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Bei der mechanischen Fertigung von
Werkstücken
entstehen zum Beispiel an Kanten, Bohrungsrändern oder Bohrungsüberschneidungen
Grate, die in einem Nachbearbeitungsschritt entfernt werden müssen. Zur
Nachbearbeitung von Werkstücken
gehören
außer
dem Entgraten auch beispielsweise das Reinigen, Glätten oder
das Oberflächenverdichten.
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Die zu bearbeitenden Werkstücke können vielfältig ausgestaltet
sein und weisen oft auch schwer zugänglich zu bearbeitende Stellen
auf. Mit bislang üblichen
Verfahren beispielsweise der sogenannten Bürstenentgratung werden die
Oberflächen der
zu bearbeitenden Werkstücke
mit rotierenden Stahlbürsten
bearbeitet. Für
innenliegende Bohrungen können
Aufsätze
mit speziell geformten Bürsten eingesetzt
werden. Weiterhin sind Entgratungsverfahren bekannt, die mit Hochdruckwasserstrahlen
arbeiten. Bei den Gleitschleifanlagen werden die zu bearbeitenden
Werkstücke
in einem Behälter
mit abrassiven Schleifkörpern
durch Schwingungen im Kreis gefördert,
wobei dieses Verfahren nur für
kleinere Werkstücke
geeignet ist und eine relativ hohe Bearbeitungszeit zum Entgraten
der Werkstücke
erforderlich ist.
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Bei den vorgenannten Verfahren können insbesondere
innenliegende zu bearbeitende Stellen nur ungenügend bearbeitet werden.
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Mit den nachfolgend aufgeführten Vorrichtungen
und Verfahren können
auch Werkstücke nachbearbeitet
werden, die innenliegende Bohrungen und von außen schlecht zugängliche
Stellen aufweisen. Aus der
US
4,829,714 ist eine Entgratungs- und Reini gungsvorrichtung
bekannt. Diese Vorrichtung umfaßt
eine Befestigungsplatte, auf der das zu behandelnde Werkstück angebracht
und die in Schwingungen versetzt wird. Die Befestigungsplatte ist
an einem Rahmen konstruktiv derart angeordnet, daß sich das
zu behandelnde Werkstück
in der Bahn einer frei fallenden Kaskade eines abrasiven Materials
befindet. Durch die Schwingbewegung der Befestigungsplatte und des
frei fallenden abrasiven Materials wird eine Oberflächenbehandlung
des Werkstückes
erzielt.
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Die
US
4,581,853 beschreibt eine Anlage, bei der die zu behandelnden
Werkstücke
an einem Schwenkarm befestigt sind, wobei der Schwenkarm mit einem
Schwingungserreger versehen ist. Das Werkstück wird zur Oberflächenbearbeitung
mittels einer Schwenkbewegung des Schwenkarmes in einen mit Bearbeitungsmedium
befüllten
Behälter
eingetaucht. Der Behälter
wird ebenfalls mittels eines Schwingungserregers in Schwingung versetzt,
so daß aufgrund
der Relativbewegung zwischen Werkstück und dem Bearbeitungsmedium
ein Entgraten und Reinigen der Oberfläche erreicht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Oberflächenbearbeiten
von Werkstücken
derart auszubilden, daß eine
kurze Bearbeitungszeit und eine individuelle Anpassung an das Werkstück erzielt
werden.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zum Eintauchen des zu bearbeitenden Werkstückes der an dem Behandlungsbad
angeordnete Schwingungserreger zunächst in einem ersten Schritt
derart betrieben, daß sich
eine lockere Schüttung
des Behandlungsmediums einstellt, und die zu behandelnden Werkstücke gegen
geringen Widerstand mit geringem Kraftaufwand und sehr schnell in
das Behandlungsmedium eingetaucht werden können. Da die Haltevorrichtung
an der die zu bearbeitenden Werkstücke befestigt sind, ebenfalls
in Schwingungen versetzt wird, wobei die Schwingungsparameter einstellbar
sind, kann das Behandlungsmedium in alle innenliegenden Hohlräume gelangen.
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Bei dem eigentlichen Entgratungsvorgang wird
der an dem Behandlungsbad angeordnete Schwingungserreger in einem
zweiten Schritt dann so betrieben, daß eine kompakte Schüttung des
Behandlungsmediums erzielt wird. Der Fluidisierungsgrad der Schüttung kann
einfach durch die Frequenz der Erregung, aber auch durch die Schwingamplitude oder
beides eingestellt werden.
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Die erforderliche Bearbeitungszeit
für die Oberflächenbehandlung
bzw. den Entgratungsvorgang hängt
ab von der Form und dem Material des zu bearbeitenden Werkstückes und
der Art der ausgewählten
Schwingung. Vorzugsweise werden für die Haltevorrichtung des
Werkstückes
zwei Unwuchtwellen gewählt,
die in ihrer Anordnung und Betriebsweise einstellbar sind. Somit
können
dem Werkstück eine
Vielzahl von Schwingbewegungen aufgeprägt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen,
die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigen:
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1:
einen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Entgraten von mechanisch bearbeiteten metallischen Werkstücken,
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2:
einen Schnitt längs
der Linie II-II gem. 1.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum
Entgraten von Werkstücken,
die im Wesentlichen aus einem schwingfähig antreibbaren Behandlungsbad 2 und
einer schwingfähig
antreibbaren Haltevorrichtung 3 für das zu behandelnde Werkstück 4 besteht.
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Das schwingfähig antreibbare Behandlungsbad 2 besitzt
eine Grundplatte 5 die über
Federelemente 6 auf einem Fundament 7 elastisch
abgestützt ist.
Auf der Grundplatte 5 ist ein Behälter 8 befestigt, der
mit einem Behandlungsmedium befüllt
ist. In Abhängigkeit
von der Geometrie und dem Material des zu behandelnden Werkstückes wird
das Behandlungsmedium ausgewählt.
Als Behandlungsmedium können
beispielsweise Glas-, Metall-, Stahlkugeln oder willkürlich geformte
keramische Teilchen eingesetzt werden. Um einen Poliereffekt der
Oberfläche des
zu bearbeitenden Werkstückes
zu erzielen, werden vorzugsweise gehärtete Stahlkugeln verwendet. Zum
Entfernen von Lacken auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes oder
zum Beseitigen von Gußsandresten
werden vorzugsweise keramische Teilchen eingesetzt. Keramische Teilchen
sind abrasive Materialien, die ein Aufrauhen der Oberfläche und
somit auch einen Reinigungseffekt bewirken. Bei den in den Figuren
dargestellten Ausführungsvarianten
werden als Behandlungsmedium vorzugsweise Metallkugeln verwendet.
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An der Unterseite der Grundplatte 5 sind
als Schwingungserreger zwei Unwuchtmotore 9 angeordnet,
die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine senkrecht gerichtete Schwingung erzeugen (dargestellt durch
Pfeil 10). Diese senkrechte Schwingbewegung erzeugt eine
horizontale Oberfläche
der in dem Behälter
befindlichen Metallkugeln.
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Zur Schwingungserregung werden im
allgemeinen Unwuchterreger, Magneterreger und Schubkurbelantriebe
eingesetzt. Zum Entgraten bzw. für die
Oberflächenbearbeitung
von metallischen Werkstücken
eignen sich vor allem Unwuchterreger weshalb im folgenden nur Unwuchterreger
beschrieben sind.
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Der Schwingungsfachmann unterscheidet zudem
nach dem Schwingungsbild Kreis-, Linear- und Drehschwingungserregung.
Der Kreiserreger, besteht aus einer Welle mit einer Unwucht und
bewirkt eine kreisförmige
Bewegung des schwingenden Systems, wenn er in seinem Schwerpunkt
angeordnet ist. Mit zunehmendem Abstand der mit Unwucht versehenen
wellen, (auch Unwuchtwelle genannt), zum Systemschwerpunkt deformiert
sich die Kreisbewegung zur Ellipse.
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Zwei mit gleichgroßen Unwuchtmassen
ausgerüstete
Wellen, die zu gegensinnigem Umlauf (Pfeil 11) mit gleicher
Drehzahl angetrieben werden, erzeugen eine gerichtete lineare Schwingung.
Dabei können
die mit Unwucht versehenen Wellen, je nach konstruktiver Ausgestaltung
selbstsynchronisierend oder zwangssynchronisierend ausgebildet sein.
Der Schwingungserreger (Unwuchtmotor, Richterreger) ist hinsichtlich
seiner Schwingungsparameter einstellbar ausgebildet. Hierbei läßt sich
beispielsweise die Größe der erzeugten
gerichteten Kraft variabel einstellen. Die gerichtete Kraft ist
dabei abhängig
von der Unwucht und der Frequenz der umlaufenden Unwuchtwellen.
Weiterhin einstellbar ist die Pasenlage der Unwuchtwellen zueinander,
wobei hierdurch sowohl die Kraft als auch die resultierenden Schwingungen
des Behandlungsmediums veränderbar
sind. Durch diese Einstellmöglichkeit
kann die Oberfläche des
in dem Behälter
befindlichen Behandlungsmediums auch abweichend von einer horizontalen
Oberfläche
eingestellt werden.
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Durch verändern der oben genannten Größen, vorzugsweise
der Frequenz, können
die Bewegungsform und Energie des Behälters und somit die auf die
Kugeln übertragenen
Schwingungen eingestellt werden. Mit zunehmenden Kräften, z.B.
höheren
Frequenzen wird das Behandlungsmedium zunehmend aufgelockert.
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Prinzipiell kann auch nur eine mit
Unwuchten versehene Welle vorgesehen sein, die bei Anordnung im
Massenschwerpunkt S1 des schwingenden Systems eine kreisförmige bzw,
beabstandet vom Massenschwerpunkt eine elliptische Schwingung erzeugt.
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Oberhalb des schwingfähig antreibbaren
Behandlungsbades 2 ist eine schwingfähig antreibbare Haltevorrichtung 3 angeordnet,
die im wesentlichen aus einer Grundplatte 12 besteht, die über Federelemente 13 an
einem nicht dargestellten gestellfesten Element elastisch abgestützt ist.
Auf der Grundplatte 12 sind zwei Schwingungserreger 14 angeordnet,
die jeweils mit Unwuchtmassen versehene rotierende Wellen besitzen
und gleichsinnig angetrieben werden (dargestellt durch Pfeile 15).
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Wie es bereits zu dem Schwingungsantrieb des
Behandlungsbades 2 beschrieben ist, sind auch hier die
Schwingungsparameter der Schwingungserreger 14 in gleicher
Weise einstellbar ausgebildet.
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Auf der in Vertikalrichtung nach
unten weisenden Seite der Grundplatte 12 sind wie es in 1 dargestellt ist, zwei
zu behandelnde Werkstücke
(hier Zylinderköpfe)
aufgespannt. Aufgrund der Einstellbarkeit der Schwingungsparameter
können
den aufgespannten Werkstücken
unterschiedlichste Bewegungsformen aufgeprägt werden. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist ersichtlich, daß die Mittellinien
der Unwuchtwellen beabstandet von der vertikalen und der horizontalen
Schwerelinie (Schwerelinien verlaufen durch den Massenschwerpunkt
S2 des schwingenden Systems) angeordnet sind, so daß bei Rotation
der Schwingungserreger bei gleichsinniger Drehrichtung, mit gleicher
Drehzahl und gleichgroßen
Unwuchtmassen dem Werkstück
eine elliptische Bewegung in der dargestellten Blattebene aufgeprägt wird.
(Ebene definiert durch x-Richtung (Horizontale) und y-Richtung (Vertikale)
des Koordinatensystems in 1).
Die Größe der Halbachsen wird
dabei bestimmt von der Größe der Unwuchtmassen,
ihrer Phasenlage zueinander, den horizontalen und vertikalen und
vertikalen Abständen
zu den jeweiligen Schwerelinien sowie der Gesamtmasse des Systems.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung
von zwei als Unwuchtwellen ausgebildeten Schwingungserregern sind
prinzipiell folgende Alternativanordnungen bzw. Einstellmöglichkeiten
der Schwingungsparameter möglich.
Hierbei sind alle aufgezählten
Einstellmöglichkeiten
beliebig kombinierbar.
- a) Die Unwuchtwellen
können
gleichsinnig oder gegensinnig rotierend angetrieben werden.
- b) Die Lage der wellen zueinander kann variiert werden, d.h.
parallele Anordnung der Wellen oder auch beliebiger Winkel der Mittelachse
zueinander.
- c) Änderung
der Phasenlage
- d) Änderung
der Unwuchtmassen
- e) Änderung
der Anordnung und der Größe der Unwuchtmassen
auf einer Welle zueinander.
- f) Änderung
der Betriebsfrequenz
- g) Betrieb der Unwuchtwellen mit gleicher oder unterschiedlicher
Frequenz
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Es ist selbstverständlich,
daß anstelle
der Anordnung von zwei Unwuchtwellen auch eine andere Anzahl von
Unwuchtwellen angeordnet werden kann.
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Damit die zu behandelnden Werkstücke 4 in das
Behandlungsbad 2 eingetaucht und nach der Oberflächenbehandlung
wieder herausgehoben werden können,
ist die Haltevorrichtung 3 mit Mitteln versehen, die eine
Bewegung der Haltevorrichtung 3 in Vertikalrichtung ermöglichen.
Alternativ hierzu könnten
auch Mittel vorgesehen sein, die ein Absenken und Anheben des Behälters in
Vertikalrichtung ermöglichen.
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Zum Entgraten der dargestellten Zylinderköpfe ist
die Haltevorrichtung mit aufgespannten zu entgratenden Zylinderköpfen zunächst derart
angeordnet, daß die
Unterkante der zu entgratenden Werkstücke 4 noch nicht in
das Behandlungsbad 2 eintaucht. Zum Eintauchen der Werkstücke 4 werden die
Schwingungserreger 9 des Behandlungsbades 2 in
einem ersten Schritt zunächst
mit einer hohen Frequenz betrieben, so daß in dem Behälter 8 eine
lockere Schüttung
der Metallkugeln aufgrund der aufgeprägten Schwingungen entsteht.
Die Haltevorrichtung 3 wird anschließend vertikal abgesenkt, so
daß die
Werkstücke 4 mit
geringem Kraftaufwand in die lockere Schüttung der Metallkugeln eingetaucht
werden können.
Beim Eintauchen des Werkstückes
ist es wichtig, daß das
Behandlungsmedium, in diesem Fall die Metallkugeln, in alle innenliegenden
Hohlräume
des zu bearbeitenden Werkstückes
gelangen. Sobald die Werkstücke 4 im
Kugelbad eingetaucht sind, wird in einem zweiten Schritt die Frequenz
des Richterregers 9 entsprechend abgesenkt, so daß eine kompakte
Kugelschüttung
zum Entgratvorgang erzielt wird.
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In der Schwingfördertechnik wird das Maschinen-
und das Schüttgutverhalten
durch zwei Kenngrößen beschrieben,
die Froude'sche
Kennzahl (Schwingamplitude x Kreisfrequenz hoch 2 / Erdbeschleunigung)
d.h. dem Verhältnis
von Trägheitskraft zur
Schwerkraft und die Wurfkennziffer, dem Verhältnis Maschinenbeschleunigung
senkrecht zur impulseinleitenden Fläche und der Erdbeschleunigung.
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Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind
für das
Behandlungsbad Froudezahl und Wurfkennziffer gleich groß. Ist die
Froudzahl kleiner 2 ist bei Kugeln mit 2,7–3,2 mm
Durchmesser eine Entgratungszeit von weniger als eine Minute ausreichend.
Bei einer Froudzahl kleiner 1,8 in der Behandlungsphase (zweiter
Schritt kann bei Werkstücken aus
Aluminium eine Oberflächenverdichtung
beobachtet werden.
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Das Eintauchen des Werkstückes in
das Behandlungsbad sollte in einer kurzen Zeit erfolgen, seine Froudezahl
sollte daher größer als 2 eingestellt werden.
Im dargestellten Beispiel beträgt
die Eintauchgeschwindigkeit ca. 1 m/min, wenn die Froudzahl zwischen 3 und 4 liegt.
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Das zu entgratende Werkstück schwingt
mit wesentlich höherer
Froudzahl, ihre Größe und die Größe der Wurfkennziffer
werden durch die Geometrie des Werkstückes bestimmt. Im beschriebenen Beispiel
beträgt
die Froudezahl 15–20 (vorzugsweise 17)
und die Wurfkennziffer kleiner 1. Diese Größen können für alle Bearbeitungsphasen
(d.h. für
den ersten Schritt Tauchen; zweiter Schritt Entgraten; Herausnehmen
und Abreinigen) konstant gehalten werden. Je nach Geometrie der
Hohlräume
kann es jedoch sinnvoll sein, die Wurfkennziffer größer zu wählen oder
während
der verschiedenen Bearbeitungsphasen zu variieren.
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Da den zu behandelnden Werkstücken 4 ebenfalls über die
einstellbaren Schwingungserreger 14 eine Schwingbewegung
aufgeprägt
wird, wird durch die Relativbewegung der Werkstücke 4 zu den Metallkugeln
eine Oberflächenbearbeitung
d.h. ein Entgraten sowie Reinigen der Oberfläche erzielt. Zur Oberflächenreinigung
können
zusätzliche
Reinigungsflüssigkeiten
dem Behandlungsbad zugefügt werden.
Die abgeschlagenen Grate sowie eventuelle Lackreste oder Gußsandreste
werden mit der Reinigungsflüssigkeit
ausgespült.
Hierfür
ist im Behälterboden
oder den Behälterseitenwänden ein
Gitter und ein nicht dargestellter Sammelbehälter vorgesehen.
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Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung
von metallischen Werkstücken