowie eines Zahnrads, welches nicht zur Festigkeitssteigerung bearbeitet wurde;

Fig. 20 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Verhältnis von Glas­ kügelchen zu Wasser und der Wurzelfestigkeit bei unterschiedlichen Drüc­ ken, unter denen die Glaskügelchen aufgebracht werden;

Fig. 21 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Menge aufgebrachter Glaskügelchen und der Biegefestigkeit bei unterschiedlichen Drücken, unter denen die Glaskügelchen aufgebracht wurden;

Fig. 22 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Menge aufgebrachter Glaskügelchen und der Oberflächenrauhigkeit bei unterschiedlichen Drüc­ ken, unter denen die Glaskügelchen aufgebracht wurden;

Fig. 23 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform, wobei die Art und Weise dargestellt ist, in der ein Nebelsammelmechanismus arbeitet;

Fig. 24 ist eine Ansicht, welche die Art und Weise veranschaulicht, in der ein Zahnrad in entgegengesetzte Richtungen gedreht wird, während es ge­ spült wird;

Fig. 25 ist eine Ansicht, die zeigt, wie eine Düse horizontal vor- und zu­ rückbewegt wird, wenn das Zahnrad gespült wird;

Fig. 26 ist eine Ansicht der Art und Weise, auf die eine Düse vertikal hoch und runter bewegt wird, wenn das Zahnrad gespült wird;

Fig. 27 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausstoßmechanismus zum Aufbringen von Glaskügelchen in einer Vorichtung zum Steigern der Fe­ stigkeit eines Metallbauteils gemäß einer dritten Ausführungsform der Er­ findung;

Fig. 28 ist eine Vorderansicht des Ausstoßmechanismus zum Aufbringen von Glaskügelchen;

Fig. 29 ist eine Ansicht, die einen Winkeleinstellprozeß veranschaulicht, der von dem Ausstoßmechanismus nach Fig. 28 ausgeführt wird;

Fig. 30 ist eine Ansicht, die einen Spülvorgang veranschaulicht, der von dem Ausstoßmechanismus nach Fig. 28 ausgeführt wird;

Fig. 31 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach einer vierten Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 32 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 31;

Fig. 33 ist eine Ansicht, die die Art und Weise veranschaulicht, auf die eine Düse parallel zur Querrichtung eines Zahnrads bewegt wird, wenn dieses gespült wird;

Fig. 34 ist eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach einer fünften Ausführungs­ form der Erfindung; und

Fig. 35 ist eine vergrößerte Teil-Seitenansicht der Vorrichtung nach der fünften Ausführungsform.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 bedeutet das Bezugszeichen 10 eine Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zwecks Steigerung der Festigkeit eines Metallbauteils nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Die Vorrichtung 10 enthält einen Ausstoßmechanismus 20 zum Aufbringen eines ausgestoßenen Strahls 16 einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, 12 und Glaskügelchen 14 auf ein Metallbauteil, zum Beispiel ein Zahnrad 18, einen Wasserzuführmechanismus (Flüssigkeits-Zuführmechanismus) 22 zum Zuführen des Wassers 12 zu dem Ausstoßmechanismus 20 unter Druck, und einen Trichter (einen Glaskügelchen-Zuführmechanismus) 24, der die Glaskügelchen 14 mit einem vorbestimmten Durchsatz dem Ausstoßme­ chanismus 20 über ein Rohr 23 zuleitet.

Der Ausstoßmechanismus 20 enthält eine Düse 26, die mit dem Wasserzu­ führmechanismus 22 verbunden ist, eine Mischkammer 28 zum Mischen des Wassers 12 mit den Glaskügelchen 14, und eine Düsenöffnung 30 zum Ausstoßen des Spritzstrahls 16 aus Wasser 12 und Glaskügelchen 14 auf das Zahnrad 18.

Der Wasserzuführmechanismus 22 besitzt einen Auffangbehälter 32 und eine Hochdruckpumpe 34. Die Hochdruckpumpe 34 dient zum Aufbringen des Spritzstrahls 16 aus Wasser 12 und Glaskügelchen 14 unter einem Druck von mindestens 98 MPa auf das Zahnrad 18. Die in den Trichter 24 eingefüllten Glaskügelchen 14 haben Durchmesser von 0,05 mm bis 0,3 mm.

Im folgenden wird das Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metall­ bauteils gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung unter Einsatz der Vorrichtungsziele erläutert. Das gemäß der JIS SCr 420 zum Erhalten eines Radzahns gefräste Zahnrad 18 wird unter den in Fig. 3 dargestellten Er­ wärmungsbedingungen einsatzgehärtet. Das einsatzgehärtete Zahnrad 18 wird dann in eine Stellung gebracht, in der es von dem Verfahren bearbeitet wird, und die Düsenöffnung 30 der Vorrichtung 10 wird gegenüber einem Zahnfuß oder einer Zahnlückenfläche 36 des Zahnrads 18 positioniert (vgl. Fig. 1).

Die Hochdruckpumpe 34 wird in Betrieb gesetzt, damit sie aus dem Aus­ gleichsbehälter 32 über die Düse 26 Wasser 12 in die Mischkammer 28 ein­ bringt, die außerdem aus dem Trichter 14 mit Glaskügelchen 14 gespeist wird. Das Wasser 12 und die Glaskügelchen 14 werden in der Mischkam­ mer 26 miteinander vermischt und anschließend als Spritzstrahl 16 aus der Düsenöffnung 30 in Richtung des Zahnfußes 36 des Zahnrads 18 ausgesto­ ßen.

Da bei der ersten Ausführungform die mit dem Wasser 12 gemischten Glas­ kügelchen 14 ausgestoßen werden, sind sie so orientiert, daß sie exakt mit einer gewünschten Fläche des Zahnfußes 36 kollidieren. Folglich werden die Glaskügelchen 14 nicht verstreut, sondern wirksam in Richtung des Zahn­ fußes 36 ausgestoßen.

Wenn die Glaskügelchen 14 mit dem Zahnfuß 36 zusammenprallen, geben sie Rest-Druckspannungen an die Oberfläche des Zahnfußes 36 und schlei­ fen außerdem die Oberfläche des Zahnfußes 36. Wenn darüber hinaus ge­ mäß Fig. 2 die Glaskügelchen 14 durch den Zusammenprall mit dem Zahn­ fuß 36 brechen, werden Bruchstücke 14a der Glaskügelchen 14 durch das auf den Zahnfuß 36 aufgebrachte Wasser 12 gegen die Oberfläche des Zahnfußes 36 gedrückt. Deshalb haben die Bruchstücke 14 die Wirkung, die Oberfläche des Zahnfußes 36 zu schleifen.

Das Wasser 12 prallt ebenfalls wie die Glaskügelchen 14 mit der Oberfläche des Zahnfußes 36 zusammen. Folglich vermittelt das Wasser 12 der Ober­ fläche des Zahnfußes 36 Restdruckkräfte, und es schleift die Oberfläche des Zahnfußes 36.

Daher verleihen bei der ersten Ausführungsform das Wasser 12 und die Glaskügelchen 14 dem Zahnfuß 36 in effizienter Weise Restdruckkräfte und erhöhen dadurch die Dauerfestigkeit des Zahnrads 18, um dadurch einfach und zuverlässig die Festigkeit des Zahnrads 18 zu steigern. Die Oberflä­ chenrauhigkeit des Zahnfußes 36 wird verbessert, einhergehend mit einer Steigerung der Genauigkeit des Zahnrads 18.

Nachdem außerdem bei der ersten Ausführungsform der Zahnfuß 36 des Zahnrads 18 nach dem Fräsen einsatzgehärtet wurde, wird die Oberfläche des Zahnfußes 36 durch die Glaskügelchen 14 und das Wasser 12 geschlif­ fen. Deshalb wird das Zahnrad 18 in seiner Gesamtheit einfacher und ra­ scher bearbeitet als mit konventionellen Verfahren, bei denen lediglich Glaskügelchen auf metallische Bauteile aufgebracht werden, die zu einer Gestalt gefräst wurden.

Es wurden verschiedene Zahnräder 18 hergestellt, darunter ein Zahnrad, welches zur Steigerung seiner Festigkeit mit Wasser 12 und Glaskügelchen 14 eines Durchmessers von 0,1 mm (Versuchsbeispiel 1) bearbeitet wurde, ein Zahnrad, welches zur Steigerung seiner Festigkeit mit Wasser 12 und Glaskügelchen 14 eines Durchmessers von 0,2 mm (Versuchsbeispiel 2) bearbeitet wurde, ein Zahnrad, welches nicht zwecks Steigerung seiner Fe­ stigkeit bearbeitet wurde (Vergleichsbeispiel 1), ein Zahnrad, welches zur Steigerung seiner Festigkeit nur mit Wasser 12 bearbeitet wurde (Vergleichsbeispiel 2), und ein Zahnrad, welches zwecks Steigerung seiner Festigkeit nur mit Glaskügelchen 14 eines Durchmessers von 0,6 mm bear­ beitet wurde (Vergleichsbeispiel 3). Diese Zahnräder 18 wurden anschlie­ ßend bezüglich ihrer Dauerbiegefestigkeit an den Zahnfüßen ausgemessen.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, waren spezielle Bedingungen zum Steigern der Festigkeit der Zahnräder die, daß die Düse 26 einen Durchmesser von 0,2 mm besaß, die Düsenöffnung 30 einen Durchmesser von 1 mm besaß, der Abstand zwischen der Düsenöffnung 30 und der Kopffläche des Zahnrads 18 50 mm betrug, das Wasser 12 unter einem Druck von 200 kg/cm² aus­ gestoßen wurde, die Glaskügelchen 16 mit einem Massendurchsatz von 50 g/min zugeliefert wurden, und der Ausstoßmechanismus 20 pro Zyklus sei­ ner Hin- und Herbewegung mit einer Geschwindigkeit von 2 m/min 1 mm seitlich in Bezug auf das Zahnrad 18 bewegt wurde.

Die Zahnräder 18 nach den Versuchbeispielen 1, 2 sowie den Vergleichsbei­ spielen 1 bis 3 wurden in eine (nicht gezeigte) hydraulische Ermüdungs­ prüfmaschine eingebracht und mit einer Frequenz von 30 Hz in Schwingun­ gen versetzt, um auf die Zahnfüße der Zahnräder 18 Spannungen aufzubrin­ gen. Die Versuchsergebnisse sind in Fig. 5 dargestellt.

Das Zahnrad, welches zwecks Steigerung seiner Festigkeit nur mit Wasser 12 bearbeitet worden war (Vergleichsbeispiel 2) besaß keine stärker erhöhte Festigkeit als das Zahnrad nach dem Vergleichsbeispiel 1, und das Zahnrad, welches zur Erhöhung seiner Festigkeit nur mit Glaskügelchen 14 behandelt worden war (Vergleichsbeispiel 3) besaß nur eine geringfügig größere Fe­ stigkeit als das Zahnrad nach dem Vergleichsbeispiel 1. Die Zahnräder nach den Vergleichsbeispielen 1 und 2 hatten jedoch eine um etwa 37% höhere Festigkeit bei unteren Zyklen und um 50% oder darüber erhöhte Festigkeit bei höheren Zyklen, verglichen mit dem nicht bearbeiteten Zahnrad (Vergleichsbeispiel 1).

Unter den in Fig. 4 dargestellten Bedingungen wurde ein Experiment durchgeführt, um die Relationen zwischen dem Durchmesser der Glaskü­ gelchen 14, der Dauerfestigkeit und der Oberflächenrauhigkeit zu ermitteln. Die Relation zwischen dem Durchmesser der Glaskügelchen 14 und der Dauerfestigkeit ist in Fig. 6 dargestellt, die Relation zwischen dem Durch­ messer der Glaskügelchen 14 und der Oberflächenrauhigkeit ist in Fig. 7 dargestellt.

Wie in Fig. 6 zu sehen ist, absorbierten die einen Durchmesser von 0,05 mm oder darunter aufweisenden Glaskügelchen 14 Feuchtigkeit und verstopften somit das Rohr, so daß der Prozeß der Steigerung der Festigkeit des Zahn­ rads nicht durchgeführt werden konnte. Wenn gemäß Fig. 7 der Durchmes­ ser der Glaskügelchen 14 0,3 mm oder darüber betrug, erhöhte sich die Oberflächenrauhigkeit so stark, daß sie aus dem Normbereich von 3 µm herausfiel.

Ein weiteres Experiment wurde durchgeführt, um die Relation zwischen dem Strahldruck des Wassers 12 und der Dauerfestigkeit nachzuweisen. Fig. 8 zeigt das Ergebnis des Versuchs. Als der Strahldruck dese Wassers 12 einen Wert von 98 MPa oder weniger betrug, hatte dies keinen förderli­ chen Effekt auf die Festigkeit des Materials des Zahnrads.

Fig. 9 ist eine teilweise im Querschnitt gehaltene Vorderansicht einer Vor­ richtung 110 zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 10 ist eine teilweise geschnit­ tene Seitenansicht der Vorrichtung 110.

Die Vorrichtung 110 enthält einen Zahnradhaltemechanismus 116 zum Halten eines Zahnrads 112 als Werkstück und zum Positionieren des Zahn­ rads 112 in einer Verarbeitungskammer 114a innerhalb eines Gehäuses 114, einen Ausstoßmechanismus 124 zum Aufbringen eines Spritzstrahls 122 einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, 118 und Glaskügelchen 120 auf das Zahnrad 112, einen Wasserzuführmechanismus (Flüssigkeits- Zuführmechanismus) 126 zum Zuführen des Wassers 118 unter Druck zu dem Ausstoßmechanismus 124, einen Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 zum Zuführen der Glaskügelchen 120 mit einer vorbestimmten Ge­ schwindigkeit zu dem Ausstoßmechanismus 124, einen Nebelsammel­ mechnismus 131 zum Anziehen und Sammeln von teilchenförmigem Staub 120b, der dann entsteht, wenn die Glaskügelchen 120 von der Oberfläche des Zahnrads 112 zerkleinert werden, und eine Steuerkonsole 127 zum Steuern des Betriebs dieser Mechanismen.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist der Zahnradhaltemechanismus 116 auf einer Seite der Kammer 114a abgewandt von dem Wasserzuführmechanismus 126 und dem Glaskügelchenzuführmechanismus 128 angeordnet. Der Zahn­ radhaltemechanismus 116 besitzt eine X-Schlitteneinheit 130 und eine Spin­ deleinheit 132, die auf einem Untergestell 129 gelagert sind. Die X- Schlitteneinheit 130 besitzt einen X-Achsen-Motor 134, der mit einer Kuge­ lumlaufspindel 136 gekoppelt ist, die zu einem Paar von Führungsstangen 138 gehört, die sich parallel zu ihr erstrecken. Die Spindeleinheit 132 ist auf der Kugelumlaufspindel 136 und den Führungsstangen 138 zur Ausführung einer hin- und hergehenden Bewegung in Pfeilrichtung X gelagert.

Die Spindeleinheit 132 besitzt eine Spindel 142, die mit einem Spindelmotor 140 gekoppelt ist, wobei das Zahnrad 112 an einem distalen Ende der Spin­ del 142 gelagert ist. Die Spindeleinheit 132 besitzt einen distalen Endab­ schnitt, der die Spindel 142 beinhaltet und durch eine Öffnung 144 in einer Seitenwand 114b des Gehäuses 114 in dieses hinein beweglich ist.

Wie in Fig. 10 gezeigt ist, enthält der Ausstoßmechanismus 124 eine Y- Schlitteneinheit (erste Schlitteneinheit) 146 und eine Z-Schlitteneinheit (zweite Schlitteneinheit) 148, die als Verlagerungseinrichtung fungieren. Die Y-Schlitteneinheit 146 besitzt einen horizontalen Y-Achsen-Motor 150, der mit einer horizontalen Kugelumlaufspindel 152 gekoppelt ist, der ein Paar Führungsstangen 154 in paralleler Anordnung zugeordnet ist. Die Z- Schlitteneinheit 148 wird auf der Kugelumlaufspindel 152 und den Füh­ rungsstangen 154 zur Ausführung einer vor- und zurückgehenden Bewe­ gung in Pfeilrichtung Y getragen. Die Z-Schlitteneinheit 148 besitzt einen vertikalen Z-Achsen-Motor 156, der mit einer vertikalen Kugelumlaufspin­ del 158 gekoppelt ist, zu der ein Paar Führungsstangen 160 in paralleler Anordnung gehört. Ein beweglicher Körper 162 ist auf der Kugelumlauf­ spindel 158 und den Führungsstangen 160 zur Ausführung einer vor- und zurückgehenden Bewegung in Pfeilrichtung Z angeordnet.

Ein sich in Pfeilrichtung Z erstreckendes Rohr 166 ist an den äußeren Enden eines Paares von Haltestäben 164 gelagert, welches sich von dem bewegli­ chen Körper 162 ausgehend in Richtung der Pfeile Y erstreckt. Das Rohr 166 trägt an seinem oberen Ende ein EIN/AUS-Ventil 168 zum Einschalten und Ausschalten der Zufuhr des Wassers 118. Eine Mischkammer 170 zum Mischen der Glaskügelchen 120 mit dem Wasser 118 ist an ein unteres En­ de des Rohrs 166 angeschlossen, und an ein unteres Ende der Mischkammer 170 ist eine Düse 172 gekoppelt.

Der Wasserzuführmechanismus 126 besitzt ein Wasserrohr 174, welches mit einem Ende an eine Einlaßöffnung des EIN/AUS-Ventils 168 gekoppelt ist. Das Wasserrohr 174 ist spiralförmig innerhalb der Kammer 114 gewun­ den und ist mit einem abgewandten Ende über eine Verbindung 176 mit der anderen Seitenwand 114c gekoppelt (siehe Fig. 9). Über die Verbindung 176 ist es an eine (nicht dargestellte) Hochdruckpumpe angeschlossen, damit der Spritzstrahl 122 unter einem vorbestimmten Druck aus der Düse 172 auf das Zahnrad 112 ausgestoßen wird.

Der Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 enthält einen Trichter 180, der auf der Oberseite des Gehäuses 114 mit einer Halterung 178 gelagert ist. Ein Banderhitzer 181, der als Einrichtung zum Trocknen der Glaskügelchen dient, umgibt den Trichter 180 und verhindert, daß die in dem Trichter 180 gespeicherten Glaskügelchen 120 durch Feuchtigkeit aneinander kleben.

Eine Lastzelle 182 zum Nachweisen der Restmenge an Glaskügelchen 120 im Trichter 180 befindet sich unterhalb des Trichters 180. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, besitzt der Trichter 180 eine Auslaßöffnung, die mit einem Meßventil 184 gekoppelt ist, ein Unterdruckmeßgerät 186 und ein Laser- Durchflußmesser 188, die hintereinander stromabwärts angeordnet sind. Ein Rohr 190 ist mit einem Ende an den Laser-Durchflußmesser 180 gekoppelt, das andere Ende ist in die Kammer 114a eingesetzt und steht mit der Mischkammer 170 in Verbindung. Die in den Trichter 180 eingefüllten Glaskügelchen 120 haben Durchmesser zwischen 0,05 mm und 0,3 mm.

Wie in Fig. 11 gezeigt ist, besitzt der Laser-Durchflußmesser 188 zwei ver­ tikale beabstandete transparente Platten 212a und 212b aus Glas oder der­ gleichen, die einander gegenüberstehend mit einem Zwischenraum 214 an­ geordnet sind, um zwischen sich die Glaskügelchen 120 durchzulassen. Auf einer Seite der transparenten Platte 212a abgewandt von der transparenten Platte 212b befindet sich eine Laserstrahlquelle 126 zum Aufbringen eines Laserstrals 216a auf die transparente Platte 212a über deren voller Breite. Auf einer Seite der transparenten Platte 212b abgewandt von der Platte 212a befindet sich zum Nachweis des Laserstrahls 216a ein Laserstrahlde­ tektor 218.

Der Nebelsammelmechanismus 131 besitzt ein Hauptgehäuse 131a, welches auf dem Untergestell 129 gelagert ist. Das Hauptgehäuse 131a beinhaltet eine (nicht gezeigte) Unterdruckquelle, die an ein Paar Leitungen 194 und 196 angeschlossen ist, deren abgelegene Enden durch die Seitenwand 114b des Gehäuses 114 in die Kammer 114a geleitet sind. Die abgelegenen En­ den der Leitungen 194 und 196 besitzen eine erste und eine zweite Öffnung (Saugmündungen) 194a, 196a, die zwischen dem Zahnrad 112 und der Dü­ se 172 in der Nähe des Zahnrads 112 münden (vgl. Fig. 10).

Das Gehäuse 114 besitzt einen unteren Endabschnitt, der nach unten zu einem konischen Abschnitt 194 verjüngt ist, ferner einen Austragförderer 200 unter der unteren Öffnung des konischen Abschnitts 194.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Vorrichtung 110 der zweiten Aus­ führungsform beschrieben.

Das zur Ausbildung der Schneidzähne gefräste Zahnrad 112 ist einsatzge­ härtet worden. Das einsatzgehärtete Zahnrad 112 wird danach auf der Spindel 142 des Zahnradhaltemechanismus 116 eingestellt, und die Düse 172 des Ausstoßmechanimus 124 wird in ihrer Lage derart eingestellt, daß sie selektiv den Richtungen der Pfeile Y, Z entspricht, wozu die Y- Schlitteneinheit 146 und die Z-Schlitteneinheit 148 gegenüber dem Zahnrad 112 benutzt werden.

Der Spindelmotor 140 wird in Gang gesetzt, um die Spindel 142 und das Zahnrad 112 gemeinsam zu drehen, und es wird der X-Achsen-Motor 134 der X-Schlitteneinheit 130 betätigt, um das Zahnrad 112 zusammen mit der Spindeleinheit 132 in Richtung des Pfeils X1 (vgl. Fig. 9) zu bewegen.

Es wird der Ausstoßmechanismus 124 in Betrieb gesetzt, und es wird die (nicht dargestellte) Hochdruckpumpe eingeschaltet, um das Wasser 118 durch das Wasserrohr 174 in die Mischkammer 170 zu leiten. Das Nieß­ ventil 184 des Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 wird betätigt, um eine vorbestimmte Menge Glaskügelchen 120 aus dem Rohr 190 in die Mischkammer 170 einzuspeisen. Wenn das Wasser 118 von der Düse 172 ausgestoßen wird, entsteht ein Unterdruck in der Mischkammer 170, durch den die Glaskügelchen 120 im Rohr 190 mit dem Wasser 118 gemischt werden und ein Spritzstrahl 122 entsteht, der von der Düse 172 auf das Zahnrad 112 ausgestoßen wird.

Während das Zahnrad 112 eine Umdrehung ausführt, hat das Zahnrad 112 in Richtung des Pfeils X1, das heißt in Querrichtung zu dem Zahnrad 112, eine Distanz gleich oder weniger als der Durchmesser der Düsenöffnung der Düse 172. Deshalb ist der Spritzstrahl 122 des Wassers 118 und der Glas­ kügelchen 120 entsprechend einer exakten und gleichmäßigen Kollision mit gewünschten Stellen einer Kopffläche 202, einer Zahnflanke 204 und eines Zahnfußes 206 des Zahnrades 112 orientiert (vgl. Fig. 12A bis 12C).

Bei dieser Ausführungsform besitzt das Zahnrad 112 ein Modul von 1,5; einen Schraubenwinkel von 36°, einen Druckwinkel von 17,5° und 52 Zäh­ ne, und der Spritzstrahl 122 wird auf einen Bereich einer Zahnflanke 104 gerichtet, welcher dem Teilkreisdurchmesser (PCD) entspricht. Der Spritz­ strahl 122 kan zuverlässig auf die Zahnflanke 204 und den Zahnfuß 206 aufgebracht werden, um der Zahnflanke 204 bzw. dem Zahnfuß 206 ausrei­ chende Rest-Druckspannungen zu vermitteln.

Wie außerdem in Fig. 13 gezeigt ist, erhält, wenn ein Glaskügelchen 120 mit einer Zahnflanke 204 des Zahnrads 112 kollidiert, die Oberfläche der Zahnflanke 204 Rest-Druckspannungen, und sie wird von dem Glaskügel­ chen 120 geschliffen, wobei das Glaskügelchen 120 zerkleinert wird. Zu dieser Zeit werden Bruchstücke des Glaskügelchens 120 von dem auf die Zahnflanke 204 gestoßenen Wasser 118 unter spitzen Winkeln gegen die Oberfläche der Zahnflanke 204 gedrückt. Deshalb wird das Zahnrad 112 in einem Bereich geschliffen, der von dem Abschnitt der Zahnflanke 204, der dem Teilkreisdurchmesser (PCD) entspricht, bis zu der Wurzel 206 reicht, so daß dieser Flächenbereich zuverlässig eine glatte endgültige Oberfläche erhält.

Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist der Zahnradhaltemechanismus 116 auf einer Seite der Kammer 114a entfernt von dem Wasserzuführmechanismus 126 und dem Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 entfernt. Folglich lassen sich der Zahnradhaltemechanismus 116, der Wasserzuführmechanismus 126 und der Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 kollisionsfrei anordnen, und die gesamte Baugröße der Vorrichtung 110 läßt sich leicht verkleinern.

Fig. 14A ist eine vergrößerte Ansicht der Zahnflanke 204 nach dem Ein­ satzhärten des Zahnrads 112. Fig. 14B ist eine vergrößerte Ansicht der Zahnflanke 204, nachdem das Zahnrad 112 zwecks Steigerung seiner Fe­ stigkeit von der Vorrichtung 110 bearbeitet wurde. Fig. 15A ist eine ver­ größerte Ansicht eines Zahnfußes nach dem Einsatzhärten des Zahnrads, und Fig. 15B ist eine vergrößerte Ansicht des Zahnfußes, der zur Steige­ rung seiner Festigkeit von der Vorrichtung 110 bearbeitet wurde. Man sieht, daß eine Oxidschicht wirksam von den Oberflächen der Zahnflanke 204 und des Zahnfußes beseitigt wurde, und diese Oberflächen durch den Prozeß zum Steigern der Festigkeit geglättet wurden.

Nachdem die Zahnräder 112 zur Steigerung ihrer Festigkeit von dem Spritzstrahl 122, der unter verschiedenen Winkeln (Ausstoßwinkeln) auf den Abschnitt der Zahnflanke 204 entsprechend dem Teilkreisdurchmesser ausgestoßen wurde, verarbeitet wurden, wurden die Zahnräder 112 bezüg­ lich der Rest-Druckspannungen und Oberflächenrauhigkeit vermessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 16 gezeigt.

Betrug der Ausstoßwinkel 30° oder mehr, wurde die Oberfläche der Zahn­ flanke 204 aufgerauht, betrug der Ausstoßwinkel 10° oder weniger, wurde keine ausreichend große Restdruckspannung aufgebracht. Hieraus wurde ermittelt, daß der Ausstoßwinkel des Spritzstrahls 122 vorzugsweise in dem Bereich von 10° bis 30° liegen sollte.

Wie in Fig. 17 gezeigt ist, läßt sich ein Zahnrad 112a, dessen Zahnflanke 204a einen kleinen Zahneingriffswinkel aufweist, in einfacher Weise bezüg­ lich seiner Festigkeit bearbeiten, indem die Düse 172 verlagert (versetzt) wird. Insbesondere dann, wenn der Ausstoßwinkel des Spritzstrahls 122 10'° oder weniger an dem dem Teilkreisdurchmesser entsprechenden Be­ reich beträgt, während die Düse 172 auf einer Geraden L liegt, die die Achse der Düse 172 mit dem Zentrum O des Zahnrads 112a verbindet, ist es unmöglich, ausreichend starke Rest-Druckspannungen zu übertragen.

Um das obige Problem zu lösen, wird gemäß Fig. 10 der Y-Achsen-Motor 150 der Y-Schlitteneinheit 146 so betätigt, daß der bewegliche Körper 162 um eine vorbestimmte Strecke (eine Strecke, die sich abhängig von dem Zahneingriffswinkel des Zahnrads 112a bestimmt) in die Richtung des Pfeils Y1 verlagert wird. Die Düse 172 ist so positioniert, daß der Ausstoßwinkel des Spritzstrahls 122 in Bezug auf die Zahnflanke 204a des Zahnrads 112a in den Bereich von 10 bis 30° fällt. Dann wird das Zahnrad 112a bearbeitet, um seine Festigkeit zu erhöhen. Deshalb ist die Vorrichtung in der Lage, in einfacher Weise verschiedene, unterschiedliche Zahnräder 112 und 112a zu bearbeiten, und sie ist in hohem Maße vielseitig.

Die Düse 172 läßt sich seitlich in Bezug auf die Gerade L, die die Achse der Düse 172 und das Zentrum O des Zahnrads 112a (112) verbindet, verset­ zen. Wenn das Zahnrad 112a (112) in entgegengesetzte Richtungen gedreht wird, läßt sich der Spritzstrahl 122 auf die Zahnflanke 204a (204) des Zahn­ rads 112a (112) aufbringen, um die Zahnflanke 204a (204) zwecks Steige­ rung ihrer Festigkeit wirksam zu bearbeiten.

Es wurden Zahnräder 112b und 112c mit den in Tabelle 1 angegebenen Spezifikationen aus einem Material entsprechend der JIS SCM420 herge­ stellt, und diese Zahnräder 112b und 112c wurden einsatzgehärtet. Die An­ zahl von Umdrehungen für das Zahnrad 112b wurde auf 28, die Anzahl der Umdrehungen für das Zahnrad 112c auf 23 eingestellt, und die Zahnräder 112b und 112c wurden zwecks Steigerung ihrer Festigkeit unter den in Ta­ belle 2 angegebenen Bedingungen bearbeitet. Der Ausstoßwinkel bezüglich der Zahnflanke des Zahnrads 112b wurde auf 18° eingestellt, der Ausstoß­ winkel bezüglich der Zahnflanke des Zahnrads 112c wurde auf 19° einge­ stellt, und die Ausstoßwinkel bezüglich der Zahnfüße der Zahnräder 112b, 112c wurden auf 45° bzw. 40° eingestellt.

Die Glaskügelchen 120 setzten sich aus 72 Gew.-% SiO₂, 2 Gew.-% AlO₃, 13,5 Gew.-% Na₂O und K₂O, 3,5 Gew.-% MgO und 9 Gew.-% CaO zu­ sammen.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Zahnräder 112b und 112c (Versuchsbeispiel), die zur Steigerung ihrer Festigkeit verarbeitet wurden, und Zahnräder 112b', 112c' (Vergleichsbeispiel), die nur einsatzgehärtet waren, wurden miteinander kombiniert und unter vorbestimmten Drehmomenten gedreht, um ihre Zahnfußfestigkeit und Flankenfestigkeit beurteilen zu können. Die Ergeb­ nisse sind in Tabelle 3 und Fig. 18 dargestellt.

Tabelle 3

Es ist ersichtlich, daß die Zahnräder 112b, 112c, die zwecks Steigerung ihrer Festigkeit durch den Spritzstrahl 122 aus Glaskügelchen 120 und Wasser 118 bearbeitet wurden, eine um 28% höhere Zahnfußfestigkeit und eine um 31% höhere Flankenfestigkeit aufwiesen als die nur einsatzgehärte­ ten Zahnräder 112b' und 112c'.

Fig. 19 zeigt gemessene Zahnfußspannungen eines aus Chromstahl (JIS SCr) hergestellten Zahnrads 112d nach Bearbeitung zwecks Steigerung seiner Festigkeit durch den Spritzstrahl 122, sowie eines Zahnrads 112d' aus gleichem Stoff wie das Zahnrad 112d, welches jedoch nicht zur Steige­ rung seiner Festigkeit bearbeitet wurde. Eine Betrachtung der Fig. 19 er­ gibt, daß das zwecks Steigerung seiner Festigkeit mit dem Spritzstrahl 122 bearbeitete Zahnrad 112d eine Zahnfußfestigkeit aufwies, welche um 50% größer war als die des nicht bearbeiteten Zahnrads 112d'.

Stirnräder 112 mit jeweils einem Modul von 2,5, einem Zahneingriffswinkel von 17,5°, 38 Zähnen und einer Zahnbreite von 8 mm wurden von jeweili­ gen Spritzstrahlen 122 aus Glaskügelchen 120 und Wasser 118 bei unter­ schiedlichen Mischverhältnissen bearbeitet, wobei Spritzstrahlen 122 bei unterschiedlichen Drücken von 150 MPa, 250 MPa und 350 MPa aus der einen Durchmesser von 0,75 mm aufweisenden Düse 172 auf die Zahnräder 112 ausgestoßen wurden. Anschließend wurden die Zahnräder 112 hin­ sichtlich ihrer Zahnfußfestigkeit ausgemessen. Die Ergebnisse sind in Fig. 20 dargestellt. Die Zahnfußfestigkeit wurde dadurch geprüft, daß man Zahnfuß-Biegespannungen aufbrachte, während die Zahnräder 112 sand­ wichartig eingefaßt wurden, die Zahnräder 112 bei einer Frequenz von 30 Hz in Schwingungen versetzte und die Dauerfestigkeit bei 10⁷ Wiederho­ lungen bestimmte.

Betrug die Menge an Glaskügelchen weniger als 2 Vol.-% des Wasser­ stroms, konnte eine Soll-Zahnfußfestigkeit (1500 MPa) in einer gewissen Bearbeitungszeit nicht erreicht werden, es wurde hingegen beträchtlich lan­ ge Zeit zum Bearbeiten der Zahnräder verbraucht. Als die Menge der Glas­ kügelchen mehr als 19 Vol.-% des Wasserstroms ausmachte, sank die Ge­ schwindigkeit des Wassers 118 beim Mischen der Glaskügelchen 120 bei Unterdruck des Wassers 118, welches unter Druck in die Mischkammer 170 eingeleitet wurde. Deshalb konnte auf die Glaskügelchen 120 nicht eine vorbestimmte Energiemenge aufgebracht werden, demzufolge die ge­ wünschte Zahnfußfestigkeit nicht erreicht wurde.

Als Konsequenz ergab sich, daß die Zahnräder 112 zwecks Steigerung ihrer Festigkeit dadurch effizient und ausreichend bearbeitet werden können, daß man die Menge von Glaskügelchen 120 auf einen Wert im Bereich von 2 bis 19 Vol.-% des Wasserstroms einstellt. Bevorzugt sollte die Menge an Glas­ kügelchen 120 auf einen Wert im Bereich von 3 bis 10 Vol.-% des Wasser­ stroms eingestellt werden.

Die Spritzstrahlen 122 mit den darin enthaltenen, verschiedenen Mengen an Glaskügelchen wurden auf die Zahnräder 112 bei verschiedenen Drücken von 150 MPa, 250 MPa und 350 MPa ausgestoßen, und die Zahnräder 112 wurden hinsichtlich ihrer Biegefestigkeit und Oberflächenrauhigkeit ausge­ messen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 21 und 22 dargestellt.

Wie in Fig. 21 gezeigt ist, konnte eine gewünschte Zahnfußfestigkeit (1500 MPa) dann nicht erreicht werden, als die Menge an Glaskügelchen 120 we­ niger als 5 mg/cm² betrug. Wie in Fig. 22 gezeigt ist, wurde, als die Menge an Glaskügelchen 120 mehr als 16 mg/mm² betrug, eine gewünschte Ober­ flächenrauhigkeit (10 µ) nicht erreicht. Es besteht die Möglichkeit, auf die Zahnräder 112 ausreichende Rest-Druckspannungen aufzubringen und glatte Oberflächen auf den Zahnrädern zu erreichen, indem man die Menge an Glaskügelchen 120 in einen Bereich von 3 mg/mm² bis 16 mg/mm² ein­ stellt. Noch mehr bevorzugt wird die Wahl der Menge an Glaskügelchen 120 in einem Bereich von 5 mg/mm² bis 9 mg/mm².

Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist, ist die als Einrichtung zum Trocknen von Glaskügelchen dienende Heizvorrichtung 181 um den Trichter 180 des Glaskügelchenzuführmechanismus 128 herum angeordnet. Die in dem Trichter 180 enthaltenen Glaskügelchen 120 werden von der Heizvorrich­ tung 181 andauernd auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten, bei­ spielsweise auf 40°C oder darüber.

Daher wird Feuchtigkeit, die möglicherweise von den Glaskügelchen 120 absorbiert wurde, zuverlässig beseitigt, und die Glaskügelchen 120 bilden keinen Propfen. Auch wenn die Glaskügelchen 120 mit sehr kleinen Durchmessern im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm vorhanden sind und dazu neigen, durch Absorption von Feuchtigkeit Verstopfungen zu bilden, lassen sich die Glaskügelchen 120 stabil aus dem Trichter 180 über das Rohr 190 dem Ausstoßmechanismus 124 zuleiten.

Die Vorrichtung 110 besitzt den Laser-Durchflußmesser 188 zum Nachwei­ sen des Durchsatzes der Glaskügelchen 120, die aus dem Trichter 180 über das Meßventil 184 zum Ausstoßmechanismus 124 geleitet werden. Wie in Fig. 11 zu sehen ist, emittiert, wenn die Glaskügelchen 120 den Raum 214 zwischen den transparenten Platten 212a und 212b passieren, die Laser­ strahlquelle 216 den Laserstrahl 216a über die gesamte Breite der transpa­ renten Platten 212a und 212b. Wenn der Laserstrahl 216a als gesendeter Strahl von dem Laserstrahldetektor 218 nachgewiesen wird, wird der Durchsatz gemessen, mit dem die Glaskügelchen 120 vorbeilaufen.

Da genau nachgewiesen wird, ob eine vorbestimmte Menge Glaskügelchen 120 tatsächlich aus dem Trichter 180 durch das Rohr 190 dem Ausstoßme­ chanismus 124 zugeleitet wurde, werden die Glaskügelchen 120 mit höherer Zuverlässigkeit stabil zugeführt.

Das Rohr 190 ist mit einem seiner Enden an den Laser-Durchflußmesser 188 und mit dem anderen Ende an die Mischkammer 170 gekoppelt. Wenn sich durch das Wasser 118, welches unter Druck über das Wasserrohr 174 dem Ausstoßmechanismus 124 zugeführt wird, in der Mischkammer 170 ein Unterdruck ausbildet, werden die Glaskügelchen 120 in dem Rohr 190 durch den Unterdruck in die Mischkammer 170 gezogen und mit Wasser 118 vermischt, was einen gewünschten Spritzstrahl 122 bildet.

Wenn sich in dem Rohr 190 kein Soll-Unterdruck ausbildet, bedeutet dies, daß ein Fehler aufgetreten ist, beispielsweise in dem Rohr 190 ein Riß ent­ standen ist oder das Rohr 190 sich von dem Ausstoßmechanismus 124 ge­ löst hat. Wenn daher der von dem Unterdruckmesser 186 gemessene Druck einen abnormalen Wert zeigt, wird die Vorrichtung 110 ausgeschaltet, um dadurch unmittelbar den abnormalen Zustand zu beseitigen. Als Ergebnis kann das Zahnrad 112 wirksam und stabil verarbeitet werden, um seine Festigkeit zu erhöhen.

Das in die Kammer 114a ausgestoßene Wasser 118 und die Bruchstücke 120a der Glaskügelchen 120 werden aus dem konischen Abschnitt 198 in dem unteren Teil des Gehäuses 114 in den Ablaufaustragförderer 200 aus­ getragen, über den das Material von einer externen Vorrichtung aufgenom­ men werden kann. Allerdings bleibt Teilchenstaub 120b (vgl. Fig. 13), der entsteht, wenn die Glaskügelchen 120 zerkleinert werden, sicher in der Kammer 114a schwimmen.

Bei der Vorrichtung 110 sind die Leitungen 194 und 196 mit ihren distalen Enden in die Kammer 114a eingeführt und münden mit ihrer ersten bzw. zweiten Öffnung 194a und 196a zwischen dem Zahnrad 112 und der Düse 172 in der Nähe des Zahnrads 112. Wenn der Nebelsammelmechanismus 131 in Gang gesetzt wird, um Teilchenstaub 120b enthaltenden Nebel über die erste und die zweite Öffnung 194a und 196a abzuziehen, wird der den teilchenförmigen Staub 120b enthaltenden Nebel, der in der Kammer 114a in der Nähe des Zahnrads 112 schwebt, zuverlässig über die erste und die zweite Öffnung 194a und 196a und die Leitungen 194 und 196 abgezogen.

Der beim Zerkleinern der Glaskügelchen 120 anfallende Teilchenstaub 120b wird also einfach und zuverlässig von dem Nebelsammelmechanismus 131 gesammelt und wird an einem Haftenbleiben an der Spindel 142 etc. gehin­ dert. Deshalb kann der Teilchenstaub 120b nicht beispielsweise an der Spin­ del 142, die sich mit hoher Drehzahl dreht, haftenbleiben, so daß ein Unter­ bleiben der Drehung der Spindel 142 verhindert wird.

Wie in Fig. 23 zu sehen ist, haben die beim Zerkleinern der Glaskügelchen 120 anfallenden Bruchstücke 120a die Neigung, an der Oberfläche des Zahnrads 112 haften zu bleiben, die zur Steigerung von dessen Festigkeit bereits bearbeitet wurde.

Um diesen Nachteil auszuschalten, wird nach der Verarbeitung des Zahn­ rads 112 zwecks Steigerung seiner Festigkeit der X-Achsen-Motor 134 der X-Schlitteneinheit 130 in der der oben beschriebenen Richtung entgegenge­ setzten Richtung in Gang gesetzt, um die Spindel 132 in Pfeilrichtung X2 zu bewegen, und das Meßventil 184 des Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 wird geschlossen, um die Zufuhr von Glaskügelchen 120 aus dem Trichter 180 zu dem Ausstoßmechanismus 124 anzuhalten. Das Zahnrad 112 wird, nachdem es geschliffen wurde, in Pfeilrichtung X2 bewegt, wäh­ rend es gleichzeitig gedreht wird, und auf das Zahnrad 112 wird lediglich das Wasser 118 aufgebracht, um die Bruchstücke 120a von der Oberfläche des Zahnrads 112 abzuspülen.

Folglich fungiert der Ausstoßmechanismus 124 schlicht als Spülmechanis­ mus, wenn die Zufuhr von Glaskügelchen 120 aus dem Glaskügelchen- Zuführmechanismus 128 unterbunden wird. Der Vorgang des Spülens der Oberfläche des geschliffenen Zahnrads 112 erfolgt somit im wesentlichen ohne Unterbrechung im Anschluß an die Beendigung des Prozesses zur Steigerung der Festigkeit des Zahnrads 112. Da der Spülprozeß rasch aus­ geführt wird, wird der gesamte Prozeß zur Erhöhung der Festigkeit des Zahnrads 112 in wirksamer Weise mühelos ausgeführt.

Glaskügelchen 120, die in dem Rohr 190 verbleiben, werden durch den Unterdruck, der sich bei Ausstoßen von Wasser 118 aus der Düse 172 ausbildet, zuverlässig aus dem Rohr 190 abgezogen. Damit wird zuverlässig verhindert, daß Glaskügelchen 120 in dem Rohr 172 verbleiben und dieses verstopfen.

Während das Zahnrad 112 gespült wird, wird das Zahnrad 112 und/oder die Düse 172 in verschiedenen Richtungen bewegt, um die Gründlichkeit beim Spülen des Zahnrads 112 zu steigern. Wie in Fig. 24 gezeigt ist, wird bei­ spielsweise bei gleichzeitiger Drehung des Zahnrads 112 im Verein mit der Spindel 142 durch die Spindeleinheit 132 abwechselnd in Pfeilrichtung A (eine normale Richtung) und in Pfeilrichtung B (eine Gegenrichtung) nur das Wasser 118 aus der Düse 172 auf das Zahnrad 112 ausgestoßen.

Wie in Fig. 25 gezeigt ist, kann alternativ dann, wenn die Düse 172 in Pfeil­ richtung Y1 und/oder Pfeilrichtung Y2 in Bezug auf das Zahnrad 112, wel­ ches zusammen mit der Spindel 142 in Pfeilrichtung A gedreht wird, bewegt wird, ausschließlich das Wasser 118 von der Düse 172 auf das Zahnrad 112 ausgestoßen werden. Hierbei wird die Düse 172 in Pfeilrichtung Y bewegt, indem der Betrieb der Y-Schlitteneinheit 146 gesteuert wird.

Gemäß Fig. 26 kann als weitere Alternative während der Drehung des Zahnrads 112 im Verein mit der Spindel 142 in Pfeilrichtung A und bei gleichzeitiger Vor- und Zurückbewegung der Düse 172 in Pfeilrichtung Z durch die Z-Schlitteneinheit 48 lediglich das Wasser 118 aus der Düse 172 auf das Zahnrad 112 ausgestoßen werden. Um die Gründlichkeit beim Spü­ len des Zahnrads 112 zu steigern, können die Arbeitsabläufe nach den Fig. 24 bis 26 miteinander kombiniert werden.

Bei der zweiten Ausführungform sind die Einrichtung zum Trocknen der Glaskügelchen, das Meßventil 184, der Unterdruckmesser 186 und der La­ ser-Durchflußmesser 188 mit dem Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 kombiniert. Allerdings können sie gemäß der ersten Ausführungsform mit dem Trichter 24 kombiniert werden.

Fig. 27 und 28 zeigen einen Ausstoßmechanismus 220 zum Aufbringen von Glaskügelchen in der Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines metalli­ schen Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung. Diejenigen Teile des Ausstoßmechanismus 220, die mit solchen des Ausstoßmechanismus 124 nach der ersten Ausführungsform identisch sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden unten nicht detailliert erläutert.

Der Ausstoßmechanismus 220 besitzt eine an freien Enden eines Paares von Trägerstäben 164 befestigte Trägerplatte 222. An der Trägerplatte 222 ist ein als Kippeinrichtung dienender Schwenkmotor 224 befestigt. Der Schwenkmotor 224 hat eine drehbare Antriebswelle 226, an der mit einem winkelbeweglichen Element 228 ein Rohr 166 gelagert ist.

Wie in Fig. 29 zu sehen ist, wird, wenn ein Zahnrad 112a mit einer Zahn­ flanke 204a mit einem kleinen Zahneingriffswinkel verarbeitet wird, der Schwenkmotor 224 erregt, damit die drehbare Antriebswelle 126 das win­ kelbewegliche Element 228 und damit das Rohr 166 über einen vorbe­ stimmten Winkel verschwenkt. Daher wird die Düse 172 um einen vorbe­ stimmten Winkel α° von einer zum Zentrum O des Zahnrads 112a gerichte­ ten Richtung ausgehend gekippt und in Richtung der Zahnflanke 204a des Zahnrads 204 verschwenkt (vgl. die Doppelpunkt-Strich-Linien in Fig. 29). Daher ändert sich der Ausstoßwinkel des Spritzstrahls 122, der von der Düse 172 ausgestoßen wird, in einem Winkelbereich von 10° bis 30°.

Es lassen sich also in einfacher Weise durch bloßes Kippen der Düse 172 verschiedene Zahnräder 112 und 112a mit verschiedenen Zahneingriffswin­ keln verarbeiten. Darüber hinaus läßt sich der Spritzstrahl 122 auf beide Zahnflanken 204 und 204a der Zahnräder 112 und 112a in einem Winkelbe­ reich zwischen 10° und 30° aufbringen.

Bislang wurden nach der Verarbeitung einer der Zahnflanken 204, 204a zwecks Steigerung ihrer Festigkeit die Zahnräder 112 und 112a von der Spindel 142 gelöst, umgedreht und dann erneut auf der Spindel 142 befe­ stigt, um die andere der Zahnflanken 204 und 204a zur Steigerung von de­ ren Festigkeit zu bearbeiten. Bei der dritten Ausführungsform ist die Düse 172 in seitlicher Richtung symmetrisch über die Gerade (L) kippbar, welche das Zentrum (O) der Zahnräder 112, 112a und die Mitte der Düse 172 ver­ bindet. Nachdem die Zahnräder 112 und 112a auf der Spindel 142 montiert sind, können durch bloßes Umkehren der Drehung der Zahnräder 112 und 112a beide Zahnflanken 204 und 204a zur Steigerung ihrer Festigkeit bear­ beitet werden, ohne daß die Zahnräder 112 und 112a losgelöst und erneut befestigt werden müßten. Deshalb lassen sich die Zahnräder 112 und 112a zur Steigerung ihrer Festigkeit in sehr effizienter Weise bearbeiten.

Wenn das Zahnrad 112 gespült ist, wird der Schwenkmotor 224 erregt, damit die drehbare Antriebswelle 226 das winkelbewegliche Element 228 und das Rohr 166 über einen vorbestimmten Winkel verschwenkt, und es wird lediglich das Wasser 118 aus der Düse 172 auf das Zahnrad 112 aus­ gestoßen (vgl. Fig. 30). Folglich läßt sich das Spülwasser 118 in verschie­ denen Richtungen auf das Zahnrad 112 aufbringen, um die Effizienz zu stei­ gern, mit welcher das Zahnrad 112 gespült wird.

Fig. 31 und 32 zeigen eine Vorrichtung 240 zur Steigerung der Festigkeit eines metallischen Bauteils gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfin­ dung. Diejenigen Teile der Vorrichtung 240, die identisch mit jenen der Vorrichtung 110 der zweiten Ausführungsform sind, tragen gleiche Bezugs­ zeichen und werden im folgenden nicht mehr beschrieben.

Die Vorrichtung 240 besitzt einen Zahnradhaltemechanismus 244 zum Halten eines relativ langen Werkstücks 242. Das Werkstück 242 enthält einen langen Stab 242a und ein an dessen Ende einstückig ausgebildetes Zahnrad 242b.

Der Zahnradhaltemechanismus 244 enthält eine Spindeleinheit 248, die an der Seitenwand 114b des Gehäuses 114 angeordnet ist, und eine drehbare Zentriereinheit (zentrierende Lagerungseinrichtung) 250, die sich an der gegenüberliegenden Seitenwand 114c des Gehäuses 114 in koaxialer Lage­ beziehung bezüglich der Spindeleinheit 248 befindet.

Die Spindeleinheit 248 ist mit ihrer Spindel 254 an einen Spindelmotor 252 gekoppelt. Ein Greifer 256, der über ein Ende des Zahnrads 242b paßt, ist an dem freien Ende der Spindel 254 gelagert. Die drehbare Zentriereinheit 250 besitzt ein Zentrierglied 258 zum Haltern eines Endes des Stabs 242a des Werkstücks 242. Das Zentrierglied 258 ist in Pfeilrichtung X von einem Zylinder 260 vor- und zurückbewegbar.

Wie in Fig. 32 gezeigt ist, besitzt der Ausstoßmechanismus 124 eine X- Schlitteneinheit (dritte Schlitteneinheit) 262. Die X-Schlitteneinheit 262 ist an der Seitenwand 114c des Gehäuses 114 befestigt, um die Y- Schlitteneinheit 146 im Verein mit der Z-Schlitteneinheit 148 in Pfeilrich­ tung X mit Hilfe eines Motor- und Kugelumlaufmechanismus (nicht darge­ stellt) vor- und zurückzubewegen.

In der Vorrichtung 240 ist das Ende des Zahnrads 242b in den Greifer 256 eingesetzt, und das Ende des Stabs 242a wird von dem Zentrierglied 258 abgestützt. Das Werkstück 242 wird auf diese Weise positioniert und von dem Zahnradhaltemechanismus 244 gehalten.

Der Spindelmotor 252 der Spindeleinheit 248 wird dann erregt, damit die Spindel 254 das Werkstück 242 im Verein mit dem Greifer 256 dreht. Die X-Schlitteneinheit 262 wird geöffnet, um die Düse 172 in Pfeilrichtungen X zu bewegen, während gleichzeitig der Spritzstrahl 122 von der Düse 172 auf das Zahnrad 242b des Werkstücks 242 ausgestoßen wird, damit das Zahnrad 242b zur Steigerung seiner Festigkeit bearbeitet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 240 bietet also die gleichen Vorteile wie die Vorrichtung 110 nach der zweiten Ausführungsform.

Wie in Fig. 33 gezeigt ist, wird, während die Düse 172 quer zu dem Zahn­ rad 112 von der X-Schlitteneinheit 262 in Querrichtung bewegt wird (in Pfeilrichtung X1 und in Richtung des Pfeils X2), ausschließlich Wasser 118 von der Düse 172 auf das Zahnrad 112 ausgestoßen wird, um das Zahnrad 112 zu spülen.

Fig. 34 und 35 zeigen eine Vorrichtung 300 zur Steigerung der Festigkeit eines metallischen Bauteils nach einer fünften Ausführungsform der Erfin­ dung. Diejenigen Teile der Vorrichtung 300, die mit solchen der Vorrich­ tung 110 der zweiten Ausführungsform identisch sind, tragen gleiche Be­ zugszeichen und werden unten nicht beschrieben.

Die Vorrichtung 300 besitzt ein Gehäuse 301 mit kleinstmöglicher Breite zur Aufnahme des Ausstoßmechanismus 124, und einen Nebelsammelme­ chanismus 302. Der Nebelsammelmechanismus 302 besitzt eine (nicht dar­ gestellte) Unterdruckquelle, aus der vier Leitungen 304, 306, 308 und 310 herausführen.

Die Leitungen 304 und 306 sind mit ihren freien Enden durch eine Seiten­ wand 301b des Gehäuses 301 in eine Kammer 301a eingeführt. Die freien Enden der Leitungen 304 und 306 besitzen eine erste bzw. eine zweite Öff­ nung (Saugöffnungen) 304a und 306a, die zwischen dem Zahnrad 112 und der Düse 172 in der Nähe des Zahnrads 112 münden. Die Leitungen 308 und 310 sind mit ihren freien Enden durch eine gegenüberliegende Seiten­ wand 301c des Gehäuses 301 in die Kammer 301a eingeführt. Die freien Enden der Leitungen 308 und 310 haben eine dritte bzw. eine vierte Öff­ nung (Saugöffnungen) 308a und 310a, die zwischen dem Zahnrad 112 und der Düse 172 nahe dem Zahnrad 112 münden.

In der Vorrichtung 300 wird der Spritzstrahl 122 von dem Ausstoßmecha­ nismus 124 in Richtung des Zahnrads 112 ausgestoßen, welches gedreht und axial bewegt wird, um dadurch das Zahnrad 112 zur Erhöhung seiner Festigkeit zu bearbeiten. Gleichzeitig wird der Nebelsammelmechanismus 300 betrieben.

Ein Teilchenstaub 120b enthaltener Nebel, der in der Kammer 301a in der Nähe des Zahnrads 112 schwebt, wird von der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Öffnung 304a, 306a, 308a und 310a, die in Richtung des Zahnrads 112 münden, über die vier Leitungen 304, 306, 308 und 310 abgezogen. Auf diese Weise wird der teilchenförmige Staub 120b zuverläs­ sig und effizient abgezogen und gesammelt.

Industrielle Anwendbarkeit

Da erfindungsgemäß nach obiger Beschreibung ein Spritzstrahl aus Glaskü­ gelchen und einer Flüssigkeit auf ein metallisches Bauteil ausgestoßen wird, werden einer Oberfläche des metallischen Bauteils Rest-Druckspannungen verliehen, wodurch die Oberfläche des metallischen Bauteils durch die Glaskügelchen und die Flüssigkeit geschliffen wird. Wenn die Glaskügel­ chen durch die Kollision mit dem metallischen Bauteil zerkleinert werden, werden Bruchstücke der zerkleinerten Glaskügelchen durch die auf das metallische Bauteil ausgestoßene Flüssigkeit gegen die Oberfläche des me­ tallischen Bauteils gedrückt und schleifen dadurch das Bauteil. Folglich werden die Glaskügelchen so orientiert, daß sie wirksam mit dem metalli­ schen Bauteil kollidieren, und die Glaskügelchen sowie die Flüssigkeit tra­ gen wirksam zur Steigerung der Festigkeit des metallischen Bauteils und zum Schleifen des Bauteils bei.

Wenn außerdem erfindungsgemäß ein Spritzstrahl aus Glaskügelchen und einer Flüssigkeit auf einer Oberfläche eines Zahnrads ausgestoßen wird, nachdem es erhitzt wurde, werden dem Zahnrad Rest-Druckspannungen verliehen, und eine Oxidschicht wird von der Oberfläche des Zahnrads ent­ fernt, so daß die Zahnradoberfläche durch das Zerkleinern der Glaskügel­ chen geglättet wird.

Wenn außerdem erfindungsgemäß ein Spritzstrahl einer unter Druck gelie­ ferten Flüssigkeit und mit einer Menge Glaskügelchen in einem voreinge­ stellten Bereich auf eine Oberfläche eines Zahnrads ausgestoßen wird, nachdem dieses erhitzt wurde, werden die Glaskügelchen so orientiert, daß sie dem Zahnrad die gewünschten Rest-Druckspannungen verleihen.

Weil außerdem erfindungsgemäß nach dem Schleifvorgang nur eine Flüs­ sigkeit auf eine Oberfläche eines Zahnrads ausgestoßen wird, wird Glaskü­ gelchenstaub in Form feiner Pulverpartikel, die an der Zahnradoberfläche haften, von der Flüssigkeit weggespült. Daher kann die Oberfläche des Zahnrads in wirksamer Weise dadurch gespült werden, daß lediglich die Zufuhr der Glaskügelchen unterbunden wird, so daß der gesamte Prozeß der Verarbeitung des Zahnrads zwecks Steigerung seiner Festigkeit wirk­ sam und einfach durchführbar ist.

Glaskügelchen in der Düse werden zuverlässig mit Unterdruck abgezogen, der sich einstellt, wenn die Flüssigkeit ausgestoßen wird, so daß die Düse nicht durch restlichen Glaskügelchenstaub verstopft wird.

Ein Nebel, welcher teilchenförmigen Staub enthält, der beim Zerkleinern der Glaskügelchen entsteht, wird zuverlässig von Saugöffnungen abgezogen, die sich in der Kammer in der Nähe des Zahnrads befinden. Deshalb wird wirksam verhindert, daß der in der Kammer schwebende Teilchenstaub an beweglichen Teilen wie der Spindel etc. haftenbleibt.

Außerdem besitzt erfindungsgemäß der Glaskügelchen-Zuführmechanismus eine Einrichtung zum Trocknen der Glaskügelchen, um zu verhindern, daß die Glaskügelchen durch Feuchtigkeit aneinander haften. Selbst wenn also die Glaskügelchen Wasser absorbieren, weil die Flüssigkeit verwendet wird und die Glaskügelchen kleine Teilchendurchmesser aufweisen, bilden die Glaskügelchen keine Verstopfung in dem Glaskügelchen- Zuführmechanismus. Auf diese Weise werden die Glaskügelchen zuverläs­ sig mit einem gegebenen Durchsatz von dem Glaskügelchen- Zuführmechanismus dem Ausstoßmechanismus zugeleitet.

Claims (46)

1. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils, gekenn­ zeichnet durch das Ausstoßen eines Spritzstrahls 16 aus einer Flüssig­ keit 12 und Glaskügelchen 14 auf ein Metallbauteil 18, um dadurch Rest-Druckspannungen aufzubringen; und
Zerkleinern der Glaskügelchen 14 auf der Oberfläche des Metallbauteils 18, um dadurch von der Oberfläche des Metallbauteils 18 eine Oxid­ schicht zu entfernen und die Oberfläche des Metallbauteils 18 zu glätten.

2. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 1, bei dem das Metallbauteil ein Zahnrad 18 aufweist und der Spritzstrahl 16 aus der Flüssigkeit 12 und dem Glaskügelchen 14 auf einen Zahnfuß 36 des Zahnrads 18 ausgestoßen wird.

3. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 1, bei dem das Metallbauteil ein Zahnrad 18 aufweist und ein Spritzstrahl 122 aus einer Flüssigkeit 118 und Glaskügelchen 120 von einer Düse 172 auf eine Oberfläche des Zahnrads 112 ausgestoßen wird, nachdem dieses erhitzt wurde, um dem Zahnrad 112 Rest-Druckspan­ nungen zu verleihen, und die Glaskügelchen 120 durch die Oberfläche des Zahnrads 112 zerkleinert werden, um eine Oxidschicht von der Oberfläche des Zahnrads 112 zu entfernen und mindestens eine Ober­ fläche des Zahnrads 112 zu glätten, die sich von einem Abschnitt einer Zahnflanke 204, der einem Teilkreisdurchmesser eines Zahnfußes 206 entspricht, erstreckt.

4. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 3, bei dem der Spritzstrahl 122 unter einem spitzen Winkel auf ein Abschnitt der Zahnflanke 204 ausgestoßen wird, der dem Teil­ kreisdurchmesser entspricht.

5. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 4, bei dem der spitze Winkel von 10° bis 30° reicht.

6. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 3, bei dem die Düse 172 den Spritzstrahl 122 von einer Posi­ tion voraus ausstößt, die parallel ist zu einer Geraden, welche die Achse der Düse 172 mit dem Zentrum des Zahnrads 112 verbindet, und die um eine vorbestimmte Strecke von der Geraden zur Oberfläche des Zahn­ rads 112 hin beabstandet ist.

7. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 3, bei dem die Düse 172 den Spritzstrahl 122 in einer Lage, die gegenüber einer Lage, die auf das Zentrum des Zahnrads 112 hin gerichtet ist, um einen vorbestimmten Winkel gekippt ist, auf die Ober­ fläche des Zahnrads 112 ausstößt.

8. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 1, bei dem das Metallbauteil ein Zahnrad 18 aufweist und ein Spritzstrahl 122 aus einer Flüssigkeit 118, die unter Druck geliefert wird, und einer Menge Glaskügelchen 120 in einem vorbestimmten Bereich auf einer Oberfläche des Zahnrads 112 nach dessen Erhitzung ausgestoßen wird, um dem Zahnrad 112 Rest-Druckspannungen zu verleihen, und die Glaskügelchen 120 von der Oberfläche des Zahnrads 112 in einer Prozeßkammer 114a zerkleinert werden, um von der Ober­ fläche des Zahnrads 112 eine Oxidschicht abzutragen.

9. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 8, bei dem der Spritzstrahl 122 die Glaskügelchen in einem Bereich von 2 Vol.-% bis 19 Vol.-% des Flüssigkeitsstroms enthält.

10. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 9, bei dem der Spritzstrahl 122 die Glaskügelchen in einem Bereich von 3 Vol.-% bis 10 Vol.-% des Flüssigkeitsstroms enthält.

11. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 8, bei dem die Menge der ausgestoßenen Glaskügelchen 120 von 5 mg/mm² bis 16 mg/mm² reicht.

12. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 11, bei dem die Menge der ausgestoßenen Glaskügelchen 120 von 5 mg/mm² bis 9 mg/mm² reicht.

13. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 1, bei dem das Metallbauteil ein Zahnrad 18 aufweist, weiter­ hin umfassend die Schritte:
Ausstoßen eines Spritzstrahls 122 aus einer Flüssigkeit 118 und Glas­ kügelchen 120 von einer Düse 172 auf eine Oberfläche des Zahnrads 112, nachdem dieses erhitzt wurde, um dem Zahnrad 112 Rest-Druck­ spannungen zu verleihen und die Glaskügelchen 120 auf der Oberfläche des Zahnrads 112 zu zerkleinern, damit das Zahnrad geschliffen wird; und
Spülen der Oberfläche des Zahnrads 112, indem nach dem Schleifen des Zahnrads nur Wasser 118 auf die Oberfläche des Zahnrads 112 ausge­ stoßen wird.

14. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 13, bei dem in dem Spülschritt nur die Flüssigkeit 118 auf die Oberfläche des Zahnrads 112 ausgestoßen wird, während das Zahnrad 112 abwechselnd in normale Richtung und in Gegenrichtung gedreht wird.

15. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 13, bei dem in dem Spülschritt nur die Flüssigkeit 118 auf die Oberfläche des Zahnrads 112 ausgestoßen wird, während die Düse 172 gegenüber dem Zahnrad bewegt wird.

16. Verfahren zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 14, bei dem in dem Spülschritt nur die Flüssigkeit 118 auf die Oberfläche des Zahnrads 112 ausgestoßen wird, während die Düse 172 gegenüber dem Zahnrad 112 bewegt wird.

17. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils, um­ fassend:
einen Ausstoßmechanismus 20 zum Ausstoßen eines Spritzstrahls 16 aus einer Flüssigkeit 12 und Glaskügelchen 14 auf ein Metallbauteil 18;
einen Flüssigkeits-Zuführmechanismus 22 zum Zuführen der Flüssigkeit 12 unter Druck zu dem Ausstoßmechanismus 20; und
einen Glaskügelchen-Zuführmechanismus 24 zum Liefern der Glaskügel­ chen 14 zu dem Ausstoßmechanismus 20, wobei der Ausstoßmechanis­ mus 20 eine Einrichtung aufweist zum zwangsgesteuerten Ausstoßen des Spritzstrahls 16 etwa entlang einer Linie in Richtung des Metallbauteils mit einer solchen Kraft und unter einem solchen Winkel, daß die Glas­ kügelchen an der Oberfläche des Metallbauteils zerbrochen werden und dabei von der Oberfläche die Oxidschicht entfernen und die Oberfläche glätten.

18. Vorrichtung zum Steigern eines Metallbauteils nach Anspruch 17, bei der der Ausstoßmechanismus 20 aufweist:
eine Düse 26 zum Eingrenzen eines Kanals für den Durchgang der Flüssigkeit 12; und
eine Mischkammer 28 stromabwärts bezüglich der Düse 26, um die Flüssigkeit 12 und die Glaskügelchen 14 miteinander zu vermischen.

19. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 17, bei der der Glaskügelchen-Zuführmechanismus 24 eine Einrichtung 181 zum Trocknen der Glaskügelchen 14 aufweist, um zu verhindern, daß die Glaskügelchen 14 durch Feuchtigkeit aneinander haften.

20. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 21, bei der die Einrichtung 181 zum Trocknen der Glaskügel­ chen 14 eine Heizvorrichtung 181 aufweist, die an einem Trichter 24 gelagert ist, der in sich die Glaskügelchen 14 aufnimmt.

21. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 17, bei der der Glaskügelchen-Zuführmechanismus 24 auf­ weist:
ein Rohr 23 zum Durchlassen der Glaskügelchen 14; und
einen Durchsatzfühler 118 zum Nachweisen eines Durchsatzes, mit dem die Glaskügelchen 14 durch das Rohr 23 strömen.

22. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 21, umfassend einen Drucksensor 186 zum Erfassen eines Drucks in dem Rohr 23.

23. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 17, umfassend:
eine Prozeßkammer, in der der Spritzstrahl 16 aus der Flüssigkeit 12 und den Glaskügelchen 14 ausgestoßen wird; und
einen Sammelmechanismus 131 zum Abziehen und Sammeln von Teil­ chenstaub, der entsteht, wenn die Glaskügelchen 14 durch eine Ober­ fläche des Metallbauteils 18 zerkleinert werden.

24. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 23, bei der der Sammelmechanismus 131 Saugöffnungen 194a, 194b aufweist, die in die Prozeßkammer münden und in der Nähe des Metallbauteils 18 angeordnet sind.

25. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 24, bei der die Saugöffnungen eine erste und eine zweite Saugöffnung 194a, 196a aufweisen, die in Sandwich-Relation bezüglich des Metallbauteils 18 und der Düse 30 angeordnet sind.

26. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 24, bei der die Saugöffnungen eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Saugöffnung 304a, 306a, 308a, 310a aufweisen, die die Metallkomponente 118 und die Düse 30 umgebend angeordnet sind.

27. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils, um­ fassend:
einen Zahnradhaltemechanismus 116 zum Positionieren und Halten eines Zahnrads 112 als ein Metallbauteil, nachdem dieses erhitzt wurde, in einer Prozeßkammer 114a;
einen Ausstoßmechanismus 124 zum Ausstoßen eines Spritzstrahls 122 aus einer Flüssigkeit 118 und Glaskügelchen 120 auf das Zahnrad 112;
einen Flüssigkeits-Zuführmechanismus 126 zum Zuführen der Flüssigkeit 118 unter Druck zu dem Ausstoßmechanismus 124; und
einen Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 zum Zuführen der Glas­ kügelchen 120 mit einem vorbestimmten Durchsatz zu dem Ausstoß­ mechanismus 124; wobei der Ausstoßmechanismus 124 eine Einrichtung aufweist zum zwangsgesteuerten Ausstoßen des Spritzstrahls 118 etwa entlang einer Linie in Richtung des Zahnrads 112 mit ausreichender Kraft und unter einem vorbestimmten Ausstoßwinkel, damit die Glas­ kügelchen an der Oberfläche des Zahnrads 112 zerbrochen werden, um dadurch eine Oxidschicht von der Oberfläche zu entfernen und die Ober­ fläche des Zahnrads 112 zu glätten.

28. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, bei der der Zahnradhaltemechanismus 116 aufweist:
eine Spindeleinheit 132 zum Halten und zum Drehen des Zahnrads 112 in einer vorbestimmten Richtung; und
eine Schlitteneinheit 130 zum Bewegen der Spindeleinheit 132 mit dem davon gehaltenen Zahnrad 112 in axialer Richtung des Zahnrads 112 vor und zurück.

29. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, bei der der Zahnradhaltemechanismus 244 aufweist:
eine Spindeleinheit 248 zum Halten und zum Drehen eines Endes des Zahnrads 242 in einer vorbestimmten Richtung; und
eine Zentrierlagereinrichtung 250, die an dem entgegengesetzten Ende des Zahnrads 242 angreift.

30. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, bei der der Ausstoßmechanismus 124 aufweist:
eine Düse 172 zum Ausstoßen eines Spritzstrahls aus der Flüssigkeit 118 und den Glaskügelchen 120; und
eine Verlagerungseinrichtung 146, 148 zum Verlagern der Düse 172 zu dem Zahnrad hin und von diesem weg.

31. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, bei dem die Verlagerungseinrichtung aufweist:
eine erste Schlitteneinheit 146 zum Versetzen der Düse 172 in diametra­ ler Richtung des Zahnrads 112; und
eine zweite Schlitteneinheit 148 zum Bewegen der Düse 172 in axialer Richtung der Düse 172.

32. Vorrichtung zum Steigern der Flüssigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 31, bei der die Verlagerungseinrichtung eine dritte Schlitten­ einheit 262 aufweist, um die Düse 172 in axialer Richtung des Zahnrads 272 zu verlagern.

33. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 30, bei der die Verlagerungseinrichtung aufweist: eine Kipp­ einrichtung 234 zum Kippen der Düse 172 in einem vorbestimmten Winkelbereich gegenüber einer Lage, die zu dem Zentrum des Zahnrads 112 hin orientiert ist.

34. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, bei der der Flüssigkeits-Zuführmechanismus 126 und der Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 auf einer Seite der Prozeß­ kammer 114a entfernt von dem Zahnradhaltemechanismus 116 angeord­ net sind.

35. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, bei der der Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 eine Einrichtung 181 zum Trocknen der Glaskügelchen 120 aufweist, um zu verhindern, daß die Glaskügelchen 120 durch Feuchtigkeit aneinander haften.

36. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 35, bei dem die Einrichtung 181 zum Trocknen der Glaskügel­ chen 120 eine Heizvorrichtung 181 aufweist, die an einem Trichter 180 zur Aufnahme der Glaskügelchen 120 gelagert ist.

37. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, bei der der Glaskügelchen-Zuführmechanismus 128 auf­ weist:
ein Rohr 190 zum Durchlassen der Glaskügelchen 120; und
einen Durchsatzfühler 188 zum Nachweisen eines Durchsatzes, mit dem die Glaskügelchen 120 durch das Rohr 190 strömen.

38. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 37, umfassend einen Druckfühler 186 zum Nachweisen eines Drucks in dem Rohr 190.

39. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 27, umfassend einen Sammelmechanismus 131 zum Abziehen und zum Sammeln von Teilchenstaub 120b, der entsteht, wenn die Glas­ kügelchen 120 durch eine Oberfläche des Zahnrads 112 zerkleinert werden.

40. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 39, bei der der Sammelmechanismus 131 Saugöffnungen 194a, 194b aufweist, die in die Prozeßkammer 114a münden und in der Nähe des Zahnrads 112 angeordnet sind.

41. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 40, bei der die Saugöffnungen eine erste und eine zweite Saugöffnung 194a, 194b aufweisen, die in Sandwich-Relation zu dem Zahnrad 112 und der Düse 172 angeordnet sind.

42. Vorrichtung zum Steigern der Festigkeit eines Metallbauteils nach Anspruch 40, bei der die Saugöffnungen eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Saugöffnung 304a, 306a, 308a, 310a aufweisen, welche das Zahnrad 112 und die Düse 172 umgebend angeordnet sind.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Glas­ kügelchen Durchmesser im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm aufweisen.

44. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 42, bei der die Glas­ kügelchen Durchmesser im Bereich von 0,05 mm bis 0,3 mm aufweisen.

45. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Flüssig­ keit unter einem Druck von 98 MPa oder mehr ausgestoßen wird.

46. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 42, bei der die Flüssigkeit unter einem Druck von 98 MPa ausgestoßen wird.