EP3448590A1 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen von werkstücken aus metall - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum reinigen von werkstücken aus metall

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EP3448590A1
EP3448590A1 EP17720474.0A EP17720474A EP3448590A1 EP 3448590 A1 EP3448590 A1 EP 3448590A1 EP 17720474 A EP17720474 A EP 17720474A EP 3448590 A1 EP3448590 A1 EP 3448590A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
cleaning
steam
nozzle
nozzles
Prior art date
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EP17720474.0A
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EP3448590B1 (de
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Antonio Alvarez
Dietmar Sonntag
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Elwema Automotive GmbH
Original Assignee
Elwema Automotive GmbH
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Publication of EP3448590B1 publication Critical patent/EP3448590B1/de
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    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/02—Cleaning by the force of jets or sprays
    • B08B3/024—Cleaning by means of spray elements moving over the surface to be cleaned
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    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B08B3/14—Removing waste, e.g. labels, from cleaning liquid; Regenerating cleaning liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B11/00—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive
    • F26B11/02—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive in moving drums or other mainly-closed receptacles
    • F26B11/04—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive in moving drums or other mainly-closed receptacles rotating about a horizontal or slightly-inclined axis
    • F26B11/049—Machines or apparatus for drying solid materials or objects with movement which is non-progressive in moving drums or other mainly-closed receptacles rotating about a horizontal or slightly-inclined axis with provisions for working under increased or reduced pressure, with or without heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B5/00—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat
    • F26B5/04—Drying solid materials or objects by processes not involving the application of heat by evaporation or sublimation of moisture under reduced pressure, e.g. in a vacuum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B2230/00—Other cleaning aspects applicable to all B08B range
    • B08B2230/01—Cleaning with steam

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for cleaning workpieces made of metal by means of a jet of water vapor and / or hot water.
  • Cooling lubricant has Runaway sets ⁇ in which only small amounts, for example ⁇ 100 (minimum dermengenkühlschmtechnik, MQL) or even ⁇ 20 ml / hour (minimum quantity lubrication, MMS), are applied. This has inter alia the advantage that only very small Men ⁇ gene occurring at liquid waste and that the chips produced are not contaminated and the Wiederverwen ⁇ manure can be supplied easily.
  • impurities such as residues of the cooling lubricant
  • Numerous methods are known for this, which use aqueous or non-aqueous solvents, and more recently aqueous solvents are preferred because they cause less cost and environmental problems.
  • the workpieces are immersed in the solvent ⁇ and / or treated with a jet of the solvent. This not only removes residual lubricant and chips but also interfering burrs.
  • DE 44 10 550 Cl describes a method for drying of workpieces, which have a cleaning and rinsing process underzo ⁇ gene, described in a pressure-tight chamber, the parts are heated in the chamber by first overpressure initiated ended steam, the parts are first rinsed by the formed condensation water. Then, if necessary, the pressure is reduced below atmospheric pressure, then evaporate the condensation residues on the surface of the parts, which can then be removed from the chamber dry.
  • the parts are subject to strong temperature fluctuations, for example from over 100 ° C to near 0 ° C.
  • the invention has as its object to provide a method suits ⁇ ben, can be cleaned with the work pieces of metal, especially after machining ⁇ processing under minimal lubrication and optionally dried, wherein the temperature of the workpiece remains in a frame Bear ⁇ a further processing or installation without prior tempering ⁇ light. Another object is to provide a device with which this method can be carried out.
  • the hot water preferably has a temperature of 70 to 95 ° C before passing through the nozzle. Steam is used, then this has before passing through the nozzle preferably has a pressure of 0.2 to 1 MPa, particularly preferably 0.2 to 0.4 MPa, insbeson ⁇ particular 0.3 MPa (absolute) and a temperature between 120 and 200 ° C, more preferably 135 to 160 ° C, especially 140 ° C.
  • water vapor in particular hot steam (unsaturated steam or dry steam) or saturated steam
  • water is used without additives for steam generation.
  • an electrode-steam generator for steam generation.
  • demineralized water it is preferably not use demineralized water, but water having a sufficient conductivity, used in particular with mineral content, for example line ⁇ or well water.
  • the water can be circulated in particular in the circulation.
  • ⁇ tend in this context means that the point of impact, ie the point at which the jet of steam or hot water impinges on the surface of the workpiece and impurities are absorbed by the surface in the water or condensed water
  • This scanning path may be contiguous from one end to the other or may consist of several sections, if there are several jets for generating the jet, several may be the other Nozzle associated scan paths may be present or it can also single or all nozzles only in each case contribute a section to a scan path. In the simplest case, so many nozzles can be arranged around the workpiece that overlap the corresponding sampling and can be cleaned and dried by a simple linear movement, the entire surface of the workpiece.
  • the reduced pressure in the closed vessel is preferably completely 850-20 hPa, more preferably Zvi ⁇ rule 100 and 300 hPa absolute.
  • the inventive method can be performed such that the at ⁇ on the workpiece surface back remaining traces of water completely evaporated, which means that drying of the workpiece surface in the same Ar beits Colour ⁇ as the cleaning is carried out. Since the workpiece is because ⁇ after dry and tempered, it may be further processed or assembled immediately.
  • the scanning of the surface of the workpiece is performed so that the scanning moves on a screw ⁇ shaped path, which results by superimposing a circular motion and a linear movement.
  • the transport of contaminants takes place continuously in a direction opposite to that of the linear movement towards the end of the workpiece.
  • one nozzle is sufficient.
  • the linear movement can be continuous. However, it can also be executed step by step, for example, after one or more complete circular movements.
  • the scanning can be done advantageously by the workpiece, the nozzle or both parts are moved.
  • the circular Be ⁇ movement can for example be effected in a simple manner by the workpiece is rotated about an axis which coincides with the directional axis of the linear movement. But it is also possible only the nozzle on a closed path around the Move workpiece. It may be appropriate to return the nozzle after completion of a circular path back to the starting point to facilitate the supply of the nozzle with steam or hot water. During the return, the linear movement can be stopped.
  • multiple nozzles are provided which are arranged in the direction of the linear movement and / or in a plane around the workpiece around, preferably with each moving ⁇ chen angular intervals.
  • the nozzles do not describe complete circular movements but only circular arcs whose length may correspond, for example, to the angular spacing or a multiple thereof. After moving over such a circular arc, they are returned, resulting in an oscillating motion. This makes it easier to supply the nozzles with steam or hot water.
  • the workpiece about an axis can be oscillated ⁇ the. This axis is preferably the direction of Linearbewe ⁇ supply.
  • additional nozzles can for CompliCat ⁇ more refined workpieces with blind holes, undercuts and the like to be able to clean the entire surface, will be mounted in de ⁇ NEN the jet of steam or hot water perpendicular to the linear movement or at an angle of for example 45 ° to 90 ° , preferably 75 to 90 °, that is directed obliquely upwards.
  • one or more nozzles are located on an example cross-shaped or disc-shaped nozzle carrier, which is further preferably rotatable.
  • the directions of the one or more nozzles can thereby surface to be treated constitute 0 to 15 ° with a line perpendicular to an angle of 0 to 45 °, preferably, ie perpendicularly or obliquely to said surface to be directed out ⁇ .
  • rotation of the nozzle carrier so possibly changes the direction of inclination.
  • nozzles of different directions in the named boundaries can also be arranged on a nozzle carrier. This further improves the cleaning effect on complex components (with fissured surfaces).
  • the invention is particularly suitable for machined metal workpieces.
  • the rotational speed of a rotating nozzle carrier is preferably above 750 min -1 , more preferably between 1250 and 1750 min -1 , in particular at 1500 min -1 .
  • a certain area can be left free around the axis of rotation.
  • This area can be provided with a rotor blade structure, possibly with openings to the rear, and then generates a suction effect away from the workpiece as a result of the rotation, whereby the removal of condensate and water vapor as well as the drying are promoted.
  • the running down from the workpiece water as well as the running down to the inner wall of the container splashing water collects at the bottom of the container in a sump and can be there sucked off or drained.
  • the inventive method can be supplemented by optionally drying applied prior to introducing the workpiece into the closed vessel for cleaning and on the surface of an aqueous solution of a cleaning agent is sprayed be ⁇ vorzugt, as for example in the Annexes Gigen patent application DE 10 2014 101 123 AI is described.
  • a cleaner concentrate with egg ⁇ nem content is applied from at least 0.5 weight percent of a ceremoniioni ⁇ rule or anionic surfactant to the workpiece.
  • the nonionic surfactant may be an alkoxylate of a fatty alcohol having 6 to 22 carbon atoms in the alkyl radical.
  • the anionic surfactant may be a sulfate, sulfonate or a carboxylic acid having an aliphatic, aromatic or aliphatic-aromatic hydrocarbon radical.
  • Application of the cleaning solution may also be by temporary immersion in a bath.
  • the process is preferably carried out so that the tempera ture ⁇ of the workpiece after completion of the cleaning and optionally drying by no more than 2 K of the temperature upstream of the Cleaning deviates. But it is of course also possible to carry out the process so that there is a predetermined temperature change.
  • the invention also includes an apparatus for carrying out the method described above, comprising
  • a treatment chamber with an opening which allows the passage of the workpiece to be cleaned and which can be closed pressure-tight,
  • nozzle arrangement with one or more nozzles each, wherein holder and nozzle arrangement (s) can be moved relative to one another,
  • a device connected to the interior of the treatment chamber for generating a negative pressure
  • - means for adjusting the temperature of the hot water or water vapor and / or for adjusting the mass flow flowing through the nozzles.
  • These means for adjusting the mass flow can for example so ⁇ well adjust the pressure of the water or steam or the flow resistance of the lines and nozzles or both.
  • the flow resistance can be adjusted for example by means of throttle valves, variable orifices or the like.
  • the device of the invention preferably comprises a SI ⁇ nozzle arrangement in which a plurality of nozzles on at least one surrounding the workpiece closed curve are disposed.
  • This closed curve can be, for example, a circle in a plane or else a zigzag-shaped closed line.
  • the at least one nozzle assembly of the device according to the invention may comprise at least one nozzle which is parallel to its own axis
  • nozzles and / or spaced axis can rotate.
  • several nozzles can be mounted on a rotating head.
  • the scanning path generated by such a nozzle arrangement is then formed by superposition of a circular movement and the linear movement of the workpiece and / or the nozzle arrangement.
  • the nozzle can also at an angle of for example 0 to 45 °, be ⁇ vorzugt 0 to 15 ° to be aligned with the axis of rotation.
  • the nozzles are mounted on a multi-arm nozzle carrier so that a central area around the axis of rotation remains free of nozzles.
  • the nozzle ⁇ carrier may be provided with a rotor blade structure, possibly with openings to the rear side, so that a suction effect from the nozzle side is formed in the rotation to the rear.
  • the holder for the workpiece is also used as a closure for the opening of the treatment chamber. This can be easily realized if the holder is movable into and out of the treatment chamber.
  • the apparatus further comprises means for measuring the surface temperature of the workpiece at at least one particular location. In order to avoid a disturbance of the cleaning and possibly drying process, means for non-contact measurement are preferred. These may, for example, be infrared thermometers in which the region of the workpiece to be measured is imaged by infrared optics on a suitable detector, wherein these measuring elements can still be adjusted to the emission properties of the workpiece surface.
  • the device according to the invention preferably comprises a control device which regulates either the steam or hot water flow or the negative pressure or both automatically on the basis of the measured surface temperature and its deviation from a set desired value.
  • the inner wall of the container by spraying the cleaning ⁇ supply water, containing the removed impurities can also be contaminated, it is advantageous repellent with a dirt and hydrogen, for example polyvinyl lytetrafluorethylen or silicone resin in the coated.
  • the inventive method can be incorporated into automatic producti ⁇ onsabund, which may take place between machining or forming and assembly. Since it allows cleaning and drying in one operation, the entire process is simplified. In particular, it is suitable for the automated cleaning and optionally drying of components in the automobile industry, in particular components of internal combustion engines, for example engine blocks, cylinder heads, crankshaft housings, gearboxes and the like.
  • the method according to the invention can be easily inserted into the cycle of corresponding production lines.
  • the usual cycle time of the process in the Ferti ⁇ supply of cylinder heads or engine blocks for passenger car engines to three approximately equal parts to the actual cleaning and drying, ventilation, and opening the vacuum chamber and the change of the workpiece by closing the Chamber and producing the negative pressure is divided in ⁇ play each about 10 s at a cycle time of about 30 s IMP EXP ⁇ together.
  • the method is suitable for workpieces made of a large number of materials, such as iron, cast iron, steel, brass, bronze, zinc and its alloys. In particular, it is above ⁇ geous for materials made of light metals, which typically have higher thermal expansion coefficients. Examples are aluminum, aluminum alloys with silicon, magnesium, copper, in particular aluminum casting alloys, magnesium, magnesium alloys, titanium and its alloys.
  • the amount is greatly reduced in Verun ⁇ nahem waste water over the prior art, which results in cost reduction.
  • the energy consumption in the method according to the invention can be kept comparable or even lower than in the conventional cleaning with compressed air.
  • the surface is completely freed of moisture, lubricant residues and other impurities, which is not possible with compressed air.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a device according to the invention according to a first embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the workpiece with the marked scanning path of the device according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a device according to the invention according to a second embodiment.
  • Figure 4 shows a schematic side view of the workpiece with drawn scanning paths of the device of Figure 3;
  • Figure 5 shows an alternative embodiment with recycling of the cleaning liquid as a simplified flow pattern.
  • FIG. 1 shows a device for carrying out the method according to the invention, a schematic longitudinal section.
  • the device comprises a container 1 which is open at the top and can be closed in a vacuum-tight manner by a cover 2 with the participation of a seal 3.
  • the container 1 continues downwards via a connecting tube 13 to a sump container 10.
  • a workpiece 4 to be cleaned is housed and held by a holder.
  • this holder and the necessary for the execution of the linear and rotary movement of the workpiece 4 necessary implementation by the container edge is not shown here, but can be easily supplemented by the expert.
  • This holder with the workpiece 4 can perform a rotation described by the closed arrow 7 about an axis 5 and at the same time a linear movement in the direction of the arrow 6, which is located here in the axis 5.
  • the axis of rotation 5 of the workpiece is vertically aligned here.
  • a sump 11 can form during operation of the device due to running off, optionally contaminated water, which can be drained or sucked off via a sump valve 12.
  • a negative pressure can be generated when the pump 20 sucks air from the interior of the container 1 via the vacuum line 21.
  • the vacuum line 21 may be connected to the sump container 10 or directly to the container 1.
  • a nozzle 27 is installed, which is connected via a line 26 with a generating unit for steam o- hot water. This unit is controllable with regard to the pressure and the temperature of the steam or hot water. As a result, the mass flow of the respective medium can be controlled.
  • the nozzle 27 forms with the vertical or the axis 5 of the workpiece an obtuse angle in the ⁇ sem case, for example, about 110 °.
  • the jet 28 of the medium strikes the surface of the workpiece 4 at an impact point at almost the same angle.
  • an infrared temperature sensor 31 is further installed, in which the measuring point 36 is imaged on the surface of the workpiece 4 on ei ⁇ nem detector by an infrared optics, which outputs a surface temperature of the corresponding temperature signal via a measuring line 32 ,
  • a negative pressure sensor 30 which emits a the negative pressure in the container 1 corresponding signal via a measurement line 33rd
  • a control unit 35 receives signals via the measuring lines 32 and 33 and controls via the control lines 40 and 41 the mass flow of the respective medium emitted by the generation of a 25 such that the temperature measured via the measuring line 32 from the tempera ⁇ tursensor 31 assumes a predetermined setpoint.
  • the container 1 For cleaning and drying a workpiece 4, the container 1 is first opened by removing the lid 2 and the workpiece 4 is brought into the working position, where it is rotatably and slidably held by the holder (not shown). It is initially in the dashed dargestell ⁇ th lower starting position. The container 1 is airtight 29los ⁇ by placing the lid 2 using the seal 3 sen. Now, via the controller unit 35, the generating unit 25 and the vacuum pump 20 is turned on and the linear and rotary movement of the workpiece 4 initiated. In this case, first the face of the workpiece 4 and then the side surface of the steam or hot water jet 28 is cleaned.
  • mass flow and negative pressure are controlled by the controller unit 35 of the first preset initial values so that the voreinge ⁇ set target temperature obtained at the measuring point 36th
  • impurities on the surface of the workpiece 4 are partially mechanically removed by the transmitted pulse of the jet of steam as well as by dispersion in the water formed by condensation from the surface and carried along by the water.
  • a hot water jet is similar. This water runs partly on the surface of the workpiece 4 and down, sometimes it is splashed and reaches the inner wall of the container 1, where it can also run down. Finally, a portion of the water also wets on the surface and evaporates, removing heat from the surface.
  • the ablau ⁇ Fende water passes through the connection 13 in the Sumpfbenzol ⁇ ter 10 and forms the bottom 11, which is discharged through the valve 12, for example while the container 1 for changing the workpieces geöff ⁇ net, or also continuously, for example can be pumped, ,
  • FIG. 2 illustrates the course of the cleaning according to the exemplary embodiment of the invention shown in FIG.
  • FIG. 3 shows schematically a second embodiment of the device according to the invention in cross section with only the changed components are shown.
  • ⁇ form four nozzles 68 are arranged in a plane on the circumference of the container 1 at the same angular distance from each other. These act simultaneously on the surface of the workpiece 4.
  • FIG. 4 illustrates the course of the four scanning paths 60 generated by the nozzles 68 of the embodiment shown in FIG. 3 on the surface of the workpiece 4.
  • the workpiece 4 is linearly moved by the stroke at one revolution. Again, the landing sites 61 of the adjacent scan paths 60 overlap and the extent of the overlap can be adjusted by adjusting the stroke as needed.
  • a cylinder head for a passenger car engine was treated according to the invention.
  • a commercially available adhesive sheet was placed on a smooth ge ⁇ cleaned and dried surface and adhered over the entire surface and fixed thereto.
  • the adhesive sheet could not be attached to the same smooth finish.
  • the vacuum pump 20 with a condensation unit 73 connected ver ⁇ whose return likewise opens in the oil separator 74th From a clean tank 75 in the second filter and separator stage 72 is fed via a water pump 76 in a supply line 77 of the steam generator 25.
  • the injection of steam is ensured with high dynamic jet pressure.
  • the circulation according to FIG. 5 additionally utilizes residual heat of the recovered cleaning liquid, so that an additional energy saving is realized. Fresh water is supplied only as needed due to the losses in the second filter and separator stage 72.
  • FIG. 5 also schematically illustrates a holder 78 for the workpiece 4 that is automatically movable into and out of the treatment chamber on two axes H, V.
  • the holder 78 at the same time forms a pressure-resistant closure for the opening of the treatment chamber 1 in the working position.

Abstract

Bei herkömmlichen Verfahren zur Reinigung der Oberfläche von Werkstücken (4) mittels Dampf oder Heißwasser in der automatischen Fertigung kann die Temperatur von Werkstücken (4) so verändert werden, dass die Abmessungen aufgrund der thermischen Ausdehnung die Toleranzen überschreiten und die nachfolgende Montage oder Bearbeitung erst nach einem Temperierschritt möglich ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Reinigung einen Strahl (28) von Dampf oder Heißwasser abtastend über die Oberfläche des Werkstücks (4) zu bewegen und dieses Verfahren unter vermindertem Druck auszuführen, so dass die auf der Oberfläche vorhandenen Reste kondensierten Dampfs oder Wassers mindestens teilweise verdampfen und dabei dem Werkstück (4) die durch den Dampf oder das Heißwasser zugeführte Wärme wieder entziehen. Bevorzugt wird dabei gleichzeitig die gereinigte Oberfläche getrocknet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Werkstücken aus
Metall
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Werkstücken aus Metall mittels eines Strahls aus Wasserdampf- und/oder Heißwasser.
STAND DER TECHNIK
Werkstücke aus Metall werden in der Massenproduktion häufig auf automatischen Fertigungsstraßen bearbeitet und fertiggestellt. Besonders in der Automobilindustrie spielen solche Verfahren eine große Rolle. Dabei werden häufig spanende Bear¬ beitungsverfahren angewendet, in denen Schmiermittel einge¬ setzt werden sowie Späne und Grate entstehen. In der letzten Zeit hat sich die so genannte Minimalmengenschmierung durchge¬ setzt, bei der nur geringe Mengen, beispielsweise < 100 (Min- dermengenkühlschmierung, MMKS) oder gar < 20 ml/h (Minimalmengenschmierung, MMS) , des Kühlschmiermittels angewendet werden. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass nur sehr geringe Men¬ gen an flüssigen Abfällen auftreten und dass die anfallenden Späne nicht verunreinigt werden und leicht der Wiederverwen¬ dung zugeführt werden können. Bevor solche Werkstücke weiter bearbeitet oder in Baugruppen montiert werden, müssen Verunreinigungen, etwa durch Reste des Kühlschmiermittels, entfernt werden. Hierzu sind zahlreiche Verfahren bekannt, die wässrige oder nicht wässrige Lösemittel anwenden, wobei neuerdings wässrige Lösungsmittel bevorzugt werden, da sie weniger Kosten und Umweltprobleme verursachen.
Üblicherweise werden die Werkstücke in die Lösemittel einge¬ taucht und/oder mit einem Strahl des Lösemittels behandelt. Dabei werden nicht nur Schmiermittelreste und Späne sondern auch störende Grate entfernt. In der DE 44 10 550 Cl wird ein Verfahren zum Trocknen von Werkstücken, welche einem Reinigungs- und Spülvorgang unterzo¬ gen wurden, in einer druckdichten Kammer beschrieben, wobei die Teile in der Kammer zunächst durch mit Überdruck eingelei- teten Wasserdampf erwärmt werden, wobei die Teile durch das gebildete Kondenswasser zunächst gespült werden. Wird danach der Druck gegebenenfalls unter Atmosphärendruck vermindert, dann verdampfen die Kondenswasserreste auf der Oberfläche der Teile, die dann der Kammer trocken entnommen werden können. Dabei unterliegen die Teile starken Temperaturschwankungen, beispielsweise von über 100 °C bis nahe 0 °C.
In industriellen Reinigungsprozessen ist die Anwendung von Unterdruck zum Zwecke der Trocknung von gereinigten Werkstücken beim sog. „Vakuumtrocknen" bekannt. Die Trocknung erfolgt hierbei im Anschluss an die eigentliche Reinigung in einem se¬ paraten Arbeitsschritt.
DE 10 2007 027 944 AI offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum Reinigen von Gegenständen, die mit Öl-oder fetthaltigen Bearbeitungsrückständen verunreinigt sind, mit Hilfe eines Hochdruck-DampfStrahls in einer geschlossenen Behand¬ lungskammer unter einem Druck, der niedriger als der Atmosphärendruck ist, wobei in den Hochdruck-Dampfstrahl Reinigungsoder Abrasivmittel eingeführt werden. Auch bei diesem Verfahren unterliegt das Werkstück starken Temperaturschwankungen. Es hat sich gezeigt, dass es nachteilig ist, wenn die Teile nach dem Reinigen und gegebenenfalls Trocknen eine wesentlich andere Temperatur als die Umgebung, in der die weitere Bearbeitung bzw. Montage stattfinden soll, haben. Beispielsweise wird ein Werkstück aus Aluminium (linearer thermischer Ausdeh- nungskoeffizient 23 * 10~6) mit einem Durchmesser von 100 mm bei einer Erwärmung um 10 K um 23 ym größer. Soll es in eine entsprechend große Bohrung eingebaut werden, dann verändert sich durch Temperaturausgleich der Charakter der Passung. Bei einer weiteren Bearbeitung besteht andererseits die Gefahr, dass zu viel Material entfernt wird. Das Werkstück muss also vor der Montage temperiert werden, was bei größeren Objekten einen merklichen Zeitaufwand erfordert.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzuge¬ ben, mit dem Werkstücke aus Metall, insbesondere nach spanen¬ der Bearbeitung unter Minimalmengenschmierung, gereinigt und gegebenenfalls getrocknet werden können, wobei die Temperatur des Werkstücks in einem Rahmen bleibt, der eine weitere Bear¬ beitung oder eine Montage ohne vorherige Temperierung ermög¬ licht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich dieses Verfahren ausführen lässt.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 16.
Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, dass bei der Reinigung mit einem Strahl aus Dampf- und/oder Heißwasser, insbesondere aus Wasserdampf, die vorhandenen Verunreinigungen vom Werkstück abgestreift werden können, wenn ein solcher Strahl abtastend relativ zur Oberfläche des Werkstücks geführt wird, wenn gleichzeitig ein Unterdruck gegenüber dem äußeren Atmosphärendruck eingestellt wird. Durch den Unterdruck wird das auf der Oberfläche verbleibende Wasser verdampft und dabei der bearbeiteten Stelle die durch den Dampf bzw. das Heißwasser zugeführte Wärme zumindest teilweise wieder entzogen, so dass diese Stelle die vor der Bearbeitung herrschende Tempera¬ tur wieder annimmt, bevor die Wärme sich im Werkstück ausbreiten kann. Die Verunreinigungen werden dabei mit dem gegebenenfalls kondensierten Wasser sowohl in der Abtastrichtung über die Oberfläche transportiert und können am Ende der Abtastbahn in einen Sumpf abtropfen, als auch durch Verspritzen von der Oberfläche entfernt. An der Auftreffstelle bleibt nur reines Wasser, gegebenenfalls aus der Kondensation des Dampfs, zu¬ rück, das aufgrund des Unterdrucks rückstandsfrei verdampfen kann .
Das Heißwasser hat vor dem Passieren der Düse bevorzugt eine Temperatur von 70 bis 95 °C. Wird Dampf angewendet, dann hat dieser vor dem Passieren der Düse bevorzugt einen Druck von 0,2 bis 1 MPa, besonders bevorzugt 0,2 bis 0,4 MPa, insbeson¬ dere 0,3 MPa (absolut) und eine Temperatur zwischen 120 und 200 °C, besonders bevorzugt 135 bis 160 °C, insbesondere 140 °C.
Die Verwendung von Wasserdampf, insbesondere von Heißdampf (ungesättigter Dampf bzw. Trockendampf) oder Sattdampf, ist bevorzugt. Vorzugsweise wird zur Dampferzeugung Wasser ohne Zusätze verwendet. Es wird bevorzugt ein Elektroden-Dampferzeuger zur Dampferzeugung eingesetzt. Hierbei wird vorzugsweise kein deminerali- siertes Wasser, sondern Wasser mit ausreichender Leitfähigkeit, insbesondere mit Mineralgehalt verwendet, z.B. Leitungs¬ oder Brunnenwasser. Das Wasser kann dabei insbesondere im Kreislauf zirkuliert werden.
Betreffend die Relativbewegung des Strahls bedeutet „abtas¬ tend" in diesem Zusammenhang, dass die Auftreffstelle, d.h. die Stelle an der der Strahl aus Dampf bzw. Heißwasser auf die Oberfläche des Werkstücks trifft und Verunreinigungen von der Oberfläche im Wasser bzw. Kondenswasser aufgenommen werden, auf einer zusammenhängenden Bahn in der Richtung von einem Ende des Werkstücks zum anderen Ende geführt wird. Diese Abtast¬ bahn kann einen zusammenhängenden Verlauf von einem Ende zum anderen haben oder auch aus mehreren Abschnitten bestehen. Sind mehrere Düsen zur Strahlerzeugung vorhanden, können mehrere den einzelnen Düsen zugeordnete Abtastbahnen vorhanden sein oder es können auch einzelne oder alle Düsen nur jeweils einen Abschnitt zu einer Abtastbahn beitragen. Im einfachsten Fall können so viele Düsen um das Werkstück angeordnet sein, dass sich die entsprechenden Abtaststellen überlappen und durch eine einfache Linearbewegung die gesamte Oberfläche des Werkstücks gereinigt und getrocknet werden kann.
Der verminderte Druck im geschlossenen Behälter liegt bevorzugt zwischen 850 und 20 hPa absolut, besonders bevorzugt zwi¬ schen 100 und 300 hPa absolut.
In bevorzugter Ausführung kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die an der Werkstückoberfläche zu¬ rückgebliebenen Reste von Wasser vollständig verdampft, d.h. dass eine Trocknung der Werkstückoberfläche im gleichen Ar¬ beitsschritt wie die Reinigung erfolgt. Da das Werkstück da¬ nach trocken und temperiert ist, kann es unmittelbar weiter bearbeitet oder montiert werden.
Bevorzugt wird das Abtasten der Oberfläche des Werkstücks so durchgeführt, dass die Abtaststelle sich auf einer schrauben¬ förmigen Bahn bewegt, die sich durch Überlagerung einer Kreisbewegung und einer Linearbewegung ergibt. Hierbei erfolgt der Transport der Verunreinigungen kontinuierlich in einer Richtung, die der der Linearbewegung entgegengesetzt ist, zum Ende des Werkstücks hin. Für eine solche Ausführungsform ist eine Düse ausreichend. Die Linearbewegung kann kontinuierlich sein. Sie kann aber auch schrittweise beispielsweise nach jeweils einer oder mehreren vollständigen Kreisbewegungen ausgeführt werden .
Das Abtasten kann vorteilhaft erfolgen, indem das Werkstück, die Düse oder beide Teile bewegt werden. Die kreisförmige Be¬ wegung kann beispielsweise auf einfache Weise bewirkt werden, indem das Werkstück um eine Achse gedreht wird, die mit der Richtungsachse der Linearbewegung zusammenfällt. Es ist aber auch möglich, nur die Düse auf einer geschlossenen Bahn um das Werkstück zu bewegen. Dabei kann es zweckmäßig sein, die Düse nach Vollendung einer Kreisbahn wieder zum Ausgangspunkt zurückzuführen, um die Versorgung der Düse mit Dampf bzw. Heißwasser zu erleichtern. Während der Rückführung kann die Line- arbewegung angehalten werden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der das Werkstück linear an einer Anordnung mit mindestens einer um eine zu ihrer eigenen Achse parallele Achse rotierenden Düse vorbeige¬ führt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Düsen vorhanden, die in Richtung der Linearbewegung und/oder in einer Ebene um das Werkstück herum, vorzugsweise mit jeweils glei¬ chen Winkelabständen, angeordnet sind. Im letzteren Fall kann es vorteilhaft sein, wenn die Düsen keine vollständigen Kreis- bewegungen sondern nur Kreisbögen beschreiben, deren Länge beispielsweise dem Winkelabstand oder einem Vielfachen davon entsprechen kann. Nach der Bewegung über einen solchen Kreisbogen werden sie zurückgeführt, wodurch sich eine oszillierende Bewegung ergibt. Dadurch wird die Versorgung der Düsen mit Dampf oder Heißwasser erleichtert. Stattdessen oder zusätzlich kann auch das Werkstück um eine Achse oszillierend bewegt wer¬ den. Diese Achse ist bevorzugt die Richtung der Linearbewe¬ gung .
Ferner ist es vorteilhaft, die Bewegung so auszuführen, dass ihre Richtung senkrecht ist, also beispielsweise das Werkstück senkrecht von unten nach oben und/oder die Düsen von oben nach unten zu bewegen. Dabei unterstützt die Schwerkraft den Trans¬ port der Verunreinigungen und des Reinigungswassers zum unte¬ ren Bereich des Behälters und zum Sumpf hin. Dieser Transport wird bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform auch gefördert, wenn die Düsen so zur Werkstück angeordnet sind, dass der Strahl aus Dampf oder Heißwasser mit der Richtung der Linearbewegung einen Winkel zwischen beispielsweise 90 und 135°, bevorzugt zwischen 90 und 105° bil¬ det, das heißt schräg nach unten gerichtet ist. Um bei kompli¬ zierteren Werkstücken mit Sacklöchern, Hinterschneidungen und dergleichen die gesamte Oberfläche reinigen zu können, werden können bevorzugt zusätzliche Düsen angebracht werden, bei de¬ nen der Strahl aus Dampf oder Heißwasser senkrecht zur Linearbewegung oder in einem Winkel von beispielsweise 45 bis 90°, bevorzugt 75 bis 90° d.h. schräg nach oben gerichtet ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befinden sich eine oder mehrere Düsen auf einem beispielsweise kreuz- oder scheibenförmigen Düsenträger, der weiter bevorzugt drehbar eingerichtet ist. Die Strahlrichtungen der einen oder mehreren Düsen können dabei mit einer Senkrechten zur zu behandelnden Oberfläche einen Winkel von 0 bis 45°, bevorzugt 0 bis 15° bilden, d.h. senkrecht oder schräg zu dieser Oberfläche ausge¬ richtet sein. Durch Rotation des Düsenträgeres wechselt so ggf. die Richtung der Schrägstellung. Insbesondere können auf einem Düsenträger auch Düsen von in den genannten Grenzen un- terschiedlicher Richtung angeordnet sein. Hierdurch wird die Reinigungswirkung bei komplexen Bauteilen (mit zerklüfteten Oberflächen) weiter verbessert. Die Erfindung eignet sich insbesondere für spanabhebend bearbeitete Werkstücke aus Metall.
Die Drehzahl eines rotierenden Düsenträgers liegt bevorzugt oberhalb von 750 min-1, besonders bevorzugt zwischen 1250 und 1750 min-1, insbesondere bei 1500 min-1.
Bei der Anordnung der Düsen auf einem Düsenträger kann ein gewisser Bereich um die Rotationsachse freigelassen werden. Dieser Bereich kann mit einer Rotorblattstruktur, ggf. mit Durch- brüchen zur Rückseite, versehen sein und erzeugt dann infolge der Rotation eine Sogwirkung vom Werkstück weg, wodurch der Abtransport von Kondensat und Wasserdampf sowie die Trocknung gefördert werden. Das vom Werkstück nach unten ablaufende Wasser sowie auch das an der Behälterinnenwand nach unten ablaufende Spritzwasser sammelt sich am Boden des Behälters in einem Sumpf und kann dort abgesaugt oder abgelassen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann ergänzt werden, indem vor dem Einbringen des Werkstückes in den geschlossenen Behälter zum Reinigen und gegebenenfalls Trocknen auf dessen Oberfläche eine wässrige Lösung eines Reinigungsmittels aufgetragen, be¬ vorzugt aufgesprüht wird, wie es beispielsweise in der anhän- gigen Patentanmeldung DE 10 2014 101 123 AI beschrieben ist. Hierbei wird auf das Werkstück ein Reinigerkonzentrat mit ei¬ nem Gehalt von mindestens 0,5 Gewichtsprozent eines nichtioni¬ schen oder anionischen Tensids aufgetragen. Das nichtionische Tensid kann ein Alkoxylat eines Fettalkohols mit 6 bis 22 Koh- lenstoffatomen im Alkylrest sein. Das anionische Tensid kann ein Sulfat, Sulfonat oder eine Carbonsäure mit aliphatischen, aromatischen oder aliphatischen-aromatischen Kohlenwasserstoffrest sein. Das Auftragen der Reinigungslösung kann auch durch vorübergehendes Eintauchen in ein Bad erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Oberflächentemperatur des Werkstücks hinter der Auftreffstelle, in deren Bewegungsrichtung gesehen, berührungslos gemessen. Danach werden Unterdruck und Massenstrom des Dampfs oder des Heißwassers so geregelt, dass sich die gewünschte Oberflächen- temperatur, beispielsweise die Temperatur im Werkstück vor der Reinigung oder die bei der weiteren Bearbeitung oder Montage herrschende Temperatur ergibt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Werkstücktemperatur durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und damit die Abmessung des Werkstücks verändert wird.
Bevorzugt wird das Verfahren so ausgeführt, dass die Tempera¬ tur des Werkstücks nach Ende der Reinigung und gegebenenfalls Trocknung um nicht mehr als 2 K von der Temperatur vor der Reinigung abweicht. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, das Verfahren so auszuführen, dass sich eine vorgegebene Temperaturänderung ergibt.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens, umfassend
- eine Behandlungskammer mit einer Öffnung, die den Durchtritt des zu reinigenden Werkstücks ermöglicht und die druckdicht verschließbar ist,
- eine Halterung für das Werkstück, mit der dieses in der Be- handlungskammer gehalten und bewegt werden kann,
- mindestens eine Düsenanordnung mit je einer oder mehreren Düsen, wobei Halterung und Düsenanordnung (en) relativ zueinander bewegt werden können,
- eine mit dem Inneren der Behandlungskammer verbundene Vor- richtung zur Erzeugung eines Unterdrucks,
- eine Baugruppe zur Erzeugung von Heißwasser oder Wasserdampf unter erhöhtem Druck, die mit den Düsen verbunden ist,
- Mittel zur Einstellung der Temperatur des Heißwassers oder Wasserdampfs und/oder zur Einstellung des durch die Düsen fließenden Massestroms.
Diese Mittel zur Einstellung des Massestroms können z.B. so¬ wohl den Druck des Wassers oder Dampfs oder den Strömungswiderstand der Leitungen und Düsen oder auch beides einstellen. Der Strömungswiderstand lässt sich beispielsweise mittels Drosselklappen, veränderlichen Blenden oder dergleichen einstellen .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Dü¬ senanordnung, bei der mehrere Düsen auf mindestens einer das Werkstück umgebenden geschlossenen Kurve angeordnet sind. Die- se geschlossene Kurve kann beispielsweise ein Kreis in einer Ebene oder auch eine zickzackförmige geschlossene Linie sein. Es sind auch geschlossene Kurven möglich, die besonders an die Gestalt des Werkstücks angepasst sind. Dadurch kann das Werk- stück mit einer einfachen Linearbewegung, gegebenenfalls kombiniert mit einer gegebenenfalls oszillierenden Rotation, vollständig gereinigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Düsenano- rdnung der erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens eine Düse umfassen, die um eine zu ihrer eigenen Achse parallele
und/oder beabstandete Achse rotieren kann. Dabei können auch mehrere Düsen auf einem rotierenden Kopf montiert sein. Die von einer solchen Düsenanordnung erzeugte Abtastbahn entsteht dann durch Überlagerung einer Kreisbewegung und der Linearbewegung des Werkstücks und/oder der Düsenanordnung. Die Düsen können auch in einem Winkel von beispielsweise 0 bis 45°, be¬ vorzugt 0 bis 15°, zur Rotationsachse ausgerichtet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen auf einem mehrarmigen Düsenträger so angebracht, dass ein zentraler Bereich um die Rotationsachse frei von Düsen bleibt. Der Düsen¬ träger kann mit einer Rotorblattstruktur, ggf. mit Durchbrüchen zur Rückseite versehen sein, sodass bei der Rotation eine Sogwirkung von der Düsenseite zur Rückseite entsteht. In einer weiteren Ausführungsform wird die Halterung für das Werkstück zugleich als Verschluss für die Öffnung der Behandlungskammer genutzt. Dies lässt sich leicht realisieren, wenn die Halterung in die Behandlungskammer hinein und aus dieser heraus bewegbar ist. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner Mittel, mit denen die Oberflächentemperatur des Werkstücks an mindestens einer bestimmten Stelle gemessen werden kann. Um eine Störung des Rei- nigungs- und gegebenenfalls Trocknungsvorgangs zu vermeiden, werden Mittel zur berührungslosen Messung bevorzugt. Dies kön- nen beispielsweise Infrarot-Thermometer sein, bei denen der zu messende Bereich des Werkstücks durch eine Infrarot-Optik auf einem geeigneten Detektor abgebildet wird, wobei diese Messe- leitung noch auf die Emissionseigenschaften der Werkstückoberfläche eingestellt werden kann.
Wenn die Temperatur der Werkstückoberfläche hinter der Auf¬ treffstelle gemessen werden kann, ist es möglich, den Dampf- bzw. Heißwasserstrom sowie den Unterdruck manuell so zu einzustellen, dass sich die gewünschte Oberflächentemperatur ergibt. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung aber eine Regeleinrichtung, welche entweder den Dampf- bzw. Heißwasserstrom oder den Unterdruck oder beide automatisch aufgrund der gemessenen Oberflächentemperatur und deren Abweichung von einem eingestellten Sollwert regelt.
Da die Innenwand des Behälters durch Verspritzen des Reini¬ gungswassers, welches die entfernten Verunreinigungen enthält, ebenfalls verunreinigt werden kann, ist sie vorteilhaft mit einem Schmutz und Wasser abweisenden Stoff, beispielsweise Po- lytetrafluorethylen oder Silikonharz im, beschichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in automatische Produkti¬ onsabläufe eingegliedert werden, wobei es zwischen spanende Bearbeitung oder Umformung und Montage stattfinden kann. Da es Reinigung und Trocknung in einem Arbeitsgang ermöglicht, wird der gesamte Ablauf vereinfacht. Insbesondere eignet es sich für die automatisierte Reinigung und gegebenenfalls Trocknung von Bauteilen in der Autoindustrie, insbesondere Komponenten von Verbrennungsmotoren, beispielsweise Motorblöcke, Zylinder- köpfe, Kurbelwellengehäuse, Getriebegehäuse und dergleichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich problemlos in den Takt von entsprechenden Fertigungslinien einfügen. Beispielsweise kann die übliche Taktzeit des Verfahrens bei der Ferti¬ gung von Zylinderköpfen oder Motorblöcken für Pkw-Motoren zu drei etwa gleichen Teilen auf den eigentlichen Reinigungs- und Trocknungsvorgang, die Belüftung und Öffnung der Unterdruckkammer sowie den Wechsel des Werkstücks mit Verschließen der Kammer und Herstellen des Unterdrucks aufgeteilt werden, bei¬ spielsweise je ca. 10 s bei einer Taktzeit von ca. 30 s insge¬ samt. Das Verfahren eignet sich für Werkstücke aus einer Viel¬ zahl von Werkstoffen, wie Eisen, Grauguss, Stahl, Messing, Bronze, Zink und seine Legierungen. Insbesondere ist es vor¬ teilhaft für Werkstoffe aus Leichtmetallen, die typischerweise höhere thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Beispiele sind Aluminium, Aluminiumlegierungen mit Silizium, Magnesium, Kupfer, insbesondere Aluminiumgusslegierungen, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Titan und seine Legierungen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Menge an verun¬ reinigtem Abwasser gegenüber dem Stand der Technik stark vermindert, wodurch sich eine Kostensenkung ergibt.
Der Energieverbrauch beim erfindungsgemäßen Verfahren kann vergleichbar oder sogar geringer gehalten werden als bei der herkömmlichen Reinigung mit Druckluft. Dabei wird aber die Oberfläche vollständig von Feuchtigkeit, Schmiermittelresten und anderen Verunreinigungen befreit, was mit Druckluft nicht möglich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die beigegebenen Zeichnungen beispielhaft und ohne Beschränkung des Schutzum- fangs näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform.
Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht des Werkstücks mit der eingezeichneten Abtastbahn der Vorrichtung nach Figur 1.
Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform. Figur 4 zeigt eine schematische Seitenansicht des Werkstücks mit eingezeichneten Abtastbahnen der Vorrichtung nach Figur 3;
Figur 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel mit Rückführung der Reinigungsflüssigkeit als vereinfachtes Fliessbild. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG ANHAND DER FIGUREN
In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematischen Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Behälter 1, der nach oben offen ist und durch einen Deckel 2 unter Beteiligung einer Dichtung 3 vakuumdicht verschließbar ist. Der Behälter 1 setzt sich nach unten über ein Verbindungsrohr 13 zu einem Sumpfbehälter 10 fort. Im Behälter 1 ist ein zu reinigendes Werkstück 4 untergebracht und von einer Halterung gehalten. Aus Gründen der Übersicht ist diese Halterung und sind die gegebenenfalls für die Ausführung der Linear- und Drehbewegung des Werkstücks 4 notwendigen Durchführung durch die Behälterrand hier nicht gezeigt, können aber vom Fachmann leicht ergänzt werden. Diese Halterung mit dem Werkstück 4 kann eine durch den geschlossenen Pfeil 7 beschriebene Drehbewegung um eine Achse 5 sowie gleichzeitig eine Linearbewegung in Richtung des Pfeils 6, der hier in der Achse 5 liegt, ausführen. Die Drehachse 5 des Werkstücks ist hier senkrecht ausgerichtet.
Im Sumpfbehälter 10 kann sich beim Betrieb der Vorrichtung durch ablaufendes, gegebenenfalls verunreinigtes Wasser ein Sumpf 11 bilden, der über ein Sumpfventil 12 abgelassen oder abgesaugt werden kann.
In dem Behälter 1 kann ein Unterdruck erzeugt werden, wenn die Pumpe 20 über die Vakuumleitung 21 Luft aus dem Inneren des Behälters 1 absaugt. Die Vakuumleitung 21 kann an den Sumpfbe- hälter 10 oder auch direkt an den Behälter 1 angeschlossen sein . In die Wand des Behälters 1 ist eine Düse 27 eingebaut, die über eine Leitung 26 mit einer Erzeugungseinheit für Dampf o- der Heißwasser verbunden ist. Diese Einheit ist bezüglich des Drucks und der Temperatur des Dampfs bzw. Heißwassers steuer- bar. Dadurch kann auch der Massenstrom des jeweiligen Mediums gesteuert werden. Die Düse 27 bildet mit der Senkrechten bzw. der Achse 5 des Werkstücks einen stumpfen Winkel von in die¬ sem Fall beispielsweise etwa 110°. Der Strahl 28 des Mediums (Dampf bzw. Heißwasser) trifft nahezu im gleichen Winkel auf die Oberfläche des Werkstücks 4 an einer Auftreffstelle.
In der Wand des Behälters 1 ist ferner ein Infrarot- Temperatursensor 31 eingebaut, in dem durch eine Infrarotoptik die Messstelle 36 auf der Oberfläche des Werkstücks 4 auf ei¬ nem Detektor abgebildet wird, der ein der Oberflächentempera- tur entsprechendes Signal über eine Messleitung 32 abgibt. Zur Messung des Unterdrucks ist in der Wand des Behälters 1 außer¬ dem ein Unterdrucksensor 30 eingebaut, der ein dem Unterdruck im Behälter 1 entsprechendes Signal über eine Messleitung 33 abgibt . Einer Reglereinheit 35 empfängt Signale über die Messleitungen 32 und 33 und steuert über die Steuerleitungen 40 und 41 den von der Erzeugung einer 25 abgegebenen Massestrom des jeweiligen Mediums so, dass die über die Messleitung 32 vom Tempera¬ tursensor 31 gemessene Temperatur einen vorgegebenen Sollwert annimmt.
Zur Reinigung und Trocknung eines Werkstücks 4 wird zunächst der Behälter 1 durch Abnehmen des Deckels 2 geöffnet und das Werkstück 4 in die Arbeitslage gebracht, wo es von der (nicht gezeigten) Halterung drehbar und verschiebbar gehalten wird. Dabei befindet es sich zunächst in der gestrichelt dargestell¬ ten unteren Ausgangsposition. Der Behälter 1 wird durch Auflegen des Deckels 2 mithilfe der Dichtung 3 luftdicht verschlos¬ sen. Nun wird über die Reglereinheit 35 die Erzeugungseinheit 25 und die Vakuumpumpe 20 eingeschaltet und die Linear- und Drehbewegung des Werkstücks 4 eingeleitet. Dabei wird zunächst die Stirnfläche des Werkstücks 4 und danach die Seitenfläche von dem Dampf- bzw. Heißwasserstrahl 28 gereinigt. Nachdem die Temperatur an der auf der Oberfläche gleitenden Messstelle 36 vom Temperatursensor 31 gemessen wurde, werden Massestrom und Unterdruck durch die Reglereinheit 35 von den zunächst voreingestellten Anfangswerten so geregelt, dass sich die voreinge¬ stellte Solltemperatur an der Messstelle 36 ergibt. Wird zur Reinigung Dampf verwendet, dann werden Verunreinigungen auf der Oberfläche des Werkstücks 4 teilweise mechanisch durch den übertragenen Impuls des Dampfstrahls als auch durch Dispersion in dem durch Kondensation entstehenden Wasser von der Oberfläche entfernt und vom Wasser mitgenommen. Ähnlich wirkt ein Heißwasserstrahl. Dieses Wasser läuft teilweise auf der Oberfläche des Werkstücks 4 nach und ab, teilweise wird es verspritzt und gelangt an die Innenwand des Behälters 1, wo es ebenfalls nach unten ablaufen kann. Schließlich bleibt ein Teil des Wassers auch benetzend an der Oberfläche zurück und verdampft, wobei es der Oberfläche Wärme entzieht. Das ablau¬ fende Wasser gelangt über das Verbindung 13 in den Sumpfbehäl¬ ter 10 und bildet den Sumpf 11, der durch das Ventil 12, beispielsweise während der Behälter 1 zum Werkstückwechsel geöff¬ net ist, abgelassen oder auch, beispielsweise kontinuierlich, abgepumpt werden kann.
Figur 2 veranschaulicht den Verlauf der Reinigung nach dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Durch die Linearbewegung des Werkstücks 4 trifft der Dampf- bzw. Heißwasserstrahl zunächst an der Auftreffstelle 51 auf die Seiten- fläche des Werkstücks 4 und wandert dann längs der fiktiven
Abtastbahn 50 schraubenförmig um das Werkstück 4 herum, bis er die ganze Oberfläche abgetastet hat. Linear- und Drehbewegung sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass während einer Um- drehung des Werkstücks 4 dieses um einen Hub h linear bewegt wird. Die Auftreffstelle 51, 52 ist nicht punktförmig, sondern wegen der Schrägstellung der Düse 27 etwa elliptisch mit senkrechter gerichteter größerer Achse. Wie die nacheinander er- reichten Auftreffstellen 52 zeigen, tritt eine gewisse Überlappung der Auftreffstelle in benachbarten Ästen der Abtastbahn 50 auf. Dadurch wird der Reinigungsprozess wiederholt und die Reinigungswirkung verbessert. Der Grad der Überlappung kann durch die Einstellung des Hubs h verändert werden. Figur 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt wobei lediglich die geänderten Bauteile dargestellt sind. Bei dieser Ausführungs¬ form sind vier Düsen 68 in einer Ebene am Umfang des Behälters 1 im gleichen Winkelabstand voneinander angeordnet. Diese wir- ken gleichzeitig auf die Oberfläche des Werkstücks 4 ein.
Figur 4 veranschaulicht den Verlauf der durch die Düsen 68 der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform erzeugten vier Abtastbahnen 60 auf der Oberfläche des Werkstücks 4. Dabei wird das Werkstück 4 bei 1 Umdrehung um den Hub linear bewegt. Wieder überlappen sich die Auftreffstellen 61 der benachbarten Abtastbahnen 60 und das Ausmaß der Überlappung kann durch die Einstellung des Hubs nach Bedarf angepasst werden.
Zur Demonstration des Reinigungs- und Trocknungseffekts wurde ein Zylinderkopf für einen Pkw-Motor erfindungsgemäß behan- delt. Eine handelsübliche Klebefolie wurde auf eine glatte ge¬ reinigte und getrocknete Oberfläche aufgelegt und haftete ganzflächig und fest an dieser. Bei einem Vergleichsversuch mit einem auf herkömmliche Weise mit Druckluft gereinigten Zy¬ linderkopf konnte die Klebefolie auch an der gleichen glatten Fläche nicht befestigt werden.
In Figur 5 sind bau- oder funktionsgleiche Bauteile mit den¬ selben Bezugszeichen bezeichnet wir in Figur 1-4. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vor allem durch die Weiterbildung des Rückführkreises über den aus der Behand¬ lungskammer 1 Reinigungsflüssigkeit zurückgewonnen wird. Die durch den Unterdruck und die Temperatur erzeugten Dampfschwa- den werden aus der Behandlungskammer 1 über eine erste Filtereinheit 71 von der Vakuumpumpe 20 angesaugt und dann einer nachgeschalteten zweiten Filter- und Abscheiderstufe 72 zugeführt, die einen Ölabscheider 74 aufweist. Der Auslass der Filtereinheit 71 mündet in den Ölabscheider 74. Ausgangsseitig ist die Vakuumpumpe 20 mit einer Kondensationseinheit 73 ver¬ bunden, deren Rücklauf ebenfalls im Ölabscheider 74 mündet. Von einem Saubertank 75 in der zweiten Filter- und Abscheiderstufe 72 wird über eine Wasserpumpe 76 in einer Zuleitung 77 der Dampferzeugers 25 gespeist. Durch den Ausgangsdruck des Dampferzeugers 25 und die Saugwirkung der Vakuumpumpe 20 wird das Eindüsen von Dampf mit hohem dynamischen Strahldruck gewährleistet. Durch den Kreislauf gemäß Figur 5 wird zudem Restwärme der rückgewonnenen Reinigungsflüssigkeit ausgenutzt, sodass eine zusätzliche Energieeinsparung realisiert wird. Frischwasser wird nur bedarfsweise aufgrund der Verluste in der zweiten Filter- und Abscheiderstufe 72 zugeführt.
Figur 5 veranschaulicht zudem schematisch eine auf zwei Achsen H, V automatisch in die Behandlungskammer hinein und aus dieser heraus bewegbare Halterung 78 für das Werkstück 4. Die Halterung 78 bildet zugleich einen druckfesten Verschluss für die Öffnung der Behandlungskammer 1 in der Arbeitsstellung. BEZUGSZEICHENLISTE
1 Behälter
2 abnehmbarer Deckel
3 Dichtung
4 Werkstück
5 Achse des Werkstücks
6 Richtung der Linearbewegung
7 Richtung der Drehbewegung
10 Sumpfbehälter
11 Sumpf
12 Sumpfventil
13 Verbindungsrohr
20 Vakuumpumpe
21 Unterdruckleitung
25 Erzeugungseinheit für Dampf oder Heißwasser
26 Leitung für Dampf oder Heißwasser
27 Düse
28 Dampf- oder Heißwasserstrahl
30 Unterdrucksensor
31 Infrarot-Temperatursensor
32 Messleitung
33 Messleitung
35 Reglereinheit
36 Infrarot-Messstelle
40 Steuerleitung
41 Steuerleitung
50, 60 Abtastbahn
51, 52,61 Auftreffstelle
67 Richtung der Drehbewegung
68 Düsen
h, h4 Hub während einer Umdrehung des Werkstücks
71 Filtereinheit
72 Filter- und Abscheiderstufe
73 Kondentsationseinheit
74 Ölabscheider
75 Saubertank
76 Pumpe
77 Zuleitung
78 Halterung

Claims

PATENTA S PRÜCHE
Verfahren zum Reinigen der Oberfläche eines Werkstücks aus Metall mittels mindestens eines auf die Oberfläche an einer Auftreffstelle auftreffenden Strahl aus Dampf- und/oder Heißwasser,
- wobei die Auftreffstelle abtastend relativ zur Oberfläche bewegt wird und die Verunreinigungen der Oberfläche in Ab¬ tastrichtung transportiert werden,
- wobei das Verfahren in einem geschlossenen Behälter in einer Atmosphäre verminderten Drucks ausgeführt wird, so¬ dass die auf der Oberfläche in Abtastrichtung hinter der Auftreffstelle vorhandenen Reste kondensierten Dampfs oder Wassers zumindest teilweise verdampfen,
- und dabei dem Werkstück die durch den Strahl zugeführte Wärme zumindest teilweise wieder entziehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl ein Strahl aus Wasserdampf ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche des Werkstücks hinter der Auftreffstelle im gleichen im glei¬ chen Arbeitsschritt getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks nach Ende der Reinigung oder der Reinigung und Trocknung um nicht mehr als 5 K von seiner Temperatur vor Beginn der Reinigung abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten bewirkt wird, indem das Werk¬ stück und/oder die mindestens eine Düse bewegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtasten auf einer Abtastbahn erfolgt, die durch Überlagerung einer Kreisbewegung und einer Linearbewegung entsteht.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen vorhanden sind. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen in einer oder in mehreren Ebenen rund um das Werkstück angeordnet sind.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück linear an einer Anordnung mit mindestens einer um eine zu ihrer eigenen Achse parallele und beabstandete Ach¬ se rotierenden Düse vorbeigeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen und/oder das Werkstück oszillie¬ rend bewegt werden. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Linearbewegung senkrecht ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl mit der Richtung der Linearbewegung einen Winkel zwischen 90 und 135° bildet.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ablaufendes Wasser oder Spritzwasser am Boden des Behälters in einem Sumpf gesammelt und abge¬ pumpt wird. 14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Werkstück vor dem Reinigen o- der dem Reinigen und Trocknen eine wässrige Lösung eines Reinigungsmittels aufgetragen, bevorzugt aufgesprüht wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur des Werkstücks hinter der Auftreffstelle, in deren Bewegungsrichtung gesehen, berührungslos gemessen und danach der Unterdruck sowie der Massenstrom des Dampfs oder des Heißwassers geregelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Werkstücks nach En¬ de der Reinigung oder Reinigung und Trocknung um nicht mehr als 2 K von der Temperatur vor der Reinigung abweicht.
Vorrichtung zum Reinigen der Oberfläche eines Werkstücks, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend
- eine Behandlungskammer mit einer Öffnung, die den Durchtritt des zu reinigenden Werkstücks ermöglicht und die druckdicht verschließbar ist,
- eine Halterung für das Werkstück, mit der dieses in der Behandlungskammer gehalten und bewegt werden kann,
- mindestens eine Düsenanordnung mit je einer oder mehreren Düsen, wobei Halterung und Düsenanordnung (en) relativ zueinander bewegt werden können,
- einen mit dem Inneren der Behandlungskammer verbundenen Unterdruckerzeuger eines Unterdrucks,
- eine Baugruppe zur Erzeugung von Heißwasser oder Wasserdampf unter erhöhtem Druck, die mit den Düsen verbunden ist, sowie
- Mittel zur Einstellung der Temperatur des Heißwassers o- der Wasserdampfs und/oder Mittel zur Einstellung des durch die Düsen fließenden Massestroms.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Unterdruckerzeuger eine Vakuumpumpe und die Baugruppe ein Dampferzeuger ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei ein Filtereinheit vorgesehen ist, durch welche der Unterdruckerzeuger bzw. die Vakuumpumpe Wasserdampf mit Verunreinigungsrückständen aus der Behandlungskammer absaugt.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei eine weitere Filter- und/oder Abscheiderstufe an die Filtereinheit ange¬ schlossen ist aus welcher rückgewonnene Reinigungsflüs¬ sigkeit, im geschlossenen Kreislauf der Baugruppe zur Er¬ zeugung von Heißwasser oder Wasserdampf zugeführt wird.
21. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Mittel zur Einstellung des Massestroms den Druck des Wassers oder Dampfs und/oder den Strömungswiderstand der Leitungen einstellen.
22. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Düsenanordnung mindestens eine um eine zu ihrer eigenen Achse parallele und/oder beabstandete Achse rotierenden Düse umfasst.
23. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Düsen einer Düsenanordnung auf einem um eine zum Werkstück gerichteten Rotationsachse drehbaren Düsenträger angeordnet sind und wobei sie einen Winkel zwischen 0 und 45°, bevorzugt 0 bis 15° mit der Rotationsachse bilden, wobei dieser Winkel für alle Düsen dieser Düsenanordnung gleich oder unterschiedlich sein kann.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei der Düsenträger eine Rotorblattstruktur aufweist.
25. Vorrichtung einem der vorangehenden Ansprüche 17 bis 23, ferner umfassend Mittel zur Messung der Oberflächentempera¬ tur des Werkstücks.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24, ferner umfassend eine Regeleinrichtung für den Unterdruck und den durch den Düsen fließenden Massestrom aufgrund der gemessenen Oberflächentemperatur .
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 17 bis 25, wobei die Halterung in die Behandlungskammer hinein unc aus dieser heraus bewegbar ist und einen druckfesten Verschluss für die Öffnung der Behandlungskammer aufweist.
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