Metallentspannen mittels Schwingungsenergie

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Spannungen im Metall und deren Relaxierung

Speziell schweiss- und spanabhebende Bearbeitungen bauen im Metall und in den Körnern mikroskopisch kleine Spannungskonzentrationen (2. und 3. Art) auf, welche das Werkstück als Ganzes in einen metastabilen Eigenspannungszustand (Spannung 1. Art) versetzen. Beim Spannungsarmglühen bewirkt die hohe Temperatur ein «Fliessen» des Materials - es stellt sich ein Materialverzug ein.

Nicht so beim gesteuerten Dimensionsstabilisieren mittels Einkoppelung automatisch ermittelter Schwingungsenergie, wo durch Platzwechselvorgänge und Glättungen der Spannungskonzentrationen ein Lastenausgleich herbeigeführt wird. Die kontrollierte Energieeinkoppelung via dem Makrospannungsfeld 1. Art beeinflusst direkt die Spannungsfelder der 2. und 3. Art. Das Teil ist gesamthaft verzugsfrei und ohne jeden Festigkeitsverlust relaxiert.

Funktionsprinzip des Dimensionsstabilisierens

Der Vibmatic-6000-Rechner von VSR Industrietechnik ermittelt selbständig und aufgrund des Spannungszustandes des Bauteils alle in Frage kommenden Schwingungsamplituden und Frequenzen. Um eine Beschädigung am Bauteil zu vermeiden, werden alle stabilen Resonanzfelder ausgeblendet. Das System arbeitet automatisch auf allen für die Relaxierung des Bauteils notwendigen Schwingungs-frequenzen. Vergleichsmessungen am Schluss der Bearbeitung zeigen auf einem Bearbeitungsprotokoll an, in welcher Grös-senordnung das Werkstück «dimensionsstabilisiert» wurde.

Forschungstätigkeiten am PSI

Um die Vorgänge im Innern der Metalle und die Arbeitsweise des Systems zu veranschaulichen, wurden am Paul-Scherrer-Institut (PSI) mittels Neutronendiffraktometrie verschiedene Bauteile vor und nach der VSR-Behandlung vermessen. Dies gibt den Kunden eine klare Aussage wie das System arbeitet und was es im Inneren eines Bauteils bewirkt. So kann auch genau festgestellt werden, wann das Bauteil tatsächlich relaxiert ist.

Diffraktionsmessungen an Stahlplatte

Eine Problemstellung war, dass in grosser Anzahl hergestellte Stahlplatten (Mat Cr45Mo4) sich nach dem Aufsägen bis zu 0,3mm verwerfen und damit zu Ausschuss führen. Mit dem Spannungsarmglühen verliert das Teil an Festigkeit und verzieht sich trotzdem. Die Verzunderung stellt ein weiteres Problem dar. Für den Relaxierungsnachweis wurde ein Bauteil als Probe ausgewählt. Der Hersteller dieser Bauteile erhielt eine massgeschneiderte Anlage, mit welcher er inzwischen tausende von Teilen relaxiert hat. Die Bearbeitungszeit pro Teil beträgt weniger als 10 Minuten mit einer Ausschussquote von Null.

Diffraktionsmessverfahren mittels Neutronen

Mit dem Neutronendiffraktometrie-Messverfahren konnte an der Stahlplatte und anderen Bauteilen erstmals der Nachweis erbracht werden, dass Werkstücke mittels gesteuertem Schwingungsprozess (Re-gelkreis) dimensionsstabilisiert werden können. Dr. Weber von der Firma ICA hat die für die Auswertung notwendigen mathematischen Grundlagen dazu ent-wickelt. Bei allen verschiedenen Berechnungsarten ist eine deutliche Glättung aller drei Spannungsarten zu erkennen. Das Teil ist verzugsfrei und ohne jeglichen Festigkeitsverlust relaxiert.

Berechnungsgrundlagen und Hook´sches Gesetz

Die Spannung ist ein Tensor, welcher über das Hook'sche Gesetz mit dem Dehnungstensor linear zusammenhängt. Die Koeffizienten dieses Gesetzes sind Schubmodul und Poissonzahl, welche die Querkontraktion bei Zug berücksichtigt. Das Neu-tronendiffraktionsmesssystem misst direkt die Linienposition der Bragg-Reflexe und die Linienbreiten nach der Flugzeitmethode der Neutronen bei festem Winkel. Aus diesen werden die Netzebenen-Abstände für drei verschiedene Miller-Indizes (Richtungsvektoren der Netzebenen) und daraus die Gitterkonstanten berechnet. Aus den Gitterkonstanten erhält man die Spannungen erster Art, welche sich über den ganzen Körper erstrecken. Aus den Linienbreiten erhält man die Spannungen zweiter und dritter Art. Sie erstrecken sich nur über Bereiche der Grössenordnung der Körner oder stellen gar Schwankungen der Spannungen innerhalb eines Kornes dar.

Forschungstätigkeiten am CERN

Physiker des CERN-Forschungszentrums haben während der VSR-Behandlung an einem Supermagneten (Gewicht 30t) des LHC's mit eigenen Sonden und Messmitteln die gleichen Resultate wie das VSR-Team festgestellt, was die PSI-Auswertungsresultate vollumfänglich stützt.

Weitgehender Verzicht auf Spannungsarmglühen

Dank den heute vorliegenden Erkenntnissen, welche ICA während vieler Jahre Forschung und Entwicklung erarbeitet hat, ist es möglich geworden, dass auf das Spannungsarmglühen weitgehend verzichtet werden kann. Ohne Wartezeiten und innert kürzester Zeit (max. Applikationszeit pro Bauteil = 2 Std.) kann das Metall entspannt werden. Mit minimalsten Logistikkosten, just in time und ohne Verzug der Teile findet der Vorgang statt. Das VSR-Dimensionsstabilisieren erfordert kein Nachbearbeiten (Verzunderung) des Werkstückes und ergibt eine klare Aussage über Relaxation mittels computererstelltem Protokoll. Ausserdem ist das Verfahren sehr umweltfreundlich (kein Rauch, keine Gerüche, keine Sandstrahlemissionen, keine Chemie von Farben etc.) und kostengünstig.

ICA bietet das Verfahren im Lohnauftrag an und verkauft Systeme, zugeschnitten auf die individuellen Bedürfnisse des Kunden. Eine vollautomatische Anlage zur Aufnahme einer grossen Anzahl von kleineren Teilen ist in Arbeit.

AutorFranz Baldinger, ICA

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