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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Reinigen, welches das Herauslösen von Fremdkörpern (Staub,
Sand, Materialreste) und Verschmutzungen aus dem Inneren von starren
Hohlräumen
ermöglicht,
deren komplizierte und ausgebuchtete Form keinen leichten Zugang
zu den zu reinigenden Zonen erlaubt. Sie bezweckt besonders ein
Verfahren zum Reinigen von Werkstücken aus Metall, die vorzugsweise
für die
Kraftfahrzeug- und Luftfahrtindustrie bestimmt sind, wie beispielsweise
Getriebegehäuse, Zylinderköpfe, Motorblöcke, Auspuffkrümmer, Pumpenkörper oder
jedes andere Stück.
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Diese Stücke werden im allgemeinen durch Gießen erhalten
und erfordern in der Mehrzahl der Fälle die Verwendung von Kernen.
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Die technische Entwicklung dieser
Gießverfahren
tendiert dazu, Stücke
mit immer feineren und komplexeren Formen zu verwenden, welche also
die Erhöhung
der Dichte der Kerne auf der Grundlage von Sand, Keramik oder Glas
oder die Verwendung von schmelzbaren Gußmodellen wie insbesondere Polystyrol
erfordern.
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Gleichgültig ob auf der Grundlage von
Kern oder verlorenem Gußmodell
führt die
Komplexität
der inneren Kanäle
zu einem Zusammenhalt des Kerns in seiner Gesamtheit oder von Resten
dieses Gußmodells
in den Hohlräumen
dieses Stücks.
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Wenn nun diese Werkstücke die
Gießerei verlassen,
verbleiben Reste des Kerns oder des verlorenen Gußmodells,
Schlacken oder auch Bearbeitungsspäne im Inneren der Schmier- oder Kühlkanäle, welche
außerordentlich
schwer zu beseitigen sind, selbst durch Methoden der Vibration bei
tiefer Frequenz oder durch Kavitation von Flüssigkeit in einer Ultraschallwanne,
besonders weil keine Kavitation der Flüssigkeit im Bereich der kleinen
Kanäle
eintritt.
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Die traditionellen Verfahren zur
Reinigung des Stücks
verwenden verschiedene Methoden, wie beispielsweise die Vibrationen
mit tiefer Frequenz, das Entkernen durch Rütteln mittels eines Unwuchtmotors
oder durch pneumatisches, hydraulisches und selbst mechanisches
Hämmern
oder auch die Zirkulation von Fluiden unter hohem Druck, die Kavitation
einer Flüssigkeit
durch Ultraschallwannen (wobei das Werkstück zuvor in die Wanne gelegt
wurde), das Strahlen mit Stahlkugeln oder Eis oder plastischen Medien
oder auch ein Handverfahren mit Hilfe einer Rohrbürste oder
Bürste.
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So besteht eine bekannte Methode,
die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, darin, das Verfahren
der Erregung eines Werkstücks
nach den Maßnahmen
des Patents FR 2 755 038 zu verwenden, wobei dieses Werkstück zuvor
in einen mit Flüssigkeit
gefüllten
Raum gebracht wurde.
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Ein anderes Verfahren wie aus WO-A-96
244 62 bekannt besteht darin, ein Werkstück in trockner Umgebung durch
eine Schwingungsquelle mit einer Frequenz in der Größenordnung
40 bis 80 Hz zu erregen.
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Im Fall der Reinigung von massiven
Metallstücken
im wesentlichen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die keine
Härte ähnlich der
von Gußeisen
oder Stahl aufweisen, riskieren die Sand- oder Schrotstrahlmethoden
das Werkstück
zu schädigen,
und außerdem
kann der Schrot die Enden von Kanäle mit geringem Querschnitt
nicht erreichen, die in einer entsprechenden, Zahl beispielsweise
in einem Zylinderkopf vorliegen.
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Es ist leicht einzusehen, daß die Methoden der
Handbearbeitung nicht auf eine industrielle Serienherstellung von
Werkstücken übertragbar
sind.
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Die Erfindung hat daher zur Aufgabe,
diese Nachteile zu beheben, indem ein industrielles Verfahren geschaffen
wird, das eine ausgezeichnete Reinigungsleistung liefert selbst
im Bereich der inneren Unregelmäßigkeiten
eines massiven Gußstücks und das
bezweckt, jedes Agglomerat abzulösen,
zu fluidisieren und heraus zu fördern,
das in den inneren Kanälen
eines zu reinigenden Werkstücks
gefangen ist, wie besonders einem durch Gießen ausgehend von Kernen und
verlorenen Gußmodellen
hergestellten Werkstück,
und das die unleugbaren Vorteile einer Trockenreinigung garantiert.
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Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren
der Reinigung oder des Entkernens eines Gußstücks, wobei das Gußstück durch
eine Ultraschallschwingungsquelle erregt wird, welche das Ablösen von
die Wände
des Werkstück
berührenden Stoffresten
ermöglicht,
wobei das Gußstück auf einer Mehrzahl
von Ambossen aufliegt, welche auf Vibrationsmitteln angeordnet sind,
welche das Gußstück stützen und
mit einer Mehrzahl von Schallerzeugern in Kontakt sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Erregung in trockner Umgebung erfolgt.
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Vorzugsweise weist das Verfahren
einen Schritt auf, in dem das Gußstück mit sehr tiefer Frequenz
gehämmert
wird, um eine Rißbildung
der inneren Reste von großen
Abmessungen wie insbesondere eines Kerns auf der Grundlage von Sand
hervorzurufen.
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Weiter besonders weist das Verfahren
einen Schritt auf, wobei dem Gußstück mittels
einer Vibrationsvorrichtung eine lineare Schwingung mit tiefer Frequenz
aufgezwungen wird, um die gespaltenen Brocken zu zerbröseln und
zu fluidisieren.
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Noch weiter besonders weist das Verfahren einen
Schritt auf, welcher darin besteht, die aus dem Gußstück kommenden
Stoffe mit Hilfe eines Stroms von gasförmigem Fluid herauszufördern.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile
der Erfindung werden erläutert
durch die folgende Beschreibung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Erregung des Werkstücks
mit einer Quelle für
sinusförmige
Schwingungen mit Ultraschallfrequenz in einem mittleren Frequenzbereich
in der Größenordnung von
beispielsweise 10 bis 30 kHz, vorzugsweise 15 bis 20 kHz, um die
die Innenwände
des Werkstücks berührenden
Materialreste abzulösen,
wobei letzteres durch ein Formverfahren ausgehend von einem Kern
auf Sandbasis oder Keramik oder verlorenem Gußmodell („verlorene Form") erhalten wurde,
wobei dieses Werkstück
besonders auf eine Vibrationsvorrichtung wie besonders eine Platte
gestellt wird.
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Außerdem können ein oder mehrere Folgeschritte
nach dem Schritt der Erregung durch eine Ultraschallschwingungsquelle
in trockener Umgebung durchgeführt
werden:
- – man
schlägt
das Werkstück
durch eine pneumatische oder mechanische Hammervorrichtung mit sehr
niedriger Frequenz in einer Größenordnung von
beispielsweise 0,1 bis 5 Hz, um eine Rißbildung der inneren Reste
von großen
Abmessungen, wie besonders eines Kerns auf der Grundlage von Sand
hervorzurufen,
- – man
läßt das Werkstück mit Hilfe
einer elektromagnetischen Quelle in einem mittleren Frequenzbereich
in der Größenordnung
von beispielsweise 100 bis 250 Hz vibrieren, um die gespaltenen
Brocken zu brechen und zu fluidisieren,
- – man
trägt die
fluiden Reste mit Hilfe eines Stroms von beispielsweise Luft aus
durch einen im Inneren der Kanäle
hervorgerufenen Transport.
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Die Ultraschallerregungsquellen werden
geschaffen ausgehend von Schallerzeugern (sonotrodes) von 10 bis
60 mm Durchmesser aus Titan oder Stahl, denen man eine Frequenz
von 10 bis 30 kHz für
eine Amplitude von 40 bis 150 μm
Spitze/Spitze verleiht und die an Anordnungen Booster mit piezoelektrischen
oder magnetostriktiver Wandlern befestigt und durch Ultraschallfrequenzgeneratoren
in Bewegung versetzt werden.
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Außerdem, um die Übertragung
der Vibrationsbewegung durch das Werkstück hindurch zu optimieren,
und da diese im wesentlichen von der Art des Kontakts abhängt, welcher
zwischen jedem der Schallerzeuger und dem zu reinigenden Stück hergestellt
wird, muß die
Kopplung Schallerzeuger-Werkstück
durch eine Veränderung
der Andruckkraft sowie durch eine Veränderung der Amplitude der Ultraschallschwingungsbewegung
gesteuert werden. Diese Abtastung des Drucks und der Amplitude garantiert
unter anderem, daß das
Werkstück
periodisch einer optimalen Vibration ausgesetzt wird, trotz der Unterschiede
des Schwingungsverhaltens einer Reihe von Werkstücken, die mit den Fabrikationsabweichungen
zusammenhängen.
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Man kann so die Schallerzeuger in
Kontakt mit dem Werkstück
steuern, indem man ihnen eine Schwingung oder Pulsierung der Amplitude
der Schwingung dieser Schallquellen mit einer geringeren Frequenz
als die der Ultraschallquelle aufprägt.
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Beispielsweise hat man ausgezeichnete
Ergebnisse erhalten, indem die Schallerzeuger in Berührung mit
dem Werkstück
gesteuert wurden, indem man ihnen eine Schwingung der Andruckkraft
mit niedriger Frequenz in der Größenordnung
von 0,5 Hz zwischen zwei Schwellen zwischen 100 bis 1000 N aufprägte, die
zuvor durch Tests der Schwingungsenergie-Kapazität des Werkstücks festgelegt
wurden. Diese Übertragung
der Schwingungsbewegung des Werkstücks auf die Ultraschall-Erregungsfrequenz und
auf diese eigentlichen Schwingungsfrequenzen erfordert außerdem sorgfältig angeordnete
punktuelle Erregungen.
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Dafür ist es unabdingbar, Amboßstücke aus Metall
mit einer kleinen Kontaktfläche
gegenüber dem
Stoßpunkt
der Ultraschallquelle anzuordnen und zwar mit einem möglichst
kleinen Spalt, um eine punktuelle Erregung zu gewährleisten
und dabei beizubehalten, daß der
Hauptteil der Wände
des in Schwingung zu versetzende Werkstücks für jede Schwingungsbewegung
frei bleibt. Um die Schwingung nicht auf die Struktur der Maschine
zu übertragen
und diesen Charakter der Freiheit der Schwingung zu bewahren, müssen die
Ambosse vom Chassis mittels eines etwas elastischen Elements wie
einem Stück
aus Polyurethan oder einem pneumatischen Kolben isoliert sein, ebenso
wie die Anordnung akustische Schallquelle/Booster/Umwandler.
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Als Variante kann man auch den Druck
steuern, der für
die Frequenzkopplungen des Werkstücks notwendig ist, indem man
den Ambossen eine Schwingung aufprägt.
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Alle die oben angegebenen Bedingungen sind
notwendig, um eine vollständige
Zerbröselung des
Kerns in seiner Gesamtheit oder in Form von Resten zu erreichen,
indem man die Wände
des zu reinigenden Werkstücks
einer Schwingungsbewegung unterwirft.
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Die Quellen der Erregung mit niedriger
Frequenz, die zur Rißbildung
von erheblichen Massen des Kerns erforderlich sind, wie besonders
im Fall von Sandkernen, werden geschaffen ausgehend von einem pneumatischen
Hammersystem mit einer sehr tiefen Frequenz in der Größenordnung
von 0,1 bis 5 Hz.
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Das Ergebnis hängt im vorliegenden Fall im wesentlichen
von der dem Werkstück
zugeführten Stoßwelle ab,
weshalb die Bedingungen des Kontakts zwischen dem Hammer und dem
Werkstück, wie
besonders die Stoßgeschwindigkeit
und die eingesetzte Masse, definiert werden müssen, wobei diese eingesetzte
Masse proportional zur eigenen Masse des zu reinigenden Werkstücks mit
seinem Kern oder seinen Kernresten festgelegt ist.
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Das Hämmern kann auf das Werkstück durch
mindestens einen der Schallerzeuger oder mindestens einen der das
Werkstück
stützenden
Ambosse ausgeübt
werden.
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Eine geschickte Maßnahme zur
Erzeugung dieser zur Rißbildung
notwendige Bewegung ist, die pneumatischen Anordnungen von Ultraschallquellen oder
ihren Ambossen zu verwenden, um das gewünschte Hämmern durch alternative Führung der Steuerung
des oder der pneumatischen Verteiler mit Einstellung der Druckregler
und des Durchsatzes zu erhalten.
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Die Schwingungsquelle, welche zum
Zerbröseln
der Reste bis auf eine Fluidisierung, welche ihr Ausbringen ermöglicht,
erforderlich ist, wird realisiert ausgehend von einer linearen Schwingung
mit einer Frequenz zwischen 100 und 250 Hz und einer Amplitude von
1 bis 4 mm Spitze/Spitze, die mit Hilfe eines mechanischen Systems
erhalten wird, das auf die gewählte
Frequenz abgestimmt und abwechselnd durch zwei Elektromagnete über ein
Tieffrequenzgenerator erregt wird.
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Diese lineare Vibration kann gemäß einer horizontalen
oder einer vertikalen Achse orientiert sein in Abhängigkeit
von der Form des Werkstücks und
dem Ablauf der Kanäle.
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Das Werkstück muß daher fest mit dem vibrierenden
Element von oben oder von einer der Seitenflächen her verbunden sein, um
einen Ablauf durch Schwerkraft, d. h. nach unten zu begünstigen. Unter
Berücksichtigung
der gelegentlich sehr erheblichen Masse des Kerns, besonders für Kerne
auf der Basis von Sand, ist es unbedingt erforderlich, den Frequenzgenerator
mit einer automatischen Frequenzsteuerung zu versehen, die während einer
ersten Zeit eine Einstimmung derselben auf die mechanische Frequenz
der vibrierenden Anordnung mit der Masse des zu vibrierenden Werkstücks ermöglicht, und
während
einer zweiten Zeit in Echtzeit die Erhöhung dieser Frequenz proportional
zum Massenverlust infolge des Ablaufs des zunehmend freigesetzten
Materials ermöglicht,
um die Leistung zu optimieren, die mit der Übertragung von elektromagnetischer
Energie in mechanische Energie zusammenhängt.
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Der Weiterleitungsfluß des Materials
der zerbröselten
Reste des Kerns wird mit Hilfe eines kombinierten Blas- und Saugsystems
erhalten, das den gewünschten
Typ von Ablauf garantiert. Dazu wird zweckmäßigerweise eine zentrale Ansaugung
verwendet, die eine Ablaufgeschwindigkeit von mehr als beispielsweise
20 m/s und besonders im Bereich von 20 bis 80 m/s garantiert für einen
entsprechenden Durchsatz an den Abschnitten der zu reinigenden Kanäle, was
man geschickterweise vervollständigt durch
ein Blassystem, das mit Druckluft gespeist ist, indem man am Einlaß jeder Öffnung,
die dem oder den mit dem Ansaugen verbundenen Auslassen gegenüberliegt,
kalibrierte Düsen
installiert.
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Diese Zufuhr von Druckluft dient
dazu, die Lastverluste zu kompensieren, die mit dem gelegentlich
verwinkelten Verlauf der Kanäle
zusammenhängen,
und muß hinsichtlich
des Drucks stromaufwärts und
im Durchgangsabschnitt gesteuert werden, damit sie äquivalent
dem durch Ansaugen erzeugten Abzugsdurchsatz ist, um jeden Stau
zu vermeiden.
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Diese Ansaug- und Blassysteme müssen so nah
wie möglich
an den Öffnungen
der Kanäle
installiert werden, um die Zwischenvolumina soweit wie möglich zu
begrenzen und einen möglichst
geringen Druckabfall zu garantieren und sind beispielsweise in einer
Kammer angeordnet, welche das Werkstück allein oder mit der Vibrationsvorrichtung,
den Ultraschallquellen der insbesondere pneumatischen oder mechanischen
Hammervorrichtung, der Schwingplatte umgibt. Dieser unter einem
Unterdruck gehaltene Raum garantiert die Abführung der vom Gußwerkstück kommenden
Reste. Im Fall eines voluminösen
Gußstücks ist
es erforderlich, das dem Unterdruck unterworfene Volumen zu verringern,
indem der Flußdurchlaß auf einen
Raum von einigen Millimetern begrenzt wird, der die gesamte dreidimensionale
Außenhülle des
Gußstücks abdeckt.
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Es sei bemerkt, daß es sehr
nützlich
sein kann, die Temperatur der umlaufenden Luft nahe bei einer Temperatur
zwischen 50°C
bis 200°C,
vorzugsweise nahe bei 80°C
zu halten, falls, die Reste sich wegen der verschiedenen Vorsorgebehandlungen, noch
in einem feuchten Zustand befinden, um die Qualität des Ablaufs
dieser Reste zu optimieren.
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Die Erfindung, so wie oben beschrieben
bietet zahlreiche Vorteile, da sie durch Vereinigung der Phasen
der Erregung durch Ultraschall, des Hämmerns, des Versetzens in Schwingung
und der Abführung
der Reste durch ein Fluid eine optimale Reinigung oder Entkernung
des Werkstücks
garantiert, wobei gleichzeitig die mit einer industriellen Produktion
in mittlerer und großer
Serie verbundenen Forderungen erfüllt werden.
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Dieses Verfahren ist selbst als Kontrollverfahren
anwendbar, das es ermöglicht,
die durch klassische Methoden erreichte Reinigungsqualität zu überprüfen.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht
auf die beschriebenen und oben dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt
sondern umfaßt
alle von den Ansprüchen
erfaßten
Abwandlungen.