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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Bearbeiten einer Kante eines hochdruckfesten Bauteils, insbesondere
einer Kante einer Bohrungsverschneidung eines hochdruckfesten Bauteils
einer Kraftstoffeinspritzanlage, bei dem in einem Bearbeitungsschritt
die Kante hydro-erosiv verrundet wird. Insbesondere betrifft die
Erfindung auch ein Verfahren zum hydro-erosiven Verrunden einer Kante eines
hochdruckfesten Bauteils, insbesondere einer Kante einer Bohrungsverschneidung
eines hochdruckfesten Bauteils einer Kraftstoffeinspritzanlage,
bei dem eine mit Schleifkörpern
versetzte Flüssigkeit
quer über
die zu verrundende Kante im Bereich einer von einer ersten weiterführenden
Bohrung zu einer abzweigenden zweiten Bohrung geführt wird.
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Auch betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung zum hydro-erosiven Verrunden einer Kante eines hochdruckfesten
Bauteiles, insbesondere einer Kante einer Bohrungsverschneidung
eines hochdruckfesten Bauteils einer Kraftstoffeinspritzanlage,
bei dem eine mit Schleifkörpern
versetzte Flüssigkeit quer über die
zu verrundende Kante im Bereich einer von einer ersten weiterführenden
Bohrung abzweigenden zweiten Bohrung führbar ist.
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Es ist allgemein bekannt, Verschneidungen von
Bohrungen in hochdruckfesten Bauteilen, insbesondere Bauteilen von
Kraftstoffeinspritzsystemen, zu verrunden, um etwaigen lokalen Spannungsspitzen
entgegenzuwirken, die zu einer Bauteilermüdung oder -zerstörung führen können.
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In einem auch unter Extrudehone bekannten Verrundungsverfahren
wird eine mit Schleifpartikeln versetzte polymere Paste durch die
Bohrungen gedrückt.
Dabei werden Grate gebrochen und die Schnittkanten verrundet. Nachteilig
sind hohe laufende Kosten wegen Kauf und Entsorgung der polymeren
Schleifpaste sowie ein sehr kostenintensiver Reinigungs-Prozess,
um die Schleifpaste aus dem Bauteil zu entfernen. Außerdem besteht
bei Kraftstoffeinspritzsystemen die Gefahr des Verschleppens der Paste,
beispielsweise stromabwärts
zur Düse.
Dies kann zum Verstopfen von Spritzlöchern in der Düse oder
zum Verlust der Dichtfunktion der Düse im Bereich der Düsennadel
führen
und somit letztendlich zum einem Leistungsabfall, Ausfall des Motors
oder gar zu einem Motorschaden.
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Eine weitere im Stand der Technik
allgemein bekannte Möglichkeit
zur Verrundung von Kanten besteht darin, ein elektrochemisches Materialabtragsverfahren
einzusetzen. Hier wird ebenfalls die Kante im Bereich der miteinander
verschnittenen Bohrungen verrundet. Nachteilig ist hierbei besonders
die dabei auftretende porenartige raue Oberfläche sowie die korrosive Schädigung der
Korngrenzen des Werkstoffs, die im mikroskopischen Bereich zu Spannungsspitzen
führen.
Somit ist die erreichbare Drucksteigerung bei diesem Verfahren niedriger
als beim Extrudehone-Verfahren.
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Auch ist es bekannt, zur Erhöhung der Druckfestigkeit
des Bauteils, eine Druckspannung in den Innenwänden der Bohrungen und Kanäle über Schleifen
oder Honen einzubringen. Nach dem Schleifen oder Honen entstehen
Druck-Eigenspannungen in der Innenwand der Bohrung oder dem inneren
Bereich des Kanals.
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Diese Druck-Eigenspannung ist der
in Folge des hydraulischen Innendrucks entstehenden Zugspannung
entgegen gerichtet.
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Des Weiteren ist aus der deutschen
Patentanmeldung
DE
199 53 131 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verrunden
von Kanten in mechanisch, thermisch oder sonstig hoch beanspruchten
Bauteilen bekannt. Als besonderes Anwendungsgebiet wird das Verrunden
von Kanten an Verschneidungen von Kanälen in Hochdruckspeichern von Kraftstoffeinspritzsystemen
genannt. In derart hoch beanspruchten Bauteilen treten im Bereich
von Kanten aller Art Spannungsspitzen auf, die zu einem Bauteilversagen,
insbesondere zu einem Bruch des Bauteils, führen können. Um das Bauteil hochdruckfest
auszugestalten, werden dessen Kanten verrundet. Das Verrunden erfolgt über das Überströmen der zu
verrundenden Kante mit einer erosiven Flüssigkeit, die von einer Förderpumpe
durch das Bauteil gefördert
wird. Im Bereich der Kante wird zur Erhöhung der erosiven Wirkung der
Flüssigkeit
deren Strömungsgeschwindigkeit über eine
Querschnittsverjüngung
erhöht. Über eine
Einstellung des Förderdruckes
kann die Strömungsgeschwindigkeit
der Flüssigkeit
und damit auch der Materialabtrag im Bereich der Kante beeinflusst
werden. Die Förderdrücke liegen
etwa im Bereich von 50 bar bis 140 bar. Außerdem wird allgemein ohne
nähere
Angaben hierüber
angeführt,
dass die Haupt-Strömungsrichtung
der Flüssigkeit
und die Längsachse
der zu verrundenden Kante vorzugsweise einen Winkel von 90° einschließen. Für eine Verrundung
des kantenartigen Übergangs
eines Düsennadelsitzes
und einer anschließenden
Vorkammer zu den Einspritzlöchern einer
Einspritzdüse
wird dort beschrieben, einen konischen Körper in den Bereich des Düsennadelsitzes der
sacklochartigen Einspritzdüse
so einzuführen, dass
im Bereich der Kante ein Ringspalt entsteht. Dieser Ringspalt dient
dazu die ge wünschte
Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit
im Bereich der zu verrundenden Kante zu erreichen.
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Auch ist bereits aus dem deutschen
Patent
DE 199 14 719
C2 eine weitere Vorrichtung zum hydro-erosiven Verrunden
einer Einlauf kante eines Spritzloches in einer Einspritzdüse für Kraftstoff
bekannt. Im Gegensatz zu der zuvor beschrieben Verrundungsvorrichtung
mit einem konischen Strömungskörper zur
Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit
der erosiven Flüssigkeit
ist hier ein Strömungskörper vorgesehen,
der der Form einer Düsennadel
nachempfunden ist. Zusätzlich
können
in der Außenwand
der Spitze des düsennadelförmigen Strömungskörpers in
deren Längsrichtung
verlaufende Leitnuten eingearbeitet sein, über die die abrasiven Schleifkörper der
erosiven Flüssigkeit
gezielt auf den oberen Bereich der Einlaufkante des Spritzloches
geleitet werden können.
Hierdurch soll eine verstärkte
Verrundung in diesem Bereich erzielt werden, die dann zu einer höheren Kraftstoff-Durchflussgeschwindigkeit
führen
soll.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten einer Kante eines
hochdruckfesten Bauteils, insbesondere einer Kante einer Bohrungsverschneidung
eines hochdruckfesten Bauteils einer Kraftstoffeinspritzanlage, sowie
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hydro-erosiven Verrunden
einer Kante eines hochdruckfesten Bauteils, insbesondere einer Kante
einer Bohrungsverschneidung eines hochdruckfesten Bauteils einer
Kraftstoffeinspritzanlage, zu schaffen, mit denen jeweils eine Optimierung
des Verrundungsergebnisses und somit eine Optimierung der Hochdruckfestigkeit
des Bauteils erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zum Bearbeiten einer Kante eines hochdruckfesten Bauteils mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst
sowie durch ein Verfahren zum hydro-erosiven Verrunden einer Kante
eines hochdruckfesten Bauteils mit den Merkmalen des Anspruches
4. In Bezug auf die Vorrichtung zum hydro-erosiven Verrunden einer Kante
eines hochdruckfesten Bauteils wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruches 7 gelöst. In den Unteransprüchen 2,
3, 5, 6 und 8 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren beziehungsweise
der Vorrichtung angegeben.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zum
Bearbeiten einer Kante eines hochdruckfesten Bauteils, insbesondere
einer Kante einer Bohrungsverschneidung eines hochdruckfesten Bauteils
einer Kraftstoffeinspritzanlage, bei dem in einem Bearbeitungsschritt
die Kante hydro-erosiv verrundet wird, eine weitere Verbesserung
der Hochdruckfestigkeit des Bauteils dadurch erreicht, dass vor
dem Bearbeitungsschritt des hydro-erosiven Verrunden die Kante und die
an die Kante angrenzenden Flächen
des hochdruckfesten Bauteiles jeweils im Bereich ihrer Oberfläche mittels
eines Schleif- und/oder Honverfahrens unter Druckspannungen gesetzt
werden. In Folge der Schleif- und/oder Honbearbeitung entsteht an
der Kante ein mehr oder weniger ausgeprägter Grat. Der Kern der vorliegenden
Erfindung liegt in der Kombination des Bearbeitungsschrittes des
Schleifens und/oder Honens zur Erzeugung von Druckspannungen in
der Kante und der angrenzenden Oberfläche des hochdruckfesten Bauteils
mit dem anschließenden
Bearbeitungsschritt des hydroerosiven Verrundens. Der angestrebte
Grad der Verrundung entspricht dem Festigkeitsoptimum. Die erzeugten
Druckspannungen in der Kante und in der angrenzenden Oberfläche des
hochdruckfesten Bauteils sind in vorteilhafter Weise den Zugspannungen, die
durch dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff erzeugt werden, entgegengerichtet.
Durch das hydro-erosive Verrunden der Kante wird die Kante entgratet
und geglättet
und somit der für
Grate und scharfe Kanten typische dreiachsige Spannungszustand entschärft.
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Um die Hochdruckfestigkeit des hochdruckfesten
Bauteils hinreichend erhöhen
zu können,
werden die Kante und die an die Kante angrenzenden Flächen, vorzugsweise
Zylinderflächen
von Bohrungen, des hochdruckfesten Bauteiles jeweils im Bereich
ihrer Oberfläche
mittels des Schleif- und/oder Honverfahrens unter Druckspannungen
in einem Bereich von 500 N/mm2 bis 1500 N/mm2 gesetzt.
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Mit dem Ziel, die in die Oberfläche der
Kante und der an die Kante angrenzenden Flächen des hochdruckfesten Bauteils,
die mit der Druckflüssigkeit,
insbesondere dem Kraftstoff, in Kontakt treten, mittels des Schleif-
und/oder Honverfahrens eingebrachten Druckspannungen soweit wie
möglich
zu erhalten, wird in dem Bearbeitungsschritt des hydro-erosiven
Verrundens die Kante nur soweit gerundet, dass maximal im Bereich
von 10 μm
bis 50 μm abgetragen
wird, so dass Druckspannungen von mindestens 200 N/mm2 erhalten
bleiben. Dies entspricht in etwa Rundungsradien von 30 μm bis 170 μm.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren und
der entsprechenden Vorrichtung zum hydro-erosiven Verrunden einer
Kante eines hochdruckfesten Bauteils, insbesondere einer Kante einer
Bohrungsverschneidung eines hochdruckfesten Bauteils einer Kraftstoffeinspritzanlage,
bei dem eine mit Schleifkörpern
versetzte Flüssigkeit
quer über
die zu verrundende Kante im Bereich einer von einer ersten weiterführenden
Bohrung zu einer abzweigenden zweiten Bohrung geführt wird,
eine optimales Verrundungsergebnis im Bereich der Kante dadurch
erreicht, dass zur Umlenkung der mit Schleifkörpern versetzten Flüssigkeit
von der ersten weiterführenden
Bohrung in die zweite abzweigende Bohrung in Haupt-Strömungsrichtung
der mit Schleifkörpern
versetzten Flüssigkeit
gesehen die erste Bohrung hinter der abzweigenden zweiten Bohrung
mit einem Verschlusselement verschlossen wird. Hierdurch entsteht
am Ende der durch das Verschlusselement verschlossenen ersten im
Normalfall weiterführenden Bohrung
eine Staudruckzone, die zu einer Umkehrung der Strömung in
Richtung der zweiten abzweigenden Bohrung führt. Diese Rückströmung in
Verbindung mit der Staudruckzone bewirkt, dass die Strömung im
Bereich der dem Zulauf der mit den Schleifkörpern versetzten Flüssigkeit
in die Bohrung abgewandten Teil der Kante, die auch als Gegenkante
bezeichnet wird, nicht abreißt
und somit hydro-erosiv verrundet werden kann.
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In konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung
ist das Verschlusselement in die weiterführende erste Bohrung in Haupt-Strömungsrichtung
der mit Schleifkörpern
versetzten Flüssigkeit
gesehen hinter der abzweigenden zweiten Bohrung in einem Abstand
von etwa 0,5 mm bis 10 mm eingesetzt. Hierdurch wird eine optimale
Verrundung der Einström-
und der Gegenkante erreicht.
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Eine weitere Verbesserung des Verrundungsergebnisses
wird dadurch erreicht, dass mindestens ein Mal, vorzugsweise mehrfach,
die Haupt-Strömungsrichtung
der mit Schleifkörpern
versetzten Flüssigkeit
in der ersten Bohrung gewechselt wird. Durch den erfindungsgemäßen Wechsel
wird die Haupt-Strömungsrichtung
umgekehrt und somit die Einströmkante
zur Gegenkante und die Gegenkante zur Einströmkante. Somit können etwaig
vorhandene Unterschiede in den Verrundungsgraden an der Gegenkante
und an der Einströmkante
ausgeglichen werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende
Erfindung an Hand von einem in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts
eines hochdruckfesten Bauteils 1 eines Kraftstoffeinspritzsystems,
wie beispielsweise einer Einspritzdüse, eines Injektorkörpers, eines
Schmiederails, eines Schweissrails, einer Verdrängereinheit einer Common-Rail-Hochdruckpumpe
oder dem Hochdruckbereich einer Common-Rail-Hochdruckpumpe.
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Das Bauteil 1 weist einen
Hauptkanal und einen Abzweigkanal auf, die in Form einer ersten
zylinderförmigen
Bohrung 2 und einer zweiten zylinderförmigen Bohrung 3 ausgebildet
sind. Die zweite Bohrung 3 zweigt im Bereich der Innenwand 4 der
ersten Bohrung 2 von der ersten Bohrung 2 ab.
In dem Bereich, in dem sich die Bohrungen 2 und 3 somit
verschneiden, ist in dem Bauteil 1 eine umlaufende Kante 5 ausgebildet,
die nach Fertigung der Bohrungen 2 und 3 scharfkantig
ist. Die Längsachsen
L, 1 der beiden Bohrungen 2 und 3 verlaufen in
der dargestellten bevorzugten Ausführungsform in einem rechten
Winkel zueinander und der dadurch entstehende Abzweigungsbereich
ist T-förmig.
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Nachdem die Bohrungen 2, 3 in
das Bauteil 1 gebohrt worden sind, werden deren Innenwände 4, 6 und
die Kante 5 mit einem Schleifverfahren beziehungsweise
Honverfahren nachbearbeitet. Durch diese Nachbearbeitung werden
in die Oberflächen der
Innenwände 4, 6 und
der Kante 5 Druckspannungen eingebracht, die dem später in den
Bohrungen 2, 3 unter hohem Druck geführten Fluid,
insbesondere Kraftstoff, entgegengerichtet sind. Diese Druckspannungen
haben im Bereich der Oberfläche
der Innenwände 4, 6 Werte
bis zu 1000 N/mm2; in einer Tiefe von etwa
0,1 mm unterhalb der Oberfläche
der Innenwände 4, 6 liegen
diese Druckspannungen immerhin noch bei 700 N/mm2.
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In einem weiteren Bearbeitungsschritt
wird die Kante 5 zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit des
Bauteils 1 hydro-erosiv verrundet. Hierzu wird eine mit
Schleifkörpern 7 versetzte
Flüssigkeit 8,
vorzugsweise ein hochviskoses Schmieröl, mittels einer nicht dargestellten
Förderpumpe
in die erste Bohrung 2 eingeleitet und quer über die
zu verrundende Kante 5 geführt. Unter quer wird hier jegliche
Strömung
unter einem Winkel zu der umlaufenden Kante verstanden. Um die erosive
Wirkung der Flüssigkeit 8 mit den
Schleifkörpern
7 im Bereich der Kante 5 zu erhöhen, wird – in Haupt-Strömungsrichtung
S der Flüssigkeit 8 mit
den Schleifkörpern 7 in
der Bohrung 2 gesehen, die mit der Längsachse L der ersten Bohrung 2 zusammenfällt – die als
Durchgangsbohrung oder zumindest in Bezug auf die abzweigende Bohrung 3 weiterführende Bohrung 2 durch
ein in der einzigen Figur schematisch dargestelltes Verschlusselement 9 in
Form eines eingeschobenen Stopfens druckdicht abgeschlossen. Der
Abstand a der Verschlussfläche
des Verschlusselements 9 zu der hinteren Gegenkante 11 der
Bohrung 3 – gesehen
in Haupt-Strömungsrichtung
S bzw. in Richtung der Längsachse
L der Bohrung 2 – beträgt etwa
0,5 bis 10 mm. Durch dieses Verschlusselement 9 wird die Strömung der
Flüssigkeit 8 mit
den Schleifkörpern 7 dahingehend
verändert,
dass sich im Bereich der Abstandes a der Bohrung 2 und
somit vor dem Verschlusselement 9 eine Staudruckzone ausbildet,
die in einem Umlenkbereich U vor dem Verschlusselement 9 zu
einem Umlenken der Flüssigkeit 8 mit
den Schleifkörpern 7 führt. Somit
entsteht in dem Bereich der Bohrung 2 zwischen dem Verschlusselement 9 und
der Bohrung 2 eine Rückströmung in
der Richtung R, so dass die Kante 5 und die sich daran
anschließende
Bohrung 3 aus beiden Richtungen – der Haupt-Strömungs richtung
S und der Rückströmungsrichtung
R – durchströmt wird.
Im Ergebnis wird hierdurch eine besonders gleichmäßige Verrundung
der umlaufenden Kante 5 erreicht. Die Rückströmungsrichtung R ist in dem
Bereich, der an das Verschlusselement 9 angrenzt, der Hauptströmungsrichtung
S entgegengerichtet und wird im Abzweigungsbereich der zweiten Bohrung 3 in
Richtung der Längsachse 1 der
zweiten Bohrung 3 umgelenkt.
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Insbesondere wird hierdurch erreicht,
dass der Abschnitt der Kante 5, der dem Zulauf der Flüssigkeit 8 mit
den Schleifkörpern 7 abgewandt
beziehungsweise dem Abschlusselement 9 zugewandt ist – im folgenden
als Gegenkante 11 bezeichnet – eine vorteilhaftere Umströmung als
ohne das Verschlusselement 9 hat. Entsprechend werden gute
Verrundungsergebnisse erreicht. Der als Einströmkante 10 bezeichnete
Abschnitt der Kante 5, der dem Zulauf der Flüssigkeit 8 mit
den Schleifkörpern 7 zugewandt beziehungsweise
dem Abschlusselement 9 abgewandt ist, wird weiterhin ausreichend
verrundet.
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Gegenüber der im Stand der Technik üblichen
Verfahrensweise, die zugeführte
Flüssigkeit 8 mit
den Schleifkörpern 7 nur
zu einen Teil durch die Bohrung 3 abzuleiten, wird erfindungsgemäß auch bei
hohen Vordrücken – beispielsweise
bedingt durch den Übergang
einer 4 mm Bohrung 2 auf eine 2 mm Bohrung 3 – von etwa
50 bar eine sehr geringe Ablösung
der Strömung
im Bereich der Gegenkante 11, erreicht, was mit einer fast
idealen Verrundung mit tangentialen Übergängen von dem Radius r im Bereich
der Kante 5 in die Bohrung 3 einhergeht. Bei der Lösung nach
dem Stand der Technik werden die Gegenkante 11 auf Grund
der Strömungsablösung nur gering
und die Einströmkante 10 stark
verrundet, so dass der Rand 5 in dessen Umlaufrichtung
gesehen ungleichmäßig verrundet
wird. Für
die Reduktion der Spannung ist aber eine gleichmäßige Verrundung erforderlich,
die mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
erreicht wird.
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Ein noch optimaleres Verrundungsergebnis kann
erreicht werden, wenn die Position des Verschlusselementes 9 und
somit des Zulaufs der Flüssigkeit 8 mit
den Schleifkörpern 7 zumindest
ein Mal gewechselt wird. Hierdurch kommt es aus zu einem Wechsel
von Einströmkante 10 und
Gegenkante 11. Ein mehrfacher Wechsel währen des Verrundungsverfahrens
führt zu
einer weiteren Optimierung des Verrundungsergebnisses in Bezug auf
die Gleichförmigkeit
der Verrundung über
die umlaufende Kante 5.
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Im Zuge des hoch-erosiven Verrundens
wird der dreiachsige Spannungszustand an der Kante 5 entschärft. Dabei
wird jedoch darauf geachtet, dass der Wirkbereich der Druckspannung,
die in dem vorhergehenden Bearbeitungsschritt des Schleifens oder
Honens in den Innenwänden 4, 6 aufgebaut worden
sind, nicht vollständig
entfernt wird. Ausgehend von den vorgenannten Werten der Druckspannungen
werden Verrundungen der Kanten 5 mit einen Radius r zwischen
30 μm und
170 μm,
vorzugsweise 50 μm
und 100 μm,
durch das hydro-erosive Verrunden vorgenommen, so dass die Druckspannung
in der Innenwand 4, 6 der Bohrungen 2, 3 im Bereich
der Kante 5 noch über
200 N/mm2, vorzugsweise über 700 N/mm2,
liegt. Entsprechend den vorgenannten Radien liegt der maximale Materialabtrag durch
das hydro-erosive Verrunden im Bereich von 10 μm bis 50 μm, vorzugsweise 20 μm bis 40 μm.
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Außerdem ist mit einer Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit
eine Erhöhung
der erosiven Wirkung der mit den Schleifkörpern 7 versetzten Flüssigkeit 8 verbunden.
Das hydro-erosive Ver runden wird bei Drücken im Bereich von etwa 10
bar bis 500 bar durchgeführt.
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Nach dem hydro-erosiven Schleifprozess
im Bereich der Kante 5 verlässt die Flüssigkeit 8 mit den Schleifkörpern 7 das
Bauteil 1 über
die zweite Bohrung 3, dessen Ende mit einer nicht dargestellten Rückführleitung
verbunden ist.
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Des Weiteren ist aus der einzigen
Figur ersichtlich, dass die Bohrung 2 einen Durchmesser
D aufweist, der geringfügig
größer ist
als der Durchmesser d der abzweigenden Bohrung 3. Die Durchmesser
D, d der Bohrungen liegen in üblicher
Weise in einem Bereich von 0,5 mm bis 10 mm, vorzugsweise im Bereich
von etwa 2 mm bis 4 mm.