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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die lokale Oberflächenbearbeitung von Bauteilen zu verbessern und wenigstens einen der oben genannten Nachteile zu verringern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Nadler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale weitergebildet. Anspruch 10 stellt ein Verfahren zur lokalen Oberflächenbearbeitung von Bauteilen mittels eines erfindungsgemäßen Nadlers unter Schutz, Anspruch 11 die Verwendung eines solchen Nadlers zur Bearbeitung von Komponenten eines Flugtriebwerks. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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. Eine, mehrere oder alle Nadeln können dabei einzeln oder gemeinsam vorzugsweise (elektro)motorisch, (elektro)magnetisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch, etwa durch Lösen vorgespannter Federn, in der Nadelrichtung bewegt werden.
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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.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführung werden mehrere, insbesondere alle Nadeln pneumatisch von demselben Druckreservoir in Nadelrichtung bewegt. Zusätzlich oder alternativ sind vorzugsweise ein in Nadelrichtung vor einem Nadelkolben einer Nadel angeordneter und durch diesen stirnseitig verschieblich begrenzter Nadelkolbenraum oder, insbesondere mit- oder nacheinander, mehrere solche Nadelkolbenräume durch eine Kontrollventileinrichtung wahlweise mit einem Druckreservoir verbind- bzw. von diesem trennbar. Durch die Kontrollventileinrichtung können zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere Nadelkolbenräume auch zur Entlüftung freigeschaltet, beispielsweise mit der Umgebung oder einem Unterdruckreservoir verbunden werden.
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Der Träger ist in 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, der Form der zu bearbeitenden Oberfläche, zum Beispiel durch eine komplementäre Geometrie, angepasst sind, und/oder ein die zu bearbeitende Oberfläche im Aufsetzbereich schonendes, insbesondere weiches, Material aufweisen.
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Insbesondere hierdurch kann der Nadler in einer bevorzugten Ausführung als Handgerät ausgebildet und verwendet werden.
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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. Zu der Drehachse können in einer bevorzugten Ausführung die Nadelrichtung(en) – wenigstens im Wesentlichen – radial bzw. senkrecht ausgerichtet sein. Vorzugsweise bildet die Kontrollventileinrichtung zugleich die Drehachse für den Träger.
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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.
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Dieses 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, vorzugsweise spiralförmigen, Matrix, nahezu beliebig vorgegeben werden. In einem bevorzugten Bearbeitungsmuster können Nadelauftreffpunkte zum Beispiel auf einer, insbesondere geraden, Bahn mit einem vorgegebenen Abstand zueinander auf der Oberfläche liegen, wobei dieser Abstand kleiner als ein Durchmesser der Nadeln oder der durch die Nadeln verursachten Verformungen sein kann, so dass sich die Verformungen durch verschiedene Nadelauftreffpunkte wenigstens teilweise überdecken. Gleichermaßen ist es auch möglich, den Abstand größer zu wählen, um eine geringfügigere und raschere Oberflächenbearbeitung zu erreichen. Bevorzugt entspricht der Abstand zwischen benachbarten Nadelauftreffpunkten des Bearbeitungsmusters, das sich infolge der Matrix der Nadeln gegenüber dem Träger, der Drehung des Trägers gegenüber dem Gehäuse und/oder einer damit gekoppelten Bewegung der Nadel(n) in Nadelrichtung einstellt, – wenigstens im Wesentlichen – dem, insbesondere mittleren, Durchmesser der in diesen Nadelauftreffpunkten auftreffenden Nadeln oder der durch diese bewirkten Verformungen. 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.
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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.
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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 eine gegensinnige (elektro)motorische, (elektro)magnetische, pneumatische, hydraulische und/oder mechanische Beaufschlagung entgegen der Nadelrichtung aufweisen, indem etwa Elektromagnete gegensinnig betrieben, der Nadelkolbenraum vom Druckreservoir getrennt und/oder mit einem Unterdruckreservoir verbunden, oder ein dem Nadelkolbenraum entgegenwirkender Gegenkolbenraum pneumatisch oder hydraulisch, vorzugsweise durch die Kontrollventileinrichtung, beaufschlagt wird. Eine mechanische Beaufschlagung kann beispielsweise Federmittel umfassen, die Nadeln entgegen der Nadelrichtung vorspannen.
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In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Rückstelleinrichtung – vorzugsweise zusätzlich zu einer Trennung von Nadelkolbenräumen von einem Druckreservoir, Verbinden dieser Nadelkolbenräume mit einem Unterdruckreservoir und/oder von Gegenkolbenräumen mit einem Druckreservoir – eine mechanische Kulisse oder Zwangsführung, die die Nadeln entgegen der Nadelrichtung zurückstellt.
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Bei sperrbarer, insbesondere pneumatischer und/oder hydraulischer, Aktuierung der Nadeln können diese während einer Drehung des Trägers mit gesperrter Aktuierung in Nadelrichtung in vorteilhafter Weise ohne oder unter geringer Kraft in Nadelrichtung verharren und so einen Reibschluss und damit verbundenen Verschleiß an Nadeln bzw. Gehäuse verringern.
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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.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 einen Nadler gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Schnitt längs der Linie I-I in 2; und
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2 den Nadler der 1 in einem Schnitt längs der dortigen Linie II-II.
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1, 2 zeigen einen Nadler gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in zwei zueinander senkrechten Schnitten.
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Der Nadler weist ein zweiteiliges Gehäuse 1A, 1B mit einer zu einer Kontaktfläche 1.1 hin offenen, auf der von dieser Kontaktfläche abgewandten Seite hohlzylinderförmigen Aussparung auf. In dieser ist ein im Wesentlichen trommelförmiger Träger, der einen Grundkörper 2A und eine diesen umgebende Hülle 2B umfasst, auf einer Achse 1.2 des Gehäuses drehbar aufgenommen. Er kann durch einen Elektromotor 3.1 mittels eines Schneckengetriebes 3.2 nur in der in 1 durch den Bewegungspfeil angedeuteten Richtung gedreht werden.
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In dem Träger sind mehrere Nadeln gelagert, wobei zur besseren Übersichtlichkeit in 1 nur drei Nadeln 4A–4C dargestellt sind. Sie weisen je einen Stift 4.1 und einen damit verbundenen oder integral ausgebildeten Kolben 4.2 auf, der einen im Grundkörper 2A ausgebildeten Nadelkolbenraum 5 stirnseitig begrenzt, und können in – durch Bewegungspfeile angedeutete – Nadelrichtungen in 1, die radial bzw. senkrecht zur Drehachse des Trägers orientiert sind, bewegt werden. Dabei begrenzt die Hülle 2B die Bewegung in Nadelrichtung und weist hierzu an entsprechenden Stellen Durchgangsbohrungen auf, deren Durchmesser gleich oder größer dem Durchmesser des zugehörigen Stiftes 4.1, jedoch kleiner als der Durchmesser des Kolbens 4.2 ist, und somit die jeweilige Sacklochbohrung im Grundkörper 2A begrenzt, die mit konstantem Durchmesser sowohl eine Führung der Nadel im Träger als auch eine Begrenzung des Nadelkolbenraums definiert. Vorteilhafterweise können durch eine andere Hülle, die an entsprechender Stelle keine Durchgangsbohrung aufweist, eine oder mehrere Nadelkolbenräume abgeschlossen und so an dieser Stelle Nadeln aus der Matrix entfernt werden.
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Ein Nadelkolbenraum 5 wird durch eine Kontrollventileinrichtung je nach Lage des Trägers gegenüber dem Gehäuse mit einem Druckreservoir 6 oder einem mit der Umgebung kommunizierenden Entlüftungskanal 7 verbunden oder von beiden getrennt. Hierzu ist in der Achse 1.2 des Gehäuses das Druckreservoir 6 bzw. ein damit kommunizierender Kanal und der Entlüftungskanal 7, der in einer Abwandlung auch mit einem Unterdruckreservoir kommunizieren kann, ausgebildet, die somit zusammen mit der auf ihr laufenden Innenbohrung des Grundkörpers die Kontrollventileinrichtung definieren.
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In der in 1 gezeigten Lage verbindet die Kontrollventileinrichtung den Nadelkolbenraum der Nadel 4A mit dem Druckreservoir 6, so dass diese in Nadelrichtung beschleunigt wird. Dabei kann der Beschleunigungsverlauf einerseits durch die Kontrollventileinrichtung, andererseits durch die Freigabe der Durchgangsbohrungen der Hülle 2B durch die diese teilweise umschließende Gehäuseaussparung vorgegeben werden. Insbesondere kann beispielsweise bereits ein Nadeldruckraum mit dem Druckreservoir kommunizieren, während eine Bewegung der Nadel in Nadelrichtung noch formschlüssig durch das Gehäuse gesperrt ist, indem etwa die zylinderförmige Mantelfläche der Aussparung sich teilweise in Richtung auf die Kontaktfläche 1.1 fortsetzt, i. e. in einer nicht dargestellten Abwandlung das Gehäuse 1A den Träger auch im linken unteren Quadranten der 1 noch teilweise umschließt. Somit baut sich im Nadelkolbenraum bereits Druck auf, die Beschleunigung in Nadelrichtung beginnt erst bei Freigabe der Durchgangsbohrung der Hülle 2B durch das Gehäuse 1A.
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Die Nadel 4B trifft soeben auf die zu bearbeitende Oberfläche 8 und verformt diese unter Abgabe ihres Impulses elastisch-plastisch und verfestigt dadurch die Oberfläche. Zusätzlich werden Druckeigenspannungen in der Randzone eingebracht. In dieser Stellung ist der Nadelkolbenraum durch die Kontrollventileinrichtung sowohl gegen das Druckreservoir 6, als auch den Entlüftungskanal 7 gesperrt, könnte in einer abgewandelten Ausführung jedoch auch, wenigstens teilweise, mit einem von beiden kommunizieren.
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Die Nadel 4C hat die Oberfläche bereits bearbeitet, ihr Nadelkolbenraum ist infolge der Drehung des Trägers nun mit dem Entlüftungskanal 7 verbunden, der eine Rückstellung des Kolbens erleichtert.
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Diese wird durch eine Zwangsführung bzw. Kulisse 9 einer Rückstelleinrichtung bewirkt, auf der die Nadel nach Oberflächenbeaufschlagung aufläuft. Die Kulisse 9 ist so geformt, dass die Nadel in eine Ausgangslage zurückgeführt wird, in der die Kontrollventileinrichtung ihren Nadelkolbenraum sowohl gegen das Druckreservoir 6 als auch den Entlüftungskanal 7 sperrt. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann der Nadelkolbenraum hingegen auch, jeweils wenigstens bereichsweise, mit dem Druckreservoir 6 und/oder Entlüftungskanal 7 kommunizieren. Jedenfalls entfällt durch die Sperrung des Druckreservoirs 6 während des Transfers zwischen Rücksteil-(Nadel 4C) und Beschleunigungsphase (Nadel 4A) aufgrund der rein pneumatischen Aktuierung der Nadeln eine Vorspannung der Nadeln gegen das Gehäuse, so dass ein entsprechender Verschleiß vorteilhaft vermindert wird. Zusätzlich muss der Druck im Nadelkolbenraum 5 nicht gegen entsprechend vorgespannte Rückstellfedern arbeiten.
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In 2 ist die Matrix der im Träger geführten Nadeln angedeutet. Man erkennt, dass die einzelnen Nadeln 4 bzw. die Durchgangsbohrungen in der Hülle 2B sowohl in Axial- als auch Umfangsrichtung der Hülle auf gekrümmten, insbesondere spiralförmigen Bahnen 10 angeordnet sind. Die Matrix ist dabei so ausgebildet und auf die Drehung des Trägers im Gehäuse und die damit gekoppelte Bewegung der Nadeln in Nadelrichtung abgestimmt, dass die Nadelauftreffpunkte ein gewünschtes Bearbeitungsmuster auf der Oberfläche 8 ergeben. Beispielsweise können die in den Nadelauftreffpunkten erzielten Verformungen wenigstens im Wesentlichen auf Geraden liegen und dabei vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen keine Lücken und/oder keine Überdeckungen oder vorgegebene Lücken oder Überdeckungen aufweisen.
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Die Ausprägung der Bahnen 10 in Umfangsrichtung, entlang welcher die Bohrungen an den Schnittpunkten mit den spiralförmigen Bahnen 10 in axialer Richtung angeordnet sind, ist beliebig wählbar. Als vorteilhaft hat sich statt der in 2 exemplarisch gezeigten spiralförmigen Bahn eine zur Drehachse windschiefe Gerade herausgestellt, die um die Hülle 2B gewickelt ist (nicht dargestellt). Diese Anordnung bietet für die Fertigung der Nadelkolbenräume 5 eine besonders günstige Raumausnutzung. Die spiralförmige Bahn 10 in axialer Richtung ist hingegen vorteilhaft, da sich dadurch der Abstand zwischen den Auftreffstellen an der Bauteiloberfläche am besten regulieren lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1A, 1B
- Gehäuse
- 1.1
- Kontaktfläche
- 1.2
- Achse
- 2A
- Trägergrundkörper
- 2B
- Trägerhülle
- 3.1
- Dreheinrichtungs-Elektromotor
- 3.2
- Dreheinrichtungs-Schneckengetriebe
- 4, 4A, 4B, 4C
- Nadel
- 4.1
- Nadelstift
- 4.2
- Nadelkolben
- 5
- Nadelkolbenraum
- 6
- Druckreservoir
- 7
- Entlüftungskanal
- 8
- zu bearbeitende Oberfläche
- 9
- Rückstelleinrichtungs-Kulisse
- 10
- Matrix-Bahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3442089 C1 [0003]
- US 2010/0018272 A1 [0004]
