EP1901894B1

EP1901894B1 - Düse und verfahren zur bearbeitung eines innenraumes eines werkstücks

Info

Publication number: EP1901894B1
Application number: EP06754897A
Authority: EP
Inventors: Alwin Göring; Michael Jarchau; Dominic Krautwurst; Walter Burger
Original assignee: Paul Hammelmann Maschinenfabrik GmbH; Hammelmann Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Hammelmann Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2010-11-03
Anticipated expiration: 2026-04-27
Also published as: WO2006136470A1; US8561918B2; JP2008544150A; US20090218422A1; ATE486702T1; ES2355292T3; EP1901894A1; DE502006008235D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bearbeitung eines Innenraumes eines Werkstücks.
Die Forderung nach einer Miniaturisierung, Erhöhung der Leistungsdichte und Gewichtseinsparung verändert die konstruktive Gestaltung vieler Werkstücke, insbesondere von Maschinenbauteilen sowie die Methoden zu deren Fertigung.
So werden beispielsweise Bohrungen und Strömungskanäle in Serienkomponenten für Einspritzsysteme von Motoren immer kleiner und die verwendeten Werkstoffe aufgrund der hohen Anforderungen immer fester.
Bei einer spanenden Fertigung solcher Teile entstehen in jedem Fall Grate an Verschneidungen von Bohrungen und an Absätzen, die für mechanische Entgratwerkzeuge nicht zugänglich sind. Späne, kleine Partikel und Schmutzreste verbleiben im Werkstück und sind mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur unzureichend zu entfernen. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an die Sauberkeit und an eine definierte Oberflächenqualität, um die Zuverlässigkeit der Bauteile im Betrieb über den gesamten Produktlebenszyklus gewährleisten zu können.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Reinigen und Entgraten bekannt, bei denen mit Hilfe von Düsen, die sich außerhalb des Werkstücks befinden, Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden, die in die Bohrungen und Öffnungen hineinstrahlen. Das unter hohem Druck aus Düsenkanälen austretende fluide Medium, vorzugsweise Wasser oder Emulsionen, soll aufgrund der hohen kinetischen Energie des Mediums Schmutz und Grate an der inneren Oberfläche der Bohrungen und Öffnungen lösen.
Bei einem anderen Verfahren kommen abrasiv wirkende Partikel, wie z. B. Korund, in Verbindung mit dem Medium zum Einsatz, wobei eine wirksame hohe Geschwindigkeit des austretenden Flüssigkeitsstrahls durch eine vorausgegangene Hochdruckentspannung erreicht wird.
Im Werkstück werden diese Teilchen durch Prallstücke umgelenkt, so dass sie auf den zu behandelnden Oberflächenbereich treffen und dort wirksam werden.
Die bekannten Verfahren weisen allesamt gravierende Nachteile auf, die den geforderten Ansprüchen an die Qualität der Bearbeitung nicht im gewünschten Umfang gerecht werden.
Darüber hinaus ist die Wirkung der außerhalb des Werkstückes zum Einsatz kommenden Düsen unbefriedigend, da zum einen eine schlechte Energieumsetzung durch den großen Abstand zwischen der Düse und der zu bearbeitenden Oberfläche und zum anderen eine Störung der Hochdruckstrahlen durch die abfließende Flüssigkeit gegeben ist.
Weiter behindern Dämpfungseffekte durch Wasserpolster den Bearbeitungsprozess ebenso wie die Tatsache, dass kritische Zonen nicht direkt angestrahlt werden können. So können beispielsweise nur Flatter- und Flimmergrate in größeren Bohrungen sicher entfernt werden. Die Entfernung von Wurzelgraten ist aufgrund der schlechten Energieumsetzung praktisch gar nicht möglich.
Der genannte Einsatz von abrasiv wirkenden Partikeln führt zu einem Verschleiß der einzusetzenden Prallstücke, deren Handhabung überdies relativ kompliziert ist und einer rationellen Fertigung entgegensteht.
Darüber hinaus kommt es durch die Abrasivteilchen häufig zu Verschmutzungen und Verstopfungen, so dass sich insgesamt hohe Betriebskosten ergeben.
Die bekannten Möglichkeiten der Bearbeitung eines Innenraumes eines Werkstückes werden den Anforderungen an eine Serienfertigung nicht gerecht.
Aus der DE 968 508 C ist eine Sandstrahtmasehine mit einem Sandstrahtkopf bekannt, mit dem durch ein Sand-Luft-Gemisch die Innenwandungen von ßehältern gereinigt werden sollen. Dabei weist dieser Sandstrahlkopf eine zentrale Zuführung für das Sand-Luft-Gemisch auf, die endseitig in zwei Abzweigungen übergeht, von denen eine, bezogen auf die Einströmrichtung des Sand-Luft-Gemischs unter einem spitzen Winkel verläuft, während die andere stumpfwinklig dazu angeordnet ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Düse und ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiter zu entwickeln, dass eine den Anforderungen gerecht werdende Bearbeitung möglich ist, bei gleichzeitig verbesserter Standzeit der Düse.
Diese Aufgabe wird durch eine Düse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
In Kombination mit der neuen Düse gelingt es durch das neue Verfahren, die kinetische Energie optimal in den Bereich zu bringen, wo sie wirksam die Oberfläche in der gewünschten Weise verändert.
Dies kann eine gezielte Aufrauung, beispielsweise zur Vorbereitung für eine Beschichtung sein, eine Beseitigung von stark anhaftendem Schmutz oder Belag oder die Entfernung eines fest und umlaufend mit einer Entgratkontur verbundenen Wurzelgrates. Da dies, wie erwähnt, bislang sinnvoller Weise nicht möglich ist, hat die Erfindung eine große Bedeutung im Fertigungsprozess von Einspritzkomponenten für die Automobilindustrie.
Erfindungsgemäß weist die neue Düse mindestens einen Düsenkanal, vorzugsweise jedoch mindestens zwei Düsenkanäle auf, sich gegenüberliegend, vom bodenseitigen Endbereich der Zuführbohrung unter einem Winkel < = 90° zur Zuführbohrung in Einströmrichtung erstrecken. Dabei ist der Boden der Zuführbohrung teilweise erhaben ausgebildet, wodurch sich der Übergangsbereich zum Düsenkanal verengt.
Durch die Querschnittsverengung wird das Medium so gerührt, dass eine Kavitation innerhalb des Düsenkanals und Erosionsverschleiß am Austritt des Düsenkanals weitgehend vermieden wird. Dadurch wird erreicht, dass der austretende Flüssigkeitsstrahl seine Form und Richtung stabil beibehält. Wie sich überraschend gezeigt hat, erhöht sich die Standzeit einer solchen Düse in signifikanter Weise, so dass sie gegenüber dem Stand der Technik einen bemerkenswerten Fortschritt darstellt.
Die erhabene Ausbildung des Bodens der Zuführbohrung kann mannigfaltig ausgebildet sein. Die Erhebung ist zentrisch ausgebildet.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:

Figuren 1 und 2: jeweils eine erfindungsgemäße Düse in unterschiedlichen Bearbei- tungsfällen, in einer geschnittenen Seitenansicht
Figur 3: verschiedene Ausführungsbeispiele der Düse, gleichfalls in ge- schnittenen Seitenansichten
Figur 4: eine Düse in einer weiteren Funktionsstellung in einer geschnitte- nen Seitenansicht
Figuren 5 und 6: eine montierte Düse, jeweils in einem Längsschnitt

In den Figuren ist eine insgesamt mit den Bezugszeichen 3 versehene Düse dargestellt, mit der ein Innenraum 1, 2 eines Werkstücks bearbeitet werden kann.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Düse 3 weist zwei sich gegenüberliegende Düsenkanäle 4 auf, aus denen ein über die zentrische Zuführbohrung 5 geführtes, unter hohem Druck stehendes fluides Medium austritt.
Die Düsenkanäle 4 erstrecken sich dabei, ausgehend vom bodenseitigen Endbereich der als Sackloch ausgebildeten Zuführbohrung 5 unter einem Winkel < = 90° zur Zuführbohrung 5 in Einströmrichtung 14.
Der Boden der Zuführbohrung 5 weist eine Erhebung auf, die bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Beispiel mit den Bezugszeichen 6 versehen ist. Diese Erhebung 6, die bei den in der Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sphärisch 20, glockenförmig 21, kegelförmig 22, kegelstumpfförmig 23 und zylinderförmig 24 ausgebildet ist, verengt den Übergangsbereich zu den Düsenkanälen 4.
In der Figur 1 mündet der Innenraum 1 in den Innenraum 2, wobei sich bei der Fertigung im Bereich der gemeinsamen Kante 10, 11 ein Wurzelgrat herausbildet, der durch den aus den Düsenkanälen 4 austretenden Flüssigkeitsstrahl beseitig wird.
Dabei setzt eine nicht dargestellte Pumpe das flüssige Medium, üblicherweise Wasser oder eine Emulsion, unter einen Druck von 400 bis 4000 bar, vorzugsweise 1500 bis 2500 bar. Eine Entspannung des Drucks erfolgt in den Düsenkanälen 4 unter Umwandlung der potentiellen in kinetische Energie. Der Flüssigkeitsstrahl trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Kanten 10, 11 bzw. den dort vorhandenen Wurzelgrat und trägt diesen ab, bis die gewünschte Kantenform erzielt ist.
Durch die spitzwinklige Strömungsführung in Verbindung mit der Verengung des Übergangsbereichs zu den Düsenkanälen wird erreicht, dass sich Verschleißzonen 19 innerhalb der Düsenkanäle und am Kanalaustritt nicht oder nur sehr langsam ausbilden. Der Winkel α ₁, und α ₂, unter dem die Düsenkanäle 4 verlaufen, ist in den Figuren 1 und 2 mit den Bezugszeichen 7 und 8 versehen.
In der Figur 2 ist der Einsatz der Düse zur Oberflächenbearbeitung des Innenraumes 1 gezeigt.
Die Anordnung bzw. Erstreckung der Düsenkanäle 4 entspricht der in der Figur 1 gezeigten.
Durch die spitzen Kanalwinkel 7, 8 wird neben der Unterdrückung des Verschleißes in den Zonen 19 eine günstige Rückströmung 13 des abfließenden Fluids erzielt.
Dabei bildet sich kein Puffer zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der zu bearbeitenden Oberfläche 12 des Innenraumes 1, so dass Rückstände sicher ausgespült werden.
Die Form und genaue Lage der Ausführungsvarianten der Erhebungen 6 und 20 bis 24 sind abhängig von den Parametern Mediumdruck, Volumenstrom, Durchmesser der Zuführbohrung 5 und der Anzahl und den Durchmessern der Düsekanäle 4.
In der Figur 4 ist der Übergang von dem im Querschnitt kleineren Innenraum 1 in den im Querschnitt größeren Innenraum 2 dargestellt. Optimale Ergebnisse in Hinsicht auf die Qualität und Bearbeitungszeit bei der Bearbeitung der Kante 11 zum Entfernen eines Wurzelgrates werden erzielt, wenn der Flüssigkeitsstrahl die Düsenkanäle 4 unter einem Winkel α verlässt, der einem halben Winkel β (Bezugszeichen 18) entspricht. Verändert sich die Kante 11 über die Länge, so sollte der optimale Winkel α dem arithmetischen Mittelwert aus dem maximalen und minimalen Kantenwinkel β 18 entsprechen.
In den Figuren 5 und 6 ist erkennbar, dass die Düse 3 als Lanzendüse ausgebildet ist, die auf ihrer den Düsenkanälen 4 abgewandten Seite ein Bündchen 25 aufweist, das in einer Lageröffnung 17 eines Düsenhalters 15 einliegt.
Das Bündchen 25 liegt mit seiner Unterseite auf einer Dichtung 16 auf, die am Grund der Lageröffnung 17 positioniert ist.
Baut sich ein hydraulischer Druck auf, wirkt dieser auf das Bündchen 25 und die Dichtung 16. Dadurch wird selbsttätig eine Dichtungspressung erzielt, die dem Verhältnis aus der Kreisfläche des Bündchens 25 zur Ringfläche der Dichtung 16, multipliziert mit dem aufgebrachten Druck entspricht.
Die Düse 3 wird somit nicht durch eine extern aufgebrachte Vorspannkraft vorgespannt, was für die Ausrichtung der Düse 3 und damit für die Genauigkeit des Verfahrens ungünstig sein könnte.
Da die Düse 3 entgegen der Einströmrichtung 14 axial bewegbar ist, besteht für die Düse 3 im drucklosen Zustand ein Kollisionsschutz, sollte die Düse beim Einfahren auf ein Hindernis stoßen oder falsch positioniert sein.
Wie die Figur 6 verdeutlicht, kann die Düse 3 durch einen Drehantrieb in eine Rotationsbewegung versetzt und mit Drehzahlen im Bereich von 50 bis 3000 min^-1, vorzugsweise 200 bis 1500 min^-1 betrieben werden, je nach Aufgabenstellung und dem zu bearbeitenden Material. Durch einen Roboter kann die Düse 3 eine Schwenkbewegung um die Längsachse und/oder oszillierende Hubbewegung ausführen.
Bei sich kreuzenden Innenräumen 1, 2 und bei sich schneidenden Kanten 10, 11 wird die Düse 3 zum Entgraten in den jeweils kleineren Innenraum 1 eingeführt, dessen kleinster Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 mm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10 mm liegt.

Bezugszeichenliste

1: Innenraum
2: Innenraum
3: Düse
4: Düsenkanal
5: Zuführbohrung
6: Erhebung
7: Kanalwinkel
8: Kanalwinkel
9: Übergangsbereich
10: Kante
11: Kante
12: Innenraum
13: Rückströmung
14: Einströmrichtung
15: Düsenhalter
16: Dichtung
17: Lageröffnung
18: Winkel 18
19: Verschleißzone
20: sphärische Erhebung
21: glockenförmige Erhebung
22: kegelförmige Erhebung
23: kegelstumpfförmige Erhebung
24: zylinderförmige Erhebung
25: Bündchen

Claims

Düse zur Bearbeitung eines insbesondere mechanisch bearbeiteten Innenraumes (1, 2) eines Werkstücks mittels eines aus mindestens einem Düsenkanal (4) austretenden, unter hohem Druck stehenden fluiden Mediums als Flüssigkeitsstrahl, wobei der Düsenkanal (4) von einer im Sinne eines Sacklochs ausgebildeten zentrischen Zuführbohrung (5) abzweigt, dadurch gekennzeichent, dass sich der Düsenkanal (4), ausgehend vom bodenseitigen Endbereich der zentrischen Zuführbohrung (5) unter einem Winkel ≤ 90° zur Zuführbohrung (5) in Einströmrichtung eistreckt, wobei der Boden der Zuführbohrung mit einer zentrisch angeordneten Erhebung (6) versehen ist und dabei den Übergangsbereich zum Düsenkanal (4) verengt.
Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (6) sphärisch (20), glockenförmig (21), kegelförmig (22), kegelstumpfförmig (23) oder zylinderförmig (24) ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Düsenkanäle (4) sich gegenüberliegend vorgesehen sind.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse als Düsenlanze ausgebildet ist, die in einem Düsenhalter (15) gelagert ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse an ihrem dem Düsenkanal (4) abgewandten Ende ein Bündchen (25) aufweist, das in einer Lageröffnung (17) des Düsenhalters (15) einliegt.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bündchen (25) und dem Grund der Lageröffnung (17) eine Dichtung (16) angeordnet ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) in dem Düsenhalter (15) axial bewegbar gelagert ist.
Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) gemeinsam mit dem Düsenhalter (15) drehbar, um ihre Längsachse schwenkbar und/oder in axialer Richtung oszillierend bewegbar ist.
Verfahren zur Bearbeitung eines insbesondere mechanisch bearbeiteten Innenraumes eines Werkstücks mittels einer Düse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) in den zu bearbeitenden Innenraum (1, 2) geführt und die zu bearbeitende Stelle direkt mit dem austretenden fluiden Medium beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Kante (10, 11) zwischen zwei Innenräumen (1, 2) gebildete Grat direkt mit dem aus dem Düsenkanal (4) austretenden fluiden Medium beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Innenraumes (1, 2) direkt mit dem aus dem Düsenkanal (4) austretenden fluiden Medium beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei Beaufschlagung des an der Kante (10, 11) gebildeten Grates das fluide Medium unter einem Winkel auf den Grat auftrifft, der der im Radialschnitt winkelhalbierenden der gebildeten Kante (10, 11) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem räumlich veränderten Winkel der Kante (10, 11) die Richtung des fluiden Mediums dem Mittelwert der im Radialschnitt maximalen und minimalen Winkel der winkelhalbierenden der Kante (10, 11) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) in Funktionsstellung durch den hydraulischen Druck selbsttätig auf eine Dichtung (16) in einem Düsenhalter (15) gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zugeführten fluiden Mediums 400 bis 4000 bar, vorzugsweise 1500 bis 2500 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (3) mit einer Drehzahl von 50 bis 3000 min^-1, vorzugsweise 200 bis 1500 min^-1 rotiert.