Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bearbeitung eines Innenraumes eines Werkstücks.
Die Forderung nach einer Miniaturisierung, Erhöhung der Leistungsdichte und Gewichtseinsparung verändert die konstruktive Gestaltung vieler Werkstücke, insbesondere von Maschinenbauteilen sowie die Methoden zu deren Fertigung.
So werden beispielsweise Bohrungen und Strömungskanäle in Serienkomponenten für Einspritzsysteme von Motoren immer kleiner und die verwendeten Werkstoffe aufgrund der hohen Anforderungen immer fester.
Bei einer spanenden Fertigung solcher Teile entstehen in jedem Fall Grate an Verschneidungen von Bohrungen und an Absätzen, die für mechanische Entgratwerkzeuge nicht zugänglich sind. Späne, kleine Partikel und Schmutzreste verbleiben im Werkstück und sind mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur unzureichend zu entfernen. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an die Sauberkeit und an eine definierte Oberflächenqualität, um die Zuverlässigkeit der Bauteile im Betrieb über den gesamten Produktlebenszyklus gewährleisten zu können.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Reinigen und Entgraten bekannt, bei denen mit Hilfe von Düsen, die sich außerhalb des Werkstücks befinden, Flüssigkeitsstrahlen erzeugt werden, die in die Bohrungen und Öffnungen hineinstrahlen. Das unter hohem Druck aus Düsenkanälen austretende fluide Medium, vorzugsweise Wasser oder Emulsionen, soll aufgrund der hohen kinetischen Energie des Mediums Schmutz und Grate an der inneren Oberfläche der Bohrungen und Öffnungen lösen.
Bei einem anderen Verfahren kommen abrasiv wirkende Partikel, wie z. B. Korund, in Verbindung mit dem Medium zum Einsatz, wobei eine wirksame hohe Geschwindigkeit des austretenden Flüssigkeitsstrahls durch eine vorausgegangene Hochdruckentspannung erreicht wird.
Im Werkstück werden diese Teilchen durch Prallstücke umgelenkt, so dass sie auf den zu behandelnden Oberflächenbereich treffen und dort wirksam werden.
Die bekannten Verfahren weisen allesamt gravierende Nachteile auf, die den geforderten Ansprüchen an die Qualität der Bearbeitung nicht im gewünschten Umfang gerecht werden.
Darüber hinaus ist die Wirkung der außerhalb des Werkstückes zum Einsatz kommenden Düsen unbefriedigend, da zum einen eine schlechte Energieumsetzung durch den großen Abstand zwischen der Düse und der zu bearbeitenden Oberfläche und zum anderen eine Störung der Hochdruckstrahlen durch die abfließende Flüssigkeit gegeben ist.
Weiter behindern Dämpfungseffekte durch Wasserpolster den Bearbeitungsprozess ebenso wie die Tatsache, dass kritische Zonen nicht direkt angestrahlt werden können. So können beispielsweise nur Flatter- und Flimmergrate in größeren Bohrungen sicher entfernt werden. Die Entfernung von Wurzelgraten ist aufgrund der schlechten Energieumsetzung praktisch gar nicht möglich.
Der genannte Einsatz von abrasiv wirkenden Partikeln führt zu einem Verschleiß der einzusetzenden Prallstücke, deren Handhabung überdies relativ kompliziert ist und einer rationellen Fertigung entgegensteht.
Darüber hinaus kommt es durch die Abrasivteilchen häufig zu Verschmutzungen und Verstopfungen, so dass sich insgesamt hohe Betriebskosten ergeben.
Die bekannten Möglichkeiten der Bearbeitung eines Innenraumes eines Werkstückes werden den Anforderungen an eine Serienfertigung nicht gerecht.
Aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Düse und ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so weiter zu entwickeln, dass eine den Anforderungen gerecht werdende Bearbeitung möglich ist, bei gleichzeitig verbesserter Standzeit der Düse.
Diese Aufgabe wird durch eine Düse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
In Kombination mit der neuen Düse gelingt es durch das neue Verfahren, die kinetische Energie optimal in den Bereich zu bringen, wo sie wirksam die Oberfläche in der gewünschten Weise verändert.
Dies kann eine gezielte Aufrauung, beispielsweise zur Vorbereitung für eine Beschichtung sein, eine Beseitigung von stark anhaftendem Schmutz oder Belag oder die Entfernung eines fest und umlaufend mit einer Entgratkontur verbundenen Wurzelgrates. Da dies, wie erwähnt, bislang sinnvoller Weise nicht möglich ist, hat die Erfindung eine große Bedeutung im Fertigungsprozess von Einspritzkomponenten für die Automobilindustrie.
Erfindungsgemäß weist die neue Düse mindestens einen Düsenkanal, vorzugsweise jedoch mindestens zwei Düsenkanäle auf, sich gegenüberliegend, vom bodenseitigen Endbereich der Zuführbohrung unter einem Winkel < = 90° zur Zuführbohrung in Einströmrichtung erstrecken. Dabei ist der Boden der Zuführbohrung teilweise erhaben ausgebildet, wodurch sich der Übergangsbereich zum Düsenkanal verengt.
Durch die Querschnittsverengung wird das Medium so gerührt, dass eine Kavitation innerhalb des Düsenkanals und Erosionsverschleiß am Austritt des Düsenkanals weitgehend vermieden wird. Dadurch wird erreicht, dass der austretende Flüssigkeitsstrahl seine Form und Richtung stabil beibehält. Wie sich überraschend gezeigt hat, erhöht sich die Standzeit einer solchen Düse in signifikanter Weise, so dass sie gegenüber dem Stand der Technik einen bemerkenswerten Fortschritt darstellt.
Die erhabene Ausbildung des Bodens der Zuführbohrung kann mannigfaltig ausgebildet sein. Die Erhebung ist zentrisch ausgebildet.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
In den Figuren ist eine insgesamt mit den Bezugszeichen 3 versehene Düse dargestellt, mit der ein Innenraum 1, 2 eines Werkstücks bearbeitet werden kann.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Düse 3 weist zwei sich gegenüberliegende Düsenkanäle 4 auf, aus denen ein über die zentrische Zuführbohrung 5 geführtes, unter hohem Druck stehendes fluides Medium austritt.
Die Düsenkanäle 4 erstrecken sich dabei, ausgehend vom bodenseitigen Endbereich der als Sackloch ausgebildeten Zuführbohrung 5 unter einem Winkel < = 90° zur Zuführbohrung 5 in Einströmrichtung 14.
Der Boden der Zuführbohrung 5 weist eine Erhebung auf, die bei dem in den
In der
Dabei setzt eine nicht dargestellte Pumpe das flüssige Medium, üblicherweise Wasser oder eine Emulsion, unter einen Druck von 400 bis 4000 bar, vorzugsweise 1500 bis 2500 bar. Eine Entspannung des Drucks erfolgt in den Düsenkanälen 4 unter Umwandlung der potentiellen in kinetische Energie. Der Flüssigkeitsstrahl trifft mit hoher Geschwindigkeit auf die Kanten 10, 11 bzw. den dort vorhandenen Wurzelgrat und trägt diesen ab, bis die gewünschte Kantenform erzielt ist.
Durch die spitzwinklige Strömungsführung in Verbindung mit der Verengung des Übergangsbereichs zu den Düsenkanälen wird erreicht, dass sich Verschleißzonen 19 innerhalb der Düsenkanäle und am Kanalaustritt nicht oder nur sehr langsam ausbilden. Der Winkel α 1, und α 2, unter dem die Düsenkanäle 4 verlaufen, ist in den
In der
Die Anordnung bzw. Erstreckung der Düsenkanäle 4 entspricht der in der
Durch die spitzen Kanalwinkel 7, 8 wird neben der Unterdrückung des Verschleißes in den Zonen 19 eine günstige Rückströmung 13 des abfließenden Fluids erzielt.
Dabei bildet sich kein Puffer zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der zu bearbeitenden Oberfläche 12 des Innenraumes 1, so dass Rückstände sicher ausgespült werden.
Die Form und genaue Lage der Ausführungsvarianten der Erhebungen 6 und 20 bis 24 sind abhängig von den Parametern Mediumdruck, Volumenstrom, Durchmesser der Zuführbohrung 5 und der Anzahl und den Durchmessern der Düsekanäle 4.
In der
In den
Das Bündchen 25 liegt mit seiner Unterseite auf einer Dichtung 16 auf, die am Grund der Lageröffnung 17 positioniert ist.
Baut sich ein hydraulischer Druck auf, wirkt dieser auf das Bündchen 25 und die Dichtung 16. Dadurch wird selbsttätig eine Dichtungspressung erzielt, die dem Verhältnis aus der Kreisfläche des Bündchens 25 zur Ringfläche der Dichtung 16, multipliziert mit dem aufgebrachten Druck entspricht.
Die Düse 3 wird somit nicht durch eine extern aufgebrachte Vorspannkraft vorgespannt, was für die Ausrichtung der Düse 3 und damit für die Genauigkeit des Verfahrens ungünstig sein könnte.
Da die Düse 3 entgegen der Einströmrichtung 14 axial bewegbar ist, besteht für die Düse 3 im drucklosen Zustand ein Kollisionsschutz, sollte die Düse beim Einfahren auf ein Hindernis stoßen oder falsch positioniert sein.
Wie die
Bei sich kreuzenden Innenräumen 1, 2 und bei sich schneidenden Kanten 10, 11 wird die Düse 3 zum Entgraten in den jeweils kleineren Innenraum 1 eingeführt, dessen kleinster Durchmesser im Bereich von 1 bis 30 mm, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10 mm liegt.
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