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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Düse entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bearbeitung eines Innenraumes
eines Werkstücks.
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Die
Forderung nach einer Miniaturisierung, Erhöhung der Leistungsdichte und
Gewichtseinsparung verändert
die konstruktive Gestaltung vieler Werkstücke, insbesondere von Maschinenbauteilen sowie
die Methoden zu deren Fertigung.
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So
werden beispielsweise Bohrungen und Strömungskanäle in Serienkomponenten für Einspritzsysteme
von Motoren immer kleiner und die verwendeten Werkstoffe aufgrund
der hohen Anforderungen immer fester.
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Bei
einer spanenden Fertigung solcher Teile entstehen in jedem Fall
Grate an Verschneidungen von Bohrungen und an Absätzen, die
für mechanische
Entgratwerkzeuge nicht zugänglich
sind. Späne,
kleine Partikel und Schmutzreste verbleiben im Werkstück und sind
mit herkömmlichen
Methoden nicht oder nur unzureichend zu entfernen. Gleichzeitig
steigen jedoch die Anforderungen an die Sauberkeit und an eine definierte
Oberflächenqualität, um die
Zuverlässigkeit
der Bauteile im Betrieb über
den gesamten Produktlebenszyklus gewährleisten zu können.
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Aus
dem Stand der Technik sind Verfahren zum Reinigen und Entgraten
bekannt, bei denen mit Hilfe von Düsen, die sich außerhalb
des Werkstücks befinden,
Flüs sigkeitsstrahlen
erzeugt werden, die in die Bohrungen und Öffnungen hineinstrahlen. Das unter
hohem Druck aus Düsenkanälen austretende fluide
Medium, vorzugsweise Wasser oder Emulsionen, soll aufgrund der hohen
kinetischen Energie des Mediums Schmutz und Grate an der inneren
Oberfläche
der Bohrungen und Öffnungen
lösen.
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Bei
einem anderen Verfahren kommen abrasiv wirkende Partikel, wie z.
B. Korund, in Verbindung mit dem Medium zum Einsatz, wobei eine
wirksame hohe Geschwindigkeit des austretenden Flüssigkeitsstrahls
durch eine vorausgegangene Hochdruckentspannung erreicht wird.
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Im
Werkstück
werden diese Teilchen durch Prallstücke umgelenkt, so dass sie
auf den zu behandelnden Oberflächenbereich
treffen und dort wirksam werden.
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Die
bekannten Verfahren weisen allesamt gravierende Nachteile auf, die
den geforderten Ansprüchen
an die Qualität
der Bearbeitung nicht im gewünschten
Umfang gerecht werden.
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Darüber hinaus
ist die Wirkung der außerhalb
des Werkstückes
zum Einsatz kommenden Düsen
unbefriedigend, da zum einen eine schlechte Energieumsetzung durch
den großen
Abstand zwischen der Düse
und der zu bearbeitenden Oberfläche
und zum anderen eine Störung
der Hochdruckstrahlen durch die abfließende Flüssigkeit gegeben ist.
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Weiter
behindern Dämpfungseffekte
durch Wasserpolster den Bearbeitungsprozess ebenso wie die Tatsache,
dass kritische Zonen nicht direkt angestrahlt werden können. So
können
beispielsweise nur Flatter- und Flimmergrate in größeren Bohrungen
sicher entfernt werden. Die Entfernung von Wurzelgraten ist aufgrund
der schlechten Energieumsetzung praktisch gar nicht möglich.
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Der
genannte Einsatz von abrasiv wirkenden Partikeln führt zu einem
Verschleiß der
einzusetzenden Prallstücke,
deren Handhabung überdies
relativ kompliziert ist und einer rationellen Fertigung entgegensteht.
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Darüber hinaus
kommt es durch die Abrasivteilchen häufig zu Verschmutzungen und
Verstopfungen, so dass sich insgesamt hohe Betriebskosten ergeben.
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Die
bekannten Möglichkeiten
der Bearbeitung eines Innenraumes eines Werkstückes werden den Anforderungen
an eine Serienfertigung nicht gerecht.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Düse und ein
Verfahren der gattungsgemäßen Art
so weiter zu entwickeln, dass eine den Anforderungen gerecht werdende
Bearbeitung möglich ist,
bei gleichzeitig verbesserter Standzeit der Düse.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Düse
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 13 gelöst.
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In
Kombination mit der neuen Düse
gelingt es durch das neue Verfahren, die kinetische Energie optimal
in den Bereich zu bringen, wo sie wirksam die Oberfläche in der
gewünschten
Weise verändert.
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Dies
kann eine gezielte Aufrauung, beispielsweise zur Vorbereitung für eine Beschichtung sein,
eine Beseitigung von stark anhaftendem Schmutz oder Belag oder die
Entfernung eines fest und umlaufend mit einer Entgratkontur verbundenen Wurzelgrates.
Da dies, wie erwähnt,
bislang sinnvoller Weise nicht möglich
ist, hat die Erfindung eine große Bedeutung im Fertigungsprozess von Einspritzkomponenten
für die
Automobilindustrie.
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Erfindungsgemäß weist
die neue Düse
mindestens einen Düsenkanal,
vorzugsweise jedoch mindestens zwei Düsenkanäle auf, die, sich gegenüberliegend,
vom bodenseitigen Endbereich der Zuführbohrung unter einem Winkel < = 90° zur Zuführbohrung
in Einströmrichtung
erstrecken. Dabei ist der Boden der Zuführbohrung teilweise erhaben
ausgebildet, wodurch sich der Übergangsbereich
zum Düsenkanal
verengt.
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Durch
die Querschnittsverengung wird das Medium so geführt, dass eine Kavitation innerhalb des
Düsenkanals
und Erosionsverschleiß am
Austritt des Düsenkanals
weitgehend vermieden wird. Dadurch wird erreicht, dass der austretende
Flüssigkeitsstrahl
seine Form und Richtung stabil beibehält. Wie sich überraschend
gezeigt hat, erhöht
sich die Standzeit einer solchen Düse in signifikanter Weise, so
dass sie gegenüber
dem Stand der Technik einen bemerkenswerten Fortschritt darstellt.
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Die
erhabene Ausbildung des Bodens der Zuführbohrung kann mannigfaltig
ausgebildet sein. Zweckermäßigerweise
ist die Erhebung zentrisch ausgebildet.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der mit der
Erhebung versehene Boden der Zuführbohrung
durch eine Stirnseite eines in der Düse im übrigen gehaltenen Bolzens gebildet.
Dabei kann die Düse
aus einem mit einer zentralen Bohrung versehenen Rohr als Halbzeug
hergestellt sein, wobei der Bolzen von einem Ende her in die zunächst durchgängig vorliegende
Bohrung eingesteckt und dort fixiert wird. Eine solche Fixierung
kann reib-, form- oder stoffschlüssig
erfolgen.
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Durch
den Einsatz eines Rohres ergibt sich eine einfachere Herstellung.
Während
das Einbringen einer zentralen Bohrung durch Spangebung zu einem
Verlaufen der Bohrung führen
kann, ist dies bei Einsatz eines Rohres ausgeschlossen.
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Darüber hinaus
können
strahlbeeinflussende Grate in der Düse vor dem Einbringen des Bolzens entfernt
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 und 2 jeweils
eine erfindungsgemäße Düse in unterschiedlichen
Bearbeitungsfällen, in
einer geschnittenen Seitenansicht
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3 verschiedene
Ausführungsbeispiele der
Düse, gleichfalls
in geschnittenen Seitenansichten
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4 eine
Düse in
einer weiteren Funktionsstellung in einer geschnittenen Seitenansicht
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5 und 6 eine
montierte Düse,
jeweils in einem Längsschnitt
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Düse
in einer geschnittenen Seitenansicht
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8 eine
Einzelheit der Düse
nach 6, entsprechend dem Ausschnitt VIII in 7.
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In
den Figuren ist eine insgesamt mit den Bezugszeichen 3 versehene
Düse dargestellt,
mit der ein Innenraum 1, 2 eines Werkstücks bearbeitet
werden kann.
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Die
in den Ausführungsbeispielen
gezeigte Düse 3 weist
zwei sich gegenüberliegende
Düsenkanäle 4 auf,
aus denen ein über
eine zentrische Zuführbohrung 5 geführtes, unter
hohem Druck stehendes fluides Medium austritt.
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Die
Düsenkanäle 4 erstrecken
sich dabei, ausgehend vom bodenseitigen Endbereich der als Sackloch
ausgebildeten Zuführbohrung 5 unter
einem Winkel < =
90° zur
Zuführbohrung 5 in
Einströmrichtung 14.
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Der
Boden der Zuführbohrung 5 weist
eine Erhebung auf, die bei dem in den 1 und 2 gezeigten
Beispiel mit den Bezugszeichen 6 versehen ist. Diese Erhebung 6,
die bei den in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
sphärisch 20,
glo ckenförmig 21,
kegelförmig 22,
kegelstumpfförmig 23 und
zylinderförmig 24 ausgebildet
ist, verengt den Übergangsbereich
zu den Düsenkanälen 4.
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In
den 7 und 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Düse
gemäß der Erfindung dargestellt.
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Darin
ist zu erkennen, dass der in diesem Fall als kegelförmige Erhebung 22 ausgebildete
Boden der Zuführbohrung 5 durch
die Stirnseite eines Bolzens 26 gebildet ist, der beispielsweise
durch entsprechende spanende Bearbeitung eines Zylinderbolzens geformt
ist.
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Dieser
Bolzen 26 ist in die zunächst als Durchgangsbohrung 27 vorliegende
Zuführbohrung 5 in
das der Einströmöffnung gegenüberliegende Ende
eingepresst und dort in geeigneter Weise, beispielsweise form-,
reib- oder stoffschlüssig
gehalten.
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In
der 1 mündet
der Innenraum 1 in den Innenraum 2, wobei sich
bei der Fertigung im Bereich der gemeinsamen Kante 10, 11 ein
Wurzelgrat herausbildet, der durch den aus den Düsenkanälen 4 austretenden
Flüssigkeitsstrahl
beseitig wird.
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Dabei
setzt eine nicht dargestellte Pumpe das flüssige Medium, üblicherweise
Wasser oder eine Emulsion, unter einen Druck von 400 bis 4000 bar,
vorzugsweise 1500 bis 2500 bar. Eine Entspannung des Drucks erfolgt
in den Düsenkanälen 4 unter Umwandlung
der potentiellen in kinetische Energie. Der Flüssigkeitsstrahl trifft mit
hoher Geschwindigkeit auf die Kanten 10, 11 bzw.
den dort vorhandenen Wurzelgrat und trägt diesen ab, bis die gewünschte Kantenform
erzielt ist.
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Durch
die spitzwinklige Strömungsführung in Verbindung
mit der Verengung des Übergangsbereichs
zu den Düsenkanälen wird
erreicht, dass sich Verschleißzonen 19 innerhalb
der Düsenkanäle und am
Kanalaustritt nicht oder nur sehr langsam ausbilden. Der Winkel α 1, und α 2, unter
dem die Düsenkanäle 4 verlaufen,
ist in den 1 und 2 mit den Bezugszeichen 7 und 8 versehen.
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In
der 2 ist der Einsatz der Düse zur Oberflächenbearbeitung
des Innenraumes 1 gezeigt.
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Die
Anordnung bzw. Erstreckung der Düsenkanäle 4 entspricht
der in der 1 gezeigten.
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Durch
die spitzen Kanalwinkel 7, 8 wird neben der Unterdrückung des
Verschleißes
in den Zonen 19 eine günstige
Rückströmung 13 des
abfließenden
Fluids erzielt.
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Dabei
bildet sich kein Puffer zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der zu
bearbeitenden Oberfläche 12 des
Innenraumes 1, so dass Rückstände sicher ausgespült werden.
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Die
Form und genaue Lage der Ausführungsvarianten
der Erhebungen 6 und 20 bis 24 sind abhängig von
den Parametern Mediumdruck, Volumenstrom, Durchmesser der Zuführbohrung 5 und der
Anzahl und den Durchmessern der Düsekanäle 4.
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In
der 4 ist der Übergang
von dem im Querschnitt kleineren Innenraum 1 in den im
Querschnitt größeren Innenraum 2 dargestellt.
Optimale Ergebnisse in Hinsicht auf die Qualität und Bearbeitungszeit bei
der Bearbeitung der Kante 11 zum Entfernen eines Wurzelgrates
werden erzielt, wenn der Flüssigkeitsstrahl
die Düsenkanäle 4 unter
einem Winkel α verlässt, der
einem halben Winkel β (Bezugszeichen 18)
entspricht. Verändert
sich die Kante 11 über
die Länge,
so sollte der optimale Winkel α dem
arithmetischen Mittelwert aus dem maximalen und minimalen Kantenwinkel β 18 entsprechen.
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In
den 5 und 6 ist erkennbar, dass die Düse 3 als
Lanzendüse
ausgebildet ist, die auf ihrer den Düsenkanälen 4 abgewandten
Seite ein Bündchen 25 aufweist,
das in einer Lageröffnung 17 eines
Düsenhalters 15 einliegt.
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Das
Bündchen 25 liegt
mit seiner Unterseite auf einer Dichtung 16 auf, die am
Grund der Lageröffnung 17 positioniert
ist.
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Baut
sich ein hydraulischer Druck auf, wirkt dieser auf das Bündchen 25 und
die Dichtung 16. Dadurch wird selbsttätig eine Dichtungspressung
erzielt, die dem Verhältnis
aus der Kreisfläche
des Bündchens 25 zur
Ringfläche
der Dichtung 16, multipliziert mit dem aufgebrachten Druck
entspricht.
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Die
Düse 3 wird
somit nicht durch eine extern aufgebrachte Vorspannkraft vorgespannt,
was für
die Ausrichtung der Düse 3 und
damit für
die Genauigkeit des Verfahrens ungünstig sein könnte.
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Da
die Düse 3 entgegen
der Einströmrichtung 14 axial
bewegbar ist, besteht für
die Düse 3 im drucklosen
Zustand ein Kollisionsschutz, sollte die Düse beim Einfahren auf ein Hindernis
stoßen
oder falsch positioniert sein.
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Wie
die 6 verdeutlicht, kann die Düse 3 durch einen Drehantrieb
in eine Rotationsbewegung versetzt und mit Drehzahlen im Bereich
von 50 bis 3000 min–1, vorzugsweise 200
bis 1500 min–1 betrieben
werden, je nach Aufgabenstellung und dem zu bearbeitenden Material.
Durch einen Roboter kann die Düse 3 eine
Schwenkbewegung um die Längsachse
und/oder oszillierende Hubbewegung ausführen.
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Bei
sich kreuzenden Innenräumen 1, 2 und bei
sich schneidenden Kanten 10, 11 wird die Düse 3 zum
Entgraten in den jeweils kleineren Innenraum 1 eingeführt, dessen
kleinster Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 mm, vorzugsweise im
Bereich von 2 bis 10 mm liegt.
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- 1
- Innenraum
- 2
- Innenraum
- 3
- Düse
- 4
- Düsenkanal
- 5
- Zuführbohrung
- 6
- Erhebung
- 7
- Kanalwinkel
- 8
- Kanalwinkel
- 9
- Übergangsbereich
- 10
- Kante
- 11
- Kante
- 12
- Innenraum
- 13
- Rückströmung
- 14
- Einströmrichtung
- 15
- Düsenhalter
- 16
- Dichtung
- 17
- Lageröffnung
- 18
- Winkel 18
- 19
- Verschleißzone
- 20
- sphärische Erhebung
- 21
- glockenförmige Erhebung
- 22
- kegelförmige Erhebung
- 23
- kegelstumpfförmige Erhebung
- 24
- zylinderförmige Erhebung
- 25
- Bündchen
- 26
- Bolzen
- 27
- Bohrung