Stand der Technik Als derzeit gängige Verfahren zur Druckeigenspannungserzeugung in Metalloberflä- chen gelten beispielsweise das Kugelstrahlen, das Festwalze oder das Rollen.

Beim Kugelstrahlen werden kleine Kugeln, Keramik-oder Sandpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Werkstückes aufgebracht, dadurch die Oberfläche plastisch verformt und Oberflächeneigenspannungen erzeugt. Durch die plastische Verformung wird jedoch auch die Oberflächenrauhigkeit erhöht.

Beim Festwalze oder Rollen wird durch das Anpressen einer Zylinderrolle oder ei- ner Kugel die Oberfläche verdichtet und gleichzeitig geglättet.

Bei Verdichtern von Gasturbinen müssen die Verdichterschaufeln bezüglich ihrer Oberflächenqualität und bezüglich ihrer Oberflächeneigenspannungen bestimmte technische Spezifikationen erfüllen. Dazu werden die Schaufeln durch Fräsen, bei- spielsweise durch ein Helix-Fräsverfahren gemäss EP 1034865 B1, mit einer Ober- flächenqualität von N5 bis N7 hergestellt. Anschliessend werden mittels Kugel-oder Korundstrahlen die Oberflächendruckspannungen erzeugt. Hierdurch wird die Ober- flächenqualität schlechter ; sie liegt nach dem Strahlen oberhalb von N7 bis N9. Um die spezifizierte Oberflächenqualität von mindestens N4 zu bekommen, müssen dann die Schaufeln schleppgeschliffen werden. Dadurch sind mehrere Schritte nötig, die den Herstellungsprozess der Schaufeln verlängern und dadurch verteuern. Auch liegt nach dem Strahlen die Oberflächeneigenspannung nicht eindeutig definiert vor, son- dern umfasst eine relativ grosse Streubreite.

Ähnliche Verhältnisse gelten im Formenbau.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Er- zeugung von Druckeigenspannungen in der Oberfläche von Werkstücken der ein- gangs genannten Art bereitzustellen, welche es erlauben, eine definierte Oberflä- chenqualität und definierte Oberflächeneigenspannungen in einer möglichst effizien- ten und kostengünstigen Weise herzustellen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen An- sprüche erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen geben die ab- hängigen Ansprüche wieder.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Oberfläche eines Werkstücks zum Zwecke der Erzeugung von Druckeigenspannungen in oberflächennahen Berei-

chen zumindest eines Teils der Werkstückoberfläche durch Stossimpulse im Ultra- schallbereich zu beaufschlagen und dabei die oberflächennahen Bereiche plastisch zu verformen, indem auf zumindest einen Teil der Oberfläche des Werkstücks ein Kontaktschuh mittels einer wirksamen Kontaktfläche berührend einwirkt, wobei der Kontaktschuh im wesentlichen senkrecht zur beaufschlagten Oberfläche axiale Schwingungen im Ultraschallbereich ausführt und die zu beaufschlagende Oberfläche in definierten Führungsbahnen abfährt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform fährt dabei der Kontaktschuh die Oberflä- che zeilenweise auf geradlinigen oder einer anderen Kurvenfunktion folgenden Füh- rungsbahnen ab.

In Abhängigkeit von dem zu bearbeitenden Material wirkt die Kontaktfläche mit einer Vorlastkraft auf das Werkstück ein. Für technische Stahloberflächen hat sich dabei eine Vorlastkraft im Bereich von 100 N bis 600 N als vorteilhaft erwiesen.

In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders günstig erwiesen, die Füh- rungsbahnen des Kontaktschuhs entsprechend den Führungsbahnen einer vorange- henden spanenden Bearbeitung des Werkstücks auszurichten.

Die Vorrichtung zur Erzeugung von Eigenspannungen in den oberflächennahen Be- reichen eines Werkstücks durch Beaufschlagung mit einem axiale Schwingungen im Ultraschallbereich ausführenden Werkzeug zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass das Werkzeug einen Kontaktschuh mit einer auf die Oberfläche einwirken- den Kontakfläche umfasst, wobei die Kontaktfläche in einer spezifischen Weise aus- gebildet, dergestalt, dass sie in wenigstens einer Ebene eine konvex gekrümmte Kontur aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die senkrecht zur Vorschubrichtung ge- richtete Ebene der Kontaktfläche eine konvex gekrümmte Kontur auf.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kon- taktfläche des Kontaktschuhs in beiden Ebenen, sowohl senkrecht wie auch parallel

zur Vorschubrichtung, eine konvexe Krümmung auf, wobei deren Krümmungsradien voneinander verschieden sein können.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird angeregt, den Kontaktschuh auf einer axial schwingenden Sonotrode anzuordnen, wobei letztere vorteilhaft in die Ma- schinenspindel einer Fertigungsmaschine, wie einer Fräsmaschine, eingespannt ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch das Abfah- ren der Werkstückoberfläche mit dem schwingenden Kontaktschuh, welcher wie ein Hammer wirkt, und die dadurch erzielte plastische Verformung der Oberfläche def- nierte Oberflächenqualitäten und definierte Oberflächeneigenspannungen erzielt wer- den.

Durch die Erfindung können geforderte Oberflächeneigenschaften bezüglich der Druckeigenspannungen und der Oberflächenqualität reproduzierbar hergestellt wer- den. Die für die Erfindung benötigte Zusatzausstattung ist gegenüber den herkömmli- chen Kugelstrahl-und Schleppschleifanlagen weitaus kostengünstiger. Zudem müs- sen die durch das Kugelstrahlen und das Schleppschleifen erzeugten Abfälle nicht mehr beseitigt werden, wodurch weitere Kosten eingespart werden. Der Vergleich für die Herstellung einer Schaufel mittels des erfindungsgemässen Prozesses mit dem herkömmlichen Kugelstrahl-und Schleppschleifprozess ergibt, dass ca. 90% der Ko- sten eingespart werden können.

Weiter vorteilhaft ist, dass bei der Herstellung von Schaufeln von Turbomaschinen der Kontaktschuh wie ein Fräswerkzeug in die Maschinenspindel einer Schaufelfräsma- schine durch den Werkzeugwechsler eingewechselt werden kann, und die geforderte Oberflächenspezifikation durch den Ablauf eines computergesteuerten Programms ähnlich der oben erwähnten Helix-Frästechnologie herstellbar ist. Somit verlässt z. B. eine Verdichterschaufel die Schaufelfräsmaschine absolut einbaufertig und muss nicht mehr, wie bisher, nach dem Kugelstrahlen nochmals einer Oberflächenbehand- lung unterzogen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit demselben Bezugszeichen verse- hen.

Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Eigen- spannungen in einer Oberfläche mittels Ultraschall ; Fig. 2a eine schematische Seitenansicht eines Kontaktschuhs zur Oberflächenbe- arbeitung ; Fig. 2b eine schematische Seitenansicht eines Kontaktschuhs zur Oberflächenbe- arbeitung, um 90° gegenüber Fig. 2a gedreht.

Es sind nur die für das unmittelbare Verständnis der Erfindung wesentlichen Ele- mente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Steuerung der Fertigungs- maschine sowie die Achsen und die Spindel.

Weg zur Ausführung der Erfindung In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eigenspannungen in ei- ner Oberfläche mittels Ultraschall dargestellt. Als Ultraschall bezeichnet man übli-

cherweise alle mechanischen Schallwellen mit Frequenzen oberhalb der Hörgrenze, insbesondere solche oberhalb 20 kHz. Mit einem Ultraschallprozessor 1, z. B. einem Ultraschallprozessor UIP250, wird eine regelbare Wechselspannung erzeugt, welche über einen Schallwandler 2 in Ultraschall umgewandelt wird. Eine mit dem Schall- wandler 2 verbundene Sonotrode 3 wird durch den erzeugten Ultraschall angeregt und führt dadurch Schwingungen (19) in axialer Richtung durch. Damit die Schwin- gungen (19) nicht auf das übrige System übertragen werden, ist die Sonotrode 3 mit einem schwingungsfreien Flansch 4 ausgerüstet, mit dem sie über einen speziellen Adapter 5 mit einer Fertigungsmaschine 6, beispielsweise einer Fräsmaschine, ver- bunden ist. Der Weg des axialen Ausschlages, d. h. die Schwingungsamplitude der angeregten Sonotrode 3 lässt sich am Ultraschallprozessor 1 über die dem Ultra- schallprozessor 1 zugeführte Spannung einregeln, vorzugsweise in einem Bereich von grösser 0 bis 100, um. Über zusätzliche Massnahmen kann noch beim Ultra- schallgenerator 1 die aktuelle Frequenz des erzeugten Ultraschalls abgegriffen und über ein Oszilloskop 7 dargestellt werden. Das hier in Frage stehende Verfahren wird vorzugsweise mit Frequenzen in einem Bereich zwischen 18 kHz und 41 kHz, insbe- sondere 20 kHz bis 30 kHz, betrieben. Die mittels Ultraschallfrequenz in Verbindung mit einer Vorlast auf die Werkstückoberfläche aufgebrachten Ausschläge erzeugen eine plastische Verformung der Oberfläche 9a des Werkstückes 9, in deren Folge Druckeigenspannungen in der Oberfläche 9a aufgebaut werden.

Die jeweils notwendige Leistungsaufnahme wird über ein zwischengeschaltetes Wattmeter 8 gemessen. Über einen Adapter 16 ist in die Sonotrode 3 mit dem ei- gentlichen Werkzeug als Berührungselement zu einer zu behandelnden Oberfläche 9a eines Werkstückes 9 verbunden. Bei dem Werkzeug handelt es sich um einen Kontaktschuh 10 mit einer auf die Oberfläche 9a gerichteten wirksamen Kontaktflä- che (17).

In definierten geradlinigen oder einer anderen Kurvenfunktion folgenden Führungs- bahnen wird das Werkzeug, also der Kontaktschuh 10, mit einer für den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmten Vorlast über die Werkstückoberfläche 9a geführt.

Für technische Stahloberflächen und andere metallische Werkstücke haben sich Vorlast im Bereich zwischen 100 N und 600 N, vorzugsweise 200 N, bewährt. Der Abstand zwischen den Führungsbahnen beim Abfahren der Oberfläche, die Zeilung, muss dabei der wirksamen Kontaktfläche 17 sowie den gewünschten Eigenschaften der Oberfläche 9a angepasst werden. Sie liegt in der Regel in einem Bereich zwi- schen 0,5 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 0,8 mm und 6 mm, besonders bevorzugt bei 2mm.

Je nach Kinematik der Fertigungsmaschine 6 wird die Relativbewegung des Werk- zeugs gegenüber dem Werkstück entweder durch Verfahren des Kontaktschuhs 10 oder durch Verfahren des Werkzeugs 9 oder durch eine Kombination dieser beiden Bewegungsarten erzeugt.

Benachbarte Führungsbahnen können dabei in der gleichen oder in entgegenge- setzter Richtung durchfahren werden.

In Fig. 2a und 2b ist der Kontaktschuh 10 in Vorder-und Seitenansicht im Detail dar- gestellt. Die mit dem Werkstück 9 in Berührung stehende wirksame Kontaktfläche 17 des Kontaktschuhs 10 ist in ihrer Form und Grösse wesentlich ausschlaggebend für eine erfolgreiche Druckeigenspannungserzeugung mit den vorgegebenen Oberflä- chenrauhigkeitswerten im Werkstück. Sie ist erfindungsgemäss zumindest senkrecht zur Vorschubrichtung 18 entsprechend der geforderten Oberflächenrauhigkeit und dem Werkstückverwendungszweck konvex gekrümmt mit einem Radius Ri ausge- stattet. Parallel zur Vorschubrichtung 18 ist sie mit einem Anlaufradius R2 versehen, dessen Form und Breite B sich nach den Anforderungen des zu bearbeitenden Werkstücks richten.

Für die hier diskutierten Anwendungsfälle haben sich Kontaktschuhe bewährt mit ei- ner Dimensionierung 40 mm < Ri < 400 mm und 0,5 mm < R2 < 6 mm. Daraus folgt, dass die Kontaktfläche 17 des Kontaktschuhs 10 in Draufsicht vorzugsweise recht- eckig ausgebildet ist. In einer bewährten Ausführungsform besitzt sie eine Länge von etwa 20 mm und eine Breite von etwa 6 mm.

Über einen Adapter 16 kann der Kontaktschuh 10 mit der Sonotrode 3 verbunden werden. Der Adapter 16 kann als Gewindestab ausgeführt sein, mittels dessen der Kontaktschuh 10 dann in die Sonotrode 3 eingeschraubt wird.

Zum genau definierten Abfahren der Werkstückoberfläche 9a wird als Fertigungsma- schine 6 eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Fräsmaschine benutzt. Die Sonotrode 3 wird parallel zur Bearbeitungsrichtung über die Werkstückoberfläche 9a geführt, wobei der eingeschraubte Kontaktschuh 10 mit einem schnell oszilierenden Hammer vergleichbar ist. Durch die Stossimpulse werden die oberflächennahen Be- reiche plastisch verformt und Oberflächeneigenspannungen erzeugt. Die Vor- schubrichtung 18 der Sonotrode 3 ist identisch der Verfahrrichtung der vorangegan- genen spanenden Schlichtbearbeitung. Dadurch kann die Programmierung der spa- nenden Schlichtbearbeitung im wesentlichen auch zur Druckeigenspannungserzeu- gung verwendet werden.

Die Fertigungsmaschine 6 kann beispielsweise eine mehrachsige Fräsmaschine sein, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dadurch können beliebige Formen im Werkstück 9 erzeugt und dadurch auch beliebige Oberflächen mit dem erfindungsgemässen Verfahren behandelt werden. Zur Bearbeitung der Oberfläche können auch Zellen mit mehreren Fertigungsmaschinen 6 verwendet werden. Das zu bearbeitende Werkstück 9 wird dann mittels Wagen automatisch in einer Einspann- vorrichtung von Maschine zu Maschine gebracht. Eine solche Maschine kann dann exklusiv für einen Bearbeitungsvorgang, wie z. B. die Oberflächenbehandlung ver- wendet werden, es können aber auch mehrere Bearbeitungsschritte durch Werk- zeugwechsel in der gleichen Maschine vorgenommen werden.

Der Prozessablauf kann im wesentlichen durch die Variation nachfolgend aufgeführ- ter Parameter beeinflusst werden :

- Grösse und Form der mit dem Werkstück 9 in Berührung Kontaktfläche 17 des Kontaktschuhs 10 - Leistungsvermögen der Ultraschallanlage 1 - Variation der Schwingungsamplitude des Kontaktschuhs 10 - Variation der Vorlast des Kontaktschuhs 10 - Vorschubgeschwindigkeit des Kontaktschuhs 10 auf der Werkstückoberfläche 9a - Zeilungsabstand Zur Bearbeitung technischer Stahloberflächen hat sich ein Kontaktschuh 10 aus Hartmetall als vorteilhaft erwiesen, welcher bei einer Länge L von 20 mm einen Krümmungsradius Ri (quer zur Vorschubrichtung) von ungefähr 70 mm aufweist. Und bei einer Breite von B < 6 mm liegt der Anlaufradius R2 (parallel zur Vorschubrich- tung) ungefähr bei 3 mm. Die Schwingungsamplitude der Sonotrode 3 liegt in einem Bereich von 27 Rm bis 55 ; jm, vorzugweise bei 54 lim bei einer Frequenz von 24,1 kHz. Die Vorlastkraft wird auf vorzugsweise bei 200 N eingestellt. Die Vorschubge- schwindigkeit des Kontaktschuhs beträgt 3 m/min, dies bei einer Zeilung von 1 mm bis 2 mm.

Mittels dieser Parameter werden Druckeigenspannungen von 818 MPa, gemessen längs zur Vorschubrichtung, und 530 MPa, gemessen quer zur Vorschub-bzw. Strö- mungsrichtung, erzielt. Diese Werte liegen weit über dem geforderten Wert von 200 MPa. Die Rauhigkeit der Oberfläche liegt unter dem geforderten Grenzwert von 0,4 u. m.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausfüh- rungsbeispiel beschränkt. Der Einsatz der oben beschriebenen Technologie ist z. B. bei der Herstellung von Lagerstellen eines Turbinen-oder Generatorrotors, der Ge- häuselagerschale für Hydrostatiklager usw. anwendbar.

Bezugszeichenliste

1 Ultraschallprozessor 2 Schallwandler 3 Sonotrode 4 Schwingungsfreier Flansch 5 Adapter 6 Fertigungsmaschine 7 Oszilloskop 8 Wattmeter 9 Werkstück 9a Werkstückoberfläche 10 Kontaktschuh 11 Kraftmessplattform 12 Maschinentisch 13 Präzisionsschraubstock 14 Oszilloskop 15 Ladungsverstärker 16 Adapter 17 Wirksame Kontaktfläche von (10) 18 Vorschubrichtung 19 Schwingungsrichtung R1 Radius von (17) quer zur Vorschubrichtung R2 Radius von (17) parallel zur Vorschubrichtung L Länge der Kontaktfläche (17) B Breite der Kontaktfläche (17)