CN103857475A - 用于生成被施加以压力的脉冲流体射流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从被施加以压力的流体中生成脉冲流体射流（16、18）的装置。该装置包含管线系统（36），该管线系统包含具有喷嘴口（125）的至少一个喷嘴（38、40），从被施加以压力的流体中流体射流（16）可以从该喷嘴口涌出。该装置（20）具有腔室（22），在该腔室中构造出用于生成流体压力波（32）的压力波生成器件（24）。该腔室（22）与管线系统（36）通过用于所生成的流体压力波（32）的排出开口（34）连通。根据本发明，装置（20）包含有调设器件（31、47、62、64），该调设器件用于控制该至少一个喷嘴口（125）上游的管线系统（36）中流体压力波（22）的振幅A_P。利用调设器件（31、47、62、64）可以调设由腔室（22）的排出开口（34）与至少一个喷嘴（38、40）的至少一个喷嘴口（125）之间的管线系统（36）中流体压力波（22）路径长度L与管线系统（36）中流体压力波（22）波长λ的商形成的亥姆霍兹数He:=L/λ。

Description

用于生成被施加以压力的脉冲流体射流的装置

技术领域

本发明涉及一种用于从被施加以压力的流体中生成脉冲流体射流的装置，其带有管线系统，该管线系统包含具有喷嘴口的至少一个喷嘴，从被施加以压力的流体中流体射流可以从该喷嘴口涌出，并且该装置具有腔室，在该腔室中构造出用于生成流体压力波的压力波生成器件，并且该腔室与管线系统通过用于所生成的流体压力波的排出开口连通。

背景技术

这种类型的装置在文献WO2006/097887A1中已知。

为了使用流体射流，例如使用水射流有效地加工工件，通常必须生成非常高的压力，该压力可以为3000巴或者甚至更高。这需要大量的能量。另一方面，使用刚玉和砂的工件加工导致不期望的残余物。与上述的加工工艺相比，以切削工具进行切削式机械加工特别是例如在具有高硬度的材料的情况下具有下述缺点，即，该工艺由于刀具的磨损而相对较昂贵。

发明内容

以上述为背景，本发明的目的是提供一种用于使用流体射流有效地加工工件表面的装置，其可以在相对较低的流体压力下工作。特别是，本发明的目的是提供一种装置，使用该装置可以将工件的表面为了覆层而活化，和/或该装置使得可以加工已涂覆到工件上的覆层，例如使得可以剥除过喷和或剥除工件上的层。

该目的通过开篇所述类型的装置实现，该装置包括调设器件，该调设器件用于调整该至少一个喷嘴口上游的管线系统中流体压力波的振幅，利用该调设器件可以调设由腔室的排出开口与至少一个喷嘴的至少一个喷嘴口之间的管线系统中流体压力波路径长度L与管线系统中流体压力波波长λ的商形成的亥姆霍兹数He:=L/λ。

根据本发明的装置特别适合用于对工件表面施加以碱洗液和/或水和/或乳液，特别是水-油乳液，和/或油形式的流体。

本发明基于如下思想，即通过将压力波形式的振荡能量耦合到流体射流中，特别是耦合到被施加以提高的压力（其可以为20巴、30巴甚至更高）的流体射流中，可以生成流体脉冲，在该流体脉冲中将振荡能量转变成动能。此外本发明的主意在于，能够通过生成压力波而使传输到流体的动能被最大化，具体方式是通过确保：在用于将被施加以压力的流体供应到喷嘴的管线系统中压力波的反射不抵消所生成的压力波而是由于干涉而使其增强。在根据本发明的装置的情况下，因此可以调设压力波在管线系统中从腔室的排出开口直至喷嘴的喷嘴口所覆盖的有效路径长度与流体压力波的波长之比，即表征管线系统中流体压力波的亥姆霍兹数。

为了调设该亥姆霍兹数，该管线系统可以包含第一管线件，并具有第二管线件，该第二管线件至少部分地容纳在第一管线件中且与该第一管线件连通，并且该第二管线件可以相对于第一管线件在其纵向方向上移位。在这种情况下有利的是，第二管线件以能够直线运动的方式在第一管线件上引导，例如通过螺纹。在此有利的是提供固定器件，通过该固定器件可以将第二管线件固定到第一管线件上。

为了调设亥姆霍兹数，作为替代或者作为补充，该装置也可以包含频率调设机构，该频率调设机构使得可以调设所生成的流体压力波的频率。通过改变流体压力波的频率，则其在流体中的波长也得以改变。

根据本发明的装置可以用于将工件粗糙化或清洁，特别是不使用磨料添加剂。

该管线系统有利地具有第一管线系统区段并具有第二管线系统区段，该第一管线系统区段带有用于压力泵的接口，该第二管线系统区段带有用于喷嘴的容纳部。有利的是第一区段和第二区段通过旋转活节连接。通过使第二管线系统区段可以相对于第一管线系统区段以围绕与构造在第二区段中的流体管道共轴的轴线摆动和/或旋转的方式在旋转活节中运动，可以实现，在工件钻孔的表面中生成规则的或不规则的结构。该装置优选地包含用于使第二管线系统区段运动的马达驱动器。

有利的是该管线系统具有第一管线系统区段并具有第二管线系统区段，该第一管线系统区段带有用于压力泵的接口，在该第二管线系统区段中布置有多个分别具有喷嘴口的喷嘴，该喷嘴口通过彼此分开的管线支路被加载以流体。在通向喷嘴的彼此分开的管线支路中分别布置有用于被施加以压力的流体的长度可调的管线。通过调节所述管线可以调整腔室中生成的流体压力波在腔室的用于流体压力波的排出开口与喷嘴口之间的路径长度。

通过在腔室的用于流体压力波的排出开口与喷嘴的喷嘴口之间管线系统中的管线的有效横截面优选单调减小，保证了压力波的振幅在流体流动的方向上向着喷嘴口增大。为了可以去除腔室中的可能的空气泡，排气阀是有利的。优选地布置该排气阀以使得即使在将该装置移位时这些空气泡也可以逃逸。为此，排气阀可以容纳在例如腔室的顶盖区段中。

该腔室可以具有为了供应高压流体而与排出开口分开的开口。这使得可以将流体有效地供应到腔室中。为了保证供应给压力波生成器件的能量以良好的效率转化成压力波，有利的是，压力波生成器件位于腔室的死水区域中。

为了强化耦合到流体中的压力波，该腔室具有在排出开口方向上呈漏斗状缩小的横截面。有利的是，提供用于感测腔室中的压力波的传感器，以使得压力波的生成可以在那里得到监测。在这方面，该传感器有利地构造为压力传感器，并且布置在腔室的在排出开口的方向上呈漏斗状缩小的区段中。

该至少一个喷嘴可以具有喷嘴腔室，该喷嘴腔室具有朝着喷嘴口缩小的横截面。广泛的测试已表明，如果喷嘴腔室在喷嘴口的上游具有钝开口角α（优选在105°≤α≤180°范围内的开口角α）的圆锥状缩小区段，则可以通过喷嘴生成具有非常高的动能的流体脉冲。该至少一个喷嘴优选地具有柱状的、优选圆柱状的喷嘴腔室，该喷嘴腔室带有在末端布置到喷嘴口中的开口。能通过这样的喷嘴生成的流体脉冲特别适合于在铝材料的情况下的材料剥除。由于空穴，这种类型的喷嘴允许构造出如下流体微滴，该流体微滴特别好地适合于材料的剥除并且然后存在于脉冲流体射流中。

通过提供用于生成至少区段式地围裹着脉冲流体射流的气流的器件，可以通过脉冲流体射流加工浸入液体中的工件。在此，围绕高压流体射流的气流保证工件所浸入的液体不会耗空流体射流。在这种情况下，围绕工件的液体有利地导致减弱噪音。广泛的测试已表明，如果该至少一个喷嘴具有指向工件的杯状区段，则可以获得对于工件的特别好的清洁作用，在该杯状区段中脉冲流体射流从喷嘴口涌出，并且其开口横截面在指向工件的方向上拓宽。为了使得可以清洁尽可能大的工件表面，有利的是该至少一个喷嘴构造为具有多个喷嘴口的喷嘴耙。

有利的是，构造出带有用于生成流体射流的装置的设施，其具有用于工件的接收器件并具有流体收集器件，在该接收器件中该工件可以被施加以脉冲流体射流，该流体收集器件用于收集由该装置释放出的流体，并且与压力泵连接以使收集的流体返回到所述装置中。通过使该设施包含用于感测由流体射流从工件剥除的材料的测量器件，可以监测通过脉冲流体射流进行的材料剥除。

为了对用于特定应用的组件的物理性能进行改性，例如为了提高其在内燃机中的机械和热承受能力，将它们在某些位置用高价值的覆层进行精制（veredeln）。

这些覆层通常要求对这些组件的表面为了覆层而进行准备，即通常被粗糙化或活化。为此，已知通过喷砂或喷刚玉而加工工件。此外，为了对覆层做准备，这样的工件的表面也可以切削式地通过切削工具进行机械加工。

本发明相对于该背景的一个主意还在于，可以通过脉冲流体射流在工件的表面中生成结构，这些结构改善覆层在表面上的附着并且特别是使得覆层可以承载很高的剪切力。

具体地说，已发现例如特别是通过用热喷涂工艺进行铝材料覆层可以显著改善特别是铝组件的摩擦性能，该热喷涂工艺例如为火焰喷涂、等离子体喷涂、大气等离子体喷涂或电弧喷涂。电弧喷涂使得可以例如用铁基合金对铝组件覆层，该铁基合金具有在0.8和0.9重量%之间的碳含量，并且包含石墨、二硫化钼或二硫化钨形式的分散用减摩填料。

对材料覆层也使得可以减小发动机组件的重量，并且实现了紧凑的结构形式，例如气缸曲轴壳，其中与常规壳相比气缸孔处在相对于彼此减小的距离上。

有利的是，在用于对工件施加以流体的设施中使用一个或多个根据本发明的用于生成流体射流的装置，该设施包含用于调设供应给管线系统的流体压力的可控器件，并且具有计算机单元，该计算机单元与用于调设压力的器件以及压力波生成器件连接并具有数据存储器，在该数据存储器中存储有参数特性曲线族，用于因应用而异地调设能通过压力波生成器件生成的流体压力波的频率和/或振幅和/或流体压力。在参数特性曲线族中也可以依赖于待加工的材料，特别是基材，和/或给定的工件几何形状和/或工件表面质量，特别是工件表面粗糙度，和/或工件污染的类型和/或待加工的工件与装置的至少一个喷嘴口之间的加工间距来存储有利的喷嘴旋转速度。此外，参数特性曲线族也可以寄存通过相应的装置生成的脉冲高压流体射流相对于工件表面的有利角度。

这种类型的设施优选地包含操纵器，以使待施加以流体的工件相对于装置运动或者使装置相对于工件运动。操纵器可以进行完全自由的运动，特别是直线运动或者自由的曲线运动。特别是，提供具有六个运动轴线的关节臂机器人作为操纵器。

本发明的一个主意还在于，使用可以例如通过根据本发明的装置生成的脉冲流体射流，将用于火焰喷涂或等离子体喷涂或电弧喷涂的工件表面活化，或者为了粘合而对其进行准备。此外，本发明的一个主意是使用这样的脉冲流体射流对通过火焰喷涂或等离子体喷涂或电弧喷涂所生成的工件表面进行加工。

对本发明的一个认识特别在于，如果喷嘴在相对于工件钻孔壁的局部表面法线以角度β，其中0°≤β≤60°，优选β≈45°，倾斜的方向上被施加以生成的脉冲高压流体射流，并且在这种情况下喷嘴相对于工件围绕钻孔的轴线旋转式运动并且在钻孔的轴线方向上平移式移位，则工件钻孔壁的准备（特别是通过电弧喷涂生成的工件表面的附着性能）可以得到优化。在这种情况下，喷嘴开口与工件表面之间的距离可以有利地在10mm和150mm之间。

发明人已认识到，特别是工件的区段可以以如下方式进行精制，具体为：在第一步中，在工件上施布表面覆层，并且在第二步中，然后通过脉冲流体射流加工和/或再次部分地剥除覆层。该流体射流特别可以通过根据本发明的装置生成。发明人还已认识到，工件的表面可以通过脉冲流体射流进行活化，特别是通过根据本发明的装置所生成的脉冲流体射流，以便由此提高覆层在表面上的附着性能以及覆层的机械和热承受能力。发明人的认识特别在于，至少部分地由铝或铝合金或镁合金组成的工件的表面可以通过脉冲流体射流进行活化，该脉冲流体射流可以例如通过根据本发明的装置生成，以便将由含铁材料制成的表面覆层通过热喷涂工艺（电弧喷涂即LDS、等离子体喷涂等）涂覆至该工件，然后用例如来自根据本发明的装置的脉冲流体射流加工该表面覆层。发明人的认识还在于，至少部分地由钢或灰铸铁组成的工件也可以通过脉冲流体射流进行活化，该脉冲流体射流可以例如通过根据本发明的装置生成，以便通过激光填丝焊（Laserdrahtschweiβen）将由含镍材料制成的表面覆层涂覆到该工件上。此外，发明人的一个主意是，以通过激光填丝焊涂覆的含铁或含镍材料形式施布到由钢或灰铸铁、铝、铝合金或镁合金制成的工件上的覆层可以通过脉冲流体射流进行加工，特别是通过来自根据本发明的装置的脉冲流体射流进行加工。

在本发明的范围内，特别是可以设置，首先在大的面积上涂覆表面覆层，随后在边缘区域小面积地再次将其去除。

附图说明

下面将参照附图中示意性示出的实施例对本发明进行更详细的解释。其中：

图1示出具有用于生成脉冲流体射流的装置的设施连同工件；

图2示出该装置中的用于生成流体压力波的腔室；

图3示出该装置的用于被施加以压力的流体的长度可调的管线；

图4示出一种可用于该装置中的喷嘴；

图5示出另一种可用于该装置中的喷嘴；

图6示出可用于该装置中的具有射流整流器的喷嘴；

图7示出图6中示出的喷嘴沿着线VII-VII的截面；

图8示出用于生成脉冲高压流体射流的装置，其具有布置在转塔中的喷嘴；

图9示出用于生成包裹在气流中的脉冲高压流体射流的装置的区段；

图10示出用于生成包裹在气流中的脉冲高压流体射流的另一种装置的带有喷嘴的区段；

图11示出用于生成脉冲高压流体射流的装置，其具有喷嘴耙，并且

图12示出图11中所示的装置沿着线XII-XII的截面。

具体实施方式

图1中的设施10设计用于通过由水构成的脉冲流体射流16、18将工件15中的柱形凹陷14的表面12活化。

为了生成流体射流16、18，设施10具有带腔室22的装置20，在该腔室中构造出用于生成流体压力波32的器件24。器件24与可控频率发生器31连接。器件24包含压电晶体28，该压电晶体充当机电变换器并且与超声波发生器30连接。如果腔室22用水填充，则可以用超声波发生器30在水中生成带有频率v的压力波32，该频率v优选在10kHz≤v≤50kHz的范围内。

为了生成压力波，将来自频率发生器31的高频交变电压施加至压电晶体28。频率发生器31设计用于生成超声频率，优选地在10kHz≤v≤50kHz范围内的超声频率。通过调设由频率发生器31生成的交变电压的频率v和振幅A_P，可以改变管线系统36中压力波32的波长λ。

优选地根据可通过超声波发生器30生成的流体压力波32的波长范围对腔室22进行定制。对于在该波长范围内的流体压力波32，腔室22因而充当共振腔。

腔室22具有通向管线系统36的排出开口34，该管线系统将腔室22与喷嘴38、40连接。管线系统36具有腔室侧区段42并包含喷嘴侧区段44。腔室侧区段42和喷嘴侧区段44通过旋转活节46连接。在旋转活节46中，喷嘴侧区段44可以通过电动旋转驱动器48围绕与流体管道50共轴的轴线52摆动地和/或旋转地通过驱动马达54马达驱动式运动。

在管线系统36的喷嘴侧区段44中，喷嘴38、40位于彼此分开的管线支路56、58中。构造在喷嘴侧区段44中的流体管道60分支成管线支路56、58。

在管线支路56和管线支路58中分别存在带有长度可调的管线62、64的管线区段。可调的管线62、64包含第一管线件66、68并具有至少部分地容纳在第一管线件66、68中并与其连通的第二管线件70、72。第二管线件70、72可以在与双头箭头78、80对应的纵向方向74、76上相对于第一管线件66、68共轴地移位。

在第二管线件70、72中分别容纳喷嘴38、40之一。通过第二管线件70、72相对于第一管线件66、68的移位，可以调整在喷嘴38、40的喷嘴口82、84的背离工件那一侧与排出开口34之间的、用于压力波32的有效路径长度26。在这种情况下，用于管线件70、72的运动间隙根据压力波32的波长进行定制。该运动间隙有利地为压力波32的波长的至少一半。它优选地在40mm和300mm之间的范围内。同样，在管线系统36的区段42中，管线43可以通过调节器件47以平移方式相对于管线45共轴地移位。调节器件47使得可以调设管线系统36中压力波32的有效路径长度26。调节器件47可以通过（电动）马达驱动器（未示出）进行控制。通过管线系统36中压力波32的有效路径长度26的调节，可以实现：使压力波32在喷嘴38、40的喷嘴口的背离工件的开口的直接上游处具有波腹。

调节器件47因此充当调设器件，该调设器件用于调整（即调设）在至少一个喷嘴口125上游的管线系统36中流体压力波22的振幅A_P。通过调节器件47可以调设由腔室的排出开口34与至少一个喷嘴38、40的至少一个喷嘴口125之间的管线系统36中流体压力波32路径长度L与管线系统36中流体压力波22波长λ的商形成的亥姆霍兹数He:=L/λ。可调的管线62、64也分别充当用于控制喷嘴38、40的相应喷嘴口上游的流体压力波32的振幅A_P的器件。

在一种修改的实施例中，腔室侧区段和喷嘴侧区段构造为一体。在另一种修改的实施例中，喷嘴侧区段以能平移式推移的方式支承在腔室侧区段上，而不设置带有旋转驱动器的旋转活节。在这种情况下，喷嘴侧区段的平移运动手动地实现和/或通过弹簧力、通过电磁铁和/或通过直线电机实现。

可调设的频率发生器31同样是这种调设器件。通过改变通过频率发生器31生成的交变电压的频率v，可以调设管线系统36中压力波32的波长λ，并因此调设管线系统36中、例如在喷嘴口125的上游的流体压力波22的振幅A_P。

从腔室22中的排出开口34出发，管线系统36中的管线的有效管线横截面86、88朝着喷嘴38、40的喷嘴口82、84单调减小。这导致朝着喷嘴38、40，在与箭头90对应的通过管线系统36引导的流体流的方向上，压力波32的压力的振荡振幅提高。

应当注意，在另一种修改的实施方案中，装置20可以构造为带有仅仅一个喷嘴或者也可以构造为带有多个喷嘴。

在另一种修改的实施方案中，装置20可以构造为带有频率v可变的频率发生器31，而管线系统没有包含长度可调的管线。

设施10包含压力泵91，并包括带有漏斗状出口93的容器92，该容器用于收集从喷嘴38、40出发到达工件15上的流体。使用压力泵91将设施10中的用于生成脉冲流体射流的流体在回路中循环。将压力泵91设计成，使得它可以在腔室22中生成并调设出40巴和150巴之间范围内的流体压力，优选在100巴量级的流体压力。通过调设腔室22中的流体压力，压力波的频率v和振幅A_P，可以改变从喷嘴38、40涌出的流体射流16、18中的液体微滴的尺寸和相互间距。

在一种修改的实施方案中，代替压力泵91，设施10还可以包含带有高压泵的器件，该高压泵用于将被施加以高压的流体供应到装置的管线系统36中，该高压泵保证了可以最高达3000巴的流体压力。为了使流体在设施中被施加以高压，提供300巴和600巴之间的流体压力的高压泵是特别合适的。

图2示出装置10中的用于生成流体压力波32的腔室22。该腔室22具有用于从高压泵91供应被施加以压力的流体的开口94。开口94布置在腔室22的侧部，与排出开口34分开。腔室22可以使用可控的排气阀98通过开口96进行排气。

超声波发生器30在腔室中位于与流体流35间隔开的死水区域33中，该流体流在排出开口34的方向上通过开口94供应到腔室22中。

在区段99中，腔室22构造为具有朝向排出开口34呈漏斗状缩小的横截面。在区段99中，通过器件24的超声波发生器30生成的压力波32的振幅A_P得以提高。图2中的示图100用曲线101表明腔室22中压力波32的压力的振幅，该振幅依赖于与超声波发生器28的表面26的距离z。

通过调设腔室22中压力波的压力P和振幅A_P，可以调设用喷嘴38、40生成的脉冲流体射流的形式和流速。

有利地，压力传感器102位于腔室22中。压力传感器102布置在腔室22的区段99中。压力传感器102连接到具有显示单元105的测量器件103中。压力传感器102可以用来感测在腔室22中生成的压力波32在区段99中导致的压力波动。显示单元105因此使得操作者可以监测装置20的运行。作为替代或者作为补充，为了对装置20进行功能监测，设施10也可以包含主计算机134，该主计算机与测量器件103连接，并根据压力传感器102感测到的压力波动信号来控制用于生成流体压力波32的器件24和压力泵91。

作为替代或者作为补充，也可以通过例如将从喷嘴38、40涌出的脉冲流体射流16、18供应给冲蚀测量器件（未示出）而监测设施10中的装置20的功能。该冲蚀测量器件包含测试膜，流体射流被引导到该测试膜上。如果装置20功能正常，则从该测试膜上每单位时间剥除特定量的材料。为了感测该测试膜的材料剥除，该冲蚀测量器件包含触觉传感器。

此外，作为替代或者作为补充，提出在排放管93的旁路安装测量器件，该测量器件检测沉积的或者说剥除的颗粒（例如磁性或光学颗粒计数器），从而以这种方式可以监测装置20的功能。

还有利的是，主计算机134包含数据存储器135，在该数据存储器中存储有参数特性曲线族136，用于基于装置20的通过计算机单元136的输入单元137输入的、因工件而异的应用来因应用而异地调设能通过压力波生成器件生成的流体压力波32的频率v和/或振幅A_P和/或流体压力P和/或喷嘴旋转速度。参数特性曲线族136特别调设出关于例如上述运行特征数和下列应用参数中的至少一个应用参数之间的依经验来确定的关系的信息：

待加工的材料或基材的类型，工件几何形状，期望的/实际的工件表面质量，特别是工件表面粗糙度，工件污染的类型（例如化学组成或硬度），在特定喷嘴直径下待加工的工件到喷嘴38、40的喷嘴口之间的加工间距。

为了控制设施10，将主计算机134通过控制线138与压力泵91连接，并通过线139、140与测量器件103和频率发生器31连接。主计算机134可以用于例如调整通过压力泵可生成的压力，以使得在装置20中使用的喷嘴的磨损通过提高泵压力得到补偿。

图3示出装置20中的图1的带有长度可调的管线62的区段III的放大视图。第二管线件70旋入第一管线件66上的螺纹104中。螺纹104是细牙螺纹。在螺纹104中，第二管线件70可以与双头箭头106对应地相对于第一管线件66共轴地移位。第二管线件70可以使用布置在第二管线件70的细牙螺纹形式的螺纹108上的锁紧螺母110固定在第一管线件66上。第二管线件70穿过密封环112，该密封环布置在第一管线件66中并且防止第一管线件66和第二管线件70之间流体的逸出。

喷嘴36容纳在第二管线件70中。喷嘴36具有外侧凸缘114，该凸缘通过联管螺母116压向密封环119，该密封环119布置在第二管线件70的端面118上。

图4示出用于装置中的另一喷嘴39。该喷嘴39具有带喷嘴腔室122和喷嘴口125的喷嘴主体120。喷嘴口125具有优选约6mm的长度L_M。喷嘴口125有利地具有空心圆柱的形式。该空心圆柱具有优选地在0.5mm和3mm之间范围内的、并且有利地为1mm的直径。在指向喷嘴口125的区段126中，喷嘴腔室122构造为带有朝着喷嘴口125圆锥状缩小的横截面。带有圆锥状缩小的横截面的区段126中的圆锥的开口角α是钝角。对于开口角α，下式优选地成立：105°≤α≤180°。在区段126中接近180°的圆锥的开口角的情况下，可以生成带有如下流体微滴的脉冲高压流体射流，该流体微滴具有对于材料的剥除而言特别有利的形式。在300巴和600巴之间的范围内的流体压力下，喷嘴39就可以用于生成带有如下液体微滴的高压流体射流，该液体微滴具有的高动能使得由此可以特别是在金属材料上进行有效的材料剥除。

在另一种修改的实施例中，将开口角选择为大于180°，特别是最高达240°。在这种情况下，以提高的程度在喷嘴口中生成空穴，这又有利于喷嘴出口处的微滴形成。

图5示出具有喷嘴主体151的喷嘴150，该喷嘴主体具有圆柱式构造的喷嘴腔室152。喷嘴腔室152具有在末端轴向布置到喷嘴口156中的开口154。该喷嘴口156设计为钻孔。喷嘴口的钻孔的直径D_B大约为喷嘴腔室的直径D_Z的1/3。喷嘴口156具有大约6mm的长度L_M。在大约60巴的流体压力下，这种喷嘴在上述装置20中的使用也使得可以生成水的脉冲流体射流，利用该脉冲流体射流可以以快速的材料剥除来对金属材料进行加工。

所谓的扁平喷嘴、星形喷嘴、方形喷嘴、三角形喷嘴或者生成圆形喷射形式的流体射流的喷嘴也原则上适合作为用于装置20中的喷嘴。

上述装置的优点是，在使用高压液体的运行过程中，没有或者仅有少量的空穴在喷嘴中生成，因此装置中的喷嘴的磨损相对较低。

图6示出用于装置中的另一种喷嘴。该喷嘴170具有带喷嘴腔室172和喷嘴口173的喷嘴主体171。喷嘴口具有大约6mm的长度L_M和约等于1mm的直径D_H。在指向喷嘴口173的区段174中，喷嘴腔室172构造为带有如下横截面，该横截面朝着喷嘴口173圆锥状缩小。在具有圆锥状缩小的横截面的区段173中，圆锥的开口角度α为锐角。对于该圆锥的开口角度α有利的值是：α≈58°。喷嘴170包含射流整流器175。射流整流器175防止喷嘴腔室172中的被施加以压力的流体中的湍流。

图7示出沿着图6中示出的线VII-VII穿过喷嘴170的截面。射流整流器175在区段176中将喷嘴腔室172分割成四个彼此分开的流道177。

在图1中所示的设施10中存在器件130，该器件用于处理通过压力泵91供应到腔室22中的流体。在器件130中，使在设施10中循环的流体摆脱污物颗粒。从工件15脱离的颗粒和覆层部分通过设施10中的冲洗器件（未示出）从工件冲洗掉，并且与流体一起在器件130中被捕获在污物罐中。器件130包含过滤器系统。该过滤器系统可以用于从供应给器件130的流体中去除从工件脱离的颗粒和污染物，以使得用于生成脉冲流体射流的装置20不受破坏。

图8示出用于通过脉冲高压水射流216将气缸曲轴壳215中的气缸钻孔214的表面212活化的设施210。设施210中的与参照图1至图5所述的设施10中的组件相对应的组件在图8中通过增加了数字200的数字附图标记标识。在设施210中，存在用于生成脉冲高压流体射流的彼此相邻布置的多个装置220。

在装置220的每个中，管线系统236构造为带有工具区段202，该工具区段带有工具头204，其中容纳多个喷嘴238、240。工具区段202通过可自动操作的联接器件206布置在管线系统236中。联接器件206使得可以通过快速更换器件（未示出）对工具区段202进行自动更换，该快速更换器件具有转塔库，该转塔库提供可用于装置220中的不同的工具头。

喷嘴238、240可以具有例如参照图4、图5、图6和图7所述的几何形状。带有工具头204的工具区段258通过（未进一步示出的）驱动器围绕轴线229旋转。喷嘴238、240被施加以通过高压泵291供应给装置220的水。为了调设在腔室222中生成的压力波的有效路径长度，装置220的管线系统236包含调节器件247。

在设施210中存在工业机器人211。该工业机器人211是用于将气缸曲轴壳215形式的工件相对于装置220运动的多轴系统操纵器。在设施210的一种可选的实施方案中，可以使用这样的工业机器人，通过操纵器件（特别是通过工业机器人）将用于生成脉冲高压流体射流的装置220相对于工件运动。

利用工业机器人211来与双头箭头217对应地相对于装置220提升和降低气缸曲轴壳215。使用来自布置在转塔227中的喷嘴的脉冲高压水射流216，通过将附着结构引入该表面中而将气缸头钻孔214的壁中的材料表面为了电弧等离子体覆层而活化。已发现，可以生成如下结构，例如螺旋线结构，通过火焰喷涂、等离子体喷涂或电弧喷涂生成的层在气缸头钻孔中特别好地附着到该结构上，条件是高压水射流以下述的方向被施加以脉冲高压流体射流：该方向相对于壁的局部表面法线以角度β倾斜，其中0°≤β≤60°，优选β≈45°，并且在这种情况下工具头204以旋转方式在气缸头钻孔214中与箭头221对应地运动，并且同时可以与双头箭头223对应地在钻孔的轴线的方向上平移地移位。可以以特别简单的方式在工件的不同的或相邻的点上使用根据本发明的装置生成不同的粗糙度。特别是，也可以在不同粗糙度的区域之间生成或多或少的平滑过渡。

图9示出用于生成包裹在气流317中的脉冲高压流体射流316的装置320的区段。设施320中的与参照图1至图4所述的设施20中的组件相对应的组件在图6中通过增加了数字300的数字附图标记标识。

脉冲高压流体射流316在气流317中的包裹使得可以使用高压流体射流316加工浸入液体浴中的工件。

装置320具有在管线件370上构造出的喷嘴336。管线件370以能直线运动的方式在管线件366中引导。它可以与双头箭头378对应地移位，以使得可以调设在用于生成压力波的腔室（未示出）和喷嘴口325的背离工件那一侧之间压力波的有效路径长度。

管线件370布置在带有喷嘴腔室371的喷嘴369中，该喷嘴腔室具有用于从管线375供应被施加以压力的气体介质的开口373并具有排出开口377，气体流317从该排出开口涌出。喷嘴腔室369和管线件370可以相对于彼此与双头箭头379对应地移位。喷嘴369相对于喷嘴336的移位使得可以调设使用装置320生成的脉冲高压流体射流316中的流体微滴的形式。

图10用于生成包裹在气流中的脉冲高压流体射流390的另一个装置380的带有喷嘴382的区段。喷嘴382具有喷嘴腔室384，该喷嘴腔室带有在末端在轴向上布置到喷嘴口388中的开口386。将喷嘴口388设计为钻孔。喷嘴口的钻孔的直径D_B为约1mm。在喷嘴腔室384的末端的开口386上，喷嘴口388具有优选地为经倒圆的倒角，其具有曲率半径r<0.1mm。

喷嘴382的指向工件的区段381设计为杯状或漏斗，其在从喷嘴口388涌出的脉冲流体射流390的方向上拓宽并具有β≈60°的开口角度。

喷嘴382的指向工件的区段381的形状导致了：如果喷嘴用于液体浴（未示出）中，沿着喷嘴382的外壁393清扫的气体流将液体浴的液体从漏斗状区段前的区域395去除，以使得脉冲高压流体射流可以不受阻碍地从喷嘴口388涌出，并且可以冲击到布置在喷嘴382附近的工件上。

图11示出用于生成脉冲高压流体射流416、417、418和419的装置420。装置420具有腔室422，该腔室具有用于生成流体压力波432的器件424。装置420具有管线系统436，该管线系统具有腔室侧区段442和喷嘴侧区段444。为了调设管线系统436中流体压力波432的路径长度，喷嘴侧区段444可以与双头箭头448对应地通过调整器件447相对于腔室侧区段442移位。

图12示出通过图11中所示的装置420沿着线XII-XII的截面。在管线系统436的喷嘴侧区段444中，存在管线438，该管线以耙的形式分叉并具有整合到管线438中的四个喷嘴。整合到管线438中的喷嘴各自具有带喷嘴口的喷嘴主体450、452、454和456，该喷嘴主体可与双头箭头460对应地移位。喷嘴主体450、452、454和456的移位使得可以调设由腔室422的排出开口与喷嘴的相关喷嘴口之间的管线系统436中流体压力波路径长度L₄₅₀、L₄₅₂、L₄₅₄和L₄₅₆与管线系统436中流体压力波422波长λ的商形成的亥姆霍兹数He_n:=L_n/λ，使得腔室422中生成的流体压力波的振幅A_P在喷嘴主体450、452、454和456中在相关喷嘴口的上游达到其最大。

以上所述的装置和设施适合用于加工工件的表面，用于活化用于覆层的工件表面，用于加工和去除工件上的覆层以及用于清洁工件。

该装置和设施特别适合用于活化工件表面，以使得可以通过火焰喷涂或等离子体喷涂或电弧喷涂来对所述工件表面覆层。具体地说，发明人已发现，通过相应的脉冲高压流体射流，可以在工件的表面中生成带有底切的微结构。涂覆至这样的表面的热覆层在这里特别好地附着，因为熔融颗粒可以在覆层过程中由于动能并且由于毛细作用而渗透到这些微结构中，但是然后在那里固化。涂覆到通过根据本发明的装置和设施活化的工件表面上的覆层因此具有特别高的附着抗拉强度，该附着抗拉强度完全可以为30MPa或更大。

为了保证涂覆到工件上的覆层良好地附着，有利的是，待覆层的工件的表面在根据本发明的装置或设施中活化后进行干燥，例如通过倾倒、通过空气干燥或通过真空干燥。

发明人特别已经认识到，对于通过火焰喷涂或等离子体喷涂或电弧喷涂涂覆到工件表面上的层，通过如下方式获得特别好的附着，即，工件的表面首先在根据本发明的设施中被施加以脉冲高压流体射流，以便将该表面粗糙化，并然后用限定的接触压力辊压工件的粗糙化表面。具体地说，发明人已确定，粗糙化表面中的介观隆起可以通过辊压进行变形和锻压，以产生具有高机械稳定性的带有底切的微结构，并且熔融颗粒可以在覆层过程中容易地渗透到该微结构中。

该装置和设施也适合用于对工件覆层进行加工，例如用于去除经受过覆层工艺的工件上的过喷。通过调设脉冲高压流体射流的工作角度、其从喷嘴口的排出速度以及压力波的频率（即高压流体射流的重复速率），特别是在工件上的覆层区段的边缘可以以限定的方式进行加工。特别是，由此可以生成与工件表面形成45°角的边缘。

发明人的一种认识还在于，脉冲高压流体射流可以用于将倒棱引入工件的覆层中，例如通过电弧喷涂（LDS）在内燃机的气缸头表面上生成的覆层中，而在此不象用切削工具加工的情况下那样存在如下的风险：在用脉冲高压流体射流加工的过程中，该覆层从工件脱离。

根据本发明的装置和设施特别适合用于加工通过火焰喷涂或等离子体喷涂或者电弧喷涂生成的工件表面，和/或用于为工件去毛刺，和/或用于从工件去除污垢，和/或用于剥除工件上的层。根据本发明的装置和设施也适合用于将工件表面粗糙化，以便为了材料锁合的（stoffschlüssig）接合（粘结、焊接、钎焊）而准备这些表面。

根据本发明的装置和设施可以例如用流体运行，该流体为碱洗液和/或水和/或乳液，特别是水-油乳液，和/或油的形式。为了避免根据本发明的装置和设施的腐蚀，有利的是将抗腐蚀剂混合到用于加工工件的流体中。

根据本发明，上述的装置和设施可以用于对至少部分地由铝或镁组成的工件或工件的区段进行精制，在这种情况下表面覆层是通过激光填丝焊而涂覆的含铁材料，或者，该工件至少部分地由钢或灰铸铁组成并且表面覆层是通过激光填丝焊涂覆的含镍材料。

根据本发明，上述装置和设施也可以用于通过对工件施加以脉冲流体射流来压实工件的表面。发明人特别已经认识到，通过处理由压铸铝制成的气缸曲轴壳，在气缸运行面的区域中干扰覆层的缩孔可以被水的脉冲高压流体射流封闭。

总而言之，特别指出本发明的下列优选特征：本发明涉及用于从被施加以压力的流体中生成脉冲流体射流16、18的装置20。装置20包含管线系统36，该管线系统具有至少一个具有喷嘴口125的喷嘴38、40，从被施加以压力的流体中脉冲流体射流可以从该喷嘴口涌出。装置20具有腔室22，在该腔室中构造出用于生成流体压力波32的压力波生成器件24。腔室22通过用于所生成的流体压力波32的排出开口34与管线系统36连通。装置20包含调设器件31、47、62、64，该调设器件用于控制在至少一个喷嘴口125的上游的管线系统36中流体压力波22的振幅A_P。利用调设器件31、47、62、64可以调设由腔室22的排出开口34与至少一个喷嘴38、40的至少一个喷嘴口125之间的管线系统36中流体压力波22路径长度L与管线系统36中流体压力波22波长λ的商形成的亥姆霍兹数He:=L/λ。

Claims (22)

1.一种用于从被施加以压力的流体中生成脉冲流体射流（16、18）的装置（20），所述装置带有：

管线系统（36），所述管线系统包含具有喷嘴口（125）的至少一个喷嘴（38、40），从被施加以压力的流体中脉冲流体射流（16、18）能够从所述喷嘴口涌出，和

腔室（22），在所述腔室中构造出用于生成流体压力波（32）的压力波生成器件（24），所述腔室与所述管线系统（36）通过用于所生成的流体压力波（32）的排出开口（34）连通，

其特征在于具有调设器件（31、47、62、64），所述调设器件用于控制所述至少一个喷嘴口（125）上游的管线系统（36）中流体压力波（22）的振幅A_P，利用所述调设器件能够调设由所述腔室（22）的排出开口（34）与所述至少一个喷嘴（38、40）的至少一个喷嘴口（125）之间的管线系统（36）中流体压力波（22）路径长度L与管线系统（36）中流体压力波（22）波长λ的商形成的亥姆霍兹数H_e:=L/λ。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调设器件包含至少一个布置在所述管线系统（36）中的用于被施加以压力的流体（41）的长度可调的管线（62、64），借助所述长度可调的管线能够调整所述腔室（22）中生成的流体压力波（32）在所述至少一个喷嘴（38、40）的所述至少一个喷嘴口（125）与所述腔室（22）的用于流体压力波（32）的排出开口（34）之间的路径长度（26）。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可调的管线（62、64）包含第一管线件（66、68）并具有第二管线件（70、72），所述第二管线件至少部分地容纳在所述第一管线件（66、68）中且与所述第一管线件连通，并且所述第二管线件能够相对于所述第一管线件（66、68）在其纵向方向上移位。

4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述调设器件包括用于调设利用所述压力波生成器件（24）生成的流体压力波（32）的频率的机构（31）。

5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述管线系统（36）具有第一管线系统区段（42）并具有第二管线系统区段（44），所述第一管线系统区段带有用于供应来自高压泵（91）的流体的开口，所述第二管线系统带有所述至少一个喷嘴（38），其中，所述第一区段（42）和所述第二区段（44）通过旋转活节（16）连接。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二管线系统区段（42）能够在所述旋转活节（16）中相对于所述第一管线系统区段（42）围绕与构造在所述第二区段（42）中的流体管道（60）的轴线（52）共轴的轴线摆动地和/或旋转地运动。

7.根据权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于，所述管线系统具有第一管线系统区段（42）并具有第二管线系统区段（44），所述第一管线系统区段带有用于供应高压泵（91）的液体的开口（34），所述第二管线系统区段具有多个喷嘴（38、40），所述多个喷嘴能够通过彼此分开的管线支路（56、58）被施加以流体（41）。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，在通向喷嘴（38、40）的所述彼此分开的管线支路（56、58）中分别布置有用于被施加以压力的流体的长度可调的管线（62、64），借助所述长度可调的管线能够调整所述腔室（22）中生成的流体压力波（32）在能通过所述管线支路（56、58）被施加以流体（41）的喷嘴（38、40）的喷嘴口（125）与所述腔室（22）的用于流体压力波（32）的排出开口（34）之间的路径长度（26）。

9.根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述管线系统（36）中的管线的有效横截面积在所述腔室（22）的用于流体压力波（32）的排出开口（34）与所述喷嘴（38、40）的喷嘴口（125）之间减小。

10.根据权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，所述腔室（22）具有与所述排出开口（34）间隔开的、用于供应高压流体（41）的开口（94），并且供应给喷嘴（38、40）的流体（41）引导通过所述腔室（22）。

11.根据权利要求1至10之一所述的装置，其特征在于，所述压力波生成器件（24）位于所述腔室（22）的死水区域（33）中。

12.根据权利要求1至11之一所述的装置，其特征在于，所述腔室（22）具有横截面朝着所述排出开口（34）呈漏斗状缩小的区段（99）。

13.根据权利要求1至12之一所述的装置，其特征在于，所述至少一个喷嘴（38、40、170）具有喷嘴腔室（122、172），所述喷嘴腔室具有横截面朝着所述喷嘴口（125、173）缩小的区段（126、174）。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述喷嘴腔室（122）的区段（126）以钝开口角α圆锥状缩小，优选以满足105°≤α≤180°的开口角圆锥状缩小，或者所述喷嘴腔室（172）的区段（174）以锐开口角α圆锥状缩小，所述锐开口角优选为α≈58°，其中，在所述喷嘴腔室（172）中布置有用于避免或减少湍流的射流整流器（75）。

15.根据权利要求1至14之一所述的装置，其特征在于，所述至少一个喷嘴（150）具有柱状的、优选圆柱状的喷嘴腔室（152），所述喷嘴腔室带有在末端布置到喷嘴口（156）中的开口（154）。

16.根据权利要求1至15之一所述的装置，其特征在于，设置有用于生成至少区段式地围裹着脉冲流体射流（316）的气流（317）的器件（369、370）。

17.一种带有根据权利要求1至16之一所述构造出的用于从被施加以压力的流体中生成流体射流（16、18）的装置（20）的设施（10），其特征在于具有

用于工件（15）的接收器件（92），在所述接收器件中所述工件（15）能被施加以脉冲流体射流（16、18），和

流体收集器件（93），以收集由所述装置（20）释放的流体（41），所述流体收集器件与压力泵（91）连接以使收集的流体（41）返回到所述装置（20）中。

18.一种带有特别是根据权利要求1至16之一所述构造出的用于从被施加以压力的流体中生成流体射流（16、18）的装置（20）的设施（10），特别是根据权利要求17所述的设施，其特征在于具有：用于调设供应给管线系统（36）的流体的压力的可控器件，以及计算机单元（134），所述计算机单元与用于调设压力P的器件（91）以及压力波生成器件（24）连接并具有数据存储器（135），在所述数据存储器中存储有参数特性曲线族（136），用于依赖于待加工的材料，特别是基材，和/或依赖于工件几何形状和/或工件表面质量，特别是工件表面粗糙度，和/或工件污染的类型和/或待加工的工件与至少一个喷嘴口（120）之间的加工间距来因应用而异地调设流体压力P和/或能通过所述压力波生成器件（24）生成的流体压力波（32）的振幅A_P和/或频率v和/或喷嘴旋转速度。

19.根据权利要求1至16之一所述的装置的或根据权利要求17或18所述的设施的用途，

用于活化工件表面（212）以使得所述工件表面能够通过火焰喷涂或等离子体喷涂或电弧喷涂进行覆层，和/或

用于加工通过火焰喷涂或等离子体喷涂或电弧喷涂生成的工件表面，和/或

用于为工件去毛刺和/或用于从工件去除污垢，和/或

用于剥除工件上的层和/或用于对工件表面施加以流体，所述流体的形式为碱洗液和/或水和/或乳液，特别是水-油乳液，和/或油，和/或

用于通过对工件表面施加以流体、特别是水来压实工件表面。

20.一种用于使用根据权利要求1至16之一所述构造出的装置来加工工件（215）中的钻孔（214）的壁（212）的方法，在所述方法中所述钻孔的壁（212）被施加以来自喷嘴的脉冲高压流体射流，所述脉冲高压流体射流相对于所述壁的局部表面法线以0°≤β≤60°范围内的、优选β≈45°的角度β倾斜，其中，所述喷嘴相对于所述工件围绕所述钻孔（214）的轴线（229）旋转式运动并且在所述钻孔的轴线（229）的方向上平移式移位。

21.一种用于对工件的区段进行精制的方法，其中，将表面覆层施布到工件的所述区段上，并且其中，在第二步中通过脉冲高压流体射流加工所述覆层，所述脉冲高压流体射流优选地通过根据权利要求1至16之一所述构造出的装置生成。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，在施布表面覆层之前将工件的所述区段通过脉冲高压流体射流活化，所述脉冲高压流体射流优选通过根据权利要求1至16之一所述构造出的装置生成。

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