DE1427555A1

DE1427555A1 - Intermittierende Oberflaechenbearbeitung

Info

Publication number: DE1427555A1
Application number: DE19621427555
Authority: DE
Inventors: Evans Dewey M; Koepke Frederick W
Original assignee: Ajem Laboratories Inc
Current assignee: Ajem Laboratories Inc
Priority date: 1962-07-17
Filing date: 1962-07-17
Publication date: 1968-12-12

Description

Tntermittierende Oberflächenbearbeitung

Die Erfindung betrifft verbesserte Anordnung] zur Säuberung

unter Druck und Strukturänderung von Oberflächen oder ähnli-, chem, z. B. zum Entgraten, Abschleifen oder Hämmern. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung, in der ein regelmäßig unterbrochener Flüssigkeitsstrahl hoher G&-schwindigkeit ohne den "Wasser-Hammer"- und andere nachteilige Effekte, die bei der plötzlichen Abbremsung und dem schnellen Aufbau der gewünschten hohen Geschwindigkeit entstehen, benutzt wird.
Solche Probleme entstehen besonders bei der Oberflächenbehandlung von Metallfertigteilen, z. B. bei der Säuberung oder Entfernung von Glühspänen und beim Entgraten, und in anderen Fällen bei einer Änderung der kristallischen Oberflächenstruktur durch Verfahren wie z. B. das Kugelstrahlen. In den. folgenden Ausführungen und Ansprüchen werden diese Verfahren zusammenfassend als Oberflächenstrukturänderüngen. bezeichnet. Es sind bis jetzt Vorrichtungen zur Säuberung unter Druck bekannt geworden, die auf verschiedene Weise Sprühstrahlen zum lösen und Entfernen des Oberflächenschmutzes benutzt haben® Sie bestanden aus mechanischen Anordnungen, . durch die die zu behandelnden Teile gegenüber den.Strahlen in die verschiedensten Positionen gebracht wurden, und um die Strahlen in passende Stellungen zu bringen, oder um Drehstifte, die Strahldüsen enthalten, in kleine Öffnungen einzuführen: Die Erfindung ergänzt oder ersetzt solche Hilfsmittel durch regelmäßig unterbrochene Strahlen, die mit plätzlicher hoher Geschwindigkeit einwirken und dann der Flüssigkeit abzufließen gestatten und daraufhin wiederum durch einen Strahl hoher Geschwindigkeit einwirken, so bald genügend Flüssigkeit von der Oberfläche zurückgeflossen ist, so daß der Strahl mit voller Wirksamkeit wieder auftreffen kann, wobei dieses. Verfahren so oft als nötig wiederholt werden kann.
Das Ergebnisfeines solchen Verfahrens ist die höhere Wirksamkeit einer gegebenen .Wassermenge . oder irgendeiner einwirkenden Flüssigkeit und entsprechend die Vergrößerung des Wirkungsgrades beim Gebrauch der Energie, die die Flüssigkeit in einem solchen Hochgeschwindgkeitsstrahl inne hat. Eine-frühere Anmeldung von J. Panzica, Robert GMillhiser, und Warren W. Wool, Jr., hat die Reinigung und Strukturänderung von Oberflächen durch die Umleitung einer Strömung zum Gegenstand, um eine regelmäßig unterbrochene oder pulsierende Einwirkung eines Flüssigkeitsstrahles zu bewirken, sowie eine bestimmte Art von Ventil,um eine solche Umleitung zu bewirken.
Die Erfindung stellt die Verbesserung eines Apparates zur Erzeugung eines intermittierenden Flüssigkeitsstrahles dar. In der schwebenden Anmeldung von Umbricht und Johnson (U.S. Ser. No. 9.910, vom 19. Februar 1960) ist eine neue Methode zur Oberflächenstrukturänderung durch das Anstrahlen mit festen Teilchen, die in einer dazu geeigneten Flüssigkeit schweben, beschrieben und. dafür Schutz beansprucht worden. Eine klare Flüssigkeit, wie z: B. Wasser, wird mit hoher Geschwindigkeit durch Öffnungen gepreßt, und bildet dadurch Strahlen, in denen feste Teilchen schweben, zur Oberflächenstrukturbearbeitung. Diese Teilchen können beim Abschleifen oder Entgraten verschiedenartige Schrotkörner. sein, oder wie beim Hämmern Stahlkugeln oder ähnliches.
Der Flüssigkeitsstrahl nimmt die auf die Oberfläche einwirkenden Teilchen in sich auf und beschleunigt sie durch-seine Wirkung als Saugstrahl. Wenn irgendein Gegenstand, der bearbeitet werden soll, in dem Weg dieses Strahles sich befindet, so wird seine-Oberfläche äußerst wirksam in der gewünschten Weise beeinflußt. Derartige Verfahren haben die Technik der Oberfläehenbear-1reitung vieler Teile revolutioniert, besonders die Bearbeitung von metallischen GuBteilen in der automatisierten Industrie. Die Außenflächen solcher Gußteile können leicht durch ein Verfahren und: einen Apparat, wie das in früheren Anmeldungen des Aasmelders und seiner Mitarbeiter beschrieben wurde,- bearbeitet werden. Schwierigkeiten ergeben sich, .wenn Glühspäne oder an den-zu bearbeitenden Teilen hängende Schuppen, usw. aus kleinen Höhlungen-entfernt werden ollen, wenn z: B. Gewindelöcher geglättet, entgratet, und von Ölresten, Splittern oder Schleifmitteln gereinigt werden sollen. Wenn eine solche Oberfläche einmal mit der Flüssigkeit bedeckt ist und besonders wenn: kleine Öffnungen oder Höhlungen mit der Flüssigkeit angefüllt sind, sind diese Oberflächen von der beabsichtigten Einwirkung des- Strahles " isoliert und somit die weitere Einwirkung eines starken Strahles von festen Teilchen auf die zu bearbeitende Oberfläche verhindert.
Die Erfindung erleichtert das Reinigen kleiner Höhlungen durch regelmäßIg unterbrochene Flüssigketsstrahlen,-entweder mit oder ohne darin enthaltenem Schrot, die die Öffnung einer solchen Höhlung unter einem .geeigneten Winkel anatrahlen. Die Erfindung hat einen zusätzlichen unerwarteten Vorteil, der darin besteht;, daß er die= Wirkung auf die krintallisehe Obsrflä.chenetrd-£tnr sogar bei ebenen: Oberflächenverbessert. Dabei handelt ea sich um eine äußerst vorteilhafte und ungewöhnliche Erscheinung.
Bei der Anwendung der Erfindung wird der Fluß der reinigenden Lösung oder der auf die Oberfläche einwirkenden Flüssigkeit unterbrochen und die Oberfläche wiederholt dem Aufprall oder plötzlichen Stoß der einwirkenden Flüssigkeit ausgesetzt. Wenn der Strahl pulsierend einwirkt, d. h. z.B. nur für die Zeit des Bruchteiles einer Minute, eventuell sogar nur eine Sekunde lang einwirkt, fließt die Lösung aus ihrer Lage dynamischen Gleichgewichtes während des. Strahlflusses derart zurück, daß selbst bei schmalen Höhlungen, wo die Flüssigkeit nicht vollkommen wieder auslaufen kann, dies nicht mehr verhindert, da! der nächste Strahlstoß: eine wirksame, Scheuerwirkeng an den Innenflächen der Höhlungen, und an den.Außenflächen, über die die Flüssigkeit fließt, hervorruft. Es ist vorteilhaft, wenn der zu bearbeitende Teil so gehalten oder gedreht wird, da! die Flüssigkeit aus solchen Höhlungen abfließen kann, während der Strahl unterbrochen wird. Das Ergebnis ist eine vollkommene Reinigung oder Einwirkung auf die Oberfläche durch eine Maschine ohne die Notwendig-_ keit von Handarbeit.
Überraschenderweise wird die Wirksamkeit des Anblasens durch Stoßwellen und Unterbrechungen auch bei großen Oberflächen verbessert, wo das Problem kleiner Höhlungen nicht vorhanden ist. Offenbar verbessert das plötzliche--Anschalten beim Beginn des Strahles das Reinigen Lind die Entfer-@ nung von Glühspänen oder ähnlichem, wahrscheinlich weil der plötzliche Aufprall die Oberfläche beansprucht, bevor eine Reaktion stattfindet, die entgegenwirkt und ein Gleichgewicht herstellt. Auf jeden Fall wird die Entfernung von unerwünschten Materialresten bedeutend verbessert, dadurch, daß der Flüssig7Feitsstrahl pulsiert, und die Erfindung ist nicht an irgendeine Theorie, warum dies so ist, gebunden. ,Das Pulsieren des Strahles und: seine Unterbrechung kannbis -zu einem gewissen Ausmaß durch ein -e:infaches An- und -Abschaltventil geschehen, aber. es ist wesentlich vorteilhafter, einen kontinuierlich fließenden Strahl hoher Geschwindigkeit hintereinander verschiedenen Ausflußöffnungen zuzuleiten. Auf diese Weise wird eine konstante Belastung der Pumpe aufrecht erhalten und die Trägheitskräfte des fließenden Strahles werden dazu benützt"einen p;l6tzlichen Sturz der Flüssigkeit im Gegensatz zu einer allmählichen Beschleunigung an den jeweiligen Öffnungsdüsen zu erhalten, wodurch eine größere Wirksamkeit erreicht wird als wenn der Fluß tatsächlich angehalten wird. Wenn mehrere Düsenöffnungen vorgesehen sind, wird das Wasser hohen Druckes periodisch und in entsprechenderReihenfolge zu den verschiedenen Düsen geleitet.: Wo das nicht durchführbar ist, kann der Fluß zurückgeleitet werden in-einen Sammelbehälter, um- eine Flußunterbrechung in dem Hochdruckstrahl zu verhindern. Die Umschaltung von einem Strömungsweg zu dem anderen sollte-so schnell als möglich vor sichy_ gehen, um einenplöt`zlehen Aufprall der Flüssigkeit; von der Düse zu der der Fluß hingeleitet wird, zu gewährleisten. In der folgenden Beschreibung werden zwei Arten von Ventilen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, erläutert. Es sei darauf hingewiesen,- daß sie lediglich die Wrkungsweise auch anderer Ausführungsbeispiele, die benützt werden können, erläutern.
Die Brfindung soll nun im einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnungen erklärt werden, wo die Erfindung als eine Verbesserung des bereits erwähnten Apparates von Umbricht und Johnson verwendet wird. In-diesen Zeichnungen ist: .
Figur 1 eine halbschematische Schnittzeichnung eines Kolbenventiles, verbunden mit zwei Strahldüsen, die schematisch gezeigt sind; Figur 2 die Draufsicht einer anderen Ventilausführungsform; Figur 3 ' eine Seitenansicht des Ventiles nach Figur 2.
In Figur 1 sind die Bodenteile-der beiden Strahltanks schematisch gebrochen dargestellt. Wie gezeigt, wird jeder Tank 1 aus einem konischen Gehäuse gebildet, in welches eine Düse 2 und eine dazu koaxiale Strahlüffnung 3 eingebaut ist. Das' Wasser wird unter relativ hohem Druck aus den Zeitungen 4 durch die Düsen 2 zugeführt.

Während der Betätigung nimmt der Wasserstrahl, der abwechselnd durch die Düsen 2-hindurehtritt, einige der auf die Oberfläche einwirkenden festen Teilchen auf", die auf dem.

Boden der Tanks 1 um die Lücken zwischen den Düsen 2 und den

Strahlöffnungen 3 herum aufgehäuft sind. Diese Schrotmasse,

die von den flüssigen Strahlen hoher Geschwindigkeit aufge-

nommen wird, wird dann in den Strahlöffnungen 3 Beschleunigt,

so daß sie mit hoher Geschwindigkeit auf--Teile 6 aufschlägt,

0

die sich. in dem Strahl von der Öffnung 3 befinden oder in

diesen .Strahl hinein bewegt werden.. Die Anordnung und die

Bewegung solcher Teile ist bekannt, und Beispiele hierfür

sind in früheren Patentschriften angegeben., so z.B: in denen .

von Umbricht und Johnson, die bereits genannt wurden-und'der -

von D.M. Evans,Patent No. 2832465, 29, April 1958;

0.M.. Arnold 1Vo. 2 9000 9'91, 25. August 1959; E. Umbricht

und D.M. Evans No.-2 918071, 22: Dezember 1959; Umbricht,

Evars und W. Johnson No. 2925 6149 23. . Februar 1960; Umbricht

Evans. Ho.. 2 926 674, 1. März 1960, und Yo. 2 926 675 vom

.1. März 1960; und die Anmeldung ITS.Ser.No. 50138 vom

1?. August 1960.

Die Zuleitungen 4 für die klare Flüssigkeit stehen mit

einer Ventilkammer 9 in Verbindung, in der sich ein Ventil-

schieber 10 periodisch hin und her bewegt. Die Enlaßöff-

nung 11 für Wasserhohen Druckes ist in der Mitte der Kam-

mer 9 angebracht.

Iri der Stellung, die in Figur 1 gezeigt ist, befindet sich

der Kolben auf der linken .Seite, ciie Zuleitung 4 Ist ge-

eohlose:en und die Zuleitung -4' sorgt für offenen Durchflu8

der- Hochdruckflüssigkeit von- der- Offnung 1l her. So fließt

ein Strahl hoher Geschwindigkeit aus der Düse 21 und erzeugt im rechten Tank 1t an der Öffnung 31 eine Stoßwelle-,-Periodisch, z.B. in Abständen von einer Sekunde, bewegt sich der Kolben schnell in die Stellung, die in gestrichelten Linien eingezeichnet ist, und Leitet damit den. Fluß vom rechten.Tank durch die Düse 2 in den linken Tank. Diese Aufeinanderfolge wird laufend wiederholt. Die Teile 6, die sich in dem Strahl befinden, werden auf_diese Weise bearbeitet., indem zunächst der Strahl auf sie aufprallt und

worauf,

dann abfließen kann,/sobald die Oberfläche frei von Flüs-

sigkeit ist, sie wieder dem Strahl ausgesetzt wird. Da der

Flüssigkeitsfluß fortlaufend ist und abwechselnd an die

Düsen 2 und 2' geleitet wird" ohne je angehalten zu werden,

hat der Strahl immer grSHtmd.glichste Geschwindigkeit und

Aufprallkraft und die Verschlechterang.der.Anordnung,durch

"Wasserhammer"- und andere Trägheitseffekte ist damit ver-

mieden. .

Es soll erwähnt werden, daß die inte.rmittierende .oder pul-

sierende Form des Strahles .in- der Zuleitung; der _kl.aren Flüs-

sigkeit erfolgt, aber die! Flüssigkeit kann-..nichtsdestoweni-

ger einige feine Schleifgeile enthalten. Die .Umleitung -wird'

durch die Betätigung des Motors 12 bewirkt, ,den-r-.p von, der ,

Flüssigkeit durch eine Stopfbuchse 8 abgedichtet ist. Der

Flüssigkeitsdruckmotor 1.2 und die. Mit-tel"° um ihr @sa@ueose.lnd

an seinen Ver%indungestellen. .7I3 und- =14 mit" Druck .und Unter-

K . , . -

druck zu, versorgen". ,können.,hek@@:i,chEx. Art..

Da die -Tanks 1 in senkrechtem Querschnitt gezeigt sind,

scheint- es'-so, -'als ob --jeder Tank nur eine einzige Düse sät-

te e Das kann oft so sein, aber in vielen Pällenwird :eine

Vielzahl von' Düsen und S`trahläffnungen oder schlitzförmige,

Düsen und 'gerlängerte. ßtrahloffnungen benutzt, wie-das in

den genannten früheren-Anmeadungen-auch gezeigt war, so

daß ein-Strahl-erzeugt wird,- der -den Querschnitt eines .

schmalen Streifens hat, :wag für die =Bearbeitung dieser

Teile von Vorteil ist. Sind mehrfache Düsen vorgesehen,

so ist `es unter keinen Umständen notwendig,-daß der umge-

lenkte Fluß in eine: ändere .Mas:chine 'oder in- einen: .anderen -

Tank umgeleitet werden muß. Im- -Gegenteil, es - Ist oft- vor--.

teilhafter; -den Fluß von einer Düse "zur anderefz .innerhalb -.

desselben Strahltanks umzuleiten: - - _:.

Für'Verschledene Arbeiten- ist es wünschenBwert;-_ gnordnuhgen

von mehreren. Düsen- in* jedem Strahltunk zu habenr Diese: Du-sex

und Strahlöffnungen sind vorteilhafterweise unter verschie-

denen Winkeln' ange'b-ra,cht,@' so' daß--ein besonderes-. Tefl. des - -

Werketücke°s,. auf welchew de'r ;Strahl. 'geruhtet ist, am- . ...

be'st"en- be`arbete-t werden, kann: - Die° Erfindung. ist -bestens y

Düsen

geeignet" ö-loh'e= ,@lnördnüri°gen °verschie:d'eter =-m pulserende'n=

He trieb 9ü,..Veenden®... -- .. - .- - . : . . . : . :....;.

Eine v4eite'reg°` @n @erbrech:erveiitl:;- däs - eb@enso°al's :r@`e'rfei-le@rv`@"

arbe'tet,=-,ist .:n -Fgüreri---2 und°,..._gezegtö.:ger-@i's@t:in :@ ...

@eiz.tvlkä;,rr;.@ä `.vosevehen'der-@te@irare @@Lushätiöffnüri en' =@.

'. ''eiif-t'.@eet hat°: 'ni%erid@-e: "ten',tlkdge°g i

4 e

9e befindet sieh ein drehbarärj üerteiler '0a, aus den[ ein

Arm oder Schlitz 15 ausgespart ist. Die in axialer Richtung liegende Einlaßöffnung oder Speiseleitung lla steht mit der ausgesparten Stelle des Schlitzes oder Armes in Verbindung. Diese ausgesparte Stelle erstreckt sich nach außen hin derart, daß sie auch mit den Auslaßöffnungen 4a in Verbindung steht. Bei der Drehung des Verteilers 10a durch die Welle 17 steht der Schlitz 15 nacheinander mit den,verschiedenen Auslaßöffnungen 4a in Verbindung., wie das am besten aus Figur 2 ersehen werden kann; daher wird bei einer einzigen Umdrehung die Hochdrucksflüssigkeit reihum zu jeder der vier Auslaßöffnungen geleitet. Da der Schlitz 15 mit j;eder Auslaßöffnung 4a in Verbindung tritt, bevor er von der vorhergehenden abgeschnitten ist, wird der FlüssigkeitsfluB hoher Geschwindigkeit niemals unterbrochen und die Trägheitskräfte der Flüssigkeit dazu benutzt, die Geschwindigkeit in einer Düse schnell:. aufzubauen, sobald die vorhergehende Auslaßöffnung abgeschnitten wird.

Die Wirkungsweise ist im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben, aber die Konstruktion des Verteilers führt von selbst zu Anordnungen, wo mehr als zwei Gruppen von Düsen vorhanden sind. Es gibt viele weitere Arten von Flüssigkeitsverteilern,,die die beschriebenen Funktionen erfüllen können. Die Frequenz der 'Strehlimpulse wird eich mit der Art der verwendeten Maschine ändern., ebenso wie mit Eigenschaften und Anordnungen. der Oberfläche, die bearbeitet werden soll. Die Pulsfrequenz wird durch die igreguenz, durch die die Ven-

kann

. tile angetrieben werden, bestimmt, und diese/in .bekannter ::

Weise durch die Verwendung eines Blektramotors veränderlicher Geschwindigkeit an. der Welle 17 geregelt werden oder durch die Regellang des Flüssigkeitsdruckes bei dem Flüssigkeitsmotor 12, der das Ventil 10 antreibt.
Verschiedene Motorenarten können verwendet werden, um das Ventil 10 anzutreiben. Außer dem Flüssigkeitskolbenmotor, wie er schematisch mit 12 bezeichnet wird oder einem einfachen Elektromotor, wie er oben erwähnt wurde, kann eine Magnetspule oder eine drehbare Nocken- und Hebelanordnung und ein Zahnstangengetriebe zur Umwandlung der Bewegung des Kolbenmatores zum Antrieb des Ventilschiebers benützt werden.

Claims

Patent a n s p r ü c h e f lachen 1. abe*earbeitungsprozeß, der zur Einwirkung auf eine Ober-

Fläche Flüssigkeitsstrahlen benützt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen in dauernd unterbrochener Weise von einem Flüssigkeitsstrom erzeugt werden, der seine hohe Geschwindigkeit im wesentlichen beibehält, aber dauernd von diesen Strahlen abgelenkt und wieder zu ihnen hin gelenkt wird, um auf diese Weise Stöße vorherbestimmter fre quenz zu erzeugen. 2. 'erfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand desselben, nämlich die Oberfläche, auf die eingewirkt werden soll, der Einwirkung von mehreren Flüssigkeitsstrahlen ausgesetzt ist und der Flüssigkeitsstrom abwechselnd von einem Flüssigkeitsstrahl zum nächsten umgeleitet wird und auf diese Weise zunächst einen plUtzlichen .Ausbruch eines dieser Strahlen und dann des nächsten bewirkt. 3. Verfahren nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Flüssigkeitsstrahlen unter jeweils verschiedenen Winkeln auf das zu bearbeitende Objekt gerichtet sind. 4. Anordnung zur Ausführung des Verfahrens nach .Anspruch 1 oder einem der folgenden, die aus einem Behälter besteht, dessen zusammenlaufender Baden ein- -Absetzbecken bildet, in der sich mindestens, eine Strahldüse. befindet, und o in die-

sein Behälter sich eine flüssige Aufschlämmung von. auf die Oberfläche einwirkendem Schrot befindet" und sich über-der ein. Strahldüse Kanal für die Stoßwelle erstreckt, und Mittel

,vorgesehen sind, um der ..Düse unter hahem,Druck eine klare Flüssigkeit zuzuleiten, dadurch gekennzeichnet,, daß Mittel vorgesehen sindr um die Flüssigkeit unter Druck periodisch von der Strahldüse abzuleiten und plötzlich den Fluß des Strahles wieder herzustellen und auf diese Weise einen ,pulsierenden Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen,: wobei die Mittel zur Zuführung der Flüssigkeit unter Druck, so ausgelegt sind, daß sie einen Strahl genügend hoher Geschwindig= keit erzeugen., um: das auf die Oberfläche: des zu behandelnden' Teiles einwirkende Schrot auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, wie sie zurwirksamen Einwirkung auf Oberflächen notwendig sind, 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahldüsen vörgesehen sind, und daß die gesamte Anordnung ferner Mittel zum Umlenken der Flüssigkeit enthält,. die zwischen den Düsen und den Druck erzeugenden Mitteln: liegen und dazu geeignet sind, abwechselnd und sufeinanderfolgend:Flüssigkeit zu den Düsen hin und dann: von ihnen abzuleiten, und Mittel zur Bedienung-dieser Umlenkungsmittel hei vorgegebener hulsfreque.nzo 60 .Anordnung nach Anspruch. y, dadurch gekennzeichnet, -daß .ein angetriebenes Kolbenventil die umleitenden Mittel darstellt. 7. .Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daB ein sich drehender Flüssigkeitsverteiler die umlenkenden Mittel darstellt.