DE3527923A1 - Verfahren und vorrichtung zum verfestigen der wandung einer bohrung durch kugelstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verfestigen der Wandung einer Bohrung in einem metallischen Werkstück durch Kugelstrahlen, bei dem Kugeln mit einem wesentlich unter dem Bohrungsdurchmesser liegenden Durchmesser in die Bohrung geschleudert werden. Ausserdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Das Kugelstrahlen kleiner Bohrungen wird vor allem in der Flugzeugindustrie dazu herangezogen, die Bohrungswandung zu verfestigen und dadurch die Standzeiten gewisser Bau­ teile ganz erheblich zu erhöhen, teilweise zu verdoppeln. Die bekannten Verfahren zum Kugelstrahlen der Wandung von Bohrungen kleinen Durchmessers sind jedoch nicht nur ausser­ ordentlich aufwendig, sondern auch mit erheblichen Nach­ teilen behaftet: Die Werkstückoberfläche, in die die Boh­ rung mündet, wird mit grossen Mengen des verwendeten Strahl­ mittels beaufschlagt (bis zu 6000 kg je Bohrung); dabei treffen nur einzelne Kugeln in die Bohrung hinein und auf die Bohrungswandung auf, und nur dann verursachen sie durch den Aufprall auf die Bohrungswandung eine Materialverdich­ tung, wobei ausserdem die Intensität der Materialbearbeitung mit zunehmendem Abstand von der Bohrungsmündung unvermeidbar abnimmt. Das Behandlungsresultat ist also längs der Bohrung nicht konstant. Ein weiterer Nachteil der bekannten Ver­ fahren ist darin zu sehen, daß der eine Bohrungsmündung umgebende Oberflächenbereich des Werkstücks über eine längere Zeit einem Kugelstrahl hoher Intensität ausgesetzt werden muss, um innerhalb der Bohrung überhaupt einen Effekt zu erzielen, was zur Folge hat, daß das Werkstückmaterial an der Bohrungsmündung zu fliessen beginnt; dieser nach­ teilige Effekt lässt sich mit Masken nur teilweise verhindern.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu entwickeln, welches es auch bei Bohrungen mit verhältnismässig kleinem Durchmesser erlaubt, die Bohrungswandung mit grösserer Intensität und gleich­ mässiger als bei den bekannten Verfahren zu bestrahlen, was sich erfindungsgemäss dadurch erreichen lässt, daß die in die Bohrung geschleuderten Kugeln innerhalb der Bohrung durch eine schräg zur Bohrungsachse verlaufende Prallfläche, die einen Teil des Bohrungsquerschnitts, welcher grösser als der Kugeldurchmesser ist, frei lässt, in Richtung auf die Bohrungswandung umgelenkt werden und daß die Prallfläche während des Kugelstrahlens um die Bohrungsachse oder eine hierzu ungefähr parallele Achse gedreht sowie längs der Bohrung verschoben wird. Bei dem erfindungsgemässen Ver­ fahren wird es also nicht dem Zufall überlassen, ob und welche Kugeln des Strahlmittels die Bohrungswandung über­ haupt erreichen und ob die Kugeln sehr flach auf die Boh­ rungswandung auftreffen, so daß sie keinen oder nur einen sehr geringen Verdichtungseffekt bewirken. Ausserdem lässt sich durch Drehen und Verschieben der Prallfläche genau bestimmen, welche Bereiche der Bohrungswandung bestrahlt werden und wie lange die Bestrahlung stattfindet. Da die Prallfläche die Bohrung nur zum Teil verschliesst, können die Kugeln die Prallfläche schliesslich passieren und die Bohrung verlassen. Selbstverständlich kann das Werkstück auch gegenüber der Prallfläche bewegt werden, um genau denselben Effekt zu erzielen.

Da durch das erfindungsgemässe Verfahren erreicht wird, daß der Grossteil der in die Bohrung geschleuderten Kugeln auch unter einem wirksamen Winkel auf die Bohrungswandung auftrifft, lassen sich gegenüber den bekannten Verfahren die Strahlmittelmengen sowie die Strahlzeiten beträchtlich verringern und dennoch weit bessere Ergebnisse erzielen, insbesondere was die Gleichmässigkeit der Materialverdichtung längs der Bohrung betrifft.

Ein optimaler Kompromiss zwischen erzieltem Effekt und der Forderung nach Abfluss des Strahlmittels aus der Bohrung lässt sich dadurch erreichen, daß die in Richtung der Bohrungsachse in die Bohrung geschleuderten Kugeln durch die Prallfläche um weniger als 90°, vorzugsweise um ca. 45°, umgelenkt werden.

Um den auf die Bohrung gerichteten Kugelstrahl möglichst vollständig auszunutzen, empfiehlt sich eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, daß ein Rohr vorgesehen wird, dessen Aussendurchmesser geringfügig kleiner als der Bohrungsdurchmesser ist, sowie eine am Rohrende vorgesehene, vom Rohr nicht umschlossene Prallfläche, welche gegenüber der Rohrachse um weniger als 45° geneigt ist. Durch das Rohr wird gewährleistet, daß sämtliche Kugeln in die Bohrung gelangen, und mit einer gegenüber der Rohrachse um weniger als 45° geneigten Prallfläche vermeidet man ein senkrechtes Auftreffen der Kugeln auf die Bohrungswandung und damit einen Stau des Strahlmittels in der Bohrung. Der Aussendurchmessers des Rohrs muss nur um soviel kleiner als der Bohrungsdurchmesser sein, daß sich das Rohr in die Bohrung einführen sowie in dieser verdrehen und verschieben lässt. Die Prallfläche kann von einem Element gebildet werden, welches als separates Teil in die Bohrung eingeführt wird, es kann aber auch am Rohr befestigt oder sogar an dieses angeformt sein.

Damit nicht zwei Teile, nämlich das Rohr und ein die Prall­ fläche bildendes Teil, gehandhabt werden müssen, empfiehlt sich eine Ausführungsform, bei der das Rohr an seinem in die Bohrung einzuführenden Ende einen der Prallfläche gegenüberliegenden Ausschnitt aufweist, welcher zum Rohr­ ende zu randoffen und insbesondere U-förmig ausgebildet ist, so daß man die Prallfläche im Rohrinnern anbringen kann.

Damit ein guter Abfluss des Strahlmittels gewährleistet ist, wurde eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemässen Vorrichtung so gestaltet, daß die Prallfläche, in Richtung der Rohrachse gesehen, von dem durch den Aussen­ umfang des Rohrs definierten Querschnitt einen Querschnitts­ bereich frei lässt, dessen Breite grösser als der Kugeldurch­ messer ist und vorzugsweise mindestens das Doppelte des Kugeldurchmessers beträgt.

Zu bevorzugen sind Ausführungsformen, bei denen die Prall­ fläche gegenüber der Rohrachse um ungefähr 20° bis 25° und insbesondere um 22,5° geneigt ist, so daß die Kugeln unter ungefähr 45° auf die Bohrungswand auftreffen und sich so ein optimaler Kompromiss zwischen maximalem Verdichtungs­ effekt und gutem Abfluss des Strahlmittels erzielen lässt.

Damit die Prallfläche selbst den Abfluss des Strahlmittels nicht behindert, wird empfohlen die Länge der Prallfläche derart auf deren Neigung abzustimmen, daß von der Bohrungs­ wand abprallende Kugeln die Prallfläche nicht mehr treffen.

Weitere Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand einer in der beige­ fügten Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung noch näher erläutert werden; die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine zu behandelnde Bohrung eines Werkstücks sowie durch eine in diese Bohrung eingeführte, erfindungsgemässe Strahlmitteldüse.

Ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Werkstück besitzt eine Bohrung 12, deren Wandung 14 mittels eines aus Kugeln 16 bestehenden Strahlmittels verfestigt werden soll, wie dies an sich bei Werkstücken aus metallischen Materialien bekannt ist.

Zu diesem Zweck wird in die Bohrung 12 ein als Ganzes mit 18 bezeichnetes, eine Strahlmitteldüse bildendes Rohr einge­ führt, das im Bereich seines Austrittendes 20 eine gegen­ über der Rohrachse 22 um einen Winkel α geneigte Prall­ fläche 24 besitzt, deren Länge mit L bezeichnet wurde.

Der Prallfläche 24 gegenüber ist in der Wand des Rohrs 18 ein umgekehrt U-förmiger Ausschnitt 26 vorgesehen.

Bei der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Strahlmitteldüse beträgt der Neigungswinkel α 22,5°, so daß in Richtung der Rohrachse 22 fliegende Kugeln 16 durch die Prallfläche so umgelenkt werden, daß sie mit der Rohrachse 22 einen Winkel von 45° bilden und unter 45° auf die Bohrungswandung 14 auftreffen, so daß auch der Reflexionswinkel wiederum 45° beträgt. Die Länge L der Prallfläche 24 ist erfindungsgemäss so gewählt worden, daß die auf den Fusspunkt der Prallfläche 24 auftreffenden Kugeln 16 a, nachdem sie durch die Bohrungswandung 14 reflektiert wurden, nicht mehr auf das Rohr 18 aufprallen können. Ferner beträgt der Abstand D des freien Endes der Prallfläche 24 von der Bohrungswandung 14 ein Mehrfaches des Durchmessers der Kugeln 16, so daß ein freier Abfluss des Strahlmittels nach unten gewährleistet ist.

Zur Behandlung des Werkstücks 10 wird nun je Zeiteinheit eine ganz bestimmte Strahlmittelmasse im bekannten Druck­ strahlverfahren dem Rohr 18 zugeführt, wie dies durch den Pfeil S angedeutet wurde. Dann wird das Rohr 18 um die Rohrachse 22 gedreht und längs der Bohrung 12 vorgeschoben, bis der Werkstoff im Bereich der Bohrungswandung überall gleichmässig und ausreichend verdichtet worden ist.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verfestigen der Wandung einer Bohrung in einem metallischen Werkstück durch Kugelstrahlen, bei dem Kugeln mit einem wesentlich unter dem Bohrungsdurch­ messer liegenden Durchmesser in die Bohrung geschleudert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln inner­ halb der Bohrung durch eine schräg zur Bohrungsachse verlaufende Prallfläche, die einen Teil des Bohrungs­ querschnitts, welcher grösser als der Kugeldurchmesser ist, frei lässt, in Richtung auf die Bohrungswandung umgelenkt werden und daß die Prallfläche während des Kugelstrahlens um die Bohrungsachse oder eine hierzu ungefähr parallele Achse gedreht sowie längs der Boh­ rung verschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung der Bohrungsachse in die Bohrung ge­ schleuderten Kugeln durch die Prallfläche um weniger als 90°, vorzugsweise um ca. 45°, umgelenkt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Rohr, dessen Aussendurchmesser geringfügig kleiner als der Bohrungs­ durchmesser ist, sowie durch eine am Rohrende vorgesehene, vom Rohr nicht umschlossene Prallfläche, welche gegenüber der Rohrachse um weniger als 45° geneigt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr an seinem in die Bohrung einzuführenden Ende einen der Prallfläche gegenüberliegende Ausschnitt aufweist, welcher zum Rohrende zu randoffen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche, in Richtung der Rohrachse gesehen, von dem durch den Aussenumfang des Rohrs definierten Querschnitt einen Querschnittsbereich frei lässt, dessen Breite grösser als der Kugeldurchmesser ist und vorzugs­ weise mindestens das Doppelte des Kugeldurchmessers beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt ungefähr U-förmig ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche gegenüber der Rohrachse um ungefähr 20° bis 25°, vor­ zugsweise um 22,5°, geneigt ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Prall­ fläche derart auf deren Neigung abgestimmt ist, daß von der Bohrungswand abprallende Kugeln die Prallfläche nicht mehr treffen.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallfläche an der Innenfläche der Rohrwand beginnt.