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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Strahlverfestigen von Oberflächenbereichen von Bauteilen mittels eines Strahlmediums gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Strahlverfestigen von Oberflächenbereichen von Tannenbaumprofilen eines Scheibenrads einer Rotorvorrichtung mittels eines Strahlmediums gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 10 näher definierten Art.
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Aus der Praxis sind Strahldüsen bekannt, mittels denen Oberflächenbereiche von Bauteilen kugelgestrahlt werden. Derartige Strahldüsen weisen eine zylindrische Düseneinheit zur Beschleunigung und Führung von Kugelstrahlmedium auf, wobei das Kugelstrahlmedium entlang einer Längsachse der Düseneinheit durch die Düseneinheit geführt wird und im Wesentlichen parallel zur Längsachse durch eine Auslassöffnung aus der Düseneinheit austritt. Über solche Strahldüsen wird beispielsweise versucht, Oberflächenbereiche von Tannenbaumprofilen von Scheibenrädern durch Kugelstrahlen zu verfestigen und Druckeigenspannungen in oberflächennahen Bereichen zu erzeugen.
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Während des Kugelstrahlprozesses ist die Längsachse der Düseneinheit radial zu einer solchen Scheibe ausgerichtet und in Umfangsrichtung des Scheibenrads im Bereich zwischen zwei zueinander benachbarten Tannenbaumfingern positioniert, wobei die Auslassöffnung der Düseneinheit in radialer Richtung der Scheibe mit definiertem Abstand zu radial äußeren Bereichen der Tannenbaumfinger angeordnet ist. Diese Positionierung der Strahldüse führt dazu, dass das Kugelstrahlmedium im Wesentlichen in radialer Richtung der Scheibe in den Bereich der Scheibe zwischen zwei Tannenbaumfingern eingebracht wird und sowohl Oberflächenbereiche des Tannenbaumprofils bzw. der Tannenbaumfinger als auch ein Nutgrund der Scheibe zwischen zwei benachbarten Tannbaumfingern sowie der Tannenbaumkopf mit dem Kugelstrahlmedium bei rotierendem Scheibenrad beaufschlagt werden.
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Aus der
EP 2 093 021 B1 ist eine weitere Bauform einer Strahldüse bekannt, die zum Kugelstrahlverfestigen von Bliskschaufeln einer Blisk vorgesehen ist. Die Strahldüse ist im Bereich ihrer Auslassöffnung mit einer Ablenkfläche ausgeführt, über die stromauf der Auslassöffnung in Richtung einer Längsachse der Strahldüse geführtes Strahlgut mit einem definierten Winkel gegenüber der Längsachse abgelenkt wird und mit dieser abgelenkten Strahlrichtung durch die Auslassöffnung aus der Strahldüse austritt. Zum Verfestigen der Bliskschaufeln wird die Strahldüse während des Kugelstrahlprozesses von außen in radialer Richtung in den Zwischenraum zwischen Bliskschaufeln einer Blisk geführt, wobei die Längsachse der Strahldüse in radialer Richtung der Blisk orientiert ist.
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Eine hierzu alternativ ausgeführte Strahldüse zum Kugelstrahlen von schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen eines Scheibenrads ist aus der
US 9,027,375 B2 bekannt. Die Strahldüse wird zum Verfestigen der Ausnehmungen jeweils in axialer Richtung des Scheibenrads in die Ausnehmungen geführt, wobei eine Längsachse der Strahldüse im Wesentlichen parallel zur Stellrichtung der Strahldüse ausgerichtet ist. Die Strahldüse weist eine Ablenkeinrichtung mit einer konusförmigen Ablenkfläche auf, wobei Kugeln eines in Längsrichtung in der Strahldüse geführten Strahlguts im Bereich der Ablenkeinrichtung in Umfangsrichtung der Strahldüse verteilt durch eine Auslassöffnung der Strahldüse austreten.
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Mit den vorstehend näher beschriebenen Strahldüsen sind Oberflächenbereiche von Bauteilen mit komplexer Geometrie nicht in gewünschtem Umfang verfestigbar, da die durch die Auslassöffnung der Strahldüsen austretenden Kugeln des Strahlguts nicht in dem dafür erforderlichen Umfang ausgehend von den Strahldüsen direkt auf alle Oberflächenbereiche auftreffen, sondern insbesondere Oberflächenbereiche von Hinterschneidungen lediglich von Strahlgut beaufschlagt werden, das zunächst auf dazu benachbarte Oberflächenbereiche auftrifft und von dort auf diese mit wesentlich geringerer Energie auftrifft. Dies ist dadurch bedingt, dass das Strahlgut mit in ungenügendem Umfang an die Oberflächenstruktur von zu strahlenden Bauteilen angepasster Strahlrichtung aus den Strahldüsen austritt. Um dennoch eine ausreichende Verfestigung der gesamten Oberfläche eines Bauteils zu erzielen, werden die Oberflächenbereiche, von denen ausgehend die mit den Strahldüsen nicht direkt zu strahlenden Oberflächenbereiche mit von dort abprallendem Strahlgut beaufschlagt werden, oftmals in einem eine Funktionsweise des Bauteils beeinträchtigenden Umfang gestrahlt bzw. überstrahlt, was jedoch unerwünscht ist.
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Weiterhin ist mit bekannten Strahldüsen eine Oberflächenbearbeitung von Tannenbaumfingern von Scheibenrädern nicht in erforderlichem Umfang möglich, da die bekannten Strahldüsen nicht dazu geeignet sind, sämtliche Oberflächenbereiche der Tannenbaumfinger auf kostengünstige Art und Weise innerhalb kurzer Fertigungszeiten gleichmäßig zu verfestigen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Strahlverfestigen von Oberflächenbereichen von Bauteilen mit komplexer Geometrie, insbesondere von Tannenbaumprofilen eines Scheibenrads einer Rotorvorrichtung, zur Verfügung zu stellen, mittels der bzw. dem eine gleichmäßige Verfestigung der Oberflächenbereiche innerhalb kurzer Fertigungszeiten auf kostengünstige Art und Weise durchführbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 10 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Strahlverfestigen von Oberflächenbereichen von Bauteilen, insbesondere von Tannenbaumprofilen eines Scheibenrads einer Rotorvorrichtung, mittels eines Strahlmediums ist mit einer Düseneinheit ausgeführt, die in Richtung einer Längsachse der Düseneinheit von Strahlmedium durchströmbar ist und eine Auslassöffnung für das Strahlmedium aus der Düseneinheit aufweist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Düseneinheit im Bereich der Auslassöffnung wenigstens zwei jeweils mit einer im Wesentlichen planen Fläche ausgeführte Austrittsbereiche für das Strahlmedium aufweist, wobei eine Fläche gegenüber der anderen Fläche um einen Winkel geneigt ist und eine Ablenkfläche darstellt, über die durch die Düseneinheit geführtes Strahlmedium bei einem Austritt aus der Auslassöffnung gegenüber der Längsachse der Düseneinheit ablenkbar ist.
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Mittels der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung sind komplex ausgeführte Oberflächenbereiche eines Bauteils vorteilhafterweise während eines Arbeitsschrittes über einen einfachen Bewegungsvorgang der Düseneinheit und in gewünschtem Umfang direkt mit Strahlmedium beaufschlagbar und in gewünschtem Umfang gleichmäßig verfestigbar. Dies wird dadurch erreicht, dass Teile des Strahlmediums bzw. des Strahlguts im Betrieb der Vorrichtung der Anordnung der Oberflächen des Bauteils entsprechend über eine daran angepasste Ausrichtung der Fläche und der Ablenkfläche zueinander jeweils mit definiert eingestellten und unterschiedlichen Austrittswinkeln aus der Vorrichtung austreten und in dem für ein einheitliches Bearbeitungsergebnis erforderlichen Umfang nach dem Austritt aus dem Düsenbereich direkt auf die Oberflächenbereiche auftreffen. Damit sind auch verschieden zueinander orientierte Oberflächenbereiche eines Bauteils mit der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung in einem Arbeitsvorgang und einer einfachen Stellbewegung der Vorrichtung während des Strahlprozesses in definiertem Umfang verfestigbar.
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Die Ablenkfläche ist dabei insbesondere relativ zu der Fläche je nach Anwendungsfall bezüglich der Längsachse der Düseneinheit um einen Winkel und/oder bezüglich einer senkrecht zu der Längsachse ausgerichteten Querrichtung der Düseneinheit um einen Winkel geneigt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Düseneinheit zumindest im Bereich der Auslassöffnung einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist. Insbesondere wenn eine Breite des Querschnitts der Düseneinheit ein Vielfaches einer Höhe des Querschnitts der Düseneinheit beträgt, ist auf einfache Weise ein breiter, durch die Auslassöffnung aus der Düseneinheit austretender Strahl des Strahlmediums erzielbar, mit dem ein großer Bereich eines Bauteils in einem Arbeitsgang bearbeitbar ist.
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Wenn die Fläche parallel zu einer sich im Wesentlichen in Richtung der Längsachse der Düseneinheit erstreckenden Grundfläche der Düseneinheit angeordnet ist, tritt das Strahlmedium im Betrieb der Vorrichtung im Bereich der Fläche ohne abgelenkt zu werden in Richtung der Längsachse durch die Auslassöffnung aus der Düseneinheit aus. Zwei zueinander winklig angeordnete Strahlbereiche sind mit einer derartigen Vorrichtung auf konstruktiv einfache Weise erzielbar. Vorzugsweise ist die Fläche Teil einer Grundfläche der Düseneinheit, die insbesondere einer die Auslassöffnung aufweisenden Wandung der Düseneinheit gegenüberliegt.
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Bei einer hierzu alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt die Fläche eine weitere Ablenkfläche dar, über die durch die Düseneinheit geführtes Strahlmedium bei einem Austritt aus der Auslassöffnung gegenüber der Längsachse der Düseneinheit abgelenkt wird, wobei die weitere Ablenkfläche gegenüber der Längsachse und/oder der Querrichtung der Düseneinheit um einen Winkel geneigt ist. Mit einer derartigen Vorrichtung sind insbesondere verschiedene Oberflächenbereiche eines Tannenbaumprofils eines Scheibenrads bei einer axialen Einführung der Vorrichtung in Zwischenräume zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Tannenbaumfingern in gewünschtem Umfang direkt mit Strahlmedium beaufschlagbar.
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Die Ablenkfläche und die weitere Ablenkfläche schließen bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen im Wesentlichen identischen Winkel gegenüber der Längsachse oder der Querrichtung der Düseneinheit ein, wobei der Winkel insbesondere zwischen 35° und 55° liegt und vorzugsweise etwa 45° beträgt. Hierdurch ist das sowohl aus dem ersten Austrittsbereich als auch aus dem zweiten Austrittsbereich der Auslassöffnung austretende Strahlmedium bei einer Einführung der Vorrichtung in axialer Richtung eines Scheibenrads in Bereiche zwischen Tannenbaumfingern in einem günstigen Winkel auf die Oberflächen der Tannenbaumfinger führbar. Die Winkel können jedoch auch außerhalb des genannten Winkelbereichs liegen und je nach Anwendungsfall flexibel angepasst werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ablenkfläche gegenüber der weiteren Ablenkfläche in Richtung der Längsachse oder in Querrichtung der Düseneinheit um einen Winkel von 35° bis 55°, insbesondere um etwa 45° geneigt. Mit einer derart ausgeführten Vorrichtung sind in Umfangsrichtung eines Scheibenrads seitliche Bereiche von Tannenbaumfingern über im Bereich der ersten Ablenkfläche abgelenktes Strahlmedium und gleichzeitig ein in Umfangsrichtung seitlicher Bereich eines Nutgrundes zwischen in Umfangsrichtung des Scheibenrads benachbarten Tannenbaumfingern über im Bereich der zweiten Ablenkfläche abgelenktes Strahlmedium direkt mit Strahlmedium beaufschlagbar und in gewünschtem Umfang bearbeitbar bzw. verfestigbar.
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Um eine besonders günstige Bearbeitung von Oberflächenbereichen eines eine komplexe Geometrie aufweisenden Bauteils in einem einzigen Arbeitsgang in definiertem Umfang erzielen zu können, weist die Düseneinheit im Bereich der Auslassöffnung wenigstens einen weiteren, mit einer planen Fläche ausgeführten Austrittsbereich auf, wobei die plane Fläche des weiteren Austrittsbereichs gegenüber der Fläche und/oder der Ablenkfläche bezüglich der Längsachse und/oder der Querrichtung der Düseneinheit um einen Winkel geneigt ist. Die Düseneinheit kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Austrittsbereichen aufweisen, die vorzugsweise jeweils mit einer planen Fläche bzw. Ablenkfläche ausgeführt sind.
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Um eine Beschleunigung des Strahlmediums im Bereich der Düseneinheit auf einfache Weise in gewünschtem Umfang erzielen zu können, kann ein stromauf der Auslassöffnung angeordneter Düseneinlauf der Düseneinheit einen ersten Strömungsquerschnitt, einen sich stromab hieran anschließenden zweiten Strömungsquerschnitt und einen sich wiederum stromab daran anschließenden dritten Strömungsquerschnitt aufweisen, wobei der erste Strömungsquerschnitt größer als der zweite Strömungsquerschnitt und der zweite Strömungsquerschnitt kleiner als der dritte Strömungsquerschnitt ist. Der Düseneinlauf ist vorzugsweise in der Art einer sogenannten Venturidüse ausgebildet.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein stromab des Düseneinlaufs und stromauf der Auslassöffnung angeordneter Strömungsbereich vorgesehen, der in Strömungsrichtung des Strahlmediums einen konstanten Strömungsquerschnitt, einen sich erweiternden Strömungsquerschnitt und/oder einen sich reduzierenden Strömungsquerschnitt aufweist. Je nach Anwendungsfall und Ausführung des Strömungsbereichs ist auf einfache Weise eine laminare Strömung des Strahlmediums zwischen dem Düseneinlauf und der Auslassöffnung im Bereich der Düseneinheit erzielbar, wodurch das Strahlmedium dem jeweiligen Austrittsbereich in homogener Weise zuführbar ist und mit definierter Strahlrichtung aus der Düseneinheit austritt.
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Nimmt der Strömungsquerschnitt über der Länge des Strömungsbereichs ausgehend vom Düseneinlauf in Richtung der Auslassöffnung zu, wird eine definierte Aufspreizung des durch die Auslassöffnung in Form eines Strahlkegels austretenden Strahlmediums erreicht, wohingegen das Strahlmedium bei einem mit einem konstanten Strömungsquerschnitt ausgeführten Strömungsbereich im Wesentlichen gleichgerichtet bzw. mit einer wesentlich geringeren Aufspreizung durch die Auslassöffnung aus der Düseneinheit austritt.
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Je nach Anwendungsfall sind eine Querschnittsform, eine Querschnittsgröße und eine Länge des Strömungsbereichs in Richtung der Längsachse der Düsen anpassbar, um im Betrieb der Vorrichtung die Strömung des Strahlmediums gezielt zu beeinflussen. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass der Strömungsbereich der Düseneinheit einen konischen Strömungsquerschnitt oder einen im Wesentlichen rechteckigen Strömungsquerschnitt aufweist.
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Weist die Düseneinheit im Strömungsbereich lediglich im Wesentlichen plane Flächen im Wesentlichen ohne Rundungen in den Übergangsbereichen auf, ist eine Richtung des durch den jeweiligen Austrittsbereich austretenden Strahlmediums im Betrieb der Vorrichtung in einem für eine hohe Strahlgüte erforderlichen Umfang exakt einstellbar.
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Insbesondere wenn im Bereich der gesamten Düseneinheit lediglich im Wesentlichen plane Oberflächen vorgesehen sind und Übergangsbereiche zwischen jeweils aneinander grenzenden Oberflächen im Wesentlichen ohne Verrundungen ausgeführt sind, durchströmt das Strahlgut die Düseneinheit in der Form, dass das Strahlgut über den gesamten Querschnitt der Düseneinheit homogen verteilt durch die Düseneinheit geführt wird. Hierdurch wird auf einfache Weise erreicht, dass das Strahlgut wiederum den gesamten Querschnitt der Auslassöffnung nutzend aus der Düseneinheit austritt und wiederum ein gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis erreicht wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere ein die Ablenkfläche und/oder die weitere Ablenkfläche ausbildender Bereich der Düseneinheit mit gehärtetem Stahl ausgeführt.
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Wenn die Vorrichtung zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete Düseneinheiten aufweist, sind auf konstruktiv einfache Weise zwei einander abgewandte Oberflächenbereiche eines Bauteils, insbesondere Oberflächenbereiche eines Tannenbaumfingers eines Scheibenrads, gleichzeitig bearbeitbar.
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Es wird weiterhin ein Verfahren zum Strahlverfestigen von Oberflächenbereichen von Tannenbaumprofilen eines Scheibenrads einer Rotorvorrichtung mittels eines Strahlmediums vorgeschlagen, wobei ein Strahlmedium im Bereich einer Vorrichtung beschleunigt und im Bereich einer Auslassöffnung aus der Vorrichtung geführt wird, und wobei die Vorrichtung zum Strahlverfestigen im Wesentlichen in axialer Richtung des Scheibenrads in einen Zwischenraum zwischen in Umfangsrichtung des Scheibenrads benachbarten Tannenbaumfingern des Tannenbaumprofils geführt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Strahlmedium in einem mit einer planen Fläche ausgeführten Austrittsbereich der Auslassöffnung in Richtung eines Tannenbaumfingers des Tannenbaumprofils abgelenkt wird.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhafterweise eine gleichmäßige Bearbeitung von Oberflächenbereichen des Tannenbaumprofils erzielbar, da bei der Einführung der Vorrichtung in axialer Richtung des Scheibenrads sämtliche Bereiche einer in Umfangsrichtung zugewandten Oberfläche eines Tannenbaumfingers direkt mit Strahlmedium beaufschlagbar sind. Die Vorrichtung weist hierzu bei in dem Zwischenraum zwischen benachbarten Tannenbaumfingern eingeführter Position eine im Wesentlichen einer Erstreckung der Tannenbaumfinger in radialer Richtung des Scheibenrads entsprechende Erstreckung auf.
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Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Strahlmedium in dem Austrittsbereich der Auslassöffnung im Wesentlichen senkrecht zu einer sich in radialer Richtung des Scheibenrads erstreckenden Mittelachse des zu bearbeitenden Tannenbaumfingers des Tannenbaumprofils erstreckenden Richtung eines Tannenbaumfingers des Tannenbaumprofils abgelenkt. Hierdurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass sämtliche in Umfangsrichtung des Scheibenrads weisenden Bereiche der Tannenbaumfinger direkt von dem Strahlmedium getroffen werden.
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Wenn das Strahlmedium auch durch einen weiteren Austrittsbereich aus der Vorrichtung geführt wird, wobei das Strahlmedium in dem weiteren Austrittsbereich der Auslassöffnung um einen Winkel gegenüber einer Senkrechten zu einer sich in radialer Richtung des Scheibenrads erstreckenden Mittelachse des zu bearbeitenden Tannenbaumfingers des Tannenbaumprofils abgelenkt wird, kann auf einfache Weise auch ein in Umfangsrichtung seitlicher und in radialer Richtung innerer Bereich eines Nutgrundes zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Tannenbaumfingern direkt von dem Strahlmedium getroffen werden. Der aus dem weiteren Austrittsbereich austretende Strahl des Strahlmediums ist in Strömungsrichtung des Strahlmediums bei zwischen den Tannenbaumfingern angeordneter Vorrichtung insbesondere in radialer Richtung nach innen geneigt.
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Das Strahlverfestigen des Tannenbaumprofils wird vorzugsweise mit einer oben näher beschriebenen Vorrichtung durchgeführt, wobei eine Querachse der insbesondere im Bereich der Auslassöffnung mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführten Düseneinheit während der Bearbeitung eines Tannenbaumfingers im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse des zu bearbeitenden Tannenbaumfingers geführt wird. Hierdurch kann auf einfache Weise sichergestellt werden, dass nahezu sämtliche in Umfangsrichtung des Scheibenrads seitlichen Bereiche des zu bearbeitenden Tannenbaumfingers direkt von dem Strahlmedium getroffen werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung derart durch den Zwischenraum von benachbarten Tannenbaumfingern geführt wird, dass die Querachse der Düseneinheit parallel zu einer radialen Richtung in einem in Umfangsrichtung mittigen Bereich zwischen benachbarten Tannenbaumfingern angeordnet ist. Grundsätzlich sind auch sämtliche Zwischenstellungen zwischen den beschriebenen Positionen möglich.
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Alle Tannenbaumfinger eines Scheibenrads sind besonders schnell bearbeitbar, wenn ein Tannenbaumfinger gleichzeitig auf zwei in Umfangsrichtung des Scheibenrads einander abgewandten Seiten mit jeweils einer Düseneinheit der Vorrichtung strahlverfestigt wird.
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Um Tannenbaumfinger in jedem Oberflächenbereich mit gewünschten Prozessparametern bearbeiten zu können, werden bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens Kopfbereiche von Tannenbaumfingern und Nutgründe, die zwischen in Umfangsrichtung des Scheibenrads benachbarten Tannenbaumfingern des Tannenbaumprofils angeordnet sind, mittels einer zweiten Vorrichtung strahlverfestigt, wobei die zweite Vorrichtung ein Strahlmedium von radial außerhalb des Scheibenrads im Wesentlichen in radialer Richtung direkt auf die Tannenbaumfingerköpfe und die Nutgründe führt.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen und den nachfolgend unter Bezugnahme auf die in der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei zugunsten der Übersichtlichkeit jeweils für bau- und funktionsgleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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Es zeigt:
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1 eine vereinfachte, dreidimensionale Ansicht eines Ausschnitts eines Scheibenrads einer Rotorvorrichtung und einer Vorrichtung zum Strahlverfestigen von Oberflächenbereichen eines Tannenbaumprofils des Scheibenrads;
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2 eine vereinfachte Ansicht eines Ausschnitts eines Querschnitts des Scheibenrads gemäß 1, wobei zwei Düseneinheiten der Vorrichtung dargestellt sind;
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3 eine vereinfachte, dreidimensionale Darstellung einer Düseneinheit der Vorrichtung gemäß 1 und 2;
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4 und 5 vereinfachte, dreidimensionale Ansichten eines Ausschnitts der Düseneinheit gemäß 1 bis 3;
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6 eine stark vereinfachte Längsschnittansicht der Düseneinheit gemäß 1 bis 5; und
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7 eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer alternativ ausgeführten Düseneinheit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Strahlverfestigen von Oberflächenbereichen eines Bauteils.
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In 1 bis 6 ist eine Vorrichtung 1 zum Strahlverfestigen, insbesondere zum Kugelstrahlverfestigen von Oberflächenbereichen von Bauteilen gezeigt, wobei die Vorrichtung 1 vorliegend zur Oberflächenbearbeitung eines Scheibenrads 3 einer Rotorvorrichtung eines Strahltriebwerks und insbesondere eines sogenannten Tannenbaumprofils 2 des Scheibenrads 3 vorgesehen ist. Mittels der Vorrichtung 1 ist eine Dauerschwingfestigkeit des Scheibenrads 3 verbesserbar, wobei mittels der Bearbeitung ein positiver Effekt hinsichtlich Rissbildung und Rissausbreitung erzielbar ist und somit die Haltbarkeit des Scheibenrads 3 erhöht werden kann.
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Das Tannenbaumprofil 2 des zu bearbeitenden Scheibenrads 3 weist in Umfangsrichtung U des Scheibenrads 3 verteilt eine Vielzahl von insbesondere baugleich ausgeführten, sich im Wesentlichen in radialer Richtung R des Scheibenrads 3 erstreckenden, gezackten Tannenbaumfingern 4 auf. Zwischen in Umfangsrichtung U benachbarten Tannenbaumfingern 4 liegt jeweils ein sich im Wesentlichen in axialer Richtung A des Scheibenrads 3 erstreckender Zwischenraum 5 vor. Im Bereich der Zwischenräume 5 sind jeweils nicht näher dargestellte Schaufeln, beispielsweise Verdichter- oder Turbinenschaufeln vorzugsweise eines Strahltriebwerks im Bereich des Tannenbaumprofils 2 mit dem Scheibenrad 3 in Wirkverbindung bringbar.
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Die Vorrichtung 1 umfasst vorliegend zwei Düseneinheiten 6, 7 auf, die jeweils eine Einlaufeinrichtung 23, 24 aufweisen und mit einer separaten oder mit einer gemeinsamen, in 1 nur schematisch dargestellten Bewegungseinheit 8 bzw. Düsenhalteeinrichtung in Wirkverbindung bringbar sind. Die Bewegungseinheit 8 wiederum kann mit einer Automatisierungseinrichtung bzw. einem Roboter, z. B. einem 6-Achs-Knickarmrobotor, zusammenwirken, wobei die Bewegungseinheit Teil einer Bearbeitungsvorrichtung sein kann und wobei mittels der Bewegungseinheit eine Bewegung der Vorrichtung 1 bzw. der Düseneinheiten 6, 7 in gewünschtem Umfang steuerbar ist.
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Im Folgenden wird die Düseneinheit 6 näher beschrieben, wobei die Düseneinheit 7 im Wesentlichen baugleich zu der Düseneinheit 6 ausgeführt ist, so dass die Ausführungen zu der Düseneinheit 6 auch auf die Düseneinheit 7 zutreffen. Die Düseneinheiten 6, 7 der Vorrichtung 1 sind dabei bezüglich einer in 1 gezeigten Mittelebene 41 der Vorrichtung 1 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet.
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Die als Strahldüse ausgeführte Düseneinheit 6 hat einen Einlaufbereich 10, an den sich stromab ein Strömungsbereich 11 anschließt. Wiederum stromab des Strömungsbereichs 11 weist die Strahldüse 6 eine Auslassöffnung 12 für das durch die Strahldüse 6 geführte Strahlmedium 9 auf. Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird durch die Strahldüse 6 ein Strahlmedium 9 bzw. Strahlgut geführt, wobei Strahlkörper 25 des Strahlmediums 9 im Betrieb der Vorrichtung 1 stromauf des Einlaufbereichs 10 in bekannter Weise der Strahldüse 6 zugeführt werden. Die insbesondere kugelförmigen Strahlkörper 25 bzw. Strahlpartikel bestehen vorzugsweise aus Metall, Glas, Keramik oder einem anderen, geeigneten Material.
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Im Betrieb der Vorrichtung 1 werden die Strahlkörper 25 in der Strahldüse 6 im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse 13 der Strahldüse 6 in Richtung eines Pfeils 14 geführt, wobei die Strahlkörper 25 im Einlaufbereich 10 beschleunigt werden. Der Einlaufbereich 10 ist hierfür mit einem ersten, einem Eintrittsbereich bzw. Düseneinlauf 15 zugewandten Strömungsquerschnitt 16 ausgeführt. An den ersten Strömungsquerschnitt 16 schließt sich in Strömungsrichtung 14 der Strahlkörper 25 ein zweiter Strömungsquerschnitt 17 mit einer gegenüber dem ersten Strömungsquerschnitt 16 reduzierten Querschnittsfläche an. Wiederum stromab des zweiten Strömungsquerschnitts 17 weist der Einlaufbereich 10 einen dritten Strömungsquerschnitt 18 auf, der mit einer gegenüber dem zweiten Strömungsquerschnitt 17 erweiterten Querschnittsfläche ausgeführt ist. Der Einlaufbereich 10 ist vorliegend in der Art einer sogenannten Venturidüse ausgeführt.
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Stromab des Einlaufbereichs 10 ist der Strömungsbereich 11 vorgesehen, der vorliegend einen im Wesentlichen rechteckigen Strömungsquerschnitt aufweist und im Bereich der Auslassöffnung 12 mit einer Breite b sowie einer Höhe h ausgeführt ist. Alternativ hierzu kann der Strömungsbereich beispielsweise auch mit einer konischen Innenkontur ausgeführt sein.
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In Strömungsrichtung der Strahlkörper 25 schließt sich an den Strömungsbereich 11 die Auslassöffnung 12 an, durch die die Strahlkörper 25 die Strahldüse 6 verlassen. Die Auslassöffnung 12 ist durch eine Ausnehmung 32 im Bereich einer Wandung 33 gebildet, wobei die Wandung 33 einer eine Grundfläche darstellenden Wandung 34 der Strahldüse 6 gegenüberliegend vorgesehen ist. Sowohl die Wandung 33 als auch die Wandung 34 erstrecken sich über die gesamte Breite b der Strahldüse 6 und sind in Seitenbereichen des Strömungsbereichs 11 von jeweils einer Seitenwand 35, 36 miteinander verbunden, die jeweils die Höhe h der Strahldüse 6 definieren.
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Der Strömungsbereich 11 weist vorliegend eine kontinuierliche Querschnittserweiterung ausgehend von einem dem Einlaufbereich 10 zugewandten Endbereich 19 bis zu einem der Auslassöffnung 12 zugewandten Endbereich 20 auf. Hierfür schließt entweder die Wandung 33 oder die Wandung 34 oder schließen die Wandungen 33 und 34 in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalls jeweils einen Winkel mit der Längsachse 13 ein. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass die Seitenwand 35 und/oder die Seitenwand 36 jeweils einen Winkel mit der Längsachse 13 einschließt bzw. einschließen, um über einer Düsenlänge 21 eine zumindest bereichsweise Vergrößerung des Strömungsquerschnitts des Strömungsbereichs 11 zu erzielen.
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Die Länge 21 bzw. Düsenlänge des Strömungsbereichs 11 in Richtung der Längsachse 13 der Strahldüse 6 ist derart gewählt, dass sich im Betrieb der Vorrichtung 1 im Bereich des Strömungsbereichs 11 vorzugsweise eine laminare Strömung der Strahlkörper 25 ausbildet. Dabei wird die Auslegung der Düsenlänge 21 jeweils in Abhängigkeit des Querschnittsverlaufs, der Querschnittsform sowie der durch die Düseneinheit jeweils zu führende Menge des Strahlguts durchgeführt.
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Im Bereich der Auslassöffnung 12 sind vorliegend zwei in Querrichtung 22 der Strahldüse 6 nebeneinander angeordnete Austrittsbereiche 26, 27 vorgesehen, die jeweils mit einer im Wesentlichen planen Fläche 28, 29 ausgeführt sind. Die Flächen 28, 29 stellen jeweils Ablenkflächen für die Strahlkörper 25 dar. Im Betrieb der Vorrichtung 1 strömen die Strahlkörper 25 vom Einlaufbereich 10 durch den Strömungsbereich 11 und treffen auf die Ablenkflächen 28, 29 der Austrittsbereiche 26, 27.
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Unter der Bezeichnung Querrichtung 22 der Strahldüse 6 wird vorliegend eine orthogonal zu der Längsachse 13 und orthogonal zu einer Hochachse 60 stehende Erstreckungsrichtung der Strahldüse 6 verstanden, womit die Querrichtung 22, die Längsachse 13 und die Hochachse 60 ein Koordinatensystem aufspannen, dessen Nullpunkt auf der Längsachse 13 liegt.
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Die Ablenkflächen 28, 29 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Strahldüse 6 in der Längsschnittansicht gemäß 6 jeweils um einen Winkel α von vorliegend etwa 45° gegenüber der von der Längsachse 13 und der Querrichtung 22 aufgespannten Ebene E1 geneigt und damit auch gegenüber den Wandungen 33 und 34 angestellt. Dabei steigt die Ablenkfläche 28 ausgehend von der Wandung 34 in Längsrichtung des Strömungsbereichs 11 der Strahldüse 6 in Richtung der Verlängerung der oberen Wandung 33 gegenüber der Längsachse 13 um den Winkel α an, wobei eine Schnittgerade zwischen der Ablenkfläche 28 und der Ebene E1 parallel zur Querrichtung 22 der Strahldüse 6 verlaufend angeordnet ist. Bei alternativen Ausführungen der Erfindung weichen der Winkel zwischen der Ablenkfläche 28 und der Längsachse 13 und der Winkel zwischen der Ablenkfläche 29 und der Längsachse 13 voneinander ab.
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Im Unterschied zu der Ablenkfläche 28 schneidet die Ablenkfläche 29 die Ebene E1 in einer Schnittgeraden, die sowohl mit der Querrichtung 22 der Strahldüse 6 als auch mit der Längsachse 13 einen Winkel β bzw. γ von vorliegend 45° einschließt. Bei weiteren Ausführungsformen weichen die Winkel β und γ in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalls in geeignetem Umfang voneinander ab, um ein gewünschtes Strahlergebnis eines zu bearbeitenden Bauteils zu erreichen. Dabei ist die Ablenkfläche 29 gegenüber den Wandungen 33 und 34 sowie den Seitenwänden 35 und 36 so angestellt, dass ein Abstand in Richtung der Längsachse 13 zwischen einem sich an den Austrittsbereich 26 anschließenden Bereich des Austrittsbereichs 27 und dem Einlaufbereich 10 kleiner ist als ein Abstand zwischen dem Einlaufbereich 10 und dem der Seitenwand 35 zugewandten Bereich des Austrittsbereichs 27.
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Die vorbeschriebenen winkeligen Anordnungen der Ablenkflächen 28, 29 bewirken im Betrieb der Strahldüse 6, dass das im Strömungsbereich 11 in Richtung der Auslassöffnung 12 geführte Strahlgut 9 im Bereich der Ablenkflächen 28, 29 gegenüber ihrer Strömungsrichtung innerhalb der Strahldüse 6 in definiertem Umfang abgelenkt werden, wobei der im Bereich des ersten Austrittsbereichs 26 abgelenkte Teil des Strahlgutes 9 in gewünschtem Umfang mit einer anderen Strömungsrichtung aus der Strahldüse 6 austritt als der Teil des Strahlgutes 9, der durch den zweiten Austrittsbereich 27 aus der Strahldüse 6 ausströmt.
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Bezüglich der Querrichtung 22 erstreckt sich der zweite Austrittsbereich 27 vorliegend etwa über ein Viertel und der erste Austrittsbereich 26 über etwa drei Viertel der Breite b der Strahldüse 6 im Bereich der Auslassöffnung 12. Diese Erstreckung der Austrittsbereiche 26, 27, die vorliegend mit gehärtetem Stahl ausgeführt sind, kann entsprechend des jeweiligen Anwendungsfalls beliebig variiert werden.
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In einem in Querrichtung 22 aneinander grenzenden Bereich der Austrittsbereiche 26 und 27 ragt die Ablenkfläche 29 weiter entgegen der Strömungsrichtung als die Ablenkfläche 28, so dass die Austrittsbereiche 26 und 27 vorliegend durch eine sich im Wesentlichen in Strömungsrichtung erstreckende Wandung 39 voneinander getrennt sind. Dabei ist die Wandung 39 im Wesentlichen parallel zu einer von der Längsachse 13 und der Hochachse 60 aufgespannten Ebene E2 verlaufend angeordnet.
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Um einen Austritt der Strahlkörper 25 im Betrieb der Vorrichtung 1 aus der Strahldüse 6 möglichst störungsfrei durchführen zu können, weist ein dem zweiten Austrittsbereich 27 zugeordneter Bereich der Auslassöffnung 12 gegenüber einem Bereich, der dem ersten Austrittsbereich 26 zugeordnet ist, in Richtung der Längsachse 13 entgegen der Strömungsrichtung der Strahlkörper 25 einen Rücksprung 65 auf, der durch eine dafür erforderliche Aussparung im Bereich der Wandung 33 gebildet ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist ein vorteilhafterweise homogenes Strahlfeld sowohl des durch den ersten Austrittsbereich 26 austretenden Strahlmediums 9 als auch des durch den zweiten Austrittsbereich 27 austretenden Strahlmediums 9 erzielbar, so dass ein gewünscht gleichmäßiges Bearbeitungsergebnis der zu bearbeitenden Bauteiloberflächen erzielbar ist.
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Die Strahldüsen 6, 7 der Vorrichtung 1 sind im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer in 1 gezeigten Mittelebene 41 der Vorrichtung 1 angeordnet, so dass mittels der Vorrichtung 1, wie in 1 gezeigt, in einem Arbeitsgang ein Tannenbaumfinger 4 des Scheibenrads 3 von zwei Seiten bearbeitbar ist. Über die Strahldüse 6 ist ein in Umfangsrichtung U des Scheibenrads 3 in eine erste Richtung weisender Seitenbereich eines Tannenbaumfingers 4 bearbeitbar, wohingegen über die Strahldüse 7 ein in Umfangsrichtung U des Scheibenrads 3 in eine zweite Richtung weisender Seitenbereich desselben Tannenbaumfingers 4 mit Strahlgut beaufschlagbar ist. Dabei ist die zweite Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt zu der ersten Richtung orientiert.
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In 2 ist ersichtlich, dass die Ebenen E1 der Strahldüsen 6, 7 während der Bearbeitung eines Tannenbaumfingers 4 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Zudem sind die Ebenen E1 der Strahldüsen 6, 7 während der Bearbeitung eines Tannenbaumfingers 4 auch im Wesentlichen parallel zu einer Mittelachse 49 des aktuell zu bearbeitenden Tannenbaumfingers 4 angeordnet. Des Weiteren sind die Ebenen E1 der Strahldüsen 6, 7 gegenüber in radialer Richtung des Scheibenrads 3 verlaufenden Mittelebenen ME44A und ME44B zwischen dem Tannenbaumfinger 4 und einem dazu benachbarten Tannenbaumfinger 4A bzw. 4B geneigt.
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Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass die Ebene E1 der Strahldüse 6 parallel zu der Mittelebene ME44A und/oder die Ebene E1 der Strahldüse 7 parallel zu der Mittelebene ME44B während der Bearbeitung des Tannenbaumfingers 4 angeordnet ist.
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Wie beispielsweise in 1 und 2 näher dargestellt ist, entspricht die Breite b der jeweiligen Strahldüse 6, 7 im Bereich der jeweiligen Auslassöffnung 12 im Wesentlichen der Erstreckung der zu bearbeitenden Tannenbaumfinger 4 in radialer Richtung R des Scheibenrads 3. Hierdurch können große Oberflächenbereiche des Tannenbaumfingers 4 gleichzeitig bearbeitet werden.
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In der in 1 und 2 gezeigten Bearbeitungsposition der Vorrichtung 1 ist der erste Austrittsbereich 26 in einem in radialer Richtung R äußeren Bereich und der zweite Austrittsbereich 27 in einem in radialer Richtung R inneren Bereich der Strahldüse 6 bzw. 7 angeordnet. Im Betrieb der Vorrichtung 1 treten Strahlkörper 25 durch den ersten Austrittsbereich 26 im Wesentlichen in Umfangsrichtung U des Scheibenrads 3 aus, wobei die durch den ersten Austrittsbereich 26 austretenden Strahlkörper 25 vorliegend zur Bearbeitung von in Umfangsrichtung U des Scheibenrads 3 seitlichen Bereichen der Tannenbaumfinger 4, insbesondere von Vorkragungen bzw. Nocken 50 der Tannenbaumfinger 4, vorgesehen sind. Eine Hauptbewegungsrichtung dieser Strahlkörper 25 ist mit dem Bezugszeichen 56 versehen. Durch in Richtung 56 bewegte Strahlkörper 25 werden sowohl Druckflanken 51 und Zugflanken 52 der Vorkragungen 50 als auch Fußradien 53 zwischen in radialer Richtung R benachbarten Vorkragungen 50 direkt getroffen, so dass die entsprechenden Oberflächenbereiche des Tannenbaumfingers 4 gleichmäßig strahlverfestigt werden können.
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Durch die jeweilige Strahldüse 6, 7 geführte Strahlkörper 25, die auf die Ablenkfläche 29 treffen und durch den zweiten Austrittsbereich 27 aus der Strahldüse 6, 7 austreten, werden in der Bearbeitungsposition der Vorrichtung 1 ebenfalls in Umfangsrichtung U gegenüber der Längsachse 13 und zusätzlich durch die gegenüber der Querrichtung 22 um den Winkel β geneigte Ablenkfläche 29 in radialer Richtung R des Scheibenrads 3 nach innen abgelenkt. Eine Hauptbewegungsrichtung der durch den zweiten Austrittsbereich 27 austretenden Strahlkörper 25 ist mit dem Bezugszeichen 57 versehen. Mit den im Bereich der Ablenkfläche 29 in Pfeilrichtung 57 abgelenkten Strahlkörpern 25 ist hierdurch vorteilhafterweise ein in Umfangsrichtung U des Scheibenrads 3 seitlicher Bereich 66 eines zwischen zwei in Umfangsrichtung U des Scheibenrads 3 benachbarten Tannenbaumfingern 4 angeordneten Nutgrunds 54 mit Strahlkörpern 25 direkt beaufschlagt und wird hierdurch strahlverfestigt.
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Zur Bearbeitung eines Tannenbaumfingers 4 wird die Vorrichtung 1 im Wesentlichen dem Verlauf der Zwischenräume 5 folgend und beispielsweise lediglich in axialer Richtung A gegenüber dem Scheibenrad 3 bewegt, so dass die Strahldüsen 6, 7 einen Tannenbaumfinger 4 von zwei in Umfangsrichtung weisenden Seiten von einem ersten axialen Endbereich bis zu einem zweiten axialen Endbereich strahlverfestigen. Anschließend wird die Vorrichtung 1 außer Eingriff mit dem Scheibenrad 3 gebracht und das Scheibenrad 3 in Umfangsrichtung U gedreht. Wiederum anschließend wird die Vorrichtung 1 zur Bearbeitung des in Umfangsrichtung U benachbarten Tannenbaumfingers 4 in axialer Richtung A wiederum in Eingriff mit dem Scheibenrad 3 gebracht. In dieser Weise wird weiter verfahren, bis sämtliche Tannenbaumfinger 4 des Tannenbaumprofils 2 bearbeitet sind.
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In einem hieran anschließenden oder einem vorangehenden Verfahrensschritt können die Nutgründe 54 und Kopfbereiche 55 der Tannenbaumfinger 4 mit einer nicht näher gezeigten weiteren Strahldüse strahlverfestigt werden. Eine solche Strahldüse wird zur Bearbeitung insbesondere in radialer Richtung R außerhalb des Scheibenrads 3 angeordnet und Strahlkörper werden insbesondere im Wesentlichen in radialer Richtung R auf den jeweiligen Nutgrund 54 und/oder Kopfbereich 55 gerichtet aufgebracht.
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In 7 ist eine alternativ zu der Strahldüse 6 ausgeführte Strahldüse 45 gezeigt, wobei im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu der Strahldüse 6 eingegangen wird.
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Die Strahldüse 45 weist wiederum zwei Austrittsbereiche 26, 27 auf, wobei der erste Austrittsbereich 26 mit einer planen Ablenkfläche 46 ausgeführt ist, die vergleichbar zu der Ablenkfläche 28 angeordnet ist. Auch der zweite Austrittsbereich 27 weist eine Fläche 47 auf, die in dem Austrittsbereich 27 Teil der Grundfläche der Wandung 34 der Strahldüse 45 ist. In dem Austrittsbereich 27 werden somit im Betrieb der Strahldüse 45 die Strahlkörper 25 nicht abgelenkt, sondern verlassen die Strahldüse 45 mit der Strömungsrichtung im Strömungsbereich 11.
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Somit treten die Strahlkörper 25, die die Auslassöffnung 12 im Bereich des ersten Austrittsbereichs 26 verlassen, im Betrieb der Strahldüse 45 mit einem anderen Winkel gegenüber der Längsachse 13 der Strahldüse 45 aus der Strahldüse 45 aus als die Strahlkörper, die die Auslassöffnung 12 im Bereich des zweiten Austrittsbereichs 27 verlassen.
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Auch die Strahldüse 45 kann zum Strahlverfestigen von Bauteilen, insbesondere mit komplex ausgeführten Oberflächenbereichen eingesetzt werden, die gleichzeitig mit in unterschiedlichen Winkeln aus der Strahldüse 45 austretenden Strahlkörpern 25 bearbeitet werden sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Tannenbaumprofil
- 3
- Scheibenrad
- 4, 4A, 4B
- Tannenbaumfinger
- 5
- Zwischenraum
- 6, 7
- Düseneinheit; Strahldüse
- 8
- Bewegungseinheit
- 9
- Strahlmedium
- 10
- Einlaufbereich
- 11
- Strömungsbereich; Beruhigungsbereich
- 12
- Auslassöffnung
- 13
- Längsachse
- 14
- Pfeil
- 15
- Düseneinlauf
- 16
- erster Strömungsquerschnitt
- 17
- zweiter Strömungsquerschnitt
- 18
- dritter Strömungsquerschnitt
- 19
- Endbereich
- 20
- Endbereich
- 21
- Länge
- 22
- Querrichtung
- 23, 24
- Einlaufeinrichtung
- 25
- Strahlkörper
- 26
- erster Austrittsbereich
- 27
- zweiter Austrittsbereich
- 28, 29
- Ablenkfläche
- 32
- Ausnehmung
- 33, 34
- Wandung
- 35, 36
- Seitenwand
- 39
- Wandung
- 41
- Mittelebene
- 45
- Düseneinheit; Strahldüse
- 46
- Ablenkfläche
- 47
- Fläche
- 49
- Mittelachse
- 50
- Vorkragung
- 51
- Druckflanke
- 52
- Zugflanke
- 53
- Fußradius
- 54
- Nutgrund
- 55
- Kopfbereich
- 56, 57
- Pfeil
- 60
- Hochachse
- 65
- Rücksprung
- 66
- seitlicher Bereich des Nutgrunds
- α, β, γ
- Winkel
- b
- Breite
- h
- öHhe
- E1, E2
- Ebene
- ME44A
- Mittelebene
- ME44B
- Mittelebene
- A
- axiale Richtung
- R
- radiale Richtung
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2093021 B1 [0004]
- US 9027375 B2 [0005]
