WO2019081403A1 - Device and method for treating a component - Google Patents
Device and method for treating a componentInfo
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Definitions
- the invention relates to a device for treating a component, wherein the device has a nozzle body with at least one flow path for introducing a fluid and at least one feed channel for solid particles, wherein a jet formed from the fluid and the solid particles via at least one nozzle outlet opening of the nozzle body exit, and further
- the strength of components can be significantly increased by deliberately introducing compressive residual stresses.
- eligible components are, for example, welds having components and internal pressure loaded components or axle shafts or the like.
- a method suitable for increasing the strength, in addition to blasting by means of compressed air, is liquid blasting for the treatment of a component surface, wherein the depth effect is low and control of the treatment process is only possible to a limited extent.
- a method and an apparatus for treating a device are known, wherein for generating compressive residual stresses at least a portion of the surface of the device is irradiated with a blasting agent, wherein the blasting agent comprises a liquid and particles, wherein the liquid and the particles are configured in such a way that essentially the inherent voltage state of the component is changed during the irradiation.
- the device with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a greater control over the surface treatment process of components is possible.
- a closing body is arranged in the at least one flow path of the nozzle body, wherein the closing body alternately between a the flow path releasing
- Position and a shut-off the flow path position is movable back and forth to form a pulsating jet, that a junction region where the at least one feed channel merges into the flow path downstream of the closing body, so that jet pulses of the pulsating beam on their way to Forming nozzle orifice by entrainment of solid particles from the at least one supply channel form a solidified from fluid and particles pulsating jet.
- the solid particles can be, for example, mixtures formed from nano-particles which can be applied to a surface at high speed in order to process them, which leads to correspondingly structured or highly smooth surfaces of high quality and to special functional surfaces. Further advantageous developments and refinements of the invention will become apparent from the measures listed in the dependent claims.
- a plurality of feed channels are provided in the nozzle body, whereby it is possible to produce a high density of solid particles in the solidified pulsating beam.
- the supply channels in the junction region each form an angle with the flow path, which is less than or equal to 90 °, preferably between about 30 ° and 60 °, arises due to the prevailing turbulence in the confluence flow conditions in cooperation with the oblique or at an acute angle in the flow path transitional feed channels a relatively strong suction effect on the brought up in the feed channels solid particles, which leads to a high proportion and therefore high degree of mixing of these particles in the fluid component.
- a preferred embodiment of the invention, with which this suction effect can be optimally exploited can consist in that the supply channels in the flow direction each have a line cross-section gradually narrowing towards the junction area.
- the feed channels are arranged to run symmetrically with respect to the course of the flow path.
- the at least one flow path between the closing body and a nozzle outlet opening of the nozzle body has an approximately constant line cross-section, a solidified pulsating jet with an approximately homogeneously compressed beam cross-section therefore forms at the nozzle outlet opening.
- a relatively simple embodiment of the invention is that the at least one flow path extends along a longitudinal central axis of the nozzle body.
- the closing body is controllable via a servo-hydraulic, a mechanical or a direct-acting actuator, which is magnetically or piezo-electrically operable.
- a pulsating fluid jet is generated in a nozzle body, wherein at least one flow path is alternately released and shut off by means of a closing body, in order to pass the fluid jet in each case released state of the flow path in pulses about at least one
- Feed particle introduced solid particles are successively detected and entrained by the pulsed-transmitted fluid jet so that a solidified from fluid and solid particles pulsating beam is generated, and that then the solidified pulsating jet is radiated through at least one Düsenaustrittsöff- tion on a surface of the component, at least locally there To cause residual stresses.
- the method is suitable for plating components by, for example, particles of metallic material can be applied to a component surface, whereby locally functional surfaces can be created. The plating can also be done selectively.
- the method is also suitable for doping
- Materials for example by particles of ferromagnetic material are irradiated or injected into surfaces of a non-ferromagnetic material, whereby, for example, a local information carrier is generated, which can be read out magnetically.
- the method is also suitable for surface structuring.
- the solid particles can be introduced together with a fluid component via the at least one feed channel.
- An embodiment of the method according to the invention can be that the solidified pulsating beam is generated with an adjustable pulse frequency, which is in a pulse frequency range from a single shot to a pulse frequency of about 5 kHz.
- the pulse frequency as a beam parameter can therefore advantageously be set depending on the particular application and can also be varied during the treatment process - as process parameters relevant to the process parameters.
- beam parameters such as pulse length and pulse spacing, the setting of which is possible by design, the control of the treatment or manufacturing process can be improved even more.
- a lessnessprozeduraler cleaning step of components to be irradiated or workpieces because of the fluid beam component is not mandatory, so that therefore a cost reduction can be achieved.
- the high level of production control in the blast treatment of components enables a reduction in scrap rates and thus an increase in efficiency and productivity.
- a component which has been surface-treated according to such a method has an increased strength of its structure due to inherent compressive stresses and is therefore suitable for use at higher loads without further adaptation of geometry and / or material, as this For example, for components in high-pressure or under different loading systems is the case.
- FIG. 1 shows a view, mainly in longitudinal section, of a section of a nozzle body of the device according to the invention.
- FIG. 1 illustrates, in a longitudinal section which is held in a very schematic manner, a device designated as a whole by 10, which has a nozzle body 11 with a central flow path or through-channel 12 which runs coaxially to the longitudinal center axis 11 'of the nozzle body 11, a closing body 13 accommodated in the through-channel 12 and a plurality of feed channels 14, 14 ' which open into the through-channel 12 in an area 12 ' downstream of the closing body 13, where solid particles introduced from a fluid 15 flowing in the central passage 12 and from the feed channels 14, 14 ' 16, a beam 17 solidified therefrom is produced which emerges from an outlet opening 18 of the nozzle body 11 formed as a pointed hole and irradiates a surface 19 'of a component 19 to be treated arranged in the beam direction, wherein the beam direction coincides with the
- the fluid which is introduced into the through-channel 12 can in the exemplary embodiment be designed as a test oil or else as water, while the particles 16, which are introduced as solid blasting agent via the feed channels 14, 14 ' , for example as steel balls or as nanoparticles can be trained; on- Examples of embodiments of the solid abrasive include round, angular or elongated particles.
- the particles may be organic, inorganic, mineral (eg corundum, glass) but also metallic (eg chilled cast iron, steel, zinc).
- the particle sizes used can be in the nano range, depending on the application in ⁇ - ⁇ ⁇ ⁇ , for example, in a size distribution between 40 to 70 ⁇ , or in the millimeter range, are.
- the fluid 15 which is supplied by means of a high-pressure pump (not shown) compressed to the central passage 12 of the nozzle body 11 flows in pulses through the region 20 past the closing body 13 via a tapered region 21st into a smaller diameter end portion 12 'of the passage 12.
- the junction region 22 is arranged approximately intermediate between the cone-shaped tapering region 21 and the nozzle outlet opening 18. Thereby, a pulsating solidified beam 17 is generated, which is formed of temporally successive and thus spaced from each other in the beam direction current jet pulses, which then exit through the outlet opening 18 and impinge on the surface 19 'of the component 19 with high jet velocity.
- the closing body 13 performs, the flow path or passage 12 is shut off for the fluid and thus set a respective beam pulse in the pulsating fluid jet.
- the closing body 13 is in its position shutting off the flow path or passage channel 12, wherein the closing body 13 with its cone-shaped head 13 ' rests positively on the conically tapered region 21 of the passage channel 12.
- the feed channels 14, 14 ' each have two sections, of which a respective first section 14-1, 14 ' -1 is parallel to the longitudinal central axis 11 ' and thus Runs parallel to the passageway 12, and then in the flow direction in a second section 14-2, 14 ' -2, which opens at an angle ⁇ to the longitudinal central axis 11 ' obliquely into the flow path or passage 12.
- both feed channels 14, 14 ' extend symmetrically with respect to the longitudinal central axis 11 ' .
- the angle ⁇ is dimensioned such that it lies in an angular range of 30 ° ⁇ ⁇ 60 °.
- the respective second section of the feed channels 14, 14 ' has a line cross-section which continuously narrows towards the junction area 22 and has a space-opening angle ⁇ of approximately 10 °.
- the closing body 13 is via a servo-hydraulic, a mechanical or a direct-acting actuator, which is magnetically or piezo-electrically operable controllable to in cooperation with the control (not shown) and - optionally - a servo-hydraulic switching valve quickly to switch between its open position and its locked position.
- a design-related switching time of about 90 ⁇ for the closing body adjustable pulse frequencies for the solidified pulsating beam of up to about 5 kHz are possible. Separately adjustable is due to the design and the
- Pulse length and / or the pulse interval can be varied as a beam parameter.
- the pulse length can amount to a minimum of 90 ⁇ , whereby a typical pulse length, for example, can preferably be between 150 ⁇ and 10 ms.
- a pulsating fluid jet is generated in a nozzle body 11, wherein the flow path 12 is alternately released and shut off by means of the closing body 13 in order to pass the fluid jet in each case released state of the flow path 12 in pulses, whereupon via the supply channels 14, 14 ' introduced solid particles are so entrained and entrained by the impulsively transmitted fluid jet that a solidified from fluid 15 and solid particles 16 pulsating beam 17 is generated, and then the solidified pulsating beam 17 through at least one nozzle outlet opening 18 on a surface 19 'of the component 19 is radiated in order there to cause at least locally residual stresses.
- the solidified pulsating beam is generated with a pulse frequency. testifies, which is in a pulse frequency range of a few hertz to about 5 kHz. Depending on the application, therefore, the pulse rate can be adjusted. Pulse frequency, pulse length and / or pulse interval are adjustable beam parameters of the method according to the invention, which serve as variable process parameters for and / or during the treatment procedure of a component.
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Abstract
The invention relates to a device (10) for treating a component (19) comprising a nozzle element (11) having at least one flow path (12) for introducing a fluid and at least one supply channel for solid particles, wherein a jet formed from the fluid and the solid particles passes out via at least one nozzle outlet opening of the nozzle element. In addition, a closure element (13) is arranged in the at least one flow path (12) of the nozzle element (11), wherein the closure element (13) can move back and forth alternatingly between a position unblocking the flow path (12) and a position blocking the flow path (12), in order to create a pulsing jet, wherein an in-feed region (22), where supply channels (14, 14') transition into the flow path (12), is arranged downstream of the closure element (13) in the flow direction, such that jet impulses of the pulsing jet form a strengthened pulsing jet formed of fluid and particles, on their way to the nozzle outlet opening (18) by sweeping along solid particles from the supply channels.
Description
Vorrichtung und Verfahren zum Behandeln eines Bauteils Apparatus and method for treating a component
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln eines Bauteils, wobei die Vorrichtung einen Düsenkörper mit wenigstens einem Strömungspfad zum Einleiten eines Fluids und mit wenigstens einem Zuführungskanal für feste Partikel aufweist, wobei ein aus dem Fluid und den festen Partikeln gebildeter Strahl über wenigstens eine Düsenaustrittsöffnung des Düsenkörpers austritt, und ferner einThe invention relates to a device for treating a component, wherein the device has a nozzle body with at least one flow path for introducing a fluid and at least one feed channel for solid particles, wherein a jet formed from the fluid and the solid particles via at least one nozzle outlet opening of the nozzle body exit, and further
Verfahren zum Behandeln eines Bauteils. Method for treating a component.
Stand der Technik Die Festigkeit von Bauteilen lässt sich durch gezieltes Einbringen von Druckeigenspannungen signifikant steigern. Dafür in Frage kommende Bauteile sind beispielsweise Schweißnähte aufweisende Komponenten und innendruckbelastete Bauteile oder auch Achswellen oder dergleichen. Ein zur Steigerung der Festigkeit geeignetes Verfahren stellt neben dem Strahlen mittels Druckluft das Flüs- sigkeitsstrahlen zur Behandlung einer Bauteiloberfläche dar, wobei die Tiefenwirkung gering ist und die Kontrolle über den Behandlungsprozess lediglich in begrenztem Maße möglich ist. PRIOR ART The strength of components can be significantly increased by deliberately introducing compressive residual stresses. For eligible components are, for example, welds having components and internal pressure loaded components or axle shafts or the like. A method suitable for increasing the strength, in addition to blasting by means of compressed air, is liquid blasting for the treatment of a component surface, wherein the depth effect is low and control of the treatment process is only possible to a limited extent.
Aus der DE 10 2010 043 285 AI sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln eines Bauelements bekannt, wobei zur Erzeugung von Druckeigenspannungen wenigstens ein Teil der Oberfläche des Bauelements mit einem Strahlmittel bestrahlt wird, wobei das Strahlmittel eine Flüssigkeit und Partikel umfasst, wobei die Flüssigkeit und die Partikel derart ausgestaltet sind, dass bei dem Bestrahlen im Wesentlichen der Eigenspannungszustand des Bauelements verändert wird. From DE 10 2010 043 285 AI a method and an apparatus for treating a device are known, wherein for generating compressive residual stresses at least a portion of the surface of the device is irradiated with a blasting agent, wherein the blasting agent comprises a liquid and particles, wherein the liquid and the particles are configured in such a way that essentially the inherent voltage state of the component is changed during the irradiation.
Offenbarung epiphany
Vorteile der Erfindung
Die Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine stärkere Kontrolle über den Oberflächenbehandlungspro- zess von Bauteilen möglich ist. Dazu ist vorgesehen, dass ein Schließkörper in dem wenigstens einen Strömungspfad des Düsenkörpers angeordnet ist, wobei der Schließkörper alternierend zwischen einer den Strömungspfad freigebendenAdvantages of the invention The device with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a greater control over the surface treatment process of components is possible. For this purpose, it is provided that a closing body is arranged in the at least one flow path of the nozzle body, wherein the closing body alternately between a the flow path releasing
Stellung und einer den Strömungspfad absperrenden Stellung hin- und her bewegbar ist, um einen pulsierenden Strahl auszubilden, dass ein Einmündungsbereich, wo der wenigstens eine Zuführungskanal in den Strömungspfad übergeht, in Strömungsrichtung dem Schließkörper nachgeordnet ist, damit Strahlimpulse des pulsierenden Strahls auf ihrem Weg zur Düsenaustrittsöffnung durch Mitreißen von festen Partikeln aus dem wenigstens einen Zuführungskanal einen aus Fluid und Partikeln verfestigten pulsierenden Strahl bilden. Dadurch ist es möglich, definiert Eigenspannungen in die Oberfläche eines zu behandelnden Bauteils bis in tiefere Atomlagen hinein einzubringen. Die festen Partikel können bei- spielsweise aus Nano-Partikeln gebildete Mischungen sein, die mittels hoher Geschwindigkeit auf eine Oberfläche aufgebracht werden können, um diese zu bearbeiten, was zu entsprechend strukturierten oder hochglatten Oberflächen hoher Güte sowie zu besonderen Funktionsflächen führt. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen. Position and a shut-off the flow path position is movable back and forth to form a pulsating jet, that a junction region where the at least one feed channel merges into the flow path downstream of the closing body, so that jet pulses of the pulsating beam on their way to Forming nozzle orifice by entrainment of solid particles from the at least one supply channel form a solidified from fluid and particles pulsating jet. This makes it possible to introduce defined residual stresses into the surface of a component to be treated down to deeper atomic layers into it. The solid particles can be, for example, mixtures formed from nano-particles which can be applied to a surface at high speed in order to process them, which leads to correspondingly structured or highly smooth surfaces of high quality and to special functional surfaces. Further advantageous developments and refinements of the invention will become apparent from the measures listed in the dependent claims.
Zweckmäßigerweise sind mehrere Zuführungskanäle im Düsenkörper vorgesehen, wodurch es möglich ist, eine hohe Dichte von festen Partikeln im verfestig- ten pulsierenden Strahl zu erzeugen. Conveniently, a plurality of feed channels are provided in the nozzle body, whereby it is possible to produce a high density of solid particles in the solidified pulsating beam.
Indem gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Zuführungskanäle im Einmündungsbereich jeweils einen Winkel mit dem Strömungspfad bilden, welcher kleiner oder gleich 90° ist, vorzugsweise zwischen etwa 30° und 60° liegt, ergibt sich aufgrund der im Einmündungsbereich herrschenden turbulenten Strömungsverhältnisse im Zusammenwirken mit den schräg bzw. spitzwinklig in den Strömungspfad übergehenden Zuführungskanälen eine relativ starke Sogwirkung auf die in den Zuführungskanälen herangeführten festen Partikel, was zu einem hohen Anteil und mithin hohen Durchmischungsgrad dieser Partikel in der Fluid- komponente führt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, mit welcher diese Sogwirkung optimal ausnutzbar ist, kann darin bestehen, dass die Zuführungskanäle in Strömungsrichtung jeweils einen sich zum Einmündungsbereich hin allmählich ver- engenden Leitungsquerschnitt aufweisen. By according to an embodiment of the invention, the supply channels in the junction region each form an angle with the flow path, which is less than or equal to 90 °, preferably between about 30 ° and 60 °, arises due to the prevailing turbulence in the confluence flow conditions in cooperation with the oblique or at an acute angle in the flow path transitional feed channels a relatively strong suction effect on the brought up in the feed channels solid particles, which leads to a high proportion and therefore high degree of mixing of these particles in the fluid component. A preferred embodiment of the invention, with which this suction effect can be optimally exploited, can consist in that the supply channels in the flow direction each have a line cross-section gradually narrowing towards the junction area.
Um eine möglichst homogene Mischung von festen Partikeln im verfestigten pulsierenden Strahl zu erzeugen, sind die Zuführungskanäle symmetrisch zur Verlaufsrichtung des Strömungspfads verlaufend angeordnet. In order to produce as homogeneous a mixture as possible of solid particles in the solidified pulsating jet, the feed channels are arranged to run symmetrically with respect to the course of the flow path.
Indem der wenigstens eine Strömungspfad zwischen dem Schließkörper und einer Düsenaustrittsöffnung des Düsenkörpers einen etwa konstanten Leitungsquerschnitt aufweist, bildet sich mithin an der Düsenaustrittsöffnung ein verfestigter pulsierender Strahl mit annähernd homogen verdichtetem Strahlquerschnitt aus. Since the at least one flow path between the closing body and a nozzle outlet opening of the nozzle body has an approximately constant line cross-section, a solidified pulsating jet with an approximately homogeneously compressed beam cross-section therefore forms at the nozzle outlet opening.
Eine relativ einfach zu realisierende Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass sich der wenigstens eine Strömungspfad entlang einer Längsmittelachse des Düsenkörpers erstreckt. A relatively simple embodiment of the invention is that the at least one flow path extends along a longitudinal central axis of the nozzle body.
Um ein schnelles Umschalten des Schließkörpers zwischen seiner Offenstellung und seiner Sperrstellung zu ermöglichen, ist der Schließkörper über ein servo- hydraulisches, ein mechanisch oder ein direkt wirkendes Stellglied, welches magnetisch oder piezo-elektrisch betreibbar ist, steuerbar. In order to enable a rapid switching of the closing body between its open position and its blocking position, the closing body is controllable via a servo-hydraulic, a mechanical or a direct-acting actuator, which is magnetically or piezo-electrically operable.
Bei dem Verfahren, das zum Behandeln eines Bauteils dient, ist vorgesehen, dass ein pulsierender Fluidstrahl in einem Düsenkörper erzeugt wird, wobei wenigstens ein Strömungspfad mittels eines Schließkörpers alternierend freigegeben und abgesperrt wird, um den Fluidstrahl in jeweils freigegebenem Zustand des Strömungspfads impulsweise durchzulassen, worauf über wenigstens einenIn the method, which is used for treating a component, it is provided that a pulsating fluid jet is generated in a nozzle body, wherein at least one flow path is alternately released and shut off by means of a closing body, in order to pass the fluid jet in each case released state of the flow path in pulses about at least one
Zuführungskanal herangeführte feste Partikel von dem impulsweise durchgelassenen Fluidstrahl sukzessive so erfasst und mitgerissen werden, dass ein aus Fluid und festen Partikeln verfestigter pulsierender Strahl erzeugt wird, und dass dann der verfestigte pulsierende Strahl durch wenigstens eine Düsenaustrittsöff- nung auf eine Oberfläche des Bauteils abgestrahlt wird, um dort zumindest lokal
Eigenspannungen zu bewirken. In vorteilhafter Weise eignet sich das Verfahren zum Plattieren von Bauteilen, indem beispielsweise Partikel aus metallischem Material auf eine Bauteiloberfläche aufgebracht werden können, wodurch lokal Funktionsflächen geschaffen werden können. Das Plattieren kann auch punktuell erfolgen. In vorteilhafter Weise eignet sich das Verfahren auch zum Dotieren vonFeed particle introduced solid particles are successively detected and entrained by the pulsed-transmitted fluid jet so that a solidified from fluid and solid particles pulsating beam is generated, and that then the solidified pulsating jet is radiated through at least one Düsenaustrittsöff- tion on a surface of the component, at least locally there To cause residual stresses. Advantageously, the method is suitable for plating components by, for example, particles of metallic material can be applied to a component surface, whereby locally functional surfaces can be created. The plating can also be done selectively. Advantageously, the method is also suitable for doping
Materialien, indem beispielsweise Partikel aus ferromagnetischem Material in Oberflächen eines nichtferromagnetischen Materials eingestrahlt bzw. eingeschossen werden, wodurch beispielweise ein lokaler Informationsträger erzeugbar ist, der magnetisch ausgelesen werden kann. Das Verfahren ist auch zur Oberflächenstrukturierung geeignet. Die festen Partikel können zusammen mit einer Fluidkomponente über den wenigstens einen Zuführungskanal herangeführt werden. Materials, for example by particles of ferromagnetic material are irradiated or injected into surfaces of a non-ferromagnetic material, whereby, for example, a local information carrier is generated, which can be read out magnetically. The method is also suitable for surface structuring. The solid particles can be introduced together with a fluid component via the at least one feed channel.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin bestehen, dass der verfestigte pulsierende Strahl mit einer einstellbaren Pulsfrequenz erzeugt wird, welche in einem Pulsfrequenzbereich von einem einzelnen Schuss bis hin zu einer Pulsfrequenz von etwa 5 kHz liegt. Die Pulsfrequenz als Strahlparameter lässt sich mithin vorteilhaft in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall einstellen und kann auch während des Behandlungsvorgangs - als für die Bauteilbehandlung relevanter Prozessparameter - variiert werden. Durch weitere Strahlparameter wie Pulslänge und Pulsabstand, deren Einstellung konstruktionsbedingt möglich ist, lässt sich die Kontrolle des Behandlungs- bzw. Fertigungsprozesses noch stärker verbessern. Vorteilhaft ist ein präprozeduraler Reinigungsschritt von zu bestrahlenden Bauteilen bzw. Werkstücken wegen der fluiden Strahlkomponente nicht zwingend erforderlich, so dass mithin eine Kostenreduktion erzielbar ist. Zudem ist durch die hohe Fertigungskontrolle bei der Strahlbehandlung von Bauteilen eine Aus- schussquotenreduktion und somit eine Effizienz- und Produktivitätssteigerung möglich. An embodiment of the method according to the invention can be that the solidified pulsating beam is generated with an adjustable pulse frequency, which is in a pulse frequency range from a single shot to a pulse frequency of about 5 kHz. The pulse frequency as a beam parameter can therefore advantageously be set depending on the particular application and can also be varied during the treatment process - as process parameters relevant to the process parameters. By further beam parameters such as pulse length and pulse spacing, the setting of which is possible by design, the control of the treatment or manufacturing process can be improved even more. Advantageously, a präprozeduraler cleaning step of components to be irradiated or workpieces because of the fluid beam component is not mandatory, so that therefore a cost reduction can be achieved. In addition, the high level of production control in the blast treatment of components enables a reduction in scrap rates and thus an increase in efficiency and productivity.
Ein Bauteil, das gemäß einem derartigen Verfahren oberflächenbehandelt ist, weist aufgrund von eingebrachten Druckeigenspannungen eine gesteigerte Festigkeit seiner Struktur auf und ist mithin für den Einsatz bei höheren Belastungen ohne weitere Anpassung von Geometrie und/oder Werkstoff geeignet, wie dies
beispielsweise für Komponenten in hochdruckführenden oder unter andersartiger Belastung stehenden Systemen der Fall ist. A component which has been surface-treated according to such a method has an increased strength of its structure due to inherent compressive stresses and is therefore suitable for use at higher loads without further adaptation of geometry and / or material, as this For example, for components in high-pressure or under different loading systems is the case.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Embodiments of the invention are explained in more detail in the following description and in the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine vorwiegend im Längsschnitt gehaltene Ansicht eines Ausschnitts ei- nes Düsenkörpers der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 shows a view, mainly in longitudinal section, of a section of a nozzle body of the device according to the invention.
Beschreibung der Ausführungsformen Description of the embodiments
Fig. 1 veranschaulicht in einem stark schematisch gehaltenen Längsschnitt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung, welche einen Düsenkörper 11 mit einem zentralen Strömungspfad bzw. Durchgangskanal 12, der koaxial zur Längsmittelachse 11' des Düsenkörpers 11 verläuft, einen in dem Durchgangskanal 12 aufgenommenen Schließkörper 13 und mehrere Zuführungskanäle 14, 14' aufweist, die in den Durchgangskanal 12 in einem dem Schließkörper 13 ab- strömseitig nachgeordneten Bereich 12' einmünden, wo aus einem in dem zentralen Durchgangskanal 12 strömenden Fluid 15 und aus den Zuführungskanälen 14, 14' herangeführten festen Partikeln 16 ein daraus verfestigter Strahl 17 erzeugt wird, der aus einer als Spitzloch ausgebildeten Austrittsöffnung 18 des Düsenkörpers 11 austritt und eine in Strahlrichtung angeordnete Oberfläche 19' ei- nes zu behandelnden Bauteils 19 bestrahlt, wobei die Strahlrichtung mit der1 illustrates, in a longitudinal section which is held in a very schematic manner, a device designated as a whole by 10, which has a nozzle body 11 with a central flow path or through-channel 12 which runs coaxially to the longitudinal center axis 11 'of the nozzle body 11, a closing body 13 accommodated in the through-channel 12 and a plurality of feed channels 14, 14 ' which open into the through-channel 12 in an area 12 ' downstream of the closing body 13, where solid particles introduced from a fluid 15 flowing in the central passage 12 and from the feed channels 14, 14 ' 16, a beam 17 solidified therefrom is produced which emerges from an outlet opening 18 of the nozzle body 11 formed as a pointed hole and irradiates a surface 19 'of a component 19 to be treated arranged in the beam direction, wherein the beam direction coincides with the
Längsmittelachse 11' des Düsenkörpers 11 fluchtet. Indem der Schließkörper 13 in einem durchmessergrößeren Bereich 20 des zentralen Durchgangskanals 12 entlang der Längsmittelachse 11' verschieblich angeordnet ist und im Takt einer - nicht dargestellten - Ansteuerung alternierend zwischen einer den Durch- gangskanal 12 öffnenden Stellung und einer absperrenden Stellung axial hin- und her bewegt wird, wird ein pulsierender Fluidstrahl erzeugt. Das Fluid, das in den Durchgangskanal 12 eingeleitet wird, kann im Ausführungsbeispiel als Prüföl oder auch als Wasser ausgebildet sein, während die Partikel 16, welche als festes Strahlmittel über die Zuführungskanäle 14, 14' herangeführt werden, bei- spielsweise als Stahlkugeln oder als Nanopartikel ausgebildet sein können; an-
dere Ausführungsbeispiele für das feste Strahlmittel umfassen runde, kantige oder auch längliche Partikel. Die Partikel können organisch, anorganisch, mineralisch (z.B. Korund, Glas) aber auch metallisch (z.B. Hartguss, Stahl, Zink) ausgebildet sein. Die verwendeten Partikelgrößen können im Nano-Bereich, je nach Anwendung auch im μηι-ΒεΓε^Γΐ, beispielsweise in einer Größenverteilung zwischen 40 bis 70 μηι, oder auch im Millimeterbereich, liegen. Longitudinal axis 11 'of the nozzle body 11 is aligned. By the closing body 13 is slidably disposed in a larger diameter portion 20 of the central passageway 12 along the longitudinal central axis 11 ' and alternately alternately between a passage opening 12 and a shut-off position moves axially back and forth in time with a - not shown - control is, a pulsating fluid jet is generated. The fluid which is introduced into the through-channel 12 can in the exemplary embodiment be designed as a test oil or else as water, while the particles 16, which are introduced as solid blasting agent via the feed channels 14, 14 ' , for example as steel balls or as nanoparticles can be trained; on- Examples of embodiments of the solid abrasive include round, angular or elongated particles. The particles may be organic, inorganic, mineral (eg corundum, glass) but also metallic (eg chilled cast iron, steel, zinc). The particle sizes used can be in the nano range, depending on the application in μηι-ΒεΓε ^ Γΐ, for example, in a size distribution between 40 to 70 μηι, or in the millimeter range, are.
Mit jedem Öffnungstakt, den der Schließkörper 13 ausführt, strömt das Fluid 15, das mittels einer Hochdruckförderpumpe (nicht dargestellt) dem zentralen Durchgangskanal 12 des Düsenkörpers 11 komprimiert zugeführt wird, impulsweise durch den Bereich 20 an dem Schließkörper 13 vorbei über einen sich verjüngenden Bereich 21 in einen durchmesserkleineren Endabschnitt 12' des Durchgangskanals 12. In diesem Endabschnitt 12' mit konstantem Leitungsquerschnitt reißt das Fluid - aufgrund der im verengten Leitungsquerschnitt erhöhten Fluidgeschwindigkeit von beispielsweise 500 m/s in Abhängigkeit vom Systemdruck - mit jedem Strahlimpuls Partikel 16 mit sich fort, welche sich in den Zuführungskanälen 14, 14' befinden, die in den Endabschnitt 12' des Durchgangskanals 12 und zwar in den Einmündungsbereich 22 einmünden. Der Einmündungsbereich 22 ist etwa intermediär zwischen dem sich konusförmig verjüngenden Bereich 21 und der Düsenaustrittsöffnung 18 angeordnet. Dadurch wird ein pulsierender verfestigter Strahl 17 erzeugt, der aus zeitlich aufeinanderfolgenden und mithin in Strahlrichtung voneinander beabstandet laufenden Strahlimpulsen gebildet ist, welche sodann durch die Austrittsöffnung 18 austreten und mit hoher Strahlgeschwindigkeit auf die Oberfläche 19' des Bauteils 19 auftreffen. With each opening stroke, which executes the closing body 13, the fluid 15, which is supplied by means of a high-pressure pump (not shown) compressed to the central passage 12 of the nozzle body 11 flows in pulses through the region 20 past the closing body 13 via a tapered region 21st into a smaller diameter end portion 12 'of the passage 12. In this end portion 12 ' with a constant line cross section tears the fluid - due to the increased in the narrowed line cross-section fluid velocity of 500 m / s, for example, depending on the system pressure - with each jet pulse particles 16, which are in the feed channels 14, 14 ' , which open into the end portion 12 ' of the passageway 12 and that in the junction region 22. The junction region 22 is arranged approximately intermediate between the cone-shaped tapering region 21 and the nozzle outlet opening 18. Thereby, a pulsating solidified beam 17 is generated, which is formed of temporally successive and thus spaced from each other in the beam direction current jet pulses, which then exit through the outlet opening 18 and impinge on the surface 19 'of the component 19 with high jet velocity.
Mit jedem auf den Öffnungstakt folgenden Schließtakt, den der Schließkörper 13 ausführt, wird der Strömungspfad bzw. Durchgangskanal 12 für das Fluid abgesperrt und mithin ein jeweiliger Strahlimpuls im pulsierenden Fluid-Strahl festgelegt. Beim Schließtakt befindet sich der Schließkörper 13 in seiner den Strömungspfad bzw. Durchlasskanal 12 absperrenden Stellung, wobei der Schließkörper 13 mit seinem konusförmigen Kopf 13' formschlüssig an dem sich konusförmig verjüngenden Bereich 21 des Durchlasskanals 12 anliegt. With each following on the opening cycle closing clock, the closing body 13 performs, the flow path or passage 12 is shut off for the fluid and thus set a respective beam pulse in the pulsating fluid jet. During the closing cycle, the closing body 13 is in its position shutting off the flow path or passage channel 12, wherein the closing body 13 with its cone-shaped head 13 ' rests positively on the conically tapered region 21 of the passage channel 12.
Die Zuführungskanäle 14, 14' weisen jeweils zwei Abschnitte auf, wovon ein je- weils erster Abschnitt 14-1, 14'-1 parallel zur Längsmittelachse 11' und somit pa-
rallel zum Durchgangskanal 12 verläuft, um dann in Strömungsrichtung in einen zweiten Abschnitt 14-2, 14'-2 überzugehen, der unter einem Winkel Θ zur Längsmittelachse 11' schräg verlaufend in den Strömungspfad bzw. Durchgangskanal 12 einmündet. Um einen relativ homogen verfestigten bzw. durch- mischten Strahlquerschnitt für jeden Strahlimpuls zu erzielen, verlaufen beide Zuführkanäle 14, 14' symmetrisch zur Längsmittelachse 11'. Um einen optimalen Mitreißeffekt für die Partikel 16 zu erzielen, ist der Winkel Θ so bemessen, dass er in einem Winkelbereich 30° < Θ < 60° liegt. Zusätzlich weist der jeweilige zweite Abschnitt der Zuführkanäle 14, 14' einen sich zum Einmündungsbereich 22 hin kontinuierlich verengenden Leitungsquerschnitt mit einem Raumöffnungswinkel φ von etwa 10° auf. The feed channels 14, 14 ' each have two sections, of which a respective first section 14-1, 14 ' -1 is parallel to the longitudinal central axis 11 ' and thus Runs parallel to the passageway 12, and then in the flow direction in a second section 14-2, 14 ' -2, which opens at an angle Θ to the longitudinal central axis 11 ' obliquely into the flow path or passage 12. In order to achieve a relatively homogeneously solidified or mixed beam cross section for each beam pulse, both feed channels 14, 14 ' extend symmetrically with respect to the longitudinal central axis 11 ' . In order to achieve an optimum entrainment effect for the particles 16, the angle Θ is dimensioned such that it lies in an angular range of 30 ° <Θ <60 °. In addition, the respective second section of the feed channels 14, 14 'has a line cross-section which continuously narrows towards the junction area 22 and has a space-opening angle φ of approximately 10 °.
Der Schließkörper 13 ist über ein servo-hydraulisches, ein mechanisch oder ein direkt wirkendes Stellglied, welches magnetisch oder piezo-elektrisch betreibbar ist, steuerbar, um im Zusammenwirken mit der Ansteuerung (nicht dargestellt) und - optional - einem servo-hydraulisch ausgebildeten Schaltventil schnell zwischen seiner Offenstellung und seiner Sperrstellung umschalten zu können. Bei einer konstruktionsbedingten Schaltzeit von etwa 90 με für den Schließkörper sind einstellbare Pulsfrequenzen für den verfestigten pulsierenden Strahl von bis zu etwa 5 kHz möglich. Gesondert einstellbar ist konstruktionsbedingt auch dieThe closing body 13 is via a servo-hydraulic, a mechanical or a direct-acting actuator, which is magnetically or piezo-electrically operable controllable to in cooperation with the control (not shown) and - optionally - a servo-hydraulic switching valve quickly to switch between its open position and its locked position. With a design-related switching time of about 90 με for the closing body adjustable pulse frequencies for the solidified pulsating beam of up to about 5 kHz are possible. Separately adjustable is due to the design and the
Pulslänge und/oder der Pulsabstand. Der Pulsabstand ist als Strahlparameter variierbar. Die Pulslänge kann minimal 90 με betragen, wobei eine beispielsweise typische Pulslänge vorzugsweise zwischen 150 με und 10 ms liegen kann. In verfahrenstechnischer Hinsicht ist vorgesehen, dass ein pulsierender Fluid- strahl in einem Düsenkörper 11 erzeugt wird, wobei der Strömungspfad 12 mittels des Schließkörpers 13 alternierend freigegeben und abgesperrt wird, um den Fluidstrahl in jeweils freigegebenem Zustand des Strömungspfads 12 impulsweise durchzulassen, worauf über die Zuführungskanäle 14, 14' herangeführte feste Partikel von dem impulsweise durchgelassenen Fluidstrahl so erfasst und mitgerissen werden, dass ein aus Fluid 15 und festen Partikeln 16 verfestigter pulsierender Strahl 17 erzeugt wird, und dass dann der verfestigte pulsierende Strahl 17 durch wenigstens eine Düsenaustrittsöffnung 18 auf eine Oberfläche 19' des Bauteils 19 abgestrahlt wird, um dort zumindest lokal Eigenspannungen zu be- wirken. Dabei wird der verfestigte pulsierende Strahl mit einer Pulsfrequenz er-
zeugt, welche in einem Pulsfrequenzbereich von wenigen Hertz bis etwa 5 kHz liegt. Je nach Anwendungsfall kann mithin die Pulsfrequenz eingestellt werden. Pulsfrequenz, Pulslänge und/oder Pulsabstand sind einstellbare Strahlparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens, die als variierbare Prozessparameter für und/oder während der Behandlungsprozedur eines Bauteils dienen.
Pulse length and / or the pulse interval. The pulse spacing can be varied as a beam parameter. The pulse length can amount to a minimum of 90 με, whereby a typical pulse length, for example, can preferably be between 150 με and 10 ms. In terms of process engineering, it is provided that a pulsating fluid jet is generated in a nozzle body 11, wherein the flow path 12 is alternately released and shut off by means of the closing body 13 in order to pass the fluid jet in each case released state of the flow path 12 in pulses, whereupon via the supply channels 14, 14 ' introduced solid particles are so entrained and entrained by the impulsively transmitted fluid jet that a solidified from fluid 15 and solid particles 16 pulsating beam 17 is generated, and then the solidified pulsating beam 17 through at least one nozzle outlet opening 18 on a surface 19 'of the component 19 is radiated in order there to cause at least locally residual stresses. In this case, the solidified pulsating beam is generated with a pulse frequency. testifies, which is in a pulse frequency range of a few hertz to about 5 kHz. Depending on the application, therefore, the pulse rate can be adjusted. Pulse frequency, pulse length and / or pulse interval are adjustable beam parameters of the method according to the invention, which serve as variable process parameters for and / or during the treatment procedure of a component.
Claims
1. Vorrichtung zum Behandeln eines Bauteils, wobei die Vorrichtung einen Dü- senkörper mit wenigstens einem Strömungspfad zum Einleiten eines Fluids und mit wenigstens einem Zuführungskanal für feste Partikel aufweist, wobei ein aus dem Fluid und den festen Partikeln gebildeter Strahl über wenigstens eine Düsenaustrittsöffnung des Düsenkörpers austritt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schließkörper (13) in dem wenigstens einen Strömungspfad (12) des Düsen- körpers (11) angeordnet ist, wobei der Schließkörper (13) alternierend zwischen einer den Strömungspfad (12) freigebenden Stellung und einer den Strömungspfad (12) absperrenden Stellung hin- und her bewegbar ist, um einen pulsierenden Strahl auszubilden, dass ein Einmündungsbereich (22), wo der wenigstens eine Zuführungskanal (14, 14') in den Strömungspfad (12) übergeht, in Strö- mungsrichtung dem Schließkörper (13) nachgeordnet ist, damit Strahlimpulse des pulsierenden Strahls auf ihrem Weg zur Düsenaustrittsöffnung (18) durch Mitreißen von festen Partikeln aus dem wenigstens einen Zuführungskanal einen aus Fluid (15) und Partikeln (16) verfestigten pulsierenden Strahl bilden. 1. An apparatus for treating a component, the apparatus having a nozzle body with at least one flow path for introducing a fluid and having at least one supply channel for solid particles, wherein a jet formed from the fluid and the solid particles via at least one nozzle outlet opening of the nozzle body Outlet, characterized in that a closing body (13) in the at least one flow path (12) of the nozzle body (11) is arranged, wherein the closing body (13) alternately between the flow path (12) releasing position and a flow path ( 12) shut-off position is movable back and forth to form a pulsating jet that a junction region (22), where the at least one feed channel (14, 14 ' ) merges into the flow path (12), in the flow direction of the closing body ( 13), so that beam pulses of the pulsating beam on their way to Düsenaus Forming opening (18) by entrainment of solid particles from the at least one supply channel form a fluidized from fluid (15) and particles (16) pulsed beam.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuführungskanäle (14, 14') im Düsenkörper (11) vorgesehen sind. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a plurality of supply channels (14, 14 ' ) in the nozzle body (11) are provided.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungskanäle (14, 14') im Einmündungsbereich (22) jeweils einen Winkel mit dem Strömungspfad (12) bilden, welcher kleiner oder gleich 90° ist, vorzugsweise zwischen etwa 30° und 60° liegt. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the supply channels (14, 14 ' ) in the junction region (22) each form an angle with the flow path (12), which is less than or equal to 90 °, preferably between about 30 ° and 60 lies.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungskanäle (14, 14') in Strömungsrichtung jeweils einen sich zum Einmün- dungsbereich (22) hin allmählich verengenden Leitungsquerschnitt aufweisen. 4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the supply channels (14, 14 ' ) in the flow direction in each case a to the Einmün- dungsbereich (22) towards gradually narrowing line cross-section.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungskanäle (14, 14') symmetrisch zur Verlaufsrichtung des Strömungspfads (12) verlaufend angeordnet sind.
5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the supply channels (14, 14 ' ) symmetrically to the direction of the flow path (12) are arranged to extend.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Strömungspfad (12) zwischen dem Schließkörper (13) und einer Düsenaustrittsöffnung (18) des Düsenkörpers (11) einen etwa konstanten Leitungsquerschnitt aufweist. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one flow path (12) between the closing body (13) and a nozzle outlet opening (18) of the nozzle body (11) has an approximately constant line cross-section.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine Strömungspfad (12) entlang einer Längsmittelachse (11') des Düsen körpers (11) erstreckt. 7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the at least one flow path (12) along a longitudinal central axis (11 ' ) of the nozzle body (11).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (13) über ein servo-hydraulisches, ein mechanisch oder ein direkt wirkendes Stellglied, welches magnetisch oder piezo-elektrisch betreibbar ist, steuerbar ist. 8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the closing body (13) via a servo-hydraulic, a mechanical or a direct-acting actuator, which is magnetically or piezo-electrically operable, is controllable.
9. Verfahren zum Behandeln eines Bauteils, wobei ein pulsierender Fluidstrahl in einem Düsenkörper (11) erzeugt wird, wobei wenigstens ein Strömungspfad (12) mittels eines Schließkörpers (13) alternierend freigegeben und abgesperrt wird, um den Fluidstrahl in jeweils freigegebenem Zustand des Strömungspfads (12) impulsweise durchzulassen, worauf über wenigstens einen Zuführungskanal (14, 14') herangeführte feste Partikel von dem impulsweise durchgelassenen Fluidstrahl sukzessive so erfasst und mitgerissen werden, dass ein aus Fluid und festen Partikeln verfestigter pulsierender Strahl erzeugt wird, und dass dann der verfestigte pulsierende Strahl durch wenigstens eine Düsenaustrittsöffnung (18) auf eine Oberfläche des Bauteils (19) abgestrahlt wird, um dort zumindest lokal Ei- genspannungen zu bewirken. 9. A method for treating a component, wherein a pulsating fluid jet in a nozzle body (11) is generated, wherein at least one flow path (12) by means of a closing body (13) alternately released and shut off to the fluid jet in each released state of the flow path ( 12) in pulses, whereupon via at least one feed channel (14, 14 ' ) brought up solid particles are successively detected and entrained by the impulsively transmitted fluid jet so that a solidified from fluid and solid particles pulsating beam is generated, and then the solidified pulsating Beam is radiated through at least one nozzle outlet opening (18) on a surface of the component (19) in order there to cause at least locally gene tensions.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der verfestigte pulsierende Strahl mit einer einstellbaren Pulsfrequenz erzeugt wird, welche in einem Pulsbereich von einem einzelnen Schuss bis hin zu einer Pulsfrequenz von etwa 5 kHz liegt. 10. The method according to claim 9, characterized in that the solidified pulsating beam is generated with an adjustable pulse rate, which is in a pulse range from a single shot up to a pulse frequency of about 5 kHz.
11. Bauteil oberflächenbehandelt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 9 oder 10.
11. Component surface-treated according to the method of claim 9 or 10.
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