WO2013020732A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines pulsierenden mit druck beaufschlagten fluidstrahls - Google Patents

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WO2013020732A1
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pressure
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Hermann-Josef David
Egon KÄSKE
Norbert Klinkhammer
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Dürr Ecoclean GmbH
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T83/00—Cutting
    • Y10T83/364—By fluid blast and/or suction

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a pulsating fluid jet of pressurized fluid with a conduit system containing at least one nozzle having a nozzle mouth from which a fluid jet of pressurized fluid can escape, and which has a chamber in a pressure wave generating device for generating fluid pressure waves is formed, which communicates with the line system through an outlet opening for the generated fluid pressure waves.
  • machining with cutting tools has the disadvantage, for example, of materials with high hardness, that it is relatively expensive because of the wear of the cutting edges.
  • the object of the invention is to provide a device for the efficient machining of the surface of workpieces with fluid jets, which can operate with comparatively low fluid pressures.
  • the device according to the invention is particularly suitable for applying a fluid to a workpiece surface in the form of wash liquor and / or water and / or emulsion, in particular water-oil emulsion and / or oil.
  • the invention is based on the idea that can be generated by coupling of vibration energy in the form of pressure waves in a fluid jet, in particular in a fluid jet, which is subjected to an increased pressure, which may be 20 bar, 30 bar or more, generate fluid pulses, in which the vibration energy is converted into kinetic energy.
  • a fluid jet in particular in a fluid jet, which is subjected to an increased pressure, which may be 20 bar, 30 bar or more, generate fluid pulses, in which the vibration energy is converted into kinetic energy.
  • an increased pressure which may be 20 bar, 30 bar or more
  • the kinetic energy transferable to the fluid by generating pressure waves can be maximized by ensuring that the reflections of pressure waves in a conduit system for supplying pressurized fluid to a nozzle do not cancel the generated pressure waves but intensify due to interference.
  • the ratio of the effective path length which the pressure waves in the conduit system from the outlet opening of the chamber to the nozzle mouth of a nozzle cover and the wavelength of the fluid pressure waves, ie, a fluid pressure waves in the line system characterizing Helmholtz number are set.
  • the line system may include a first line piece and a at least partially received in the first line piece and communicating with this second line piece, which can be displaced relative to the first line piece in the longitudinal direction. It is advantageous in this case, if the second line piece, e.g. is guided linearly movable with a thread on the first line piece. Conveniently, a fixing device is provided, with which the second line piece can be fixed to the first line piece.
  • the device may include frequency adjustment means for adjusting the frequency of the generated fluid pressure waves. In fact, by varying the frequency of the fluid pressure waves, their wavelength in the fluid is also changed.
  • the conduit system advantageously has a first conduit system section with a connection for a pressure pump and has a second conduit system section with a receptacle for the nozzle. It is advantageous if the first section and the second section are connected to a swivel joint.
  • the second conduit system section in the rotary joint is coaxial with the first conduit system section about an axis of fluid passage formed in the second section. le axis can be oscillated and / or rotated, it is possible to produce regular or irregular structures in the surface of a workpiece bore.
  • the device preferably contains a motor drive for moving the second line system section.
  • the line system has a first line system section with a connection for a pressure pump and has a second line system section, in which a plurality of nozzles are each arranged with a nozzle mouth, which are acted upon by separate line branches with fluid.
  • a length-adjustable line for pressurized fluid is arranged in the separate line branches to the nozzles in each case.
  • a vent valve is beneficial.
  • this vent valve is arranged so that even with a displacement of the device, these air bubbles can escape.
  • the vent valve can for example be accommodated in an upper ceiling section of the chamber.
  • the chamber may have an opening separate from the exit opening for supplying high pressure fluid. This allows efficient delivery of fluid into the chamber.
  • the pressure wave generating device is located in a Totwasser which the chamber.
  • the chamber has a cross-section which is funnel-shaped in the direction of the outlet opening. It is advantageous to provide in the chamber a sensor for detecting pressure waves, so that the pressure wave generation can be monitored there.
  • the sensor is conveniently designed as a pressure sensor and arranged in a portion of the chamber, which tapers in a funnel shape in the direction of the outlet opening.
  • the at least one nozzle may have a nozzle chamber whose cross-section is tapered towards the nozzle mouth. Extensive tests have shown that with the nozzle fluid pulses can be generated with a very large kinetic energy when the nozzle chamber in front of the nozzle mouth has a conically tapered portion with an obtuse angle ⁇ , preferably an opening angle ⁇ in the range 105 ° ⁇ ⁇ 180 °.
  • the at least one nozzle has a cylindrical, preferably circular cylindrical nozzle chamber with an opening arranged on the front side in the nozzle mouth.
  • the fluid pulses that can be generated with such a nozzle are particularly suitable for removing material from aluminum materials. Due to cavitation, such a nozzle makes it possible to form fluid droplets which are particularly suitable for removing material and which are then contained in the pulsating fluid jet.
  • a measuring device for detecting material removed from a workpiece with a fluid jet it is possible to monitor the removal of material caused by the pulsating fluid jet.
  • these coatings require that the surface of these assemblies be prepared for coating, ie usually roughened or activated.
  • the surface Such workpieces are also mechanically machined by means of cutting tools in preparation for the coating.
  • An idea of the invention against this background is also that with a pulsating fluid jet in the surface of a workpiece structures can be produced which improve the adhesion of a coating on the surface and in particular allow the coating can be loaded with very large shear forces. It has namely been e.g. It has been shown that in particular the coating of aluminum materials by means of thermal spraying methods, such as flame spraying, plasma spraying, atmospheric plasma spraying or electric arc wire spraying, in particular, can significantly improve the tribological properties of aluminum assemblies.
  • the arc wire spraying for example, makes it possible to coat aluminum assemblies with an iron-based alloy having a carbon content of between 0.8 and 0.9 weight percent and containing dispersive friction reducing fillers in the form of graphite, molybdenum disulfide or tungsten disulfide. Coating materials also reduces the weight of engine components and allows compact designs, such as cylinder crankcases, in which the cylinder bores are at a reduced distance from each other compared to conventional housings.
  • One or more devices according to the invention for generating a fluid jet in a system for applying workpieces with fluid which contains a controllable device for adjusting the pressure of the fluid supplied from the conduit system and the one with the Apparatus for adjusting the pressure and the pressure wave generating means connected to a computer unit
  • Data memory has, in which a parameter map for the application-specific adjustment of the fluid pressure and / or the amplitude and / or the frequency of the pressure wave generating device can be generated with the fluid pressure waves is stored.
  • the parameter map can also be a favorable nozzle rotation speed depending on a material to be machined, in particular substrate and / or a given workpiece geometry and / or a workpiece surface finish, in particular a workpiece surface roughness, and / or a kind of workpiece contamination and / or a machining distance of a workpiece to be processed may be stored by the at least one nozzle mouth of the device.
  • an advantageous angle of a pulsating high-pressure fluid jet generated by a corresponding device to a workpiece surface can also be stored in the parameter map.
  • such a system includes a manipulator to move a fluid-to-be-pressurized workpiece relative to the device or apparatus relative to the workpiece.
  • the manipulator can perform completely free movements, in particular linear movements or free movement of curves.
  • an articulated robot with six axes of movement is provided as a manipulator.
  • One idea of the invention is also that it can be produced with a pulsating fluid jet, eg with an inventive device, to activate a surface of a workpiece for flame spraying or plasma spraying or arc wire spraying or to prepare it for gluing.
  • a pulsating fluid jet eg with an inventive device
  • One finding of the invention is, in particular, that the preparation of the wall of a bore in a workpiece, in particular the adhesive properties of a workpiece surface produced by means of electric arc wire spraying, can be optimized if the nozzle is generated at an angle ⁇ with 0 ° ⁇ ⁇ 60 ° , Preferably ß ⁇ 45 °, is applied to the local surface normal of the wall inclined direction with a pulsating high-pressure fluid jet, and the nozzle is rotatably relative to the workpiece about the axis of the bore and translationally displaced in the direction of the axis of the bore ,
  • the distance of the nozzle opening to the workpiece surface is favorably between 10 mm and 150 mm.
  • a section of a workpiece can be finished by applying a surface coating to the workpiece in a first step and then, in a second step, processing and / or partially removing the coating by means of a pulsating fluid jet.
  • This fluid jet can be generated in particular with a device according to the invention.
  • the inventors have also recognized that the surface of a workpiece can be activated by means of a pulsating fluid jet, in particular by means of a pulsating fluid jet generated by a device according to the invention, in order to achieve the adhesive properties for the coating on the surface and the mechanical or thermal resilience to increase the coating.
  • a pulsating fluid jet which can be produced for example with a device according to the invention, the surface of an existing at least partially made of aluminum or aluminum alloy or magnesium alloys workpiece on this by means of thermal spraying (Arc wire spraying, LDS, plasma spraying, etc.) to apply a surface coating of ferrous material and then with a pulsating fluid jet, eg from a ner device according to the invention to edit.
  • thermal spraying Arc wire spraying, LDS, plasma spraying, etc.
  • a finding of the inventors is also that by means of a pulsating fluid jet, which can be produced, for example, with a device according to the invention, the surface of a at least partially made of steel or gray cast workpiece can be activated to apply thereto by means of laser wire welding a surface coating of nickel-containing material , Moreover, it is an idea of the inventors that a coating applied to a workpiece made of steel or cast iron, aluminum, an aluminum alloy or a magnesium alloy is processed in the form of laser-wire-welded ferrous or nickel-containing material with a pulsating fluid jet can, in particular with a pulsating fluid jet from a device according to the invention. In the context of the invention, it may be provided in particular to first apply a large surface area over a surface coating and then subsequently to remove it again in small areas in edge regions.
  • FIG. 1 shows a system with a device for generating a Pulsie- renden fluid jet with a workpiece.
  • Fig. 2 is a chamber for generating fluid pressure waves in the device
  • Fig. 3 is a length-adjustable line of the device for with
  • Pressurized fluid shows a nozzle which can be used in the device
  • FIG. 5 shows another nozzle which can be used in the device
  • FIG. 6 shows a nozzle which can be used in the device with a jet straightener
  • FIG. 7 shows a section of the nozzle shown in FIG. 6 along the line VII - VII;
  • FIG. 8 shows a device for generating a pulsating high-pressure fluid jet with nozzles arranged in a revolver
  • Fig. 9 shows a portion of a device for generating a in a
  • FIG. 10 shows a section of a further device for generating a pulsating high-pressure pulsating fluid jet in a gas stream with a nozzle
  • Fig. 1 1 shows a device for generating a pulsating high-pressure fluid jet with a nozzle rake
  • FIG. 12 shows a section of the device shown in FIG. 11 along the
  • the system 10 in FIG. 1 is designed to activate the surface 12 of a cylindrical recess 14 in a workpiece 15 by means of pulsating fluid jets 16, 18 of water.
  • the system 10 has a device 20 with a chamber 22 in which a device 24 for generating fluid pressure waves 32 is formed.
  • the device 24 is connected to a controllable frequency generator 31.
  • the device 24 contains a piezoelectric crystal 28, which acts as an electromechanical transducer and is connected to a sonotrode 30.
  • the sonotrode 30 in the water pressure waves 32 can be generated at a frequency v, which is preferably in the range 10 kHz ⁇ v ⁇ 50 kHz.
  • the piezoelectric crystal 28 is subjected to a high-frequency alternating voltage from a frequency generator 31.
  • the frequency generator 31 is designed for generating ultrasonic frequencies, preferably ultrasonic frequencies in the range 10 kHz ⁇ v ⁇ 50 kHz.
  • the wavelength ⁇ of the pressure waves 32 in the line system 36 can be varied.
  • the chamber 22 is preferably tuned to a wavelength range of the fluid pressure waves 32 that can be generated with the sonotrode 30. For fluid pressure waves 32 in this wavelength range, the chamber 22 then acts as a resonance chamber.
  • the chamber 22 has an outlet opening 34 to a conduit system 36 which connects the chamber 22 with nozzles 38, 40.
  • the piping system 36 has a chamber-side section 42 and includes a nozzle-side section 44.
  • the chamber-side section 42 and the nozzle-side section 44 are connected by means of a pivot joint 46.
  • the nozzle-side section 44 can be moved by means of a motorized rotary drive 48 about an axis coaxial to the fluid channel 50 axis oscillating and / or rotationally by means of a drive motor 54 by motor.
  • the nozzles 38, 40 are located in the nozzle-side portion 44 of the conduit system 36 in line branches 56, 58, which are separated from each other.
  • the fluid channel 60 formed in the nozzle-side section 44 is branched into the line branches 56, 58.
  • conduit branch 56 and the conduit branch 58 there is in each case a conduit section with a length-adjustable conduit 62, 64.
  • the adjustable conduit 62, 64 includes a first conduit section 66, 68 and has an at least partially received in the first conduit section 66, 68 and the second conduit 70, 72 communicating therewith.
  • the second conduit 70, 72 can be displaced coaxially relative to the first conduit 66, 68 in the longitudinal direction 74, 76 corresponding to the double arrow 78, 80.
  • the effective path length 26 for pressure waves 32 between the outlet opening 34 and the workpiece side facing away from the nozzle mouth 82, 84 of the nozzles 38, 40 can be adjusted.
  • the movement play for the line piece 70, 72 is tuned to the wavelength of the pressure waves 32.
  • the movement play is favorably at least half a wavelength of the pressure waves 32. It is preferably in a range between 40 mm and 300 mm.
  • the conduit 43 can be displaced coaxially translationally by means of an adjusting device 47 relative to the conduit 45.
  • the adjusting device 47 makes it possible to set the effective path length 26 for the pressure waves 32 in the line system 36.
  • the adjusting device 47 can be adjusted by means of a (electric) motor drive (not shown).
  • a (electric) motor drive not shown.
  • the adjusting device 47 thus acts as an adjusting device for adjusting, ie adjusting the amplitude A P of the fluid pressure waves 22 in the line system 36 in front of the at least one nozzle mouth 125.
  • the adjustable lines 62, 64 also act as adjusting devices for controlling the amplitude A P of fluid pressure waves 32 in front of the corresponding nozzle mouth of the nozzle 38, 40.
  • the chamber-side portion and the nozzle-side portion are made in one piece.
  • the nozzle-side portion is mounted translationally displaceable on the chamber-side portion, without which a rotary joint is provided with a rotary drive.
  • the translational movement of the nozzle-side section is realized manually and / or by means of spring force, by means of an electromagnet and / or by means of an electric linear motor.
  • the adjustable frequency generator 31 is also such a setting device.
  • the frequency v of the alternating voltage generated by means of the frequency generator 31 it is possible to set the wavelength ⁇ of the pressure waves 32 in the line system 36 and thus the amplitude A P of the fluid pressure waves 22 in the line system 36, for example in front of the nozzle mouth 125.
  • the effective line cross-section 86, 88 of the lines in the line system 36 decreases monotonously toward the nozzle mouth 82, 84 of the nozzles 38, 40. This causes the oscillation amplitude for the pressure of a pressure wave 32 in the direction of the guided according to the arrow 90 through the line 36 fluid idstroms to the nozzles 38, 40 increases towards.
  • the device 20 can be formed in a further modified embodiment with only one nozzle or with a plurality of nozzles.
  • the device 20 can be implemented with a frequency generator 31 whose frequency v can be varied without the line system containing length-adjustable lines.
  • the system 10 includes a pressure pump 91 and includes a reservoir 92 having a funnel-shaped outlet 93 for collecting fluid that passes from the nozzles 38, 40 to the workpiece 15.
  • the pressure pump 91 With the pressure pump 91, the fluid for generating pulsating fluid jets in the system 10 is circulated in a circuit.
  • the pressure pump 91 is designed so that in chamber 22, a fluid pressure in the range between 40 bar and 150 bar and preferably a fluid pressure in the order of 100 bar can be generated and adjusted.
  • the frequency v, and the amplitude A P of the pressure waves By adjusting the fluid pressure in the chamber 22, the frequency v, and the amplitude A P of the pressure waves, the size and spacing of liquid droplets in fluid jets 16, 18 exiting the nozzle 38, 40 can be varied.
  • the system 10 may instead of the pressure pump 91, a device with a high pressure pump for the Supplying high-pressure fluid contained in the conduit system 36 of the device, which ensures a fluid pressure which can be up to 3000 bar.
  • a high-pressure pump is suitable, which provides a fluid pressure between 300 bar and 600 bar.
  • Fig. 2 shows the chamber 22 for generating the fluid pressure waves 32 in the device 10.
  • the chamber 22 has an opening 94 for supplying pressurized fluid from the high-pressure pump 91st
  • the opening 94 is arranged separately from the outlet opening 34 in a lateral section of the chamber 22.
  • the chamber 22 may be vented through an opening 96 with a controllable vent valve 98.
  • the sonotrode 30 is located in the chamber 22 in a dead water region 33 at a distance from the flow 35 of the fluid supplied through the opening 94 into the chamber 22 in the direction of the outlet opening 34.
  • the chamber 22 is formed in the section 99 with a funnel-shaped tapered cross-section.
  • the amplitude A P of the pressure waves 32 generated by the sonotrode 30 of the device 24 is amplified.
  • the graph 100 in FIG. 2 shows with the curve 101 the amplitude of the pressure of a pressure wave 32 in the chamber 22 as a function of the distance z from the surface 26 of the sonotrode 28.
  • a pressure sensor 102 In the chamber 22 is conveniently located a pressure sensor 102.
  • the pressure sensor 102 is disposed in the portion 99 of the chamber 22.
  • the pressure sensor 102 is connected to a measuring device 103, which is a display unit 105 has.
  • the pressure sensor 102 can be used to detect the pressure fluctuations which are caused by the pressure waves 32 generated in the chamber 22 in the section 99.
  • the display unit 105 thus allows an operator to monitor the operation of the device 20.
  • the system 10 for monitoring the operation of the device 20 may also include a control computer 134 connected to the measuring device 103, which controls the device 24 for generating fluid pressure waves 32 and the pressure pump 91 as a function of the pressure fluctuation signal detected by the pressure sensor 102 ,
  • the erosion measuring device 20 in the system 10 e.g. the pulsating fluid jet 16, 18 exiting the nozzles 38, 40 is fed to an erosion meter (not shown).
  • This erosion measuring device contains a test membrane to which the fluid jet is directed. In a proper operation of the device 20, a certain amount of material per unit time is removed from this test membrane. In order to detect the removal of material from this test membrane, the erosion measuring device contains a tactile sensor.
  • a measuring device at a bypass to the outlet 93, which detects separated particles (for example a magnetic or optical particle counter), so that the function of the device 20 can be monitored in this way.
  • control computer 134 contains a data memory 135 in which a parameter map 136 for the application-specific adjustment of the fluid pressure P and / or the amplitude A P and / or the frequency v of the fluid pressure waves generated by the pressure wave generating means 32 and / or a nozzle rotation speed due a workpiece-specific application of the device 20 entered via an input unit 137 of the computer unit 136 is stored.
  • the parameter map 136 sets in particular information about, for example, an empirically determined relationship between the abovementioned operating parameters and at least one of the following application parameters:
  • Type of material or substrate to be machined workpiece geometry, target / actual workpiece surface finish, in particular workpiece surface roughness, type of workpiece contamination (eg chemical composition or hardness), machining distance of a workpiece to be machined for a particular nozzle diameter of the Nozzle mouth of the nozzles 38, 40.
  • control computer 134 is connected via a control line 138 to the pressure pump 91 and connected via lines 139, 140 to the measuring device 103 and the frequency generator 31.
  • master computer 134 e.g. the pressure that can be generated with the pressure pump can be regulated so that wear of the nozzles used in the device 20 is compensated by increasing the pump pressure.
  • FIG. 3 shows the section III of FIG. 1 with the length-adjustable line 62 in the device 20 in an enlarged view.
  • the second line piece 70 is screwed into a thread 104 on the first line piece 66.
  • the thread 104 is a fine thread.
  • the second line piece 70 can be displaced coaxially relative to the first line piece 66 corresponding to the double arrow 106.
  • the second line piece 70 can be fixed to the first line piece 66 by means of a lock nut 110 arranged on the thread 108 of the second line piece 70 which is designed as a fine thread.
  • the second line piece 70 passes through one arranged in the first line piece 66 Sealing ring 1 12, which prevents the escape of fluid between the first line piece 66 and the second line piece 70.
  • the nozzle 36 is received.
  • the nozzle 36 has an outside flange 1 14, which is pressed by means of a union nut 1 16 against a arranged on the end face 1 18 of the second line piece 70 sealing ring 1 19.
  • Fig. 4 shows a further nozzle 39 for use in the device.
  • the nozzle 39 has a nozzle body 120 with a nozzle chamber 122 and a nozzle mouth 125.
  • the nozzle mouth 125 has a length L M , which is preferably about 6 mm.
  • the nozzle mouth 125 is conveniently in the form of a hollow cylinder.
  • the hollow cylinder has a diameter D M , which is preferably in the range between 0.5 mm and 3 mm and advantageously 1 mm.
  • the nozzle chamber 122 is formed with a cross-section which tapers conically towards the nozzle mouth 125.
  • the opening angle ⁇ of the cone in the section 126 of conically tapered cross section is obtuse.
  • the pulsating high-pressure fluid jet can be generated with fluid droplets which have a particularly favorable shape for the removal of material.
  • the nozzle 39 high-pressure fluid jet pulses with liquid droplets can then be generated even at a fluid pressure in a range between 300 bar and 600 bar, whose kinetic energy is so great that thus efficient removal of material is possible in particular on metallic materials.
  • FIG. 5 shows a nozzle 150 which has a nozzle body 151 with a nozzle chamber 152 designed as a circular cylinder.
  • the nozzle chamber 152 has an axially disposed end opening 154 in the nozzle mouth 156.
  • the nozzle mouth 156 is designed as a bore.
  • the diameter D B of the bore of the nozzle mouth is about 1/3 of the diameter D z of the nozzle chamber.
  • the nozzle mouth 156 has a length L M which is about 6 mm.
  • nozzles for use in the device 20 are basically also so-called flat jet nozzles, star nozzles, square nozzles, triangular nozzles or nozzles that produce a fluid jet in the form of an omnidirectional.
  • An advantage of the device described above is that little or no cavitation occurs when operating with high-pressure liquid in the nozzles, so that then the wear of nozzles in the device is comparatively low.
  • Fig. 6 shows a further nozzle 170 for use in the device.
  • the nozzle 170 has a nozzle body 171 with a nozzle chamber 172 and a nozzle mouth 173.
  • the nozzle mouth has a length L M which is about 6 mm and a diameter D H s 1 mm.
  • the nozzle chamber 172 is formed with a cross-section which tapers conically towards the nozzle mouth 173.
  • the opening angle ⁇ of the cone in the section 173 of conically tapered cross section is acute.
  • a favorable value for the opening angle ⁇ of the cone is: ⁇ ⁇ 58 °.
  • the nozzle 170 includes a jet director 175.
  • FIG. 7 shows a section of the nozzle 170 along the line VII - VII in FIG. 6.
  • the jet director 175 separates the Nozzle chamber 172 in the section 176 into four separate flow channels 177th
  • the fluid circulated in the system 10 is freed of dirt particles. Particles and coating parts detached from a workpiece 15 are rinsed out of the workpiece in the system 10 with rinsing devices (not shown) and collected together with the fluid in a dirt tank in the device 130.
  • the device 130 includes a filter system. With this filter system, the fluid supplied to the device 130 can remove the particles and contaminants detached from the workpiece, so as not to damage the device 20 for generating a pulsating fluid jet.
  • FIG. 8 shows a system 210 for activating the surface 212 of cylinder head bores 214 in a cylinder crankcase 215 by means of pulsating high-pressure water jets 216.
  • the line system 236 is formed with a tool section 202 with a tool head 204, in which several re nozzles 238, 240 are added.
  • the tool section 202 is arranged in the line system 236 by means of an automatically operable coupling device 206.
  • the coupling device 206 enables the automatic replacement of the tool section 202 with a quick-change device (not shown) having a revolving magazine in which different tool heads are provided, which can be used in a device 220.
  • the nozzles 238, 240 may be e.g. have a geometry described with reference to FIGS. 4, 5, 6 and 7.
  • the tool section 258 with the tool head 204 can be rotated about the axis 229 by means of a drive not further shown.
  • the nozzles 238, 240 are supplied with water, which is supplied to the device 220 with a high-pressure pump 291.
  • the conduit system 236 of the device 220 includes an adjusting device 247.
  • the industrial robot 21 1 is a multi-axis manipulator for moving a workpiece in the form of a cylinder crankcase 215 relative to the device 220.
  • an industrial robot may be provided with the device 220 for generating pulsating high-pressure Fluid jets by means of a handling device, in particular an industrial robot to move relative to the workpiece.
  • the cylinder crankcase 215 With the industrial robot 21 1, the cylinder crankcase 215 to the device 220 according to the double arrow 217 and lowered. With the pulsating high-pressure water jets 216 from the nozzles arranged in the turret 227, the surface of the material in the wall of the cylinder head bores 214 for an arc plasma coating activated by an adhesive structure is introduced into this surface.
  • FIG. 9 shows a portion of a device 320 for generating a pulsating high pressure fluid jet 316 which is enveloped in a gas stream 317.
  • the assemblies in the device 320 which correspond to assemblies in the device 20 described with reference to FIGS. 1 to 4, are identified in FIG. 6 by number numbers increased by the number 300.
  • the wrapping of the pulsating high-pressure fluid jet 316 in the gas stream 317 allows workpieces to be machined with the high pressure fluid jet 316 submerged in a liquid bath.
  • the device 320 has a nozzle 336 formed on a line piece 370.
  • the line piece 370 is guided linearly movably in the line piece 366. It can be relocated according to the double arrow 378, so the effective path length of pressure waves between a chamber for generating pressure waves (not shown) and the side of the nozzle mouth 325 facing away from the workpiece can be adjusted.
  • the line piece 370 is arranged in a nozzle 369 with a nozzle chamber 371, which has an opening 373 for supplying pressurized gaseous medium from a line 375 and which has an outlet opening 377, from which the gas stream 317 emerges.
  • the nozzle chamber 369 and the line piece 370 can be displaced relative to each other according to the double arrow 379.
  • FIG. 10 shows a section of a further device 380 for generating a pulsating high-pressure pulsed fluid jet 390 with a nozzle 382.
  • the nozzle 382 has a nozzle chamber 384 with an axially arranged frontal opening 386 in the nozzle mouth 388.
  • the nozzle mouth 388 is designed as a hole.
  • the diameter D B of the bore of the nozzle mouth is about 1 mm.
  • the nozzle mouth 388 has a preferably rounded phase with the radius of curvature r ⁇ 0.1 mm.
  • the workpiece-facing portion 381 of the nozzle 382 is configured as a funnel which widens in the direction of a pulsating fluid jet 390 emerging from the nozzle mouth 388 and has the aperture angle ⁇ ⁇ 60 °.
  • the shape of the workpiece-facing portion 381 of the nozzle 382 causes a gas flow passing along the outer wall 393 of the nozzle 382 to flow when the nozzle is in a liquid bath (not shown) removes liquid bath liquid from region 395 in front of the funnel-shaped section so that a pulsating high-pressure fluid jet can exit the nozzle orifice 388 unhindered and strike a workpiece located near die 382.
  • FIG. 1 1 shows a device 420 for generating a pulsating high-pressure fluid jet 416, 417, 418 and 419.
  • the device 420 has a chamber 422 with a device 424 for generating fluid pressure waves 432.
  • the device 420 has a Line system 436 having a chamber side portion 442 and a nozzle side portion 444.
  • the nozzle side portion 444 may be displaced relative to the chamber side portion 442 with an adjuster 447 corresponding to the double arrow 448.
  • FIG. 12 shows a section of the device 420 along line XII-XII in FIG. 11.
  • nozzle-side portion 444 of the conduit system 436 there is a branched in the form of a rake line 438 with four nozzles, which are integrated into the line 438.
  • the nozzles integrated in the line 438 each have a nozzle body 450, 452, 454 and 456 which can be displaced in accordance with the double arrow 460 and has a nozzle mouth.
  • the devices and systems described are particularly suitable for activating a workpiece surface, so that it can be coated by means of flame spraying or plasma spraying or electric arc wire spraying.
  • the inventors have recognized that the microstructures with undercuts can be produced in the surface of workpieces by means of a corresponding pulsating high-pressure fluid jet. Thermal coatings which are applied to such a surface adhere particularly well here, because the molten particles can easily penetrate into these microstructures during coating due to the kinetic energy and due to capillary action, but then solidify there.
  • a coating applied to a workpiece surface activated by means of a device and installation according to the invention therefore has, in particular, a high adhesive tensile strength, which may well be 30 MPa or more.
  • the surface to be coated of the workpiece is dried after activation in a device or equipment according to the invention, for example by panning, by air drying or by vacuum drying.
  • the inventors have recognized that a particularly good adhesion for a layer applied to the surface of a workpiece by means of flame spraying or plasma spraying or electric arc wire spraying can be achieved by first providing the surface of the workpiece with a pulsating high-pressure fluid jet in a device according to the invention. Layer is roughened to roughen this surface, and then the roughened surface of the workpiece with a defined contact pressure to rollers.
  • the inventors have found that by rolling the mesoscopic projections of a roughened surface can be deformed and compressed so that this microstructures arise with undercuts, which have a high mechanical stability and in which the molten particles can easily penetrate during coating.
  • the devices and systems described are also suitable for the machining of workpiece coatings, such as for the removal of overspray on workpieces that have been subjected to a coating process.
  • the edges of coating sections on a workpiece can be processed in a defined manner. In particular, edges can thus be produced which form a 45 ° angle with the workpiece surface.
  • a finding of the inventors is also that with a pulsating high-pressure fluid jet in the coating of workpieces, such as a means of Lichtbogendrahtspntzen (LDS) generated coating on the cylinder head surfaces of internal combustion engines, a bevel can be introduced without here as in the processing with cutting tools There is a risk that this coating will detach from the workpiece during processing with the pulsating high-pressure fluid jets.
  • a pulsating high-pressure fluid jet in the coating of workpieces such as a means of Lichtbogendrahtspntzen (LDS) generated coating on the cylinder head surfaces of internal combustion engines
  • the devices and systems according to the invention are suitable, in particular, for processing a workpiece surface produced by means of flame spraying or plasma spraying or arc wire spraying and / or for Deburring of a workpiece and / or for the removal of dirt from a workpiece and / or for the removal of layers on a workpiece.
  • the devices and systems according to the invention are also suitable for roughening workpiece surfaces in order to prepare them for a material-fit joining (gluing, welding, soldering).
  • the devices and installations according to the invention may e.g. be operated with fluid in the form of wash liquor and / or water and / or emulsion, in particular water-oil emulsion and / or oil.
  • fluid in the form of wash liquor and / or water and / or emulsion, in particular water-oil emulsion and / or oil.
  • portions of workpieces or workpieces are at least partially made of aluminum or magnesium, wherein the surface coating is applied by laser wire welding iron-containing material or the workpiece consists at least partially of steel or gray cast iron and the surface coating with - Laser-wire welding applied nickel-containing material.
  • the surface of workpieces can also be compacted by applying a pulsating fluid jet to the workpiece.
  • the inventors have recognized in particular that by treating cylinder crankcases made of die-cast aluminum, the voids interfering with a coating in the region of the cylinder running surfaces can be closed off with water using a pulsating high-pressure fluid jet of water.
  • the invention relates to a device 20 for the Generating a pulsating fluid jet 16, 18 from pressurized fluid.
  • the apparatus 20 includes a conduit system 36 having at least one nozzle 38, 40 having a nozzle mouth 125 from which a pulsating fluid jet of pressurized fluid may exit.
  • the device 20 has a chamber 22 in which a pressure wave generating means 24 for generating fluid pressure waves 32 is formed.
  • the chamber 22 communicates with the conduit system 36 through an exit port 34 for the fluid pressure waves 32 generated.
  • the apparatus 20 includes an adjuster 31, 47, 62, 64 for controlling the amplitude A P of the fluid pressure waves 22 in the conduit system 36 The at least one nozzle mouth 125.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (20) für das Erzeugen eines pulsierenden Fluidstrahls (16, 18) aus mit Druck beaufschlagtem Fluid. Die Vorrichtung (20) enthält ein Leitungssystem (36), das wenigstens eine Düse (38, 40) aufweist, die einen Düsenmund (125) hat, aus dem ein Fluidstrahl (16) aus mit Druck beaufschlagtem Fluid austreten kann. Die Vorrichtung (20) hat eine Kammer (22), in der eine Druckwellenerzeugungseinrichtung (24) für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen (32) ausgebildet ist. Die Kammer (22) kommuniziert mit dem Leitungssystem (36) durch eine Austrittsöffnung (34) für die erzeugten Fluid-Druckwellen (32). Erfindungsgemäß enthält die Vorrichtung (20) eine Einstelleinrichtung (31, 47, 62, 64) für das Steuern der Amplitude AP der Fluid-Druckwellen (22) in dem Leitungssystem (36) vor dem wenigstens einen Düsenmund (125). Mit Einstelleinrichtung (31, 47, 62, 64) kann eine aus dem Quotient der Weglänge L für die Fluid-Druckwellen (22) zwischen der Austrittöffnung (34) der Kammer (22) und dem wenigstens einen Düsenmund (125) der wenigstens einen Düse (38, 40) in dem Leitungssystem (36) und der Wellenlänge λ der Fluid-Druckwellen (22) in dem Leitungssystem (36) gebildete Helmholtz-Zahl He:= L / λ eingestellt werden.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines pulsierenden mit Druck beaufschlagten Fluidstrahls Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für das Erzeugen eines pulsierenden Fluidstrahls aus mit Druck beaufschlagtem Fluid mit einem Leitungssystem, das wenigstens eine Düse enthält, die einen Düsenmund hat, aus dem ein Fluidstrahl aus mit Druck beaufschlagtem Fluid austreten kann, und die eine Kammer hat, in der eine Druckwellenerzeugungseinrichtung für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen ausgebildet ist, die mit dem Leitungssystem durch eine Austrittsöffnung für die erzeugten Fluid-Druckwellen kommuniziert.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der WO 2006/097887 A1 bekannt.
Um Werkstücke effizient mit Fluidstrahlen zu bearbeiten, z.B. mit Wasserstrahlen, müssen herkömmlich sehr hohe Drücke erzeugt werden, die 3000 bar betragen können oder noch höher liegen. Das erfordert sehr viel Energie. Das Bearbeiten von Werkstücken mit Korund und Sand verursacht andererseits unerwünschte Rückstände. Im Vergleich zu den vorgenannten Bearbeitungsverfahren hat die spanabhebende, mechanische Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen beispielsweise bei Werkstoffen mit hoher Härte ins- besondere den Nachteil, dass Sie wegen des Verschleißes der Schneiden relativ teuer ist.
Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Vorrichtung für das effiziente Bearbeiten der Oberfläche von Werkstücken mit Fluidstrahlen bereitzustellen, die mit vergleichsweise niedrigen Fluiddrücken arbeiten kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung be- reitzustellen, mit der die Oberfläche von Werkstücken für das Beschichten aktiviert werden kann und/oder die ein Bearbeiten von auf Werkstücke aufgetragenen Beschichtungen ermöglicht wie z.B. das Abtragen von Overspray und / oder das Abtragen von Schichten auf Werkstücken ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die eine Einsteileinrichtung für das Justieren der Amplitude der Fluid- Druckwellen in dem Leitungssystem vor dem wenigstens einen Düsenmund enthält, mit der die aus dem Quotient der Weglänge L für die Fluid- Druckwellen zwischen der Austrittöffnung der Kammer und dem wenigstens einen Düsenmund der wenigstens einen Düse in dem Leitungssystem und der Wellenlänge λ der Fluid-Druckwellen in dem Leitungssystem gebildete Helmholtz-Zahl He:= L / λ eingestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere dazu, eine Werkstückoberfläche mit Fluid in Form von Waschlauge und/oder Wasser und/oder Emulsion, insbesondere Wasser-Öl-Emulsion und/oder Öl zu beaufschlagen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass sich durch Einkoppeln von Schwingungsenergie in Form von Druckwellen in einen Fluidstrahl, insbesondere in einen Fluidstrahl, der mit einem erhöhten Druck beaufschlagt ist, der 20 bar, 30 bar oder auch mehr betragen kann, Fluidpulse erzeugen lassen, bei denen die Schwingungsenergie in Bewegungsenergie umgewandelt ist. Eine Idee der Erfindung ist dabei, dass die durch Erzeugen von Druckwellen auf das Fluid übertragbare Bewegungsenergie maximiert werden kann, indem sichergestellt wird, dass die Reflexionen von Druckwellen in einem Leitungssystem für das Zuführen von mit Druck beaufschlagtem Fluid zu einer Düse die erzeugten Druckwellen nicht auslöschen sondern auf- grund von Interferenz verstärken. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann deshalb das Verhältnis der wirksamen Weglänge, welche die Druck- wellen in dem Leitungssystem von der Austrittöffnung der Kammer bis an den Düsenmund einer Düse zurücklegen und der Wellenlänge der Fluid- Druckwellen, d.h. eine die Fluid-Druckwellen in dem Leitungssystem charakterisierende Helmholtz-Zahl eingestellt werden.
Für das Einstellen dieser Helmholtz-Zahl kann das Leitungssystem ein erstes Leitungsstück enthalten und ein wenigstens teilweise in dem ersten Leitungsstück aufgenommenes und mit diesem kommunizierendes zweites Leitungsstück aufweisen, das relativ zu dem ersten Leitungsstück in dessen Längsrichtung verlagert werden kann. Von Vorteil ist es in diesem Fall, wenn das zweite Leitungsstück z.B. mit einem Gewinde an dem ersten Leitungsstück linearbeweglich geführt ist. Günstigerweise ist dabei eine Festlegeeinrichtung vorgesehen, mit der das zweite Leitungsstück an dem ersten Leitungsstück festgelegt werden kann.
Um die Helmholtz-Zahl einzustellen, kann die Vorrichtung alternativ oder zusätzlich auch Frequenzeinstellmittel enthalten, die das Einstellen der Frequenz der erzeugten Fluiddruckwellen ermöglicht. Durch das Variieren der Frequenz der Fluid-Druckwellen wird nämlich auch deren Wellenlänge in dem Fluid verändert.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können Werkstücke insbesondere ohne Abrasivzusätze aufgeraut und gereinigt werden. Das Leitungssystem weist in vorteilhafter Weise einen ersten Leitungssystemabschnitt mit einem Anschluss für eine Druckpumpe auf und hat einen zweiten Leitungssystemabschnitt mit einer Aufnahme für die Düse. Es ist von Vorteil, wenn der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt mit einem Drehgelenk verbunden sind. Indem der zweite Leitungssystemabschnitt in dem Drehgelenk relativ zu dem ersten Leitungssystemabschnitt um eine zu der Achse eines in dem zweiten Abschnitt ausgebildeten Fluidkanals koaxia- le Achse oszillierend und/oder rotierend bewegt werden kann, ist es möglich, in der Oberfläche einer Werkstückbohrung regelmäßige oder unregelmäßige Strukturen zu erzeugen. Bevorzugt enthält die Vorrichtung für das Bewegen des zweiten Leitungssystemabschnitts einen motorischen Antrieb.
Günstigerweise hat das Leitungssystem einen ersten Leitungssystemabschnitt mit einem Anschluss für eine Druckpumpe und weist einen zweiten Leitungssystemabschnitt auf, in dem mehrere Düsen mit jeweils einem Düsenmund angeordnet sind, die durch voneinander getrennte Leitungszweige mit Fluid beaufschlagbar sind. In den voneinander getrennten Leitungszweigen zu den Düsen ist jeweils eine in der Länge verstellbare Leitung für mit Druck beaufschlagtes Fluid angeordnet. Durch Verstellen der Leitung kann die Weglänge von in der Kammer erzeugten Fluid-Druckwellen zwischen dem Düsenmund und der Austrittsöffnung für Fluid-Druckwellen der Kammer justiert werden.
Indem der wirksame Querschnitt der Leitungen in dem Leitungssystem zwischen der Austrittsöffnung für Fluid-Druckwellen der Kammer und dem Düsenmund der Düse vorzugsweise monoton abnimmt, wird gewährleistet, dass die Amplitude der Druckwellen in der Strömungsrichtung des Fluids zu dem Düsenmund hin ansteigt. Damit etwaige Luftblasen in der Kammer entfernt werden können, ist ein Entlüftungsventil von Vorteil. Bevorzugt ist dieses Entlüftungsventil so angeordnet, dass auch bei einem Verlagern der Vorrichtung diese Luftblasen entweichen können. Hierzu kann das Entlüf- tungsventil beispielsweise in einem oberen Deckenabschnitt der Kammer aufgenommen sein.
Die Kammer kann eine von der Austrittsöffnung getrennte Öffnung für das Zuführen von Hochdruck-Fluid haben. Das ermöglicht ein effizientes Zufüh- ren von Fluid in die Kammer. Um zu gewährleisten, dass die der Druckwellenerzeugungseinrichtung zugeführte Energie mit einem guten Wirkungs- grad in Druckwellen gewandelt wird, ist es von Vorteil, wenn sich die Druckwellenerzeugungseinrichtung in einem Totwassergebiet der Kammer befindet. Um die in das Fluid eingekoppelten Druckwellen zu verstärken, hat die Kammer einen Querschnitt, der in Richtung der Austrittöffnung trichterförmig verjüngt ist. Es ist von Vorteil, in der Kammer einen Sensor für das Erfassen von Druckwellen vorzusehen, damit die Druckwellenerzeugung dort überwacht werden kann. Der Sensor ist dabei günstigerweise als Drucksensor ausgebildet und in einem Abschnitt der Kammer angeordnet, der sich in der Richtung der Austrittsöffnung trichterförmig verjüngt.
Die wenigstens eine Düse kann eine Düsenkammer aufweisen, deren Querschnitt zu dem Düsenmund hin verjüngt ist. Umfangreiche Versuche haben ergeben, dass mit der Düse Fluidpulse mit einer sehr großen Bewegungsenergie erzeugt werden können, wenn die Düsenkammer vor dem Düsenmund einen konisch verjüngten Abschnitt mit einem stumpfen Öffnungswinkel α hat, vorzugsweise einem Öffnungswinkel α im Bereich 105° < α < 180°. Bevorzugt hat die wenigstens eine Düse eine zylinderförmige, vorzugsweise kreiszylinderförmige Düsenkammer mit einer stirnseitig angeordneten Öffnung in den Düsenmund. Die mit einer solchen Düse erzeugbaren Fluidpulse eignen sich besonders gut für den Materialabtrag bei Aluminiumwerkstoffen. Eine solche Düse ermöglicht aufgrund von Kavitation das Ausbilden von für das Abtragen von Material besonders gut geeigneten Fluid-Tropfen, die dann in dem pulsierenden Fluidstrahl enthalten sind.
Indem eine Einrichtung für das Erzeugen eines den pulsierenden Fluidstahl wenigstens abschnittsweise umhüllenden Gasstroms vorgesehen ist, können mit dem pulsierenden Fluidstrahl in Flüssigkeit eingetauchte Werkstücke bearbeitet werden. Hier wird mit dem Gasstrom, der den Hochdruck- Fluidstrahl umgibt, gewährleistet, dass die Flüssigkeit, in die das Werkstück eingetaucht ist, den Fluidstrahl nicht abbrennst. Die das Werkstück umgebene Flüssigkeit bewirkt dabei vorteilhaft das Abdämpfen von Geräuschen. Umfangreiche Versuche haben ergeben, dass wenn die wenigstens eine Düse einen zu dem Werkstück weisenden kelchförmigen Abschnitt hat, in dem der pulsierende Fluidstrahl aus dem Düsenmund austritt und dessen Öffnungsquerschnitt in der zu dem Werkstück weisenden Richtung sich aufweitet, eine besonders gute Reinigungswirkung für das Werkstück erzielt werden kann. Um eine möglichst große Werkstückoberfläche reinigen zu können, ist es günstig, wenn die wenigstens eine Düse in der Form eines Düsenrechens ausgebildet ist, der mehrere Düsenmünder aufweist.
Es ist von Vorteil, eine Anlage mit einer Vorrichtung für das Erzeugen eines Fluidstrahls mit einer Aufnahmeeinrichtung für Werkstücke auszubilden, in der die Werkstücke mit einem pulsierenden Fluidstrahl beaufschlagbar sind, und mit einer Fluid-Sammeleinrichtung, um von der Vorrichtung freigesetztes Fluid zu sammeln, die mit einer Druckpumpe verbunden ist, um das gesammelte Fluid in die Vorrichtung zurückzuführen. Indem die Anlage eine Messeinrichtung für das Erfassen von mit einem Fluidstrahl von einem Werkstück abgetragenen Material enthält, ist es möglich, den mit dem pulsierenden Flu- idstrahl bewirkten Materialabtrag zu überwachen.
Um für bestimmte Anwendungen die physikalischen Eigenschaften von Bauteilen zu modifizieren, etwa um deren mechanische und thermische Belastbarkeit in Brennkraftmaschinen zu erhöhen, werden diese an bestimmten Stellen mit hochwertigen Beschichtungen veredelt.
Diese Beschichtungen erfordern im Regelfall, dass die Oberfläche dieser Baugruppen für das Beschichten vorbereitet wird, d.h. üblicherweise aufge- raut bzw. aktiviert wird. Hierzu ist es bekannt, die Werkstücke mit Korund- strahlen oder Sandstrahlen zu bearbeiten. Darüber hinaus kann die Oberflä- che solcher Werkstücke zur Vorbereitung für das Beschichten auch spanabhebend mittels Schneidwerkzeugen mechanisch bearbeitet werden.
Eine Idee der Erfindung vor diesem Hintergrund ist auch, dass mit einem pulsierenden Fluidstrahl in der Oberfläche eines Werkstücks Strukturen erzeugt werden können, die das Anhaften einer Beschichtung auf der Oberfläche verbessern und insbesondere ermöglichen, dass die Beschichtung mit sehr großen Scherkräften belastet werden kann. Es hat sich nämlich z.B. gezeigt, dass insbesondere durch das Beschichten von Aluminiumwerkstoffen mittels thermischer Spritzverfahren, wie etwa Flammspritzen, Plasmaspritzen, atmosphärisches Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen, insbesondere die tribologischen Eigenschaften von Aluminiumbaugruppen signifikant verbessert werden können. Das Lichtbo- gendrahtspritzen ermöglicht z.B., Aluminiumbaugruppen mit einer Eisenbasislegierung zu beschichten, die einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,8 und 0,9 Gewichtsprozent hat und die dispergierende reibungsmindernde Füllstoffe in Form von Graphit, Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid enthält. Durch das Beschichten von Werkstoffen lässt sich auch das Gewicht von Motorkomponenten verringern, und es werden kompakte Bauformen ermöglicht, etwa Zylinderkurbelgehäuse, in denen die Zylinderbohrungen im Vergleich zu herkömmlichen Gehäusen einen verringerten Abstand voneinander haben.
Es ist von Vorteil, eine oder auch mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen für das Erzeugen eines Fluidstrahls in einer Anlage für das Beaufschlagen von Werkstücken mit Fluid einzusetzen, die eine steuerbare Einrichtung für das Einstellen des Drucks von dem Leitungssystem zugeführtem Fluid ent- hält und die eine mit der Einrichtung für das Einstellen des Drucks und der Druckwellenerzeugungseinrichtung verbundene Rechnereinheit mit einem Datenspeicher hat, in dem ein Parameterkennfeld für das anwendungsspezifische Einstellen des Fluiddrucks und/oder der Amplitude und/oder der Frequenz der mit der Druckwellenerzeugungseinrichtung erzeugbaren Fluid- Druckwellen abgespeichert ist. In dem Paramterkennfeld kann auch eine günstige Düsen-Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit eines zu bearbeitenden Materials, insbesondere Substrats und/oder eine gegebene Werkstück-Geometrie und/oder eine Werkstück-Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere eine Werkstück-Oberflächenrauhigkeit, und/oder eine Art einer Werkstück-Verschmutzung und/oder ein Bearbeitungsabstand eines zu be- arbeitenden Werkstücks von dem wenigstens einen Düsenmund der Vorrichtung abgespeichert sein. Darüber hinaus kann in dem Parameterkennfeld auch ein vorteilhafter Winkel eines mit einer entsprechenden Vorrichtung erzeugten pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls zu einer Werkstückoberfläche hinterlegt sein.
Bevorzugt enthält eine solche Anlage einen Manipulator, um ein mit Fluid zu beaufschlagendes Werkstück relativ zu der Vorrichtung oder die Vorrichtung relativ zu dem Werkstück zu bewegen. Der Manipulator kann völlig freie Bewegungen, insbesondere lineare Bewegungen oder freie Kurvenbewegun- gen vollführen. Insbesondere ist als Manipulator ein Knickarmroboter mit sechs Bewegungsachsen vorgesehen.
Eine Idee der Erfindung ist auch, mit einem pulsierenden Fluidstrahl, z.B. mit einer erfinderischen Vorrichtung erzeugt werden kann, eine Oberfläche ei- nes Werkstücks für das Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen zu aktivieren bzw. für ein Verkleben vorzubereiten. Außerdem ist es eine Idee der Erfindung, mit einem solchen pulsierenden Fluidstrahl eine mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen erzeugte Werkstückoberfläche zu bearbeiten. Eine Erkenntnis der Erfindung ist insbesondere, dass das Vorbereiten der Wandung einer Bohrung in einem Werkstück, insbesondere die Hafteigenschaften einer mittels Lichtbogendrahtspritzen erzeugten Werkstückoberfläche optimiert werden kann, wenn die Düse unter Erzeugen eines unter ei- nem Winkel ß mit 0° < ß < 60°, vorzugsweise ß ~ 45°, zu der örtlichen Flächennormalen der Wandung geneigten Richtung mit einem pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahl beaufschlagt wird, und die Düse dabei relativ zu dem Werkstück um die Achse der Bohrung rotatorisch bewegt und in der Richtung der Achse der Bohrung translatorisch verlagert wird. Der Abstand der Düsenöffnung zur Werkstückoberfläche beträgt dabei günstiger Weise zwischen 10 mm und 150 mm.
Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass sich ein Abschnitt eines Werkstücks veredeln lässt, indem auf das Werkstück in einem ersten Schritt eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht wird und bei dem in einem zweiten Schritt die Beschichtung dann mittels eines pulsierenden Fluidstrahls bearbeitet und/oder partiell wieder abgetragen wird. Dieser Fluidstrahl kann insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden. Die Erfinder haben auch erkannt, dass die Oberfläche eines Werkstücks mittels eines pulsierenden Fluidstrahls aktiviert werden kann, insbesondere mittels eines pulsierenden Fluidstrahls, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt wird, um damit die Hafteigenschaften für die Beschichtung auf der Oberfläche und die mechanische bzw. thermische Belastbarkeit der Beschichtung zu steigern. Insbesondere ist es eine Erkenntnis der Erfinder, dass sich mittels eines pulsierenden Fluidstrahls, der z.B. mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden kann, die Oberfläche eines wenigstens teilweise aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegieren bestehenden Werkstücks aktivieren lässt, um auf dieser mittels thermischer Spritzverfahren (Lichtbogendrahtspritzen, LDS, Plasmaspritzen usw.) eine Oberflächenbeschichtung aus eisenhaltigem Material aufzutragen und dann mit einem pulsierenden Fluidstrahl, z.B. aus ei- ner erfindungsgemäßen Vorrichtung zu bearbeiten. Eine Erkenntnis der Erfinder ist auch, dass sich mittels eines pulsierenden Fluidstrahls, der z.B. mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden kann, auch die Oberfläche eines wenigstens teilweise aus Stahl oder Grauguss bestehenden Werkstücks aktivieren lässt, um auf dieser mittels Laserdrahtschweißen eine Oberflächenbeschichtung aus nickelhaltigem Material aufzutragen. Darüber hinaus ist es eine Idee der Erfinder, dass eine auf einem aus Stahl oder Grauguss, aus Aluminium, aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Magnesium-Legierung bestehendem Werkstück angebrachte Beschichtung in Form von mittels Laserdrahtschweißen aufgetragenem eisenhaltigen oder nickelhaltigen Material mit einem pulsierenden Fluidstrahl bearbeitet werden kann, insbesondere mit einem pulsierenden Fluidstrahl aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Rahmen der Erfindung kann insbesondere vorgesehen sein, eine Oberflächenbeschichtung zuerst großflächig aufzutragen und dann nachfolgend in Randbereichen kleinflächig wieder zu entfernen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schemati- scher Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Anlage mit einer Vorrichtung für das Erzeugen eines pulsie- renden Fluidstrahls mit einem Werkstück;
Fig. 2 eine Kammer für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen in der Vorrichtung; Fig. 3 eine in der Länge verstellbare Leitung der Vorrichtung für mit
Druck beaufschlagtes Fluid; Fig. 4 eine in der Vorrichtung einsetzbare Düse;
Fig. 5 eine weitere in der Vorrichtung einsetzbare Düse;
Fig. 6 eine in der Vorrichtung einsetzbare Düse mit einem Strahlrichter;
Fig. 7 einen Schnitt der in Fig. 6 gezeigten Düse entlang der Linie VII - VII;
Fig. 8 eine Vorrichtung für das Erzeugen eines pulsierenden Hochdruck- Fluidstrahls mit in einem Revolver angeordneten Düsen;
Fig. 9 einen Abschnitt einer Vorrichtung für das Erzeugen eines in einen
Gasstrom eingehüllten pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls;
Fig. 10 einen Abschnitt einer weiteren Vorrichtung für das Erzeugen eines in einen Gasstrom eingehüllten pulsierenden Hochdruck- Fluidstrahls mit einer Düse;
Fig. 1 1 eine Vorrichtung für das erzeugen eines pulsierenden Hochdruck- Fluidstrahls mit einem Düsenrechen; und
Fig. 12 einen Schnitt der in der Fig. 1 1 gezeigten Vorrichtung entlang der
Linie XII - XII.
Die Anlage 10 in Fig. 1 ist für das Aktivieren der Oberfläche 12 einer zylinderförmigen Ausnehmung 14 in einem Werkstück 15 mittels pulsierender Fluidstrahlen 16, 18 aus Wasser ausgelegt. Für das Erzeugen der Fluidstrahlen 16, 18 hat die Anlage 10 eine Vorrichtung 20 mit einer Kammer 22, in der eine Einrichtung 24 für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen 32 ausgebildet ist. Die Einrichtung 24 ist an einen steuerbaren Frequenzgenerator 31 angeschlossen. Die Einrichtung 24 ent- hält einen Piezokristall 28, der als elektromechanischer Wandler wirkt und mit einer Sonotrode 30 verbunden ist. Wenn die Kammer 22 mit Wasser gefüllt ist, können mit der Sonotrode 30 in dem Wasser Druckwellen 32 mit einer Frequenz v erzeugt werden, die bevorzugt in dem Bereich 10 kHz < v < 50 kHz liegt.
Für das Erzeugen von Druckwellen wird der Piezokristall 28 mit einer hochfrequenten Wechselspannung aus einem Frequenzgenerator 31 beaufschlagt. Der Frequenzgenerator 31 ist für das Erzeugen von Ultraschallfrequenzen ausgelegt, bevorzugt Ultraschallfrequenzen in dem Bereich 10 kHz < v < 50 kHz. Durch Einstellen der Frequenz v und der Amplitude AP der mit dem Frequenzgenerator 31 erzeugten Wechselspannung kann die Wellenlänge λ der Druckwellen 32 in dem Leitungssystem 36 variiert werden.
Die Kammer 22 ist bevorzugt auf einen Wellenlängenbereich der mit der Sonotrode 30 erzeugbaren Fluid-Druckwellen 32 abgestimmt. Für Fluid- Druckwellen 32 in diesem Wellenlängenbereich wirkt die Kammer 22 dann als Resonanzkammer.
Die Kammer 22 hat eine Austrittsöffnung 34 zu einem Leitungssystem 36, das die Kammer 22 mit Düsen 38, 40 verbindet. Das Leitungssystem 36 hat einen kammerseitigen Abschnitt 42 und umfasst einen düsenseitigen Abschnitt 44. Der kammerseitige Abschnitt 42 und der düsenseitige Abschnitt 44 sind mittels eines Drehgelenks 46 verbunden. In dem Drehgelenk 46 kann der düsenseitige Abschnitt 44 mittels eines motorischen Drehantriebs 48 um eine zu dem Fluidkanal 50 koaxiale Achse 52 oszillierend und/oder rotierend mittels eines Antriebsmotors 54 motorisch bewegt werden. Die Düsen 38, 40 befinden sich in dem düsenseitigen Abschnitt 44 des Leitungssystems 36 in Leitungszweigen 56, 58, die voneinander getrennt sind. Der in dem düsenseitigen Abschnitt 44 ausgebildete Fluidkanal 60 ist in die Leitungszweige 56, 58 verzweigt.
In dem Leitungszweig 56 und dem Leitungszweig 58 gibt es jeweils einen Leitungsabschnitt mit einer in der Länge verstellbaren Leitung 62, 64. Die verstellbare Leitung 62, 64 enthält ein erstes Leitungsstück 66, 68 und hat ein wenigstens teilweise in dem ersten Leitungsstück 66, 68 aufgenommenes und mit diesem kommunizierendes zweites Leitungsstück 70, 72. Das zweite Leitungsstück 70, 72 kann relativ zu dem ersten Leitungsstück 66, 68 in der Längsrichtung 74, 76 entsprechend dem Doppelpfeil 78, 80 koaxial verlagert werden.
In dem zweiten Leitungsstück 70, 72 ist jeweils eine der Düsen 38, 40 aufgenommen. Durch Verlagern des zweiten Leitungsstücks 70, 72 relativ zu dem ersten Leitungsstück 66, 68 kann die wirksame Weglänge 26 für Druckwellen 32 zwischen der Austrittsöffnung 34 und der dem Werkstück abgewandten Seite des Düsenmunds 82, 84 der Düsen 38, 40 justiert werden. Das Bewegungsspiel für das Leitungsstück 70, 72 ist dabei auf die Wellenlänge der Druckwellen 32 abgestimmt. Das Bewegungsspiel beträgt günstigerweise mindestens eine halbe Wellenlänge der Druckwellen 32. Es liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 40 mm und 300 mm. Auch in dem Abschnitt 42 des Leitungssystems 36 kann die Leitung 43 mittels einer Versteileinrichtung 47 relativ zu der Leitung 45 koaxial translatorisch verlagert werden. Die Versteileinrichtung 47 ermöglicht ein Einstellen der wirksamen Weglänge 26 für die Druckwellen 32 in dem Leitungssystem 36. Die Versteileinrichtung 47 kann mittels eines (elektro)motorischen Antriebs (nicht dar- gestellt) eingestellt werden. Durch Verstellen der wirksamen Weglänge 26 der Druckwellen 32 in dem Leitungssystem 36 lässt sich erreichen, dass die Druckwellen 32 unmittelbar vor der dem Werkstück abgewandten Öffnung des Düsenmunds der Düsen 38, 40 einen Schwingungsbauch haben.
Die Versteileinrichtung 47 wirkt damit als Einsteileinrichtung für das Justie- ren, d.h. Einstellen der Amplitude AP der Fluid-Druckwellen 22 in dem Leitungssystem 36 vor dem wenigstens einen Düsenmund 125. Mit der Versteileinrichtung 47 kann eine aus dem Quotienten der Weglänge L für die Fluid- Druckwellen 32 zwischen der Austrittöffnung 34 der Kammer 22 und dem wenigstens einen Düsenmund 125 der wenigstens einen Düse 38, 40 in dem Leitungssystem 36 und der Wellenlänge λ der Fluid-Druckwellen 22 in dem Leitungssystem 36 gebildete Helmholtz-Zahl He:= L / λ eingestellt werden. Auch die verstellbaren Leitungen 62, 64 wirken jeweils als Einstelleinrich- tung für das Steuern der Amplitude AP von Fluid-Druckwellen 32 vor dem entsprechenden Düsenmund der Düse 38, 40.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind der kammerseitige Abschnitt und der düsenseitige Abschnitt einstückig ausgeführt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist der düsenseitige Abschnitt translatorisch verschiebbar an dem kammerseitigen Abschnitt gelagert, ohne das ein Drehgelenkt mit einem Drehantrieb vorgesehen ist. Die Translationsbewegung des düsenseitigen Abschnitts wird dabei manuell und/oder mittels Federkraft, mittels eines Elektromagneten und/oder mittels eines elektrischen Linearmotors realisiert. Der einstellbare Frequenzgenerator 31 ist ebenfalls eine solche Einsteileinrichtung. Durch Variieren der Frequenz v der mittels des Frequenzgenerators 31 erzeugten Wechselspannung ist es möglich, die Wellenlänge λ der Druckwellen 32 in dem Leitungssystem 36 und damit die Amplitude AP der Fluid-Druckwellen 22 in dem Leitungssystem 36 z.B. vor dem Düsenmund 125 einzustellen. Ausgehend von der Austrittsöffnung 34 der Kannnner 22 nimmt der wirksame Leitungsquerschnitt 86, 88 der Leitungen in dem Leitungssystem 36 zu dem Düsenmund 82, 84 der Düsen 38, 40 hin monoton ab. Dies bewirkt, dass die Schwingungsamplitude für den Druck einer Druckwelle 32 in der Richtung des entsprechend dem Pfeil 90 durch das Leitungssystem 36 geführten Flu- idstroms zu den Düsen 38, 40 hin ansteigt.
Es sei bemerkt, dass die Vorrichtung 20 in einer weiteren modifizierten Ausführungsform mit nur einer Düse oder auch mit einer Vielzahl von Düsen ausgebildet werden kann.
In einer weiteren modifizierten Ausführungsform kann die Vorrichtung 20 mit einem Frequenzgenerator 31 ausgeführt werden, dessen Frequenz v variierbar ist, ohne dass das Leitungssystem in der Länge verstellbare Leitun- gen enthält.
Die Anlage 10 enthält eine Druckpumpe 91 und umfasst einen Behälter 92 mit einem trichterförmigen Auslass 93 für das Sammeln von Fluid, das aus den Düsen 38, 40 auf das Werkstück 15 gelangt. Mit der Druckpumpe 91 wird das Fluid für das Erzeugen von pulsierenden Fluidstrahlen in der Anlage 10 in einem Kreislauf umgewälzt. Die Druckpumpe 91 ist so ausgelegt, dass damit in Kammer 22 ein Fluiddruck in dem Bereich zwischen 40 bar und 150 bar und vorzugsweise ein Fluiddruck in der Größenordnung von 100 bar erzeugt und eingestellt werden kann. Durch Einstellen des Fluid- drucks in der Kammer 22, der Frequenz v und der Amplitude AP der Druckwellen kann die Größe und der gegenseitige Abstand von Flüssigkeitströpfchen in aus der Düse 38, 40 austretenden Fluidstrahlen 16, 18 variiert werden. In einer modifizierten Ausführungsform kann die Anlage 10 anstelle der Druckpumpe 91 auch eine Einrichtung mit einer Hochdruckpumpe für das Zuführen von mit Hochdruck beaufschlagtem Fluid in das Leitungssystem 36 der Vorrichtung enthalten, die einen Fluiddruck gewährleistet, der bis zu 3000 bar betragen kann. Um das Fluid in der Anlage mit hohem Druck zu beaufschlagen, ist insbesondere eine Hochdruckpumpe geeignet, die einen Fluiddruck zwischen 300 bar und 600 bar zur Verfügung stellt.
Die Fig. 2 zeigt die Kammer 22 für das Erzeugen der Fluid-Druckwellen 32 in der Vorrichtung 10. Die Kammer 22 hat eine Öffnung 94 für das Zuführen von mit Druck beaufschlagtem Fluid aus der Hochdruckpumpe 91 . Die Öff- nung 94 ist von der Austrittsöffnung 34 getrennt in einem seitlichen Abschnitt der Kammer 22 angeordnet. Die Kammer 22 kann durch eine Öffnung 96 mit einem steuerbaren Entlüftungsventil 98 entlüftet werden.
Die Sonotrode 30 befindet sich in der Kammer 22 in einem Totwassergebiet 33 in Abstand von der Strömung 35 des durch die Öffnung 94 in die Kammer 22 zugeführten Fluids in die Richtung der Austrittöffnung 34.
Zu der Austrittöffnung 34 ist die Kammer 22 in dem Abschnitt 99 mit einem trichterförmig verjüngten Querschnitt ausgebildet. In dem Abschnitt 99 wird die Amplitude AP der mit der Sonotrode 30 der Einrichtung 24 erzeugten Druckwellen 32 verstärkt. Die Grafik 100 in Fig. 2 zeigt mit der Kurve 101 die Amplitude des Drucks einer Druckwelle 32 in der Kammer 22 in Abhängigkeit des Abstands z von der Fläche 26 der Sonotrode 28. Durch das Einstellen des Drucks P und der Amplitude AP der Druckwellen in der Kammer 22 kann die Strömungsgeschwindigkeit und die Gestalt des mit den Düsen 38, 40 erzeugten pulsierenden Fluidstrahls eingestellt werden.
In der Kammer 22 befindet sich günstiger Weise ein Drucksensor 102. Der Drucksensor 102 ist in dem Abschnitt 99 der Kammer 22 angeordnet. Der Drucksensor 102 ist mit einer Messeinrichtung 103 verbunden, die eine An- zeigeeinheit 105 hat. Mit dem Drucksensor 102 können die Druckschwankungen erfasst werden, die von den in der Kammer 22 erzeugten Druckwellen 32 in dem Abschnitt 99 hervorgerufen werden. Die Anzeigeeinheit 105 ermöglicht damit einer Bedienperson, die Funktion der Vorrichtung 20 zu überwachen. Alternativ oder zusätzlich kann die Anlage 10 für die Funktionsüberwachung der Vorrichtung 20 auch einen mit der Messeinrichtung 103 verbundenen Leitrechner 134 enthalten, der die Einrichtung 24 für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen 32 und die Druckpumpe 91 in Abhängigkeit des mit dem Drucksensor 102 erfassten Druckschwankungssignals steuert.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Funktion der Vorrichtung 20 in der Anlage 10 zu überwachen, indem z.B. der pulsierende Fluidstrahl 16, 18, der aus den Düsen 38, 40 austritt, einer Erosionsmesseinrichtung zugeführt wird (nicht gezeigt). Diese Erosionsmesseinrichtung enthält eine Testmembran, auf die der Fluidstrahl gerichtet wird. Bei einer einwandfreien Funktion der Vorrichtung 20 wird von dieser Testmembran eine bestimmte Materialmenge pro Zeiteinheit abgetragen. Um den Materialabtrag von dieser Testmembran zu erfassen, enthält die Erosionsmesseinrichtung einen Tastsensor.
Weiter alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, an einem Bypass zum Ablauf 93 eine Messeinrichtung zu installieren, die abgeschiedene bzw. abgetragene Partikel detektiert (z.B. ein magnetischer oder optischer Partikelzähler), so dass auf diese Weise die Funktion der Vorrichtung 20 überwacht werden kann.
Es ist außerdem von Vorteil, wenn der Leitrechner 134 einen Datenspeicher 135 enthält, in dem ein Parameterkennfeld 136 für das anwendungsspezifische Einstellen des Fluiddrucks P und/oder der Amplitude AP und/oder der Frequenz v der mit der Druckwellenerzeugungseinrichtung erzeugbaren Fluid-Druckwellen 32 und/oder einer Düsen-Rotationsgeschwindigkeit aufgrund einer über eine Eingabeeinheit 137 der Rechnereinheit 136 eingegebene werkstückspezifische Anwendung der Vorrichtung 20 abgelegt ist. Das Pa- rameterkennfeld 136 stellt insbesondere Informationen über einen z.B. empirisch ermittelten Zusammenhang zwischen den vorgenannten Betriebskenn- zahlen und wenigstens einem der folgenden Anwendungsparameter ein:
Art des zu bearbeitenden Materials oder Substrats, Werkstück-Geometrie, Soll-/lst-Werkstück-Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Werkstück- Oberflächenrauhigkeit, Art einer Werkstück-Verschmutzung (z.B. chemische Zusammensetzung oder Härte), Bearbeitungsabstand eines zu bearbeitenden Werkstücks für einen bestimmten Düsendurchmesser von dem Düsenmund der Düsen 38, 40.
Um die Anlage 10 zu steuern, ist der Leitrechner 134 über eine Steuerlei- tung 138 mit der Druckpumpe 91 verbunden und über Leitungen 139, 140 an die Messeinrichtung 103 und den Frequenzgenerator 31 angeschlossen. Mit dem Leitrechner 134 kann z.B. der mit der Druckpumpe erzeugbare Druck so geregelt werden, dass ein Verschleiß der in der Vorrichtung 20 eingesetzten Düsen durch Erhöhen des Pumpendrucks ausgeglichen wird.
Die Fig. 3 zeigt den Abschnitt III der Fig. 1 mit der in der Länge verstellbaren Leitung 62 in der Vorrichtung 20 in einer vergrößerten Ansicht. Das zweite Leitungsstück 70 ist in ein Gewinde 104 an dem ersten Leitungsstück 66 eingeschraubt. Das Gewinde 104 ist ein Feingewinde. In dem Gewinde 104 kann das zweite Leitungsstück 70 relativ zu dem ersten Leitungsstück 66 entsprechend dem Doppelpfeil 106 koaxial verlagert werden. Das zweite Leitungsstück 70 kann mit einer auf dem als Feingewinde ausgeführten Gewinde 108 des zweiten Leitungsstücks 70 angeordneten Kontermutter 1 10 an dem ersten Leitungsstück 66 festgelegt werden. Das zweite Leitungs- stück 70 durchgreift einen in dem ersten Leitungsstück 66 angeordneten Dichtring 1 12, der das Austreten von Fluid zwischen dem ersten Leitungsstück 66 und dem zweiten Leitungsstück 70 verhindert.
An dem zweiten Leitungsstück 70 ist die Düse 36 aufgenommen. Die Düse 36 hat einen außenseitigen Flansch 1 14, der mittels einer Überwurfmutter 1 16 gegen einen an der Stirnseite 1 18 des zweiten Leitungsstücks 70 angeordneten Dichtungsring 1 19 gedrückt wird.
Die Fig. 4 zeigt eine weitere Düse 39 für den Einsatz in der Vorrichtung. Die Düse 39 hat einen Düsenkörper 120 mit einer Düsenkammer 122 und einem Düsenmund 125. Der Düsenmund125 hat eine Länge LM, die bevorzugt etwa 6 mm beträgt. Der Düsenmund 125 hat günstigerweise die Form eines Hohlzylinders. Der Hohlzylinder hat einen Durchmesser DM, der bevorzugt in dem Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm liegt und vorteilhafterweise 1 mm be- trägt. In dem zu dem Düsenmund 125 weisenden Abschnitt 126 ist die Düsenkammer 122 mit einem zu dem Düsenmund 125 konisch verjüngten Querschnitt ausgebildet. Der Öffnungswinkel α des Konus in dem Abschnitt 126 mit konisch verjüngtem Querschnitt ist stumpf. Vorzugsweise gilt für den Öffnungswinkel a: 105° < a < 180°. Mit einem nahe bei 180° liegenden Öff- nungswinkel des Konus in dem Abschnitt 126 kann der pulsierende Hoch- druck-Fluidstrahl mit Fluidtröpfchen erzeugt werden, die eine für das Abtragen von Material besonders günstige Form haben. Mit der Düse 39 können dann schon bei einem Fluiddruck in einem Bereich zwischen 300 bar und 600 bar Hochdruck-Fluidstrahl-Pulse mit Flüssigkeitstropfen erzeugt werden, deren Bewegungsenergie so groß ist, dass damit insbesondere an metallischen Werkstoffen ein effizienter Materialabtrag möglich ist.
In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Öffnungswinkel α größer als 180°, insbesondere bis 240° gewählt. In diesem Fall ent- steht im Düsenmund verstärkt Kavitation, was wiederum eine Tropfenbildung am Düsenaustritt besonders begünstigt. Die Fig. 5 zeigt eine Düse 150, die einen Düsenkörper 151 mit einer als Kreiszylinder ausgebildete Düsenkammer 152 aufweist. Die Düsenkammer 152 hat eine axial angeordnete stirnseitige Öffnung 154 in den Düsenmund 156. Der Düsenmund 156 ist als Bohrung gestaltet. Der Durchmesser DB der Bohrung des Düsenmunds beträgt etwa 1/3 des Durchmessers Dz der Düsenkammer. Der Düsenmund 156 hat eine Länge LM, die etwa 6 mm beträgt. Der Einsatz einer solchen Düse in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 20 ermöglicht schon bei einem Fluiddruck in der Größenordnung von 60 bar das Erzeugen von pulsierenden Fluidstrahlen aus Wasser, mit denen metallische Werkstoffe bei einem schnellem Materialabtrag bearbeitet werden können.
Als Düsen für den Einsatz in der Vorrichtung 20 eignen sich grundsätzlich auch sogenannte Flachstrahldüsen, Sterndüsen, Quadratdüsen, Dreiecksdüsen oder auch Düsen, die einen Fluidstrahl in Form eines Rundstrahls erzeugen.
Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist, dass bei einem Betrieb mit Hochdruck-Flüssigkeit in den Düsen keine oder nur geringe Kavitation auftritt, so dass dann der Verschleiß von Düsen in der Vorrichtung vergleichsweise gering ist.
Die Fig. 6 zeigt eine weitere Düse 170 für den Einsatz in der Vorrichtung. Die Düse 170 hat einen Düsenkörper 171 mit einer Düsenkammer 172 und einem Düsenmund 173. Der Düsenmund hat eine Länge LM, die etwa 6 mm beträgt und einen Durchmesser DH s 1 mm. In dem zu dem Düsenmund 173 weisenden Abschnitt 174 ist die Düsenkammer 172 mit einem zu dem Düsenmund 173 konisch verjüngten Querschnitt ausgebildet. Der Öffnungswin- kel α des Konus in dem Abschnitt 173 mit konisch verjüngtem Querschnitt ist spitz. Ein günstiger Wert für den Öffnungswinkel α des Konus ist: α ~ 58°. Die Düse 170 enthält einen Strahlrichter 175. Der Strahlrichter 175 unterbindet Verwirbelungen in dem mit Druck beaufschlagtem Fluid in der Düsenkammer 172. Die Fig. 7 zeigt einen Schnitt der Düse 170 entlang der Linie VII - VII in Fig. 6. Der Strahlrichter 175 trennt die Düsenkammer 172 in dem Abschnitt 176 in vier voneinander getrennte Strömungskanäle 177.
In der in Fig. 1 gezeigten Anlage 10 gibt es eine Einrichtung 130 für ein Auf- bereiten des in die Kammer 22 mit der Druckpumpe 91 zugeführten Fluids. In der Einrichtung 130 wird das in der Anlage 10 umgewälzte Fluid von Schmutzpartikeln befreit. Von einem Werkstück 15 abgelöste Partikel und Beschichtungsteile werden in der Anlage 10 mit Spüleinrichtungen (nicht dargestellt) aus dem Werkstück ausgespült und zusammen mit dem Fluid in einem Schmutztank in der Einrichtung 130 aufgefangen. Die Einrichtung 130 enthält ein Filtersystem. Mit diesem Filtersystem können aus dem der Einrichtung 130 zugeführten Fluid die von dem Werkstück abgelösten Partikel und Schmutzstoffe entfernt werden, damit die Vorrichtung 20 für das Erzeugen eines pulsierenden Fluidstrahls nicht beschädigt wird.
Die Fig. 8 zeigt eine Anlage 210 für das Aktivieren der Oberfläche 212 von Zylinderkopfbohrungen 214 in einem Zylinderkurbelgehäuse 215 mittels pulsierender Hochdruck-Wasserstrahlen 216. Die Baugruppen in der Anlage 210, die Baugruppen in der anhand der Fig. 1 bis Fig. 5 beschriebenen An- läge 10 entsprechen, sind in der Fig. 8 mit um die Zahl 200 erhöhten Zahlen-Bezugszeichen kenntlich gemacht. In der Anlage 210 gibt es mehrere zueinander benachbart angeordnete Vorrichtungen 220 für das Erzeugen eines pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls. In jeder der Vorrichtungen 220 ist das Leitungssystem 236 mit einem Werkzeugabschnitt 202 mit einem Werkzeugkopf 204 ausgebildet, in dem mehre- re Düsen 238, 240 aufgenommen sind. Der Werkzeugabschnitt 202 ist mittels einer automatisch betätigbaren Kupplungseinrichtung 206 in dem Leitungssystem 236 angeordnet. Die Kupplungseinrichtung 206 ermöglicht das automatische Auswechseln des Werkzeugabschnitts 202 mit einer Schnell- Wechseleinrichtung (nicht gezeigt), die ein Revolvermagazin hat, in dem unterschiedliche Werkzeugköpfe bereitgestellt werden, die in einer Vorrichtung 220 eingesetzt werden können.
Die Düsen 238, 240 können z.B. eine anhand der Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 beschriebene Geometrie haben. Der Werkzeugabschnitt 258 mit dem Werkzeugkopf 204 kann mittels eines nicht weiter gezeigten Antriebs um die Achse 229 rotiert werden. Die Düsen 238, 240 werden mit Wasser beaufschlagt, das der Vorrichtung 220 mit einer Hochdruckpumpe 291 zugeführt wird. Für das Einstellen der wirksamen Weglänge für in der Kammer 222 erzeugte Druckwellen enthält das Leitungssystem 236 der Vorrichtung 220 eine Versteileinrichtung 247.
In der Anlage 210 gibt es einen Industrieroboter 21 1 . Der Industrieroboter 21 1 ist ein Mehrachssystem-Manipulator für das Bewegen eines Werkstücks in Form eines Zylinderkurbelgehäuses 215 relativ zu der Vorrichtung 220. In einer alternativen Ausführungsform der Anlage 210 kann vorgesehen sein, mit einem solchen Industrieroboter die Vorrichtung 220 für das Erzeugen von pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahlen mittels einer Handhabungseinrichtung, insbesondere einem Industrieroboter, relativ zu dem Werkstück zu bewegen.
Mit dem Industrieroboter 21 1 werden die Zylinderkurbelgehäuse 215 zu der Vorrichtung 220 entsprechend dem Doppelpfeil 217 auf- und abgesenkt. Mit den pulsierenden Hochdruck-Wasserstrahlen 216 aus den in dem Revolver 227 angeordneten Düsen wird die Oberfläche des Materials in der Wandung der Zylinderkopfbohrungen 214 für eine Lichtbogen-Plasmabeschichtung aktiviert, indem in diese Oberfläche eine Haftstruktur eingebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass wenn der Hochdruck-Wasserstrahl mit einem unter dem Winkel ß mit 0° < ß < 60°, vorzugsweise ß ~ 45° zu der örtlichen Flächennormalen der Wandung geneigten Richtung mit einem pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahl beaufschlagt wird und dabei der Werkzeugkopf 204 in der Zylinderkopfbohrung 214 entsprechend dem Pfeil 221 rotatorisch bewegt und gleichzeitig in der Richtung der Achse der Bohrung entsprechend dem Doppelpfeil 223 translatorisch verlagert wird, Strukturen, etwa helixförmige Gewindestrukturen erzeugt werden können, auf denen eine mittels Flamm- spritzen, Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen in einer Zylinderkopfbohrung erzeugte Schicht besonders gut haftet. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auf besonders einfache Weise unterschiedliche Rauheitsgrade an unterschiedlichen bzw. benachbarten Stellen eines Werkstücks erzeugt werden. Insbesondere können auch mehr oder weniger glei- tende Übergänge zwischen Bereichen unterschiedlicher Rauhigkeit erzeugt werden.
Die Fig. 9 zeigt einen Abschnitt einer Vorrichtung 320 für das Erzeugen eines pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls 316, der in einen Gasstrom 317 eingehüllt ist. Die Baugruppen in der Vorrichtung 320, die Baugruppen in der anhand der Fig. 1 bis Fig. 4 beschriebenen Vorrichtung 20 entsprechen, sind in der Fig. 6 mit um die Zahl 300 erhöhten Zahlen-Bezugszeichen kenntlich gemacht. Das Einhüllen des pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls 316 in dem Gasstrom 317 ermöglicht das Bearbeiten von Werkstücken mit dem Hochdruck-Fluidstrahl 316, die in ein Flüssigkeitsbad eingetaucht sind.
Die Vorrichtung 320 hat eine an einem Leitungsstück 370 ausgebildete Düse 336. Das Leitungsstück 370 ist in dem Leitungsstück 366 linearbeweglich geführt. Es kann entsprechend dem Doppelpfeil 378 verlagert werden, damit die wirksame Weglänge von Druckwellen zwischen einer Kammer für das Erzeugen von Druckwellen (nicht gezeigt) und der dem Werkstück abgewandten Seite des Düsenmunds 325 eingestellt werden kann. Das Leitungsstück 370 ist in einer Düse 369 mit einer Düsenkammer 371 angeordnet, die eine Öffnung 373 für das Zuführen von mit Druck beaufschlagtem gasförmigen Medium aus einer Leitung 375 hat und die eine Aus- trittöffnung 377 aufweist, aus welcher der Gasstrom 317 austritt. Die Düsenkammer 369 und das Leitungsstück 370 können entsprechend dem Doppel- pfeil 379 zueinander verlagert werden. Durch das Verlagern der Düse 369 relativ zu der Düse 336 ist es möglich, die Form der Fluidtröpfchen in einem mit der Vorrichtung 320 erzeugten pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahl 316 einzustellen. Die Fig. 10 einen Abschnitt einer weiteren Vorrichtung 380 für das Erzeugen eines in einen Gasstrom eingehüllten pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls 390 mit einer Düse 382. Die Düse 382 hat eine Düsenkammer 384 mit einer axial angeordneten stirnseitigen Öffnung 386 in den Düsenmund 388. Der Düsenmund 388 ist als Bohrung gestaltet. Der Durchmesser DB der Bohrung des Düsenmunds beträgt etwa 1 mm. An der stirnseitigen Öffnung 386 in der Düsenkammer 384 hat der Düsenmund 388 eine vorzugsweise gerundete Phase mit dem Krümmungsradius r < 0,1 mm.
Der zu dem Werkstück weisende Abschnitt 381 der Düse 382 ist als Kelch bzw. Trichter gestaltet, der sich in der Richtung eines aus dem Düsenmund 388 austretenden pulsierenden Fluidstrahls 390 erweitert und der den Öffnungswinkel ß ~ 60° hat.
Die Form des zu dem Werkstück weisenden Abschnitts 381 der Düse 382 bewirkt, dass ein an der äußeren Wandung 393 der Düse 382 entlangstreichender Gasstrom bei einem Einsatz der Düse in einem Flüssigkeitsbad (nicht dargestellt) die Flüssigkeit des Flüssigkeitsbades aus dem Bereich 395 vor dem trichterförmigen Abschnitt entfernt, so dass ein pulsierender hochdruck-Fluidstrahl aus dem Düsenmund 388 ungehindert austreten und auf ein in der Nähe der Düse 382 angeordnetes Werkstück treffen kann.
Die Fig. 1 1 zeigt eine Vorrichtung 420 für das Erzeugen eines pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls 416, 417, 418 und 419. Die Vorrichtung 420 hat eine Kammer 422 mit einer Einrichtung 424 für das Erzeugen von Fluid- Druckwellen 432. Die Vorrichtung 420 hat ein Leitungssystem 436 mit einem kammerseitigen Abschnitt 442 und einem düsenseitigen Abschnitt 444. Für das Einstellen der Weglänge für die Fluid-Druckwellen 432 in dem Leitungssystem 436 kann der düsenseitige Abschnitt 444 relativ zu dem kammerseitigen Abschnitt 442 mit einer Versteileinrichtung 447 entsprechend dem Doppelpfeil 448 verlagert werden.
Die Fig. 12 zeigt einen Schnitt der Vorrichtung 420 entlang Linie XII - XII in Fig. 1 1 . In dem düsenseitigen Abschnitt 444 des Leitungssystems 436 gibt es eine in der Form eines Rechens verzweigte Leitung 438 mit vier Düsen, die in die Leitung 438 integriert sind. Die in die Leitung 438 integrierten Dü- sen haben jeweils einen entsprechend dem Doppelpfeil 460 verlagerbaren Düsenkörper 450, 452, 454 und 456 mit einem Düsenmund. Durch Verlagern der Düsenkörper 450, 452, 454 und 456 ist es möglich, die aus dem Quotienten der Weglänge L450, L452, L454 und L456 für die Fluid-Druckwellen zwischen der Austrittöffnung der Kammer 422 und dem betreffenden Dü- senmund der Düse in dem Leitungssystem 436 und der Wellenlänge λ der Fluid-Druckwellen 422 in dem Leitungssystem 436 gebildeten Helmholtz- Zahlen Hen:= Ln / λ so einzustellen, dass die Amplitude AP einer in der Kammer 422 erzeugten Fluid-Druckwelle vor dem betreffenden Düsenmund in den Düsenkörpern 450, 452, 454 und 456 maximal ist. Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Anlagen eignen sich für das Bearbeiten der Oberfläche von Werkstücken, für das Aktivieren der Oberfläche von Werkstücken für das Beschichten, für das Bearbeiten und Entfernen von Beschichtungen auf Werkstücken und für das Reinigen von Werkstücken.
Die beschriebenen Vorrichtungen und Anlagen eignen sich insbesondere für das Aktivieren einer Werkstückoberfläche, damit diese mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen beschichtet werden kann. Die Erfinder haben nämlich erkannt, dass die mittels eines entsprechenden pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahles in der Oberfläche von Werkstücken Mikrostrukturen mit Hinterschneidungen erzeugt werden können. Thermische Beschichtungen, die auf eine solche Oberfläche aufgetragen werden, haften hier besonders gut, weil die schmelzflüssigen Partikel beim Beschichten aufgrund der kinetischen Energie und aufgrund der Kapillarwirkung in diese Mikrostrukturen gut eindringen können, dann aber dort erstarren. Eine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Anlage aktivierte Werkstückoberfläche aufgetragene Beschichtung hat deshalb insbesondere eine hohe Haftzugfestigkeit, die durchaus 30 MPa oder mehr betragen kann.
Um zu gewährleisten, dass die auf ein Werkstück aufgetragene Beschichtung gut haftet, ist es von Vorteil, wenn die zu beschichtende Oberfläche des Werkstücks nach dem Aktivieren in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Anlage getrocknet wird, etwa durch Auskübeln, durch Lufttrocknung oder durch Vakuumtrocknung.
Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass eine besonders gute Haftung für eine mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen auf die Oberfläche eines Werkstücks aufgetragene Schicht dadurch erreicht werden, dass die Oberfläche des Werkstücks zunächst mit einem pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahl in einer erfindungsgemäßen An- lage beaufschlagt wird, um diese Oberfläche aufzurauen, und im Anschluss die aufgeraute Oberfläche des Werkstücks mit einem definierten Anpressdruck zu Walzen. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass durch das Walzen die mesoskopischen Erhebungen einer aufgerauten Oberfläche so deformiert und gestaucht werden können, dass hierbei Mikrostrukturen mit Hinterschneidungen entstehen, die eine hohe mechanische Stabilität haben und in welche die schmelzflüssigen Partikel beim Beschichten gut eindringen können. Die beschriebenen Vorrichtungen und Anlagen eignen sich auch für das Bearbeiten von Werkstück-Beschichtungen, etwa für das Entfernen von Overspray auf Werkstücken, die einem Beschichtungsprozess unterzogen wurden. Indem der Anstellwinkel des pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls, dessen Austrittsgeschwindigkeit aus einem Düsenmund und die Frequenz der Druckwellen, d.h. die Repititionsrate für den Hochdruck-Fluidstrahl eingestellt wird, können insbesondere die Kanten von Beschichtungsabschnitten auf einem Werkstück definiert bearbeitet werden. Insbesondere können so Kanten erzeugt werden, die mit der Werkstückoberfläche einen 45°-Winkel bilden.
Eine Erkenntnis der Erfinder ist auch, dass mit einem pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahl in die Beschichtung von Werkstücken, etwa einer mittels lichtbogendrahtspntzen (LDS) erzeugten Beschichtung an den Zylinderkopfflächen von Brennkraftmaschinen eine Fase eingebracht werden kann, ohne dass hier wie bei der Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen die Gefahr besteht, dass sich diese Beschichtung bei der Bearbeitung mit den pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahlen von dem Werkstück ablöst.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Anlagen eignen sich insbeson- dere für das Bearbeiten einer mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen erzeugten Werkstückoberfläche und/oder für das Entgraten eines Werkstücks und/oder für das Entfernen von Schmutz von einem Werkstück und/oder für das Abtragen von Schichten an einem Werkstück. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Anlagen eignen sich auch für das Aufrauen von Werkstückoberflächen, um diese für ein stoff- schlüssiges Fügen (Verkleben, Schweißen, Löten) vorzubereiten.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Anlagen können z.B. mit Fluid in Form von Waschlauge und/oder Wasser und/oder Emulsion, insbesondere Wasser-Öl-Emulsion und/oder Öl betrieben werden. Um die Korrosion der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Anlagen zu vermeiden, ist es von Vorteil, dem für das Bearbeiten von Werkstücken eingesetzten Fluid Korrosionsschutzmittel beizumischen.
Erfindungsgemäß können mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Anlagen Abschnitte von Werkstücken oder Werkstücke veredelt werden, die wenigstens teilweise aus Aluminium oder Magnesium bestehen, wobei die Oberflächenbeschichtung mittels Laserdrahtschweißen aufgetragenes eisenhaltiges Material ist oder das Werkstück wenigstens teilweise aus Stahl oder aus Grauguss besteht und die Oberflächenbeschichtung mit- tels Laserdrahtschweißen aufgetragenes nickelhaltiges Material ist.
Erfindungsgemäß kann mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Anlagen die Oberfläche von Werkstücken durch das Beaufschlagen des Werkstücks mit einem pulsierenden Fluidstrahl auch verdichtet werden. Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass durch das Behandeln von Zylinderkurbelgehäusen aus Aluminiumdruckguss die eine Beschichtung im Bereich der Zylinderlaufflächen störenden Lunker mit einem pulsierenden hochdruck-Fluidstrahl aus Wasser verschlossen werden können. Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugte Merkmale der Erfindung festzuhalten: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 20 für das Erzeugen eines pulsierenden Fluidstrahls 16, 18 aus mit Druck beaufschlagtem Fluid. Die Vorrichtung 20 enthält ein Leitungssystem 36, das wenigstens eine Düse 38, 40 aufweist, die einen Düsenmund 125 hat, aus dem ein pulsierender Fluidstrahl aus mit Druck beaufschlagtem Fluid austreten kann. Die Vorrichtung 20 hat eine Kammer 22, in der eine Druckwellenerzeugungseinrichtung 24 für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen 32 ausgebildet ist. Die Kammer 22 kommuniziert mit dem Leitungssystem 36 durch eine Austrittsöffnung 34 für die erzeugten Fluid-Druckwellen 32. Die Vorrichtung 20 enthält eine Einsteileinrichtung 31 , 47, 62, 64 für das Steuern der Amplitude AP der Fluid-Druckwellen 22 in dem Leitungssystem 36 vor dem wenigstens einen Düsenmund 125. Mit Einsteileinrichtung 31 , 47, 62, 64 kann eine aus dem Quotient der Weglänge L für die Fluid-Druckwellen 22 zwischen der Austrittöffnung 34 der Kammer 22 und dem wenigstens einen Düsenmund 125 der wenigstens einen Düse 38, 40 in dem Leitungssystem 36 und der Wellenlänge λ der Fluid-Druckwellen 22 in dem Leitungssystem (36) gebildete Helmholtz-Zahl He:= L / λ eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (20) für das Erzeugen eines pulsierenden Fluidstrahls (16, 18) aus mit Druck beaufschlagtem Fluid mit einem Leitungssystem (36), das wenigstens eine Düse (38, 40) enthält, die einen Düsenmund (125) hat, aus dem ein pulsierender Flu- idstrahl (16, 18) aus mit Druck beaufschlagtem Fluid austreten kann, und mit einer Kammer (22), in der eine Druckwellenerzeugungseinrichtung (24) für das Erzeugen von Fluid-Druckwellen (32) ausgebildet ist, die mit dem Leitungssystem (36) durch eine Austrittsöffnung (34) für die erzeugten Fluid-Druckwellen (32) kommuniziert, gekennzeichnet durch eine EinStelleinrichtung (31 , 47, 62, 64) für das Steuern der Amplitude AP der Fluid-Druckwellen (22) in dem Leitungssystem (36) vor dem we- nigstens einen Düsenmund (125), mit der eine aus dem Quotient der
Weglänge L für die Fluid-Druckwellen (22) zwischen der Austrittsöffnung (34) der Kammer (22) und dem wenigstens einen Düsenmund (125) der wenigstens einen Düse (38, 40) in dem Leitungssystem (36) und der Wellenlänge λ der Fluid-Druckwellen (22) in dem Leitungssys- tem (36) gebildete Helmholtz-Zahl He:= L / λ eingestellt werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die EinStelleinrichtung wenigstens eine in dem Leitungssystem (36) angeordnete in der Länge verstellbare Leitung (62, 64) für mit Druck beauf- Schlagtes Fluid (41 ) umfasst, mit dem die Weglänge (26) von in der
Kammer (22) erzeugten Fluid-Druckwellen (32) zwischen dem wenigs- tens einen Düsenmund (125) der wenigstens einen Düse (38, 40) und der Austrittsöffnung (34) für Fluid-Druckwellen (32) der Kammer (22) justiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbare Leitung (62, 64) ein erstes Leitungsstück (66, 68) enthält und ein wenigstens teilweise in dem ersten Leitungsstück (66, 68) aufgenommenes und mit diesem kommunizierendes zweites Leitungsstück (70, 72) hat, das relativ zu dem ersten Leitungsstück (66, 68) in dessen Längsrichtung verlagert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsteileinrichtung Mittel (31 ) für das Einstellen der Frequenz der mit der Druckwellenerzeugungseinrichtung (24) erzeugten Fluid-Druckwellen (32) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (36) einen ersten Leitungssystemabschnitt (42) mit einer Öffnung für das Zuführen von Fluid aus einer Hochdruckpumpe (91 ) aufweist und einen zweiten Leitungssystemabschnitt (44) mit der wenigstens einen Düse (38) hat, wobei der erste Abschnitt (42) und der zweite Abschnitt (44) mit einem Drehgelenk (16) verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Leitungssystemabschnitt (42) in dem Drehgelenk (16) relativ zu dem ersten Leitungssystemabschnitt (42) um eine zu der Achse (52) eines in dem zweiten Abschnitt (42) ausgebildeten Fluidkanals (60) koaxiale Achse oszillierend und/oder rotierend bewegt werden kann.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem einen ersten Leitungssystemabschnitt (42) mit einer Öffnung (34) für das Zuführen von Flüssigkeit einer Hochdruckpumpe (91 ) aufweist und einen zweiten Leitungssystem- abschnitt (44) mit mehrere Düsen (38, 40) aufweist, die durch voneinander getrennte Leitungszweige (56, 58) mit Fluid (41 ) beaufschlagbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den voneinander getrennten Leitungszweigen (56, 58) zu den Düsen (38,
40) jeweils eine in der Länge (62, 64) verstellbare Leitung für mit Druck beaufschlagtes Fluid angeordnet ist, mit dem die Weglänge (26) von in der Kammer (22) erzeugten Fluid-Druckwellen (32) zwischen einem Düsenmund (125) der über den Leitungszweig (56, 58) mit Fluid (41 ) beaufschlagbaren Düse (38, 40) und der Austrittsöffnung (34) für Fluid-
Druckwellen (32) der Kammer (22) justiert werden kann.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Querschnitt der Leitungen in dem Lei- tungssystem (36) zwischen der Austrittsöffnung (34) für Fluid-
Druckwellen (32) der Kammer (22) und dem Düsenmund (125) der Düse (38, 40) abnimmt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kammer (22) eine von der Austrittsöffnung (34) be- abstandete Öffnung (94) für das Zuführen von Hochdruck-Fluid (41 ) hat und das der Düse (38, 40) zugeführte Fluid (41 ) durch die Kammer (22) geführt ist. 1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellenerzeugungseinrichtung (24) in einem Totwassergebiet (33) der Kammer (22) positioniert ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (22) einen Abschnitt (99) mit einem sich zu der Austrittöffnung (34) trichterförmig verjüngenden Querschnitt hat.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (38, 40, 170) eine Düsenkammer (122, 172) hat, die einen Abschnitt (126, 174) mit einem sich zu dem Düsenmund (125, 173) hin verjüngenden Querschnitt aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (126) der Düsenkammer (122) mit einem stumpfen Öffnungswinkel α konisch verjüngt ist, vorzugsweise mit einem Öffnungs- Winkel, α für den gilt: 105° < α < 180° oder der Abschnitt (174) der Düsenkammer (172) mit einem spitzen Öffnungswinkel α konisch verjüngt ist, der vorzugsweise α ~ 58° beträgt, wobei in der Düsenkammer (172) ein Strahlrichter (75) für das Vermeiden oder Reduzieren von Verwirbe- lungen angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (150) eine zylinderförmige, vorzugsweise kreiszylinderförmige Düsenkammer (152) mit einer stirnseitig angeordneten Öffnung (154) in den Düsenmund (156) hat.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (369, 370) für das Erzeugen eines den pulsierenden Fluidstahl (316) wenigstens abschnittsweise umhüllenden Gasstroms (317) vorgesehen ist.
17. Anlage (10) mit einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildeten Vorrichtung (20) für das Erzeugen eines Fluidstrahls (16, 18) aus mit Druck beaufschlagtem Fluid gekennzeichnet durch eine Aufnahmeeinrichtung (92) für Werkstücke (15), in der die Werkstücke (15) mit einem pulsierenden Fluidstrahl (16, 18) beaufschlagbar sind und eine Fluid-Sammeleinrichtung (93), um von der Vorrichtung (20) freigesetztes Fluid (41 ) zu sammeln, die mit einer Druckpumpe (91 ) verbunden ist, um das gesammelte Fluid (41 ) in die Vorrichtung (20) zurückzuführen.
18. Anlage (10) mit einer insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildeten Vorrichtung (20) für das Erzeugen eines Fluidstrahls (16, 18) aus mit Druck beaufschlagtem Fluid, insbesondere Anlage nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine steuerbare Einrichtung für das Einstellen des Drucks von dem Leitungssystem (36) zugeführtem Fluid und eine mit der Einrichtung (91 ) für das Einstellen des Drucks P und der Druckwellenerzeugungseinrichtung (24) verbundenen Rechnereinheit (134), die einen Datenspeicher (135) hat, in dem ein Parameterkennfeld (136) für das anwendungsspezifische Einstellen des Fluiddrucks P und/oder der Amplitude AP und/oder der Frequenz v der mit der Druckwellenerzeugungseinrichtung (24) erzeugbaren Fluid- Druckwellen (32) und/oder einer Düsen-Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit eines zu bearbeitenden Materials, insbesondere Substrats und/oder in Abhängigkeit einer Werkstück-Geometrie und/oder einer Werkstück-Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere einer
Werkstück-Oberflächenrauhigkeit, und/oder einer Art einer Werkstück- Verschmutzung und/oder eines Bearbeitungsabstands eines zu bearbeitenden Werkstücks von dem wenigstens einen Düsenmund (120) abgespeichert ist. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 oder einer Anlage gemäß Anspruch 17 oder 18 für das Aktivieren einer Werkstückoberfläche (212), damit diese mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen beschichtet werden kann, und/oder für das Bearbeiten einer mittels Flammspritzen oder Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen erzeugten Werkstückoberfläche, und/oder für das Entgraten eines Werkstücks und/oder für das Entfernen von Schmutz von einem Werkstück, und/oder für das Abtragen von Schichten an einem Werkstück und/oder für das Beaufschlagen einer Werkstückoberfläche mit Fluid in Form von
Waschlauge und/oder Wasser und/oder Emulsion, insbesondere Was- ser-ÖI-emulsion und/oder Öl, und/oder für das Verdichten einer Werkstückoberfläche durch das Beaufschlagen der Werkstückoberfläche mit Fluid, insbesondere mit Wasser.
20. Verfahren für das Bearbeiten der Wandung (212) einer Bohrung (214) in einem Werkstück (215) mit einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildeten Vorrichtung, bei dem die Wandung (212) der Boh- rung mit einem pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahl aus einer Düse beaufschlagt wird, der unter einem Winkel ß im Bereich 0° < ß < 60°, vorzugsweise einem Winkel ß ~ 45° zu der örtlichen Flächennormalen der Wandung geneigt ist, wobei die Düse relativ zu dem Werkstück um die Achse (229) der Bohrung (214) rotatorisch bewegt und in der Richtung der Achse (229) der Bohrung translatorisch verlagert wird. Verfahren für das Veredeln eines Abschnitts eines Werkstücks bei dem auf den Abschnitt des Werkstücks eine Oberflächenbeschichtung aufgebracht wird und bei dem in einem zweiten Schritt die Beschichtung mittels eines pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls bearbeitet wird, der vorzugsweise mit einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildeten Vorrichtung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt des Werkstücks vor dem Aufbringen der Oberflächenbeschichtung mittels eines pulsierenden Hochdruck-Fluidstrahls aktiviert wird, der vorzugsweise mit einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildeten Vorrichtung erzeugt wird.
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