DE2543019C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung einer Werkstückoberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen dieser Art sind nach der US-PS 36 76 963 und nach der US-PS 37 02 519 bekannt.

Bei der Vorrichtung nach der US-PS 36 76 963 mündet die erste Druckgasleitung stromaufwärts einer Düse, stromabwärts von der Kohlendioxid-Teilchen in eine zu einer Venturidüse führenden Leitung eingeführt werden. Aus der Venturidüse treten die Kohlendioxid-Teilchen aus, um unmittelbar auf die Werkstückoberfläche zu treffen. Die Vorrichtung nach der US-PS 37 02 519 unterscheidet sich insoweit von der Vor­ richtung nach der US-PS 36 76 963 nur dadurch, daß die Venturidüse entfällt.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen besteht jedoch die Gefahr, daß die Kohlendioxid-Teilchen zusammenklumpen, wodurch das Bearbeitungsergebnis beeinträchtigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, bei der die zu sublimierenden Teilchen nicht zusammenklumpen und gegebenenfalls ihre für die Behandlung erforderlichen scharfen Kanten und Ecken nicht wesentlich durch Sublimation verlieren.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 angegeben.

Die Kühlung sorgt für die Herabsetzung der Sublimation. Die zweite Druckgasleitung mit dem Rührwerk und die elektro­ statische Aufladung der Teilchen hindernde Strahlungsquel­ le sorgen dafür, daß die Teilchen nicht zusammenklumpen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungs­ beispiel unter Hinweis auf die Zeichnung be­ schrieben.

Festes Kohlendioxid wird in einer Maschine 10 teilchenförmig hergestellt. Die Teilchen können abgerundete Formen oder scharfe Kanten und Ecken aufweisen. Wenn die Vorrich­ tung zum Abrieb einer Fläche oder für ähnliche Zwecke ein­ gesetzt werden soll, werden bevorzugt durch die Maschine 10 Teilchen hergestellt, die eine tetraedrische Form haben, da solche Teilchen eine maximale Anzahl scharfer Kanten und Ecken pro Gewichtseinheit aufweisen.

Zum Abrieb einer Fläche können jedoch auch kubische Teilchen, zylindrische Teilchen und ähnliche Teilchenformen verwendet werden. Wird die Vorrichtung zur Erzeugung einer Hammer­ schlagoberfläche oder zum Polieren eingesetzt, so sind die von der Maschine 10 hergestellten Teilchen vorzugsweise kugelförmig oder haben andere Formen ohne vergleichsweise scharfe Ecken und Kanten.

Die Maschine 10 soll Teilchen einer möglichst hohen Dichte erzeugen, da die Dichte der Teilchen die mit der Vorrichtung erzielbaren Ergebnisse bestimmt. Einige kommerzielle Maschi­ nen 10 ermöglichen die Herstellung von Teilchen einer Dichte von ca. 1,36 kg/dm³ bzw. 1,52 kg/dm³. Die jeweils ausge­ wählte Maschine 10 soll Teilchen herstellen, deren Dichte zumindest 90% der theoretischen Dichte des zu Teilchen zu zerkleinernden Materials beträgt.

Die Abmessungen der von der Maschine 10 hergestellten Teil­ chen sollen den Abmessungen von Teilchen entsprechen, die bei den üblichen Sandstrahlverfahren angewendet werden. Da­ mit die Teilchen zur ausreichenden Einwirkung auf eine zu behandelnde Fläche geeignet sind, sollen sie eine größte Abmessung von mindestens 0,16 cm haben. Ist die größte Ab­ messung der Teilchen jedoch größer als ca. 0,93 cm, so ist es schwierig, solche Teilchen in der Praxis anzuwenden: Der­ art große Teilchen können, insbesondere wenn sie ver­ gleichsweise hart sind, die zu behandelnden Oberflächen beschädigen. In der folgenden Beschreibung ist stets auf die jeweils größte Abmessung der Teilchen Bezug genommen, da es normalerweise am leichtesten ist, eine Größenbe­ stimmung der Teilchen durch Siebe durchzuführen, die die Teilchen entsprechend ihrer größten Abmessung aussondern.

Die Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung einer Maschine 10 beschränkt, die ausschließlich feste Kohlendioxid-Teil­ chen herstellen kann. Die Maschine 10 kann auch zur Her­ stellung von Teilchen anderer Stoffe geeignet sein, die nach Einwirkung auf eine Fläche sublimieren. Eine Anzahl der­ artiger Stoffe ist auf Seite C-686 des "Handbook of Chemistry and Physics", 48. Auflage, Chemical Rubber Company of Cleveland, Ohio, 1967, beschrieben. Zu den dort genannten Stoffen, die bei verschiedenen Umgebungstemperaturen bei Einwirkung auf eine Fläche sublimieren, gehören 1-Chlor- Acetophenon, Benzoylaceton, p-Bichlorbenzol und andere halogenierte Benzole wie 1,2,4-Trichlorbenzol, Biphenyl, Naphthalin, verschiedene Phenole und ähnliche Stoffe. Die von der Maschine 10 erzeugten Teilchen sollen frei von Ver­ schmutzungen sein, die ein Agglomerieren oder eine Klumpen­ bildung verursachen können. Auch das Vorhandensein kleiner Wassermengen innerhalb Kohlendioxid-Teilchen kann dazu füh­ ren, daß solche Teilchen begrenzt aneinander haften. Es ist jedoch möglich, die Teilchen mit einem Material wie z. B. Diatomeenerde zu beschichten, um die Möglichkeit der Anein­ anderhaftens minimal zu halten. Beschichtungsmaterialien dieser Art werden im Zusammenhang mit der Vorrichtung je­ doch vorzugsweise nicht eingesetzt, da sie Abführungs- bzw. Reinigungsprobleme und/oder Luftverschmutzungsprobleme ver­ ursachen können, insbesondere wenn sie in beachtlichen Mengen verwendet werden.

Die mit der Maschine 10 erzeugten Teilchen werden durch eine Zuführleitung 12, in der ein Steuerventil 14 angeord­ net ist, einem trichterförmigen Sammelbehälter 16 zugeführt, aus dem die Teilchen über eine Y-förmige Anschlußleitung 18 in eine erste Druckgasleitung 20 überführt werden. Die Zu­ führleitung 12 soll möglichst kurz sein, damit die Verweil­ zeit der Teilchen in der Zuführleitung 12 möglichst kurz wird. Auch der Sammelbehälter 16 soll vergleichsweise klein sein, damit kein Teilchen länger in ihm ver­ weilt, als es unbedingt nötig ist.

Die Sublimation der Teilchen in der Vorrichtung soll ein möglichst geringes Ausmaß haben, so daß die hergestellten Teilchen praktisch ihr Anfangsgewicht haben, wenn sie auf eine zu behandelnde Fläche auftreffen. Eine solche minima­ le Sublimation ist insbesondere wichtig, wenn die verwen­ deten Teilchen vergleichsweise scharfe Ecken und Kanten haben sollen, denn die Sublimation von Teilchen solcher Form ist normalerweise mit einer Abrundung von deren Kan­ ten und Ecken verbunden.

Wenn eine derartige Abrundung der Ecken und Kanten der Teil­ chen auftritt, wird die Wirkung der Teilchen bei einem Abrieb einer zu behandelnden Fläche beachtlich verschlechtert. Obwohl es schwierig ist, den Abrundungsgrad genau zu messen, der ohne eine beachtliche Änderung der Abriebeigenschaften auftreten kann, sollte jedoch jedes Teilchen in der prakti­ schen Anwendung nicht mehr als 10% und vorzugsweise nicht mehr als 5% seines Anfangsgewichtes durch Sublimation zwi­ schen dem Zeitpunkt seiner Herstellung und dem Zeitpunkt seines Auftreffens auf einer zu behandelnden Fläche verlieren.

In gewissem Grade kann die Sublimation nicht nur durch Be­ grenzung der Verweilzeit innerhalb der Zuführungsleitung 12 und des Sammelbehälters 16, sondern zusätzlich auch durch Anordnung von Kühlmänteln 22 begrenzt werden, die die Tempe­ ratur innerhalb der Zuführungsleitung 12 und des Sammelbehäl­ ters 16 gut unter dem Tripelpunkt des verwendeten Teilchen­ materials halten. Es handelt sich dabei um die Temperatur und den Druck, bei dem der feste, flüssige und dampfförmige Zu­ stand einer Substanz miteinander im Gleichgewicht stehen.

Normalerweise tritt kein größeres Problem im Zusammenhang mit der Temperaturhaltung der Teilchen auf, insbesondere nicht im Zusammenhang mit einer ausreichend niedrigen Tempe­ raturhaltung der Kohlendioxidteilchen. Um den Gewichtsver­ lust der Teilchen durch Sublimation möglichst gering zu halten, wird der Sammelbehälter 16 normalerweise durch Einführung eines Druckgases mittels einer zweiten Druckgasleitung 24 unter Druck gehalten. Der Druck des Gases unterstützt auch die Bewegung der Teilchen durch die Anschlußleitung 18 in die erste Druckgasleitung 20. Das verwendete Druckgas ist vorzugsweise so kühl oder auf eine solche Temperatur abge­ kühlt, daß es die Sublimation der Teilchen im Sammelbehälter 16 nicht begünstigt.

Die Bewegung der Teilchen durch die Zuführungsleitung 12 in den Sammelbehälter 16 hinein und zu einem gewissen Grade aus dem Sammelbehälter 16 heraus führt häufig zur Erzeugung stati­ scher Ladungen auf den Teilchen. Solche Ladungen können das Aneinanderhaften der Teilchen begünstigen. Dies ist uner­ wünscht, da sich dann die Teilchen nicht in der gewünschten Weise vom Sammelbehälter 16 in die Anschlußleitung 18 bewegen. Das Aneinanderhaften einzelner Teilchen kann auch die Bewe­ gung der Teilchen vom Sammelbehälter 16 zur Anschlußleitung 18 ganz verhindern.

Ein solches elektrostatisch bedingtes Aneinanderhaften wird dadurch minimal gehalten, daß in dem Sammelbehälter 16 und gelegentlich auch in der Zuführungsleitung 12 mehrere Strahlungsquellen 26 angeordnet werden, die statische La­ dungen durch Aussenden von Alpha-Strahlung beseitigen. Die genaue Zahl und Anordnung solcher Strahlungsquellen 26 wird empirisch ermittelt. Die Strahlungsquellen 26 sind relativ klein und können normalerweise sehr leicht installiert wer­ den. Sie benötigen keine externe Stromquelle und arbeiten auch über längere Zeit mit gutem Wirkungsgrad. Geeignete Strahlungsquellen 26 sind für andere Zwecke handelsüblich.

Vorzugsweise ist in dem Sammelbehälter 16 ein mechanisches Rührwerk 28 vorgesehen, mit dem die Teilchen im Sammelbehäl­ ter 16 laufend umgerührt werden. Das Rührwerk 28 kann einen mechanischen Rührflügel aufweisen. Ein solches Rührwerk 28 hält die Teilchen dauernd in einem Bewegungszustand, der Brückenbildungen der Teilchen im Bereich der Anschlußleitung 18 verhindert und dafür sorgt, daß im Bereich der Anschluß­ leitung 18 immer ein Teilchenvorrat verfügbar ist.

Um im Inneren der Anschlußleitung 18 eine Agglomeration der Teilchen und/oder eine Brückenbildung der Teilchen zu verhindern, ist hinter einem Ventil 30 in der Anschlußlei­ tung 18 zur Regulierung der Teilchenströmung durch die An­ schlußleitung 18 an der Anschlußleitung 18 ein kleiner Vibrator 32 vorgesehen, der dauernd eine so starke Schüttel­ wirkung auf die Anschlußleitung 18 ausübt, daß jegliches Hängenbleiben der Teilchen innerhalb der Anschlußleitung 18 verhindert wird.

Die durch die Anschlußleitung 18 in die erste Druckgasleitung 20 geführten Teilchen werden durch den Druckgasstrom und durch Turbulenzen so stark bewegt, daß eine Brückenbildung oder Agglomeration normalerweise nicht auftritt. Normaler­ weise wird als Druckgas für die verschiedenen Arten sublima­ tionsfähiger Teilchen Druckluft verwendet.

Sehr gute Ergebnisse werden mit Druckluft unter einem Überdruck von ca. 2,8 bis 14 bar erzielt. Werden kleinere Druckwerte verwendet, so ist der Impuls eines auf eine Fläche auf­ treffenden Teilchens normalerweise zu klein, um eine aus­ reichende Einwirkung auf die Fläche zu erzielen. Wird ein höherer Druck verwendet, so treten die beim Transport von Strömungen unter relativ hohem Druck üblichen Probleme auf. Die relativen Mengen von Teilchen und Druckgas können inner­ halb vergleichsweise weiter Grenzen geändert werden.

Die Geschwindigkeit und Menge der durch die Anschlußlei­ tung 18 transportierten Teilchen soll auf das Volumen des Druckgases in der ersten Druckgasleitung 20 abgestimmt werden: Die Gasströmung soll nicht so stark mit Teilchen überladen werden, daß nicht alle Teilchen mitgenommen und mit der Gasströmung bewegt werden. Allgemein gilt, daß mit zu­ nehmender Eingabe von Teilchen in eine Gasströmung wirk­ samere Ergebnisse erzielt werden, solange die Teilchenein­ gabe nicht so stark wird, daß Ansammlungen oder Reibungs­ effekte zwischen den Teilchen entstehen, die das Erreichen einer relativ hohen Geschwindigkeit verhindern.

Die erste Druckgasleitung 20 wird zur Führung der Teilchen in eine flexible Transportleitung 34 verwendet, mittels der die Teilchen einer Düse 36 zugeführt werden. Die Transportleitung 34 ist flexibel, um die Düse 36 je nach Wunsch ausrichten zu können. Vorzugsweise ist die Transportleitung 34 so konstru­ iert, daß sie sich nicht wesentlich bei den verwendeten Druck­ werten in der ersten Druckgasleitung 20 ausdehnt. Sie besteht vorzugsweise aus einem Material, z. B. bewehrtem Silikon­ kautschuk, das durch die Temperatur der Teilchen nur unwe­ sentlich beeinträchtigt wird.

Vorzugsweise wird eine Düse 36 verwendet, die häufig als "Über­ schalldüse" oder "Venturidüse" bezeichnet wird und deren innere Formgebung so ausgebildet ist, daß ein örtlicher statischer Druck am Düsenaustritt erzeugt wird, der gleich dem statischen Druck der Umgebung ist.

Eine solche Venturidüse hat einen kurzen schmalen sich verengenden Mittelteil 38 und schräg sich erweiternde Eintritts- bzw. Austrittsenden 40; 42. Die Eintritts- bzw. Austrittsenden 40; 42 und der Mittelteil 38 sind leicht gekrümmt. Jede Düse 36 dieser konvergierend-divergierenden Art kann verwendet wer­ den, um günstige Ergebnisse zu erzielen.

Die Verwendung einer solchen Venturidüse erfolgt, weil die Geschwindigkeit, mit der Teilchen aus der Düse 36 abgegeben werden, maximal wird. Wenn Teilchen in einer Druckgasströmung transportiert werden, so ist ihre Bewegungsgeschwindigkeit eine direkte Funktion der Gasgeschwindigkeit, da die Be­ schleunigung der Teilchen durch die mit der Strömung ausge­ übte Kraft erfolgt. Der sich verengende Mittelteil 38 zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsende 40 bzw. 42 der Düse 36 hat die Wirkung einer Ge­ schwindigkeitserhöhung des Trägergases, so daß die verwen­ deten Teilchen mit einer höchstmöglichen Geschwindigkeit ausgestoßen werden.

Die genaue Form der Düse 36 ist, wenn eine maximale Aus­ trittsgeschwindigkeit der Teilchen erhalten werden soll, abhängig von dem der ersten Druckgasleitung 20 zugeführten Druck. Da Druckverluste infolge normaler Strömungsverhält­ nisse abhängig von solchen Faktoren wie der Länge der Trans­ portleitung 34 und der Art der Krümmung oder Windung der Transportleitung 34 sowie anderer damit zusammenhängender Größen sind, ist eine genaue Angabe einer optimalen Form der Venturidüse 36 nicht möglich. Vorzugsweise werden für den jeweiligen Anwendungsfall verschiedene Venturidüsen 36 ausprobiert und dann diejenige eingesetzt, mit der sich eine maximale Geschwindigkeit der Teilchen bei einer vorgegebenen Teilcheneingaberate ergibt.

Falls erwünscht, kann die Düse 36 mit einem Kühlmantel 44 versehen sein, um die Sublimation innerhalb der Düse 36 minimal zu halten. Dieser Kühlmantel 44 entspricht dem be­ reits beschriebenen Kühlmantel 22. Ein solcher Kühlmantel 44 ist jedoch normalerweise nicht unbedingt erforderlich, weil die Verweilzeit eines vorgegebenen Teilchens innerhalb der Düse 36 so begrenzt ist, daß eine Möglichkeit der Auf­ heizung und der Sublimation dieses Teilchens minimal ist. Ähnlich ist es möglich, einen Kühlmantel (nicht darge­ stellt) an der Transportleitung 34 vorzusehen. Auch dies ist normalerweise jedoch nicht erforderlich, zumal Probleme hin­ sichtlich der Konstruktion des Kühlmantels in Verbindung mit der flexiblen Transportleitung 34 entstehen und die Verweilzeit eines vorgegebenen Teilchens innerhalb der Trans­ portleitung 34 normalerweise so kurz ist, daß es keine merk­ liche Sublimation dort erfährt.

Der Faktor der Verweilzeit eines Teilchens innerhalb der gesamten Vorrichtung ist zur Erzielung optimaler Ergebnisse wichtig: Wie bereits ausgeführt, soll der Gesamtgewichts­ verlust eines Teilchens begrenzt sein, um die Einwirkung des Teilchens auf eine zu behandelnde Fläche maximal zu halten, so daß das Teilchen ein möglichst großes Gewicht haben soll, wenn es aus der Düse 36 ausgegeben wird. Da­ durch wird natürlich auch der Materialverlust minimal ge­ halten, abgesehen von dem eventuellen Gasverlust vor der Zuführung der Teilchen. Zusätzlich wird ein minimaler Gesamt­ gewichtsverlust auch angestrebt, um den Teilchen praktisch unveränderte Ecken- und Kantenformen zu bewahren, wenn sie auf die zu behandelnde Fläche auftreffen.

Zur Erzielung wirksamer Ergebnisse kann der Gewichtsverlust der Teilchen normalerweise durch einen derartigen Aufbau der vollständigen Vorrichtung beeinflußt werden, daß das je­ weilige Teilchen nicht länger als zwei Minuten lang durch die Vorrichtung läuft. Vorzugsweise ist die Vorrichtung je­ doch so aufgebaut, daß die Teilchen nicht länger als ca. eine Minute hindurchlaufen, um minimale Gewichtsverluste zu erzielen.

Die einzelnen Teilchen werden aus der Düse 36 auf eine Werk­ stückoberfläche 46 geschossen, auf der sie eine gewünschte Flächenbehandlung ausüben.

Um mögliche Probleme im Zusammenhang mit Gasen infolge der Sublimation verbrauchter Teilchen nach Auftreffen auf die Werkstückoberflächen 46 zu vermeiden, wird eine mäßige Luft­ zirkulation in dem Bereich zwischen der Düse 36 und der Werkstückoberfläche 46 erzeugt. Gelegentlich kann es jedoch auch günstig sein, diesen Bereich zu umschließen, um subli­ miertes Material zurückzugewinnen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Behandlung einer Werkstückoberfläche (46) mit Strahlmitteln in Form von festen sublimierenden Teil­ chen, insbesondere Kohlendioxid-Teilchen, mit einem Sammel­ behälter (16) für die Teilchen, der einen Auslaß aufweist, aus dem die Teilchen über eine Transportleitung (34) einer Düse (36) zugeführt werden, und mit einer ersten Druckgas­ leitung (20), die die Düse (36) in Transportrichtung der Teilchen mit Druckgas speist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (16) über eine gekühlte Zuführungs­ leitung (12) an eine Maschine (10) zur Erzeugung der Teil­ chen angeschlossen ist, daß in dem Sammelbehälter (16) eine zweite Druckgasleitung (24) mündet und in ihm ein Rührwerk (28) angeordnet ist, und daß sich in dem Sammel­ behälter (16) wenigstens eine elektrostatische Aufladungen der Teilchen hindernde, Alpha-Strahlung emittierende Strah­ lungsquelle (26) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportleitung (34) mit dem Auslaß des Sammel­ behälters (16) über eine an einem Vibrator (32) gekop­ pelte Anschlußleitung (18) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (16) von einem kühlmitteldurchflossenen Kühlmantel (22) umschlos­ sen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Düse (36) von einem kühl­ mitteldurchflossenen Kühlmantel (44) umschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Düse (36) eine Venturi­ düse ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (16) als ein sich nach unten zu dem Auslaß verengender Trichter aus­ gebildet ist.