DE3527923C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kugelstrahldüse zum Verfestigen der Wandung einer Bohrung in einem metallischen Werkstück durch Kugelstrahlen mittels Kugeln, deren Durchmesser wesentlich kleiner als der Bohrungsdurchmesser ist, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Kugelstrahlen kleiner Bohrungen wird vor allem in der Flugzeugindustrie dazu herangezogen, die Bohrungswandung zu verfestigen und dadurch die Standzeiten gewisser Bauteile ganz erheblich zu erhöhen, teilweise zu verdoppeln. Die bekannten Verfahren zum Kugelstrahlen der Wandung von Bohrungen kleinen Durchmessers sind jedoch nicht nur außerordentlich aufwendig, sondern auch mit erheblichen Nachteilen behaftet: Die Werkstückoberfläche, in die die Bohrung mündet, wird mit großen Mengen des verwendeten Strahlmittels beaufschlagt (bis zu 6000 kg je Bohrung); dabei treffen nur einzelne Kugeln in die Bohrung hinein und auf die Bohrungswandung auf, und nur dann verursachen die Kugeln durch den Aufprall auf die Bohrungswandung eine Materialverdichtung. Außerdem nimmt die Intensität der Materialverdichtung mit zunehmendem Abstand von der Bohrungsmündung unvermeidbar ab - das Behandlungsergebnis ist also längs der Bohrung nicht konstant. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß der eine Bohrungsmündung umgebende Oberflächenbereich des Werkstücks über eine längere Zeit einem Kugelstrahl hoher Intensität ausgesetzt werden muß, um innerhalb der Bohrung überhaupt eine Effekt zu erzielen, was zur Folge hat, daß das Werkstückmaterial an der Bohrungsmündung zu fließen beginnt; dieser nachteilige Effekt läßt sich mit Masken nur teilweise verhindern.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Kugelstrahldüse zu entwickeln, welche es auch bei Bohrungen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser erlaubt, die Bohrungswandung mit größerer Intensität und gleichmäßiger zu bestrahlen, als dies mit dem vorstehend beschriebenen bekannten Verfahren zum Kugelstrahlen der Wände enger Bohrungen möglich ist.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Strahldüsen eignen sich nicht für das Bearbeiten der Wandungen von Bohrungen, deren Durchmesser nur wenig größer als der Außendurchmesser dieser bekannten Strahldüsen ist.

Bei einer ersten bekannten Strahldüse (US-PS 24 39 032) ist in einem dünnwandigen Rohr im Bereich dessen auslaßseitigen Endes eine Venturi-Düse angeordnet, welche ein Gemisch aus Druckluft und Sand gegen eine Prallfläche richtet, die unter 45° zur Rohrachse geneigt ist und deren Rücken von dem Rohr umfaßt wird, welches der Prallfläche gegenüberliegend einen Ausschnitt besitzt, der zum auslaßseitigen Rohrende zu randoffen ist; die Prallfläche ist also schräg dem Auslaß der Ventur-Düse und diesem Rohrausschnitt zugekehrt. Sie ist außerdem so dimensioniert, daß sie - in Richtung der Rohrachse gesehen - nicht nur die Auslaßöffnung der Venturi- Düse überdeckt, sondern auch nahezu den Innenquerschnitt des die Venturi-Düse aufnehmenden Rohrs. Würde man diese Strahldüse in eine Bohrung einführen, deren Durchmesser nur geringfügig größer als der Außendurchmesser des äußeren Rohrs der Düse ist, und dann als Strahlmittel Kugeln verwenden, so könnte mit dieser Strahldüse aus den verschiedensten Gründen nicht gearbeitet werden: Zwischen Prallfläche und Bohrungswand würde sofort ein Kugelstau auftreten, da die Kugeln durch den engen Spalt zwischen der Austrittskante der Prallfläche und der Bohrungswand nicht abfließen könnten; selbst wenn dieser erwähnte Spalt aber gerade noch ausreichend wäre, um die Kugeln passieren zu lassen, würde sich zwischen Prallfläche und Bohrungswand ein Kugelstau ergeben, weil die Kugeln durch die um 45° geneigte Prallfläche um 90° umgelenkt und deshalb senkrecht auf die Bohrungswand auftreffen würden, so daß sie von dieser senkrecht reflektiert und wieder auf die Prallfläche auftreffen würden, durch welche sie erneut um 90° umgelenkt und dadurch dem die Venturi-Düse verlassenden Kugelstrahl entgegengerichtet würden.

Genau dasselbe gilt für eine andere bekannte Kugelstrahldüse (Fig. 6 der US-PS 34 85 073), für die deshalb auch nur ein Anwendungsfall bekannt ist, bei dem die Innenwandung eines Rohrs kugelgestrahlt wird, dessen Innendurchmesser ein Vielfaches des Außendurchmessers der Kugelstrahldüse beträgt. Diese bekannte Kugelstrahldüse besteht aus einem Rohr, an dessen austrittseitigem Ende ein Umlenkstück befestigt ist, das eine im Axialschnitt ungefähr viertelkreisförmige Prallfläche bildet, einen Außendurchmesser aufweist, der ungefähr dem Außendurchmesser des Düsenrohrs entspricht und zwischen der Austrittskante der Prallfläche und dem Ende des Düsenrohrs ein Fenster frei läßt, durch das die Kugeln die Strahldüse verlassen. Aufgrund des viertelkreisförmigen Profils der Prallfläche werden die das Düsenrohr verlassenden Kugeln zumindest ungefähr um 90° umgelenkt, so daß sie auch ungefähr senkrecht auf die Innenwand des zu bearbeitenden Rohrs auftreffen; sie sollen dann zwar in Richtung der Achse des zu bearbeitenden Rohrs aus diesem herausfallen, was aber in der Praxis für die meisten Kugeln nicht zutreffen wird, weil diese von der zu bearbeitenden Wand ungefähr senkrecht reflektiert werden und wieder in das erwähnte Fenster der Kugelstrahldüse eintreten.

Ausgehend von der an erster Stelle geschilderten bekannten Strahldüse läßt sich nun die vorstehend geschilderte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des beigefügten Anspruchs 1 lösen. Da die Prallfläche mit der Rohrachse einen Winkel von weniger als 45° bildet, treffen die Kugeln schräg auf die Bohrungswandung auf und werden von dieser schräg nach unten reflektiert, so daß sie abfließen können, weil der größte Abstand der Austrittskante der Prallfläche vom Außenumfang der gedachten Verlängerung des Rohrs größer als der Kugeldurchmesser ist. Da beim Arbeiten mit der erfindungsgemäßen Kugelstrahldüse die Kugeln um weniger als 90° umgelenkt werden, erleiden sie infolge der kleineren Richtungsänderung auch einen geringeren Geschwindigkeitsverlust, so daß das Arbeiten mit der erfindungsgemäßen Kugelstrahldüse zu einer intensiveren Materialbearbeitung führt. Der Außendurchmesser des Rohrs der erfindungsgemäßen Kugelstrahldüse muß nur um so viel kleiner als der Bohrungsdurchmesser sein, daß sich das Rohr in die Bohrung einführen sowie in dieser verdrehen und verschieben läßt. Die Prallfläche kann von einem Element gebildet werden, welches als separates Teil in die Bohrung eingeführt wird, es kann aber auch am Rohr befestigt oder sogar an dieses angeformt sein.

Damit ein guter Abfluß des Strahlmittels gewährleistet ist, wurde eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kugelstrahldüse so gestaltet, daß der größte Abstand der Austrittskante der Prallfläche vom Außenumfang der gedachten Verlängerung des Rohrs mindestens das Doppelte des Kugeldurchmessers beträgt.

Zu bevorzugen sind Ausführungsformen, bei denen der von der Prallfläche mit der Rohrachse gebildete Winkel ungefähr 20° bis 25° und vorzugsweise 22,5° beträgt, so daß die Kugeln unter ungefähr 45° auf die Bohrungswand auftreffen und sich so ein optimaler Kompromiß zwischen maximalem Verdichtungseffekt und gutem Abfluß des Strahlmittels erzielen läßt.

Damit die Prallfläche selbst den Abfluß des Strahlmittels nicht behindert, wird empfohlen, die Länge der Prallfläche und ihren Neigungswinkel derart aufeinander abzustimmen, daß von der Bohrungswand abprallende Kugeln die Prallfläche nicht mehr treffen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand einer in der beige­ fügten Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch näher erläutert werden; die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch eine zu behandelnde Bohrung eines Werkstücks sowie durch eine in diese Bohrung eingeführte, erfindungsgemäße Strahlmitteldüse.

Ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Werkstück besitzt eine Bohrung 12, deren Wandung 14 mittels eines aus Kugeln 16 bestehenden Strahlmittels verfestigt werden soll, wie dies an sich bei Werkstücken aus metallischen Materialien bekannt ist.

Zu diesem Zweck wird in die Bohrung 12 ein als Ganzes mit 18 bezeichnetes, eine Strahlmitteldüse bildendes Rohr einge­ führt, das im Bereich seines Austrittendes 20 eine gegen­ über der Rohrachse 22 um einen Winkel α geneigte Prall­ fläche 24 besitzt, deren Länge mit L bezeichnet wurde.

Der Prallfläche 24 gegenüber ist in der Wand des Rohrs 18 ein umgekehrt U-förmiger Ausschnitt 26 vorgesehen.

Bei der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Strahlmitteldüse beträgt der Neigungswinkel α 22,5°, so daß in Richtung der Rohrachse 22 fliegende Kugeln 16 durch die Prallfläche so umgelenkt werden, daß sie mit der Rohrachse 22 einen Winkel von 45° bilden und unter 45° auf die Bohrungswandung 14 auftreffen, so daß auch der Reflexionswinkel wiederum 45° beträgt. Die Länge L der Prallfläche 24 ist erfindungsgemäß so gewählt worden, daß die auf den Fußpunkt der Prallfläche 24 auftreffenden Kugeln 16 a, nachdem sie durch die Bohrungswandung 14 reflektiert wurden, nicht mehr auf das Rohr 18 aufprallen können. Ferner beträgt der Abstand D des freien Endes der Prallfläche 24 von der Bohrungswandung 14 ein Mehrfaches des Durchmessers der Kugeln 16, so daß ein freier Abfluß des Strahlmittels nach unten gewährleistet ist.

Zur Behandlung des Werkstücks 10 wird nun je Zeiteinheit eine ganz bestimmte Strahlmittelmasse im bekannten Druck­ strahlverfahren dem Rohr 18 zugeführt, wie dies durch den Pfeil S angedeutet wurde. Dann wird das Rohr 18 um die Rohrachse 22 gedreht und längs der Bohrung 12 vorgeschoben, bis der Werkstoff im Bereich der Bohrungswandung überall gleichmäßig und ausreichend verdichtet worden ist.

Claims (4)

1. Kugelstrahldüse zum Verfestigen der Wandung einer Bohrung in einem metallischen Werkstück durch Kugelstrahlen mittels Kugeln, deren Durchmesser wesentlichen kleiner als der Bohrungsdurchmesser ist, mit einem Rohr und einer vom Rohr nur teilweise umschlossenen, zur Rohrachse geneigten Prallfläche, wobei das Rohr einen der Prallfläche gegenüberliegenden und zum Rohrende zu randoffenen Ausschnitt besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Rohrs (18) nur geringfügig kleiner als der Bohrungsdurchmesser ist, daß die Prallfläche (24) mit der Rohrachse (22) einen Winkel (a) von weniger als 45° bildet und daß der größte Abstand der Austrittskante der Prallfläche (24) vom Außenumfang der gedachten Verlängerung des Rohrs (18) größer als der Kugeldurchmesser ist.

2. Kugelstrahldüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der größte Abstand mindestens das Doppelte des Kugeldurchmessers beträgt.

3. Kugelstrahldüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) ungefähr 20° bis 25°, vorzugsweise 22,5° beträgt.

4. Kugelstrahldüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Prallfläche (24) und der Winkel (α) derart aufeinander abgestimmt sind, daß von der Bohrungswand (14) abprallende Kugeln (16) die Prallfläche (24) nicht mehr treffen.