Verfahren und Vorrichtung zum Verfestiqunqsstrahlen oder Verfestiqunqswalzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen eines Bauteils, wobei die Oberfläche oder zumindest ein Teil der Oberfläche des Bauteils mit einem Verfestigungsstrahl aus einem Strahlmittel beaufschlagt wird.

Stand der Technik

Beim sogenannten Verfestigungsstrahlen (engl, "shot peening") wird ein

Verfestigungsstrahl aus einem Strahlmittel und gegebenenfalls einem Fördermedium wie Luft auf die Oberfläche eines Bauteils gelenkt. Typische Bauteile sind etwa im Luft- und Raumfahrt- sowie im Automobilbereich eingesetzte Lenk-, Antriebs- und

Getriebeteile. Als Strahlmittel werden dabei zumeist kugelförmig oder annähernd kugelförmige Partikel (sog. Strahlmittelkugeln) verwendet, etwa Stahlkugeln. Diese Strahlmittelkugeln treffen mit hoher Geschwindigkeit von beispielsweise über 80 m/s auf die Bauteiloberfläche auf, prallen an der Oberfläche ab und geben dabei einen Teil ihrer kinetischen Energie ab.

Das Strahlmittel wirkt dabei wie ein kleinster Schmiedehammer. Die Strahlmittelkugeln dringen zumindest teilweise in den Werkstoff des Bauteils ein und hinterlassen in der Bauteiloberfläche zumeist kalottenförmige Einschläge. Das Bauteilmaterial wird durch die eindringenden Strahlmittelkugeln zumindest teilweise verdrängt und verdichtet sich dabei, wodurch eine plastische Verformung entsteht. Durch diese plastische

Verformung wiederum wird in der Bauteilrandzone, also in der Oberfläche bzw. in einem oberflächennahen Bereich des Bauteils eine Druckeigenspannung erzeugt.

Eine Beschädigung oder Zerstörung von Bauteilen nimmt zumeist in der

Bauteilrandzone bzw. in oberflächennahen Bereichen ihren Ursprung. Jedoch können Risse in Bauteilen nicht oder zumindest kaum in Bereichen mit Druckeigenspannungen entstehen oder sich ausbreiten. Durch das Verfestigungsstrahlen und die dadurch erzeugte Druckeigenspannung in oberflächennahen Bauteilbereichen kann somit die Dauerfestigkeit des Bauteils erhöht werden. Beispielsweise bei einer dynamischen Beanspruchung des Bauteils müssten auf das Bauteil ausgeübte (Zug-)Kräfte zunächst die Druckeigenspannung in den

oberflächennahen Bereichen überwinden, bevor sie in der Bauteilrandzone wirksam werden und dort Risse entstehen können. Je höher also die Druckeigenspannungen sind, welche durch das Verfestigungsstrahlen erzeugt werden können, desto weiter kann die Dauerfestigkeit des Bauteils erhöht werden. Daneben ist das

Verfestigungswalzen bekannt, bei dem ein Bauteil mit Druck einer Walze beaufschlagt wird, um die Dauerfestigkeit des Bauteils zu erhöhen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfestigungsstrahlen bzw. -walzen weiter zu verbessern, insbesondere um höhere Druckeigenspannungen zu erzeugen und um somit die Dauerfestigkeit von Bauteilen weiter zu erhöhen.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum

Verfestigungsstrahlen eines Bauteils mit den Merkmalen der unabhängigen

Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der

Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in analoger Art und Weise.

Im Rahmen des Verfestigungsstrahlens wird die die Oberfläche oder zumindest ein Teil der Oberfläche des Bauteils mit einem Verfestigungsstrahl mit einem Strahlmittel beaufschlagt. Die Vorrichtung weist zu diesem Zweck eine Verfestigungsstrahleinheit auf. Beispielsweise kann diese Verfestigungsstrahleinheit eine oder mehrere Düsen oder mindestens ein Schleuder- bzw. Schaufelrad aufweisen.

Als Strahlmittel werden zweckmäßigerweise kugelförmig oder annähernd kugelförmige Partikel verwendet, sog. Strahlmittelkugeln, beispielsweise Stahlkugeln, Glasperlen, Sand und/oder Hochdruckwasserstrahlen. Insbesondere wird das Strahlmittel in dem Verfestigungsstrahl zusammen mit einem Fördermedium, z.B. Luft, auf die Oberfläche des Bauteils gelenkt. Das Fördermedium steht dabei insbesondere unter Druck, wodurch das Strahlmittel beschleunigt und auf die Bauteiloberfläche transportiert werden kann. Erfindungsgemäß wird die Oberfläche oder zumindest der Teil der Oberfläche des Bauteils vor und/oder während der Beaufschlagung mit dem Verfestigungsstrahl gekühlt. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung eine Kühleinheit auf. Somit wird in der Oberfläche des Bauteils zweckmäßigerweise ein Temperaturgradient erzeugt. Durch die Abkühlung der Bauteiloberfläche und insbesondere durch den somit erzeugten Temperaturgradienten stellt sich eine Volumenkontraktion ein, welche insbesondere zu Zugeigenspannungen in der Oberfläche führt. Durch die auftreffenden

Strahlmittelkugeln werden diese Zugeigenspannungen zweckmäßigerweise in

Druckeigenspannungen umgewandelt. Wenn sich die abgekühlte Bauteiloberfläche nach der Beaufschlagung mit dem Verfestigungsstrahl wieder erwärmt, führt die hieraus resultierende Volumenzunahme zweckmäßigerweise zu einer Erhöhung der bereits erzeugten Druckeigenspannungen. Durch die erfindungsgemäße Abkühlung der Bauteiloberfläche können somit die durch das Verfestigungsstrahlen erzeugten Druckeigenspannungen in oberflächennahen Bereichen des Bauteils erhöht werden. Die Erfindung stellt somit eine Möglichkeit bereit, um im Vergleich zu herkömmlichen Verfestigungsstrahlmethoden nach dem Stand der Technik höhere Druckeigenspannungen zu erzeugen und die Dauerfestigkeit des Bauteils weiter zu erhöhen.

Durch die Erfindung können im Vergleich zu herkömmlichen

Verfestigungsstrahlmethoden insbesondere eine geringere Korrosionsanfälligkeit sowie eine höhere Wechselfestigkeit des Bauteils durch höhere

Oberflächendruckeigenspannungen erreicht werden. Insbesondere wird es ermöglicht, das Gewicht des Bauteils bei gleicher mechanischer Belastbarkeit zu reduzieren, Bauteile können somit kleiner und leichter gebaut werden. Weiterhin kann das

Verfestigungsstrahlen insbesondere kostengünstiger und mit höherer Effizienz als herkömmliche Verfestigungsstrahlmethoden durchgeführt werden, da insbesondere eine Strahlzeit, also die Zeitdauer, für welche die Bauteiloberfläche mit dem

Verfestigungsstrahl beaufschlagt wird, reduziert werden kann.

Bei Bauteilen aus Stahl, welche einen gewissen, erhöhten Restaustenitanteil aufweisen, beispielsweise aufgrund von vor dem Verfestigungsstrahlen durchgeführten Wärmebehandlungsprozessen, kann zweckmäßigerweise durch die Abkühlung der Oberfläche erreicht werden, dass sich dieser Restaustenit nur in der Oberfläche bzw. in oberflächennahen Bereichen zu Martensit umwandelt, was insbesondere zur Erzeugung weiterer Druckeigenspannungen sowie einer höheren Oberflächenhärte führt. Des Weiteren kann in diesem Fall der Restaustenit im Kern bzw. in den inneren Bereichen des Bauteils erhalten bleiben, wodurch insbesondere verbesserte

Zähigkeitseigenschaften im Kern des Bauteils erreicht werden.

Zweckmäßigerweise können durch die erzeugten Druckeigenspannungen eine Standzeit des Bauteils hinsichtlich der Dauerschwingfestigkeit und die Beständigkeit gegen Spannungs- und Schwingungs-Risskorrosion erhöht werden, insbesondere an Bauteilen, welche starken Wechselbeanspruchungen ausgesetzt sind. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Bauteile der Luft- und Raumfahrt sowie des Automotive- Bereichs, z.B. für Federn, Wellen wie Antriebs- oder Kurbelwellen, Zahnräder, Pleuelstangen, Lenkungs- und Getriebeteile, Turbinenschaufeln, usw.

Beispielsweise kann als Verfestigungsstrahlen ein sogenanntes Druckstrahlen durchgeführt werden, wobei das Strahlmittel mithilfe von Düsen durch flüssige oder gasförmige Trägermittel gefördert und beschleunigt wird. Die entsprechende

Verfestigungsstrahleinheit kann zu diesem Zweck eine oder mehrere Düsen aufweisen.

Als Verfestigungsstrahlen kann beispielsweise auch ein sog. Schleuderradstrahlen durchgeführt werden, wobei das Strahlmittel durch Schleuderräder beschleunigt wird, die mit Wurfschaufeln oder entsprechenden Einrichtungen versehen sind. Die entsprechende Verfestigungsstrahleinheit weist zu diesem Zweck wenigstens ein Schleuder- bzw. Schaufelrad auf.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren und eine

Vorrichtung zum Verfestigungswalzen eines Bauteils. Die Oberfläche oder zumindest ein Teil der Oberfläche des Bauteils wird mit einer Verfestigungswalze beaufschlagt. Vor und/oder während der Beaufschlagung mit der Verfestigungswalze wird die Oberfläche oder zumindest der Teil der Oberfläche des Bauteils gekühlt.

Wie auch das Verfestigungsstrahlen stellt das Verfestigungswalzen ein mechanisches Oberflächenhärten von Bauteilen dar, wobei durch mechanische Druckbeaufschlagung der Bauteiloberfläche Druckeigenspannungen in der Oberfläche bzw. in

oberflächennahen Bereichen erzeugt werden.

Wie auch beim Verfestigungsstrahlen werden durch die erfindungsgemäße Abkühlung der Bauteiloberfläche und durch den somit erzeugten Temperaturgradienten in der Bauteiloberfläche die durch das Verfestigungswalzen erzeugten

Druckeigenspannungen in oberflächennahen Bereichen des Bauteils und dessen Dauerfestigkeit erhöht. Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung zum Verfestigungswalzen sowie zum Verfestigungsstrahlen ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung in analoger Art und Weise, ohne dass dies wiederholten Ausführungen bedürfte. Vorteilhafterweise wird die Oberfläche oder zumindest der Teil der Oberfläche des Bauteils auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur abgekühlt,

zweckmäßigerweise auf Temperaturen unterhalb von -80°C, insbesondere auf Temperaturen unterhalb von -100°C. Das Bauteil bzw. dessen Oberfläche kann dabei insbesondere zunächst Raumtemperatur besitzen und von dieser herunter gekühlt werden. Es ist auch denkbar, dass das Bauteil bzw. die Bauteiloberfläche zunächst eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur aufweist und vor oder während der Beaufschlagung mit dem Verfestigungsstrahl bzw. der Verfestigungswalze auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur herunter gekühlt wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Oberfläche oder zumindest der Teil der Oberfläche des Bauteils während der Beaufschlagung mit dem Verfestigungsstrahl durch den Verfestigungsstrahl selbst gekühlt. Insbesondere kann das Bauteil bzw. seine Oberfläche dabei vor der Beaufschlagung mit dem

Verfestigungsstrahl Raumtemperatur besitzen und nicht aktiv gekühlt werden und während der Beaufschlagung von dem Verfestigungsstrahl selbst passiv abgekühlt werden, zweckmäßigerweise auf Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur. Auf diese Weise wird während des Verfestigungsstrahlens insbesondere automatisch derjenige Teil der Bauteiloberfläche gekühlt, welcher von dem Strahlmittel beaufschlagt wird. Vorzugsweise wird das Strahlmittel gekühlt, insbesondere bevor es in dem

Verfestigungsstrahl auf die Bauteiloberfläche geführt wird. Das Strahlmittel kann beispielsweise gekühlt gelagert werden oder (unmittelbar) vor Einführung in den Verfestigungsstrahl auf die gewünschte Temperatur abgekühlt werden. Somit kann die Bauteiloberfläche durch die aufprallenden Strahlmittelkugeln selbst gekühlt werden.

Alternativ oder zusätzlich wird dem Verfestigungsstrahl vorteilhafterweise ein

Kühlmedium beigefügt. Somit wird zweckmäßigerweise ein Gemisch aus Förderluft, Strahlmittel und Kühlmedium als Verfestigungsstrahl verwendet. Die Bauteiloberfläche wird somit mit einem gekühlten Verfestigungsstrahl beaufschlagt und auf diese Weise zweckmäßigerweise abgekühlt. Beispielsweise kann flüssiger Stickstoff und/oder unterkühltes Wassereisgranulat als Kühlmedium verwendet werden.

Auf analoge Weise wird die Oberfläche oder zumindest der Teil der Oberfläche des Bauteils vorteilhafterweise während der Beaufschlagung mit der Verfestigungswalze durch diese selbst gekühlt. Vorzugsweise wird die Verfestigungswalze zu diesem Zweck durch eine geeignete Kühlvorrichtung gekühlt.

Vorteilhafterweise wird das Strahlmittel mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt. Beim Verfestigungswalzen wird vorteilhafterweise die Verfestigungswalze mittels flüssigen Stickstoffs gekühlt. Das Strahlmittel bzw. die Verfestigungswalze können somit auf kostengünstige und aufwandsarme Weise auf tiefe Temperaturen abgekühlt werden. Insbesondere können somit ein Temperaturunterschied zwischen Bauteiloberfläche und Verfestigungsstrahl bzw. Verfestigungswalze und somit der erzeugte

Temperaturgradient in der Bauteiloberfläche erhöht und der Prozess des

Verfestigungsstrahlens bzw. Verfestigungswalzens beschleunigt werden.

Alternativ oder zusätzlich können C0 ₂ -Pellets und/oder C0 ₂ -Schnee vorteilhafterweise dem Verfestigungsstrahl beigefügt werden, um das Strahlmittel zu kühlen.

Vorzugsweise wird somit ein Gemisch aus Förderluft, Strahlmittel sowie C02-Pellets und/oder C0 ₂ -Schnee als Verfestigungsstrahl verwendet. Trockeneis in Form von C0 ₂ - Pellets bzw. C0 ₂ -Schnee ermöglicht insbesondere eine kostengünstige und aufwandsarme Abkühlung der Bauteiloberfläche. Bevorzugt werden die C0 ₂ -Pellets und/oder der C0 ₂ -Schnee vorgekühlt, insbesondere mittels flüssigen Stickstoffs. Die Oberfläche oder zumindest der Teil der Oberfläche des Bauteils wird vorzugsweise mit Hilfe der vorgekühlten C02-Pellets und/oder des vorgekühlten C0 ₂ -Schnee gekühlt. Somit wird die Temperatur des Trockeneises reduziert, bevor dieses der Bauteiloberfläche oder dem Verfestigungsstrahl zugeführt wird. Die Oberfläche des Bauteils kann somit auf kostengünstige und aufwandsarme Weise noch stärker abgekühlt werden. Insbesondere können somit ein

Temperaturunterschied zwischen Bauteiloberfläche und Verfestigungsstrahl bzw. Verfestigungswalze und der erzeugte Temperaturgradient der Bauteiloberfläche erhöht und der Prozess des Verfestigungsstrahlens bzw. Verfestigungswalzens beschleunigt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Oberfläche oder zumindest der Teil der Oberfläche des Bauteils zunächst vorgewärmt, insbesondere auf eine

Temperatur von über 100°C, bevor die Oberfläche oder zumindest der Teil der

Oberfläche des Bauteils durch den Verfestigungsstrahl bzw. die Verfestigungswalze abgekühlt wird. Zweckmäßigerweise wird die Oberflächentemperatur bis zur oder nahe der Anlasstemperatur des Bauteilmaterials erhöht. Nachdem die Oberfläche entsprechend vorgewärmt wurde, wird sie insbesondere durch den Verfestigungsstrahl bzw. die Verfestigungswalze abgekühlt, insbesondere auf Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, wodurch ein hoher Temperaturgradient in der Oberfläche erzeugt werden kann. Zweckmäßigerweise wird dem Verfestigungsstrahl in diesem Fall unterkühltes Wassereisgranulat als Kühlmedium zugefügt. Die Effektivität des

Verfestigungsstrahlens kann somit noch weiter gesteigert werden, da auf diese Weise besonders hohe Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden können. Insbesondere kann ein Bauteil mit Martensit aus Restaustenit sofort entspannt werden, wenn es auf die entsprechende Anlasstemperatur oder auf Temperaturen nahe der

Anlasstemperatur vorgewärmt und mit dem Verfestigungsstrahl beaufschlagt und abgekühlt wird.

Vorteilhafterweise werden mittels des in der Oberfläche des Bauteils erzeugten Temperaturgradienten Eigenschaften der Oberfläche des Bauteils gezielt beeinflusst. Durch die Erfindung wird somit der in der Bauteiloberfläche erzeugte Temperaturgradient als Parameter für das Verfestigungsstrahlen bzw. für das

Verfestigungswalzen eingeführt, mit dessen Hilfe spezielle Eigenschaften der

Oberfläche des Bauteils, insbesondere die Druckeigenspannungen in der Oberfläche bzw. oberflächennahen Bereichen des Bauteils und/oder die Dauerfestigkeit des Bauteils, gezielt beeinflusst werden können.

Vorteilhafterweise werden, neben dem Temperaturgradienten, einer oder mehrere weitere Parameter des Verfestigungsstrahlens bzw. des Verfestigungswalzens eingestellt und/oder geregelt, um Eigenschaften der Oberfläche des Bauteils gezielt zu beeinflussen. Das Verfestigungsstrahlen bzw. Verfestigungswalzen kann dabei zweckmäßigerweise vollautomatisiert durchgeführt werden. Insbesondere können durch geeignetes Einstellen bzw. Regeln dieser Parameter in unterschiedlichen Teilen der Bauteiloberfläche lokal unterschiedliche Eigenschaften erzeugt werden.

Vorzugsweise werden die Druckeigenspannungen in der Oberfläche bzw.

oberflächennahen Bereichen des Bauteils durch Einstellen und/oder Regeln der Parameter gezielt beeinflusst.

Vorteilhafterweise werden einer oder mehrere der folgenden Parameter eingestellt und/oder geregelt: eine Strahlgeschwindigkeit; ein Druck des Verfestigungsstrahls; ein Abstand zwischen der Bauteiloberfläche und einer Verfestigungsstrahldüse bzw. einem Schleuderrad, welche bzw. welches verwendet wird, um den Verfestigungsstrahl auf die Bauteiloberfläche zu führen; ein Auftreffwinkel des Verfestigungsstrahls auf die Bauteiloberfläche; eine Zeitdauer, für welche die Bauteiloberfläche mit dem

Verfestigungsstrahl beaufschlagt wird (Strahlzeit); das spezielle verwendete

Strahlmittel, insbesondere die Art bzw. das Material des Strahlmittels (z.B. Stahlkugeln, Glasperlen, Sand, Hochdruckwasserstrahl) und/oder ein Durchmesser bzw. eine Größe der einzelnen Strahlmittelkugeln; eine Bauteilvorbehandlung.

Je höher die Strahlgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit welcher die

Strahlmittelkugeln auf die Bauteiloberfläche auftreffen, desto höher der Energieeintrag in die Oberfläche. Jedoch darf die Strahlgeschwindigkeit nicht zu hoch gewählt werden, da die Oberfläche bei zu hohen Strahlgeschwindigkeiten beschädigt werden kann. Die Strahlgeschwindigkeit kann insbesondere in einem Bereich von bis zu 160 m/s liegen. Durch den Druck des Verfestigungsstrahls, insbesondere den Druck des

Fördermediums, kann zweckmäßigerweise die Strahlgeschwindigkeit beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Druck des Fördermediums bis zu 10 bar betragen. Der Auftreffwinkel kann insbesondere durch die räumliche Orientierung der

Verfestigungsstrahldüse zu der Oberfläche verändert werden. Im Zuge der

Bauteilvorbehandlung können beispielsweise Wärmebehandlungsprozesse vor dem Verfestigungsstrahlen durchgeführt werden.

Die Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen kann insbesondere eine oder mehrere Düsen aufweisen. Beispielsweise kann eine Verfestigungsstrahldüse vorgesehen sein, um den Verfestigungsstrahl auf die Bauteiloberfläche zu führen. Eine Kühlmediumdüse kann beispielsweise vorgesehen sein, um ein Kühlmedium zum Abkühlen der

Bauteiloberfläche auf selbige zu führen. Alternativ oder zusätzlich kann insbesondere eine Verfestigungsstrahldüse vorgesehen sein, um ein Gemisch aus Strahlmittel und Kühlmedium als Verfestigungsstrahl auf die Bauteiloberfläche zu führen. Insbesondere kann eine herkömmliche Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen auf konstruktiv und finanziell einfache Weise nachgerüstet werden, indem derartige Düsen in die

Vorrichtung implementiert werden.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigen

Figuren 1 bis 4 schematisch jeweils eine bevorzugte Ausgestaltung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verfestigungsstrahlen durchzuführen, und

Figuren 5 und 6 schematisch jeweils eine bevorzugte Ausgestaltung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verfestigungswalzen, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verfestigungswalzen durchzuführen.

In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen eines Bauteils 101 schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. Die Verfestigungsstrahlvorrichtung 100 ist dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.

Das Bauteil 101 kann beispielsweise ein Bauteil der Luft- und Raumfahrt oder des Automotive-Bereichs sein, etwa eine Antriebs- oder Kurbelwelle. Im Zuge des

Verfestigungsstrahlens wird die Oberfläche 102 des Bauteils 101 mit einem

Verfestigungsstrahl 120 beaufschlagt. Zu diesem Zweck weist die

Verfestigungsstrahlvorrichtung 100 eine Verfestigungsstrahleinheit 1 10 auf. Im Beispiel von Figur 1 ist die Verfestigungsstrahlvorrichtung 100 zum sog.

Druckstrahlen ausgebildet. Als Verfestigungsstrahl 120 wird in diesem Beispiel ein Gemisch aus einem Strahlmittel 121 und einem Fördermedium 122 der

Bauteiloberfläche 102 zugeführt. Als Strahlmittel 121 werden beispielsweise

Stahlkugeln verwendet, als Fördermedium 122 z.B. Luft. Die Verfestigungsstrahleinheit 1 10 weist zu diesem Zweck eine Düse 1 1 1 sowie eine Strahlmittelzufuhr 121 a und eine Luftzufuhr 122a auf.

Die Strahlmittelkugeln 121 in dem Verfestigungsstrahl 120 treffen mit hoher

Geschwindigkeit von beispielsweise etwa 80 m/s auf die Bauteiloberfläche 102 auf, prallen dort ab und wandeln dabei einen Teil ihrer kinetischen Energie um. Dabei dringen die Strahlmittelkugeln 121 zumindest teilweise in den Werkstoff des Bauteils 101 ein und hinterlassen in der Bauteiloberfläche 102 kalottenförmige Einschläge 103. Auf diese Weise wird in der Oberfläche 102 bzw. in oberflächennahen Bereichen des Bauteils 101 eine Druckeigenspannung erzeugt, durch welche wiederum die

Dauerfestigkeit des Bauteils 101 erhöht wird.

Um diese erzeugten Druckeigenspannungen und somit die Dauerfestigkeit des Bauteils weiter zu erhöhen, wird die Oberfläche 102 des Bauteils 101 abgekühlt und ein Temperaturgradient in der Bauteiloberfläche 102 erzeugt. Zu diesem Zweck weist die Verfestigungsstrahlvorrichtung 100 eine Kühleinheit 130 auf.

Die Kühleinheit 130 ist in diesem Beispiel dazu eingerichtet, das Strahlmittel 121 mittels flüssigen Stickstoffs zu kühlen und dem Verfestigungsstrahl 120 ein gekühltes Strahlmittel 121 zuzuführen. Zu diesem Zweck weist die Kühleinheit 130 eine LIN- Zufuhr 131 a auf. Über die Düse 1 11 wird der Bauteiloberfläche 102 somit ein Gemisch aus vorgekühlten Stahlkugeln 121 , Luft 122 und Kühlmedium 131 als Verfestigungsstrahl 120 zugeführt. Die Bauteiloberfläche 102 wird somit durch den Verfestigungsstrahl 120 selbst gekühlt, insbesondere auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur, insbesondere auf einen Wert von unter -80°C, beispielsweise auf -100°C.

Eine Steuereinheit 140 ist dazu eingerichtet, Parameter des Verfestigungsstrahlens zu regeln, um die in der Oberfläche 102 erzeugten Druckeigenspannungen und somit die Dauerfestigkeit des Bauteils 101 gezielt zu beeinflussen.

Als Parameter werden dabei neben der Temperatur, auf welche die Oberfläche 102 abgekühlt wird bzw. der in der Oberfläche 102 erzeugte Temperaturgradient, beispielsweise die Strahlgeschwindigkeit, der Druck des Fördermediums 122, ein Abstand zwischen der Bauteiloberfläche 102 und der Düse 1 11 , ein Auftreffwinkel des Verfestigungsstrahls 120 auf der Bauteiloberfläche 120 und die Strahlzeit geregelt.

Die Vorrichtung 100 bzw. die Düse 110 wird entlang einer Bearbeitungsrichtung 104 über die Bauteiloberfläche 102 bewegt, um einzelne Teile bzw. Teilbereiche der Oberfläche 102 konsekutiv bearbeiten zu können. Alternativ kann auch das Bauteil 101 relativ zu der Vorrichtung entlang der Bearbeitungsrichtung 104 bewegt werden. Durch die Regelung der einzelnen Parameter können insbesondere in unterschiedlichen Teilen der Oberfläche 102 unterschiedliche Druckeigenspannungen erzeugt werden. In Figur 2 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet. Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente. Die Vorrichtung 200 weist eine Verfestigungsstrahleinheit 210 mit einer Düse 21 1 , einer Strahlmittelzufuhr 221 a und einer Luftzufuhr 222a auf, um der Bauteiloberfläche 102 ein Gemisch aus einem Strahlmittel in Form von Stahlkugeln 221 und einem Fördermedium in Form von Luft 222 als Verfestigungsstrahl 220 zuzuführen, wodurch kalottenförmige Einschläge 103 in der Oberfläche 102 erzeugt werden. Zur Kühlung des Strahl mittels 121 bzw. der Bauteiloberfläche 102 weist die Vorrichtung 200 eine Kühleinheit 230 mit einer Kühlmittelzufuhr 231 a und einer zweiten Düse 232 auf. Mittels dieser Kühleinheit 230 wird ein Kühlmedium 231 in Form von flüssigem Stickstoff dem Teil der Bauteiloberfläche 102 zugeführt, welcher durch den

Verfestigungsstrahl 220 beaufschlagt wird.

Die Düsen 211 und 232 werden entlang der Bearbeitungsrichtung 104 über die Bauteiloberfläche 102 bewegt, um einzelne Teilbereiche der Oberfläche 102 konsekutiv zu bearbeiten bzw. das Bauteil 101 wird relativ zu den Düsen 21 1 und 232 bewegt.

Wie oben beschrieben ist eine Steuereinheit 140 vorgesehen, um Parameter des Verfestigungsstrahlens zu regeln und gezielt Druckeigenspannungen in der Oberfläche 102 und die Dauerfestigkeit des Bauteils 101 zu beeinflussen.

Auf diese Weise kann beispielsweise auf konstruktiv einfache und kostengünstige Weise eine herkömmliche Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen nachgerüstet werden, indem die Kühleinheit 230 in die herkömmliche Vorrichtung implementiert wird. In Figur 3 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen schematisch dargestellt und mit 300 bezeichnet. Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente. Die Vorrichtung 300 weist einerseits eine Verfestigungsstrahleinheit 210 auf, analog zu der in Figur 2 dargestellten Verfestigungsstrahleinheit, um auf die Bauteiloberfläche 102 einen ersten Verfestigungsstrahl 220 aus Stahlkugeln 221 und Luft 222 zu führen.

Weiterhin weist die Vorrichtung 300 eine Verfestigungsstrahleinheit 1 10 mit Kühleinheit 130 auf, analog zu der Verfestigungsstrahleinheit aus Figur 1 , um der

Bauteiloberfläche 102 einen zweiten, gekühlten Verfestigungsstrahl 120 zuzuführen. Durch das Gemisch aus Stahlkugeln 121 , Luft 122 und Kühlmedium 131 in dem zweiten Verfestigungsstrahl 120 wird die Bauteiloberfläche 102 gekühlt. Auf diese Weise kann eine herkömmliche Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen auf einfache Weise nachgerüstet werden, indem beispielsweise die

Verfestigungsstrahleinheit 1 10 in die herkömmliche Vorrichtung implementiert wird. Als Verfestigungsstrahlen kann vorteilhafterweise auch ein sog. Schleuderradstrahlen durchgeführt werden. Eine entsprechende bevorzugte Ausgestaltung einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schematisch in Figur 4 dargestellt und mit 400 bezeichnet. Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente.

Eine entsprechende Verfestigungsstrahleinheit 410 weist in diesem Beispiel ein Schleuder- bzw. Schaufelrad 41 1 mit Wurfschaufeln auf, um das Strahlmittel zu beschleunigen. Zu diesem Zweck ist eine Strahlmittelzufuhr 421 a vorgesehen, um dem Schleuderrad 41 1 Strahlmittel 121 in Form von Stahlkugeln zuzuführen. Eine Kühleinheit 430 ist dazu eingerichtet, die Strahlmittelkugeln 121 mittels flüssigen Stickstoffs zu kühlen, bevor diese dem Schleuderrad 41 1 zugeführt werden. Zu diesem Zweck weist die Kühleinheit 430 eine LIN-Zufuhr 431 a auf.

Somit wird die Bauteiloberfläche mit einem Verfestigungsstrahl 420 aus den vorgekühlten Strahlmittelkugeln 121 und dem hier durch schwarze Punkte

dargestellten Kühlmedium 131 zugeführt. Das Bauteil 101 kann beispielsweise auf einem Förderband positioniert sein und somit entlang einer Bearbeitungsrichtung 404 relativ zu der Vorrichtung 400 bewegt werden.

In Figur 5 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verfestigungswalzen eines Bauteils 501 schematisch dargestellt und mit 500 bezeichnet, die dazu eingerichtet ist, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verfestigungswalzen durchzuführen.

Analog zu obiger Beschreibung ist das Bauteil 501 beispielsweise ein Bauteil der Luft- und Raumfahrt oder des Automotive-Bereichs, etwa eine Antriebs- oder Kurbelwelle. Im Zuge des Verfestigungswalzens wird die Oberfläche 502 des Bauteils 501 mit einer Verfestigungswalze 520 beaufschlagt. Das Bauteil 501 wird dabei entlang einer Bearbeitungsrichtung 504 relativ zu der Verfestigungswalze 520 bewegt, welche entlang der Drehrichtung 505 rotiert.

Durch die Beaufschlagung mit der Verfestigungswalze 520 werden in der Oberfläche 502 bzw. in oberflächennahen Bereichen Druckeigenspannungen erzeugt, durch welche die Dauerfestigkeit des Bauteils 501 erhöht wird. Um diese erzeugten

Druckeigenspannungen und somit die Dauerfestigkeit weiter zu erhöhen, wird die Oberfläche 502 des Bauteils 501 abgekühlt. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 500 eine Kühleinheit 530 mit einer Kühlmittelzufuhr 531 a und einer Düse 532 auf, durch welche ein Kühlmedium 531 z.B. in Form von flüssigem Stickstoff der

Verfestigungswalze 520 und der Bauteiloberfläche 502 zugeführt wird.

Eine Steuereinheit 540 ist dazu eingerichtet, Parameter des Verfestigungswalzens zu regeln, z.B. eine Kraft, mit welcher die Verfestigungswalze 520 auf die

Bauteiloberfläche 502 einwirkt, um die in der Oberfläche 502 erzeugten

Druckeigenspannungen und somit die Dauerfestigkeit des Bauteils 501 gezielt zu beeinflussen.

In Figur 6 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 600 zum Verfestigungswalzen schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 600 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Oberfläche 502 des Bauteils 501 durch die Verfestigungswalze 520 selbst zu kühlen. Zu diesem Zweck ist eine Kühleinheit 630 vorgesehen mit einer Kühlmittelzufuhr 631 a und einer Düse 632, durch welche ein Kühlmedium 631 , z.B. flüssiger Stickstoff, der Verfestigungswalze 520 zugeführt wird, um diese zu kühlen. Auch eine Abkühlung der Verfestigungswalze 520 von Innen, etwa durch entsprechende Zuleitungen für ein Kältemittel, ist denkbar.

Bezuqszeichenliste

100, 200, 300, 400 Vorrichtung zum Verfestigungsstrahlen 101 Bauteil

102 Oberfläche des Bauteils

103 kalottenförmige Einschläge in der Oberfläche des Bauteils

104 Bearbeitungsrichtung 1 10 Verfestigungsstrahleinheit

1 1 1 Düse

120 Verfestigungsstrahl

121 Strahlmittel, Strahlmittelkugeln, Stahlkugeln

121 a Strahlmittelzufuhr

122 Fördermedium, Luft

122a Luftzufuhr

130 Kühleinheit

131 Kühlmedium

131 a LIN-Zufuhr

140 Steuereinheit

210 Verfestigungsstrahleinheit

21 1 Düse

220 Verfestigungsstrahl

221 Strahlmittel, Strahlmittelkugeln, Stahlkugeln

221 a Strahlmittelzufuhr

222 Fördermedium, Luft

222a Luftzufuhr

230 Kühleinheit

231 Kühlmedium

231 a LIN-Zufuhr

232 Düse

404 Bearbeitungsrichtung

410 Verfestigungsstrahleinheit 41 1 Schleuderrad

420 Verfestigungsstrahl

421 a Strahlmittelzufuhr

430 Kühleinheit

431 a LIN-Zufuhr

500, 600 Vorrichtung zum Verfestigungswalzen

501 Bauteil

502 Oberfläche des Bauteils

504 Bearbeitungsrichtung

505 Drehrichtung der Verfestigungswalze

520 Verfestigungswalze

530, 630 Kühleinheit

531 Kühlmedium

531 a LIN-Zufuhr

532 Düse

540 Steuereinheit

631 Kühlmedium

631 a LIN-Zufuhr

632 Düse