DE60031257T2

DE60031257T2 - Oberflächenveredelungs und -reinigungsverfahren und vorrichtung für metallteile oder dergleichen

Info

Publication number: DE60031257T2
Application number: DE60031257T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Sendai-shi SOYAMA
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JP2000263337A; EP1170387B1; EP1170387A1; EP1500712A1; WO2000042227A1; KR100519460B1; KR20010093123A; DE60031257D1; DE60030341D1; US20050103362A1; EP1500712B1; EP1170387A4; US6855208B1; DE60030341T2

Description

Gebiet der Technik:
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veredelung (Kalthärten durch Hämmern) von Metallteiloberflächen, wie z.B. für Zahnräder, Federn und Formen, und eine Vorrichtung, bei der ein solches Verfahren ausgeführt wird. Spezieller betrifft sie ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metallteil und die Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, die besonders für die Bearbeitungsindustrie geeignet ist, wo Kugelstrahlen typischerweise verwendet wird, um Metallteiloberflächen zu verbessern (z.B., um Druckrestspannungen zu bilden, eine Ermüdungsfestigkeit zu verbessern, das Werkstück zu härten usw.), und zum Gebrauch in Gebieten, wo Teile gereinigt werden müssen.
Hintergrund der Technik:
Herkömmlicherweise ist Kugelstrahlen verwendet worden, um die verschiedensten Metallteiloberflächen zu verbessern, um Druckrestspannungen zu bilden, eine Ermüdungsfestigkeit zu verbessern, das Werkstück zu härten usw..
Erst seit kurzem ist, um eine Spannungskorrosionsrissbildung zu behindern und Materialien in kritischen Anwendungen, wie z.B. einen Kernreaktorbehälter, gegen ein solches Rissbilden zu schützen, auch eine Technik verfügbar, um die Restspannungen auf der Oberfläche eines Werkstücks unter Verwendung von Kavitation zu unterdrücken, die durch Einspritzen von Wasser in Wasser über eine Düse, die zwei oder mehr Verengungen enthält, erzeugt wird.
Diese Technik, um Metallteiloberflächen zu verbessern, ist jedoch offenbart worden, als ob sie die Kavitationskollabierschlagkraft verwenden würde. Nichtsdestoweniger ist sie praktisch verwendet worden, obwohl sie mit einem "allgemeinen Wasserstrahl" vermengt wurde, der einen "kavitierenden Strahl" aufweist, der in die Luft eingespritzt wird.
Mit anderen Worten, die Verwendung des "allgemeinen Wasserstrahls" hat angenommen, dass das Oberflächenhämmerniveau (eingeführter Restspannungswert, verbessertes Ermüdungsfestigkeitsniveau, Oberflächenhärtegrad usw.) vom Druck des eingespritzten Wassers abhängt. Bei einer solchen Annahme wird eine kostspielige Hochdruckpumpe verwendet, um den Pumpenausstoßdruck zu erhöhen. Nichtsdestoweniger ist ein zufriedenstellendes Behandlungsvermögen unter dem Gesichtspunkt einer Oberflächenbehandlung unerreichbar geblieben. Weiter hat es einige andere einer Lösung harrende Probleme gegeben. Die Faktoren, die eine Kavitationskollabierschlagkraft im Oberflächenmodifikationsprozess bestimmen können, sind noch nicht ganz verstanden. Und weder die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase noch die Oberflächenbehandlungswirkung des Kavitationsstrahls sind wirkungsvoll verwendet worden.
Der Erfinder der hierin spezifizierten Offenbarung hat deshalb Untersuchungen über die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase und über die Oberflächenmodifikationserscheinung des kavitierenden Strahls fortgeführt. Als ein Ergebnis ist verifiziert worden, dass die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase und die Oberflächenmodifikationswirkung des kavitierenden Strahls (wobei Restspannungen verbessert werden, das Werkstück gehärtet und eine Ermüdungsfestigkeit verbessert wird) nicht nur vom Druck des Druckwassers abhängen, sondern auch vom Druck des Wassertanks, in dem das Werkstück platziert ist, dass für das Verhältnis von Druckwasserdruck zum Wassertankdruck ein optimaler Wert vorhanden ist, dass die Kavitationskollabierschlagkraft entsprechend der Temperatur des Fluids zunimmt und abnimmt und dass die Kavitationskollabierschlagkraft erhöht werden könnte, wenn die Bedingungen, die oben angegeben sind, erfüllt wurden.
Die vorliegende Erfindung ist auf Grundlage einer solchen Kenntnis, die oben angegeben ist, gemacht worden. Das zu behandelnde Werkstück ist in einem Tank angeordnet, der mit einem Fluid, wie z.B. Wasser oder Öl, gefüllt ist. Und das Werkstück wird durch Einspritzen eines kavitierenden Strahls behandelt. Um das Behandlungsvermögen des kavitierenden Strahls zu erhöhen, wird außerdem der Tank, in dem das Werkstück angeordnet ist, in einer kurzen Zeit mit Druck beaufschlagt und durch Druckbeaufschlagung gesteuert. Folglich liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren und dessen Vorrichtung zum Hämmern und Reinigen eines Metallteils oder anderer Oberflächen, wobei ermöglicht wird, dass ein Metallteil auf der Oberfläche verbessert wird.
Weiter wird, um einen kavitierenden Strahl auf das zu behandelnde Werkstück einzuspritzen, ein frei bewegbarer Druckbeaufschlagungsbehälter für die vorliegende Erfindung bereitgestellt, so dass er ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Hämmern und Reinigen der Oberflächen von Metall- und anderen Teilen umfasst, die die Oberfläche einer großdimensionierten Struktur behandeln können.
Ein Druckbeaufschlagungsabschnitt ist in einem Rohr gebildet, um einen Kavitationsstrahl einzuspritzen. Folglich liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Hämmern und Reinigen der Oberflächen von Metall- und anderen Teilen, was ermöglichen würde, dass die innere Oberfläche des Rohrs behandelt und gereinigt wird, während der Abschnitt entlang der inneren Oberfläche des Rohrs bewegt wird.
Und die vorliegende Erfindung zielt zumindest in ihren bevorzugten Ausführungsformen darauf ab, das/die oben erwähnte Reinigungsverfahren und -vorrichtung zu verwenden, um die oben erwähnten Probleme zu lösen.
Die JP 07 328857 offenbart eine Oberflächenreinigungsvorrichtung mit einem ersten Behälter, der auf einem zu behandelnden Teil platziert ist, einer Düse, um ein Druckfluid in den ersten Behälter einzuspritzen, und einer Düse, um ein kavitierendes Fluid in das Druckfluid einzuspritzen, um einen Hämmereffekt auf die Oberfläche des Teils anzuwenden.
Offenbarung der Erfindung:
Von einem ersten Aspekt aus stellt die vorliegende Erfindung ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil bereit, umfassend: Platzieren des zu behandelnden Teils in einen ersten Behälter, der mit einem Druckfluid gefüllt wird, wobei der erste Behälter in einen zweiten Behälter platziert wird, der mit einem Fluid gefüllt wird, und Anwenden eines Hämmereffekts auf die Oberfläche des Teils durch Erzeugen von Kavitation durch Einspritzen eines Druckfluids aus einer von dem Teil entfernt angeordneten Düse auf die Oberfläche, so dass die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase verwendet werden kann, um die Oberfläche des behandelten Teils zu härten und zu reinigen.
Von einem zweiten Aspekt aus stellt die vorliegende Erfindung eine Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil bereit, die zusammengesetzt ist aus: einem ersten Behälter, der im Gebrauch das zu behandelnde Teil in einem Druckfluid aufnimmt, einem Deckel, der den ersten Behälter hermetisch umschließt, einem zweiten Behälter, der im Gebrauch den ersten Behälter aufnimmt, einer Düse, um einen Druckfluidstrahl in das Druckfluid im ersten Behälter einzuspritzen, einem Durchsatzsteuerventil, um den Strahldruck von der Düse zu steuern, und einem Drucksteuerventil, um den Fluiddruck im ersten Behälter zu steuern.
Die problemlösenden Einrichtungen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung auch:
Ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, bei dem das zu behandelnde Teil in einen ersten Behälter platziert wird, der mit einem Fluid gefüllt ist, das in den in einem Abstand von der Oberfläche des Teils angeordneten ersten Behälter fließt und aus dem ersten Behälter fließt, wobei diese Durchsätze des Fluids gesteuert werden, um den ersten Behälter mit Druck zu beaufschlagen, um die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase zu erhöhen, was wiederum verwendet wird, um einen Hämmereffekt auf die Oberfläche des Teils anzuwenden, um die Oberfläche des behandelten Teils zu härten und zu reinigen.
Ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, bei dem ein erster Behälter mit Druck beaufschlagt wird, indem die Durchsätze von beiden Fluiden gesteuert werden, die in den ersten Behälter hinein- und herausfließen, um die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase zu erhöhen und das behandelte Teil durch Anwenden eines Hämmereffekts unter einer solchen Schlagkraft zu härten und zu reinigen.
Ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, bei dem eine Substanz mit einer unterschiedlichen Schallimpedanz zwischen dem ersten und zweiten Behälter eingesetzt wird.
Ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, bei dem die Temperatur des Fluids in dem ersten Behälter gesteuert wird, indem die Temperatur des Fluids gesteuert wird, das den Raum zwischen dem ersten und zweiten Behälter füllt.
Ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, bei dem der kavitierende Strahl, der in einen ersten Behälter einzuspritzen ist, vom ersten Behälter zu den Kühleinrichtungen geschickt wird und zu einer Kavitationsstrahlpumpe rückgeführt wird, nachdem er durch die Kühleinrichtungen gekühlt ist.
Eine Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die zusammengesetzt ist aus: einem ersten Behälter, der das zu behandelnde Teil aufnehmen kann, einem Deckel, der den ersten Behälter hermetisch umschließt, einem zweiten Behälter, der den ersten Behälter aufnehmen kann, einer Düse, um ein Druckfluid in das Druckfluid einzuspritzen, einem Durchflussmengensteuerventil, um den Strahldruck von der Düse zu steuern, und einem Drucksteuerventil, um den Fluiddruck im ersten Behälter zu steuern.
Eine Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die mit zwei oder mehr besagter Düsen versehen ist, wobei der zweite Behälter so konfiguriert ist, dass er eine größere Tiefe als die Höhe des ersten Behälters aufweist.
Eine Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, bei der eine Substanz mit unterschiedlicher Schallimpedanz zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter angeordnet ist.
Eine Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, deren Deckel auf dem ersten Behälter mit einer spezifizierten Kraft geschlossen ist.
Eine Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die mit einer Einrichtung zum Erhitzen oder Kühlen des Fluids im zweiten Behälter versehen ist.
Eine Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, bei der das zu behandelnde Teil auf einem Wagen geladen ist, um es zu tragen.
Ein Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, bei dem das zu behandelnde Teil in einem ersten Behälter montiert wird, der mit einem Fluid gefüllt wird, das wiederum in den ersten Behälter fließen gelassen wird, um den ersten Behälter im Innern mit Druck zu beaufschlagen, wobei die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase durch Einspritzen des Druckfluids erhöht wird, um in dem ersten Behälter, der mit Druck beaufschlagt wird, eine Kavitation zu erzeugen, so dass die Schlagkraft verwendet wird, um die Oberfläche des behandelten Teils durch Anwenden eines Hämmereffekts auf das Teil zu härten und zu reinigen.
Eine Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die besteht aus: dem ersten Behälter, einer Düse, um ein Druckfluid in einen ersten Behälter einströmen zu lassen, und einer Düse, um einen kavitierenden Strahl in das Druckfluid im ersten Behälter einzuspritzen.
Eine Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die konfiguriert ist, um den Druck des Fluids in dem ersten Behälter durch eine Fluiddruckreglereinrichtung, wie z.B. ein Ventil oder dergleichen, zu steuern.
Eine Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die mit einer Einrichtung zum Kühlen des Kavitationsstrahlfluids versehen ist, das in den ersten Behälter einströmt.
Eine Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, bei der ein Druckfluid in den ersten Behälter strömt, um das Kavitationsstrahlfluid wirkungsvoll zu umgeben.
Eine Oberflächenmodifikations- und Reinigungsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, bei der entweder das erste Element oder das zweite Element mit einer Fluiddruckreglereinrichtung versehen ist, um den Fluiddruck in der Fluiddruckbeaufschlagungskammer zu regeln.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 ist ein Blockdiagramm der Oberflächenmodifikationsvorrichtung, die mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu tun hat.
2 stellt die Druckbeaufschlagungsdaten, die sich auf die vorliegende Erfindung beziehen, dar.
3 ist ein Blockdiagramm der Oberflächenmodifikationsvorrichtung, die mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu tun hat.
4 stellt die Druckrestspannungen dar, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung von einer Behandlung eines Stahls entstanden sind.
5 stellt die Druckrestspannungen dar, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung von einer Behandlung eines aufgekohlten Zahnradmaterials entstanden sind.
6 gibt ein Beispiel für ein Werkstückhärten wieder.
Auf Grundlage der Figuren werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unten in Einzelheit beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm der Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die mit der ersten Ausführungsform zu tun hat.
In 1 ist 1 der erste Behälter, der ermöglicht, dass ein Werkstück leicht abgegeben wird und leicht hineingelangt, wobei er so konfiguriert ist, dass er mittels eines Deckels 2 hermetisch abdichtbar ist, um die Oberfläche des Werkstücks besser zu machen.
Ein zweiter Behälter 3, der besagten ersten Behälter 1 aufnehmen kann und so gebildet ist, dass er eine größere Tiefe als die Höhe des ersten Behälters aufweist, so dass er einen geeigneten Raum S in der Peripherie des ersten Behälters bilden kann.
4 ist die Düse, um einen Kavitationsstrahl in den ersten Behälter 1 einzuspritzen.
5 ist die Leitung, um die Düse mit einem Hochdruckfluid aus dem ersten Behälter 1 zu versorgen.
6 ist ein Steuerventil, um den Hochdruckfluiddurchsatz zu regeln.
7 ist eine Leitung, durch die das Fluid aus dem ersten Behälter 1 abgelassen wird.
8 ist ein Drucksteuerventil, das in der Leitung angeordnet ist, um den Druck im ersten Behälter 1 zu regeln.
Der erste Behälter 1 kann mit zwei oder mehr Düsen versehen sein. Es wird außerdem bevorzugt, dass das Durchflussmengensteuerventil 6 in einer Zweigleitung 5a statt direkt in der Leitung 5 zur Kopplung einer Hochdruckpumpe P und der Düse 4 angeordnet ist.
Das Werkstück W ist im hermetisch abdichtbaren ersten Behälter 1 platziert, der mit einem Fluid gefüllt ist, wie z.B. Wasser oder Öl, wobei ermöglicht wird, dass das Werkstück abgegeben wird und hineingelangt, wobei der Raum zwischen dem ersten Behälter 1 und dem zweiten Behälter 3 mit einem Fluid, wie z.B. Wasser oder Öl, gefüllt ist.
Das Durchflussmengensteuerventil 6, Drucksteuerventil 8 und die Pumpe P sind mit einer elektronischen Steuervorrichtung gekoppelt, die nicht veranschaulicht ist. Und sie werden gesteuert, um auf Grundlage eines Signals von einem Druck/Temperatursensor, der nicht veranschaulicht ist, einen optimalen Druck zu erreichen.
Spezifischer Hergang (Betrieb) bei den Ausführungsformen: Nachdem es in den ersten Behälter 1 platziert ist, wird das Werkstück W mit dem Deckel 2 hermetisch abgedichtet, der mit der Finne abgeklopft und geschlossen werden kann. Hochdruckwasser wird von der Düse 4 eingespritzt, um eine Kavitation 9 um den Strahl zu erzeugen, um die Kavitationsblasen gegen das Werkstück W auftreffen zu lassen. Die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblasen wirkt auf die Oberfläche des Werkstücks ein, wodurch eine Werkstückhärtungswirkung an der Oberfläche des Werkstücks, eine Verbesserung von Restspannungen und eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit herbeigeführt werden.
Um die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase 9 zu erhöhen, wird das Durchflussmengensteuerventil 6 verwendet, um den Durchsatz des Druckfluids zu steuern, das von der Düse 4 in den ersten Behälter 1 fließt, oder das Drucksteuerventil 8 wird verwendet, um den Durchsatz des Fluids zu steuern, das aus dem ersten Behälter fließt, um den Druck des Fluids zu steuern, das im ersten Behälter mit Druck beaufschlagt ist.
Wenn der erste Behälter 1 irgendeinen Teil in gasförmiger Phase aufweist, erfordert außerdem eine Druckbeaufschlagung eine gewisse Zeit, weil der Gasphasenteil mit dem Druckwasser komprimiert wird. In dieser Ausführungsform weist deshalb der zweite Behälter 2 seine Tiefe erhöht auf, so dass der erste Behälter 1 in einer kürzeren Zeit mit Druck beaufschlagt werden kann. Und der Druck des im zweiten Behälter 3 eingefüllten Fluids wird verwendet, um auf den ersten Behälter weiter einen spezifizierten ausgeübten Druck aufrechtzuhalten. Dies ermöglicht, dass der erste Behälter 1 in einer kürzeren Zeit mit Druck beaufschlagt wird, während zugelassen wird, dass der Gasphasenteil im ersten Behälter in einer kurzen Zeit auf das Minimum, das möglich ist, verringert wird.
Wie oben angegeben, kann die vorliegende Erfindung den Gasphasenteil im ersten Behälter 1, der mit Druck zu beaufschlagen ist, minimieren. Als Folge ist es möglich, die Zeit zu verringern, die erforderlich ist, um den ersten Behälter 1 mit Druck zu beaufschlagen.
In einem Fall, in dem der erste Behälter 1 einen optimalen Fluiddruck von z.B. 5 Atmosphären aufweist, wird es angenommen, dass der erste Behälter ungefähr 12 Liter Luft enthält. Dann wird ungefähr 1 Minute benötigt, um den Behälter mittels einer Hochdruckpumpe mit einer Förderleistung von 10 Litern pro Minute mit Druck zu beaufschlagen. Als Folge würde die Zeit, die der tatsächlichen Arbeitszeit entspricht (mehrere Sekunden bis mehrere Minuten, was abhängig von der Anordnung der Düse verringert werden könnte), vergeudet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird der erste Behälter 1 zuvor in dem Fluid, das den zweiten Behälter füllt, untergetaucht. Die Luft im ersten Behälter 1 kann deshalb auf ein Zehntel oder weniger verringert werden, während eine Verringerung einer Behandlungszeit auf ein Zehntel oder weniger ermöglicht wird. Weiter wird im Verhältnis zur Tiefe des ersten Behälters 1 ein spezifizierter Druck auf den ersten Behälter dauernd aufrechterhalten. In dem oben erwähnten Fall ist es z.B. möglich, die Druckbeaufschlagungszeit um 100 zu verringern, weil die Druckbeaufschlagung keine Zeit brauchen würde, wenn der zweite Behälter 3 eine Wassertiefe von 50 Meter aufweist, selbst wenn ungefähr 12 Liter Luft im ersten Behälter 1 gespeichert sind.
Im Vergleich mit dem Fall, wo der erste Behälter nicht wie oben angegeben mit Druck beaufschlagt ist, ermöglicht die vorliegende Ausführungsform eine erfolgreiche Erzielung von gewünschten Wirkungen, wie z.B. eine signifikante Verbesserung von Restspannungen, eine Verbesserung von Ermüdungsfestigkeit, ein Vermögen einer Einbringung von Druckrestspannungen im tiefen Teil von der Werkstückoberfläche, einen höheren Wirkungsgrad (Erfordernis kürzerer Zeit) als dem Fall ohne Druckbeaufschlagung, zusammen mit dem Vermögen eines Härtens der Oberfläche des Werkstücks.
3 stellt die Druckbeaufschlagungsdaten dar. In der Figur stellt A den Fall mit Druckbeaufschlagung und B ohne Druckbeaufschlagung dar, während X für die Tiefe steht, bei der Restspannungen verbessert werden können. Im Vergleich mit dem Fall ohne Druckbeaufschlagung wird die Tiefe, in der Druckrestspannungen die Oberfläche des Werkstücks durchdringen, bei Druckbeaufschlagung zweimal bis 10mal oder mehr erhöht, während das Behandlungszeiterfordernis um die Hälfte bis ein Zehntel verringert wird. (Dieser Wert ist erzielbar, wenn der Strahl einen Ausstoßdruck von 20 MPa aufweist, wobei eine Düsenbohrung von 0,4 bis 0,8 Millimetern reicht. Je größer die Düse und je größer der Ausstoßdruck ist, desto offensichtlich wirkungsvoller ist die Druckbeaufschlagung.)
Die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase hängt auch von der Fluidtemperatur ab. Wenn der zweite Behälter 3 in der Peripherie des ersten Behälters 1 angeordnet ist und wenn eine Fluidtemperatursteuereinheit zum zweiten Behälter 3 hinzugefügt ist, kann das Fluid im ersten Behälter bei einer konstanten Temperatur gehalten werden und auf einen Bereich von 30°C bis 60°C gesteuert werden, in welchem die Kavitationsblasen zu einer optimalen Kollabierschlagkraft gelangen. Außer wenn der zweite Behälter 3 bereitgestellt wird, weist der erste Behälter 1 einen Temperaturanstieg auf, wodurch die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblasen abgeschwächt wird. Gleichzeitig gibt es solche gefährlichen Möglichkeiten, dass in der Hochdruckpumpe, den Rohrleitungen und/oder dem ersten Behälter 1 eine Leckage stattfinden kann oder leicht ausbrechen kann.
Wenn Wasser verwendet wird, weisen Kavitationsschäume eine Kollabierschlagkraft auf, die bei einer Temperatur von 50°C maximiert ist, wobei sie zwischen dem Siede- und Schmelzpunkt liegt. Bei einem praktischen Gebrauch würde es gefährlich sein, wenn eine Hochdruckpumpe oder Rohrleitungen eine hohe Temperatur (80°C oder mehr) aufweisen würden, bei welcher ihre Beständigkeit gegen Druck einen extremen Abfall zeigen würde. In diesem Sinne sollte der erste Behälter 1 vorzugsweise einen Fluidtemperaturabfall in einem Bereich von 30°C bis 60°C aufweisen.
Eine Montage des zweiten Behälters 3 ermöglicht eine Verringerung des Kavitationsgeräusches, das im ersten Behälter 1 auftritt. Bei Einbringung einer Substanz mit einer unterschiedlichen Schallimpedanz verbessern der erste Behälter 1 und der zweite Behälter die Schalldämpfungs(Lärmminderungs)wirkung.
Wenn der zweite Behälter 3 montiert ist, ist es möglich, den Gasphasenteil (komprimiertes Gas) im ersten Behälter 1 so weit wie möglich zu beseitigen. Selbst wenn eine Leckage vom ersten Behälter stattfinden würde, ist dies ohne Risiko, weil der Druck im ersten Behälter sofort gemindert wird, denn wenige komprimierte Teile sind vorhanden und das Fluid im ersten Behälter ist nicht komprimierend, selbst wenn es leckt. Wenn ein Gasphasenteil im ersten Behälter vorhanden sein sollte, ist es gefährlich, weil sich der Teil aufbläst, wodurch dem Fluid gestattet wird, weiter durch den leckenden Punkt herauszuschießen.
Kavitationsblasen weisen eine Kollabierschlagkraft auf, die auch vom Luftgehalt des Fluids im ersten Behälter 1 abhängig ist. Wenn das Fluid im ersten Behälter seinen Luftgehalt infolge eines Einwirkens von Umgebungsluft erhöht aufweisen sollte, weist die Kavitationsblase ihre Kollabierschlagkraft vermindert auf. Mit anderen Worten wird das Behandlungsvermögen des kavitierenden Strahls verringert. Montieren des zweiten Behälters 3 verhindert jedoch, dass das Fluid im ersten Behälter direkt der Atmosphäre ausgesetzt wird. Infolgedessen weist das Fluid im ersten Behälter seinen Luftgehalt kaum verändert auf, so dass der kavitierende Strahl ein nahezu konstantes Behandlungsvermögen aufrechterhalten kann.
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird weiter beschrieben, während auf 3 Bezug genommen wird. In der Figur ist P ein Fluid von der Hochdruckpumpe, C ein kavitierender Strahl, D ein Deckel zur hermetische Abdichtung nach Einbringung des Werkstücks, N eine Düse, W ein Werkstück und 6 und 10 Durchflussmengensteuerventile.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Verfahren, das Fluid aus dem ersten Behälter 1 abzulassen. Mit anderen Worten lässt die zweite Ausführungsform mittels des Durchflussmengensteuerventils 10 das Fluid in den zweiten Behälter entladen. Zusätzlich wird das Fluid im zweiten Behälter mittels des Durchflussmengensteuerventils 8 aus dem zweiten Behälter nach außen abgelassen. Diese Konfiguration ermöglicht eine wirkungsvolle Beseitigung von Restblasen im ersten Behälter, nachdem Kavitationsformen kollabiert sind.
4 stellt die Druckrestspannungen dar, die von einer Behandlung mit Druckrestspannungen, die in das Werkzeug (Gesenkmaterial) eingeführt sind, entstanden sind, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. In 4 ist das Material SKD61, der Düsendurchmesser 2 Millimeter und der Einspritzdruck 30 MPa. Bei Druckbeaufschlagung des ersten Behälters (K in der Figur) kann eine verbessernde Behandlung in 10 Minuten beendet sein. Ohne Druckbeaufschlagung des Behälters (J in der Figur) werden 150 Minuten benötigt, während Druckrestspannungen bei einem Niveau von ungefähr 60% übrigbleiben.
5 gibt die Druckrestspannungen wieder, die von einer Behandlung mit Druckrestspannungen entstanden sind, die zum aufgekohlten Zahnradwerkstoff, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eingeführt sind. In 5 weist die Düse einen Durchmesser von 2 Millimetern mit einem Einspritzdruck von 30 MPa und einem Druckbeaufschlagungsdruck von 0,32 MPa auf.
6 stellt ein Beispiel dar, das das Werkstückhärten mit einem Düsendurchmesser von 2 Millimetern, einem Einspritzdruck von 30 MPa und einem Behandlungsdruck von 0,32 MPa vergleicht.
Oben beschrieben sind die verschiedensten Ausführungsformen, die mit der vorliegenden Erfindung zu tun haben. Nichtsdestoweniger sind Durchflussmengensteuerventile, Druckventile und dergleichen in entweder automatischen oder manuellen Steuertypen erhältlich. Für ein Fluid sind entweder Wasser oder Öl und dergleichen anwendbar. In jeder Ausführungsform, auf die oben Bezug genommen wird, kann die Temperatur des Fluids übermäßig ansteigen, weil sich die Motorleistung durch einen kavi tierenden Strahl in Wärme umwandeln kann, wenn er in den ersten Behälter strömt. In diesem Fall wird der Druck im ersten Behälter verwendet, um das Fluid im ersten Behälter abzukühlen, indem das Fluid zu verschiedenen Kühleinrichtungen, die allgemein bekannt sind, geschickt wird, die vom ersten Behälter verschieden sind. Später ist es möglich, die Pumpe nochmals mit dem Fluid erneut zu versorgen. Wenn eine solche Technik eines Einspeisens des Fluiddrucks im ersten Behälter zu einer anderen Kühleinrichtung verwendet wird, ist es nicht notwendig, eine neue Pumpe bereitzustellen, um das Fluid im ersten Behälter zu der Kühleinrichtung zu schicken, so dass das Fluid in Wirklichkeit leicht abgekühlt werden kann.
Um den Kavitationsstrahl und das Druckbeaufschlagungsfluid in den ersten Behälter einströmen zu lassen, ist es möglich, sowohl die Kavitationsstrahldüse als auch die Druckbeaufschlagungswasserdüse in jeder der Ausführungsformen, auf die oben Bezug genommen wird, benachbart anzuordnen. Zusätzlich kann eine Kavitationsstrahldüse in der Mitte des Behälters angeordnet sein und die Druckbeaufschlagungswasserausströmdüsen können so angeordnet sein, dass sie die Erstgenannte umgeben, so dass der kavitierende Strahl auf das Werkstück auftreffen kann, als ob er vom Druckbeaufschlagungswasser umgeben würde.
Zusätzlich ist es möglich, die Positionsbeziehungen zwischen Kavitationsstrahldüse und Druckbeaufschlagungswasserausströmdüse zu einer anderen Form, falls erforderlich, zu ändern. Es ist möglich, wie es erforderlich sein mag, die Anordnung des Werkstücks auf Grundlage seiner Form frei einzustellen. Als ein Beispiel ist es möglich, die Düse selbst als einen Bestandteil des Behälters zu bilden.
Die vorliegende Erfindung kann auch in beliebigen anderen Formen verkörpert werden, ohne dass man von ihren prinzipiellen Merkmalen abweicht. In diesem Sinn werden die Ausführungsformen, auf die oben Bezug genommen wird, zwecks Beispiel gegeben und dürfen auf keinen Fall in irgendeinem einschrän kenden Sinn interpretiert werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Bei der vorliegenden Erfindung, wie in Einzelheit oben beschrieben, wird das Werkstück in einen ersten Behälter platziert, der wiederum hermetisch abgedichtet ist. Dann wird ein Hochdruckfluid aus einer Düse eingespritzt, um die Kavitation um den Strahl zu erzeugen, um eine Kavitationsblase gegen das Werkstück auftreffen zu lassen. Als Folge wirkt die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase auf das Werkstück, wodurch die Oberflächenmodifikations- und Reinigungswirkungen herbeigeführt werden, wie z.B. Werkstückhärten, Restspannungsverbesserung, Ermüdungsfestigkeitsverbesserung usw.. In einem Fall, in dem ein Verfahren zum Laden eines ersten Behälters auf das Werkstück verwendet wird, ist es auch möglich, die Oberfläche einer langen Stahlplatte, einer großdimensionierten Matrize und dergleichen zu verbessern. Zusätzlich ist es auch zum Reinigen des Bodens durch einen kavitierenden Strahl anwendbar. Bilden eines Druckbeaufschlagsabschnitts in einem Rohr oder einer Leitung ermöglicht auch, dass die innere Oberfläche des Rohrs behandelt und gereinigt wird. Wenn das Einströmwasser zur Druckbeaufschlagung des ersten Behälters gesondert von dem Kavitationsstrahldruckbeaufschlagungswasser bereitgestellt wird, ist es auch möglich, die Ausrüstung mit geringeren Kosten aufzubauen, ohne dass eine Tauchkolbenpumpe mit großem Durchfluss benötigt wird. Solche ausgezeichneten Wirkungen, wie die, auf die oben Bezug genommen wird, könnten durch die vorliegende Erfindung herbeigeführt werden.

Claims

Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil, umfassend: Platzieren des zu behandelnden Teils (W) in einen ersten Behälter (1), der mit einem Druckfluid gefüllt wird, wobei der erste Behälter in einen zweiten Behälter (3) platziert wird, der mit einem Fluid gefüllt wird, und Anwenden eines Hämmereffekts auf die Oberfläche des Teils durch Erzeugen von Kavitation (9) durch Einspritzen eines Druckfluids aus einer von dem Teil entfernt angeordneten Düse (4) auf die Oberfläche, so dass die Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase verwendet werden kann, um die Oberfläche des behandelten Teils zu härten und zu reinigen.
Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil nach Anspruch 1, umfassend: Druckbeaufschlagen des ersten Behälters (1) durch Steuern der Durchsätze von beiden in den ersten Behälter hinein- und aus ihm herausfließenden Fluiden und dadurch Erhöhen der Kollabierschlagkraft der Kavitationsblase (9), um das behandelte Teil (W) durch Anwenden eines Hämmereffekts unter einer solchen Schlagkraft zu härten und zu reinigen.
Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: Einsetzen einer Substanz mit einer unterschiedlichen Schallimpedanz zwischen dem ersten und zweiten Behälter (1, 3).
Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend: Steuern der Temperatur des Fluids in dem ersten Behälter (1) durch Steuern der Temperatur des Fluids, das den Raum zwischen dem ersten und zweiten Behälter (1, 3) füllt.
Oberflächenmodifikations- und Reinigungsverfahren für ein Metall- und anderes Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend: Senden von Fluid für den kavitierenden Strahl von dem ersten Behälter (1) zu Kühleinrichtungen und Rückführen des Fluids zu einer Kavitationsstrahlpumpe (P) nach seinem Kühlen in den Kühleinrichtungen.
Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil, die zusammengesetzt ist aus: einem ersten Behälter (1), der im Gebrauch das zu behandelnde Teil (W) in einem Druckfluid aufnimmt, einem Deckel (2), der den ersten Behälter hermetisch umschließt, einem zweiten Behälter (3), der im Gebrauch den ersten Behälter aufnimmt, einer Düse (4), um einen Druckfluidstrahl in das Druckfluid im ersten Behälter einzuspritzen, einem Durchsatzsteuerventil (6), um den Strahldruck von der Düse zu steuern, und einem Drucksteuerventil (8), um den Fluiddruck im ersten Behälter zu steuern.
Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil nach Anspruch 6 oben, bei der zwei oder mehr der Düsen (4) vorgesehen sind.
Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil nach Anspruch 6 oder 7, bei der der zweite Behälter (3) so konfiguriert ist, dass er eine größere Tiefe als die Höhe des ersten Behälters (1) aufweist.
Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der eine Substanz mit einer unterschiedlichen Schallimpedanz zwischen dem ersten und zweiten Behälter (1, 3) angeordnet ist.
Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei der der Deckel (2) auf dem ersten Behälter (1) mit einer spezifizierten Kraft geschlossen ist.
Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei der eine Einrichtung zum Heizen oder Kühlen des Fluids in dem zweiten Behälter (3) vorgesehen ist.
Oberflächenmodifikationsvorrichtung für ein Metall- und anderes Teil nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei der das zu behandelnde Teil (W) auf einer Wageneinrichtung geladen ist, um ein solches zu behandelndes Teil zu tragen.