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Dokumentenidentifikation DE10146787A1 16.01.2003
Titel Vorrichtung zum Strahlen eines Werkstücks
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Hopf, Wilhelm, 74343 Sachsenheim, DE;
Dahlmanns, Frank, 52080 Aachen, DE;
Klingel, Markus, 75417 Mühlacker, DE;
Mattis, Aron, 71706 Markgröningen, DE
Vertreter Patentanwälte Eisele, Dr. Otten, Dr. Roth & Dr. Dobler, 88212 Ravensburg
DE-Anmeldedatum 22.09.2001
DE-Aktenzeichen 10146787
Offenlegungstag 16.01.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.01.2003
IPC-Hauptklasse B24C 5/02
Zusammenfassung Es wird eine Vorrichtung zum Strahlen eines Werkstücks (8) mit einer Strahlerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Stoffstrahls (4), wobei eine Ausströmvorrichtung (19) eine Ausströmöffung (11) zum Ausströmen des Stoffstrahls (4) umfasst, vorgeschlagen, die vor allem bei der Verwendung unterschiedlicher Strahlverfahren ein Bearbeiten relativ kleinräumiger, gegebenenfalls exakt vorgegebener Bereiche des Werkstücks (8) in vergleichsweise kurzer Zeitdauer ermöglicht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Ausströmvorrichtung (19) wenigstens zwei separate Strahlkörperzuführungen (22, 23) zum Zuführen unterschiedlicher Strahlkörper (2, 20) aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Strahlen eines Werkstücks mit einer Strahlerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Stoffstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bislang werden verschiedenste Fertigungsverfahren sowie Vorrichtungen eingesetzt, wobei die Eigenschaften der Werkstückoberfläche durch beschleunigte, kleine Teilchen (Strahlmittel bzw. Strahlkörper) gezielt verändert werden. Strahlmittel sind beispielsweise Metalle als Schrot, Kies, Draht oder Blechkern sowie Quarzsand, Korund, Glas, Schlacken oder Kunststoffe. Diese können, eventuell versetzt mit Fluiden wie Luft, Wasser, Öl, Korrosionsschutzmittel oder dergleichen, mit verschiedenen Strahlverfahren gegen die Oberfläche der Werkstücke beschleunigt werden.

Beispielsweise werden beim Druckstrahlen die Strahlkörper durch Druckluft oder Druckwasser oder beim Schleuderradstrahlen durch die Wirkung der Zentrifugalkraft mittels Schleuderrädern auf vergleichsweise hohe Geschwindigkeiten beschleunigt.

Unter anderem sind Verfahren wie das Strahlläppen, das Sandstrahlen oder das Kugelstrahlen bereits im Einsatz. Vor allem Letzteres wird auch zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von entsprechenden Werkstücken durch Oberflächenverfestigung eingesetzt.

Insbesondere in Abhängigkeit der Energie bzw. Geschwindigkeit der Strahlmittel werden unterschiedlichste Vorrichtungen zum Reinigen, Entgraten, Schneiden von Werkstücken mit abrasiven Strahlmitteln eingesetzt. Für bestimmte Anwendungsfälle müssen in innenliegenden, schwerzugänglichen Bereichen der Werkstücke Hohlräume erzeugt werden und/oder Grate, scharfe Kanten oder Kerben abgetragen werden.

Beispielsweise werden Komponenten, insbesondere für den Einspritzbereich von Verbrennungskraftmaschinen, im Betrieb bei vergleichsweise hohen Drücken pulsierend belastet. Hierfür müssen diese Komponenten besonders dauerhaft ausgelegt werden. Zur Verbesserung der Zeitfestigkeit dieser Komponenten sind saubere, gratfreie und definiert verrundete Konturen sowie in bestimmten Bereichen des Werkstückes Oberflächenverfestigungen erforderlich.

Häufig sind die Bereiche der Werkstücke, die abgetragen und/oder verfestigt werden müssen von vergleichsweise geringer räumlicher Ausdehnung, wobei insbesondere zur Verfestigung einzelner Bereiche diese relativ scharf von nicht zu verfestigenden Bereichen abzugrenzen sind.

Nachteilig bei bisherigen Strahlverfahren ist jedoch die teilweise großflächige Strahlfläche und/oder die Verwendung verschiedener Vorrichtungen beim Strahlen von Werkstücken mit zu bestrahlenden Bereichen, die insbesondere lokal vergleichsweise kleinräumig ausgebildet sind, gegebenenfalls definierte Grenzen zu nicht zu bestrahlenden Bereichen aufweisen und/oder sowohl abgetragen als auch verfestigt werden müssen.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zum Strahlen eines Werkstücks mit einer Strahlerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Stoffstrahls, wobei eine Ausströmvorrichtung eine Ausströmöffnung zum Ausströmen des Stoffstrahls umfasst, vorzuschlagen, die vor allem bei der Verwendung unterschiedlicher Strahlverfahren ein Bearbeiten relativ kleinräumiger, gegebenenfalls exakt vorgegebener Bereiche des Werkstücks in vergleichsweise kurzer Zeitdauer ermöglicht.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass die Ausströmvorrichtung wenigstens zwei separate Strahlkörperzuführungen zum Zuführen unterschiedlicher Strahlkörper aufweist.

Mit Hilfe einer derartigen Ausströmvorrichtung, die vorzugsweise lediglich eine gemeinsame Ausströmöffnung aufweist, können unterschiedliche Strahlkörper auf die vergleichsweise kleinräumigen, exakt vorgegebenen zu bearbeitenden Bereiche gerichtet werden. Vorteilhafterweise kann ein und derselbe zu bearbeitende Bereich des Werkstücks ohne Verfahren der Ausströmvorrichtung bzw. der Ausströmöffnung mit unterschiedlichen Strahlkörpern bearbeitet werden. Das heißt, dass unterschiedliche Strahlverfahren wie das Festigkeitsstrahlen sowie das abrasive Abtragen, z. B. die Herstellung von Kavitäten, das Entgraten, Verrunden oder dergleichen, mit lediglich einer Ausströmvorrichtung durchgeführt werden können. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine nahezu exakte Begrenzung der Strahlbearbeitung auf insbesondere höchst belastete Bereiche bzw. Stellen des Werkstücks bei relativ kurzen Fertigungsfolgen, da ein Entfernen bzw. neu Positionieren verschiedenster Ausströmvorrichtungen entfallen kann. Hierdurch ist eine wirtschaftlich besonders günstige Anwendung unterschiedlicher Strahlverfahren an ein und demselben Werkstück bzw. dessen Bearbeitungsbereich möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Stoffstrahl in einer ersten Betriebsphase wenigstens erste Strahlkörper und in einer zweiten Betriebsphase wenigstens zweite, zu den ersten unterschiedliche Strahlkörper. Mit dieser Maßnahme wird gewährleistet, dass beim Einsatz unterschiedlichster Strahlverfahren jeweils speziell ausgebildete, an das Verfahren angepasste Strahlkörper verwendet werden können.

Demgegenüber ist auch denkbar, dass gemäß der Erfindung ein Mischen unterschiedlichster Strahlkörper, insbesondere unter Variation der Anteile der unterschiedlichen Strahlkörper, neue Anwendungsmöglichkeiten für Strahlverfahren eröffnen kann.

Vorzugsweise ist wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren der unterschiedlichen Strahlkörper vorgesehen. Mit Hilfe einem entsprechenden Dosierelement können vorzugsweise getrennte Betriebsphasen mit unterschiedlichen Strahlkörpern für die unterschiedlichen Strahlverfahren sowie eine Variierung der Anteile der unterschiedlichen Strahlkörper des Stoffstrahls realisiert werden.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Stoffstrahl aus wenigstens einem Druck beaufschlagten Fluidstrahl und wenigstens einem Feststoffstrahl mit zahlreichen, gleichartigen Strahlkörpern gebildet. Vorteilhafterweise wird durch die Zumischung eines Feststoffstrahls zu einem Fluidstrahl die Abtragungs- bzw. Verfestigungswirkung vorteilhaft beeinflussbar.

Gegebenenfalls kann der Stoffstrahl aus mehreren, unterschiedlichen Feststoffstrahlen mit jeweils zahlreichen, gleichartigen Strahlkörpern gebildet werden, d. h. der Stoffstrahl umfasst einen bereits oben beschriebenen gemischten Stoffstrahl sowie den mit Druck beaufschlagten Fluidstrahl. Mit diesen Maßnahmen wird die Anwendung von Druckstrahlverfahren mittels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise ermöglicht. Vor allem hiermit ist ein Strahlen relativ kleinräumiger, lokal begrenzter Bereiche des Werkstücks möglich.

Beispielsweise kann der Fluidstrahl als Wasserstrahl, Luftstrahl, Ölstrahl oder dergleichen ausgebildet werden. Vor allem bei der Verwendung eines Luft- und/oder Wasserstrahls kann gegebenenfalls auf eine nachfolgende, aufwendige Reinigung des Werkstücks weitestgehend verzichtet werden. Möglicherweise kann zum Reinigen oder dergleichen lediglich ein vergleichsweise kurzes Spülen des Werkstücks mit Wasser oder Druckluft vorgesehen werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Ausströmvorrichtung als Mischvorrichtung mit einem Fluidzufuhrelement zum Zuführen des Fluids und wenigstens zwei separaten Strahlkörperzufuhrelementen zum getrennten Zuführen der unterschiedlichen Strahlkörper ausgebildet. Hiermit kann eine besonders kompakte, vergleichsweise leicht handhabbare und herstellbare Ausströmvorrichtung mit einem Ausströmelement zum gerichteten Ausströmen des Stoffstrahls verwirklicht werden.

Mit Hilfe eines Ausströmelements, das vorzugsweise als lanzenförmige bzw. nadelförmige Ausführungsform ausgebildet ist, beispielsweise eine sogenannte Lanze bzw. Sonde, kann in bevorzugter Weise ein im Inneren eines Werkstücks angeordnetes Material abgetragen bzw. verfestigt werden. Beispielsweise können hiermit relativ kleine, innen liegende Bohrungsverschneidungen oder dergleichen entsprechend bearbeitet werden.

Vorteilhafterweise sind wenigstens die zweiten Strahlkörper runde und/oder abgerundete Strahlkörper. Hiermit können die zu bearbeitenden Bereiche des Werkstücks bzw. entsprechende Oberflächen in vorteilhafter Weise verfestigt werden, wodurch insbesondere Druckeigenspannungen erzeugt und damit vergleichsweise hohe Dauerschwingfestigkeiten realisiert werden können. In bevorzugter Weise weisen die zweiten Strahlkörper eine möglichst hohe Masse, ausreichende Härte sowie eine vorteilhafte Zähigkeit auf, um ein Zerspringen oder dergleichen der Strahlkörper zu verhindern. Beispielsweise sind die zweiten Strahlkörper als Kugeln ausgebildet, die vorzugsweise aus zähen Hartmetall-Sorten oder dergleichen bestehen.

Demgegenüber werden vorzugsweise als erste Strahlkörper Werkstoffe verwendet, die wiederum eine relativ hohe Masse, jedoch eine vergleichsweise hohe Härte und geringe Zähigkeit sowie vorteilhaft scharfkantig ausgebildet sind, so dass die abtragende bzw. abrasive Wirkung der ersten Strahlkörper entsprechend verbessert wird.

Grundsätzlich können die Oberflächengüte und/oder der Abtrag bzw. die Verfestigung des Werkstücks über die Korngröße der Strahlkörper bzw. die verwendeten Arbeitsdrücke beeinflusst werden. Gegebenenfalls sind auch mehrere, aufeinander abgestimmte Bearbeitungsphasen mit unterschiedlichen Arbeitsdrücken sowie mit verschiedenen Stoffstrahlen, insbesondere mit verschiedenen Fluiden und/oder Feststoffen mit unterschiedlichen Strahlkörpern bzw. Strahlkörperdurchmessern, von Vorteil.

Generell kann eine Wiederverwendung sowohl der ersten als auch der zweiten Strahlkörper vorgesehen werden. Vorzugsweise werden zur Wiederverwendung der Strahlkörper diese jeweils in getrennten Betriebsphasen eingesetzt, so dass eine möglichst geringe Vermischung der Strahlkörper erfolgt. Entsprechend getrennt aufbewahrte unterschiedliche Strahlkörper werden bei Bedarf der Ausströmvorrichtung separat zugeführt.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist eine im Inneren des Werkstücks angeordnete Richteinheit zum Richten der Stoffstrahlen auf einen vorgegebenen Bereich des Werkstücks vorgesehen. Mit dieser Maßnahme wird ermöglicht, dass der Stoffstrahl bzw. die Stoffstrahlen vorteilhaft auf innenliegende, schwerzugängliche Bereiche, wie Bohrungsverschneidungen, Hinterschneidungen oder dergleichen gerichtet werden können.

Vorteilhafterweise ist eine Strahlrichtung des Stoffstrahls im Wesentlichen zwischen 45 Grad und 180 Grad in Bezug auf eine Transportrichtung der Ausströmvorrichtung vorgesehen, wobei die Transportrichtung der Ausströmvorrichtung im Allgemeinen längs eines Zufuhrelementes zur Zuführung der Strahlkörper zur Ausströmöffnung, Düse oder dergleichen gerichtet ist. Beispielsweise kann als Zufuhrelement eine Sonde bzw. Lanze vorgesehen werden, die in eine Bohrung, Ausnehmung oder dergleichen eingebracht werden kann.

Grundsätzlich kann an beliebiger Stelle der Bohrung, insbesondere an einem innenliegenden Endbereich der Bohrung, der gegebenenfalls durch eine zweite Bohrung, Ausnehmung oder dergleichen definiert wird, entsprechendes Material, wie beispielsweise Grate, scharfe Kanten und/oder Kerben, die bei der Herstellung der Bohrung oder dergleichen erzeugt wurden, abgetragen werden.

Für zahlreiche Anwendungen müssen entsprechende Grate, scharfe Kanten und/oder Kerben vorzugsweise in einem Winkel von ca. 90 Grad und/oder größer in Bezug auf die Transportrichtung der Ausströmvorrichtung abgetragen werden. Mit Hilfe der Richteinheit kann ein entsprechend stark abgewinkelter Stoffstrahl erzeugt und auf die vorgegebenen Bereiche gerichtet werden. Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass der Stoffstrahl eine im Wesentlichen kegelförmige Form aufweist.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind das Werkstück, die Richteinheit und/oder die Ausströmungsvorrichtung wenigstens teilweise bewegbar ausgebildet. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird ermöglicht, dass die Strahlungsrichtung des Stoffstrahls zu verändern ist, wodurch beliebig geformte, insbesondere dreidimensional ausgebildete Bereiche des Werkstücks bearbeitet bzw. abgetragen und verfestigt werden können.

Vorteilhafterweise ist die Form der Richteinheit und/oder der Ausströmvorrichtung an das Werkstück angepasst. Beispielsweise ist das Ausströmelement der Ausströmvorrichtung an eine Bohrung, Ausnehmung oder dergleichen, in die dies einzuführen ist, angepasst.

Eine Anpassung wenigstens von einem Teil der Richteinheit an eine Bohrung, Ausnehmung oder dergleichen des Werkstücks ist von Vorteil, so dass diese in das Werkstück relativ einfach einzuführen ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Form der Richteinheit wenigstens teilweise an den vorgegebenen Bereich des Werkstücks angepasst. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird möglich, dass nahezu beliebig ausgebildete, insbesondere dreidimensionale Bereiche bearbeitet bzw. abgetragen und verfestigt werden können, ohne dass gegebenenfalls das Werkstück, die Richteinheit und/oder Strahlerzeugungseinheit zu bewegen sind.

Vorzugsweise kann jedoch mit Hilfe einer entsprechend angepassten Form der Richteinheit bzw. Teile von dieser in Kombination mit einer Bewegung vor allem der Richteinheit bzw. Teile von dieser ein Abtragen bzw. Verfestigen von einem im Inneren des Werkstücks angeordneten Material vorteilhaft gewährleistet werden.

Vorzugsweise umfasst die Richteinheit wenigstens ein im Strahlengang des Stoffstrahls angeordnetes Reflexionselement. Dieses Reflexionselement ermöglicht insbesondere ein vergleichsweise starkes Umlenken des Stoffstrahls und somit einen nahezu beliebig ausrichtbaren Stoffstrahl zum Abtragen besonders schwer zugänglicher Innenbereiche des Werkstücks.

Ein radial und/oder axial bewegbares Reflexionselement ist besonders von Vorteil. Entsprechende Bewegungen des Reflexionselements bzw. der Richteinheit, des Werkstücks und/oder der Ausströmvorrichtung werden insbesondere mittels einer Steuerungseinheit in vorteilhafter Weise zur definierten Abtragung des vorgegebenen Bereichs gesteuert.

Das Reflexionselement der Richteinheit besteht insbesondere zum Abtragen mittels der ersten Strahlkörper wenigstens teilweise aus nahezu verschleißfestem Werkstoff wie z. B. Hartmetall, insbesondere Ultrafeinstkorn-Hartmetall, Keramik oder dergleichen.

Dagegen weist das Reflexionselement vor allem zum Festigkeitsstrahlen mittels der zweiten Strahlkörper wenigstens teilweise ein zähes, elastisches Material auf. Hierdurch wird eine nachteilige Verformung der zweiten Strahlkörper beim Reflektieren am Reflexionselement weitgehend verhindert.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Reflexionsfläche in einer Ausnehmung des Reflexionselementes angeordnet. Gegebenenfalls ist die Ausnehmung wenigstens als u-, v-, parabelförmige oder vergleichbare Ausnehmung bzw. als Abflachung möglicherweise eines runden, polygonförmigen Elementes ausgebildet. Hierbei kann das Reflexionselement beispielsweise u. a. als ebene Prallplatte ausgebildet werden.

Vorzugsweise umfasst das Reflexionselement mehrere Reflexionsflächen, die in vorteilhafter Weise in axialer Richtung hintereinander und/oder in radialer Richtung nebeneinander am Reflexionselement angeordnet sind. Hiermit wird gewährleistet, dass eine gegebenenfalls auftretende Abrasion des Reflexionselementes im Bereich der Reflexionsfläche möglichst zu keinen nachteiligen Wirkungen vor allem für den vorgegebenen, abzutragenden Bereich führt.

Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung als in axialer Richtung des Reflexionselementes längsgerichtete Ausnehmung, z. B. als Nut oder dergleichen, ausgebildet. Hierbei kann das Reflexionselement in axialer Richtung kontinuierlich und/oder schrittweise bewegt werden, so dass eine definierte Abtragung des Materials im vorgegebenen Bereich selbst bei Abrasion des Reflexionselementes ermöglicht wird.

Alternativ oder in Kombination hierzu kann bei radialsymmetrischer Anordnung mehrerer Reflexionsflächen am Reflexionselement ein kontinuierliches und/oder schrittweises radiales Verdrehen des Reflexionselements vorgesehen werden.

Darüber hinaus kann das Reflexionselement sowohl in radialer als auch in axialer Richtung eine nahezu durchgängige Reflexionsfläche aufweisen, wobei die Reflexionsfläche eine beliebige dreidimensionale Form aufweisen kann, die insbesondere an den vorgegebenen Bereich angepasst ist. Eine entsprechende Reflexionsfläche kann gegebenenfalls während dem Bearbeitungsvorgang vom Stoffstrahl abgefahren bzw. abgescannt werden.

Generell sind die ersten Strahlkörper vorzugsweise derart auszubilden, dass diese aufgrund ihrer weitgehend kugelförmigen Gestalt die Abrasion des Reflexionselementes minimieren und beim Aufprall größtenteils deformiert werden, insbesondere platzen bzw. brechen, und somit vergleichsweise scharfe Kanten erhalten bzw. splittriger werden, wodurch das Abtragen des vorgegebenen Bereichs zusätzlich positiv verändert und das Abtragen des Reflexionselementes weitgehend reduziert wird. Gegebenenfalls können hierfür auch hohlkugelförmige Strahlkörper vorgesehen werden.

Vorzugsweise fixiert wenigstens ein Fixierelement das Reflexionselement an der Ausströmvorrichtung. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann gegebenenfalls lediglich eine Baueinheit, die sowohl die Ausströmvorrichtung als auch die Richteinheit und möglicherweise die Strahlerzeugungseinheit umfasst, in vorteilhafter Weise vorgesehen werden. Hierdurch wird insbesondere der konstruktive Aufwand für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung reduziert.

Vor allem alternativ hierzu kann auch eine weitgehende separat handhabbare Richteinheit bzw. ein entsprechendes Reflexionselement zusätzlich zur Ausströmvorrichtung verwendet werden. Diese Maßnahme ermöglicht insbesondere eine höhere Flexibilität bei der Abtragung bzw. Verfestigung des Materials im Vergleich zu der zuvor genannten Variante der Erfindung.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Schutzelement zum Schützen von nicht abzustrahlender Abschnitte des Werkstücks vorgesehen. Ein entsprechendes Schutzelement kann nachteilige bzw. ungewollte Abtragungen bzw. Verfestigungen des Werkstücks weitestgehend verhindern.

In einer Variante der Erfindung umfasst das Reflexionselement das Schutzelement. Hiermit reduziert sich der konstruktive Aufwand einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Beispielsweise kann bei einem Herstellen einer Verbindung mittels eines Stoffstrahls von einer Ausnehmung zu einer zweiten Ausnehmung des Werkstücks, wobei z. B. in der zweiten Ausnehmung das Reflexionselement bzw. Schutzelement anzuordnen ist, die gegenüberliegende Wandung der zweiten Ausnehmung vor nachteiliger Abrasion bzw. Verfestigung mittels des Schutzelements geschützt werden.

Vorzugsweise wird insbesondere für die Strahlerzeugungseinheit auf bereits vielfach bewährte Standardkomponenten sowie auf vergleichsweise wirtschaftlich günstige Verbrauchsstoffe zurückgegriffen, was vor allem sowohl die Kosten als auch die Prozesssicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung positiv beeinflusst.

Grundsätzlich kann als Strahlerzeugungseinheit eine bereits bekannte Injektorstrahlvorrichtung verwendet werden. Hierbei wird der Feststoff bzw. Abrasivstoff über einen Unterdruck, den der Fluidstrahl in einer Mischkammer erzeugt, angesogen und mit dem Fluidstrahl in einem Mischrohr Zufuhrelement bzw. Ausströmelement Zufuhrelement vermischt und zu einer Düse oder dergleichen transportiert. Anschließend wird gegebenenfalls mittels eines Reflexionselementes der Stoffstrahl auf den vorgegebenen Bereich umgelenkt bzw. gerichtet.

Als Variante zum Injektorstrahlen kann auch das sogenannte Suspensionsstrahlen vorgesehen werden. Hierbei werden die Strahlkörper zusammen mit dem Fluid vermischt und anschließend gemeinsam mit Druck beaufschlagt und mittels entsprechend ausgerichteter Öffnungen bzw. Düsen oder dergleichen als Richteinheit wird ein entsprechender Stoffstrahl erzeugt. Mit Hilfe dieser Variante wird eine wesentlich höhere Flexibilität in der Gestaltung der Ausströmung des Stoffstrahls realisierbar, da die Mischung bzw. Suspension bis zum Düsenaustritt bzw. zur Öffnung lediglich unter statischem Druck steht, so dass mit vergleichsweise geringem Aufwand insbesondere eine stark abgewinkelte Strahlrichtung realisierbar ist, ohne dass relativ starke Verschleißerscheinungen auftreten.

Vorteilhafterweise sind wenigstens zwei unterschiedliche Reflexionselemente vorgesehen, wobei diese insbesondere für unterschiedliche Betriebsphasen der Vorrichtung gemäß der Erfindung bzw. für die unterschiedlichen Strahlkörper verwendet und vorteilhaft angepasst werden.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.

Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren, erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist schematisch eine Injektorstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, wobei ein Wasserstrahl 1 einen Abrasivstoff 2 und einen Festigkeitsstoff 20 in einer Mischkammer 5 ansaugt, so dass ein Mischstrahl 3 in einer Sonde 6 bzw. Lanze erzeugt wird. Aus der Sonde 6 tritt ein Stoffstrahl 4 aus, der mittels eines Reflexionselements 7 auf einen vorgegebenen Bereich im Innern eines Werkstücks 8 gerichtet wird. Bei dem vorgegebenen Bereich handelt es sich gemäß Fig. 1 um einen vergleichsweise schwer zugänglichen Bereich, z. B. da eine Bohrung 9, durch die die Sonde 6 einzuführen ist, einen relativ kleinen Durchmesser beispielsweise von wenigen Millimetern aufweist.

Generell ist das Reflexionselement 7 derart ausgebildet, dass es einerseits eine elastische Reflexion ermöglicht, vergleichsweise wenig kinetische Energie vernichtet und andererseits eine ausreichend hohe Standzeit sicherstellt, d. h. den Verschleiß minimieren.

Gemäß Fig. 1 wird mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung zuerst abrasiv ein Durchgang von der Bohrung 9 zu einer zweiten, wesentlich kleineren Bohrung 10 hergestellt und anschließend der Übergangsbereich der beiden Bohrungen 9, 10 verfestigt. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine genau definierte Abtragung bzw. Verrundung sowie eine Oberflächenverfestigung des Übergangsbereichs der beiden Bohrungen 9, 10 hergestellt werden.

Zudem zeigt Fig. 1, dass mittels einem Halteelement 11 das Reflexionselement 7 an der Sonde 6 fixiert ist.

Die dargestellte Vorrichtung ist gemäß einem Pfeil P1 in axialer Richtung der Sonde 6 bewegbar. Zusätzlich ist diese gemäß einem Pfeil P2 um die Achse der Sonde 6 drehbar. Hierdurch wird ermöglicht, dass nahezu beliebig ausgebildete Bereiche im Innern des Werkstücks 8 abgetragen bzw. verfestigt werden können. Eine nicht näher dargestellte Steuereinheit steuert hierfür die Bewegung der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Generell kann durch Rotation gemäß Pfeil P2 eine ringförmige Aushöhlung der Bohrung 9 erzeugt sowie deren anschließende Verfestigung realisiert werden. Bei der Bohrung 9 kann es sich im Gegensatz zur dargestellten Variante auch um eine Sacklochbohrung handeln.

In Fig. 2 ist eine weitere Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, wobei im Gegensatz zu der Vorrichtung gemäß Fig. 1 kein an der Sonde 6 fixiertes Halteelement 11 vorgesehen ist, sondern eine separate Prallplatte 12, die durch eine zweite Bohrung 13 in das Werkstück 8 eingeführt ist.

Bei dem Werkstück 8 gemäß Fig. 2 handelt es sich beispielsweise um ein sogenanntes Rail (Druckspeicher) aus dem System Common Rail. Das Rail 8 umfasst insbesondere Abzweigungen 14, die jeweils eine Bohrung 15 aufweisen. Im Allgemeinen werden sowohl die Bohrung 13 sowie die Bohrungen 15 mittels spanabhebender Verfahren hergestellt, so dass im Übergangsbereich zwischen den Bohrungen 13, 15 Grate bzw. scharfe Kanten entstehen. Gegebenenfalls werden die Bohrung 13 sowie die Bohrung 15 als Sacklochbohrungen hergestellt und mittels der Vorrichtung gemäß der Erfindung mittels dem abrasiven Stoffstrahl 4 miteinander verbunden. Bei der letztgenannten Variante wird die Standzeit entsprechender spanabhebender Bohrelemente durch die Vermeidung von Durchbrüchen im Übergangsbereich entscheidend verlängert.

Die Sonde 6 wird in die Bohrung 15 und die Prallplatte 12 in die Bohrung 13 eingeführt, so dass der Stoffstrahl 4 an der Prallplatte 12 derart reflektiert wird, dass dieser den Übergangsbereich in genau vorgegebener Weise entgratet bzw. abrundet sowie verfestigt. Bei Letzterem ist besonders positiv, dass vor allem durch die Impulswirkung des Festigkeitsstrahls 4 beim Aufprall auf das Werkstück 8 eine relativ hohe Verdichtung des Gefüges bzw. Oberflächenverfestigung und somit Druckeigenspannungen des Werkstücks 8 erzeugt werden. Diese Druckeigenspannungen wirken sich vorteilhaft bei der späteren Anwendung des Rails 8 aus, wobei dies insbesondere einer pulsierenden Belastung bei vergleichsweise hohen Drücken ausgesetzt ist.

Gemäß der Erfindung weist ein Mischer 19 sowohl eine Zufuhr 16 zur Zuführung des Abrasivstoffs 2 als auch eine Zufuhr 17 zur Zuführung des Festigkeitsstoffs 20 auf. Hierbei umfasst der Mischer 19 eine Zufuhrleitung 21 für den Wasserstrahl 1 sowie eine Zufuhrleitung 22 bzw. 23 zur Zuführung des Abrasivstoffs 2 bzw. Festigkeitsstoffs 20. Ein derart kompakter Mischer 19 mit mehreren Zufuhrleitungen 21, 22, 23 sowie gegebenenfalls weiterer, nicht näher dargestellter Zufuhrleitungen zur Zuführung weiterer, unterschiedlicher Stoffe ist in vorteilhafter Weise zur exakten Bearbeitung vorgegebener, abgegrenzter Bereiche im Innern eines Werkstücks 8 verwendbar.

Mittels einem nicht näher dargestellten Dosierelement bzw. mehrerer Dosierelemente kann eine mehrphasige bzw. mehrstufige Betriebsweise der Vorrichtungen gemäß der Erfindung erfolgen, wobei vorzugsweise der Wasserstrahl 1 mit dem Abrasivstoff 2 oder dem Festigkeitsstoff 20 vermischt wird. Vorteilhafterweise wird in einer ersten Betriebsphase mittels dem Abrasivstoff 2 Material des Werkstücks 8 abgetragen bzw. entsprechende Grade oder dergleichen verrundet.

Anschließend wird in einer zweiten Betriebsphase mit dem Festigkeitsstoff 20 vorteilhafterweise exakt derselbe Bereich des Werkstücks 8 verfestigt, so dass in vorteilhafter Weise Druckeigenspannungen erzeugt und somit wesentlich bessere Dauerschwingfestigkeiten des Werkstücks 2 erreicht werden.

In einer besonderen Variante der Erfindung wird vor der Bestrahlung beispielsweise mittels der sogenannten Finite- Elemente-Methode (FEM) die höchstbelasteten Stellen des Werkstücks 8 ermittelt und diese in der Betriebsphase des Festigkeitsstrahlens gezielt verfestigt. Gegebenenfalls können Düsen verwendet werden, die ein Umschalten zwischen den verschiedenen Strahlmitteln 1, 2, 20 ermöglichen bzw. können spezielle Düsen für die jeweiligen Strahlverfahren eingewechselt werden.

Generell können die Druckmedien, d. h. Wasser, Luft, Öl oder dergleichen mit Drücken zwischen 5 bar und 5000 bar beaufschlagt werden. Hierbei werden insbesondere für das abrasive Abtragen höhere Drucke als für das Verfestigungsstrahlen verwendet. Bezugszeichenliste 1 Wasserstrahl

2 Abrasivstoff

3 Mischstrahl

4 Stoffstrahl

5 Mischkammer

6 Sonde

7 Reflexionselement

8 Werkstück

9 Bohrung

10 Bohrung

11 Halteelement

12 Prallplatte

13 Bohrung

14 Abzweigungen

15 Bohrung

16 Zufuhr

17 Zufuhr

18 Ausströmöffnung

19 Mischer

20 Festigkeitsstoff

21 Zufuhrleitung

22 Zufuhrleitung

23 Zufuhrleitung

P1 Pfeil

P2 Pfeil


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Strahlen eines Werkstücks (8) mit einer Strahlerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Stoffstrahls (4), wobei eine Ausströmvorrichtung (19) eine Ausströmöffnung (18) zum Ausströmen des Stoffstrahls (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmvorrichtung (19) wenigstens zwei separate Strahlkörperzuführungen (22, 23) zum Zuführen unterschiedlicher Strahlkörper (2, 20) aufweist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffstrahl (4) in einer ersten Betriebsphase wenigstens erste Strahlkörper (2) und in einer zweiten Betriebsphase wenigstens zweite, zu den ersten unterschiedliche Strahlkörper (20) umfasst.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren der unterschiedlichen Strahlkörper (2, 20) vorgesehen ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffstrahl (4) aus wenigstens einem Druck beaufschlagten Fluidstrahl (1) und wenigstens einem Feststoffstrahl (2, 20) mit zahlreichen, gleichartigen Strahlkörpern (2, 20) gebildet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausströmvorrichtung (19) als Mischvorrichtung (19) mit einem Fluidzufuhrelement (21) zum Zuführen des Fluids (1) und wenigstens zwei separaten Strahlkörperzufuhrelementen (22, 23) zum getrennten Zuführen der unterschiedlichen Strahlkörper (2, 20) ausgebildet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die zweiten Strahlkörper (20) runde und/oder abgerundete Strahlkörper (20) sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Inneren des Werkstücks (8) angeordnete Richteinheit (7) zum Richten der Stoffstrahlen (4) auf einen vorgegebenen Bereich des Werkstücks (8) vorgesehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlrichtung der Stoffstrahlen (4) im Wesentlichen zwischen 45° und 180° in Bezug auf eine Stofftransportrichtung (P1)der Ausströmvorrichtung (19) vorgesehen ist.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (8), die Richteinheit (7) und/oder die Ausströmvorrichtung (19) wenigstens teilweise bewegbar ausgebildet sind.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richteinheit (7) wenigstens ein im Strahlengang der Stoffstrahlen (4) angeordnetes Reflexionselement (7) umfasst.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fixierelement (11) das Reflexionselement (7) an der Ausströmvorrichtung (19) fixiert.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Reflexionselemente (7) vorgesehen sind.
  13. 13. Verfahren zum Strahlen eines Werkstücks (8) mit einer Strahlerzeugungseinheit zum Erzeugen eines Stoffstrahls (4), wobei eine Ausströmvorrichtung (19) eine Ausströmöffnung (18) zum Ausströmen des Stoffstrahls (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.






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