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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines Werkstücks mittels Abrasion, wobei das Werkstück in einen eine Flüssigkeit und ein abrasives Medium enthaltenden Behälter gegeben bzw. eingelegt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Beispielsweise aus der
EP 2 217 742 B1 ist das Verfahren des Gleitschleifens bekannt, bei dem Werkstücke mittels eines abrasiven Mediums gereinigt werden. Beim Gleitschleifen findet der Abtrag durch die relative Bewegung zwischen dem abrasiven Medium und dem zu reinigenden Werkstück rein zufällig statt, wobei insbesondere erhabene und/oder äußere Bereiche des Werkstücks gereinigt werden, wohingegen Bereiche im Inneren des Werkstücks nur eine äußerst geringe Reinigungswirkung erfahren. Insbesondere Werkstücke mit komplizierten inneren Strukturen, wie Kühlkanälen oder dergleichen, müssen mit dem bekannten Gleitschleifverfahren über eine sehr lange Zeitdauer bearbeitet werden, bis die gewünschte Wirkung eintritt. Dies ist jedoch sehr teuer und kann außerdem zu einem erhöhten Abtrag in den äußeren Bereichen des Werkstücks führen. Des Weiteren tritt gerade in den inneren Bereichen die gewünschte Reinigungswirkung häufig nicht ein.
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Um diese Problematik zu umgehen, ist aus der
DE 10 2017 126 329 A1 ein Verfahren zur Reinigung eines Werkstücks bekannt, bei dem sich das Werkstück zusammen mit einem Reinigungsmedium in einem Reinigungsraum befindet, in dem abwechselnd ein Überdruck und ein Unterdruck erzeugt werden, wodurch sich ein kavitätischer Effekt einstellen soll. Problematisch bei dem bekannten Verfahren ist jedoch die relativ lange Zeit, die es in Anspruch nimmt, bis sich eine reinigende Wirkung insbesondere in den inneren Bereichen des Werkstücks einstellt.
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Aus der
DE 10 2019 108 094 A1 ist ein Verfahren zur Bereitstellung eines Mediums mittels zyklischer Nukleation bekannt, das jedoch ebenfalls eine sehr lange Bearbeitungszeit des Werkstücks erfordert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen eines Werkstücks zu schaffen, mit denen es innerhalb einer vergleichsweise kurzen Zeit möglich ist, auch komplexe innere Strukturen des Werkstücks zuverlässig zu reinigen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, das zu reinigende Werkstück in einen Behälter einzulegen, in dem sich eine Flüssigkeit und ein abrasives Medium, insbesondere ein abrasiver Feststoff, wie zum Beispiel ein Granulat, befinden. In diesem Zustand wird ein Unterdruck an den Behälter angelegt und der Behälter wird in Schwingungen versetzt. Diese Kombination aus den Schwingungen bzw. Vibrationen und dem Unterdruck führt zur Bildung und anschließenden Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen in der Flüssigkeit, d. h. zu einer Kavitation. Bei der Auflösung der dampfgefüllten Hohlräume durch Implosion ergeben sich sehr hohe Drücke, die zu entsprechenden, auf das zu reinigende Werkstück einwirkenden Kräften führen. Die Kavitation führt somit zu Schockwellen, die durch das zu reinigende Werkstück verlaufen. Durch die Kavitation wirkt das abrasive Medium also mit einer sehr hohen Kraft auf das zu reinigende Werkstück, so dass sowohl sehr starke Verschmutzungen als auch Grate und andere störende Bestandteile von demselben abgelöst werden und sich eine sehr gute Reinigungswirkung einstellt.
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Dabei ergibt sich durch das Anlegen des Unterdrucks und dem Aufbringen der Schwingungen ein Gemisch bzw. eine Suspension aus der Flüssigkeit und dem abrasiven Medium, in welche das zu reinigende Werkstück absinken kann, so dass sich dasselbe vollständig innerhalb dieses Gemischs befindet, wodurch dieses auch in sehr kleine Hohlräume innerhalb des Werkstücks eindringen kann und für eine Reinigung derselben sorgt.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt zum einen darin, dass das aus der Flüssigkeit und dem abrasiven Medium entstehende Gemisch bzw. die Suspension auch in sehr kleine Hohlräume im Inneren des zu reinigenden Werkstücks eindringen kann und damit das gesamte Werkstück der gewünschten Abrasion unterzogen wird. Zum anderen tritt aufgrund der sich ergebenden Kavitation die reinigende Wirkung sehr schnell ein, so dass das erfindungsgemäße Verfahren in wesentlich kürzerer Zeit als bekannte Lösungen durchgeführt werden kann, was erhebliche Kostenvorteile mit sich bringt.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht außerdem darin, dass dieses ohne chemische Zusätze durchgeführt werden kann, was nicht nur aus Gründen des Umweltschutzes zu begrüßen ist, sondern auch für eine einfachere Entsorgung der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Materialien sorgt.
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Eine alternative Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 2 angegeben.
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Wenn die Flüssigkeit auf eine höhere Temperatur gebracht wird, kann möglicherweise auf das Anlegen von Unterdruck verzichtet werden, da sich der oben beschriebene kavitätische Effekt und die sich durch denselben ergebenden Vorteile hinsichtlich einer effektiven Reinigung des Werkstücks auch auf diese Weise einstellen kann.
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Die Kavitationen, welche die Ablösung der Verunreinigungen von der Oberfläche des Werkstücks verursachen, können sich insbesondere dann in hohem Maße ergeben, wenn der Behälter in in Richtung der Schwerkraft und entgegen der Schwerkraft wirkende Schwingungen versetzt wird.
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Eine weitere alternative Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 4 angegeben.
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Möglicherweise kann darauf verzichtet werden, den Behälter in Schwingungen zu versetzen, wenn die Flüssigkeit auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Auch auf diese Weise lassen sich die kavitätische Wirkung des Verfahrens und die sich dadurch ergebenden Vorteile erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Flüssigkeit Wasser verwendet wird. Die Verwendung von Wasser als sich in dem Behälter befindende Flüssigkeit ist hinsichtlich der sich zusammen mit dem abrasiven Medium ergebenden Suspension besonders vorteilhaft. Darüber hinaus ist Wasser von sämtlichen Flüssigkeiten am einfachsten verfügbar und führt praktisch zu keinen nennenswerten Kosten.
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Um beispielsweise bei aus Aluminiumguss bestehenden Werkstücken eine gute abrasive Wirkung zu erreichen, kann des Weiteren vorgesehen sein, dass als abrasives Medium Sand verwendet wird.
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Für die Entstehung der kavitätischen Wirkung hat es sich als besonders bevorzugt erwiesen, wenn die Frequenz der Schwingungen, in die der Behälter versetzt wird, in einem Bereich von 1 bis 50 Hz, vorzugsweise 10 bis 40 Hz liegt, und der an den Behälter angelegte Unterduck in einem Bereich von -0,5 bis -0,97 bar, vorzugsweise -0,65 bis -0,75 bar, liegt.
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In Anspruch 8 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des in Anspruch 1 genannten Verfahrens angegeben. Diese Vorrichtung kann sehr einfach realisiert werden und gewährleistet eine einfache und zuverlässige Durchführung des Verfahrens.
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In Anspruch 9 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des in Anspruch 2 genannten Verfahrens angegeben. Auch diese Vorrichtung kann sehr einfach realisiert werden und gewährleistet eine einfache und zuverlässige Durchführung des Verfahrens.
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In Anspruch 10 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des in Anspruch 4 genannten Verfahrens angegeben. Diese Vorrichtung kann ebenfalls sehr einfach realisiert werden und gewährleistet eine einfache und zuverlässige Durchführung des Verfahrens.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt:
- 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reinigen eines Werkstücks.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Durchführung eines nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Reinigen eines Werkstücks 2 mittels Abrasion. Das in 1 mittels einer punktierten Linie dargestellte Werkstück 2 befindet sich in einem Behälter 3, der Teil der Vorrichtung 1 ist. Innerhalb des Behälters 3 befindet sich ein abrasives Medium 4 sowie eine Flüssigkeit 5, die mittels gestrichelter Linien voneinander abgegrenzt sind. Der Behälter 3 ist mit dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5 nicht vollständig gefüllt, so dass sich oberhalb der Flüssigkeit 5 eine gewisse, vom Füllstand des Behälters 3 abhängige Menge an Luft 6 befindet. Die Mengenverteilung des abrasiven Mediums 4, der Flüssigkeit 5 und der Luft 6 sind dabei als rein zufällig anzusehen.
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In dem in 1 dargestellten Ruhezustand sind das abrasive Medium 4 und die Flüssigkeit 5 voneinander getrennt, wodurch sich das abrasive Medium 4 aufgrund seiner höheren Dichte als derjenigen der Flüssigkeit 5 unterhalb der Flüssigkeit 5 befindet. Während der Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens zum Reinigen des Werkstücks 2 ergibt sich aus dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5 jedoch eine Gemisch bzw. eine Suspension, die dann den zuvor von dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5 eingenommenen Raum einnimmt. Dieser Zustand ist in 1 jedoch nicht dargestellt.
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Bei dem abrasiven Medium 4 handelt es sich um einen abrasiven Feststoff, insbesondere um ein Granulat. Vorzugsweise weist das abrasive Medium 4 eine höhere Dichte auf als die Flüssigkeit 5. Während im vorliegenden Fall Sand als das abrasive Medium 4 eingesetzt wird, wäre es auch möglich, Metallkugeln, Nussschalen und/oder andere Feststoffe zu verwenden, die zum Zweck der Reinigung des Werkstücks 2 geeignet erscheinen. Bei der Flüssigkeit 5 handelt es sich im vorliegenden Fall um Wasser. Gegebenenfalls könnten auch andere Flüssigkeiten eingesetzt werden. Auch die einzelnen Füllhöhen des abrasiven Mediums 4 und der Flüssigkeit 5 innerhalb des Behälters 3 sind in Abhängigkeit von dem zu reinigenden Werkstück 2 veränderbar.
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Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren eine Schwingungserzeugungseinrichtung 7 sowie eine Unterdruckerzeugungseinrichtung 8 auf. Die Schwingungserzeugungseinrichtung 7 weist eine Platte 9, auf der sich der Behälter 3 befindet, mehrere auf einem Boden 10 einer Werkshalle oder dergleichen aufliegende Beine 11 sowie einen beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten Vibrationsantrieb 12 auf, der über die Beine 11 mit der Platte 9 verbunden ist. Zwischen den Beinen 11 und der Platte 9 sind des Weiteren jeweilige Pufferelemente 13 angeordnet, die beispielsweise aus Gummi bestehen können. Auf diese Weise ist die Schwingungserzeugungseinrichtung 7 in der Lage, den Behälter 3 und damit das in demselben befindende abrasive Medium 4, die Flüssigkeit 5 und das Werkstück 2 in Schwingungen bzw. Vibrationen zu versetzen. Die Schwingungserzeugungseinrichtung 7 ist dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass der Behälter 3 mittels derselben in in Richtung der Schwerkraft und entgegen der Schwerkraft wirkende Schwingungen, also in vertikaler Richtung wirkende Schwingungen, versetzt wird. Grundsätzlich kann der Aufbau der Schwingungserzeugungseinrichtung 7 von an sich bekannter Bauart sein.
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Die Unterdruckerzeugungseinrichtung 8 weist eine Unterdruckpumpe 14 und eine die Unterdruckpumpe 14 mit dem Behälter 3 verbindende Unterdruckleitung 15 auf. Der Behälter 3 ist mittels eines Deckels 3a abgedeckt, in den die Unterdruckleitung 15 mündet. Durch Absaugen eines Teils der Luft 6 aus dem Behälter 3 ist die Unterdruckerzeugungseinrichtung 8 in der Lage, innerhalb des Behälters 3 einen Unterdruck zu erzeugen.
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Bei einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Reinigen des Werkstücks 2 mittels Abrasion wird das Werkstück 2 in den die Flüssigkeit 5 und das abrasive Medium 4 enthaltenden Behälter 3 eingelegt. An den Behälter 3 wird mittels der Unterdruckerzeugungseinrichtung 8 ein Unterdruck angelegt und der Behälter 3 wird mittels der Schwingungserzeugungseinrichtung 7 in Schwingungen versetzt. Dadurch kommt es innerhalb des Behälters 3 zu einer Vermischung des abrasiven Mediums 4 und der Flüssigkeit 5, wodurch sich ein Gemisch bzw. eine Suspension aus dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5 ergibt. Durch die Vermischung des abrasiven Mediums 4 mit der Flüssigkeit 5 verändert sich die Dichte des Gemischs, so dass das Werkstücks 2 in dasselbe einsinken kann. Das Werkstück 2 sinkt daraufhin aufgrund der Schwerkraft in das Gemisch aus dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5 ein und nimmt dadurch einen schwebenden Zustand innerhalb des Behälters 3 ein.
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Des Weiteren führen die Schwingungen und der an den Behälter 3 angelegte Unterdruck zu Kavitationen innerhalb des Behälters 3, d. h. zur Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen in der Flüssigkeit 5 bzw. in dem aus dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5 bestehenden Gemisch. Die Auflösung dieser dampfgefüllten Hohlräume durch Implosion führt zu sehr hohen Drücken, wodurch das abrasive Medium 4 mit sehr hoher Kraft auf das Werkstück 2 auftrifft. Das abrasive Medium 4 reibt dabei an dem Werkstück 2 und sorgt für den Abtrag von Material bzw. von Verunreinigungen. Da sich das Gemisch aus dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5 auch in nicht dargestellten Hohlräumen des Werkstücks 2, wie beispielsweise Strömungskanälen und ähnlichem, befindet, wirkt das abrasive Medium 4 auch in diesen Hohlräumen mit sehr hoher Kraft auf das Werkstück 2. Dadurch werden Verschmutzungen aller Art sowie Grate und ähnliches von dem Werkstück 2 entfernt und dieses wird auf sehr intensive Weise gereinigt. Aufgrund der sehr hohen Kräfte, die auf das Werkstück 2 wirken, geschieht diese Reinigung desselben innerhalb sehr kurzer Zeit. Nach der Beendigung des Verfahrens kann das Werkstück 2 aus dem Behälter 3 entnommen und in nicht dargestellter Weise ausgespült werden.
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Durch das Erzeugen der Vibrationen ergibt sich zudem eine Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit 5 und somit auch eine Erhöhung der Temperatur des Gemischs aus dem abrasiven Medium 4 und der Flüssigkeit 5.
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Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zum Reinigen des Werkstücks 2 kann auf das Anlegen des Unterdrucks verzichtet werden, wenn stattdessen die Flüssigkeit 5 auf eine erhöhte Temperatur von mindestens 70° C, vorzugsweise mindestens 90° C temperiert wird. Dieses Temperieren der Flüssigkeit 5 kann beispielsweise vor dem Einfüllen desselben in den Behälter 3 erfolgen, es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, die Flüssigkeit 5 innerhalb des Behälters 3 zu erhitzen. Bei der Vorrichtung 1, mit der diese Ausführungsform des Verfahrens zum Reinigen des Werkstücks 2 durchgeführt wird, kann auf die Unterdruckerzeugungseinrichtung 8 verzichtet werden, wohingegen die Schwingungserzeugungseinrichtung 7 auch hier vorhanden ist.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verfahrens zum Reinigen des Werkstücks 2 kann darauf verzichtet werden, den Behälter 3 in Schwingungen zu versetzen. In diesem Fall wird, wie bei der zuvor beschriebenen alternativen Ausführungsform, die Flüssigkeit auf eine erhöhte Temperatur von mindestens 70° C, vorzugsweise mindestens 90° C, temperiert und es wird, wie bei der ersten beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens, ein Unterdruck an den Behälter 3 angelegt. Die Temperierung der Flüssigkeit 5 kann auf ähnliche oder identische Art und Weise wie bei der zuvor beschriebenen alternativen Ausführungsform erfolgen. Bei der Vorrichtung 1, die zur Durchführung dieser alternativen Ausführungsform des Verfahrens eingesetzt wird, kann auf die Schwingungserzeugungseinrichtung 7 verzichtet werden, wohingegen die Unterdruckerzeugungseinrichtung 8 auch hier vorhanden ist.
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Bei dem Werkstück 2 kann es sich beispielsweise um einen Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor handeln, es können mit dem hierin beschriebenen Verfahren jedoch auch vollkommen andere Werkstücke gereinigt werden.
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Die Frequenz der durch die Schwingungserzeugungseinrichtung 7 erzeugten Schwingungen liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 50 Hz, vorzugsweise 10 bis 40 Hz. Der durch die Unterdruckerzeugungseinrichtung 8 an den Behälter 3 angelegte Unterduck liegt vorzugsweise in einem Bereich von -0,5 bis -0,97 bar, vorzugsweise -0,65 bis -0,75 bar, gegenüber dem Umgebungsdruck, d.h. bei einem Umgebungsdruck von 1 bar herrscht bei einem Unterdruck von z.B. -0,97 bar in dem Behälter ein Druck von 0,03 bar. Ein höherer Unterdruck sorgt dabei für eine stärkere Kavitationswirkung. Die Korngröße des abrasiven Mediums 4 beträgt im vorliegenden Fall ca. 0,8 bis 1,2 mm, wobei sich die Korngröße aufgrund der hohen auf das abrasive Medium 4 wirkenden Kräfte im Laufe der Zeit verringert. Die genannten Werte sind jedoch allesamt nur als beispielhaft anzusehen, da bei der Reinigung eines anderen Werkstücks als des hierin eingesetzten Werkstücks 2 vollkommen andere Parameter vorteilhaft bzw. geeignet sein können, um eine effektive Reinigung des jeweiligen Werkstücks zu bewirken. Durch das Ändern der Amplitude der von der Schwingungserzeugungseinrichtung 7 erzeugten Schwingungen kann ebenfalls eine Beeinflussung der Reinigungswirkung erreicht werden. Beispielsweise kann die Schwingungsamplitude in einem Bereich von 3 bis 50 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm, liegen. Hierbei führt eine größere Amplitude zu einer stärkeren Kavitationswirkung. Wenn die Amplitude erhöht wird, kann die Frequenz verringert werden, um dasselbe Ergebnis zu erreichen. Beispielsweise wurden mit einer Kombination einer Amplitude von 6 mm und einer Frequenz von 26 Hz ähnlich gute Ergebnisse erzielt wie mit einer Kombination einer Amplitude von 15 mm und einer Frequenz von 24 Hz oder mit einer Kombination einer Amplitude von 20 mm und einer Frequenz von 20 Hz.
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In nicht dargestellter Weise kann die Schwingungserzeugungseinrichtung 7 auch eine Kurbelwelle und eine daran angebrachte Pleuelstange aufweisen, wobei der Behälter 3 in der Art eines Kolbens an der Pleuelstange angebracht ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2217742 B1 [0002]
- DE 102017126329 A1 [0003]
- DE 102019108094 A1 [0004]
