DE102016107840A1

DE102016107840A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Werkstücken aus Metall

Info

Publication number: DE102016107840A1
Application number: DE102016107840.9A
Authority: DE
Inventors: Antonio Alvarez; Dietmar Sonntag
Original assignee: Elwema Automotive GmbH
Current assignee: Elwema Automotive GmbH
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-11-02
Also published as: CN109328117A; EP3448590B1; CN115156139A; RU2018137901A3; EP3448590A1; WO2017186888A1; US20190210073A1; RU2018137901A; CN109328117B; RU2741977C2

Abstract

Bei herkömmlichen Verfahren zur Reinigung der Oberfläche von Werkstücken mittels Dampf oder Heißwasser in der automatischen Fertigung kann die Temperatur von Werkstücken so verändert werden, dass die Abmessungen aufgrund der thermischen Ausdehnung die Toleranzen überschreiten und die nachfolgende Montage oder Bearbeitung erst nach einem Temperierschritt möglich ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Reinigung einen Strahl von Dampf oder Heißwasser abtastend über die Oberfläche des Werkstücks zu bewegen und dieses Verfahren unter vermindertem Druck auszuführen, so dass die auf der Oberfläche vorhandenen Reste kondensierten Dampfs oder Wassers mindestens teilweise verdampfen und dabei dem Werkstück die durch den Dampf oder das Heißwasser zugeführte Wärme wieder entziehen. Bevorzugt wird dabei gleichzeitig die gereinigte Oberfläche getrocknet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Werkstücken aus Metall mittels eines Strahls aus Wasserdampf- und/oder Heißwasser.
STAND DER TECHNIK
Werkstücke aus Metall werden in der Massenproduktion häufig auf automatischen Fertigungsstraßen bearbeitet und fertiggestellt. Besonders in der Automobilindustrie spielen solche Verfahren eine große Rolle. Dabei werden häufig spanende Bearbeitungsverfahren angewendet, in denen Schmiermittel eingesetzt werden sowie Späne und Grate entstehen. In der letzten Zeit hat sich die so genannte Minimalmengenschmierung durchgesetzt, bei der nur geringe Mengen, beispielsweise < 100 (Mindermengenkühlschmierung, MMKS) oder gar < 20 ml/h (Minimalmengenschmierung, MMS), des Kühlschmiermittels angewendet werden. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass nur sehr geringe Mengen an flüssigen Abfällen auftreten und dass die anfallenden Späne nicht verunreinigt werden und leicht der Wiederverwendung zugeführt werden können. Bevor solche Werkstücke weiter bearbeitet oder in Baugruppen montiert werden, müssen Verunreinigungen, etwa durch Reste des Kühlschmiermittels, entfernt werden. Hierzu sind zahlreiche Verfahren bekannt, die wässrige oder nicht wässrige Lösemittel anwenden, wobei neuerdings wässrige Lösungsmittel bevorzugt werden, da sie weniger Kosten und Umweltprobleme verursachen.
Üblicherweise werden die Werkstücke in die Lösemittel eingetaucht und/oder mit einem Strahl des Lösemittels behandelt. Dabei werden nicht nur Schmiermittelreste und Späne sondern auch störende Grate entfernt.
In der DE 44 10 550 C1 wird ein Verfahren zum Trocknen von Werkstücken, welche einem Reinigungs- und Spülvorgang unterzogen wurden, in einer druckdichten Kammer beschrieben, wobei die Teile in der Kammer zunächst durch mit Überdruck eingeleiteten Wasserdampf erwärmt werden, wobei die Teile durch das gebildete Kondenswasser zunächst gespült werden. Wird danach der Druck gegebenenfalls unter Atmosphärendruck vermindert, dann verdampfen die Kondenswasserreste auf der Oberfläche der Teile, die dann der Kammer trocken entnommen werden können. Dabei unterliegen die Teile starken Temperaturschwankungen, beispielsweise von über 100 °C bis nahe 0 °C.
In industriellen Reinigungsprozessen ist die Anwendung von Unterdruck zum Zwecke der Trocknung von gereinigten Werkstücken beim sog. „Vakuumtrocknen“ bekannt. Die Trocknung erfolgt hierbei im Anschluss an die eigentliche Reinigung in einem separaten Arbeitsschritt.
DE 10 2007 027 944 A1 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum Reinigen von Gegenständen, die mit Öl- oder fett-haltigen Bearbeitungsrückständen verunreinigt sind, mit Hilfe eines Hochdruck-Dampfstrahls in einer geschlossenen Behandlungskammer unter einem Druck, der niedriger als der Atmosphärendruck ist, wobei in den Hochdruck-Dampfstrahl Reinigungs- oder Abrasivmittel eingeführt werden. Auch bei diesem Verfahren unterliegt das Werkstück starken Temperaturschwankungen.
Es hat sich gezeigt, dass es nachteilig ist, wenn die Teile nach dem Reinigen und gegebenenfalls Trocknen eine wesentlich andere Temperatur als die Umgebung, in der die weitere Bearbeitung bzw. Montage stattfinden soll, haben. Beispielsweise wird ein Werkstück aus Aluminium (linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient 23·10^–6) mit einem Durchmesser von 100 mm bei einer Erwärmung um 10 K um 23 µm größer. Soll es in eine entsprechend große Bohrung eingebaut werden, dann verändert sich durch Temperaturausgleich der Charakter der Passung. Bei einer weiteren Bearbeitung besteht andererseits die Gefahr, dass zu viel Material entfernt wird. Das Werkstück muss also vor der Montage temperiert werden, was bei größeren Objekten einen merklichen Zeitaufwand erfordert.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem Werkstücke aus Metall, insbesondere nach spanender Bearbeitung unter Minimalmengenschmierung, gereinigt und gegebenenfalls getrocknet werden können, wobei die Temperatur des Werkstücks in einem Rahmen bleibt, der eine weitere Bearbeitung oder eine Montage ohne vorherige Temperierung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich dieses Verfahren ausführen lässt.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 16.
Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, dass bei der Reinigung mit einem Strahl aus Dampf- und/oder Heißwasser, insbesondere aus Wasserdampf, die vorhandenen Verunreinigungen vom Werkstück abgestreift werden können, wenn ein solcher Strahl abtastend relativ zur Oberfläche des Werkstücks geführt wird, wenn gleichzeitig ein Unterdruck gegenüber dem äußeren Atmosphärendruck eingestellt wird. Durch den Unterdruck wird das auf der Oberfläche verbleibende Wasser verdampft und dabei der bearbeiteten Stelle die durch den Dampf bzw. das Heißwasser zugeführte Wärme zumindest teilweise wieder entzogen, so dass diese Stelle die vor der Bearbeitung herrschende Temperatur wieder annimmt, bevor die Wärme sich im Werkstück ausbreiten kann. Die Verunreinigungen werden dabei mit dem gegebenenfalls kondensierten Wasser sowohl in der Abtastrichtung über die Oberfläche transportiert und können am Ende der Abtastbahn in einen Sumpf abtropfen, als auch durch Verspritzen von der Oberfläche entfernt. An der Auftreffstelle bleibt nur reines Wasser, gegebenenfalls aus der Kondensation des Dampfs, zurück, das aufgrund des Unterdrucks rückstandsfrei verdampfen kann.
Das Heißwasser hat vor dem Passieren der Düse bevorzugt eine Temperatur von 70 bis 95 °C. Wird Dampf angewendet, dann hat dieser vor dem Passieren der Düse bevorzugt einen Druck von 0,2 bis 1 MPa, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,4 MPa, insbesondere 0,3 MPa (absolut) und eine Temperatur zwischen 120 und 200 °C, besonders bevorzugt 135 bis 160 °C, insbesondere 140 °C.
Die Verwendung von Wasserdampf, insbesondere von Heißdampf (ungesättigter Dampf bzw. Trockendampf) oder Sattdampf, ist bevorzugt. Vorzugsweise wird zur Dampferzeugung Wasser ohne Zusätze verwendet.
Es wird bevorzugt ein Elektroden-Dampferzeuger zur Dampferzeugung eingesetzt. Hierbei wird vorzugsweise kein demineralisiertes Wasser, sondern Wasser mit ausreichender Leitfähigkeit, insbesondere mit Mineralgehalt verwendet, z.B. Leitungs- oder Brunnenwasser. Das Wasser kann dabei insbesondere im Kreislauf zirkuliert werden.
Betreffend die Relativbewegung des Strahls bedeutet „abtastend“ in diesem Zusammenhang, dass die Auftreffstelle, d.h. die Stelle an der der Strahl aus Dampf bzw. Heißwasser auf die Oberfläche des Werkstücks trifft und Verunreinigungen von der Oberfläche im Wasser bzw. Kondenswasser aufgenommen werden, auf einer zusammenhängenden Bahn in der Richtung von einem Ende des Werkstücks zum anderen Ende geführt wird. Diese Abtastbahn kann einen zusammenhängenden Verlauf von einem Ende zum anderen haben oder auch aus mehreren Abschnitten bestehen. Sind mehrere Düsen zur Strahlerzeugung vorhanden, können mehrere den einzelnen Düsen zugeordnete Abtastbahnen vorhanden sein oder es können auch einzelne oder alle Düsen nur jeweils einen Abschnitt zu einer Abtastbahn beitragen. Im einfachsten Fall können so viele Düsen um das Werkstück angeordnet sein, dass sich die entsprechenden Abtaststellen überlappen und durch eine einfache Linearbewegung die gesamte Oberfläche des Werkstücks gereinigt und getrocknet werden kann.
Der verminderte Druck im geschlossenen Behälter liegt bevorzugt zwischen 850 und 20 hPa absolut, besonders bevorzugt zwischen 100 und 300 hPa absolut.
In bevorzugter Ausführung kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die an der Werkstückoberfläche zurückgebliebenen Reste von Wasser vollständig verdampft, d.h. dass eine Trocknung der Werkstückoberfläche im gleichen Arbeitsschritt wie die Reinigung erfolgt. Da das Werkstück danach trocken und temperiert ist, kann es unmittelbar weiter bearbeitet oder montiert werden.
Bevorzugt wird das Abtasten der Oberfläche des Werkstücks so durchgeführt, dass die Abtaststelle sich auf einer schraubenförmigen Bahn bewegt, die sich durch Überlagerung einer Kreisbewegung und einer Linearbewegung ergibt. Hierbei erfolgt der Transport der Verunreinigungen kontinuierlich in einer Richtung, die der der Linearbewegung entgegengesetzt ist, zum Ende des Werkstücks hin. Für eine solche Ausführungsform ist eine Düse ausreichend. Die Linearbewegung kann kontinuierlich sein. Sie kann aber auch schrittweise beispielsweise nach jeweils einer oder mehreren vollständigen Kreisbewegungen ausgeführt werden.
Das Abtasten kann vorteilhaft erfolgen, indem das Werkstück, die Düse oder beide Teile bewegt werden. Die kreisförmige Bewegung kann beispielsweise auf einfache Weise bewirkt werden, indem das Werkstück um eine Achse gedreht wird, die mit der Richtungsachse der Linearbewegung zusammenfällt. Es ist aber auch möglich, nur die Düse auf einer geschlossenen Bahn um das Werkstück zu bewegen. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Düse nach Vollendung einer Kreisbahn wieder zum Ausgangspunkt zurückzuführen, um die Versorgung der Düse mit Dampf bzw. Heißwasser zu erleichtern. Während der Rückführung kann die Linearbewegung angehalten werden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der das Werkstück linear an einer Anordnung mit mindestens einer um eine zu ihrer eigenen Achse parallele Achse rotierenden Düse vorbeigeführt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Düsen vorhanden, die in Richtung der Linearbewegung und/oder in einer Ebene um das Werkstück herum, vorzugsweise mit jeweils gleichen Winkelabständen, angeordnet sind. Im letzteren Fall kann es vorteilhaft sein, wenn die Düsen keine vollständigen Kreisbewegungen sondern nur Kreisbögen beschreiben, deren Länge beispielsweise dem Winkelabstand oder einem Vielfachen davon entsprechen kann. Nach der Bewegung über einen solchen Kreisbogen werden sie zurückgeführt, wodurch sich eine oszillierende Bewegung ergibt. Dadurch wird die Versorgung der Düsen mit Dampf oder Heißwasser erleichtert. Stattdessen oder zusätzlich kann auch das Werkstück um eine Achse oszillierend bewegt werden. Diese Achse ist bevorzugt die Richtung der Linearbewegung.
Ferner ist es vorteilhaft, die Bewegung so auszuführen, dass ihre Richtung senkrecht ist, also beispielsweise das Werkstück senkrecht von unten nach oben und/oder die Düsen von oben nach unten zu bewegen. Dabei unterstützt die Schwerkraft den Transport der Verunreinigungen und des Reinigungswassers zum unteren Bereich des Behälters und zum Sumpf hin.
Dieser Transport wird bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform auch gefördert, wenn die Düsen so zur Werkstück angeordnet sind, dass der Strahl aus Dampf oder Heißwasser mit der Richtung der Linearbewegung einen Winkel zwischen beispielsweise 90 und 135°, bevorzugt zwischen 90 und 105° bildet, das heißt schräg nach unten gerichtet ist. Um bei komplizierteren Werkstücken mit Sacklöchern, Hinterschneidungen und dergleichen die gesamte Oberfläche reinigen zu können, werden können bevorzugt zusätzliche Düsen angebracht werden, bei denen der Strahl aus Dampf oder Heißwasser senkrecht zur Linearbewegung oder in einem Winkel von beispielsweise 45 bis 90°, bevorzugt 75 bis 90° d.h. schräg nach oben gerichtet ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich eine oder mehrere Düsen auf einem beispielsweise kreuz- oder scheibenförmigen Düsenträger, der weiter bevorzugt drehbar eingerichtet ist. Die Strahlrichtungen der einen oder mehreren Düsen können dabei mit einer Senkrechten zur zu behandelnden Oberfläche einen Winkel von 0 bis 45°, bevorzugt 0 bis 15° bilden, d.h. senkrecht oder schräg zu dieser Oberfläche ausgerichtet sein. Durch Rotation des Düsenträgeres wechselt so ggf. die Richtung der Schrägstellung. Insbesondere können auf einem Düsenträger auch Düsen von in den genannten Grenzen unterschiedlicher Richtung angeordnet sein. Hierdurch wird die Reinigungswirkung bei komplexen Bauteilen (mit zerklüfteten Oberflächen) weiter verbessert. Die Erfindung eignet sich insbesondere für spanabhebend bearbeitete Werkstücke aus Metall.
Die Drehzahl eines rotierenden Düsenträgers liegt bevorzugt oberhalb von 750 min^–1, besonders bevorzugt zwischen 1250 und 1750 min^–1, insbesondere bei 1500 min^–1.
Bei der Anordnung der Düsen auf einem Düsenträger kann ein gewisser Bereich um die Rotationsachse freigelassen werden. Dieser Bereich kann mit einer Rotorblattstruktur, ggf. mit Durchbrüchen zur Rückseite, versehen sein und erzeugt dann infolge der Rotation eine Sogwirkung vom Werkstück weg, wodurch der Abtransport von Kondensat und Wasserdampf sowie die Trocknung gefördert werden.
Das vom Werkstück nach unten ablaufende Wasser sowie auch das an der Behälterinnenwand nach unten ablaufende Spritzwasser sammelt sich am Boden des Behälters in einem Sumpf und kann dort abgesaugt oder abgelassen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ergänzt werden, indem vor dem Einbringen des Werkstückes in den geschlossenen Behälter zum Reinigen und gegebenenfalls Trocknen auf dessen Oberfläche eine wässrige Lösung eines Reinigungsmittels aufgetragen, bevorzugt aufgesprüht wird, wie es beispielsweise in der anhängigen Patentanmeldung DE 10 2014 101 123 A1 beschrieben ist. Hierbei wird auf das Werkstück ein Reinigerkonzentrat mit einem Gehalt von mindestens 0,5 Gewichtsprozent eines nichtionischen oder anionischen Tensids aufgetragen. Das nichtionische Tensid kann ein Alkoxylat eines Fettalkohols mit 6 bis 22 Kohlenstoffatomen im Alkylrest sein. Das anionische Tensid kann ein Sulfat, Sulfonat oder eine Carbonsäure mit aliphatischen, aromatischen oder aliphatischen-aromatischen Kohlenwasserstoffrest sein. Das Auftragen der Reinigungslösung kann auch durch vorübergehendes Eintauchen in ein Bad erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Oberflächentemperatur des Werkstücks hinter der Auftreffstelle, in deren Bewegungsrichtung gesehen, berührungslos gemessen. Danach werden Unterdruck und Massenstrom des Dampfs oder des Heißwassers so geregelt, dass sich die gewünschte Oberflächentemperatur, beispielsweise die Temperatur im Werkstück vor der Reinigung oder die bei der weiteren Bearbeitung oder Montage herrschende Temperatur ergibt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Werkstücktemperatur durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und damit die Abmessung des Werkstücks verändert wird.
Bevorzugt wird das Verfahren so ausgeführt, dass die Temperatur des Werkstücks nach Ende der Reinigung und gegebenenfalls Trocknung um nicht mehr als 2 K von der Temperatur vor der Reinigung abweicht. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, das Verfahren so auszuführen, dass sich eine vorgegebene Temperaturänderung ergibt.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens, umfassend

– eine Behandlungskammer mit einer Öffnung, die den Durchtritt des zu reinigenden Werkstücks ermöglicht und die druckdicht verschließbar ist,
– eine Halterung für das Werkstück, mit der dieses in der Behandlungskammer gehalten und bewegt werden kann,
– mindestens eine Düsenanordnung mit je einer oder mehreren Düsen, wobei Halterung und Düsenanordnung(en) relativ zueinander bewegt werden können,
– eine mit dem Inneren der Behandlungskammer verbundene Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks,
– eine Baugruppe zur Erzeugung von Heißwasser oder Wasserdampf unter erhöhtem Druck, die mit den Düsen verbunden ist,
– Mittel zur Einstellung der Temperatur des Heißwassers oder Wasserdampfs und/oder zur Einstellung des durch die Düsen fließenden Massestroms.

Diese Mittel zur Einstellung des Massestroms können z.B. sowohl den Druck des Wassers oder Dampfs oder den Strömungswiderstand der Leitungen und Düsen oder auch beides einstellen. Der Strömungswiderstand lässt sich beispielsweise mittels Drosselklappen, veränderlichen Blenden oder dergleichen einstellen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Düsenanordnung, bei der mehrere Düsen auf mindestens einer das Werkstück umgebenden geschlossenen Kurve angeordnet sind. Diese geschlossene Kurve kann beispielsweise ein Kreis in einer Ebene oder auch eine zickzackförmige geschlossene Linie sein. Es sind auch geschlossene Kurven möglich, die besonders an die Gestalt des Werkstücks angepasst sind. Dadurch kann das Werkstück mit einer einfachen Linearbewegung, gegebenenfalls kombiniert mit einer gegebenenfalls oszillierenden Rotation, vollständig gereinigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Düsenanordnung der erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Düse umfassen, die um eine zu ihrer eigenen Achse parallele und/oder beabstandete Achse rotieren kann. Dabei können auch mehrere Düsen auf einem rotierenden Kopf montiert sein. Die von einer solchen Düsenanordnung erzeugte Abtastbahn entsteht dann durch Überlagerung einer Kreisbewegung und der Linearbewegung des Werkstücks und/oder der Düsenanordnung. Die Düsen können auch in einem Winkel von beispielsweise 0 bis 45°, bevorzugt 0 bis 15°, zur Rotationsachse ausgerichtet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen auf einem mehrarmigen Düsenträger so angebracht, dass ein zentraler Bereich um die Rotationsachse frei von Düsen bleibt. Der Düsenträger kann mit einer Rotorblattstruktur, ggf. mit Durchbrüchen zur Rückseite versehen sein, sodass bei der Rotation eine Sogwirkung von der Düsenseite zur Rückseite entsteht.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Halterung für das Werkstück zugleich als Verschluss für die Öffnung der Behandlungskammer genutzt. Dies lässt sich leicht realisieren, wenn die Halterung in die Behandlungskammer hinein und aus dieser heraus bewegbar ist.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner Mittel, mit denen die Oberflächentemperatur des Werkstücks an mindestens einer bestimmten Stelle gemessen werden kann. Um eine Störung des Reinigungs- und gegebenenfalls Trocknungsvorgangs zu vermeiden, werden Mittel zur berührungslosen Messung bevorzugt. Dies können beispielsweise Infrarot-Thermometer sein, bei denen der zu messende Bereich des Werkstücks durch eine Infrarot-Optik auf einem geeigneten Detektor abgebildet wird, wobei diese Messeleitung noch auf die Emissionseigenschaften der Werkstückoberfläche eingestellt werden kann.
Wenn die Temperatur der Werkstückoberfläche hinter der Auftreffstelle gemessen werden kann, ist es möglich, den Dampf- bzw. Heißwasserstrom sowie den Unterdruck manuell so zu einzustellen, dass sich die gewünschte Oberflächentemperatur ergibt. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung aber eine Regeleinrichtung, welche entweder den Dampf- bzw. Heißwasserstrom oder den Unterdruck oder beide automatisch aufgrund der gemessenen Oberflächentemperatur und deren Abweichung von einem eingestellten Sollwert regelt.
Da die Innenwand des Behälters durch Verspritzen des Reinigungswassers, welches die entfernten Verunreinigungen enthält, ebenfalls verunreinigt werden kann, ist sie vorteilhaft mit einem Schmutz und Wasser abweisenden Stoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen oder Silikonharz im, beschichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in automatische Produktionsabläufe eingegliedert werden, wobei es zwischen spanende Bearbeitung oder Umformung und Montage stattfinden kann. Da es Reinigung und Trocknung in einem Arbeitsgang ermöglicht, wird der gesamte Ablauf vereinfacht. Insbesondere eignet es sich für die automatisierte Reinigung und gegebenenfalls Trocknung von Bauteilen in der Autoindustrie, insbesondere Komponenten von Verbrennungsmotoren, beispielsweise Motorblöcke, Zylinderköpfe, Kurbelwellengehäuse, Getriebegehäuse und dergleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich problemlos in den Takt von entsprechenden Fertigungslinien einfügen. Beispielsweise kann die übliche Taktzeit des Verfahrens bei der Fertigung von Zylinderköpfen oder Motorblöcken für Pkw-Motoren zu drei etwa gleichen Teilen auf den eigentlichen Reinigungs- und Trocknungsvorgang, die Belüftung und Öffnung der Unterdruckkammer sowie den Wechsel des Werkstücks mit Verschließen der Kammer und Herstellen des Unterdrucks aufgeteilt werden, beispielsweise je ca. 10 s bei einer Taktzeit von ca. 30 s insgesamt. Das Verfahren eignet sich für Werkstücke aus einer Vielzahl von Werkstoffen, wie Eisen, Grauguss, Stahl, Messing, Bronze, Zink und seine Legierungen. Insbesondere ist es vorteilhaft für Werkstoffe aus Leichtmetallen, die typischerweise höhere thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Beispiele sind Aluminium, Aluminiumlegierungen mit Silizium, Magnesium, Kupfer, insbesondere Aluminiumgusslegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Titan und seine Legierungen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Menge an verunreinigtem Abwasser gegenüber dem Stand der Technik stark vermindert, wodurch sich eine Kostensenkung ergibt.
Der Energieverbrauch beim erfindungsgemäßen Verfahren kann vergleichbar oder sogar geringer gehalten werden als bei der herkömmlichen Reinigung mit Druckluft. Dabei wird aber die Oberfläche vollständig von Feuchtigkeit, Schmiermittelresten und anderen Verunreinigungen befreit, was mit Druckluft nicht möglich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigegebenen Zeichnungen beispielhaft und ohne Beschränkung des Schutzumfangs näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht des Werkstücks mit der eingezeichneten Abtastbahn der Vorrichtung nach 1.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform.
4 zeigt eine schematische Seitenansicht des Werkstücks mit eingezeichneten Abtastbahnen der Vorrichtung nach 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG ANHAND DER FIGUREN
In 1 ist eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematischen Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter 1, der nach oben offen ist und durch einen Deckel 2 unter Beteiligung einer Dichtung 3 vakuumdicht verschließbar ist. Der Behälter 1 setzt sich nach unten über ein Verbindungsrohr 13 zu einem Sumpfbehälter 10 fort. Im Behälter 1 ist ein zu reinigendes Werkstück 4 untergebracht und von einer Halterung gehalten. Aus Gründen der Übersicht ist diese Halterung und sind die gegebenenfalls für die Ausführung der Linear- und Drehbewegung des Werkstücks 4 notwendigen Durchführung durch die Behälterrand hier nicht gezeigt, können aber vom Fachmann leicht ergänzt werden. Diese Halterung mit dem Werkstück 4 kann eine durch den geschlossenen Pfeil 7 beschriebene Drehbewegung um eine Achse 5 sowie gleichzeitig eine Linearbewegung in Richtung des Pfeils 6, der hier in der Achse 5 liegt, ausführen. Die Drehachse 5 des Werkstücks ist hier senkrecht ausgerichtet.
Im Sumpfbehälter 10 kann sich beim Betrieb der Vorrichtung durch ablaufendes, gegebenenfalls verunreinigtes Wasser ein Sumpf 11 bilden, der über ein Sumpfventil 12 abgelassen oder abgesaugt werden kann.
In dem Behälter 1 kann ein Unterdruck erzeugt werden, wenn die Pumpe 20 über die Vakuumleitung 21 Luft aus dem Inneren des Behälters 1 absaugt. Die Vakuumleitung 21 kann an den Sumpfbehälter 10 oder auch direkt an den Behälter 1 angeschlossen sein.
In die Wand des Behälters 1 ist eine Düse 27 eingebaut, die über eine Leitung 26 mit einer Erzeugungseinheit für Dampf oder Heißwasser verbunden ist. Diese Einheit ist bezüglich des Drucks und der Temperatur des Dampfs bzw. Heißwassers steuerbar. Dadurch kann auch der Massenstrom des jeweiligen Mediums gesteuert werden. Die Düse 27 bildet mit der Senkrechten bzw. der Achse 5 des Werkstücks einen stumpfen Winkel α von in diesem Fall beispielsweise etwa 110°. Der Strahl 28 des Mediums (Dampf bzw. Heißwasser) trifft nahezu im gleichen Winkel auf die Oberfläche des Werkstücks 4 an einer Auftreffstelle.
In der Wand des Behälters 1 ist ferner ein Infrarot-Temperatursensor 31 eingebaut, in dem durch eine Infrarotoptik die Messstelle 36 auf der Oberfläche des Werkstücks 4 auf einem Detektor abgebildet wird, der ein der Oberflächentemperatur entsprechendes Signal über eine Messleitung 32 abgibt. Zur Messung des Unterdrucks ist in der Wand des Behälters 1 außerdem ein Unterdrucksensor 30 eingebaut, der ein dem Unterdruck im Behälter 1 entsprechendes Signal über eine Messleitung 33 abgibt.
Einer Reglereinheit 35 empfängt Signale über die Messleitungen 32 und 33 und steuert über die Steuerleitungen 40 und 41 den von der Erzeugung einer 25 abgegebenen Massestrom des jeweiligen Mediums so, dass die über die Messleitung 32 vom Temperatursensor 31 gemessene Temperatur einen vorgegebenen Sollwert annimmt.
Zur Reinigung und Trocknung eines Werkstücks 4 wird zunächst der Behälter 1 durch Abnehmen des Deckels 2 geöffnet und das Werkstück 4 in die Arbeitslage gebracht, wo es von der (nicht gezeigten) Halterung drehbar und verschiebbar gehalten wird. Dabei befindet es sich zunächst in der gestrichelt dargestellten unteren Ausgangsposition. Der Behälter 1 wird durch Auflegen des Deckels 2 mithilfe der Dichtung 3 luftdicht verschlossen. Nun wird über die Reglereinheit 35 die Erzeugungseinheit 25 und die Vakuumpumpe 20 eingeschaltet und die Linear- und Drehbewegung des Werkstücks 4 eingeleitet. Dabei wird zunächst die Stirnfläche des Werkstücks 4 und danach die Seitenfläche von dem Dampf- bzw. Heißwasserstrahl 28 gereinigt. Nachdem die Temperatur an der auf der Oberfläche gleitenden Messstelle 36 vom Temperatursensor 31 gemessen wurde, werden Massestrom und Unterdruck durch die Reglereinheit 35 von den zunächst voreingestellten Anfangswerten so geregelt, dass sich die voreingestellte Solltemperatur an der Messstelle 36 ergibt.
Wird zur Reinigung Dampf verwendet, dann werden Verunreinigungen auf der Oberfläche des Werkstücks 4 teilweise mechanisch durch den übertragenen Impuls des Dampfstrahls als auch durch Dispersion in dem durch Kondensation entstehenden Wasser von der Oberfläche entfernt und vom Wasser mitgenommen. Ähnlich wirkt ein Heißwasserstrahl. Dieses Wasser läuft teilweise auf der Oberfläche des Werkstücks 4 nach und ab, teilweise wird es verspritzt und gelangt an die Innenwand des Behälters 1, wo es ebenfalls nach unten ablaufen kann. Schließlich bleibt ein Teil des Wassers auch benetzend an der Oberfläche zurück und verdampft, wobei es der Oberfläche Wärme entzieht. Das ablaufende Wasser gelangt über das Verbindung 13 in den Sumpfbehälter 10 und bildet den Sumpf 11, der durch das Ventil 12, beispielsweise während der Behälter 1 zum Werkstückwechsel geöffnet ist, abgelassen oder auch, beispielsweise kontinuierlich, abgepumpt werden kann.
2 veranschaulicht den Verlauf der Reinigung nach dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Durch die Linearbewegung des Werkstücks 4 trifft der Dampf- bzw. Heißwasserstrahl zunächst an der Auftreffstelle 51 auf die Seitenfläche des Werkstücks 4 und wandert dann längs der fiktiven Abtastbahn 50 schraubenförmig um das Werkstück 4 herum, bis er die ganze Oberfläche abgetastet hat. Linear- und Drehbewegung sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass während einer Umdrehung des Werkstücks 4 dieses um einen Hub h linear bewegt wird. Die Auftreffstelle 51, 52 ist nicht punktförmig, sondern wegen der Schrägstellung der Düse 27 etwa elliptisch mit senkrechter gerichteter größerer Achse. Wie die nacheinander erreichten Auftreffstellen 52 zeigen, tritt eine gewisse Überlappung der Auftreffstelle in benachbarten Ästen der Abtastbahn 50 auf. Dadurch wird der Reinigungsprozess wiederholt und die Reinigungswirkung verbessert. Der Grad der Überlappung kann durch die Einstellung des Hubs h verändert werden.
3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt wobei lediglich die geänderten Bauteile dargestellt sind. Bei dieser Ausführungsform sind vier Düsen 68 in einer Ebene am Umfang des Behälters 1 im gleichen Winkelabstand voneinander angeordnet. Diese wirken gleichzeitig auf die Oberfläche des Werkstücks 4 ein.
4 veranschaulicht den Verlauf der durch die Düsen 68 der in 3 gezeigten Ausführungsform erzeugten vier Abtastbahnen 60 auf der Oberfläche des Werkstücks 4. Dabei wird das Werkstück 4 bei 1 Umdrehung um den Hub linear bewegt. Wieder überlappen sich die Auftreffstellen 61 der benachbarten Abtastbahnen 60 und das Ausmaß der Überlappung kann durch die Einstellung des Hubs nach Bedarf angepasst werden.
Zur Demonstration des Reinigungs- und Trocknungseffekts wurde ein Zylinderkopf für einen Pkw-Motor erfindungsgemäß behandelt. Eine handelsübliche Klebefolie wurde auf eine glatte gereinigte und getrocknete Oberfläche aufgelegt und haftete ganzflächig und fest an dieser. Bei einem Vergleichsversuch mit einem auf herkömmliche Weise mit Druckluft gereinigten Zylinderkopf konnte die Klebefolie auch an der gleichen glatten Fläche nicht befestigt werden.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: abnehmbarer Deckel
3: Dichtung
4: Werkstück
5: Achse des Werkstücks
6: Richtung der Linearbewegung
7: Richtung der Drehbewegung
10: Sumpfbehälter
11: Sumpf
12: Sumpfventil
13: Verbindungsrohr
20: Vakuumpumpe
21: Unterdruckleitung
25: Erzeugungseinheit für Dampf oder Heißwasser
26: Leitung für Dampf oder Heißwasser
27: Düse
28: Dampf- oder Heißwasserstrahl
30: Unterdrucksensor
31: Infrarot-Temperatursensor
32: Messleitung
33: Messleitung
35: Reglereinheit
36: Infrarot-Messstelle
40: Steuerleitung
41: Steuerleitung
50, 60: Abtastbahn
51, 52, 61: Auftreffstelle
67: Richtung der Drehbewegung
68: Düsen
h, h4: Hub während einer Umdrehung des Werkstücks

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4410550 C1 [0004]
DE 102007027944 A1 [0006]
DE 102014101123 A1 [0027]

Claims

Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Werkstücks aus Metall mittels mindestens eines auf die Oberfläche an einer Auftreffstelle auftreffenden Strahl aus Dampf- und/oder Heißwasser, – wobei die Auftreffstelle abtastend relativ zur Oberfläche bewegt wird und die Verunreinigungen der Oberfläche in Abtastrichtung transportiert werden, – wobei das Verfahren in einem geschlossenen Behälter in einer Atmosphäre verminderten Drucks ausgeführt wird, sodass die auf der Oberfläche in Abtastrichtung hinter der Auftreffstelle vorhandenen Reste kondensierten Dampfs oder Wassers zumindest teilweise verdampfen, – und dabei dem Werkstück die durch den Strahl zugeführte Wärme zumindest teilweise wieder entziehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl ein Strahl aus Wasserdampf ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche des Werkstücks hinter der Auftreffstelle im gleichen im gleichen Arbeitsschritt getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks nach Ende der Reinigung oder der Reinigung und Trocknung um nicht mehr als 5 K von seiner Temperatur vor Beginn der Reinigung abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten bewirkt wird, indem das Werkstück und/oder die mindestens eine Düse bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten auf einer Abtastbahn erfolgt, die durch Überlagerung einer Kreisbewegung und einer Linearbewegung entsteht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen in einer oder in mehreren Ebenen rund um das Werkstück angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück linear an einer Anordnung mit mindestens einer um eine zu ihrer eigenen Achse parallele und beabstandete Achse rotierenden Düse vorbeigeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen und/oder das Werkstück oszillierend bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Linearbewegung senkrecht ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl mit der Richtung der Linearbewegung einen Winkel zwischen 90 und 135° bildet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ablaufendes Wasser oder Spritzwasser am Boden des Behälters in einem Sumpf gesammelt und abgepumpt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Werkstück vor dem Reinigen oder dem Reinigen und Trocknen eine wässrige Lösung eines Reinigungsmittels aufgetragen, bevorzugt aufgesprüht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur des Werkstücks hinter der Auftreffstelle, in deren Bewegungsrichtung gesehen, berührungslos gemessen und danach der Unterdruck sowie der Massenstrom des Dampfs oder des Heißwassers geregelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks nach Ende der Reinigung oder Reinigung und Trocknung um nicht mehr als 2 K von der Temperatur vor der Reinigung abweicht.
Vorrichtung zum Reinigen der Oberfläche eines Werkstücks, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend – eine Behandlungskammer mit einer Öffnung, die den Durchtritt des zu reinigenden Werkstücks ermöglicht und die druckdicht verschließbar ist, – eine Halterung für das Werkstück, mit der dieses in der Behandlungskammer gehalten und bewegt werden kann, – mindestens eine Düsenanordnung mit je einer oder mehreren Düsen, wobei Halterung und Düsenanordnung(en) relativ zueinander bewegt werden können, – eine mit dem Inneren der Behandlungskammer verbundene Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks, – eine Baugruppe zur Erzeugung von Heißwasser oder Wasserdampf unter erhöhtem Druck, die mit den Düsen verbunden ist, sowie – Mittel zur Einstellung der Temperatur des Heißwassers oder Wasserdampfs und/oder Mittel zur Einstellung des durch die Düsen fließenden Massestroms.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Mittel zur Einstellung des Massestroms den Druck des Wassers oder Dampfs und/oder den Strömungswiderstand der Leitungen einstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die mehreren Düsen auf mindestens einer das Werkstück umgebenden geschlossenen Kurve angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Düsenanordnung mindestens eine um eine zu ihrer eigenen Achse parallele und/oder beabstandete Achse rotierenden Düse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Düsen einer Düsenanordnung auf einem um eine zum Werkstück gerichteten Rotationsachse drehbaren Düsenträger angeordnet sind und wobei sie einen Winkel zwischen 0 und 45°, bevorzugt 0 bis 15° mit der Rotationsachse bilden, wobei dieser Winkel für alle Düsen dieser Düsenanordnung gleich oder unterschiedlich sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Düsenträger eine Rotorblattstruktur aufweist.
Vorrichtung einem der vorangehenden Ansprüche 17 bis 22, ferner umfassend Mittel zur Messung der Oberflächentemperatur des Werkstücks.
Vorrichtung nach Anspruch 23, ferner umfassend eine Regeleinrichtung für den Unterdruck und den durch den Düsen fließenden Massestrom aufgrund der gemessenen Oberflächentemperatur.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 17 bis 24, wobei die Halterung in die Behandlungskammer hinein und aus dieser heraus bewegbar ist und einen Verschluss für die Öffnung der Behandlungskammer aufweist.