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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beseitigung von Bearbeitungsresten aus einem innenliegenden Werkstück-Hohlraum nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie dem Anspruch 10.
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Ein solches Werkstück mit innenliegendem Hohlraum kann beispielhaft ein Zylinderkopf einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug sein. Der Zylinderkopf weist als noch nicht verbautes, separates Bauteil einen nach außen offenen Ölraum, in dem unter anderem Ein-/Auslassventile sowie eine Nockenwelle positionierbar sind, und einen Wassermantel auf, der mit Kühlwasser durchströmbar ist und einen innenliegenden Werkstück-Hohlraum im Sinne der Erfindung bildet. Der Wassermantel verläuft labyrinthartig durch den Zylinderkopf und ist, abgesehen von Zugangsöffnungen, nach außen geschlossen.
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Bei einer gattungsgemäßen Zylinderkopf-Fertigung wird zunächst in einem Gießprozess der Zylinderkopf als ein Gießteil bereitgestellt. Der Wassermantel wird im Gießprozess durch Sandgießkerne realisiert. Anschließend erfolgt eine Spanbearbeitung, etwa ein Bohren und/oder Fräsen. Der spanbearbeitete Zylinderkopf wird dann in eine Reinigungsstation überführt, um den Zylinderkopf von Bearbeitungsresten zu befreien. Hierzu wird der Zylinderkopf beispielhaft mit Wasser durchspült, um die sich im Wassermantel befindlichen Bearbeitungsspäne abzutransportieren. Der gereinigte Zylinderkopf wird dann einer Weiterbehandlung zugeführt.
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Im Stand der Technik ist die Reinigungsstation durch eine aufwändige Waschanlage realisiert, bei der das Reinigungswasser den Wassermantel des Zylinderkopfes durchströmt. Es hat sich gezeigt, dass während der Reinigung sich im labyrinthartigen Wassermantel Toträume bilden, in denen sich gegebenenfalls Rückstände (zum Beispiel Bearbeitungsspäne) sammeln können, wodurch diese nicht komplett und prozesssicher mittels der Waschanlage entfernbar sind. Die verbleibenden Restpartikel können im Zylinderkopf oder in anderen Motorbauteilen, etwa dem Zylinderkurbelgehäuse, im Motorbetrieb zu Störungen und Ausfällen im Bereich des Wasserkreislaufes führen.
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Aus der
EP 2 680 986 B1 ist eine Vorrichtung zur prozessparallelen Absaugung von bei der Bearbeitung eines Werkstücks anfallenden Bearbeitungsprodukten bekannt. Aus der
EP 1 208 971 A1 ist eine Einrichtung zur Absaugung von Bearbeitungsrückständen bekannt. Aus der
DE 41 31 824 C1 ist eine Absaugeinheit für den Einsatz von Manipulatoren bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Beseitigung von Bearbeitungsresten bereitzustellen, bei der eine komplette sowie prozesssichere Reinigung des Werkstückes ermöglicht ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Vorrichtung eine Luftansaugstation mit zumindest einem Sauganschluss auf. Im Reinigungsprozess ist der Sauganschluss mit einer Werkstück-Auslassöffnung strömungstechnisch gekoppelt. Der Abtransport der Bearbeitungsspäne vom innenliegenden Werkstück-Hohlraum erfolgt somit durch Luftabsaugung durch die Werkstück-Auslassöffnung.
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Durch Verwendung von Luft als Reinigungsmittel ergeben sich (im Vergleich zu Reinigungswasser) speziell bei labyrinthartig ausgebildeten inneren Werkstück-Hohlräumen weniger Totbereiche, so dass die Bearbeitungsreste prozesssicherer aus dem Werkstück-Hohlraum abtransportierbar sind. Zudem ist es von besonderer Relevanz, dass der Werkstück-Hohlraum nicht mit Druckluft beaufschlagt wird, sondern vielmehr eine Luftabsaugung erfolgt. Bei einer Druckluft-Beaufschlagung besteht nämlich die Gefahr, dass sich Bearbeitungsspäne im inneren Werkstück-Hohlraum an Innenkonturen verkanten bzw. dort anhaften und daher nicht mehr aus dem Werkstück-Hohlraum entfernbar sind. Im Gegensatz dazu kann bei der erfindungsgemäßen Luftabsaugung der Bearbeitungsrest auf kürzestem Wege entgegen der Bohrrichtung durch eine gebohrte Zugangsöffnung aus dem Werkstück-Hohlraum herausgeführt werden, ohne dass es zu einem Verkanten/Anhaften innerhalb des Werkstück-Hohlraums kommt.
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Nachfolgend sind weitere Erfindungsaspekte erläutert: So kann die erfindungsgemäße Luftansaugstation zumindest ein Verschlusselement aufweisen, mit dem im Saugprozess eine Werkstück-Zugangsöffnung zum Werkstück-Hohlraum geöffnet oder geschlossen werden kann. Dadurch kann der Strömungsweg und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des durch den Werkstück-Hohlraum geführten Luftabsaugstromes eingestellt werden. Durch eine solche Einstellung des Luftabsaugstromes wird das Ablösen der Bearbeitungsspäne von Innenkonturen im Werkstück-Hohlraum zusätzlich unterstützt, da durch Variierung des Luftabsaugstromes die mechanische Beanspruchung der Bearbeitungsreste sich ändert und damit die Wahrscheinlichkeit steigt, die Bearbeitungsspäne prozesssicher aus dem Werkstück-Hohlraum abzutransportieren.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Werkstück eine Mehrzahl von Zugangsöffnungen zum Werkstück-Hohlraum aufweist. Von diesen Werkstück-Zugangsöffnungen kann zumindest eine Zugangsöffnung als Werkstück-Auslassöffnung eingesetzt sein, durch die die Luftabsaugung nach außen erfolgt. Zumindest eine weitere Werkstück-Zugangsöffnung kann als nach außen offene Einlassöffnung wirken, durch die aus der Prozessumgebung Luft in den Werkstück-Hohlraum ansaugbar ist. Zumindest eine weitere Werkstück-Zugangsöffnung kann mit dem Verschlusselement zusammenwirken, um den durch den Werkstück-Hohlraum geführten Luftstrom zu variieren.
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Im Hinblick auf eine Steigerung der Reinigungsleistung ist es bevorzugt, wenn die Saugstation mehrere Sauganschlüsse aufweist, die mit unterschiedlichen Werkstück-Zugangsöffnungen koppel- und entkoppelbar sind. Zudem ist es bevorzugt, wenn die Saugstation mehrere Verschlusselemente aufweist, die gemeinsam oder separat voneinander Werkstück-Zugangsöffnungen schließen und/oder öffnen können.
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In einer konkreten Realisierung kann die Saugstation eine Spanneinheit aufweisen, in der das Werkstück in einer definierten Reinigungsposition fixierbar ist. In der Reinigungsposition kann das Werkstück zugleich auch mit dem Sauganschluss strömungstechnisch gekoppelt sein. Der Sauganschluss ist über Unterdruckleitungen mit einer Unterdruckwelle strömungstechnisch verbunden.
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Im Hinblick auf weitere Freiheitsgrade bei der Einstellung des durch den Werkstück-Hohlraum geführten Luftstroms ist es bevorzugt, wenn mehrere Sauganschlüsse in der Saugstation bereitstellbar sind, um alternierend in Saugverbindung bzw. außer Saugverbindung mit unterschiedlichen Werkstück-Zugangsöffnungen zu kommen. Zudem kann der zumindest eine Sauganschluss mittels einer Sauganschluss-Stelleinheit bevorzugt in unterschiedliche Wirkpositionen verstellbar sein. In einer Ausführungsvariante kann mittels der Sauganschluss-Stelleinheit der Sauganschluss zwischen einer Nichtgebrauchslage, in der der Sauganschluss vom Werkstück entkoppelt ist, und einer Gebrauchslage verstellt werden, in der der Sauganschluss mit einer zugeordneten Werkstück-Zugangsöffnung gekoppelt ist. In gleicher Weise kann auch das zumindest eine Verschlusselement mit Hilfe einer Verschlusselement-Stelleinheit lageverändert werden, und zwar bevorzugt zwischen einer Nichtgebrauchslage, in der das Verschlusselement funktionslos ist und einer Gebrauchslage, in der das Verschlusselement eine zugordnete Werkstück-Zugangsöffnung schließt.
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Die Spanneinheit sowie die oben erwähnten Stelleinheiten können unter Bildung einer verbindungssteifen Baueinheit an einer Tragplatte der Saugstation befestigt sein. Im Hinblick auf die Steigerung der Reinigungsleistung ist es von Vorteil, wenn die Tragplatte über einen Rüttler in Schwingungen versetzbar ist, um die Bearbeitungsreste in dem Werkstück-Hohlraum zu lösen. Je nach Gestaltung des Reinigungsprozesses kann der Rüttelvorgang vor oder während oder abwechselnd zur Luftabsaugung aktiviert werden.
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Der erfindungsgemäße Reinigungsprozess kann so ausgelegt sein, dass in der Luftansaugstation eine Vorreinigung erfolgt, bei der speziell Grobpartikel aus dem Werkstück-Hohlraum entfernt werden. Der Luftansaugstation kann bevorzugt eine Waschstation nachgeschaltet sein, in der eine Endreinigung erfolgt. Hierzu kann der Werkstück-Hohlraum mit Reinigungswasser durchspült werden, um die noch im Werkstück-Hohlraum verbliebenen Feinpartikel zu entfernen.
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Die Werkstück-Zugangsöffnungen werden in der Bearbeitungsstation meist in einem spanabhebenden Bohrvorgang erzeugt. In diesem Fall kann insbesondere die gebohrte Werkstück-Zugangsöffnung als Luftauslassöffnung dienen, mit der der Sauganschluss koppelbar ist, um einen prozesssicheren Späne-Abtransport entgegen der Bohrrichtung zu erzielen.
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Die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung kann speziell bei Werkstücken eingesetzt werden, deren Innenraum labyrinthartig mit einer Vielzahl von Innenkonturen ausgebildet ist, an denen speziell sperrige Bearbeitungsspäne verhaken bzw. anhaften können. Vor diesem Hintergrund kann die Luftansaugstation bevorzugt bei einer industriellen Prozesskette zur Fertigung eines Zylinderkopfes für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer vereinfachten Teilschnittdarstellung einen Zylinderkopf mit darin verbauter Nockenwelle sowie darin verbautem Ventil;
- 2 bis 5 jeweils Ansichten entsprechend der 1, anhand derer grob vereinfacht Fertigungsschritte zur Herstellung des Zylinderkopfes veranschaulicht sind; und
- 6 eine Luftansaugstation zur Reinigung des Zylinderkopfes.
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In der 1 ist in einer Teilschnittdarstellung ein an sich bekannter Zylinderkopf 1 für eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs grob vereinfacht dargestellt. Der Zylinderkopf 1 weist einen Ölraum 3 auf, der von einer Zylinderkopfhaube 4 abgedeckt ist. Im Ölraum 3 ist eine Nockenwelle 5 angeordnet, die mit einem Auslassventil 7 zusammenwirkt, das einen zu einem nicht gezeigten Zylinder des Zylinderkurbelgehäuses führenden Auslasskanals 8 öffnet oder schließt. Der Zylinderkopf 1 ist an seinem Boden 11 über nicht dargestellte Zylinderkopfschrauben auf dem Zylinderkurbelgehäuse montierbar. Im Zylinderkopf 1 ist ein Wassermantel 13 integriert, der im Betrieb mit Kühlwasser durchströmt ist. Der Wassermantel 13 ist über eine Anschlussbohrung 15 mit einem nicht gezeigten Kühlwasserzulauf verbindbar. Zudem weist der Wassermantel 13 am Zylinderkopfboden 11 eine Vielzahl von Strömungsöffnungen 17 auf, über die der Wassermantel 13 mit Kühlwasserkanälen im Zylinderkurbelgehäuse verbindbar ist.
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Nachfolgend werden anhand der 2 bis 5 Prozessschritte bei der Fertigung des Zylinderkopfes 1 veranschaulicht. In der 2 ist der Zylinderkopf 1 als ein in einem Gießprozess hergestelltes Gießteil bereitgestellt, bei dem der Wassermantel 13 während des Gießprozesses durch Sandgießkerne realisiert worden ist. Anschließend erfolgt ein in der 3 angedeuteter Spanbearbeitungsschritt, bei dem unter anderem die Anschlussbohrung 15 sowie die beiden Übergangsbohrungen 16, 17 in einer Fügerichtung F in den Zylinderkopf 1 eingebracht werden. Die hierbei erzeugten Bearbeitungsspäne 12 sammeln sich in der 3 innerhalb des Wassermantels 13. Nach erfolgter Spanbearbeitung gemäß der 3 wird der Zylinderkopf 1 einer später anhand der 6 beschriebenen Luftabsaugstation 19 zugeführt, in der ein Reinigungsprozess erfolgt. Der Reinigungsprozess ist nachfolgend anhand der 4 und 5 erläutert: Demzufolge weist die Luftansaugstation 19 einen Sauganschluss 21 auf, der in der 4 außenseitig in Anlage mit dem Zylinderkopf 1 gebracht ist und die Anschlussbohrung 15 überdeckt, um in Saugverbindung mit der Anschlussbohrung 15 zu gelangen. Der Sauganschluss 21 ist über eine Unterdruckleitung 23 mit einer nicht gezeigten Unterdruckquelle in Verbindung.
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Die Saugstation 19 weist zudem Verschlusselemente 25, 27 auf, die in der 6 über lineare Stelleinheiten 29 linear hubverstellbar sind. In der 4 ist das figürlich rechts gezeigte Verschlusselement 27 in luftdichter Auflage auf der Übergangsbohrung 17 positioniert, um diese luftdicht zu schließen. Demgegenüber ist das in der 4 links gezeigte Verschlusselement 25 in seiner Nichtgebrauchslage gezeigt, in der ein Luftzugang zur Übergangsbohrung 16 freigelegt ist. Bei einer aktivierten Luftabsaugung wird in der 4 somit Außenluft über die linke Übergangsbohrung 16 in den Wassermantel 13 eingeleitet, wodurch ein erster Luftstrom I den Wassermantel 13 durchspült und über die Anschlussbohrung 15 zum Sauganschluß 21 geführt wird, und zwar unter Abtransport der Bearbeitungsspäne 12 aus dem Wassermantel 13.
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Alternativ zur 4 ist in der 5 das rechte Verschlusselement 27 in seine Nichtgebrauchslage verstellt, wodurch ein Luftzugang durch die rechte Übergangsbohrung 17 in den Wassermantel 13 freigelegt ist. Demgegenüber ist in der 5 das linke Verschlusselement 25 in seiner Gebrauchslage positioniert, in der die linke Übergangsbohrung 16 luftdicht geschlossen ist. Demzufolge ergibt sich bei aktivierter Luftabsaugung ein zweiter Luftstrom II, bei dem Außenluft über die rechte Übergangsbohrung 17 in den Wassermantel 13 eingesaugt wird und aus der Anschlussbohrung 15 in das externe Saugsystem ausgeleitet wird.
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In der 6 ist eine konkrete Ausführung der Saugstation 19 angedeutet: Demzufolge sind die Verschlusselemente 25,26, 27 mittels Stelleinheiten 29 zwischen ihrer Gebrauchslage und Nichtgebrauchslage linear verstellbar. Die Stelleinheiten 29 können alternativ dazu auch nicht linear, d.h. zum Beispiel als Kniehebel oder dergleichen ausgebildet sein. Die Stelleinheiten 29 der Verschlusselemente sind in der 6 an säulenartigen Tragkonsolen 33 befestigt, die wiederum verbindungssteif an einer Tragplatte 35 montiert sind. An der Tragplatte 35 sind zudem Spanneinheiten 37 zur Halterung des Zylinderkopfes 1 in seiner Reinigungsposition R vorgesehen. In der in der 6 gezeigten Reinigungsposition R ist der (nur grob schematisch gezeigte) Zylinderkopf 1 strömungstechnisch mit dem Sauganschluss 21 gekoppelt, der in der 6 bauteilsteif (d.h. ohne Stelleinheit) an der Trägerplatte 35 angebunden ist. Die Trägerplatte 35 ist in der 6 über Elastomerelemente 39 schwingungsfähig an einem Traggerüst 41 angebunden. Am Traggerüst 41 ist eine Rütteleinheit 43 vorgesehen, etwa ein Magnetschwinger, der die Trägerplatte 35 mitsamt daran montiertem Zylinderkopf 1 in Schwingungen s versetzen kann. Die Rütteleinheit 43 sowie die Stelleinheiten 29 der Verschlusselemente 25, 26, 27 sind in Signalverbindung mit einer elektronischen Steuereinheit 45, mittels der im Luftansaugprözess die Verschlusselemente 25, 26 oder 27 alternierend in ihre Gebrauchslage oder Nichtgebrauchslage verstellbar sind, um den Strömungsweg und/oder die Strömungsgeschwindigkeit der durch den Wassermantel 13 geführten Absaugluftströme einzustellen. Zudem ist mittels der Steuereinheit 45 auch die Rütteleinheit 43 ansteuerbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2680986 B1 [0005]
- EP 1208971 A1 [0005]
- DE 4131824 C1 [0005]
