In der Metallurgie bezeichnet Kugelstrahlen das Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Metallen , um deren Materialeigenschaften zu verbessern. Dies geschieht üblicherweise mechanisch, beispielsweise durch Hammerschläge , Kugelstrahlen ( Kugelstrahlen ), Laserstrahlen ( Laserstrahlen ) oder in jüngerer Zeit durch Wasserstrahlstrahlen (Wasserstrahlstrahlen) und Kavitationsstrahlen (Kavitationsstrahlen). [ 1 ] Mit der bemerkenswerten Ausnahme des Laserstrahlens ist Kugelstrahlen im Allgemeinen ein Kaltverformungsprozess , der die Oberfläche des kalten Metalls aufweitet und dadurch Druckspannungen erzeugt oder bereits vorhandene Zugspannungen abbaut. Es kann außerdem die Kaltverfestigung des Oberflächenmetalls fördern .

Restspannung

Die plastische Verformung durch Kugelstrahlen erzeugt eine Druckeigenspannung in der gestrahlten Oberfläche sowie eine Zugspannung im Inneren. Dieser Spannungszustand ähnelt dem in gehärtetem Glas und ist aus ähnlichen Gründen nützlich.

Oberflächendruckspannungen verleihen dem Metall Beständigkeit gegen Materialermüdung und bestimmte Korrosionsformen , da sich Risse in einem druckbeaufschlagten Umfeld nicht ausbreiten. Dieser Vorteil geht jedoch mit höheren Zugspannungen im Inneren des Bauteils einher. Die Ermüdungseigenschaften des Bauteils werden dadurch verbessert, da die Spannungen an der Oberfläche aufgrund von Oberflächenfehlern und -beschädigungen üblicherweise deutlich höher sind.

Arbeitshärtung

Kaltverformung dient auch der Oberflächenhärtung des Materials. Dadurch wird die Rissbildung an der Oberfläche verringert und die Abriebfestigkeit erhöht . Bei der Kaltverfestigung eines Metalls steigt dessen Streckgrenze , während die Duktilität abnimmt. Kaltverfestigung führt zu einer Zunahme der Versetzungen im Kristallgitter des Materials. Bei einer hohen Anzahl von Versetzungen wird die plastische Verformung behindert, und das Material verhält sich auch weit über die elastische Streckgrenze des nicht verfestigten Materials hinaus elastisch.

Restspannung / Dehnung

Die plastische Verformung durch Kugelstrahlen kann nützlich sein, um die Oberfläche eines Objekts zu dehnen.

Ein gängiges Anwendungsgebiet des Kugelstrahlens (Streckverfahrens) ist die Autoreparatur- und Fahrzeugumbauindustrie. Dort wird dünnes Blech manuell oder maschinell gestreckt, um gebogene Oberflächen zu erzeugen. Beim manuellen Verfahren kommt ein Handkugelstrahlhammer zum Einsatz; es handelt sich dabei um eine Form des Glättens . Maschinell unterstützte Verfahren verwenden eine Art Kraftschlaghammer zum Kugelstrahlen des Blechs.

Ein weiteres Anwendungsgebiet des Kugelstrahlens ist das Glätten von Blechen. Es dient insbesondere als primäres Verfahren zum Glätten von Stahlbändern, die in industriellen Förder- und Pressprozessen eingesetzt werden. Dabei wird ein Stahlband mit Querkrümmung geglättet, indem die konkave Seite gekugelt wird. Dadurch wird die Querkrümmung beseitigt, indem die Länge der zuvor konkaven und konvexen Seiten des Bandes angeglichen wird. Das Kugelstrahlen von Stahlbändern erfolgt üblicherweise mit Spezialausrüstung und speziellem Kugelstrahlmittel.

Beim Kugelstrahlen zur Erzeugung von Eigenspannungen oder zur Kaltverfestigung eines Werkstücks ist bei dünnen Teilen darauf zu achten, dass das Werkstück nicht gedehnt wird. Ist eine Dehnung unvermeidbar, müssen gegebenenfalls Anpassungen bei der Teilekonstruktion oder der Prozessanwendung vorgenommen werden.

Verwendung beim Schweißen

Handstrahlen kann nach dem Schweißen durchgeführt werden , um die beim Abkühlen im Schweißgut (sowie im umgebenden Grundwerkstoff) entstehenden Zugspannungen abzubauen. Die Reduzierung der Zugspannungen ist minimal und erfolgt nur an oder nahe der Schweißnahtoberfläche. Andere Verfahren, wie z. B. Punktwärmebehandlung (falls anwendbar), tragen zur Reduzierung von Restzugspannungen bei. Durch das Strahlen wird die Schweißnaht härter, was vermieden werden sollte. Aus diesem Grund ist das Strahlen in den meisten Normen, Standards und Spezifikationen nicht zulässig. [ 2 ] Jedes Strahlen an einer Schweißnaht sollte zuvor an einem Prüfstück zur Schweißverfahrensprüfung durchgeführt worden sein.

Das Prüfstück zur Qualifizierung des Schweißverfahrens bildet alle wesentlichen Variablen nach, die beim Serienschweißen auftreten. Wird die Schweißnaht während der Qualifizierung eines Schweißverfahrens gestrahlt, zeigen die anschließenden mechanischen Prüfungen des Prüfstücks die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht. Diese mechanischen Eigenschaften müssen mindestens den mechanischen Eigenschaften der verschweißten Werkstoffe entsprechen. Andernfalls gilt das Verfahren als nicht bestanden und ist für die Serienfertigung ungeeignet.

Klingen schärfen

Vernieten einer Sensenklinge mithilfe der Vorrichtung

Sensen- und Sichelklingen wurden traditionell durch gelegentliches Hämmern und anschließendes häufiges Abziehen im Feld während des Gebrauchs geschärft . Die Klinge kann geschärft werden, indem der formbare Stahl so umgeformt wird, dass ein Schneidprofil entsteht, das anschließend abgezogen werden kann . Kerben und Schnitte an der Schneide lassen sich durch Hämmern entfernen, wodurch ein neues Schneidprofil zum Abziehen entsteht.

Ein Amboss für eine Verhärtungsvorrichtung mit zwei farbcodierten Kappen für verschiedene Winkel

Klingen können frei verhämmert werden, entweder mit verschiedenen Verhärtungsambossen oder mithilfe einer Verhärtungsvorrichtung. Eine solche Vorrichtung kann austauschbare Kappen besitzen, mit denen sich unterschiedliche Winkel einstellen lassen: Zunächst wird ein grober Winkel etwa 3 Millimeter (0,12 Zoll) von der Schneide entfernt eingestellt, anschließend ein feiner Winkel direkt an der Schneide. Dadurch entsteht eine Schneide, die sich leicht abziehen lässt. Die Klinge kann dann mit immer feineren Abziehsteinen geschärft werden, bis sie einsatzbereit ist. [ 3 ] [ 4 ]

Etymologie

Der Begriff „Peening“ soll sich vom altschwedischen Begriff „pæna“ ableiten , was so viel wie „mit einem Hammer dünn schlagen“ bedeutet. [ 5 ]

Geschichte

Die Anwendung des Kugelhämmerns zur Verbesserung der Materialeigenschaften von Metallen reicht bis in die Antike zurück. [ 6 ] Bereits 2700 v. Chr. wurde Gold gehämmert, um Helme mechanisch zu verstärken [ 7 ] , und im antiken Griechenland wurde Bronze gehämmert, um Rüstungen zu festigen. [ 8 ] [ 9 ] Im Mittelalter wurde das Hämmern zur Verstärkung und Formgebung von Schwertern eingesetzt. Spätere Anwendungen zur Verbesserung der Metallfestigkeit umfassen das Hämmern von Artilleriegeschützen im 18. Jahrhundert. [ 7 ] Ebenso verwendeten Schmiede typischerweise einen Kugelhammer, um Kutschenfedern zu formen und deren Lebensdauer zu verlängern. [ 8 ]

Erste wissenschaftliche Untersuchungen der Eigenschaften von Metallen wurden im 19. Jahrhundert durchgeführt, insbesondere im Zusammenhang mit Ermüdungsbrüchen beim Eisenbahnbau und der industriellen Revolution. Wöhler beispielsweise führte umfangreiche Arbeiten zur Dauerfestigkeit von Metallen unter zyklischer Beanspruchung durch. [ 10 ] Kirkaldy untersuchte die Zugfestigkeit von Schmiedeeisen und Stahl, und Bauschinger testete die Elastizitätsgrenzen von Eisen und Stahl bei Dehnung und Stauchung. [ 11 ]

Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts begannen sich Oberflächenbehandlungen von Metallen zu technischen Bearbeitungsverfahren zu entwickeln. Das Kugelstrahlen – im Prinzip eine Vielzahl kleiner Hammerschläge [ 8 ] – rückte als Alternative zum Walzen zur Steigerung der Dauerfestigkeit in den Fokus. [ 7 ] 1927 beschrieb E. G. Herbert die Härtungswirkung des „Cloudburst“-Verfahrens, bei dem ein Strom kleiner Stahlkugeln auf eine Stahloberfläche „regnete“, während O. Föppl 1929 die positive Wirkung der Kaltverformung auf die Dauerfestigkeit demonstrierte. [ 6 ]

Das erste Patent für das Kugelstrahlen wurde 1934 in Deutschland angemeldet, fand aber nie kommerzielle Anwendung. Unabhängig davon stellten 1930 einige Ingenieure bei Buick fest, dass das Kugelstrahlen (wie es ursprünglich genannt wurde) Federn ermüdungsbeständiger machte. Dieses Verfahren wurde daraufhin von der Automobilindustrie übernommen. Zimmerli veröffentlichte 1940 erstmals einen Bericht darüber. John Almen forschte weiter und führte das Verfahren während des Zweiten Weltkriegs in der Flugzeugindustrie ein. [ 12 ]

Bis 1950 hatte sich das Kugelstrahlen als anerkanntes Verfahren etabliert und wurde in der technischen Fachliteratur beschrieben. Im selben Jahr wurde das Kugelstrahlformen zur Herstellung der Flügelbeplankung des Super Constellation- Flugzeugs erfunden. [ 12 ]

Eine bedeutende Innovation in der Hämmerstrahltechnologie Anfang der 1970er Jahre war die Entwicklung der Ultraschall-Impulsbehandlung (UIT) durch Efim Statnikov [ 13 ] , bei der geführte, stabförmige Eindringkörper verwendet werden, um hochfrequente Impulse auf die zu behandelnde Oberfläche zu übertragen. [ 14 ]

Anfang der 1970er Jahre erfuhr das Kugelstrahlen eine weitere bedeutende Innovation, als Forscher wie Allan Clauer in den Battelle- Laboren in Columbus, Ohio, hochintensive Laserstrahlen auf Metallbauteile anwandten, um tiefe Druckeigenspannungen zu erzielen. Dieses Verfahren patentierten sie als Laser Shock Peening und es wurde Ende der 1990er Jahre als Laser-Kugelstrahlen bekannt , als es erstmals bei den Lüfterschaufeln von Gasturbinentriebwerken der US Air Force angewendet wurde.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Soyama, Hitoshi (Januar 2020). „Kavitationsstrahlen: Ein Überblick“ . Applied Sciences . 10 (20): 7280. doi : 10.3390/app10207280 . ISSN  2076-3417 .
  2. ^ ASME B31.3 Absatz 328.5.1 (d) (Änderungen des Standorts bei Veröffentlichung neuer Normen)
  3. ^ „Verstemmen und Schärfen“ . 31. März 2014.
  4. ^ „Lernen, eine Sense zu schlagen“ . 31. Mai 2016.
  5. ^ "Peen | Etymologie von peen von etymonline" .
  6. ^ a b Hawkinson, EE (1962). "Kugelstrahlen - Geschichte" . The Shot Peener .
  7. ^ a b c Schulze, Volker (2006). "Einführung". Moderne mechanische Oberflächenbehandlung . Weinheim: Wiley-Vch Verlag. S.  1–7 . doi : 10.1002/3527607811.ch1 . ISBN 978-3-527-31371-6Die
  8. ^ a b c Leghorn, George (1957). "Die Geschichte des Kugelstrahlens" . Der Kugelstrahler .
  9. ^ "Brustpanzerfragment mit Inschrift und Reliefverzierung | Harvard Art Museums" .
  10. ^ Zenner, Harald; Hinkelmann, Karsten (2019). „August Wöhler – Begründer der Ermüdungsfestigkeitsforschung“ . Stahlbau . 12 (2). Wiley: 156–162 . doi : 10.1002/stco.201900011 .
  11. ^ Timoshenko, Stephen P. (1983). Geschichte der Festigkeitslehre: Mit einem kurzen Abriss der Geschichte der Elastizitätstheorie und der Tragwerkslehre . Courier Corporation. ISBN 9780486611877Die
  12. ^ a b Fuchs, HO; Cary, PE, Geschichte des Kugelstrahlens (PDF) , Erste Internationale Konferenz über KugelstrahlenDie
  13. ^ Chan, Wai Luen; Cheng, Hentry Kuo Feng Cheng (2022). „Hammerstrahltechnologie – Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft“ . International Journal of Advanced Manufacturing Technology . 118 ( 3–4 ): 683–701 . doi : 10.1007/s00170-021-07993-5 .
  14. ^ Statnikov, Efim Sh.; Korolkov, Oleg V.; Vityazev, Vladimir N. (2006). „Physik und Mechanismus des Ultraschallaufpralls“ . Ultrasonics . 44, Supplement: e533– e538. doi : 10.1016/j.ultras.2006.05.119 . PMID 16808946 .