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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zum sogenannten „Ultraschall"-Strahlen, bei dem
in einem abgeschlossenen Raum ein Kügelchen-Nebel eingesetzt wird,
insbesondere ein Verfahren zum Strahlen von Teilen auf einem Rad
wie beispielsweise die Blätter
der Turbomaschinenschaufeln an einem Rotor. Diese Erfindung betrifft
ferner eine Strahl-Maschine,
die für
die Durchführung
dieses Verfahrens erforderlich ist.
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Mit
dem Begriff „Rad" ist ein Gegenstand
gemeint, der allgemein eine auf eine Geometrieachse bezogen umlaufende
Form aufweist, wobei dieser Gegenstand um diese Achse in Drehbewegung
versetzt werden kann.
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Es
ist bekannt, zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit von mechanischen
Teilen ihre Oberfläche
durch Kugelstrahlen zu bearbeiten. Diese Technik ist in der Luftfahrt
sehr geläufig.
Indem die Kügelchen
auf die Oberfläche
des Teils mit einem zu der Senkrechten zu dieser Oberfläche kleinen
Winkel und mit ausreichender kinetischer Energie aufprallen, bewirken
sie eine permanente Kompression der Oberfläche über eine geringe Dicke. Diese
Kompression wirkt dem Auftreten und Fortschreiten von Rissen auf
der Oberfläche
des Teils entgegen, so dass deren Ermüdungsfestigkeit verbessert
werden kann. Dieser Aufprallwinkel muss typischerweise kleiner als
30° sein,
damit die Stöße eine
ausreichende Energie des Kügelchens
auf die getroffene Fläche übertragen
können.
Das Strahlen des Teils zeitigt ein Optimum, bei dem dieses Teil
die höchste
Festigkeit erhält.
Ein unzureichendes Strahlen ergibt nicht die vorgesehene Festigkeit,
doch ist es noch möglich,
das Optimum zu erreichen, indem ein ergänzendes Strahlen durchgeführt wird.
Ein zu starkes Strahlen jedoch bewirkt eine Verschlechterung der
Oberflächenbeschaffenheit
des Teils mit einer Verringerung seiner Festigkeit. Diese Beschädigung kann
nicht rückgängig gemacht
werden, und das Teil ist Ausschuss.
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Das
Strahlen erfolgt gewöhnlich
mittels Düsen,
die gleichzeitig mit unter Druck stehendem Gas und mit Kügelchen
gespeist wird, wobei das unter Druck stehende Gas die Beschleunigung
der Kügelchen
gewährleistet.
Dieses Strahlverfahren hat zwei Nachteile an sich:
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- – die
Strahlparameter sind nicht stabil und die Strahl-Maschine muss häufig kontrolliert
und eingestellt werden, wenn man ein Strahlen so optimal wie möglich erreichen
will,
- – das
Verfahren muss im Inneren einer ausreichend großen Kabine stattfinden, damit
die Teile und die Strahl-Düsen
gehandhabt werden können.
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Es
ist in der Luftfahrt bekannt, die Flanken der Rotorschaufeln der
Turbotriebwerke von Luftfahrzeugen zu strahlen. Wenn die Schaufeln
getrennt hergestellt werden, bestehen sie jeweils aus einem dünnen Blatt
und einem Fuß,
durch den die Schaufel gehalten werden kann. Um das dünne Blatt
zu strahlen, wird die Schaufel am Fuß festgehalten, und das Strahlen
erfolgt mit zwei Düsen,
die sich zu beiden Seiten der Schaufel befinden und aufeinander
zeigen, wobei eine erste Düse
das Strahlen einer Flanke des Schaufelblatts durchführt und
die andere Düse das
Strahlen der anderen Flanke des Schaufelblatts durchführt, wobei
die beiden Düsen
die Flanken der Schaufelblätter
bestreichen und mit möglichst
exakter Synchronisierung verfahren werden, damit das Strahlen symmetrisch
fortschreitet. Wenn diese Symmetrie nicht eingehalten wird, erscheinen
Spannungslinien unter der weiter gestrahlten Flanke, wobei diese
Spannungslinien die Fähigkeit
der Schaufel, den Belastungen standzuhalten, herabsetzen und die
Verformung der Schaufel bewirken. Auf Grund der Streuung und der
Drift der diesem Verfahren inhärenten
Strahl-Parameter ist diese Symmetrie schwierig zu erreichen und
zu erhalten. Es ist nachzuvollziehen, dass ein optimales Strahlen
der Schaufeln ein langwieriger und kostenaufwändiger Vorgang ist, da er Schaufel
für Schaufel
mit großer
Präzision durchgeführt werden
muss.
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Man
hat auch versucht, die Blätter
von bereits beschaufelten Schaufelrädern direkt und auf die gleiche
Weise zu strahlen, wobei die genannten Rotoren in Form einer Rad-Schaufeln-Gesamtanordnung in
einem Stück
vorliegen, bei der die Schaufelblätter über das Rad hinausragen. Das
Strahlen muss sowohl die Flanken der Schaufelblätter wie auch die sogenannten „Schaufelblätter-Zwischenflächen" des Rades, d. h.
die sich zwischen zwei benachbarten Schaufelblättern und eventuell um diese Schaufelblätter herum
befinden, erreichen. Die Schaufeln können an dem Rad montiert sein
oder aber die Schaufelblätter
können
unter Kontinuität
des sie bildenden Materials in das Rad integriert ausgeführt sein.
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Das
Strahlen erfolgt Schaufel für
Schaufel auf folgende Weise:
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- – synchronisiertes
Strahlen der beiden Flanken jeder Schaufel mittels zweier Düsen mit
gelenktem Strahl, der in die Schaufelblätter-Zwischenräume, d.
h. in die Zwischenräume
zwischen zwei benachbarten Schaufelblättern, eindringt, wobei diese
Düsen jeweils
einen Reflektor aufweisen, um den Kügelchenstrahl um 90 ° abzulenken
und ihn senkrecht auf die Flanken der Schaufelblätter zu bringen,
- – danach
Strahlen der Schaufelblätter-Zwischenflächen des
Rades mittels einer Düse
mit direktem Strahl.
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Ein
Nachteil dieses Verfahrens liegt in dem unvermeidlichen Überlappen
des Strahlens der Flanken der Blätter
und des Strahlens der Schaufelblätter-Zwischenfläche in dem Übergangsbereich
zwischen diesen Flanken und dieser Schaufelblätter-Zwischenfläche. Es
ist nachzuvollziehen, dass dieser Übergangsbereich doppelt gestrahlt
wird.
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Ein
Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es nicht angewendet
werden kann, wenn der Zwischenraum zwischen den Blättern zu
eng ist, als dass man die Düsen
einführen
könnte,
was bei den heute gefertigten beschaufelten Rädern häufig der Fall ist. Nach Kenntnisstand
der Erfinder ist man bisher nicht in der Lage, die Flanken der Blätter und die
Schaufelblätter-Zwischenflächen solcher
Räder zu
strahlen, wenn die Schaufeln nicht ausgebaut werden können.
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Aus
der internationalen Patentschrift WO 95/17994, die insbesondere
die Vereinigten Staaten von Amerika benennt, ist eine Maschine zum
Ultraschall-Strahlen bekannt, bei der eine Schüssel aus Titan eingesetzt wird,
deren Boden durch eine Sonotrode in Verbindung mit einem Magnetostriktion-Schwingungserzeuger
in Schwingung versetzt wird. Die zu strahlenden Teile werden an
einem Deckel aufgehängt,
der auf die Öffnung
der Schüssel gesetzt
wird. Die gesamte Schüssel
wird in Schwingung versetzt und bildet zusammen mit dem Deckel einen
abgeschlossenen Raum, in dessen Inneren auf diese Weise ein Kügelchen-Nebel
erzeugt wird. Mit dieser Strahl-Maschine können keine dünnen Teile wie
die Schaufelblätter
von Turbotriebwerken gestrahlt werden, da der Kügelchen-Nebel heterogen ist,
insbesondere da die Verteilung der Schwingungsenergie sehr komplex
ist und Bäuche
und Knoten aufweist. Außerdem
ist eine große
Schüssel
erforderlich, um ein ganzes Rad zu strahlen, wobei eine solche Schüssel sehr
kostenaufwändig
ist und einen leistungsstarken Schwingungserzeuger erfordert.
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Ferner
ist aus der Patentschrift FR 2 689 431 ein Verfahren zum Strahlen
der Zähne
eines Zahnrads bekannt, wobei dieses Zahnrad vor einer Sonotrode
in Drehbewegung versetzt wird, wobei die genannten Zähne nacheinander
an der Sonotrode vorbeilaufen, wobei diese Sonotrode von einem Vorhang
von Stangen umgeben ist, die von Federn geschoben werden, wobei
diese Stangen in Kontakt mit den Zähnen und dem Zahnrad kommen,
wobei diese Stangen einen dichten Raum um die Sonotrode herum bilden,
dessen verformbare Ränder
dem Profil der Zähne
und des Zahnrads folgen. Ein solches Verfahren ist auf ein beschaufeltes
Rad nicht anwendbar, da:
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- – das
Strahlen der Flanken der Blätter
sehr asymmetrisch geschähe,
- – die
Stangen den Flanken der Blätter,
die sich zu eng aneinander und zu nahe an einer radialen Stellung
befinden, nicht automatisch folgen könnten.
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Außerdem ist
ein optimales Strahlen schwierig zu gewährleisten, da das Strahlen
präzise
angehalten werden müsste,
um den gesamten Außenumfang
des Rades zu bearbeiten, ohne den Teil des Rades, der bereits zuvor
dem Strahlen unterzogen wurde, nochmals zu strahlen.
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Ein
erstes Problem, das gelöst
werden muss, ist das Strahlen der Flanken der Blätter eines beschaufelten Rades,
wenn diese Flanken sich zu eng aneinander befinden, um Strahldüsen dazwischen einführen zu
können.
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Ein
zweites Problem ist das Strahlen der Flanken der Blätter und
der Schaufelblätter-Zwischenflächen des
Rades, ohne die Übergangsbereiche
zwischen diesen Flanken und diesen Schaufelblätter-Zwischenflächen doppelt
zu strahlen.
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Ein
drittes Problem besteht darin, das Strahlen der Blätter und
der Schaufelblätter-Zwischenflächen eines
beschaufelten Rades zu beschleunigen.
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Ein
viertes Problem besteht darin, die Symmetrie des Strahlens auf den
beiden Flanken der Blätter
zu verbessern.
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Diese
Erfindung schlägt
ein Verfahren zum Ultraschall-Strahlen von Teilen auf einem Rad
vor, wobei dieses Rad eine umlaufende, ringförmige Fläche aufweist, die auf der geometrischen Drehachse des
Rades zentriert ist, wobei die genannten Teile auf dieser ringförmigen Fläche angeordnet
sind, wobei diese Teile auf einem geometrischen Kreis ausgerichtet
sind, der auf dieser geometrischen Drehachse zentriert ist, wobei
diese Teile auf diese Weise eine umlaufende geometrische Fläche, eine
sogenannte Mantelfläche
erzeugen, wenn sich das Rad um seine geometrische Drehachse dreht,
wobei das Strahlen durch Eintauchen dieser Teile in einen Kügelchen-Nebel
im Inneren eines aktiven abgeschlossenen Raums erfolgt, wobei dieser
Kügelchen-Nebel von
einer im Inneren dieses aktiven abgeschlossenen Raums schwingenden
Fläche
aktiviert wird, wobei das Rad während
des Strahlens in Drehbewegung um seine geometrische Drehachse versetzt wird.
Ein solches Verfahren ist dadurch bemerkenswert, dass:
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a)
das Rad gleichzeitig in den Öffnungen
von mindestens drei abgeschlossenen Räumen angeordnet wird, wobei
jede Öffnung
von zwei Seitenrändern beiderseits
des Teils umgrenzt ist, wobei diese Seitenränder sich mit einem begrenzten
Spiel E1 gegenüber
der ringförmigen
Fläche
befinden, wobei diese Öffnungen
auch von zwei einander gegenüber
liegenden Formrändern
begrenzt werden, wobei diese Formränder sich mit einem begrenzten
Spiel E2 auch mindestens gegenüber
der Mantelfläche
befinden, wobei diese Räume
paarweise jeweils mit einem Formrand aneinander liegen, wobei mindestens
ein Raum aktiv ist, wobei mindestens zwei Räume passiv sind, d. h. keine
schwingende Fläche
umschließen, wobei
jeder aktive Raum sich zwischen zwei anderen Räumen befindet,
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b)
während
des Strahlens die aktiven Räume mit
Kügelchen
gespeist werden und die herabgefallenen Kügelchen in den passiven Räumen aufgefangen
werden.
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Es
ist nachzuvollziehen, dass die Teile unbeweglich an dem Rad sitzen
oder auch unter Kontinuität
des sie bildenden Materials in das Rad integriert ausgeführt sein
können.
Auf alle Fälle
gelangen die Teile durch das Drehen des Rades nacheinander ins Innere
jedes Raums, so dass sie alle gestrahlt werden können. Es ist ebenfalls nachzuvollziehen,
dass ein aktiver Raum nie mit einem Rand direkt nach außen mündet, sondern
immer über
mindestens einen passiven Raum, wobei ein passiver Raum nur mit
einem Formrand nach außen
münden
kann. Es ist nachzuvollziehen, dass die Seitenränder und die Formränder zusammenwirken,
um eine Kügelchen-Dichtigkeit
der Räume
gegenüber
dem Rad und den Teilen zu gewährleisten,
wobei diese Dichtigkeit ohne Berührungen
besteht. Die Seitenränder umschließen nämlich die
Räume an
der ringförmigen Fläche des
Rades, wobei diese ringförmige
Fläche dadurch
mit dem Spiel E1 an den Seitenrändern
entlang vorbeiläuft
und diese Teile zwischen den Seitenrändern vorbeilaufen, wenn sich
das Rad um seine geometrische Drehachse dreht. Desgleichen umschließen die
Formränder
die Räume
an der Mantelfläche,
wobei die Teile quer vor den Formrändern mit dem Spiel E2 vorbeilaufen.
Diese Dichtigkeit muss ausreichend sein, dass der Kügelchen-Nebel
in einem begrenzten Raum konzentriert bleibt, damit die Energie,
die ihn in Bewegung hält,
sich nicht zu stark verliert.
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Es
ist nachzuvollziehen, dass aus einem aktiven Raum nach und nach
Kügelchen
durch die Teile-Zwischenräume,
d. h. die Zwischenräume
zwischen zwei Teilen, entweichen, wenn diese Teile-Zwischenräume an einem
Formrand vorbei laufen. Da ein aktiver Raum mit jedem seiner Formränder an
einen anderen Raum angrenzt, gelangen diese Kügelchen in die angrenzenden
Räume.
Es können
dann zwei Fälle
eintreten. Wenn dieser angrenzende Raum passiv ist, erhalten die
in ihn hineingeratenen Kügelchen
keine Energie mehr von einer schwingenden Fläche, und sie fallen bald auf
den Boden dieses passiven Raums, da sich die sie bewegende Energie erschöpft. Wenn
dieser angrenzende Raum aktiv ist, entweichen die Kügelchen
erneut durch die Teile-Zwischenräume
und geraten in die beiden angrenzenden Räume, und so fort, bis sie in
einen passiven Raum gelangen, in dem sich ihre Energie erschöpft und
sie zu Boden fallen. Daraus ist zu erkennen, dass während des
Strahlens ein Strom von Kügelchen
von den aktiven Räumen
zu den passiven Räumen
entsteht, wobei dieser Strom im Prinzip durch die Teile-Zwischenräume gelangt,
wobei die Kügelchen,
die sich in den passiven Räumen
sammeln, aufgefangen und vorteilhaft erneut in die aktiven Räume eingeführt werden,
um diese mit Kügelchen zu
versorgen.
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Man
hat festgestellt, dass der Kügelchen-Nebel
sehr gut in die engen Zwischenräume zwischen
den Schaufelblättern
bis zu der Schaufelblätter-Zwischenfläche des
Rades vordringt, so dass die Flanken der Schaufelblätter vollständig gestrahlt werden
können
und das erste Problem gelöst
ist. Die Schaufelblätter-Zwischenflächen werden
mit den Flanken der Schaufelblätter
gleichzeitig gestrahlt. Die Übergangsbereiche
zwischen den Flanken der Schaufelblätter und den Schaufelblätter-Zwischenflächen werden
also nur ein einziges Mal gestrahlt, so dass das zweite Problem
gelöst
ist.
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Üblicherweise
dauert das herkömmliche Strahlen
einer Ladung von 75 Schaufelblättern
in der Kabine unter Berücksichtigung
der zahlreichen Zwischeneingriffe vor jedem Blatt 24 Stunden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird diese Dauer auf 90 Minuten reduziert, da diese Zwischenvorgänge entfallen,
so dass das dritte Problem gelöst
ist.
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In
der Praxis ist das Spiel E1 zwischen den Seitenrändern und der ringförmigen Fläche kleiner als
der Durchmesser der Kügelchen,
wodurch vollständig
verhindert wird, dass die Kügelchen
durch dieses Spiel E1 gelangen, und es auf diese Weise nicht mehr
nötig ist,
zusätzliche
Mittel zum Auffangen der Kügelchen,
die sonst durch dieses Spiel E1 gelangt wären, zu verwenden.
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Vorteilhafterweise
ist das Spiel E2 zwischen den Formrändern und der Mantelfläche höchstens gleich
dem Zweifachen des Durchmessers der Kügelchen. Dadurch kann die Menge
von Kügelchen, die
von einem Raum in den nächsten
gelangen, eingeschränkt
werden. Man kann dieses Spiel E2 auch kleiner als den Durchmesser
der Kügelchen
bemessen, wodurch vollständig
verhindert wird, dass diese Kügelchen
durch dieses Spiel E2 von einem Raum in den nächsten gelangen, aber ein stark
verkleinertes Spiel E2 bleibt natürlich wirkungslos hinsichtlich
der Kügelchen,
die durch die Teile-Zwischenräume
von einem Raum in den nächsten
gelangen.
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Vorteilhafterweise
ist die zwischen den Formrändern
gemessene Umfangslänge
L1 der Räume
mindestens gleich dem Dreifachen des Umfangsabstandes L2 zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Teilen, wobei L1 und L2 Bogenlängen auf
dem von den Teilen gebildeten geometrischen Kreis sind. Mit anderen
Worten: ein Raum kann bis zu vier Teile gleichzeitig enthalten.
Bei den aktiven Räumen
ermöglicht
es eine solche Anordnung, in diesem aktiven Raum eine Kügelchennebel-Masse
zu erhalten, die größer ist
als die Masse, die durch einen Teile-Zwischenraum entweichen kann,
sobald er vor einem Formrand vorbeizieht, was diese Masse reguliert.
Bei den passiven Räumen
wird durch eine solche Anordnung der Raum vergrößert, das Sich-Erschöpfen der
Energie der Kügelchen
unterstützt
und es auf diese Weise ermöglicht,
den Anteil der Kügelchen,
die aus dem Raum entweichen können,
zu verringern. Die erzielten Wirkungen sind jedoch noch besser,
wenn das Verhältnis
L1/L2 höher
ist, beispielsweise mindestens fünf
oder sechs beträgt.
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Vorteilhafterweise
sind die aktiven Räume und
die schwingenden Flächen
bezogen auf eine vertikale geometrische Ebene P, in der die geometrische Drehachse
liegt, symmetrisch. Bei einer solchen Anordnung ist der in den aktiven
Räumen
herrschende Kügelchennebel symmetrisch,
bezogen auf diese Ebene P, so dass die hinteren und vorderen Flanken der
Schaufelblätter
in dem Kügelchennebel
gleichwertigen Strahl-Zyklen folgen, wodurch die allgemeine Symmetrie
der an den Flanken der Schaufelblätter ausgeführten Strahlungen verbessert
wird.
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Mit
dieser Patentanmeldung wird ferner die zur Durchführung dieses
Verfahrens erforderliche Strahl-Maschine beansprucht, wobei diese
Maschine eine Spindel aufweist, die geeignet ist, einen Gegenstand
wie beispielsweise ein Rad auf einer geometrischen Drehachse in
Drehbewegung zu bringen und zu halten, wobei diese Strahl-Maschine
einen aktiven Raum aufweist, d. h. dessen unterer Teil um eine schwingende
Fläche
herum reicht, die geeignet ist, einen Kügelchennebel in diesem Raum
zu unterhalten, wobei die anderen Räume sogenannte passive Räume sind.
Eine solche Strahl-Maschine ist dadurch bemerkenswert, dass sie
aufweist:
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- a) mindestens drei Räume,
die jeweils eine der geometrischen Drehachse zugewandte Öffnung enthalten,
wobei jede Öffnung
durch einen Rand begrenzt ist, wobei jeder Rand zwei kreisförmige, einander
gegenüber
liegende Teile oder Seitenränder
aufweist, wobei diese Seitenränder
einen Kreisbogen bilden, der auf der geometrischen Drehachse zentriert
ist, wobei jeder Rand auch zwei einander gegenüber liegende Formteile oder
Formränder
aufweist, wobei diese Formränder
identisch sind und auf einem geometrischen Kreis angeordnet sind,
der auf der geometrischen Drehachse zentriert ist, wobei diese Räume paarweise
jeweils mit einem Formrand aneinandergrenzen, wobei mindestens ein
Raum aktiv ist und die anderen Räume
passiv sind, wobei sich jeder aktive Raum zwischen zwei anderen
Räumen
befindet,
- b) Mittel, um die aktiven Räume
mit Kügelchen
zu versorgen, sowie Mittel, um die Kügelchen aus den passiven Räumen zu
entfernen.
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Vorteilhafterweise
bestehen die Mittel, um die aktiven Räume mit Kügelchen zu versorgen, und die
Mittel, um die Kügelchen
aus den passiven Räumen
zu entfernen, aus Talwegen mit oberen Punkten und unteren Punkten,
wobei sich diese unteren Punkte in den aktiven Räumen befinden und auf den schwingenden
Flächen
enden, wobei sich diese oberen Punkte in den passiven Räumen befinden.
Es ist versteht sich, dass die Talwege die auf den Boden der passiven
Räumen
gefallenen Kügelchen
durch Schwerkraft abführen
und auf die schwingenden Flächen
in den aktiven Räumen
zurück
bringen. Diese Talwege verlaufen in Tunnels durch die Seitenwände der
Räume.
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Vorteilhafterweise
sind die Räume
abbaubar. Da solche Räume
einen einfachen Aufbau haben, beispielsweise aus Plexiglas-Platten,
ermöglicht
es diese Anordnung, die Strahl-Maschine sehr einfach an Räder und
an Teile mit verschiedenen Formen und Abmessungen anzupassen.
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Die
Erfindung und ihre Vorteile gehen näher aus der Betrachtung eines
detaillierten Ausführungsbeispiels
und der beigefügten
Figuren hervor.
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1 zeigt in einer Vorderansicht
eine erfindungsgemäße Strahl-Maschine,
die zum Strahlen eines beschaufelten Turbotriebwerk-Rotors eingesetzt wird,
wobei dieser Rotor zwei Stufen aufweist. Zur deutlicheren Unterscheidung
der Bestandteile des Rotors bzw. der Strahl-Maschine ist nur die rechte Hälfte dieses
Rotors abgebildet.
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2 zeigt in einer Profilansicht
im Schnitt die gleiche Strahl-Maschine und den Rotor.
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3 zeigt in einer vergrößerten Vorderansicht,
wie die Seitenflächen
der Schaufeln im Inneren des aktiven Raums dem Kügelchennebel ausgesetzt werden.
Zur Verdeutlichung wurden die Schaufelblätter-Zwischenräume vergrößert dargestellt.
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4 zeigt in einer vergrößerten Profilansicht
den gleichen aktiven Raum und zeigt insbesondere, wie die Schaufelblätter in
die bogenförmigen Aussparungen
vor den Formrändern
eindringen.
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Es
wird nun Bezug auf die 1 und 2 genommen. Die Ultraschall-Strahl-Maschine 10 weist ein
Gestell 11 auf, das eine Spindel 15 hält, die
sich um eine geometrische Drehachse 16 dreht, wobei diese
Spindel 15 an einem Ende ein Spannfutter 17 trägt, das
es ermöglicht,
einen vollständigen
Rotor 18 zu ergreifen. Die Spindel 15 wird von
einem nicht dargestellten Motor angetrieben. Der Rotor 18 hat
eine allgemein umlaufende Form und ist auf der geometrischen Achse 16 zentriert.
Der Rotor 18 weist ein kreisförmiges Rad 19 auf,
dessen Außenumfang
eine ringförmige
Fläche 20 bildet,
auf der eine Vielzahl von Schaufelblättern 21 angeordnet
sind, die auf einem geometrischen Kreis ausgerichtet sind, der auf der
geometrischen Drehachse 16 zentriert ist, so dass die Schaufelblätter 21 beim
Drehen des Rades nacheinander die gleichen Positionen durchlaufen.
In diesem Beispiel weist der Rotor 18 zwei Stufen von Schaufeln 21 auf.
Die folgende Beschreibung gilt für beide
Stufen gleichermaßen.
In diesem Beispiel sind die Schaufelblätter 21 radial über die
ringförmige
Fläche 20 hinausragend angeordnet
und sind gleichmäßig beabstandet.
Die Bezugszah 23 bezeichnet die Fläche zwischen den Blättern, die
von dem Abschnitt der ringförmigen
Fläche 20 zwischen
den Schaufelblättern 21 gebildet
wird. Ferner bezeichnet die Bezugszahl 24 den Zwischenraum
zwischen den Schaufelblättern 21.
Wenn sich das Rad 19 dreht, erzeugen die Schaufelblätter 21 eine
geometrische Mantelfläche 25 mit
einer um die geometrische Achse 16 umlaufenden Form.
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In
diesem Beispiel enthält
die Strahl-Maschine 10 fünf Räume 30. Jeder Raum 30 weist
einen Boden 31, der den untersten Teil bildet, Seitenwände 32 und
eine nach oben und eventuell zur Seite gerichtete Öffnung 33 auf.
Jede Öffnung 33 ist
von zwei Seitenrändern
umgrenzt, die in 3 die
Bezugszahl 34 haben und mit einem begrenzten Spiel E1 an
die ringförmige
Fläche 20 herankommen,
wobei diese Seitenränder 34 folglich
kreisbogenförmig
und auf der geometrischen Achse 16 zentriert ausgeführt sind.
In 2 ist zu sehen, dass
die Schaufelblätter 21 zwischen
den Seitenrändern 34 laufen,
wenn sich das Rad 19 um die geometrische Achse 16 dreht. Jede Öffnung 33 ist
ferner von zwei Formrändern 35 umgrenzt,
die die Form der Schaufelblätter 21 wiedergeben,
wobei diese Schaufelblätter 21 mit
einem begrenzten Spiel E2 vor diesen Formrändern 35 vorbei laufen,
wenn sich das Rad 19 dreht.
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Die
Räume 30 bilden
eine Kette und tragen in ihrer Abfolge die Bezugszahlen 30a, 30b, 30c, 30d und
30e. Die an den Enden der Kette liegenden Räume 30a und 30e weisen
also jeweils einen außen
liegenden Formrand 35a bzw. 35e auf, während alle
anderen Formränder 35 an
dem angrenzenden Raum liegen. Es ist nachzuvollziehen, dass, wenn
sich das Rad 19 in der Drehrichtung 46 dreht,
jedes Schaufelblatt, das von außen
kommt, an dem Formrand 35a in die Kette von Räumen 30 eindringt,
nacheinander die Räume 30a, 30b, 30c, 30d und 30e durchläuft, indem
es sich zwischen den Seitenrändern 34 und
an den Formrändern 35 vorbei
bewegt, bevor es an dem Formrand 35e nach außen austritt.
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Die
Anordnungen und Funktionen der verschiedenen Räume 30 sind nicht
identisch. Der in der Mitte der Kette liegende Raum 30c ist
aktiv, und sein horizontaler Boden 31c umgibt eine schwingende Fläche 40 am
Ende einer Sonotrode 41, die durch eine geeignete Halterung 42 an
dem Gestell 11 gehalten wird und Schwingungsenergie von
einem Quarz-Schwingungserzeuger 43 erhält. Die
Sonotrode 41 überträgt diese
Schwingungsenergie mit niedrigerer Impedanz auf die schwingende
Fläche 40, und
die schwingende Fläche 40 überträgt diese Schwingungsenergie
an Kügelchen,
die sich auf dieser Fläche 40 befinden
oder gerade auf sie aufgetroffen sind, wobei diese Kügelchen
dann in alle Richtungen zurückprallen,
gegen die Seitenwände 32,
die ringförmige
Fläche 20 und
die Schaufelblätter 21,
die sich in der Öffnung 33c des
aktiven Raums 30c befinden, wobei diese Kügelchen
so das Innere des aktiven Raums 30c in Form eines Kügelchennebels 45 ausfüllen. Der
aktive Raum 30c wird dabei von beiden Seiten von zwei passiven
Räumen
umgeben, und zwar auf der einen Seite von 30b und 30a hintereinander,
und auf der anderen von 30d und 30e hintereinander.
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Wie
man, sieht, gewährleisten
die Seitenränder 34 und
die Formränder 35 die
Dichtigkeit der Räume 30 gegenüber dem
Rad 19 und den Schaufelblättern 21, wobei diese
Dichtigkeit aber mehr oder weniger vollständig ist. Indem man das Spiel
E1 kleiner als den Durchmesser der verwendeten Kügelchen macht, verhindert man
vollkommen, dass diese Kügelchen
zwischen den Seitenrändern 34 und
der ringförmigen
Fläche 20 hindurch
aus den Räumen austreten.
Durch Verkleinern des Spiels E2 zwischen den Formrändern 35 und
den Schaufelblättern 21 reduziert
man die Menge von Kügelchen,
die von dem aktiven Raum 30c zu den beiden angrenzenden
passiven Räumen 30b und 30d gelangen,
es bleibt jedoch noch immer eine Kügelchenmenge, die durch die
Zwischenräume
zwischen den Schaufelblättern 21 hindurch
gelangt, sobald diese Zwischenräume zwischen
den Schaufelblättern 21 vor
einem Formrand 35 vorbeilaufen. Jedoch wird den Kügelchen, die
in die passiven Räume 30b und 30d gelangt
sind, nicht mehr durch Auftreffen auf eine schwingende Fläche Energie
zugeführt,
so dass diese Kügelchen die
kinetische Energie, die sie bewegt, durch mehrmaliges Auftreffen
auf die Seitenwände 32 und
den Boden 31 der passiven Räume 30b und 30d sowie auf
die in diesen passiven Räumen 30b, 30d befindlichen
Schaufelblätter 21 und
die ringförmige
Fläche 20 rasch
verlieren, wobei diese Kügelchen
dann durch die Schwerkraft auf den Boden 31 dieser passiven
Räume 30b, 30d fallen.
Eine geringe Menge von Kügelchen
gelangt noch in die passiven Räume 30a, 30e am
Ende der Kette. Jedoch ist ihre kinetische Energie sehr gering geworden
und erschöpft sich
bei dem zuvor beschriebenen mehrfachen Abprallen schließlich gänzlich,
so dass kein Kügelchen mehr
nach außen
gelangt. Der Bediener füllt
daher eine zweckmäßige Menge
an Kügelchen
in den aktiven Raum 30c, bevor er das Strahlen des Rades
in Gang setzt, wobei diese Menge ausreichend ist, um das gesamte
Strahlen durchzuführen,
so dass der Bediener folglich während
des Strahlens keine Kügelchen
mehr nachfüllen
muss. In diesem Beispiel hat das Rad 19 mit den Schaufelblättern 21 einen Durchmesser
von 900 mm, und die passiven Räume weisen
auf jeder Seite eine Höhe
auf, die gleich der Hälfte
des Durchmessers ist.
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Die
in den passiven Räumen 30a, 30b, 30d und 30e vorhandenen
Kügelchen
fallen, wenn ihre kinetische Energie sich erschöpft hat, auf den Boden 31 dieser
Räume.
Diese Böden 31 sind
geneigt und bilden zwei Talwege 50 beiderseits des aktiven Raums 30c,
wobei diese Talwege 50 es ermöglichen, dass die Kügelchen
durch Schwerkraft wieder bis auf den Boden 31c des aktiven
Raums 30c fallen und auf die schwingende Fläche 40 gelangen,
wo ihnen wieder Energie zugeführt
wird und sie erneut den Kügelchennebel 45 im
Inneren des aktiven Raums 30c bilden. Die Talwege 50 verlaufen
in Tunnels 51 durch die Seitenwände 32, um die Kügelchen
aus den passiven Räumen 30a, 30b, 30d, 30e durch
die Seitenwände 32 zu
dem aktiven Raum 30c gelangen zu lassen.
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In
diesem Beispiel können
die Räume 30 abgebaut
werden und bestehen sehr einfach aus einem Behälter 55 mit zwei flachen,
vertikalen Längswänden 56,
die parallel zueinander und senkrecht zur geometrischen Drehachse 16 angeordnet
sind, wobei diese Längswände 56 jeweils
eine halbkreisförmige Kante 57 aufweisen,
die auf dieser geometrischen Drehachse 16 zentriert ist,
wobei diese Kanten beiderseits der Schaufelblätter 21 an die ringförmige Fläche 20 des
Rades 19 herankommen, wobei diese Längswände 56 durch Querwände 58 miteinander verbunden
sind, um den Behälter 55 seitlich
zu umschließen.
Die Querwände 58 erstrecken
sich zum unteren Teil des Behälters 55,
um einen zur Mitte hin geneigten Boden 59 zu bilden. Der
Behälter 55 ruht auf
einer an dem Gestell 11 angebrachten Platte 60, die
die schwingende Fläche 40 am
oberen Ende der Sonotrode 41 umgibt. Es wird deutlich,
dass der Behälter 55 in
Verbindung mit der Platte 60 und der schwingenden Fläche 40 nach
oben offen ist und seitlich und nach unten zumindest hinsichtlich
der Kügelchen
dicht ist. Der Behälter 55 ist
durch sechs Quertrennwände 61,
die annähernd
radial zur geometrischen Drehachse 16 verlaufen, in fünf Räume 30 unterteilt,
wobei diese Quertrennwände 61 bogenförmige Ausschnitte
aufweisen, die keine Bezugszahlen haben, in die die Schaufelblätter 21 mit
dem Spiel E2 eintreten, wenn sich das Rad 19 dreht. Es
ist nachzuvollziehen, dass ein solcher Behälter 55 sehr einfach
hergestellt werden kann, indem seiner Bestandteile aus einer Platte,
z. B. aus Plexiglas, ausgeschnitten werden, woraufhin diese Bestandteile zusammengesetzt
werden, beispielsweise mit Schrauben. Wie man sieht, bilden die
beiden Kanten 57 die Seitenränder 34 der Räume 30 und
die Kanten mit den bogenförmigen
Ausschnitten in den Quertrennwänden 61 bilden
die Formränder 35.
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Ferner
sieht man, dass der in dem Behälter 55 über der
schwingenden Fläche 40 ausgeführte Raum 30 den
aktiven Raum 30c bildet, während die anderen in dem Behälter 55 ausgeführten Räume 30 die
passiven Räume 30a, 30b, 30d, 30e bilden.
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Es
wird nun Bezug auf die 3 und 4 genommen. Zur Verdeutlichung
wurden die Spiele E1 und E2 vergrößert und die Zwischenräume zwischen den
Schaufelblättern
erhöht.
Die Bezugszahlen 65 und 66 bezeichnen die entgegengesetzten
Flanken des Schaufelblatts 21, wobei die Flanke 65,
die sogenannte vordere Flanke, herkömmlicherweise in Drehrichtung 48 gerichtet
ist, wobei die andere, die sogenannte hintere Flanke, in entgegengesetzter
Richtung gerichtet ist. Es wird nun der Ablauf beschrieben, wenn
ein Schaufelblatt 21 mit seinen Flanken 65, 66 den
aktiven Raum 30c durchläuft,
wobei die Bezugszahlen des Schaufelblatts 21 und seiner
Flanken 65, 66 nacheinander mit a, b, c bezeichnet
werden, die der Eintrittsposition, der mittleren Position bzw. der
Austrittsposition entsprechen. Als Wirkung der Drehbewegung des
Rades 19 in der Drehrichtung 46 tritt das von
dem passiven Raum 30b kommende Schaufelblatt 21a in
den aktiven Raum 30c ein, indem es in den bogenförmigen Ausschnitt 62 einer Quertrennwand 61 mit
einem eingeschränkten
Spiel E2 gegenüber
dem Formrand 35, der diesen bogenförmigen Ausschnitt 62 umgrenzt,
eindringt. Auf diese Weise ist die vordere Flanke 65a dieses
Schaufelblatts 21a der schwingenden Fläche 40 am oberen Ende
der Sonotrode 41 zugewandt, wobei die genannte vordere
Flanke 65a dem Kügelchennebel ausgesetzt
wird und damit dem Strahlen unterzogen wird. Die hintere Flanke 66a hingegen
ist dem Kügelchennebel
nur geringfügig
ausgesetzt und wird ihm immer stärker
ausgesetzt, wenn sich das Schaufelblatt 21a der mittleren
Position nähert.
In dieser mittleren Position ist das Schaufelblatt, das dann die
Bezugszahl 21b trägt,
vollständig
in den Kügelchennebel
eingetaucht, so dass seine beiden Flanken, die hier die Bezugszahl 65b, 66b tragen,
im wesentlichen einem gleich starken Strahlen ausgesetzt sind. Vor
dem Austreten ist das Schaufelblatt, das dann die Bezugszahl 21c trägt, mit
seiner hinteren Flanke 66c dem Kügelchennebel ausgesetzt, während seine
vordere Flanke 65c dem Kügelchennebel nur geringfügig ausgesetzt
ist, so dass nur die hintere Flanke 66c gestrahlt wird.
Man sieht, dass die Symmetrie des aktiven Raums 30c und
der schwingenden Fläche 40, bezogen
auf eine vertikale geometrische Ebene P, in der die geometrische
Drehachse 16 liegt, die Wirkung hat, dass der Kügelchennebel
im Inneren des aktiven Raums 30c, bezogen auf diese Ebene
P, symmetrisch wird. Dadurch verfolgen die entgegengesetzten Flanken 65, 66 des
Schaufelblatts 21 in einem solchen Kügelchennebel in dem aktiven
Raum 30c symmetrischen Bahnen, die bei jedem Durchgang
ein gleiches Strahlen hervorrufen, wobei der Unterschied des Strahlens,
der zwischen den entgegengesetzten Flanken 65, 66 während des
Durchlaufens des aktiven Raums 30c auftritt, vorübergehend ist,
da er in dem Augenblick, in dem das Schaufelblatt 21 diesen
aktiven Raum 30c verlässt,
wieder ausgeglichen ist. Außerdem
ist nachzuvollziehen, dass ein Strahlen, das in N Umdrehungen erfolgt
anstatt in einer einzigen, die Wirkung hat, dass dieser vorübergehende
Unterschied durch N geteilt wird. Wenn das Strahlen beispielsweise
in N = 20 Umdrehungen durchgeführt
wird, beträgt
dieser vorübergehende Unterschied
nur noch 5 % des gesamten Strahlens. Der Erfinder betrachtet N =
5 Umdrehungen als ein akzeptables Minimum, um die für Turbotriebwerke verwendeten
sehr dünnen
Schaufelblätter 21 zu strahlen.
Es ist möglich,
für N viel
höhere
Werte zu setzen, vorausgesetzt, dass die sich daraus ergebende tangentiale
Geschwindigkeit der Schaufelblätter 21 im
Vergleich zu der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Kügelchen,
die den Nebel bilden, vernachlässigt
werden kann. Im entgegengesetzten Fall würde eine Asymmetrie entstehen,
wobei die vordere Flanke 65 dann ein stärkeres Strahlen erhalten würde als
die hintere Flanke 66. In diesem Beispiel ist die Länge L1 des
Raums gleich dem Vierfachen des Abstandes L2 zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Teilen, wobei dieser Raum folglich bis zu fünf Teilen zugleich aufnehmen
kann.
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Ein
Bruchteil 70 der in dem Raum vorhandenen Kügelchen
gelangt durch die Schaufelblätter-Zwischenräume 24 in
die angrenzenden passiven Räume 30b und 30d.
Diese Kügelchen
verlieren rasch ihre Energie und fallen auf den Boden 31,
wo sie einen Strom 71 bilden, der sich durch Schwerkraft den
Talweg 50 hinab und wieder in den aktiven Raum 30c zurück bewegt,
wobei er durch die Quertrennwände 61 in
Zwischenräumen
oder Tunnels 51 gelangt, welche zwischen diesen Quertrennwänden 61 und
diesen Böden 31 vorgesehen
sind.
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Die
Spitzen 80 der Schaufelblätter 21 erfahren unter
der Wirkung des Strahlens eine Mattierung, bei der sie in der Form
eines Hammerkopfs ein wenig breiter werden. Dadurch erhalten die
Schaufelblätter eine
größere Höhe als die
Endhöhe,
und nach dem Strahlen werden diese Spitzen 80 bearbeitet,
beispielsweise durch Schleifen, um diesen Schaufelblättern 21 ihre
endgültige
Höhe zu
verleihen und die Hammerköpfe
zu entfernen.
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Vorteilhafterweise
werden in dem aktiven Raum 30c Formen angeordnet, die in 1 die Bezugszahl 83 haben,
wobei diese Formen 83 sich beiderseits der Schaufelblätter 21 befinden, wobei
sich diese Schaufelblätter 21 zwischen
diesen Formen 83 mit dem gleichen Spiel E2 durch den aktiven
Raum 30c erstrecken. Durch eine solche Anordnung wird verhindert,
dass die Kügelchen
auf die natürlich
sehr dünnen
Vorderkanten 81 und Hinterkanten 82 dieser Schaufelblätter 21 aufschlagen,
und es wird erreicht, dass diese Vorderkanten 81 und diese
Hinterkanten 82 vor der Mattierung geschützt sind.