-
Die Erfindung betrifft eine Sonotrode zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10, ein System zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19..
-
Bei einer Vielzahl technischer Anwendungen ist es erforderlich, Werkstücke oder Bauteile von unerwünschten Graten zu befreien, die bei der Fertigung entstehen können. Die Begriffe „Bauteil“ und „Werkstück“ werden im Folgenden als Synonyme verwendet.
-
Übliche Verfahren zum Entgraten von Bauteilen bzw. Werkstücken basieren zum einen auf der mechanischen Entfernung eines unterwünschten Grates mittels eines entsprechenden spanabhebenden Werkzeuges. Zum anderen werden Grate auf elektrochemische oder thermische Weise oder mittels Hochdruckwasserstrahlverfahren entfernt.
-
Alternativ ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Werkstücke mittels Ultraschall zu entgraten. Ein entsprechendes Verfahren zum Entgraten von Werkstücken mittels Ultraschall ist in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2015 106 343.3 der Anmelderin Weber Ultrasonics GmbH von 24. April 2015 beschrieben.
-
Zur Durchführung des vorbekannten Verfahrens werden die zu entgratenden Werkstücke oder Bauteile üblicherweise in einen Tank mit einer Flüssigkeit eingetaucht. Die Beaufschlagung mit Ultraschall erfolgt über eine Sonotrode, so dass akustische Kavitation auftritt. Durch die Dynamik der Kavitationsblasen in der Flüssigkeit werden die eventuell vorhandenen Grate an der Oberfläche des zu entgratenden Werkstücks abgesprengt.
-
Die Druckschrift
US 6,821,359 B2 betrifft ein Entgratverfahren, welches auch den Einsatz von Ultraschall vorsieht.
-
Die Druckschrift GB 969,546 betrifft ein Entgratverfahren unter Einsatz von Druckwellen, wobei das Werkstück in einen Flüssigkeitstank eingetaucht wird.
-
Die Druckschrift
US 2006/0128283 A1 beschreibt eine Sonotrode für den Einsatz in Ultraschallverfahren. Die Sonotrode ist mit einer Bohrung für eine Medienzufuhr ausgebildet und weist einen Auslass an der Spitze der Sonotrode auf.
-
Die Druckschrift
DE 3 606 304 A1 beschreibt eine Sonotrode, die Bohrungen zum Absaugen von Schleifmittelemulsion aufweist.
-
Die Druckschrift
US 2004/0250844 A1 beschreibt einen Ultraschallreiniger, der eine Zufuhr für ein Reinigungsmedium aufweist. Zur Reinigung wird das flache Ende eines Vibrationsbereichs an das zu reinigende Objekt gehalten, so dass die Vibrationen auf das Objekt übertragen werden. Gleichzeitig wird die Reinigungsflüssigkeit zugeführt.
-
Die Druckschrift betrifft ein handgehaltenes Ultraschallwerkzeug zum Entgraten.
-
Nachteilig an dem vorgenannten Stand der Technik ist, dass die vorbekannten Vorrichtungen relativ groß und teuer und eher auf eine Serienbehandlung der Werkstücke ausgelegt sind. Insbesondere einzelne schwer zugängliche Bereiche einzelner Werkstücke, wie beispielsweise Bohrungen zu entgraten, kann mit einem unverhältnismäßig großen Raumaufwand, Aufbauaufwand und Kostenaufwand verbunden sein.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine alternative Sonotrode bzw. ein alternatives Verfahren und eine alternative Vorrichtung zum Entraten von Werkstücken mit Ultraschall vorzuschlagen, die kostengünstig und einfach einsetzbar sind.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sonotrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10, durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 17 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sonotrode finden sich in den Ansprüchen 2 bis 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 11 bis 16. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems findet sich in Anspruch 18. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 20 bis 30. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
-
Eine erfindungsgemäße Sonotrode zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall umfasst, wie an sich bekannt, einen Sonotrodenkörper mit zumindest einer Sonotrodenfläche, wobei die Sonotrode einen Kanal zum Zuführen eines Ultraschall-Übertragungsmediums zu der Sonotrodenfläche aufweist.
-
Wesentlich ist, dass der Sonotrodenkörper eine Hülle aufweist, welche Hülle als Kanal zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums ausgebildet ist, und dass die Hülle relativ zu dem Sonotrodenkörper verschiebbar ausgebildet ist.
-
Bei dem Ultraschall-Übertragungsmedium handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit.
-
Aus Anwendungen für das Ultraschall-Reinigen ist grundsätzlich bekannt, dass bei Beaufschlagung eines Werkstücks mit Ultraschall in einer Flüssigkeit (Ultraschall-Übertragungsmedium) Kavitation auftritt. Die Kavitation tritt bevorzugt an Fehlstellen auf der Oberfläche des Werkstücks auf, da sich dort mikroskopische Gasbläschen beim Benetzen mit oder Eintauchen in die Flüssigkeit anhaften. Insbesondere an Graten und in Bohrungen kann dies daher der Fall sein.
-
An der Oberfläche von mit Ultraschallfrequenz schwingendenden Sonotroden, die mit einer Flüssigkeit benetzt sind oder in eine Flüssigkeit eintauchen, lässt sich eine besonders intensive Kavitation erzielen. Sonotroden sind im Allgemeinen Werkzeuge für das Ultraschall-Schweißen, die durch das Einleiten von hochfrequenten mechanischen Schwingungen (Ultraschall) in Schwingung versetzt werden. Sie stellen typischerweise die Verbindung vom Ultraschallwandler zum Werkstück her und leitet die Schwingungen in dieses ein.
-
Der Grund für die intensive Kavitation ist die gegenüber üblichen Schallwandlern für die Reinigungstechnik bei Sonotroden deutlich höhere Amplitude der mechanischen Auslenkung.
-
Die Sonotrode ist somit mit der zumindest einen Sonotrodenfläche in Schwingung versetzbar. Wird über den Kanal zu der Sonotrodenfläche ein Ultraschall-Übertragungsmedium zugeführt, entsteht bei Beaufschlagung mit Ultraschall in dem Ultraschall-Übertragungsmedium Kavitation, mit der das Werkstück entgratet werden kann.
-
Die erfindungsgemäße Sonotrode unterscheidet sich somit in wesentlichen Aspekten von vorbekannten Sonotroden: Die Sonotrode weist einen Kanal zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums zu der Sonotrodenfläche auf. Bei bisherigen Verfahren werden Werkstück und Sonotrode üblicherweise in einem gemeinsamen Tank mit dem Übertragungsmedium eingetaucht, um die Ultraschall-Schwingungen von der Sonotrode auf das zu entgratende Werkstück zu übertragen. Erfindungsgemäß kann das Ultraschall-Übertragungsmedium über den Kanal der Sonotrode direkt zu der Sonotrodenfläche zugeführt werden.
-
Hierdurch ergibt sich zum einen der Vorteil, dass keine aufwändige Vorrichtung mit Tank und entsprechenden Mengen an Ultraschall-Übertragungsmedium zum Entgraten notwendig ist. Damit wird sowohl Bauraum als auch Ultraschall-Übertragungsmedium eingespart. Weiter ist die Sonotrode individuell einsetzbar und ermöglicht auch das lokale Entgraten schwer zugänglicher Bereiche, wie Bohrungen oder Winkel, des zu entgratenden Werkstücks.
-
Ein weiterer Vorteil ist, dass auch sehr große Werkstücke, die nur schwer vollständig in ein Ultraschall-Übertragungsmedium eintauchbar sind, mit der erfindungsgemäßen Sonotrode beispielsweise abschnittsweise entgratet werden können.
-
Die erfindungsgemäße Sonotrode ermöglicht somit eine einfache, kompakte und kostengünstige Entgratung, die auch für gelegentliche und individuelle Einsätze geeignet ist.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall weist, wie an sich bekannt, wenigstens einen Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschall-Schwingungen auf sowie wenigstens eine Sonotrode, die zum Übertragen der Ultraschall-Schwingungen mit dem Ultraschallwandler mechanisch verbunden ist, wobei die Sonotrode mit wenigstens einer Sonotrodenfläche in der Nähe eines zu entratenden Werkstücks anordenbar ist. Die Sonotrode ist zumindest im Bereich der einen Sonotrodenfläche in Schwingung versetzbar.
-
Wesentlich ist, dass die Sonotrode, wie oben beschrieben, einen Kanal zum Zuführen eines Ultraschall-Übertragungsmediums zu der Sonotrodenfläche aufweist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall wird, wie an sich bekannt, unter Verwendung wenigstens einer Sonotrode durchgeführt und umfasst folgende Verfahrensschritte:
- A Übertragen von Ultraschall-Schwingungen an die Sonotrode;
- B Anordnen eines zu entgratenden Werkstücks in der Nähe einer Sonotrodenfläche der Sonotrode, um das Werkstück an wenigstens einer dieser Sonotrodenfläche gegenüberliegenden Seite oder Fläche zu entgraten;
- C Bereitstellen eines Ultraschall-Übertragungsmediums zumindest zwischen Werkstück und Sonotrodenfläche.
-
Wesentlich ist, dass das Bereitstellen des Ultraschall-Übertragungsmediums im Verfahrensschritt C durch Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums mittels einer Sonotrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 erfolgt.
-
Zwischen der schwingenden Sonotrodenfläche und der dieser Sonotrodenfläche gegenüberliegenden Seite oder Fläche des Werkstücks entsteht somit ein mit dem Übertragungsmedium angefüllter Bereich. Durch die mechanischen Schwingungen (Ultraschall-Schwingungen) der Sonotrode wird in diesem Bereich Kavitation erzeugt, um das Werkstück zu entgraten.
-
Dabei liegt es ebenso im Rahmen der Erfindung, dass der Verfahrensschritt C vor oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt A und/oder vor oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt B erfolgt. Ebenso kann der Verfahrensschritt B vor oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt A und/oder vor oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt C erfolgen. Das Ultraschall-Übertragungsmedium kann also sowohl über eine schwingende Sonotrode im Betriebszustand zugeführt werden. Ebenso kann zuerst das Ultraschall-Übertragungsmedium zugeführt und dann die Sonotrode in Schwingung versetzt und/oder an das Werkstück angenähert werden. Vorzugsweise wird kontinuierlich während des Entgratprozesses Ultraschall-Übertragungsmedium über die Sonotrode zugeführt.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen ebenfalls die vorgenannten Vorteile der erfindungsgemäßen Sonotrode auf.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kanal zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums zumindest abschnittsweise innerhalb des Sonotrodenkörpers der Sonotrode ausgebildet. Vorzugsweise mündet der Kanal im Bereich der Sonotrodenfläche. Der Kanal zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums weist somit einen Auslass für das Ultraschall-Übertragungsmedium an oder im Bereich der zumindest einen Sonotrodenfläche auf.
-
Vorzugsweise ist der Kanal als Bohrung im Inneren des Sonotrodenkörpers ausgebildet. Dabei kann der Kanal zentral oder dezentral im Sonotrodenkörper verlaufen. Der Durchmesser des Kanals hängt vom Gesamtdurchmesser der Sonotrode und von dem gewünschten Mediendurchsatz (an Ultraschall-Übertragungsmedium) ab. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser des Kanals wenigstens 1 mm und höchstens 50 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 10 mm, insbesondere bevorzugt zwischen 3 mm und 7 mm.
-
Alternativ ist der Kanal zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums als ein zumindest abschnittsweise außerhalb des Sonotrodenkörpers verlaufender Kanal ausgebildet.
-
Erfindungsgemäß weist die Sonotrode dazu eine Hülle auf, welche Hülle einen Kanal zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums ausbildet. Vorzugsweise ist diese Hülle als Zylinder ausgebildet. Das Hüllenmaterial ist vorzugsweise aus einem kavitationsbeständigen Material gestaltet, da auch entlang der schwingenden Mantelfläche der Sonotrode Kavitation auftritt, die zu einer Erosion des Hüllenmaterials führen kann. Als Materialien kommen hoch korrosionsfeste Edelstähle oder auch Kunststoffmaterialien in Betracht.
-
Die Hülle umgibt den Sonotrodenkörper vorzugsweise vollumfänglich in einem definierten Abstand. Der Kanal entsteht somit zwischen der äußeren Sonotrodenfläche und der Innenfläche der Hülle, die eine Führung des Ultraschall-Übertragungsmediums entlang der Sonotrode zu der Sonotrodenfläche ermöglicht. Vorzugsweise weist die Hülle umlaufend zumindest einen Abstand von 0,2 cm, bevorzugt 1 cm von dem Sonotrodenkörper auf. Insbesondere bevorzugt ist der Abstand zwischen Sonotrodenkörper und Hülle umlaufend kleiner als eine Wellenlänge der entsprechenden Ultraschallfrequenz, höchstvorzugsweise kleiner als eine halbe Wellenlänge der entsprechenden Ultraschallfrequenz von dem Sonotrodenkörper.
-
Die Hülle weist vorzugsweise in einem der Sonotrodenfläche zugewandten Bereich eine Öffnung auf, so dass der Kanal im Bereich der Sonotrodenfläche mündet. Hierdurch kann das Ultraschall-Übertragungsmedium in einfacher Art und Weise zu dem zu entgratenden Bereich des Werkstücks zugeführt werden.
-
Erfindungsgemäß ist die Hülle relativ zu dem Sonotrodenkörper verschiebbar ausgebildet. Die Hülle kann so ausgeführt werden, dass sie ein Eintauchen der Sonotrode in eine Bohrung und/ oder eine Vertiefung des zu entgratenden Werkstücks ermöglicht. Dies kann z.B. durch eine bewegliche Hülle realisiert werden. Vorzugsweise kann die Hülle entlang des Sonotrodenkörpers nach oben oder unten verschoben werden. In der oberen Stellung der Hülle ragt das dem Werkstück zugewandte Ende der Sonotrode über den Rand der Hülle hinaus. In der unteren Stellung der Hülle befindet sich der Sonotrodenkörper in der Hülle. Vorzugsweise schließen Sonotrode und Hülle an dem dem Werkstück zugewandten Ende in dieser Stellung bündig ab.
-
Durch ein Verschieben der Hülle entlang des Sonotrodenkörpers ragt ein Ende der Sonotrode mit der schwingenden Sonotrodenfläche aus der Hülle hinaus. Wird die Sonotrode im Betrieb über die Oberfläche eines zu entgratenden Werkstücks geführt, kann bei einer Bohrung, bspw. durch Druck die Hülle verschoben werden und der hervorragende Sonotrodenkörper kann so in einfacher Art und Weise in Bohrungen oder Vertiefungen eintauchen. Dabei kann durch den Kanal, der durch die Hülle und den übrigen Sonotrodenkörper gebildet wird, weiter eine Flüssigkeitszufuhr erfolgen.
-
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist die Sonotrode mit wenigstens einer schwingenden Sonotrodenfläche in einen mit einer Flüssigkeit füllbaren oder gefüllten Tank eintauchbar. Zwar ist es mit der erfindungsgemäßen Sonotrode nicht notwendig, das Werkstück in einem mit Flüssigkeit gefüllten Tank zu entgraten. Die erfindungsgemäße Sonotrode kann jedoch auch unter Medienniveau im eingetauchten Zustand zum Einsatz kommen. Dafür ist der Tank vorzugsweise mit dem Ultraschall-Übertragungsmedium gefüllt. Der Tank kann auch zum Auffangen des über die Sonotrode zugeführten Ultraschall-Übertragungsmediums dienen.
-
Zur Vergrößerung oder Verringerung der mechanischen Amplitude bei der Erzeugung der Ultraschall-Schwingungen ist zwischen dem Ultraschallwandler und der Sonotrode vorzugsweise ein mechanisches Verstärkungselemente (Booster, nachfolgend auch als Transformator bezeichnet) angeordnet. Dies ermöglicht hohe Amplituden und ist aus Anwendungen für das Ultraschallschweißen grundsätzlich bekannt.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zusätzlich wenigstens einen Ultraschallgenerator, der zum Versorgen des Ultraschallwandlers mit elektrischer Energie ausgebildet ist. Der Ultraschallgenerator regt den Ultraschallwandler zu mechanischen Schwingungen im Ultraschallbereich an.
-
Eine entsprechende Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Ultraschallgenerator zum Erzeugen einer Ultraschallfrequenz der Schwingungen von wenigstens etwa 10 kHz und höchstens etwa 50 kHz ausgebildet ist, vorzugsweise etwa 18 kHz bis etwa 35 kHz, höchst vorzugsweise etwa 20 kHz bis etwa 30 kHz.
-
Die schwingenden Sonotrodenfläche wird manuell oder durch eine spezielle Vorrichtung (d.h. Einrichtung zum definierten Anordnen eines zu entgratenden Werkstücks) in einem definierten Abstand bezüglich des zu entgratenden Werkstücks positioniert, so dass die dort auftretende intensive Kavitation zur Beseitigung von Graten führt. Die Positionierung ist vorteilhaft so ausgeführt oder einstellbar, dass der minimale Abstand zur schwingenden Fläche wenigstens 0,1 mm beträgt, dabei aber kleiner oder höchstens gleich groß ist wie eine akustische Wellenlänge im Ultraschall-Übertragungsmedium.
-
Alternativ kommt natürlich auch eine Bewegung des Werkstücks in Betracht, um die gewünschten Abstände einzustellen, wozu dieses in einer entsprechenden Positionierungseinrichtung angeordnet sein kann.
-
Vorzugsweise wird eine Einhaltung eines konstanten Abstands zwischen Werkstück und Sonotrodenfläche kontinuierlich überwacht.
-
Ultraschallwandler und Sonotrode sind in einer weiteren Ausführungsform als ein handgehaltenes Gerät ausgebildet, d. h. dass der Ultraschallwandler und die Sonotrode als ein gemeinsames Element ausgebildet sind, welches von einem Benutzer bei der Entgratung von Werkstücken mit Ultraschall händisch geführt wird. Details zu der handgehaltenen Sonotrode sind in der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 20 2015 104 150.0 der Anmelderin Weber Ultrasonics GmbH vom 7. August 2015 beschrieben, auf die hier vollumfänglich Bezug genommen wird. Ultraschallwandler und Sonotrode sind starr miteinander verbunden, um die mechanischen Schwingungen von dem Ultraschallwandler auf die Sonotrode zu übertragen.
-
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Sonotrode individuell einsetzbar ist und auch schwer erreichbare Bereiche eines zu entgratenden Werkstücks mit der handgehaltenen Vorrichtung mit Ultraschall beaufschlagt und so von störenden Graten befreit werden können. Insbesondere in schwer erreichbaren Bereichen, wie Bohrungen oder Winkeln, ist es mit der handgehaltenen Vorrichtung in einfacher Art und Weise möglich, unerwünschte Grate zu entfernen und diese Bereiche bis zu dem gewünschten Ergebnis lokal nachzubearbeiten.
-
Optional umfasst das erfindungsgemäße System einen Tank, welcher das Werkstück aufnimmt und mit einer Flüssigkeit füllbar oder gefüllt ist. Die Sonotrode ist mit wenigstens einer schwingenden Sonotrodenfläche in die Flüssigkeit eingetaucht oder eintauchbar. Dieser Tank ist aufgrund der Medienzufuhr durch den Sonotrodenkörper nicht zwingend notwendig. Erfindungsgemäß ist ein Entgraten auch möglich, ohne dass sich das Werkstück in einem mit Flüssigkeit gefüllten Tank befindet..
-
Vorzugsweise umfasst das System ein Reservoir für das Übertragungsmedium. Das Reservoir kann als beliebiger Behälter ausgebildet sein. Das Reservoir weist vorzugsweise eine Verbindung zu dem Kanal zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums auf. Durch diese Verbindung wird das Ultraschall-Übertragungsmedium zu dem Einlass des Kanals in oder an dem Sonotrodenkörper geleitet. Vorzugsweise ist der Tank zum Auffangen des Ultraschall-Übertragungsmediums geeignet und es ist eine Rückführung zwischen Tank und Reservoir für das Ultraschall-Übertragungsmedium vorgesehen.
-
Hierdurch ist eine Wiederverwendung des Ultraschall-Übertragungsmediums möglich.
-
Gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Ultraschall-Übertragungsmedium Wasser, vorzugsweise mit Zusatzstoffen, wie Tensiden oder Antikorrosiva, oder ein Lösungsmittel, vorzugsweise ein organisches Lösungsmittel oder ein Gemisch mehrerer organischer Lösungsmittel, höchst vorzugsweise ein Gemisch wenigstens eines organischen Lösungsmittels mit Wasser, oder ein Kühl-/Schmierstoff verwendet werden. Auf diese Weise lässt sich das Verfahren auch als ein kombiniertes Reinigungs- und Entgratverfahren anwenden.
-
Eine entsprechend Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ultraschall-Übertragungsmedium aus folgender Gruppe gewählt ist: Wasser, vorzugsweise mit Zusatzstoffen, wie Tensiden oder Antikorrosiva, oder ein Lösungsmittel, vorzugsweise ein organisches Lösungsmittel oder ein Gemisch mehrerer organischer Lösungsmittel, höchst vorzugsweise ein Gemisch wenigstens eines organischen Lösungsmittels mit Wasser, oder ein Kühl-/Schmierstoff.
-
Der hier verwendete Ausdruck „ein organisches Lösungsmittel“ umfasst - wie vorstehend bereits beschrieben - sowohl unverdünnte organische Lösungsmittel als auch Gemische von zwei oder mehr organischen Verbindungen, die allgemein von den Fachleuten als organische Lösungsmittel bezeichnet werden, sowie Mischungen einer oder mehrerer solcher organischen Verbindungen mit Wasser. Wenn ein Lösungsmittelgemisch verwendet wird, enthält das Gemisch vorzugsweise mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 70%, insbesondere mehr als 95% eines halogenfreien organischen Lösungsmittels, bezogen auf das Gesamtgewicht des Gemisches. Am vorteilhaftesten wird ein gänzlich halogenfreies organisches Lösungsmittel zur Reinigung verwendet. Wenn das verwendete Lösungsmittelgemisch Wasser enthält, enthält es vorzugsweise weniger als 80% Wasser, besonders bevorzugt weniger als 50% Wasser, insbesondere weniger als 30% Wasser, basierend auf das Gesamtgewicht der Mischung.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Werkstück unter Umgebungsbedingungen, insbesondere bei Umgebungsdruck entgratet. Das Entgraten kann somit ohne größeren Aufwand und auch bedarfsgerecht lokal durchgeführt werden
-
In einer alternativen Ausführungsform wird zumindest zeitweise und zumindest in dem mit dem Ultraschall-Übertragungsmedium angefüllten Bereich ein Unterdruck erzeugt. Der Unterdruck ist niedriger als ein Umgebungsdruck. Durch die beschriebene Unterdruckerzeugung im Bereich der Flüssigkeit kann die zum Entgraten genutzte Ultraschall-Kavitation noch schneller und wirksamer zur Anwendung gebracht werden, sodass sich ein weiter verbessertes Entgratungsergebnis in kürzerer Zeit erreichen lässt. Details zu dem EntgratVerfahren unter Unterdruck sind in der
deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2015 117 388.3 der Anmelder Hösel GmbH, LPW Reinigungssysteme GmbH, EMO Oberflächentechnik GmbH vom 13. Oktober 2015 beschrieben, auf die hier vollumfänglich Bezug genommen wird.
-
Als Unterdruckerzeugungseinheit (oder Vakuumerzeuger) kommen grundsätzlich alle dem Fachmann bekannten Einrichtungen in Betracht, wie beispielsweise und ohne Beschränkung Trockenläuferpumpen, Drehschieberpumpen, Flüssigkeitsringpumpen, Strahlpumpen oder (Kondensator-)Vakuumpumpen, letztere insbesondere bei Verwendung brennbarer Flüssigkeiten (Lösungsmittel).
-
Vorzugsweise liegt der Unterdruck um mindestens etwa 30 mbar bis 50 mbar unter dem Umgebungsdruck. Höchst vorzugsweise wird der Absolut-Wert des Unterdrucks in Abhängigkeit von dem verwendeten Übertragungsmedium gewählt.
-
Vorzugsweise liegt der Absolut-Wert des Unterdrucks unter etwa 700 mbar. Bei der Verwendung von Wasser als Übertragungsmedium liegt der Absolut-Wert des Unterdrucks vorzugsweise unter etwa 700 mbar, wenn der Umgebungsdruck bei etwa 1000 mbar liegt. Bei der Verwendung organischer Lösungsmittel und Gemischen von organischen Lösungsmitteln oder Gemische von organischen Lösungsmitteln mit Wasser liegt der Absolut-Wert des Unterdrucks vorzugsweise unter 200 mbar, insbesondere ≤ 125 mbar, speziell ≤ 100 mbar, wenn der Umgebungsdruck bei etwa 1000 mbar liegt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zumindest während der Unterdruckerzeugung und zumindest in dem mit dem Ultraschall-Übertragungsmedium angefüllten Bereich eine Temperatur eingestellt, die unterhalb eines Flammpunktes des Ultraschall-Übertragungsmediums liegt. Vorzugsweise liegt diese Temperatur etwa 5 °C, bevorzug 10 °C, insbesondere bevorzugt 15 °C unterhalb des Flammpunktes.
-
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn zumindest zeitweise während des Entgratens oder anschließend der Unterdruck bis auf etwa einen Absolutwert von Null abgesenkt wird, um das entgratete und ggf. gereinigte Werkstück zu trocknen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Sonotrode und/oder einer bevorzugten Ausführungsform hiervon ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer bevorzugten Ausführungsform hiervon ausgebildet.
-
Die erfindungsgemäße Sonotrode und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere für das Entgraten von Sacklöchern und Aussparungen geeignet.
-
Dabei ermöglicht die Flüssigkeitszufuhr (Ultraschall-Übertragungsmedium) mittels der Sonotrode ein gleichzeitiges oder anschließendes Ausspülen der Grate. Im Anschluss oder alternativ ist auch ein Absaugen des Ultraschall-Übertragungsmediums und/oder ein Ausblasen des Ultraschall-Übertragungsmediums beispielsweise aus Sacklöchern möglich.
-
Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert: Dabei zeigt:
- 1 ein Beispiel einer Sonotrode aus dem Stand der Technik;
- 2 ein Beispiel einer Sonotrode aus dem Stand der Technik;
- 3 ein Beispiel einer Sonotrode aus dem Stand der Technik.
- 4 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sonotrode.
-
In den 1 bis 4 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente. Alle Maßangaben sind exemplarisch zu verstehen und enthalten keine über die Patentansprüche hinausgehende Beschränkung.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung Sonotrode gemäß dem Stand der Technik.
-
Die Sonotrode weist einen Sonotrodenkörper 6 und eine Sonotrodenfläche 6a auf. In dem Sonotrodenkörper 6 verläuft ein Kanal 9, der im Bereich der Sonotrodenfläche 6a mündet. Die Sonotrode ist vorliegend beispielhaft als Zylinder mit einem Durchmesser von 1 cm ausgebildet. Der Kanal 9 verläuft zentral im Inneren der Sonotrode und weist einen Durchmesser von 5mm auf.
-
Der Kanal 9 hat einen Einlass 9a für die Zuführung des Ultraschall-Übertragungsmediums 8 und einen Auslass 9b für das Ultraschall-Übertragungsmedium 8. Der Kanal 9 mündet mit dem Auslass 9b an der schwingenden Sonotrodenfläche 6a. Der Einlass 9a ist in Längserstreckung des Sonotrodenkörpers 6 an dem der schwingenden Sonotrodenfläche 6a abgewandten Ende des Sonotrodenkörpers 6 vorgesehen.
-
Das Ultraschall-Übertragungsmedium 8 ist eine Flüssigkeit, vorliegend beispielhaft Wasser.
-
Zusätzlich dargestellt ist ein in Wirkverbindung mit der Sonotrode 6 angeordneter Ultraschallwandler 4 zur Umwandlung von elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen angeordnet. Zwischen Ultraschallwandler 4 und Sonotrode 6 ist ein mechanischer Transformator 5 zur Erhöhung der mechanischen Auslenkung angeordnet.
-
Die Sonotrode 6 ist im Betrieb mit einer Ultraschall-Schwingungen abstrahlenden Sonotrodenfläche 6a (schwingende Sonotrodenfläche) in einem Abstand von dem zu entgratenden Werkstück 7 angeordnet.
-
Der Ultraschallwandler 4 steht über das Kabel 10 in signaltechnischer Wirkverbindung mit einem Ultraschallgenerator 2 und wird durch diesen mit elektrischer Energie versorgt. Dabei verfügt der Ultraschallgenerator 2 über eine Regelung, welche die mechanische Amplitude des Ultraschallwandlers 4 regelt und eine Einstellung dieser Amplitude in einem Bereich von beispielsweise 10% bis 100% bezogen auf eine maximale mechanische Amplitude ermöglicht. Der Ultraschallwandler 4 ist vorliegend beispielhaft für eine maximale Schwingungsfrequenz im Bereich von 20 kHz ausgelegt. Solche Ultraschallgeneratoren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in Einrichtungen zum Ultraschall-Schweißen verwendet.
-
Für die Zuführung des Ultraschall-Übertragungsmediums 8 kann ein Reservoir (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welches beispielsweise über einen Schlauch an den Einlass 9a für die Zuführung des Ultraschall-Übertragungsmediums anschließbar ist.
-
Über den Kanal 9 kann das Übertragungsmedium in den Bereich zwischen schwingender Sonotrodenfläche 6a und Werkstück 7 zugeführt werden. Dadurch entsteht zwischen der schwingenden Sonotrodenfläche 6a und der dieser Sonotrodenfläche gegenüberliegenden Seite des Werkstücks 7 ein mit dem Ultraschall-Übertragungsmedium angefüllter Bereich 15. Durch eine kontinuierliche Zufuhr des Ultraschall-Übertragungsmediums ist der Bereich 15 ständig mit Ultraschall-Übertragungsmedium angefüllt.
-
Beim Betreiben der Sonotrode 6 mit Ultraschall tritt an der Oberfläche der schwingenden Sonotrodenfläche 6a eine intensive Kavitation auf. Diese Kavitation wird über das Ultraschall-Übertragungsmedium 8 übertragen und führt zu einer Beseitigung der Grate auf der Oberfläche des Werkstücks 7. Um das Werkstück 7 zu entgraten, kann die Sonotrode 6 mit der schwingenden Sonotrodenfläche 6a über die Oberfläche des Werkstücks 7 geführt werden. Dabei wird kontinuierlich Ultraschall-Übertragungsmedium 8 über den Kanal 9 zugeführt.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Sonotrode gemäß dem Stand der Technik.
-
Zur Vermeidung von Wiederholungen soll im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen den Figuren eingegangen werden.
-
Die Sonotrode weist einen Sonotrodenkörper 6 und eine Sonotrodenfläche 6a auf. In der Sonotrode verläuft ein Kanal 9, der im Bereich der Sonotrodenfläche 6a mündet. Vorliegend ist der Kanal 9 zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums als ein außerhalb des Sonotrodenkörpers 6 verlaufender Kanal 9 ausgebildet. Die Sonotrode ist vorliegend beispielhaft mit einem Zylinder mit einem Durchmesser von 20 mm ausgebildet.
-
Der Sonotrodenkörper 6 weist eine Hülle 11 auf. Die Hülle 11 ist als Zylinder ausgebildet und umgibt den Sonotrodenkörper 6 in seiner Längserstreckung vollständig. Die Hülle 11 umgibt den Sonotrodenkörper 6 mit einem definierten Abstand von umlaufend 1 cm.
-
Die Außenfläche des Sonotrodenkörpers 6 und die innere Fläche der Hülle 11 bilden den Kanal 9 und ermöglichen eine Führung des Ultraschall-Übertragungsmediums entlang der Sonotrode 6 zu der Sonotrodenfläche 6a.
-
Der Kanal 9 weist einen Einlass 9a und einen Auslass 9b für das Ultraschall-Übertragungsmedium 8 auf. Der Kanal 9 mündet mit dem Auslass 9b an der schwingenden Sonotrodenfläche 6a.
-
Vorliegend ist zusätzlich ein in Wirkverbindung mit der Sonotrode 6 angeordneter Ultraschallwandler 4 zur Umwandlung von elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen dargestellt, wie zu 1 beschrieben. Die Hülle 11 umgibt Ultraschallwandler 4 und den Sonotrodenkörper 6. Der Einlass 9a für das Ultraschall-Übertragungsmedium 8 ist in Längserstreckung des Sonotrodenkörpers 6 an dem der schwingenden Sonotrodenfläche 6a abgewandten Ende des Kanals 9 vorgesehen.
-
Über den Kanal 9 kann das Übertragungsmedium in den Bereich 15 zwischen schwingender Sonotrodenfläche 6a und Werkstück 7 zugeführt werden. Dadurch entsteht zwischen der schwingenden Sonotrodenfläche 6a und der dieser Sonotrodenfläche gegenüberliegenden Seite des Werkstücks 7 ein mit dem Übertragungsmedium angefüllter Bereich 15. Die Entgratung kann wie zu 1 beschrieben erfolgen.
-
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall gemäß dem Stand der Technik.
-
Zur Vermeidung von Wiederholungen soll im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen den Figuren eingegangen werden.
-
Das System umfasst eine Sonotrode 6, wie zu 1 beschrieben, als Teil einer Vorrichtung zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall.
-
Vorliegend umfasst das erfindungsgemäße System zusätzlich einen Tank 1, welcher das Werkstück 7 aufnimmt und mit Ultraschall-Übertragungsmedium 8 gefüllt ist. Das Werkstück 7 ist in dem Tank unterhalb des Füllstandes 1a des Ultraschall-Übertragungsmediums 8 angeordnet. Die Sonotrode 6 ist mit der schwingenden Sonotrodenfläche 6a in die Flüssigkeit eingetaucht.
-
Zwar ist es mit der erfindungsgemäßen Sonotrode nicht notwendig, das Werkstück 7 in einem mit Flüssigkeit gefüllten Tank 1 zu entgraten. Die erfindungsgemäße Sonotrode 6 kann jedoch auch unter Medienniveau im eingetauchten Zustand zum Einsatz kommen. Dafür ist der Tank 1 vorliegend mit dem Ultraschall-Übertragungsmedium 8 gefüllt.
-
Der Tank 1 ist zum Auffangen des Ultraschall-Übertragungsmediums 8 geeignet Optional kann eine Rückführung (nicht dargestellt) zwischen dem Tank und einem Behälter (nicht dargestellt) für das Ultraschall-Übertragungsmedium vorgesehen sein. Hierdurch ist eine Wiederverwendung des Ultraschall-Übertragungsmediums 8 möglich. Die Rückführung kann beispielsweise als Schlauch ausgebildet sein, der von dem Tank 1 zu dem Behälter für das Übertragungsmedium führt. Der Behälter ist mit einer Verbindung zu dem Kanal 9 ausgebildet zum Zuführen des Ultraschall-Übertragungsmediums 8. Mittels einer Pumpe kann das gebrauchte Ultraschall-Übertragungsmedium 8 aus dem Tank 1 in den Behälter für das Ultraschall-Übertragungsmedium 8 gepumpt werden und so wiederverwendet werden.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sonotrode zum Entgraten von Werkstücken mit Ultraschall.
-
Zur Vermeidung von Wiederholungen soll im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen den Figuren eingegangen werden.
-
Die Sonotrode 6 weist, wie zu 2 beschrieben, eine Hülle 11 auf. Die Hülle 11 ist als Zylinder ausgebildet und umgibt den Sonotrodenkörper 6 in seiner Längserstreckung zumindest teilweise.
-
Die Außenfläche des Sonotrodenkörpers 6 und die innere Fläche der Hülle 11 bilden den Kanal 9 und ermöglichen eine Führung des Ultraschall-Übertragungsmediums entlang der Sonotrode 6 zu der Sonotrodenfläche 6a.
-
Die Hülle 11 ist beweglich an dem Sonotrodenkörper 6 angeordnet, dargestellt durch die beiden Doppelpfeile. Vorliegend kann die Hülle entlang des Sonotrodenkörpers 6 nach oben oder unten verschoben werden. In der oberen Stellung der Hülle ragt das dem Werkstück 7 zugewandte Ende der Sonotrode über den Rand der Hülle 11 hinaus. In der unteren Stellung der Hülle 11 schließen Sonotrode 6 und Hülle 11 vorliegend bündig.
-
Der Einlass 9a für das Ultraschall-Übertragungsmedium 8 ist an dem dem Werkstück 7 abgewandten Ende der Hülle 11 angeordnet. Der Kanal 9 mündet mit dem Auslass 9b an der schwingenden Sonotrodenfläche 6a oder am Sonotrodenkörper 6, abhängig von der Stellung der Hülle11.
-
Durch die verschiebbare Ausgestaltung der Hülle 11 ist ein Eintauchen der Sonotrode in eine Bohrung und/oder eine Vertiefung möglich. Wird die Sonotrode im Betrieb über die Oberfläche eines zu entgratenden Werkstücks 7 geführt, kann bei einer Bohrung durch Druck die Hülle verschoben werden und der hervorragende Sonotrodenkörper 6 kann in die Bohrung eintauchen
