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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung zur Durchführung einer Achse oder Welle durch eine Arbeitskammerwand.
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Bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken ist es oftmals notwenig, die Behandlung innerhalb einer geschlossenen Arbeitskammer durchzuführen, um die Umgebung zu schützen. Dies gilt beispielsweise für die Oberflächenbehandlung über Strahlmittel, die aus Düsen oder Schleuderrädern auf die Werkstücke innerhalb der Arbeitskammer gerichtet werden und die je nach Typ dem Abtrag von Oberflächenschichten dienen oder deren Verfestigung. Die Partikel des Strahlmittels werden hoch beschleunigt, um eine ausreichende kinetische Energie beim Aufprall auf die Werkstückoberfläche zu besitzen. Diese Energie muss durch die Auskleidung der Arbeitskammer, die beispielsweise aus elastomeren Platten besteht, kompensiert werden. Um die Werkstücke innerhalb der Kammer genau im Wirkungsbereich der Oberflächenbehandlungseinrichtungen platzieren zu können, werden diese oftmals an Gestellen befestigt, die während der Behandlung gedreht werden, damit das Strahlmittel alle Oberflächenbereiche des Werkstücks erreichen kann. Hierzu werden Achsen des Gestells, sogenannte Lanzen durch eine Öffnung in der Arbeitskammerwand geführt, die in das Innere der Arbeitskammer hinein reichen und die an ihrem Ende einen Werkstückträger besitzen.
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Diese Lanzen können nicht nur gedreht werden, sondern auch zusätzlich axial verschoben werden, um das Werkstück entsprechend im Wirkungsbereich der Behandlungseinrichtung zu platzieren. Zum Schutz vor abrasiven Strahlmitteln sind die Lanzen mit einem Gummiüberzug versehen. Die Abdichtung an der Durchführungsöffnung im Gehäuse muss dann gegenüber der gummierten Oberfläche der Lanze über eine schleifende Dichtung hergestellt werden. Diese Abdichtung ist sehr schwierig, da eine enganliegende Dichtung durch die Gummierung gehemmt wird und ohnehin die Bewegung einschränken oder verhindern würde. Eine weite Dichtung mit einem größeren Ringspalt führt jedoch dazu, dass Strahlmittel in den Spalt eindringt und dann die durchgeführte Lanze blockiert wird. Bürstendichtungen wiederum sind nicht geeignet, da sie durch das Strahlmittel schnell zerstört werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Dichtungsvorrichtung zur Durchführung einer Achse oder Welle durch eine Arbeitskammerwand anzugeben, insbesondere für eine Arbeitskammer, die zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken mittels eines Strahlmittels dient. Die Dichtungsvorrichtung soll den austritt von Strahlmittelpartikeln aus der Arbeitskammer wirksam verhindern und eine hohe Standzeit besitzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Dichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Kerngedanke dabei ist, dass in einem topfförmigen Gehäuse der Dichtungsvorrichtung ein mehrlagiges Schüttungsbett aus einem Schüttgut vorgesehen ist. Die durchzuführende Achse oder Welle läuft durch das Schüttungsbett hindurch. Die einzelnen Körner des Schüttguts legen sich direkt an die Oberfläche der Achse an und bilden so einen effektiven Spritzschutz.
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Dies gilt auch bei unrunden Querschnitte der Achse, die eine beliebige Kontur haben kann. Vorzugsweise sind aber ständig und/oder schnell rotierende Wellen rund ausgeführt, um das Schüttungsbette nicht zu sehr zu verwirbeln.
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Die Ringspaltweite zwischen dem Innenrand einer Durchführungsöffnung im Gehäuse der Dichtungsvorrichtung und dem Mantel der Achse oder Welle ist so gewählt, dass die kleinste Korngröße des Schüttguts größer ist als die sich ausbildende Ringspaltweite. Ein Herausfallen von einzelnen Körnern des Schüttungsbetts ist somit ausgeschlossen. Zwar bildet das Schüttungsbett keine gas- oder flüssigkeitsdichte Dichtung. Es wird aber eine effektive Mehrfach-Labyrinthdichtung erzeugt.
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Zudem hat die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung bei richtiger Abstimmung der Korngrößen eine Selbstreinigungswirkung. Strahlmittelkörner, die in Lücken zwischen einzelnen Körnern des Schüttguts der untersten Lage eindringen, werden durch die versetzt liegenden Körner in einer oberen Lage abgefangen. Die Partikel des Strahlmittels bleiben dann zunächst in dem Schüttungsbett gefangen, bis sie aufgrund der Bewegungen im Schüttungsbett, beispielsweise aufgrund von Erschütterungen der Arbeitskammerwand oder der Bewegungen der durchgeführten Achse oder Welle in Richtung des Ringsspalts wandern, und dort wieder selbsttätig abfließen.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung ist sehr einfach herzustellen. Das Schüttungsbett kann auf einfache Weise ausgetauscht werden. Es regeneriert sich selbstständig in der Weise, dass Abplatzungen oder zerstörte Körner automatisch durch das Schüttungsbett zum Ringspalt wandern und von dort selbsttätig herausfallen. Es muss dann lediglich zeitweise Schüttgut nachgefüllt werden, damit ein mehrlagiges Schüttungsbett bestehen bleibt.
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Die Schüttung ermöglicht auch eine mehrdimensionale Bewegung der durchgeführten Achse oder Welle. Außer der Rotation um eine feste Achse ist auch eine axiale Verschiebung möglich, wozu das Gehäuse einen ringförmigen Deckel aufweisen sollte, um beim Herausziehen der Achse oder Welle das Schüttungsbett zurückzuhalten. Es ist sogar eine taumelnde Bewegung, also eine Präzessionsbewegung um eine schräg in Bezug auf die Mittelachse der Dichtungsvorrichtung stehende Rotationsachse möglich, da das Schüttungsbett immer nachfließt und sich die Form der Dichtung somit ständig selbst den auszufüllenden Räumen zwischen Gehäusewand und Achse oder Welle anpasst.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung ist insbesondere für die Durchführung vertikaler Achsen durch die Decke einer Arbeitskammerwand geeignet. Das topfförmige Gehäuse ist dann mit seinem Boden nach unten hinweisend eingebaut, sodass das Schüttungsbett der Schwerkraft folgend zwischen Achse und Gehäusewand angeordnet ist und dabei auf dem Gehäuseboden aufliegt.
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Jedoch ist auch ein horizontaler Einbau möglich. In diesem Fall wird der bereits erwähnte Deckel notwendig, der das Schüttungsbett abdeckt und verhindert, dass das ringförmige Schüttungsbett seitlich abfließt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Schüttungsbett aus Kugeln besteht. Mit Kugeln mit einem einheitlichen Kugeldurchmesser können besonders dichte und gleichmäßige Packungen gebildet werden. Hierbei richten sich auch die verschiedenen Lagen übereinanderliegender Kugeln immer so aus, dass in den Lücken einer unteren Lage eine Kugel aus der oberen Lage ihren Mittelpunkt hat. Bei einheitlichem Kugeldurchmesser kann die Geometrie der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung besonders genau abgestimmt werden.
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Die Ringspaltweite solle höchstens 50% des Kugeldurchmessers betragen. Damit wird nicht nur verhindert, dass Kugeln durch den Ringspalt entweichen, sondern es wird auch ein Verklemmen von Kugeln im Ringspalt wirksam verhindert. Kugeln sind nach gewohnter Weise einfach herzustellen, wie beispielsweise aus der Herstellung metallischer Kugeln für Wälzlager bekannt. Sie können insbesondere auch eine gehärtete Oberfläche besitzen, um so der Härte des in der Arbeitskammer verwendeten Strahlmittels angepasst zu werden. Ein zu starker Verschleiß im Schüttungsbett kann dadurch verhindert werden.
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Es können aber auch elastomere Kugeln verwendet werden, mit denen die kinetische Energie stark abrasiver Partikel wirksam absorbiert werden kann, ohne dass es zu einer dauerhaften Oberflächenbeschädigung der Kugeloberfläche kommt.
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Möglich ist auch, dass die Kugeln oder anderen Partikel der Schüttung aus ferromagnetischem Eisen bestehen und dass neben dem Schüttungsbett ein Magnet angeordnet ist. Insbesondere kann ein ringförmiger Elektromagnet verwendet werden, der ein amagnetisches Gehäuse umgibt und durch den ein Magnetfeld auf- und abgebaut werden kann. Durch das Magnetfeld können die Kugeln des Schüttungsbetts zusammengehalten werden. Bei entsprechender Abstimmung der Magnetkraft kann also das Schüttungsbett sozusagen eingefroren werden, sodass die durch die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung hindurchgeführte Achse oder Welle herausgezogen werden kann, ohne dass das Schüttgut durch die entstandene Öffnung im Zentrum abfließt. Nachdem die Achse wieder eingesetzt ist, wird das Magnetfeld aufgehoben, so dass das Schüttungsbett wieder locker im Gehäuse liegt und die Achse oder Welle umgibt.
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Bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung im Zusammenhang mit einer Oberflächenbehandlungseinrichtung für Werkstücke, weil gerade für diesen Anwendungsfall eine effektive Spritzschutzdichtung bereitgestellt wird, durch welche der Austritt von Partikeln des Strahlmittels aus der Kammer wirksam verhindert wird.
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Beim Gesamtsystem sind Korngröße des Schüttguts und die Korngröße des Strahlmittels aufeinander abgestimmt. So hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, eine homogene Korngrößenverteilung zu wählen und wobei insbesondere die Korngröße des Schüttguts wenigstens dem dreifachen der mittleren Korngröße des Strahlmittels entspricht. Insbesondere bei einer Kugelform des Schüttguts führt dies dazu, dass das Strahlmittel, wenn es in das Schüttungsbett eindringt, nur Lücken ausfüllt, ohne ein Verklemmen der einzelnen Körner des Schüttungsbetts zu bewirken. Vielmehr kommt es bei den genannten Größenverhältnissen zu einem selbsttätigen Abfließen des Strahlmittels aus dem Schüttungsbett. Ein Verklemmen der Schüttgutkörnung findet nicht statt, wenn wenigstens 3 Körner – im Querschnitt – in einer Reihe liegen. Somit haben sie eine allseitig räumliche Beweglichkeit und können ausweichen.
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Um ein Nachfließen der Kugeln in dem Schüttungsbett zu ermöglichen, insbesondere bei den genannten Schiefstellungen und Taumelbewegungen, sollte das Schüttungsbett unverdichtet im Gehäuse liegen.
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Möglich ist aber auch, das Schüttungsbett aus beliebigem festen, körnigen Material mit großer Bandbreite in der der Korngrößenverteilung herzustellen, wobei auch Körner beliebiger Größe und Kontur Verwendung finden können, sofern die Zusammenhänge mit der Ringspaltweite eingehalten werden, um ein Abfließen darüber oder Einklemmen darin zu vermeiden. Auch Kies kann somit zur Herstellung eines Schüttungsbettes für die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung geeignet sein.
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Vorgesehen sein kann ein ringförmiger Stempel oder ein entsprechend ausgebildeter Deckel, der das Schüttungsbett von oben komprimieren kann, um eine Grundausrichtung vorzunehmen oder um im Falle einer horizontalen Lagerung das Schüttungsbett aufzubauen, nachdem eine Achse durch die Durchführungsöffnung in der Arbeitskammerwand geführt ist.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 eine erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung in vertikaler Einbaulage im Schnitt gemäß einer ersten Ausführungsform
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2 die Dichtungsvorrichtung bei einer Schiefstellung der Achse und
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3a, 3b eine erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung in horizontaler Einbaulage im Schnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform in verschiedenen Stadien.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung 10 mit einem topfförmigen Gehäuse 11, das in seinem Boden eine Durchführungsöffnung 12 aufweist. Das Gehäuse 11 ist in eine Ausnehmung einer Decke 21 einer Arbeitskammer eingesetzt, die einen Strahlraum 20 umgibt. An der Oberseite ist es durch einen ringförmigen Deckel 13 abgedeckt. Das Innere des Gehäuses 11 ist mit einem Schüttungsbett 14 gefüllt, das den Ringraum zwischen der durchgeführten Achse 22 und der Innenseite des Gehäuses 11 vollständig ausfüllt.
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Das Schüttungsbett 14 besteht aus einzelnen Kugeln 15. Damit besteht die eigentliche Dichtungsvorrichtung nur aus mindestens zwei Komponenten, nämlich dem Gehäuse 11 und dem Schüttungsbett 14.
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Der Deckel 13 dient dazu, ein Eindringen von Schmutz in das Schüttungsbett von außen zu verhindern und zudem zu verhindern, dass einzelne Kugeln 15 mitgerissen werden, falls die Achse 22 vertikal nach oben gezogen wird.
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Ist die Achse 22 lediglich starr durch das Schüttungsbett 14 geführt oder rotiert sie darin, kann auf einen Deckel möglicherweise sogar verzichtet werden.
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Ein Vorteil der Verwendung von Kugeln 15 zur Bildung eines Schüttungsbetts 14 besteht darin, dass die zu unterst liegenden Lagen auf jeden Fall durch die oberen Lagen verdichtet werden. Die Schwerkraft der oben liegenden Lagen bewirkt zumindest bei polierten Metallkugeln, dass in den unteren Lagen zunächst noch entstehende Lücken gefüllt werden und eine dichte Kugelpackung eingenommen wird.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung bei einer Schiefstellung der Achse 22 gegenüber der Mittelachse des Gehäuses 11 der Dichtungsvorrichtung 10 bzw. bei einer Taumelbewegung. In diesem Fall wird das Schüttungsbett 14 durch die innen umlaufende Achse 22 fortwährend umgewälzt und entstehende Leerräume werden gefüllt. Der Durchmesser der Kugeln 15 muss lediglich so gewählt sein, dass er an allen Stellen des Umfangs mindestens der zweifachen maximalen Ringspaltbreite S entspricht.
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3a zeigt eine weitere erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung 10’, bei der eine Achse 22 in horizontaler Lage durch eine Durchführungsöffnung 12’ einer Arbeitskammerwand 21’ geführt werden soll.
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Bei der in 3a gezeigten Lage liegen sämtliche Kugeln 15’ des Schüttungsbetts 14’ noch unterhalb der Achse 22’ lose im Gehäuse 11’. Das Gehäuse 11’ besitzt eine größere axiale Ausdehnung als das Gehäuse 10’ bei der ersten beschriebenen Ausführungsform einer Dichtungsvorrichtung 10.
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Ein Deckel 13’ ist hier als ringförmiger Stempel ausgebildet, der zwischen die zylindrische Seitenwand des Gehäuses 11’ und die zentral durchgeführte Achse 22’ geschoben werden kann. Wird der Deckel 13’ also nach links geschoben, werden die unten im Gehäuse 11’ angesammelten Kugeln 15’ an der Achse 22 vorbei hoch gedrückt, bis sich wieder das in 3b gezeigte, mehrlagige Schüttungsbett 14’ ausgebildet hat, das den gesamten Umfang des Ringspalts 12’ überdeckt. Aus der verdichteten Stellung wird der Deckel 13’ nur etwas zurückgefahren, und zwar um weniger als die Hälfte des Kugeldurchmessers. Damit bleibt das Schüttungsbett 14 locker. Es werden keine Klemmkräfte zwischen den einzelnen Kugeln, dem Gehäuse 11’ und der Achse 22 erzeugt.
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Anderseits ist aber die Bewegung der Kugeln 15 soweit eingeschränkt, dass diese nicht wieder innerhalb des Gehäuses 11’ in eine tiefere Lage herabfallen können.
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Bei der in den 3a und 3b gezeigten Dichtungsvorrichtung 10’ ist ein Ablaufkanal 23’ vorgesehen, durch den in das Schüttungsbett 15’ eingedrungenes Strahlmittel oder Schüttgut-Abrieb aus dem Gehäuse 11’ und durch die Arbeitskammerwand 21’ in den Strahlraum abfließen können.
