DE60030341T2

DE60030341T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Veredelung und Reinigung von Metalloberflächen

Info

Publication number: DE60030341T2
Application number: DE60030341T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Soyama
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: EP1500712B1; EP1170387A1; EP1170387B1; US6855208B1; WO2000042227A1; EP1170387A4; DE60030341D1; KR20010093123A; DE60031257T2; EP1500712A1; KR100519460B1; DE60031257D1; JP2000263337A; US20050103362A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veredelung (Kalthärten durch Hämmern) von Metallteiloberflächen, wie z.B. für Zahnräder, Federn und Formen, und eine Vorrichtung, bei der ein solches Verfahren ausgeführt wird. Spezieller betrifft sie ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metallteil und die Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, das besonders für die Bearbeitungsindustrie geeignet ist, wo Kugelstrahlen typischerweise verwendet wird, um Metallteiloberflächen zu verbessern (z.B., um Druckrestspannungen zu bilden, eine Ermüdungsfestigkeit zu verbessern, das Werkstück zu härten), und zum Gebrauch in Gebieten, wo Teile gereinigt werden müssen.
Herkömmlicherweise ist Kugelstrahlen verwendet worden, um die verschiedensten Metallteiloberflächen zu verbessern, um Druckrestspannungen zu bilden, eine Ermüdungsfestigkeit zu verbessern, das Werkstück zu härten usw..
Die JP 07-328857 A offenbart eine konische Strahlabdeckung mit einem Ausblasloch auf dem äußersten Ende eines Düsenkörpers. Niedrigdruckumgebungswasser wird durch ein System eingeführt, das von einer Hochdruckwasserversorgung gesondert ist. Wenn das Hochdruckwasser von dem Ausblasloch in das Umgebungswasser gerichtet wird, wird ein Wasserstrahl, der eine heftige Kavitation hervorruft, erzeugt.
Erst seit kurzem ist, um eine Spannungskorrosionsrissbildung zu behindern und Materialien in kritischen Anwendungen, wie z.B. einen Kernreaktorbehälter, gegen ein solches Rissbilden zu schützen, auch eine Technik verfügbar, um die Restspannungen auf der Oberfläche eines Werkstücks unter Verwendung von Kavitation zu unterdrücken, die durch Einspritzen von Wasser in Wasser über eine Düse, die zwei oder mehr Verengungen enthält, erzeugt wird.
Diese Technik, um Metallteiloberflächen zu verbessern, ist jedoch offenbart worden, als ob sie die Kavitationskollabierschlagkraft verwenden würde. Nichtsdestoweniger ist sie praktisch verwendet worden, obwohl sie mit einem "allgemeinen Wasserstrahl" vermengt wurde, der einen "kavitierenden Strahl" aufweist, der in die Luft eingespritzt wird.
Mit anderen Worten, die Verwendung des "allgemeinen Wasserstrahls" hat angenommen, dass das Oberflächenhämmerniveau (eingeführter Restspannungswert, verbessertes Ermüdungsfestigkeitsniveau, Oberflächenhärtegrad usw.) vom Druck des eingespritzten Wassers abhängt. Bei einer solchen Annahme wird eine kostspielige Hochdruckpumpe verwendet, um den Pumpenausstoßdruck zu erhöhen. Nichtsdestoweniger ist ein zufriedenstellendes Behandlungsvermögen unter dem Gesichtspunkt einer Oberflächenbehandlung unerreichbar geblieben. Weiter hat es einige andere einer Lösung harrende Probleme gegeben. Die Faktoren, die eine Kavitationskollabierschlagkraft im Oberflächenmodifikationsprozess bestimmen können, sind noch nicht ganz verstanden. Und weder die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase noch die Oberflächenbehandlungswirkung des Kavitationsstrahls sind wirkungsvoll verwendet worden.
Der Erfinder der hierin spezifizierten Offenbarung hat deshalb Untersuchungen über die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase und über die Oberflächenmodifikationserscheinung des kavitierenden Strahls fortgeführt. Als ein Ergebnis ist verifiziert worden, dass die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase und die Oberflächenmodifikationswirkung des kavitierenden Strahls (wobei Restspannungen verbessert werden, das Werkstück gehärtet und eine Ermüdungsfestigkeit verbessert wird) nicht nur vom Druck des Druckwassers abhängen, sondern auch vom Druck des Wassertanks, in dem das Werkstück platziert ist, dass für das Verhältnis von Druckwasserdruck zum Wassertankdruck ein optimaler Wert vorhanden ist, dass die Kavitationskollabierschlagkraft entsprechend der Temperatur des Fluids zunimmt und abnimmt und dass die Kavitationskollabierschlagkraft erhöht werden könnte, wenn die Bedingungen, die oben angegeben sind, erfüllt wurden.
Die vorliegende Erfindung ist auf Grundlage einer solchen Kenntnis, die oben angegeben ist, gemacht worden.
Ein Druckbeaufschlagungsabschnitt ist in einem Rohr gebildet, um einen Kavitationstrahl einzuspritzen. Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kalthärten durch Hämmern und Reinigen der Oberflächen von Metall- und anderen Teilen bereit, die es ermöglichen würden, dass die innere Oberfläche des Rohres behandelt und gereinigt wird, während der Abschnitt entlang der inneren Oberfläche des Rohrs bewegt wird.
Und die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, das/die oben erwähnte Reinigungsverfahren und -vorrichtung zu verwenden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen.
Von einem ersten Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil bereit, bei dem das zu behandelnde Teil, das ein rohrförmiges Teil oder Leitung ist, eine Fluiddruckbeaufschlagungskammer aufweist, die in dem Rohr oder der Leitung gebildet ist, um einen kavitierenden Strahl in ein solches Druckfluid einzuspritzen und um die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase zu erhöhen, so dass die innere Oberfläche des Rohrs gehärtet und gereinigt werden kann, indem eine solche Schlagkraft verwendet wird, um einen Hämmereffekt auf die innere Oberfläche des Rohrs anzuwenden.
Von einem zweiten Aspekt aus betrachtet stellt die vorliegende Erfindung eine Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil bereit, die ausgerüstet ist: mit einem ersten und zweiten Element, um eine Fluiddruckbeaufschlagungskammer in einem Rohr oder einer Leitung zu bilden, mit einer Düse, um ein Druckfluid zwischen dem ersten und zweiten Element einströmen zu lassen, und mit einer Düse, um einen kavitierenden Strahl in die Fluiddruckbeaufschlagungskammer einzuspritzen, um die Oberfläche des behandelten Teils zu härten und zu reinigen, indem die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase verwendet wird, um einen Hämmereffekt auf die Oberfläche des Teils anzuwenden.
Eine bevorzugte Ausführungsform stellt eine Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil bereit, bei der entweder das erste Element oder das zweite Element mit einer Fluiddruckreglereinrichtung versehen ist, um den Fluiddruck in der Fluiddruckbeaufschlagungskammer zu regeln.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur als Beispiel und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 stellt die Druckbeaufschlagungsdaten dar, die sich auf die vorliegende Erfindung beziehen.
2 ist eine Blockdarstellung der Oberflächenmodifikationsvorrichtung, die mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu tun hat.
3 stellt die Druckrestspannungen dar, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung von einer Behandlung eines Stahls entstanden sind.
4 stellt die Druckrestspannungen dar, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung von einer Behandlung eines aufgekohlten Zahnradmaterials entstanden sind.
5 gibt ein Beispiel für ein Werkstückhärten wieder.
1 stellt die Druckbeaufschlagungsdaten dar. In der Figur stellt A den Fall mit Druckbeaufschlagung und B ohne Druckbeaufschlagung dar, während X für die Tiefe steht, bei der Restspannungen verbessert werden können. Im Vergleich mit dem Fall ohne Druckbeaufschlagung wird die Tiefe, in der Druckrestspannungen die Oberfläche des Werkstücks durchdringen, bei Druckbeaufschlagung zweimal bis 10mal oder mehr erhöht, während das Behandlungszeiterfordernis um die Hälfte bis ein Zehntel verringert wird. (Dieser Wert ist erzielbar, wenn der Strahl einen Ausstoßdruck von 20 MPa aufweist, wobei eine Düsenbohrung zwischen 0,4 und 0,8 Millimetern liegt. Je größer die Düse und je größer der Ausstoßdruck ist, desto offensichtlich wirkungsvoller ist die Druckbeaufschlagung.)
Die innere Oberfläche einer Leitung, die in einem Rohr oder einem Element ausgebildet ist, wird behandelt. Ein erstes Element (1tes Verschlussstück) und ein zweites Element (2tes Verschlussstück) sind im Innern eines Rohrs (Leitung) vorgesehen, um die Oberfläche der Leitung zwischen diesen zwei Elementen zu behandeln.
In 2 ist 41 das Rohr als ein Werkstück. Im Innern dieses Rohrs 41 sind das erste Verschlussstück 42 und das zweite Verschlussstück 43 mittels eines Verbindungsstabs 44 in spezifizierten Abständen angeordnet.
Das erste Verschlussstück 42 ist auf der inneren Oberfläche des Rohrs mit Flüssigkeit hermetisch abgedichtet und so angeordnet, dass es frei verschiebbar ist. Auf diesem ersten Verschlussstück 42 ist eine Fluidablassöffnung 45 gebildet und mit einem Ventil 46 versehen, das die Öffnung blockieren kann. Das Ventil 46 wird durch die Spannkraft einer Feder 47 oder dergleichen gegen die Öffnung 45 gepresst, wie veranschaulicht. Sobald der Fluiddruck im Innern ein spezifiziertes Niveau überschritten hat, wird das Hochdruckfluid durch die Öffnung 45 abgeführt. Was eine Ventilbildung anbetrifft, so ist das Ventil einer anderen Form verwendbar, insofern als sein Funktionieren gleich ist.
Das zweite Verschlussstück 43 hält weiter ein Rohr 48, um ein Druckfluid in die Rohrleitung einströmen zu lassen, und ein Rohr 49, um ein Hochdruckfluid für einen kavitierenden Strahl C einströmen zu lassen. Und das zweite Verschlussstück 43 ist so angeordnet, dass es in den umgebenden Teilen einen gering fügigen Spielraum 50 gegen die innere Oberfläche des Rohrs aufweist. Die Rohre 48 und 49 sind mit Druck- und Durchflusssteuerventilen versehen, ähnlich zu den Ausführungsformen, auf die oben Bezug genommen wird, so dass der Druckfluiddruck, der von jedem Rohr geliefert wird, geregelt werden kann. In der Figur ist 51 der Fleck, der auf der inneren Oberfläche am Rohr haftet.
In dieser Ausführungsform sind das erste Verschlussstück 42 und das zweite Verschlussstück 43, die mittels eines Verbindungsstabs im Rohr gekoppelt sind, angeordnet, wie veranschaulicht, um ein rohrinternes Druckbeaufschlagungsfluid zwischen den Verschlussstücken 42 und 43 einströmen zu lassen. Während beide Verschlussstücke bei einem spezifizierten Fluiddruck gehalten werden, lässt man das Hochdruckfluid für einen kavitierenden Strahl C einströmen, um das Innere des Rohrs zu reinigen. Wenn der kavitierende Strahl auf das Rohr auf der inneren Oberfläche auftrifft, ist es möglich, die Oberfläche auf der inneren Oberfläche des Rohrs zu behandeln. Bei dem Behandlungsprozess wird das Fluid zwischen dem ersten Verschlussstück 42 und dem zweiten Verschlussstück 43 zusammen mit Flecken durch den Spalt 50 zwischen dem zweiten Verschlussstück 43 und dem Rohr 41 abgeführt. Somit lassen das erste Verschlussstück 42 und das zweite Verschlussstück 43 ihre Positionen durch ein geeignetes Mittel langsam fortschreitend bewegen, so dass das Rohr auf der ganzen inneren Oberfläche des Rohrs gereinigt und oberflächenbehandelt werden kann. Der Fluiddruck zwischen dem ersten Verschlussstück 42 und dem zweiten Verschlussstück 43 kann durch Öffnen und Schließen derjenigen Ventile gesteuert werden, die in jedem Verschlussstück vorgesehen sind.
In dieser Ausführungsform sind außerdem das erste und zweite Verschlussstück mittels des Verbindungsstabs 44 gekoppelt. Nichtsdestoweniger kann auch ein Verbindungsstrang oder dergleichen anstelle eines solchen Verbindungsstabs verwendet werden. Unter einigen Umständen brauchen das erste und zweite Verschlussstück nicht mittels eines Stabs oder Strangs gekoppelt zu werden. In diesem Fall ist es notwendig, ein erstes und zweites Verschlussstück im Innern des Rohrs durch gewisse geeignete Befestigungsmittel zu befestigen, wie z.B. Reibungskraft oder dergleichen, so dass sich jedes Verschlussstück aufgrund der Wirkung des Hochdruckfluids während der Behandlung nicht über die innere Oberfläche des Rohrs bewegt.
3 stellt die Druckrestspannungen dar, die von einer Behandlung mit Druckrestspannungen, die in das in der vorliegenden Erfindung verwendete Werkzeug (Gesenkmaterial) eingeführt sind, entstanden sind. In 3 ist das Material SKD61, der Düsendurchmesser 2 Millimeter und der Einspritzdruck 30 MPa. Bei Druckbeaufschlagung des Innern des Rohrs (K in der Figur) kann eine verbessernde Behandlung in 10 Minuten beendet sein. Ohne Druckbeaufschlagung des Innern (J in der Figur) werden 150 Minuten benötigt, während Druckrestspannungen bei einem Niveau von ungefähr 60% übrigbleiben.
4 gibt die Druckrestspannungen wieder, die von einer Behandlung mit Druckrestspannungen entstanden sind, die in das aufgekohlte Zahnradmaterial, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eingeführt sind. In 4 weist die Düse einen Durchmesser von 2 Millimetern bei einem Einspritzdruck von 30 MPa und einem Druckbeaufschlagungsdruck von 0,32 MPa auf.
5 stellt ein Beispiel dar, das das Werkstückhärten bei einem Düsendurchmesser von 2 Millimetern, einem Einspritzdruck von 30 MPa und einem Behandlungsdruck von 0,32 MPa vergleicht.
Es ist möglich, die innere Oberfläche eines Rohrs mit einem Druckbeaufschlagungsabschnitt, der im Innern des Rohrs gebildet ist, leicht zu behandeln und zu reinigen.
Durchflussmengensteuerventile, Druckventile und dergleichen sind in entweder automatischen oder manuellen Steuertypen erhältlich. Für ein Fluid sind entweder Wasser oder Öl und dergleichen anwendbar. In der Ausführungsform, auf die oben Bezug genommen wird, kann die Temperatur des Fluids übermäßig ansteigen, weil sich die Motorleistung durch einen kavitierenden Strahl in Wärme umwandeln kann, wenn er in das Innere des Rohrs einströmt. In diesem Fall wird der Druck im Innern des Rohrs verwendet, um das Fluid abzukühlen, indem das Fluid zu verschiedenen Kühleinrichtungen, die allgemein bekannt sind, geschickt wird. Später ist es möglich, der Pumpe nochmals das Fluid erneut zuzuführen. Wenn eine solche Technik eines Einspeisens des Fluiddrucks im ersten Behälter zu einer anderen Kühleinrichtung verwendet wird, ist es nicht notwendig, eine neue Pumpe bereitzustellen, um das Fluid im Innern des Rohrs zur Kühleinrichtung zu schicken, so dass das Fluid in Wirklichkeit leicht abgekühlt werden kann.
Um den Kavitationsstrahl und das Druckbeaufschlagungsfluid in das Innere des Rohrs einströmen zu lassen, ist es möglich, sowohl die Kavitationsstrahldüse als auch die Druckbeaufschlagungswasserdüse in der Ausführungsform, auf die oben Bezug genommen wird, benachbart anzuordnen. Zusätzlich kann eine Kavitationsstrahldüse in der Mitte des Rohrs angeordnet sein, und die Druckbeaufschlagungswasserausströmdüsen können so angeordnet sein, dass sie die erstgenannte umgeben, so dass der kavitierende Strahl auf das Werkstück auftreffen kann, als ob er vom Druckbeaufschlagungswasser umgeben wäre.
Zusätzlich ist es möglich, die Positionsbeziehungen zwischen Kavitationsstrahldüse und Druckbeaufschlagungswasserausströmdüse zu einer anderen Form, wie erforderlich, zu ändern. Es ist möglich, wie es erforderlich sein mag, die Anordnung des Werkstücks auf Grundlage seiner Form frei einzustellen.
Die vorliegende Erfindung kann auch in beliebigen anderen Formen verkörpert werden, ohne dass man von ihren prinzipiellen Merkmalen abweicht. In diesem Sinn wird die Ausführungsform, auf die oben Bezug genommen wird, zwecks Beispiel gegeben und darf auf keinen Fall in irgendeinem einschränkenden Sinn interpretiert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Bei der vorliegenden Erfindung, wie in Einzelheit oben beschrieben, wird ein Hochdruckfluid aus einer Düse eingespritzt, um die Kavitation um den Strahl zu erzeugen, um eine Kavitationsblase gegen das Werkstück stoßen zu lassen. Als Folge wirkt die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase auf das Werkstück, wodurch die Oberflächenmodifikations- und Reinigungswirkungen herbeigeführt werden, wie z.B. Werkstückhärten, Restspannungsverbesserung, Ermüdungsfestigkeitsverbesserung usw.. Bilden eines Druckbeaufschlagsabschnitts in einem Rohr oder einer Leitung ermöglicht, dass die innere Oberfläche des Rohrs behandelt und gereinigt wird. Wenn das Einströmwasser zur Druckbeaufschlagung des Rohrs gesondert von dem Kavitationsstrahldruckbeaufschlagungswasser bereitgestellt wird, ist es auch möglich, die Ausrüstung mit geringeren Kosten aufzubauen, ohne dass eine Tauchkolbenpumpe mit großem Durchfluss benötigt wird. Solche ausgezeichneten Wirkungen, wie die, auf die oben Bezug genommen wird, könnten durch die vorliegende Erfindung herbeigeführt werden.

Claims

Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, bei dem das zu behandelnde Teil, das ein rohrförmiges Teil oder Leitung oder dergleichen (41) ist, eine Fluiddruckbeaufschlagungskammer aufweist, die in dem Rohr oder der Leitung (41) gebildet ist, um einen kavitierenden Strahl (C) in ein solches Druckfluid einzuspritzen und um die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase zu erhöhen, so dass die innere Oberfläche des Rohrs oder der Leitung (41) gehärtet und gereinigt werden kann, indem eine solche Schlagkraft verwendet wird, um einen Hämmereffekt auf die innere Oberfläche des Rohrs oder der Leitung (41) anzuwenden.
Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die mit einem ersten Element (42) und einem zweiten Element (43), um eine Fluiddruckbeaufschlagungskammer in einem Rohr oder einer Leitung (41) zu bilden, mit einer Düse (48), um ein Druckfluid zwischen dem ersten (42) und zweiten Element (43) einzuspritzen, und mit einer Düse (49) ausgerüstet ist, um einen kavitierenden Strahl (C) in die Fluiddruckbeaufschlagungskammer einzuspritzen, um die Oberfläche des behandelten Teils zu härten und zu reinigen, indem die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase verwendet wird, um einen Hämmereffekt auf die Oberfläche des Teils anzuwenden.
Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil nach Anspruch 2 oben, bei der entweder das erste (42) oder zweite Element (43) mit einer Fluiddruckreglereinrichtung (45, 46) versehen ist, um den Fluiddruck in der Fluiddruckbeaufschlagungskammer zu regeln.