DE102010024891A1

DE102010024891A1 - Nadler zur lokalen Oberflächenbearbeitung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102010024891A1
Application number: DE102010024891A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dautl; Dipl.-Ing. Ehrl Janne; Dipl.-Ing. Polanetzki Holger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2011-12-29

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Nadler zur lokalen Oberflächenbearbeitung von Bauteilen, weist wenigstens eine Nadel (7, 7.1–7.4), die durch einen Träger (2, 3) in einer Nadelrichtung gegen eine zu bearbeitende Oberfläche bewegbar ist, und eine Dreheinrichtung (1.1, 3.1, 8.1) zur Drehung des Träger gegenüber einem Gehäuse (1) des Nadlers zur Verlagerung eines Nadelauftreffpunktes auf der Oberfläche auf, wobei die Nadelrichtung wenigstens eine Komponente parallel zu einer Drehachse des Trägers gegenüber dem Gehäuse aufweist, insbesondere wenigstes im wesentlichen parallel zu der Drehachse ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Nadler zur lokalen Oberflächenbearbeitung, insbesondere Verfestigung, von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur lokalen Oberflächenbearbeitung, insbesondere Verfestigung, von Bauteilen, insbesondere von Komponenten eines Flugtriebwerks, mittels eines solchen Nadlers.
Insbesondere, um Spannungen in einer Bauteiloberfläche zu beeinflussen, ist es bekannt, diese Oberfläche beispielsweise kugelzustrahlen, indem Kugeln mittels Gebläse gegen die Bauteiloberfläche beschleunigt werden und diese beim Auftreffen verformen. Nachteilig erfordert dies – insbesondere die Bevorratung, Beschleunigung und Rückgewinnung der ungebundenen Kugeln – einen hohen apparativen Aufwand, der insbesondere einem mobilen Einsatz entgegensteht. Zudem müssen nicht zu bearbeitende Oberflächenbereiche aufwändig maskiert werden.
Die DE 34 42 089 C1 offenbart einen Nadler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem eine Mehrzahl von in einem Träger geführte Nadeln einzeln elektromagnetisch gegen eine Bauteiloberfläche beschleunigt werden, um ein Kugelstrahlen zu imitieren. Der Träger ist über Elastomer-Schwingelemente an einem Gehäuse gefesselt, so dass er gegenüber diesem unter Beaufschlagung durch ein umlaufendes Elektromagnetfeld eine oszillierende Translationsbewegung ausführt, um eine Überlappung der Nadelauftreffpunkte zu erreichen, wenn das durch einen Roboter geführte Gehäuse relativ zum Bauteil in derselben Stellung fixiert ist. Diese Roboterführung, die infolge der nur geringfügigen Variation der Nadelauftreffpunkte zur Bearbeitung größerer oder beabstandeter Oberflächenbereiche sowie zur Abstützung der Oszillationsbewegung erforderlich ist, steht ebenfalls einem mobilen Einsatz entgegen.
Aus der US 2010/0018272 A1 ist es bekannt, die Kugeln an einem Band zu befestigen, welches seinerseits an einem rotierenden, handgeführten Stab befestigt ist. Nachteilig hängt bei einem solchen Handgerät die Beaufschlagung von der Führung des Stabes durch den Bediener ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die lokale Oberflächenbearbeitung von Bauteilen zu verbessern und wenigstens einen der oben genannten Nachteile zu verringern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Nadler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 18 stellt ein Verfahren zur lokalen Oberflächenbearbeitung von Bauteilen mittels eines erfindungsgemäßen Nadlers unter Schutz, Anspruch 19 die Verwendung eines solchen Nadlers zur Bearbeitung von Komponenten eines Flugtriebwerks. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Nadler dient zur lokalen Oberflächenbearbeitung, insbesondere Verfestigung, von Bauteilen, indem ein Strahl-, insbesondere Kugelstrahlprozess durch auf die Oberfläche beschleunigte, geführte Nadeln imitiert wird. Mit besonderem Vorteil können Komponenten eines Flugtriebwerks, insbesondere Leit- oder Laufschaufeln und/oder ein Schaufelträger bearbeitet werden.
Der Nadler weist eine oder mehrere Nadeln auf, die durch einen ein- oder mehrteiligen Träger derart geführt sind, dass sie gegenüber diesem jeweils in einer Nadelrichtung gegen eine zu bearbeitende Oberfläche bewegbar sind. Durch eine Beschleunigungseinrichtung können eine, mehrere oder alle Nadeln dabei einzeln, gekoppelt oder gemeinsam in der Nadelrichtung bewegt werden. Dabei können vorzugsweise zwei oder mehr, insbesondere alle Nadeln (elektro)motorisch, (elektro)magnetisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch, etwa durch Lösen vorgespannter Federn, in der Nadelrichtung gekoppelt sein.
Um Nadeln gemeinsam zu bewegen, können diese lösbar oder unlösbar, insbesondere über einen gemeinsamen Flansch, miteinander verbunden sein. Sie können beispielsweise mit dem Flansch verschweißt, verlötet, verstemmt, verschraubt, verklebt oder integral mit dem Flansch ausgebildet sein.
Je nach Nadelantrieb können zwei oder mehr, insbesondere alle Nadeln beispielsweise steuerungstechnisch gekoppelt bewegt werden. So können beispielsweise Elektromotoren oder -magnete, die verschiedene Nadeln in Nadelrichtung bewegen, insbesondere steuerungstechnisch derart gekoppelt sein, dass diese Nadeln synchron oder in einer vorgegebenen, beispielsweise zeitlich versetzten Abfolge in Nadelrichtung bewegt werden.
In gleicher Weise können zwei oder mehr, insbesondere alle Nadeln beispielsweise magnetisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch gekoppelt bewegt werden. Mechanisch bewegte Nadeln können beispielsweise über entsprechende Mechanismen, etwa Getriebe, Gestänge, Kulissen und dergleichen gekoppelt sein. Insbesondere können sie einzeln gelagert sein und simultan oder in einer vorgegebenen Reihenfolge durch einen Kolben der Beschleunigungseinrichtung beaufschlagt werden.
In einer bevorzugten Ausführung werden mehrere, insbesondere alle Nadeln pneumatisch von demselben Druckreservoir in Nadelrichtung bewegt. Nadel können beispielsweise direkt, vorzugsweise über eine flexible Membran, die durch das Druckreservoir in Nadelrichtung verformt wird, oder durch einen oder mehrere pneumatisch bewegte Kolben in Nadelrichtung bewegt werden. Ein Kolben oder eine Membran kann dabei mit einer oder mehreren Nadel gekoppelt oder von diesen derart entkoppelt sein, dass er die Nadel(n) nur in Nadelrichtung mitnimmt und sich bei einer Bewegung entgegen der Nadelrichtung löst.
Vorzugsweise sind ein in Nadelrichtung vor einem Kolben angeordneter und durch diesen stirnseitig verschieblich begrenzter Kolbenraum oder, insbesondere mit- oder nacheinander, mehrere solche Kolbenräume durch eine Kontrollventileinrichtung wahlweise mit einem Druckreservoir verbind- bzw. von diesem trennbar. Durch die Kontrollventileinrichtung können zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere Kolbenräume auch zur Entlüftung freigeschaltet, beispielsweise mit der Umgebung oder einem Unterdruckreservoir verbunden werden. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Gegenkolbenräume mit einem Druckreservoir verbunden werden, um den bzw. die Kolben entgegen der Nadelrichtung zurückzustellen. In einer bevorzugten Ausführung ist ein Druckraum, der mittels einer Kontrollventileinrichtung wahlweise mit einem Druckreservoir verbind- bzw. von diesem trennbar und vorzugsweise mit der Umgebung oder einem Unterdruckreservoir verbindbar ist, vorgesehen, der gegenüber den Nadeln durch eine flexible Membran abgedichtet ist, die infolge eines Überdrucks im Druckraum die Nadeln in Nadelrichtung beschleunigt.
Der Träger ist an einem ein- oder mehrteiligen Gehäuse des Nadlers gelagert, welches vorzugsweise zum Aufsetzen des Gehäuses auf der zu bearbeitenden Oberfläche ausgebildet ist.
Hierzu kann das Gehäuse vorzugsweise entsprechend ausgebildete Kontaktflächen aufweisen, die beispielsweise durch drei nicht kollineare Kontaktpunkte oder drei nicht kollineare, insbesondere konvexe, Kontaktflächen ein statisch stabiles Aufsetzen gewährleisten, und/oder der Form der zu bearbeitenden Oberfläche, zum Beispiel durch eine komplementäre Geometrie, an gepasst sind. In einer bevorzugten Ausführung weisen die Kontaktflächen einander in Ecken schneidende Kanten auf, indem sie beispielsweise insgesamt eine drei-, vier- oder mehreckige Außenkontur bilden, um so eine höhere Stabilität gegen seitliches Kippen zu erreichen.
Zusätzlich können Kontaktflächen ein die zu bearbeitende Oberfläche im Aufsetzbereich schonendes, insbesondere weiches, Material aufweisen. Insbesondere zu diesem Zweck kann die gesamte Außenkontur des Nadlers oder ein Teil von dieser aus Kunststoff hergestellt sein, indem beispielsweise die entsprechenden Teile, etwa das Gehäuse, aus Kunststoff hergestellt oder mit einer Kunststoffhaut verkleidet sind.
Insbesondere, indem Kontaktflächen ein entsprechendes, reibungsarmes Material wie beispielsweise Kunststoff, Teflon oder dergleichen aufweisen, können in einer bevorzugten Ausführung ein oder mehrere Gleitlager des Gehäuses zum Anordnen auf dem zu bearbeitenden Bauteil vorgesehen sein. Ein solches Gleitlager kann vorteilhafterweise, beispielsweise als am Gehäuse befestigter Ring, austauschbar ausgebildet sein, um bei Verschleiß oder je nach Bauteiloberfläche gegen ein anderes Gleitlager ausgetauscht zu werden. Hierzu kann beispielsweise ein Steck-, Rast-, Schraub- oder Klebeverbindung zwischen Gehäuse und Gleitlager vorgesehen sein.
Gleichermaßen können am Gehäuse auch ein oder mehrere Wälz-, insbesondere Kugellager vorgesehen, sein, um das Gehäuse schonend und verschieblich auf einem zu bearbeitenden Bauteil anzuordnen.
Insbesondere durch wenigstens eines dieser Merkmale kann der Nadler in einer bevorzugten Ausführung als Handgerät ausgebildet und verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist nun eine Dreheinrichtung zur Drehung des Trägers gegenüber dem Gehäuse vorgesehen, um den bzw. die Nadelauftreffpunkt(e) auf der Oberfläche zu verlagern. Vorzugsweise ermöglicht die Dreheinrichtung eine Umdrehung um wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens 360° und besonders bevorzugt unbeschränkte Umdrehungen um eine Drehachse, vorzugsweise nur in eine Drehrichtung oder in beide Drehrichtungen.
Die Nadelrichtung wenigstens einer, vorzugsweise aller Nadeln weist erfindungsgemäß wenigstens eine Komponente auf, die parallel zu dieser Drehachse des Trägers gegenüber dem Gehäuse ausgerichtet ist. Vorzugsweise ist dies die einzige Komponente der Nadelrichtung(en), so dass diese – wenigstes im wesentlichen – parallel zu der Drehachse ausgerichtet ist bzw. sind.
Durch diese Drehung des Trägers mit der bzw. den durch ihn geführten Nadel(n) kann vorteilhafterweise auch bei einem handgeführten Nadler weitgehend unabhängig von einer Führung durch den Bediener eine vorgegebene Bearbeitung erfolgen, indem der Bediener das Gehäuse auf der Oberfläche aufsetzt und die Dreheinrichtung durch Drehung des Trägers unter wiederholter, insbesondere mit dieser Drehung gekoppelter Bewegung der Nadel(n) in Nadelrichtung ein gewünschtes Bearbeitungsmuster realisiert. Dabei werden die Auftreffpunkte der Nadel(n) auf der Oberfläche in vorteilhafter Weise variiert. In einer bevorzugten Ausführung kann so ein Trefferbild generiert werden, welches einem Kugelstrahlprozess mit stochastisch variierenden Auftreffpunkten nahe kommt. Um die Auftreffpunkte noch stärker zu variieren, kann vorgesehen sein, dass die Bewegung in Nadelrichtung und die Drehbewegung unabhängig voneinander erfolgt.
Das Trefferbild kann beispielsweise durch entsprechende Koppelung von Drehbewegung und Bewegung in Nadelrichtung und/oder Führung einer Mehrzahl von Nadeln durch den Träger, insbesondere in einer vorgegebenen Matrix, nahezu beliebig vorgegeben werden. Die Matrix kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die Auftreffpunkte mehrerer oder aller Nadeln in einer Ebene senkrecht zur Drehachse ungleichmäßig, insbesondere stochastisch, oder gleichmäßig, insbesondere äquidistant, verteilt sind, zum Beispiel auf einem oder mehreren Radialstrahlen, die senkrecht auf der Drehachse stehen können, einer oder mehreren Spiralen, die vorzugsweise durch die Drehachse verlaufen, oder schachbrettartig auf einander vorzugsweise rechtwinklig schneidenden Linien.
Vorzugsweise kann hierzu die Matrix, die Synchronisation der Bewegungen verschiedener Nadeln in Nadelrichtung und/oder die, vorzugsweise hiermit gekoppelte, Drehung des Träges variiert bzw. eingestellt werden, um so beispielsweise verschiedene Bearbeitungsmuster, Überdeckungsgrade oder Bearbeitungstiefen zu realisieren.
Der Träger kann ebenfalls (elektro)motorisch, (elektro)magnetisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch bewegt, i. e. gegenüber dem Gehäuse gedreht werden. Um eine Bewegung einer Nadel gegenüber dem Träger und eine Drehung des Trägers gegenüber dem Gehäuse zu koppeln, können beispielsweise Nadel- und Trägerantriebe steuerungstechnisch, magnetisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch gekoppelt sein.
In einer bevorzugten Ausführung wird eine Kontrollventileinrichtung durch die Drehung des elektromotorisch bewegten Trägers gegenüber dem Gehäuse geschaltet und aktuiert so Nadeln pneumatisch oder hydraulisch.
In einer anderen bevorzugten Ausführung ist eine Kulissenführung vorgesehen, die mit einer Drehung des Trägers einen Kolben, beispielsweise gegen eine mechanische oder pneumatische Feder, vorspannt bzw. freigibt, so dass er unter Entspannung dieser Vorspannung in Nadelrichtung beschleunigt und die mit ihm gekoppelten oder von ihm entkoppelten, nur nach Aufbrauchen eines Spiels in Nadelrichtung mitbewegten Nadeln beschleunigt.
Insbesondere, um die Nadeln wieder in eine Ausgangslage zurückzustellen, aus der sie in Nadelrichtung beschleunigt werden können, ist in einer bevorzugten Ausführung eine Rückstelleinrichtung zur Rückstellung einer Nadel entgegen der Nadelrichtung vorgesehen.
Eine solche Rückstelleinrichtung kann beispielsweise durch die Beschleunigungseinrichtung realisiert sein, indem diese gegensinnig (elektro)motorisch, (elektro)magnetisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch beaufschlagt wird und so die mit ihr gekoppelten Nadeln entgegen der Nadelrichtung zurückstellt, indem etwa Elektromagnete gegensinnig betrieben, ein Kolbenraum vom Druckreservoir getrennt und/oder mit einem Unterdruckreservoir verbunden, ein dem Kolbenraum entgegenwirkender Gegenkolbenraum pneumatisch oder hydraulisch, vorzugsweise durch die Kontrollventileinrichtung, beaufschlagt, und/oder ein Kolben durch eine Kulissenführung gegen die Nadelrichtung bewegt wird.
Eine separate Rückstelleinrichtung kann beispielsweise Federmittel umfassen, die Nadeln entgegen der Nadelrichtung vorspannen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Nadeln von der Beschleunigungseinrichtung entkoppelt sind, d. h. von dieser nur in Nadelrichtung geführt werden.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Rückstelleinrichtung – vorzugsweise zusätzlich zu einer Trennung von Kolbenräumen von einem Druckreservoir, Verbinden dieser Kolbenräume mit einem Unterdruckreservoir und/oder von Gegenkolbenräumen mit einem Druckreservoir – eine mechanische Kulisse oder Zwangsführung, die die Nadeln entgegen der Nadelrichtung zurückstellt.
Sofern in einer vorteilhaften Ausführung keine entgegen der Nadelrichtung wirkenden Federmittel vorgesehen sind oder diese wenigstens während einer Beschleunigung einer Nadel in Nadelrichtung gesperrt werden, muss der Nadelantrieb keine entsprechenden Rückstellkräfte überwinden. Er kann damit bei gleicher Baugröße größere Beschleunigungen bzw. gleiche Beschleunigungen bei kleinerer Baugröße realisieren.
In einer bevorzugten Ausführung weisen eine oder mehrere, insbesondere alle Nadeln eine, vorzugsweise abgerundete, Nadelspitze auf, die integral mit der jeweiligen Nadel ausgebildet, insbesondere urgeformt, umgeformt, zerspant oder mit ihr verbunden sein kann, indem beispielsweise eine Kugel, wie sie auch zum Kugelstrahlen verwendet wird, aufgeschweißt, -lötet, -steckt, -klebt oder -sintert ist.
Vorzugsweise sind Nadeln einzeln oder gemeinsam, beispielsweise über einen Flansch verbunden, in einer Gleitlagerung an dem Träger gelagert. Die Gleitlagerung kann beispielsweise durch eine oder mehrere Buchsen, die mit dem Träger verbunden sind, etwa aus Bronze, vorgesehen sein. Gleichermaßen kann beispielsweise ein Stahl- oder Kunststoffbauteil des Trägers mit einer oder mehreren entsprechenden Bohrungen versehen sein, wobei Stahl den Vorteil besserer Wärmebeständigkeit, Kunststoff den Vorteil besserer Gleitfähigkeit bzw. verminderter Reibung ergeben kann.
In einer bevorzugten Ausführung sind eine oder mehrere, insbesondere alle Nadeln einzeln oder gemeinsam lösbar mit der Beschleunigungseinrichtung verbunden. Beispielsweise kann ein Flansch, an dem die Nadeln befestigt sind, lösbar, vorzugsweise über einen Schnellverschluss, mit einem Kolben der Beschleunigungseinrichtung verbunden sein. Auf diese Weise können durch Austausch des Flansches, insbesondere verschlissene, Nadeln einfach ausgetauscht werden. Vorzugsweise sind verschiedenartige Flansche mit Nadeln vorgesehen, die beispielsweise hinsichtlich ihrer Form und/oder ihres Materials unterschiedlich ausgebildet und/oder in unterschiedlichen Matrizen angeordnet sind, wobei je nach zu bearbeitender Oberfläche ein geeigneter dieser Flansche gewählt wird.
Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere, insbesondere alle Nadeln einzeln oder gemeinsam gelenkig mit der Beschleunigungseinrichtung verbunden. Beispielsweise kann wiederum ein Flansch, an dem die Nadeln befestigt sind, gelenkig mit der Beschleunigungseinrichtung verbunden sein, wobei bevorzugt ein oder mehrere Gelenke in verschiedenen Stellungen arretiert werden können. Auf diese Weise können beispielsweise auch hinterschnitte Oberflächen bearbeitet werden, wobei in wenigstens einer Gelenk(e)stellung wenigstens eine Nadelrichtung eine Komponente aufweist, die wenigstens im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Trägers ausgerichtet ist.
Insbesondere, um auch mit starr mit einem Flansch verbundenen Nadeln optimal unebene, geneigte oder hinterschnittene Oberflächen zu bearbeiten, kann zusätzlich oder alternativ zu einer lösbaren und/oder gelenkigen Verbindung der Nadeln mit der Beschleunigungseinrichtung die Beschleunigungseinrichtung als Ganzes, d. h. zusammen mit den von ihr bewegten Nadeln, lösbar und/oder gelenkig mit dem Gehäuse verbunden sein.
Eine lösbar mit dem Gehäuse verbundene Beschleunigungseinrichtung ermöglicht vorteilhafterweise den Austausch des Gehäuses, zum Beispiel gegen eines mit anderen Kontaktflächen, das zur Bearbeitung anderer Oberflächen ausgebildet ist, bzw. der Beschleunigungseinrichtung, beispielsweise gegen eine mit höherem Beschleunigungsvermögen, einem anderen Bewegungstakt und/oder einer anderen Nadelmatrix.
Eine gelenkig bzw. verschwenkbar mit dem Gehäuse verbundene Beschleunigungseinrichtung ermöglicht vorteilhafterweise eine Verstellung der Nadelrichtung relativ zu einer Kontaktfläche des Gehäuses. So kann in einer bevorzugten Ausführung die Beschleunigungseinrichtung wie eine gelenkig gelagerte Welle relativ zu einer Normalen auf die Ebene durch die Kontaktfläche(n) oder -punkte des Gehäuses geneigt bzw. verschwenkt werden, d. h. mit dieser Normalen unterschiedliche Winkel einschließen. Vorzugsweise ist die Beschleunigungseinrichtung in einer oder mehreren Stellungen relativ zum Gehäuse fixier- bzw. arretierbar. Gleichermaßen kann eine nicht arretierte Beschleunigungseinrichtung sich bei der Bearbeitung unebener oder geneigter Oberflächen selbsttätig einstellen. Wiederum weist dann in wenigstens einer Gelenkstellung eine Nadelrichtung eine Komponente auf, die wenigstens im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Trägers ausgerichtet ist. Insbesondere ist in einer Gelenkstellung der Beschleunigungseinrichtung die Nadelrichtung – wenigstens im Wesentlichen – parallel zur Drehachse des Trägers.
Die Dreheinrichtung kann ein ein- oder mehrstufiges Getriebe, insbesondere ein Zahnradgetriebe, aufweisen, um eine gewünschte Drehgeschwindigkeit des Trägers gegenüber dem Gehäuse und in einer vorteilhaften Weiterbildung, in der Drehbewegung und Bewegung in Nadelrichtung gekoppelt sind, eine entsprechende Beschleunigung in Nadelrichtung zu realisieren. Insbesondere die Drehung des Trägers ermöglicht es, dass die Nadeln beim nächsten Aufschlag in einer anderen Position auftreffen.
In einer bevorzugten Ausführung weist der mehrteilige Träger ein gegenüber dem Gehäuse drehbares Grundteil und ein gegenüber dem Grundteil drehbares und vorzugsweise in diesem exzentrisch gelagertes Drehteil auf, wobei vorzugsweise wenigstens eine dieser Drehungen durch die Dreheinrichtung bewirkt wird. Die Nadeln sind dann bevorzugt durch das Drehteil geführt, so dass ihre Matrix eine Drehung gegenüber dem Grundteil und eine ihr überlagerte Drehung gegenüber dem Gehäuse ausführt und so ein vorteilhafteres Trefferbild bewirkt. Eine dieser Drehachsen von Grund- bzw. Drehteil bildet dann eine Drehachse, zu der erfindungsgemäß wenigstens eine Komponente einer Nadelrichtung parallel ist, wobei bevorzugt die Drehachsen des Grundteils gegenüber dem Gehäuse und des Drehteils gegenüber dem Grundteil – wenigstens im Wesentlichen – parallel sind.
Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Nadler eine Prüfungseinrichtung zur Prüfung der Bauteiloberfläche auf. Diese kann beispielsweise eine Bildaufnahme- und/oder eine Beleuchtungseinrichtung umfassen und ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine Prüfung der Bauteiloberfläche in situ, d. h. bei aufgesetztem Nadler, insbesondere während einer Bearbeitung der Oberfläche durch diesen auszuführen. Beispielsweise kann die Prüfungseinrichtung automatisch in vorgegebenen, vorzugsweise einstellbaren, Perioden, etwa Zeitperioden oder Nadelhüben, ein Bild der Oberfläche aufnehmen und dieses in einer bevorzugten Weiterbildung auswerten.
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1 einen Nadler gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Schnitt längs einer Drehachse;
2A, 2B jeweils eine Draufsicht auf einen Flansch mit einer Nadelmatrix von einer zu bearbeitenden Oberfläche aus gesehen;
3 einen Nadler gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung; und
4 einen Nadler gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung in 1 entsprechender Darstellung.
1 zeigt einen Nadler gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung in eine Längsschnitt.
Der Nadler weist ein im wesentlichen rohrförmiges Stahl- oder Kunststoffgehäuse 1 auf, dessen stirnseitige Kontaktfläche (unten in 1) durch einen aufgesteckten Kunststoffring 9 gebildet ist, der seinerseits ein Gleitlager zum Anordnen des Gehäuses auf einer zu bearbeitenden Oberfläche (nicht dargestellt) bildet. In nicht dargestellten Abwandlungen kann der Kunststoffring eine rechteckige Außenkontur aufweisen, um die Kipppstabilität um die in 1 vertikale Achse zu erhöhen. Gleichermaßen kann er beispielsweise drei nicht kollineare Kugeln zur Bildung eines Wälzlagers gegenüber der zu bearbeitenden Oberfläche lagern.
In dem Gehäuse 1 ist ein Grundkörper 2 eines Trägers drehbar um die in 1 strichdoppelpunktiert angedeutete Drehachse gelagert. An ihm ist eine CCD-Kamera 10 befestigt, die sich mit dem Träger mitdreht und so im Betrieb Bilder der zu bearbeitenden Oberfläche aufnimmt und an eine Bildausgabeeinrichtung, zum Beispiel einen Monitor, und/oder eine Bildverarbeitungs- bzw. -auswertesoftware überträgt (nicht dargestellt).
In dem Grundkörper 2 ist drehbar ein Drehteil 3 des Trägers exzentrisch gelagert, so dass seine in 1 strich-punktiert angedeutete Drehachse parallel zu der Drehachse des Grundkörpers 2 ausgerichtet ist, mit dieser jedoch nicht fluchtet.
In dem Grundkörper 2 ist weiterhin exzentrisch ein Zahnrad 8 eines Getriebes gelagert, welches über einen nicht dargestellten Elektromotor antreibbar ist. Seine Verzahnung 8.1 greift einerseits in eine Innenverzahnung 1.1 des Gehäuses und andererseits in eine Außenverzahnung 3.1 des Drehteils 3 ein. Durch dieses mehrstufige Getriebe dreht der Elektromotor einerseits das Grundteil 2 gegenüber dem Gehäuse 1 und andererseits gekoppelt hiermit das Drehteil 3 gegenüber dem Grundteil 2, wobei durch entsprechende Verzahnungen 1.1, 3.1 und 8.1 gewünschte, gekoppelte Drehgeschwindigkeiten vorgegeben werden können.
Durch diese gekoppelten Drehungen variieren die Nadelauftreffpunkte von Nadeln 7.1, 7.9 in einer dem Kugelstrahlen ähnlichen Weise, wenn die Nadeln, wie nachfolgend beschrieben, mehrfach gegen die zu bearbeitenden Oberfläche bewegt werden.
Durch die Anordnung der Nadeln in einer Matrix kann dieses Trefferbild beeinflusst werden. 2A, 2B zeigen in einer Sicht von unten in 1 auf einen nachfolgend beschriebenen Flansch 7 verschiedene Anordnungsmatrizen, wobei in 2A die Nadeln auf Radialstrahlen durch die Drehachse angeordnet sind, in 2B auf Spiralen durch die Drehachse. In nicht dargestellten Abwandlungen können die Nadeln beispielsweise stochastisch oder auf einander rechtwinklig schneidenden Strahlen angeordnet sein und/oder einen konstanten oder variierenden Abstand voneinander aufweisen.
Die Nadeln 7.1, 7.9 sind, wie bereits erwähnt, an einem Flansch 7 befestigt, beispielsweise mit diesem verschweißt oder -lötet oder aber in Richtung ihrer Längserstreckung federnd (nicht dargestellt). Der Flansch 7 ist mit einem Kolben 4 einer pneumatischen Beschleunigungseinrichtung über einen mehrteiligen Stößel 4.1, 4.2 verbunden, dessen Teile 4.1, 4.2 in einem Gelenk 4.3 lös- und in verschiedenen Stellungen arretierbar verbunden sind, in denen die Nadellängsrichtung mit der Stößellängsrichtung unterschiedliche Winkel einschließt.
In einer in 1 doppel-strichpunktiert angedeuteten Abwandlung ist statt einer gelenkigen Verbindung 4.3 des Flansches 7 mit der Beschleunigungseinrichtung diese als Ganzes gelenkig bzw. schwenkbar mit dem Gehäuse verbunden.
Hierzu ist ein Ring 1', in dem die Beschleunigungseinrichtung wie vorstehend mit Bezug auf das Gehäuse 1 erläutert, drehbar gelagert ist, seinerseits um wenigstens eine Achse, die vorzugsweise senkrecht auf der Drehachse der Beschleunigungseinrichtung (d. h. senkrecht auf der Zeichenebene der 1) steht, schwenkbar in dem Gehäuse 1 gelagert. Dabei kann der Ring 1' entweder in einer oder mehreren Stellungen arretierbar oder frei beweglich gelagert sein.
Während bei der zuerst beschriebenen Variante mit einer gelenkigen Verbindung 4.3 des Flansches 7 mit dem Stößel 4.1 die Nadeln vorteilhafterweise federnd bzw. nachgiebig an den Flansch befestigt sein können, ist es bei der doppel-strichpunktierten Variante 1' bevorzugt, dass die Nadeln starr bzw. fest mit dem Flansch verbunden, also beispielsweise verschweißt oder – lötet sind. Dabei kann der Flansch 7 lösbar oder starr mit dem Stößel 4.1 verbunden sein. Gleichermaßen kann auch der Ring 1' und mit ihm die in ihm gelagerte Beschleunigungseinrichtung lösbar an dem Gehäuse befestigt sein.
Der Kolben 4 gleitet in Nadelrichtung (von oben nach unten in 1) in einem Kolberaum 5A und in einem Gegenkolbenraum 5B und begrenzt diese Räume gegensinnig jeweils stirnseitig. Beide Kolbenräume 5A, 5B kommunizieren über ein Zwei-Wege-Schaltventil 6 wahl- und wechselweise mit einem Überdruckreservoir p₁ bzw. einem Umgebungs- oder Unterdruckreservoir p₀. Das Schaltventil 6, das eine Kontrollventileinrichtung im Sinne der Erfindung bildet, wird in nicht dargestellter Weise durch eine Drehbewegung des Trägers gegenüber dem Gehäuse oder einer Bewegung des Kolbens 4 geschaltet. Eine Schaltung durch die Bewegung des Kolbens bewirkt vorteilhaft eine von der Drehbewegung des Trägers unabhängige Bewegung des Kolbens 4 und der damit verbundenen Nadeln 7.1, 7.9 in Nadelrichtung und nähert so das Trefferbild noch stärker dem herkömmlichen stochastischen Kugelstrahlen an.
In der dargestellten Schaltstellung kommuniziert der Kolbenraum 5A mit dem Überdruckreservoir p₁ und treibt den Kolben 4 in Nadelrichtung, der Luft aus dem Gegenkolbenraum 5B in die Umgebung p₀ schiebt. Nach dem Umschalten kommuniziert der Gegenkolbenraum 5B mit dem Überdruckreservoir p₁ und treibt den Kolben 4 entgegen der Nadelrichtung, der Luft aus dem Kolbenraum 5A in die Umgebung p₀ schiebt. Auf diese Weise oszillieren der Kolben 4, der mit ihm lösbar und arretierbar gelenkig verbundene Flansch 7 und somit die Nadeln 7.1, 7.9 in Nadelrichtung, treffen dabei auf die zu bearbeitende Oberfläche und verformen diese dabei plastisch unter Aufprägung gewünschter Spannungen, so dass diese verfestigt wird. Der Kolbenweg, insbesondere die Kolbenräume 5A, 5B sind dabei vorzugsweise so abgestimmt, dass der Kolben ungefähr bis zum Auftreffen der Nadeln auf die Bauteiloberfläche in Nadelrichtung beschleunigt und ungefähr nach der Impulsübertragung entgegen der Nadelrichtung zurückgestellt wird. In einer nicht dargestellte Abwandlung kann die Kontrollventileinrichtung 6 beispielsweise vor dem Auftreffen den Kolbenraum 5A vom Überdruckreservoir p₁ trennen, so dass die Nadeln 7.1, 7.9 freifliegend auf die zu bearbeitenden Oberfläche treffen.
3 zeigt in 1 entsprechender Darstellung einen Nadler gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit der ersten Ausführung übereinstimmende oder analoge Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten Ausführung eingegangen wird.
Zum einen weist die Dreheinrichtung in der zweiten Ausführung nur ein einstufiges Getriebe auf, welches durch das Zahnrad 8 realisiert wird, das in dem einteiligen Träger 2 gelagert ist und diesen vermittels Eingriff in die Innenverzahnung 1.1 um seine Drehachse dreht. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in Getrieben einer Dreheinrichtung gemäß der Erfindung anstelle von Innen- auch Außenverzahnungen vorgesehen sein können. Dieser einstufige Aufbau ist konstruktiv einfacher und stabiler, allerdings variieren die Nadelauftreffpunkte infolge der Drehung des einteiligen Trägers mit nur einem Freiheitsgrad gegenüber dem Gehäuse weniger stark.
Anstelle der pneumatischen Beschleunigungseinrichtung der ersten Ausführung ist bei der zweiten Ausführung eine mechanische Beschleunigungseinrichtung vorgesehen. Hierzu weist ein bezüglich der Drehachse des Trägers 2 exzentrisch angeordneter Kolben 40 einen Stößel 41 auf, der auf einer Kulisse 1.2 des Gehäuses 1 zwangsgeführt wird. Die Kulisse ist, wie in 3 angedeutet, derart geformt, dass der Kolben 40 bei einer Umdrehung des Trägers 2 im Gehäuse 1 ein- oder mehrfach entgegen der Nadelrichtung angehoben und anschließend wieder in diese freigegeben wird. In der in 3 dargestellten Stellung ist der Kolben 40 in Nadelrichtung freigegeben, da der Stößel 41 auf einem unteren Wendepunkt der Kulisse 1.2 aufliegt. Bei Weiterdrehung um 180° führt die Kulisse 1.2 den Stößel hingegen in eine demgegenüber in 3 nach oben versetzte Position.
In einer solchen Position spannt der Kolben 40 eine Schraubfeder 100 gegen die Nadelrichtung vor. Gibt die Kulisse 1.2 den Stößel 41 wieder frei (3), so beschleunigt die sich entspannende Feder 100 den Kolben 40 in Nadelrichtung (nach unten in 3). Eine untere Scheibe des spulenförmigen Kolbens 40 trifft dann auf die Köpfe von Nadeln 7.1, 7.9, die in Bronzebuchsen (nicht dargestellt) direkt in dem Träger 2 gelagert und gegen die Nadelrichtung durch Schraubfedern 110 abgestützt sind.
Der Kolben 40 beschleunigt somit die Nadeln 7.1, 7.9 in Nadelrichtung gegen die zu bearbeitende Oberfläche. Bei der anschließenden Bewegung des Kolbens 40 gegen die Nadelrichtung infolge der Zwangsführung des Stößels 41 in der Kulisse 1.2 nimmt er jedoch die von ihm entkoppelten Nadeln 7.1, 7.9 nicht mit. Diese einzeln aktuierten und über den sie gemeinsam beaufschlagenden Kolben 40 mechanisch miteinander gekoppelt bewegten Nadeln werden stattdessen durch die Schraubfedern 110 entgegen der Nadelrichtung zurückgestellt, die beim Beschleunigen in Nadelrichtung vorgespannt wurden und eine separate Rückstelleinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung bilden.
4 zeigt in 1, 3 entsprechender Darstellung einen Nadler gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit der ersten und/oder zweiten Ausführung übereinstimmende oder analoge Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten bzw. zweiten Ausführung eingegangen wird.
Bei der dritten Ausführung werden die separat in Bohrungen des Stahl- oder Kunststoffträgers 2 gelagerten und durch einzelne Schraubfedern 110 gegen die Nadelrichtung abgestützten Nadeln 7.1, 7.9 pneumatisch in Nadelrichtung beschleunigt. Hierzu ist ein Druckraum 50 durch eine ein- oder mehrteilige flexible Membran gegen die einzelnen Nadeln abgedichtet. Wird der Druckraum 50 über ein Schaltventil 60 mit einem Überdruckreservoir p₁ verbunden, wie in 4 dargestellt, verformt der Druck die flexible Membran 55 in Nadelrichtung, die dabei die Nadeln 7.1, 7.9 in Nadelrichtung gegen die Oberfläche beschleunigt und hierbei die Federn 110 vorspannt. Schaltet das Ventil 60, beispielsweise mechanisch gekoppelt mit der Drehung des Trägers 2 im Gehäuse 1 oder unabhängig hiervon, etwa pneumatisch, in die andere Schaltstellung, entspannt der Druck im Druckraum 50 gegen die Umgebung p₀. In der Folge stellen die sich entspannenden Federn 110 die Nadeln 7.1, 7.9 gegen die Nadelrichtung zurück.
Durch die Einzellagerung-, federung und -aktuierung der Nadeln können vorteilhaft auch unebene und/oder gegen die Nadelrichtung geneigte Oberflächen bearbeitet werden, da bei Auftreffen einer Nadel andere, mit ihr nicht verbundene Nadeln hierdurch nicht abgebremst werden. Auf der anderen Seite ist der konstruktive Aufwand entsprechend höher.
Es sei betont, dass die in den verschiedenen Ausführungsbeispielen erläuterten Merkmale auch miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können. So können beispielsweise in der zweiten oder dritten Ausführungsform eine – beispielsweise mittels eines Ringes 1' – gelenkig bzw. schwenkbar an dem auf das Werkstück aufzusetzenden Gehäuse befestigte Beschleunigungseinheit, ein mehrstufiges Getriebe und/oder einen Träger mit Grundteil und exzentrisch darin gelagertem Drehteil vorgesehen sein. Eine solche gelenkige und/oder lösbare Befestigung der Beschleunigungseinrichtung am Gehäuse kann mit einer lösbaren und/oder gelenkigen Befestigung der Nadeln an der Beschleunigungseinrichtung kombiniert oder ohne diese ausgebildet sein. Gleichermaßen kann eine Einzellagerung und -federung, wie sie mit Bezug auf das dritte Ausführungsbeispiel erläutert wurde, auch bei einem Flansch vorgesehen sein, welcher lösbar und/oder gelenkig arretierbar mit der Beschleunigungseinheit verbunden ist, wie dies mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel erläutert wurde. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Flansch gegen die Drehachse geneigt wird, da dann Nadeln häufig bei unterschiedlichem Hub auf die zu bearbeitende Oberfläche treffen. Gleichermaßen kann eine mechanische Aktuierung, wie sie mit Bezug auf das zweite Ausführungsbeispiel erläutert wurde, für einzelne Nadeln oder auch bei einer mit den Nadeln gekoppelten Beschleunigungseinrichtung vorgesehen sein, die die Nadeln gegen die Nadelrichtung zurückstellt, wie mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel erläutert.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
1.1: Verzahnung
1.2: Kulisse
2: Träger(grundkörper)
3: Trägerdrehteil
3.1: Verzahnung
4; 40: Kolben
4.1, 4.2;
41: Stößel
4.3: lösbares, arretierbares Gelenk
5A: Kolbenraum
5B: Gegenkolbenraum
6; 60: Schaltventil (Kontrollventileinrichtung)
7: Nadelflansch
7.1, 7.9: Nadel
8: Zahnrad (Getriebe)
8.1: Verzahnung
9: Kunststoffring (Gleitlager)
10: Kamera (Prüfeinrichtung)
50: Druckraum
55: flexible Membran
100: (Beschleunigungs)Feder
110: Rückstellfeder
p₀: Unter-/Umgebungsdruck
p₁: Überdruckreservoir

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3442089 C1 [0003]
US 2010/0018272 A1 [0004]

Claims

Nadler zur lokalen Oberflächenbearbeitung, insbesondere Verfestigung, von Bauteilen, mit wenigstens einer Nadel (7.1, 7.9), die durch einen Träger (2, 3) geführt und durch eine Beschleunigungseinrichtung (4; 40; 50) in einer Nadelrichtung gegen eine zu bearbeitende Oberfläche bewegbar ist, gekennzeichnet durch eine Dreheinrichtung (8) zur Drehung des Trägers gegenüber einem Gehäuse (1) des Nadlers zur Verlagerung eines Nadelauftreffpunktes auf der Oberfläche, wobei die Nadelrichtung wenigstens eine Komponente parallel zu einer Drehachse des Trägers gegenüber dem Gehäuse aufweist, insbesondere wenigstes im Wesentlichen parallel zu der Drehachse ausgerichtet ist.
Nadler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nadel und/oder der Träger motorisch, insbesondere elektromotorisch, magnetisch, insbesondere elektromagnetisch, pneumatisch (5A, 5B, 6; 50, 60), hydraulisch und/oder mechanisch (1.2, 41, 100) bewegbar ist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung wenigstens einer Nadel gegenüber dem Träger und eine Drehung des Trägers gegenüber dem Gehäuse steuerungstechnisch, magnetisch, pneumatisch (6; 60), hydraulisch und/oder mechanisch (1.2, 41) gekoppelt ist, oder dass eine Bewegung wenigstens einer Nadel gegenüber dem Träger und eine Drehung des Trägers gegenüber dem Gehäuse unabhängig voneinander erfolgen.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens zwei Nadeln aufweist, die gemeinsam (1) oder steuerungstechnisch, magnetisch, pneumatisch (4), hydraulisch und/oder mechanisch (3) gekoppelt bewegbar sind.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl von Nadeln aufweist, die in einer vorgegebenen Matrix (2A, 2B) angeordnet sind.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Handgerät zum Aufsetzen des Gehäuses auf der zu bearbeitenden Oberfläche ausgebildet ist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Wälz- oder Gleitlager (9) des Gehäuses zum Anordnen auf einem zu bearbeitenden Bauteil.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nadel eine integral ausgebildete oder mit ihr verbundene Nadelspitze aufweist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nadeln einzeln oder gemeinsam in einer Gleitlagerung an dem Träger gelagert sind.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nadel durch die Beschleunigungseinrichtung und/oder eine Rückstelleinrichtung (110) entgegen der Nadelrichtung bewegbar ist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nadel von der Beschleunigungseinrichtung entkoppelt (3, 4) ist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nadel lösbar und/oder gelenkig (4.3) mit der Beschleunigungseinrichtung verbunden ist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungseinrichtung lösbar und/oder gelenkig mit dem Gehäuse verbunden ist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreheinrichtung ein einstufiges (3, 4) oder mehrstufiges (1) Getriebe, insbesondere ein Zahnradgetriebe (1.1, 3.1, 8.1), aufweist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein gegenüber dem Gehäuse drehbares Grundteil (2) und ein gegenüber dem Grundteil drehbares Drehteil (3) aufweist, welches insbesondere exzentrisch an dem Grundteil gelagert ist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Prüfungseinrichtung (10) zur Prüfung der Bauteiloberfläche aufweist.
Nadler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil (9) seiner Außenkontur aus Kunststoff hergestellt ist.
Verfahren zur lokalen Oberflächenbearbeitung, insbesondere Verfestigung, von Bauteilen mittels eines Nadlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: Aufsetzen des Gehäuses (1) des Nadlers auf wenigstens einer zu bearbeitenden Oberfläche des Bauteils; Drehen des Trägers (2, 3) des Nadlers gegenüber dem Gehäuse des Nadlers zur Verlagerung eines Nadelauftreffpunktes auf der Oberfläche; Bewegen wenigstens einer Nadel (7.1, 7.9) in einer Nadelrichtung gegen die zu bearbeitende Oberfläche.
Verwendung eines Nadlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zu bearbeitende Bauteil eine Komponente eines Flugtriebwerks, insbesondere eine Leit- oder Laufschaufel und/oder ein Schaufelträger ist.