DE2159424B2

DE2159424B2 - Verfahren zum Entspannen eines metallischen Werkstücks durch mechanische Schwingungsbeanspruchung

Info

Publication number: DE2159424B2
Application number: DE2159424A
Authority: DE
Inventors: August George Jun Hebel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-12-07
Filing date: 1971-11-30
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2159424A1; CA962829A; DE2159424C3; FR2117451A5; US3741820A; GB1375859A; JPS5347354B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bekanntes Verfahren (DE-GM 70 05 792) zur Entspannung von metallischen Werkstücken bedient sich harmonischer Schwingungen, mit denen das Werkstück üh^er einen weiten Frequenzbereich in Schwingungen versetzt wird. Es wird die Schwingungsampiitude beobachtet, die sich mit der Schwingungsfrequenz ändert, wobei in gewir.sen Frequenzbereichen die Schwingungsamplitude merklich ansteigt. Diese Maxima stellen die Resonanz- oder Eigenfrequenz des Werkstücks dar. Zum Entspannen wird das Werkstück Schwingungen unterworfen, die in einen oder mehreren Bereichen der so bestimmten Eigenfrequenzen liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein besserer Wirkungsgrad und eine verbesserte Entspannung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs gelösi.

Erfindungsgemäß wird also zur Entspannung des Werkstücks eine Frequenz ausgewählt, bei der sich eine deutliche Verlagerung der im nicht entspannten Werkstück ermittelten Resonanzfrequenzen ergibt. Im entspannten Werkstück verschiebt sich die Eigenfrequenz von den »falschen« Stellen im nicht entspannten Werkstück zu den »wahren« Stellen im entspannten Werkstück. Dort tritt dann ein stabiler Zustand ein. Diese Verlagerung der Amplitudenmaxima erfolgt bei allen Amplitudenerhebungen, die an einem Werkstück in einem weiten Frequenzbereich festgestellt werden. Die Verlagerung der Eigenfrequenzen zeigt auch zuverlässig an, daß die Spannungsbeseitigung beendet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1—4 perspektivische Ansichten verschiedener Werkstücke mit angesetztem Schwingungsgeber zur Spannungsbeseitigung,

Fig. 5 den Verlauf der über der Schwingungsfrequenz aufgetragenen Schwingungsamplituden in einem nicht entspannten Werkstück und nach Spannungsbesejtigung.

In Fig. 1 wird ein Träger 10 auf einem Boden 12 durch Gummipuffer 14 an den vier Ecken unterstützt. Ein Schwingungsgeber 16 ist in A am Träger 10 eingespannt. Der Schwingungsgeber 16 enthält einen in seiner Drehzahl veränderlichen Motor, vorzugsweise einen Gleichstrommotor, der einen Exzenter so antreibt, daß die Drehachse des Exzenters senkrecht ist zur Längsachse des Trägers 10 und vorzugsweise

ίο parallel zum Boden 12. Ein Schwingungsempfänger 18 ist ebenfalls am Träger 10 eingespannt. Der Empfänger 18 zeigt die Stellen der Resonanz-Scheitelwerte im Träger 10 auf der Frequenzskala an und spricht auf jeden Parameter an, der diese Stellen anzeigt, wie etwa

is die Amplitude, die Geschwindigkeit oder Beschleunigung der Schwingungen. Eine Änderung im Phasenwinkel der Schwingungen gegenüber dem sich drehenden Exzenter des Schwingungsgebers 16 kann auch dazu verwendet werden, die Resonanzscheitelwet ie anzuzeigen, wobei dieser Winkel bei Resonanz am größten ist. Diese Änderung im Phasenwinkel macht sich auch in einer Änderung des Mctorstroms bemerkbar, !n F i g. ! spricht der Empfänger 18 auf die Schwingungsamplitude an. Der Schwingungsgeber 16 und der Empfänger 18

sind elektrisch über Leitungen 20 mit einem Kontrollpult 22 verbunden. Im Kontrollpult ist eine Steuerung 24 enthalten, mit der die Drehzahl des Motors veränderbar ist, um dadurch du· Schwingungsfrequenz im Träger 10 zu ändern. Ein Meßgerät 26 spricht auf die Schwingungsamplitude, die vom Empfänger 18 erfaßt wird, an und ist ebenfalls am Pult 22 angeordnet.

Das Verfahren wird ebenfalls unter Bezug auf F i g. 5 beschrieben. Zunächst wird die Steuerung 24 so geändert, daß die Drehzahl des Motors geändert wird.

Der Schwingungsgeber erzeugt Schwingungen über einen Frequenzbereich innerhalb des Trägers 10, wobei der übliche Frequenzbereich zwischen 0 bis 10 000 Schwingungen in der Minute geht. Die Schwingungsamplitude wird vom Empfänger 18 erfaßt und im Meßgerät 26 angezeigt. Der Verlauf der fjrve 30 der Schwingungsamplitude, abhängig von der Schwingungsfrequenz, kann mittels der aus diesem Frequenzdurchlauf erhaltenen Daten dargestellt werden und ist in Fig. 5 gezeichnet. Es wird betont, daß diese Kurve lediglich eine typische Darstellung des Schwingungsverhaltens ist und nicht tatsächliche Daten wiedergibt. Es ist nicht erforderlich, diese Kurve für die Durchführung des Verfahrens in der Praxis zu zeichnen; diese ist lediglich nützlich zur Klarstellung des Verfahrens.

Die Kurve 30 weist mehrere Amplitudenerhebungen 32a, 32b, 32c und 32c/ zwischen den Amplitudenminima 33 auf. Die Maxima sind mit 34a, 34b, 34c und 34c/ bezeichnet (jeweils breit oder schmal gegenüber anderen Scheitelwerten), die Vorderflanken mit 36a, 36Z>, 36c und 36c/und schließlich die Hinterflanken mit 38a, 38fr, 38c und 38d Die Minima 33 sind im wesentlichen flach (oder höchstens mit einer leichten Steigung versehen) im Verhältnis zu den Maxima 32, obwohl sie einige kleine Unregelmäßigkeiten oder Veränderungen aufweisen können.

Es hat sich herausgestellt, daß eine wirksame Spannungsbeseitigung durch Schwingungsbeanspruchung nur dann wirksam erreicht werden kann, wenn der Schwingungsgeber 16 bei einer Frequenz betrieben wird, die innerhalb einer Vorderflanke 36 oder eine Hinterflanke 38 liegt. Noch wirksamer ist es, wenn man innerhalb des unteren Bereiches einer der Vorderflanken 36 arbeitet, und zwar vorzugsweise bei einer

Frequenz, die auf der Vorderflanke ungefähr bei einem Drittel des Abstandes vom Minimum entfernt liegt

Wenn auch diese Frequenzen eine wirksame Entspannung liefern, hat sich herausgestellt, daß die Auswahl bestimmter Amplitudenerhebungen 32 die wirksamste Spannungsbeseitigung bewirkt. Der untere Bereich der Vorderflanke 36 einer Erhebung 32, die eine sehr steile Hinterflanke 38 gegenüber den Hinterflanken 38 anderer Erhebungen 32 aufweist, stellt den optimalen Punkt für die Spannungsbeseitigung dar. In F i g. 5 ist es |_Ü die Erhebung 3Id, deren steile Hinterflanke 3Sd als hauptharmonischer Durchbruch bezeichnet wird. Die bevorzugte und optimale Frequenz zur Spannungsbeseitigung ist mit 39 bezeichnet und liegt etwa ein Drittel des Abstandes vom vorausgehenden Minimum entfernt auf der Vorderflanke 36d

Es kann manchmal geschehen, daß bei dem Frequenzdurchlauf der hauptharmonische Durchbruch nicht sichtbar wird. Dies ist häufig bei komplexen, mit vielen Spannungen versehenen Werkstücken der Fall. Wenn der hauptharmonische Durchbruch nicht aufgefunden werden kann, wird eine bevorzugte Erhebung, wie etwa 32c, ausgesucht, und der Schwing!-igsgeber 16 wird mit der bevorzugten, bei 40 angedeuteten Frequenz betrieben.

Bei eingeschaltetem Schwingungsgeber 16 wird beobachtet, wie sich die Maxima 34 von den »falschen« Stellen fortbewegen und nachfolgend eine Stabilisierung an den »wahren« Stellen erfolgt. Aus praktischen Gründen ist es nicht zweckmäßig, mit dem Schwingungsgeber den Frequenzbereich zu durchlaufen. Daher wird auf dem Meßgerät 26 abgelesen, wann die Spannungsbeseitigung beendet ist.

Anfangs weiß man nicht, wie lang der Schwingungsgeber 16 betrieben werden muß, um die Spannungen zu beseitigen. Als Erfahrungswert beträgt die Dauer zwischen 10 und 30 Minuten. Innerhalb dieser Zeit tritt die Änderung der Anzeige des Meßgerätes 26 ein. Da die Schwingungsfrequenz unverändert bleibt, zeigt die geänderte Ablesung an, daß Änderungen in der Form der Ampi.lude über der Frequenz gegenüber der vorherigen Kurve eingetreten sind. Es wird gewartet, bis sich die Ablesung auf dem Meßgerät 26 über mehrere Minuten stabilisiert (annähernd 2 bis 3 Minuten reichen aus), bevor der Schwingungsgeber 16 abgestellt wird.

Wird .lun der Verlauf für die Amplitude über der Frequenz aufgezeichnet, dann kann sie die Form der Kurve 44 in Fig. 5 annehmen, worin Abschnitte, die ähnlichen Abschnitten der Kurve 30 entsprechen, durch mit einem Strich versehene Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Form der Kurve 44 is'l allgemein ähnlich der Kurve 30. Die Formen einiger Erhebungen 32' unterscheiden sich von solchen der Kurve 30. Wichtiger ist aber, daß die Erhebungen 32' gegenüber den Erhebungen 32 nach links verschoben sind. Das bedeutet, daß sich die Frequenzen der Maxima 34 geändert haben. Da die Frequenzverlegungen der Maxima 34 signifikant sind, ist unbeachtlich, daß deren Amplituden sich geändert haben, beispielsweise die eo Scheitelwerte 34c und 34c'. Sie haben sich von den »falschen« Stellen zu stabilen, »wahren« Stellen verändert. Bei diesen Resonanz-Scheitelwerten in den »wahren« Stellen sind die Restspannungen aus dem Bereich des Trägers 10 verschwunden, der sich in der Nähe des Schwingungsgebers 16 befindet.

Der Schwingungsgeber 16 wird nun in F i g. 1 nach B verbracht, da die Spa.mungsbeseitigung nur in einem ziemlich begrenzten Bereich erfolgt, nämlich bis eiwa 20 cm vom Schwingungsgeber 16 entfernt. Der U-förmige Querschnitt des Trägers 10 bedingt, daß der Schwingungsgeber 16 auch an die Stellen C und D verbracht werden muß, da sich die Schwingungen im wesentlichen nur in Längsrichtung des Trägers 10 ausbreiten.

Die Fig. 2, 3 und 4 stellen die Anwendung des Verfahrens auf andere Gegenstände mit unterschiedlichen Abmessungen und Formen dar. In F i g. 2 wird ein Schwingungsgeber 16' auf ein einstückiges Speichenrad 50 aus Aluminium aufgespannt, das bei 52 pendelnd aufgehängt ist. Der Schwingungsgeber 16' ist mit seiner Drehachse senkrecht zur Umfangskante 54 angeordnet. Diese Anordnung ist für eine Spannungsbeseitigung sowohl in der Felge als auch in den Speichen 56 der Nabe 58 des Rads 50 wirksam.

In Fig.3 ist eine Stahl-Scrnveißkonstruktion 60 gezeigt, deren Hohlprofile 62 über Winkelprofile 64 miteinander verschweißt sind. Die Hohlprofile sind auf Gummipuffern 14 an ihren vier E'^!ten abgestützt. Der Schwin^jn^s^eber 16 wird bei A und dann, bei B aufgesetzt.

Fig.4 zeigt eine kreisförmige Stahlplatte 70, die an ihrer Umfangskante 72 von Gummipuffern l-i abgestützt ist. Bei diesem Anwendungsfall ist der Schwingungsgeber 16 nahe der Kante 72 auf der Oberseite der Platte 70 aufgespannt, so daß die Drehachse senkrecht zur Kante 72 ist. Bei dieser Anordnung werden die Restspannungen so entfernt, daß die Rundheit der Platte 70 auf sehr kleine Toleranzen gehalten wird.

Bei einer Stahlschiene mit den Abmessungen 2.5 auf 12,7 cm und 300 cm Länge ergab sich der hauptharmonische Durchbruch bei 3500 Schwingungen pro Minute. Die maximale Schwingungsamplitude bei Resonanz betrug 0,16 cm und die minimale Schwingungsamplitude am Fuß der Vorderflanke 0,01 cm. Die Schiene wurde mit einer Frequenz erregt, die innerhalb des Bereichs der Vorderflanke lag, die Schwingungsa.nplitrden von 0,06 cm erzeugt, also annähernd auf einem Drittel des Anstiegs der Vorderflanke. Während einer Schwing :ngsdauer von etwa zv/anzig Minuten verlagerte sich die Frequenz des Maximums und stabilisierte sich, so daß eine Spannungsbeseitigung stattgefun Jen hatte.

Für einen 1/4 PS (0.184 kW) Motor wurde ein Exzenter verwendet, der bei 9000 Umdrehungen pro Minute eine Kraft von 1.65 N erzeugt. Mit einem Motor von 1/2 PS (0,368 kW) und einer Drehzahl von 7200 Umdrehungen pro Minute, wurden Kräfte von 10,24 N erzeugt. Werden Spannungen aus Eisenteilen beseitigt, wird ein Motor von I /2 PS (0.368 kW) bevorzugt.

Wegen der verschiedenen Abmessungen und Formen der Gegenstände, für die das Verfahren geeignet ist, ist es oft schwierig, die Ansprecheigenschaften im voraus zu charakterisieren. So können bei bestimmten Gegenständen Erhebungen auftreten, die von de 1 Erhebungen anderer Gegenstände abweichen. Bei mehrachsigen Konstruktionen können sich benachbarte Erhebungen überlappen, wodurch die minimalen Schwingungsbereiche sehr eng we den, und es unmöglich ist, eine genaue Bestimmung zu erhalten. Der Anstieg der Vorderflanken muß weder sanft noch konstant sein. Nicht alle maximalen Werte, wie sie beim ersten Trequenzdurchlauf bestimmt werden, müssen ihre Stellen ändern, wenn der Gegenstand mit der spannungsentlastenden Frequenz in Schwingung versetzt wird. Die Stellen einiger Maxima können nach Beendigung des Verfahrens unverändert bleiben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Entspannen eines metallischen Werkstücks durch mechanische Schwingungsbeansprucliung, bei dem das noch nicht entspannte Werkstück zur Bestimmung der Eigenfrequenzen über einen weiten Frequenzbereich in Schwingungen versetzt und anschließend Schwingungen, die in einem oder mehreren Bereichen der so bestimmten Amplitudenerhebungen liegen, so lange unterworfen wird, bis eine Stabilisierung des Entspannungsvorgangs eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zur Erregung eine Schwingungsfrequenz ausgewählt wird, die im unteren Drittel des Abstandes von dem vorausgehenden Amplitudenminimum zum Amplitudenmaximum der betrachteten Amplitudenerhebung liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück im Bereich einer Amplitudenerhebung des nicht entspannten Werkstücks err.-gt wird, deren Hinterflanke steiler als die Hintcrflanfcc der übrigen Amplitudenerhebungen ist.