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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche, das einen unter Hochdruck stehenden, kavitationserzeugende Blasen enthaltenden Wasserstrom gegen eine innere Oberfläche eines in einem metallischen Teil oder anderem Werkstück vorgesehenen Lochs spritzt, so daß eine pressende Kraft zur Reinigung usw. auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeübt wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Beim Aufbringen einer Druckbelastung auf ein metallisches Teil um Grate zu entfernen, die an bearbeiteten Stellen des metallischen Teils ausgebildet sind oder um auf der Oberfläche des metallischen Teils abgelagerten Schmutz wegzuputzen, gibt es ein Verfahren, einen kavitationserzeugende Blasen enthaltenden Hochdruckwasserstrahl gegen die Oberfläche des metallischen Teils zu spritzen. Das heißt, der große Anpralldruck, der örtlich entsteht, wenn die kavitationserzeugenden Blasen auf der Oberfläche des metallischen Teils kollabieren, ermöglicht es, die Oberfläche des metallischen Teils einer Druckbelastung auszusetzen und sie auf andere Weise zu bearbeiten.
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Als ein Verfahren zur Oberflächenmodifikation bei einem metallischen Teil wurde die Technik offenbart, die Innenfläche eines Rohrs im Wasser einer Klopfbearbeitung auszusetzen (Japanische Patentveröffentlichung
JP 10-76467 A ). Bei dieser Technik werden eine Düse und ein konisches Widerstandselement in das im Wasser befindliche Rohr eingesetzt. Das konische Widerstandselement reduziert die Größe des Kanals und verursacht dadurch einen Druckanstieg, wodurch die gebildeten, kavitationserzeugenden Blasen zum Kollabieren zwischen dem Widerstandselement und der Innenfläche des Rohrs veranlaßt werden.
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Jedoch ist es bei dem obigen Arbeitsverfahren für die Ausbildung der kavitationserzeugenden Blasen im Wasser erforderlich, das Hochdruckwasser zu veranlassen, zum hinteren Ende des konischen Widerstandselements zu fließen. Das heißt, ein ausreichend großer Abstand von beispielsweise 1,5 mm oder mehr ist zwischen der Innenfläche des Rohrs und dem konischen Widerstandselement erforderlich. Aus diesem Grunde fließen die kavitationserzeugenden Blasen schließlich vom obigen Abstandsbereich zum hinteren Ende des Widerstandselements, so daß die Klopfbearbeitung schwierig wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, angesichts der obigen Probleme des Standes der Technik ein Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche zu schaffen, das es ermöglicht, die Innenfläche eines in einem Werkstück ausgebildeten Lochs wirkungsvoll zu modifizieren.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Modifikation einer Innenfläche eines Lochs durch Einspritzen eines einen vorgegebenen Wasserdruck aufweisenden Wasserstrahls in ein in einem Werkstück ausgebildetes Loch vorgesehen, wobei dieser Wasserstrahl ein zweischichtiger Wasserstrahl ist, der aus einem Hochdruckwasserstrahl und einem den Hochdruckwasserstrahl umgebenden Niederdruckwasserstrahl besteht und kavitationserzeugende Blasen enthält, ein Strömungssteuerelement eine Reflexionsfläche aufweist, an der der Wasserstrahl reflektiert wird, und innerhalb dieses Lochs angeordnet ist, ein Spiel zwischen diesem Strömungssteuerelement und der Innenfläche des Lochs nicht größer ist als 400 μm und dieser Hochdruckwasserstrahl derart eingespritzt und an dieser Reflexionsfläche reflektiert wird, daß der Wasserstrahl auf die Innenfläche des Lochs aufprallt. Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung das obige Werkstück an der Innenfläche dieses Lochs mit der Öffnung eines dieses Loch kreuzenden Querlochs versehen, die Reflexionsfläche des Strömungssteuerelements verläuft schräg, um einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Achsrichtung des Lochs einzunehmen, und der Wasserstrahl wird an der Reflexionsfläche des Strömungssteuerelements reflektiert und über diese gegen das Querloch gerichtet und der die kavitationserzeugenden Blasen enthaltende Wasserstrahl wird veranlaßt, auf die Durchdringungskanten des Lochs und des Querlochs und/oder die Innenfläche des Querlochs aufzuprallen.
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Auf diese Weise ist es möglich, den Wasserstrahl wirkungsvoll in das Querloch einzuleiten und ein wirkungsvolles Kollabieren der kavitationserzeugenden Blasen an den Durchdringungskanten oder der Innenfläche der Querbohrung herbeizuführen. Dadurch können die Durchdringungskanten oder die Innenfläche des Querlochs leistungsfähig modifiziert werden.
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Als nächstes werden die Aktion und die Wirkungen der vorliegenden Erfindung erläutert. Beim oben genannten Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche wird der Wasserstrahl, der die durch das Ausspritzen des Hochdruckwasserstrahls und das Ausspritzen eines diesen umgebenden Niederdruckwasserstrahls gebildeten kavitationserzeugenden Blasen enthält, an der Reflexionsfläche des Strömungssteuerelements reflektiert.
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Des weiteren wird es durch die Bemessung eines Abstands zwischen dem Strömungssteuerelement und der Lochinnenfläche des Werkstücks auf nicht mehr als 400 μm möglich, die kavitationserzeugenden Blasen daran zu hindern, zum hinteren Ende des Strömungssteuerelements zu fließen. Außerdem befähigt der schnelle Druckanstieg des Wasserstrahls in der Umgebung der Reflexionsfläche aufgrund der Reflexion des Hochdruckwasserstrahls an der Reflexionsfläche die kavitationserzeugenden Blasen wirkungsvoll zu kollabieren. Zu diesem Zeitpunkt tritt örtlich ein extrem großer Stoßdruck auf, so daß eine Druckbelastung mit ausreichender Größe auf die Lochinnenfläche im Werkstück übertragen werden kann. Das heißt, auf die Lochinnenfläche kann wirkungsvoll eine Druckbelastung ausgeübt werden. Außerdem können, wenn Grate auf der Lochoberfläche vorhanden sind, diese Grate wirksam entfernt werden. Falls dort Schmutz abgelagert ist, wird der Schmutz wirkungsvoll weggeputzt.
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Somit ist es weiterhin möglich, ein Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche vorzusehen, das fähig ist, die Innenfläche eines in einem Werkstück vorgesehenen Lochs leistungsfähig zu modifizieren.
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Dabei kann das Werkstück beispielsweise aus Metall, Kunststoff, Keramik, usw. gefertigt sein. Des weiteren kann das obige Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche beispielsweise in Fällen benutzt werden, in denen eine Druckbelastung (Schlagbearbeitung) auf die innere Lochoberfläche ausgeübt werden soll, Grate entfernt werden sollen oder Schmutz entfernt werden soll.
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Weiterhin besitzt das obige Querloch eine Öffnung, die auf der von den Durchdringungskanten abgewandten Seite in die Oberfläche des Werkstücks ausmündet und zur Einstellung des Ausflusses des Wasserstrahls aus der Öffnung ein Durchflußsteuermittel zur Steuerung des Durchflusses des Wasserstrahls von der Öffnung benutzt wird In diesem Falle kann der Durchfluß des Wasserstrahls eingestellt werden und die kavitationserzeugenden Blasen können im Querloch in einem optimalen Zustand für die Oberflächenmodifikation des Querlochs zum Kollabieren gebracht werden.
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Alternativ besitzt das obige Querloch eine Öffnung, die auf der von den Durchdringungskanten abgewandten Seite in die Oberfläche des Werkstücks ausmündet und die Öffnung wird mit einem Verschlußstopfen zum Verschließen der Öffnung versehen. In diesem Falle wird leicht ein stehender Bereich des Wasserstrahls innerhalb des Querlochs oder in dessen Nähe ausgebildet. Deshalb können die in das Querloch eingeleiteten kavitationserzeugenden Blasen wirkungsvoll an den Durchdringungskanten oder der Innenfläche des Querlochs zum Kollabieren gebracht und die Oberfläche der Querbohrung kann wirkungsvoll modifiziert werden.
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Des weiteren wird vorzugsweise eine doppelte Düse mit einer ersten Ausspritzöffnung zum Ausspritzen des Hochdruckwasserstrahls und einer zweiten, die erste Ausspritzöffnung umgebenden Ausspritzöffnung zum Ausspritzen des Niederdruckwasserstrahls in Wasser angeordnet und der Wasserstrahl aus der doppelten Düse in Richtung auf die Luft ausgespritzt. In diesem Falle können die kavitationserzeugenden Blasen im Wasserstrahl auf einer frühen Stufe ausgebildet werden, das heißt, die Kavitationskollapsenergie kann in einer Position erzeugt werden, die nahe an der Düsenspitze der doppelten Düse liegt. Deshalb ist es selbst dann, wenn der Abstand zwischen dem Werkstück und der doppelten Düse verkürzt wird, möglich, die Oberfläche des Lochs ausreichend durch die kavitationserzeugenden Blasen zu modifizieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Oberfläche einer bestimmten Stelle des Lochs wirkungsvoll zu modifizieren.
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Alternativ ist es möglich, den Wasserstrahl aus einer doppelten Düse mit einer ersten Ausspritzöffnung zum Ausspritzen des Hochdruckwasserstrahls und einer zweiten, die erste Ausspritzöffnung umgebende Ausspritzöffnung zum Ausspritzen des Niederdruckwasserstrahls auszuspritzen, wobei die erste Ausspritzöffnung den Hochdruckwasserstrahl in einem Zustand ausspritzt, in welchem die Spitze der ersten Ausspritzöffnung in das Loch eingesetzt ist. In diesem Falle ist es möglich, den Hochdruckwasserstrahl einzuspritzen und an der Reflexionsfläche des innerhalb des Lochs angeordneten Strömungssteuerelements zu reflektieren, ohne einen Druckabfall zu verursachen. Deshalb wird eine wirkungsvolle Modifikation der Lochoberfläche möglich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ersichtlich, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, die folgendes zeigen:
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1 einen Querschnitt, der ein Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche gemäß dieser Offenbarung darstellt;
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2 einen Querschnitt durch ein mit einem Strömungssteuerelement versehenes Werkstück gemäß dieser Offenbarung;
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3 eine Gesamtansicht eines Systems zur Ausbildung eines Wasserstrahls gemäß dieser Offenbarung;
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4 einen Querschnitt, der ein Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
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5 einen Querschnitt durch ein mit einem Strömungssteuerelement versehenes Werkstück gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 einen Querschnitt, der ein Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche gemäß dieser Offenbarung darstellt,
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7 einen Querschnitt durch ein mit einem Strömungssteuerelement versehenes Werkstück gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8 einen Querschnitt durch ein mit einem Strömungssteuerelement versehenes Werkstück bei einem Vergleichsversuch und
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9 ein Schaubild der Beziehung zwischen dem Abstand und der abgetragenen Menge bei ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zunächst wird ein Verfahren zur Modifikation einer metallischen Lochoberfläche gemäß dieser Offenbarung unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 erläutert. Das Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist, ist ein Verfahren zur Modifikation der inneren Oberfläche 311 einer an der Oberfläche eines Werkstücks 3 ausgebildeten Hauptbohrung 31.
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Das heißt, es wird zunächst ein Strömungssteuerelement 6 mit einer Reflexionsfläche 61, die gegenüber der axialen Z-Richtung der Hauptbohrung 31 einen Winkel von 90 Grad aufweist, innerhalb der Hauptbohrung 31 angeordnet. Danach wird ein kavitationserzeugende Blasen enthaltender Wasserstrahl 2 in die Hauptbohrung 31 eingeführt und durch die Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6 reflektiert. Der Wasserstrahl 2 besteht aus einem Hochdruckwasserstrahl 21 und einem Niederdruckwasserstrahl 22, der diesen Hochdruckwasserstrahl 21 umgibt. Das Strömungssteuerelement 6 besteht beispielsweise aus SUS303, SUS304, einem Kunststoff, SCM, usw.. Wie in 2 gezeigt, beträgt ein Abstand c zwischen dem Strömungssteuerelement 6 und der inneren Oberfläche 311 der Hauptbohrung 31 nicht mehr als 400 µm. Es ist anzumerken, daß der Abstand c mit 5 µm bemessen war.
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Das Werkstück 3 besteht beispielsweise aus Aluminium und ist durch Bohrbearbeitung mit der Hauptbohrung 31 versehen. Das Werkstück 3 ist nicht auf Aluminium beschränkt und kann auch aus SCM415, SUS303, SUS304 etc. bestehen. Dieses Modifikationsverfahren kann auch auf ein Werkstück angewandt werden, das aus Kunststoff, Keramik, oder dergl. besteht. Die Hauptbohrung 31 hat eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 9 mm. Eine Öffnung 312 mündet direkt in die Oberfläche des Werkstücks 3 aus, während eine andere Öffnung 313 über eine Ausnehmung 314 in die Oberfläche des Werkstücks 3 ausmündet:
Beim Einspritzen des Wasserstrahls 2 in das Werkstück 3, wie es in 1 gezeigt ist, wird der Wasserstrahl 2 durch eine im Wasser angeordnete doppelte Düse 1 in Richtung auf das Werkstück 3 eingespritzt, das in der Luft angeordnet ist. Das heißt, daß, wie in 1 gezeigt, die doppelte Düse 1 eine erste Ausspritzöffnung 11 und eine zweite Ausspritzöffnung 12 aufweist, die die erste, im Wasser angeordnete Ausspritzöffnung umschließt.
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Ein Hochdruckwasserstrahl 21 wird durch die erste Ausspritzöffnung 11 in die Luft ausgespritzt während ein Niederdruckwasserstrahl 22 mit einem geringeren Druck als dem des Hochdruckwasserstrahls 21 von der zweiten Ausspritzöffnung 12 in Richtung auf die Luft ausgespritzt wird. Der aus dem Hochdruckwasserstrahl 21 und dem den Hochdruckwasserstrahl umgebenden Niederdruckwasserstrahl 22 bestehende Wasserstrahl 2 enthält kavitationserzeugende Blasen 23. Der Wasserstrahl 2 wird in die Hauptbohrung 31 des in der Luft angeordneten Werkstücks 3 eingeführt und prallt gegen die Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6.
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Die doppelte Düse 1 besitzt eine Hochdruckwasserdüse 131, die mit der ersten Ausspritzöffnung 11 verbunden ist und eine Niederdruckwasserdüse 132. die mit der zweiten Ausspritzöffnung 12 verbunden ist. Die Niederdruckwasserdüse 132 ist koaxial derart zur Hochdruckwasserdüse 131 angeordnet, daß sie diese umgibt. Die Hochdruckwasserdüse 131 ist mit einer Mündung 133 an der ersten Ausspritzöffnung 11 versehen. Des weiteren ist der äußere Teil der Mündung 133 mit einem ersten, sich gegen die Spitze im Durchmesser verjüngenden Konus versehen. Die Niederdruckwasserdüse 132 ist mit einem zweiten, sich auf der Außenseite des ersten Konus 134 befindenden Konus 135 versehen, der sich gegen die Spitze im Durchmesser verjüngt. Die Hochdruckwasserdüse 131 wird mit unter hohem Druck stehendem Wasser 210 versorgt, während die Niederdruckwasserdüse 132 mit Wasser unter niedrigem Druck versorgt wird. Der Förderdruck des Wassers mit hohem Druck beträgt beispielsweise 10 bis 50 MPa, während der Förderdruck des Wassers mit niedrigem Druck beispielsweise 0,05 bis 0,1 MPa beträgt.
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Die doppelte Düse 1 ist koaxial ausgebildet, jedoch ist es durch Wegschieben der Niederdruckwasserdüse 132 von der Hochdruckwasserdüse 131 möglich, örtlich die Modifikationsmöglichkeit anzuheben. Das ermöglicht es den kavitationserzeugenden Blasen, an der Seite konzentriert zu werden, wo der Niederdruckkanal breit vorgesehen ist. Das heißt, durch Verschieben der Düsen zur Erweiterung des Niederdruckkanals, wo die Modifikationsfähigkeit schwierig angehoben werden kann, wird es möglich, die Oberfläche wirkungsvoller zu modifizieren.
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Die doppelte Düse 1 ist in gespeichertem Wasser angeordnet, das in einem Wassertank 41 gespeichert ist. Die erste Ausspritzöffnung 11 und die zweite Ausspritzöffnung 12 zeigen vertikal nach oben und sind im gespeicherten Wasser angeordnet, das heißt, unterhalb des Wasserspiegels 421. Insbesondere ist die doppelte Düse in einer Position angeordnet, in der der Abstand d zwischen der Düsenspitze 14 der doppelten Düse 1 und dem Wasserspiegel 421 nicht mehr als 15 mm beträgt.
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Durch diese Anordnung und Gestaltung ist es möglich, die kavitationserzeugenden Blasen 23 im zweischichtigen Wasserstrahl 2 in einer frühen Stufe auszubilden, das heißt die Kavitations-Kollapsenergie wird in einer Position nahe der Düsenspitze 14 der doppelten Düse 1 ausgebildet. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Lochoberfläche ausreichend zu modifizieren, selbst wenn der Abstand zwischen dem Werkstück 3 und der doppelten Düse 1 reduziert wird.
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Als Ergebnis wird die Oberflächenmodifikation eines Lochs im Werkstück 3 in einem engeren Raum möglich. Des weiteren kann der Abstand von der doppelten Düse 1 eng gehalten werden und ein stabiler zweischichtiger Wasserstrahl 2 kann veranlaßt werden, konzentriert die innere Oberfläche 311 der Hauptbohrung 31 des Werkstücks 3 über die Reflexionsfläche 61 zu beaufschlagen. Aus diesem Grunde kann der gewünschte Bereich der Oberfläche wirksam modifiziert werden. Des weiteren kann, weil der Abstand d zwischen der Düsenspitze 14 der doppelten Düse 1 und dem Wasserspiegel 421 nicht mehr als 15 mm beträgt, die Aufprallkraft beim Auftreffen des Wasserstrahls 2 auf die Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6 ausreichend gewährleistet und ein Loch im Werkstück 3 ausreichend modifiziert werden.
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Weiterhin ist die 3 eine Ansicht des Gesamtsystems zur Ausbildung des Wasserstrahls 2. Die Hochdruckwasserdüse 131 der doppelten Düse 1 wird von einer Hochdruckpumpe 53 mit unter Hochdruck stehendem Wasser 210 versorgt, während eine Niederdruckpumpe 54 Wasser 220 mit niedrigem Druck der Niederdruckwasserdüse 132 zuführt. Die Hochdruckpumpe 53 und die Niederdruckpumpe 54 sind im Speisewasser 52 angeordnet, das im Speisewassertank 51 gespeichert ist, der sich vom oben erwähnten Wassertank 41 unterscheidet. Das Speisewasser 52 wird durch die Hochdruckpumpe 53 und die Niederdruckpumpe 54 der doppelten Düse 1 als Hochdruckwasser 210 und Niederdruckwasser 220 zugeführt. Das der Hochdruckwasserdüse 131 zugeführte Hochdruckwasser 210 wird durch die erste Ausspritzöffnung 11 als Hochdruckwasserstrahl 21 ausgespritzt. Außerdem wird das der Niederdruckwasserdüse 132 zugeführte Niederdruckwasser 220 durch die zweite Ausspritzöffnung 12 als Niederdruckwasserstrahl 22 ausgespritzt.
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Als nächstes werden die Aktion und die Auswirkungen beschrieben. Bei diesem Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche wird der kavitationserzeugende Blasen 23 enthaltende, durch Ausspritzen des Hochdruckwasserstrahls 21 und des ihn umschließenden Niederdruckwasserwasserstrahls 22 gebildete Wasserstrahl 2 an der Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6 zurückgeworfen. Weiterhin ist es durch Einstellung des Abstands c zwischen dem Strömungssteuerelement 6 und der Innenfläche 311 der Hauptbohrung 31 des Werkstücks 3 (2) auf 400 μm oder weniger möglich, die kavitationserzeugenden Blasen daran zu hindern, zum hinteren Ende des Strömungssteuerelements 6 zu fließen. Zudem befähigt der scharfe Druckanstieg des Wasserstrahls 2 im Umkreis der Reflexionsfläche aufgrund der Reflexion des Hochdruckwasserstrahls 21 an der Reflexionsfläche 61 die kavitationserzeugende Blasen 23 effizient zu kollabieren. Zu diesem Zeitpunkt wird örtlich ein extrem großer Stoßdruck erzeugt und auf die Innenfläche der Hauptbohrung 31 des Werkstücks 3 kann eine ausreichend große Druckbelastung übertragen werden. Das heißt, die innere Oberfläche der Hauptbohrung 31 kann einer ausreichend großen Druckbelastung ausgesetzt werden. Außerdem können, wenn sich Grate auf der Bohrungsoberfläche gebildet haben, diese Grate wirkungsvoll entfernt werden. Falls dort Schmutz abgelagert ist, kann er wirkungsvoll entfernt werden.
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Wie oben erläutert, ist es möglich, ein Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche vorzusehen, das die Voraussetzung bietet, eine wirksame Oberflächenmodifikation der Innenfläche eines in einem Werkstück ausgebildeten Lochs durchzuführen.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten 4, 5 und 7 bis 9 beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung betrifft, wie in den 4 und 5 gezeigt, ein Verfahren zur Modifikation der Oberfläche einer Querbohrung 32, die derart in die Innenfläche 311 einer Hauptbohrung 31 ausmündet, die sich derart zur Oberfläche eines Werkstücks 3 öffnet, daß sie die Hauptbohrung 31 kreuzt. Unten nicht beschriebene Teile der Anordnung sind den Teilen der eingangs beschriebenen Anordnung ähnlich. Das heißt zunächst, daß ein Strömungssteuerelement 6 mit einer Reflexionsfläche 61, die nach der Seite der Querbohrung 32 mit einem Winkel θ von 90 bis 30 Grad gegenüber der axialen Z-Richtung der Hauptbohrung 31 geneigt ist, auf der Innenseite des Hauptbohrung 31 angeordnet ist. Anzumerken ist, daß bei dieser Ausführungsform der obige Winkel zu 60 Grad gewählt wurde.
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Weiter wurde ein kavitationserzeugende Blasen 23 enthaltender Wasserstrahl 2 in die Hauptbohrung 31 des Werkstücks 3 eingespritzt und über die Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6 in Richtung auf die Querbohrung 32 derart reflektiert, daß er auf die Durchdringungskanten 33 zwischen der Hauptbohrung 31 und der Querbohrung 32 aufprallt. Das Strömungssteuerelement 6 ist so angeordnet, daß sich das Zentrum 611 der Reflexionsfläche 61 1,2 bis 2,0 mm höher befinden wird als das Zentrum 329 der Querbohrung 32 (aufwärts, in axialer Z-Richtung der Hauptbohrung 31).
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Des weiteren besitzt, wie in den 4 und 5 gezeigt, die Querbohrung 32 eine Öffnung 322, die sich auf der von den Durchdringungskanten 33 abgewandten Seite zur Oberfläche des Werkstücks 3 öffnet. Der Wasserstrahl 2 prallt auf die Querbohrung 32. Zu diesem Zeitpunkt wird durch Anordnung eines Leckagesteuerelements 60 als Strömungssteuerelement im Bereich der Öffnung 322 der Austritt des Wasserstroms aus der Öffnung 322 der Querbohrung 32 gesteuert. Das Strömungssteuerelement 6 und das Leckagesteuerelement 60 sind aus SUS, einem Kunststoff, SCM, usw. gefertigt. Das Werkstück 3 besteht aus Aluminium und ist durch Bohren mit der Hauptbohrung 31 und der Querbohrung 32 versehen. Dieser Bohrvorgang verursacht manchmal die Ausbildung von Graten an den Durchdringungskanten 33 der Querbohrung 32. Die Grate werden durch das Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt.
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Durch Anwendung dieser Ausführungsform wird der gegen die um den vorgegebenen Winkel geneigte Reflexionsfläche 61 gespritzte Wasserstrahl gegen die Querbohrung 32 zurückgeworfen und prallt auf die Innenfläche 321 und die Innenfläche 311 der Durchdringungskanten 33 und der Querbohrung 32 zwischen der Hauptbohrung 31 und der Querbohrung 32. Zu diesem Zeitpunkt wird der Durchfluß des durch die Querbohrung 32 fließenden Wasserstrahls 2 durch das Leckagesteuerelement 60 eingestellt, wenn er durch die Öffnung 322 austritt. Deshalb wird der Durchfluß des Wasserstrahls 2 in die Querbohrung 32 geeignet gesteuert, der gewünschte Zusammenbruch der kavitationserzeugenden Blasen 23 kann veranlaßt werden und die Oberfläche der Querbohrung 32 kann in geeigneter Weise modifiziert werden. Diese Ausführungsform weist darüber hinaus Aktionen und Auswirkungen auf, die jenen des eingangs beschriebenen Verfahrens ähnlich sind.
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Außerdem ist es möglich, anstelle des oben erwähnten Leckagesteuerelements 60 ein Verschlußelement vorzusehen, durch das die gesamte Öffnung 322 des Querbohrung 32 verschlossen werden kann. In diesem Falle läßt sich leicht ein stehender Bereich des Wasserstrahls 2 innerhalb und in der Nähe der Querbohrung 32 ausbilden. Aus diesem Grunde kollabieren die der Querbohrung 32 zugeführten kavitationserzeugenden Blasen 23 nahe den Durchdringungskanten 33 oder der inneren Oberfläche der Querbohrung 32 und deren Oberfläche kann wirkungsvoll modifiziert werden.
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Ein in 6 gezeigtes Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche gemäß dieser Offenbarung betrifft den Fall, daß die Hauptbohrung 31 länglich und der modifizierte Abschnitt 315 weit von der Öffnung 313 der Hauptbohrung entfernt ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Außendurchmesser der Hochdruckwasserdüse 131 um einen Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser der Hauptbohrung 31, und die Spitze 141 der Hochdruckwasserdüse 131 ist so ausgebildet, daß sie weiter aus der Spitze 142 der Niederdruckwasserdüse 132 herausragt. Die Spitze 141 der Hochdruckwasserdüse 131 erstreckt sich nach oben bis in die Nähe des modifizierten Abschnitts 315, das heißt, der Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6. Der Rest der Anordnung ist der eingangs beschriebenen Anordnung ähnlich.
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Durch Anwendung dieser Ausgestaltung wird es möglich, den Hochdruckwasserstrahl 21, ohne einen Druckabfall zu verursachen, aus der Hochdruckwasserdüse 131 gegen die Reflexionsfläche 61 zu spritzen, und dadurch eine leistungsfähige Modifikation der Bohrungsoberfläche zu realisieren. Diese Ausführungsform weist darüber hinaus Aktionen und Auswirkungen auf, die jenen des eingangs beschriebenen Verfahrens ähnlich sind.
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Zweite Ausführungsform
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft, wie die 7 zeigt, ein Verfahren zur Modifikation eines Werkstücks mit einer Querbohrung 32 ohne das Leckagesteuerelement 60 der ersten Ausführungsform der Erfindung (siehe 4 und 5). Der Rest der Anordnung ist der ersten Ausführungsform der Erfindung ähnlich. Wenn das Leckagesteuerelement 60 nicht vorgesehen ist und die Öffnung 322 wie in dieser Ausführungsform offen ist, fließt der in die Querbohrung 32 eingeführte Wasserstrahl 2 aus der Öffnung 322. Auch in diesem Falle wird eine gewisse Menge an kavitationserzeugenden Blasen ausgebildet und die Innenfläche 321 der Querbohrung 32 oder der Durchdringungskanten 33 kann modifiziert werden. Der Rest der Anordnung ist jener der ersten Ausführungsform der Erfindung ähnlich.
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Es ist anzumerken, daß das Werkstück 3 oder ein Halteelement für das Werkstück 3 mit einem nicht gezeigten Stoßsensor versehen sein kann, der fähig ist, die vom Wasserstrahl 2 an das Werkstück abgegebene Stoßenergie festzustellen. Des weiteren wird die Modifikationszeit auf der Basis des kumulativen Wertes der durch diesen Stoßsensor ermittelten Stoßenergie gesteuert.
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Beispielsweise wird das Verhältnis zwischen dem kumulativen Wert der vom Wasserstrahl 2 an das Werkstück 3 abgegebenen Stoßenergie und dem Zustand innerhalb des Fortschritts der Modifikation vorab durch Versuche, Simulation und andere Mittel bestimmt. Die Modifikation wird an dem Punkt beendet, an dem der kumulative Wert der durch den Stoßsensor ermittelten Stoßenergie den vorgegebenen Wert erreicht.
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Es ist anzumerken, daß als Stoßsensor ein piezoelektrischer Foliensensor benutzt werden kann. In diesem Falle kann eine geeignete Oberflächenmodifikation einer Bohrung des Werkstücks 3 leicht und leistungsfähig ausgeführt werden.
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Vergleichsbeispiel
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Bei diesem Beispiel beträgt, wie in 8 gezeigt, der von der Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6 und der axialen Z-Richtung der Hauptbohrung 31 gebildete Winkel θ 45 Grad und der Abstand c zwischen dem Strömungssteuerelement 6 und der Innenfläche 311 der Hauptbohrung 31 1,5 mm. Der Rest der Anordnung ist der eingangs beschriebenen Anordnung ähnlich.
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Im Falle dieser Ausführungsform können im Vergleich mit der ersten Ausführungsform der Erfindung Grate an den Durchdringungskanten 33 kaum ausreichend entfernt werden. Des weiteren entfällt die Wirkung, daß die Innenfläche 331 der Querbohrung 32 unter Druckspannung gesetzt oder gereinigt wird. Das beruht darauf, daß der Abstand c 1,5 mm beträgt. Das überschreitet den geeigneten Bereich des Abstands von 400 μm oder weniger. Deshalb wird es schwierig, die kavitationserzeugenden Blasen 23 wirkungsvoll in die Querbohrung 32 einzuführen. Außerdem wird es an den Durchdringungskanten 33 und der Innenfläche 321 der Querbohrung 32 schwierig, die kavitationserzeugenden Blasen 23 wirkungsvoll kollabieren zu lassen. Das heißt, durch Überschreiten des obengenannten Bereichs für den Abstand in der Nähe der Querbohrung 32, wird die Ausbildung eines Bereichs mit niedrigem Durchfluß, d. h. eines stehenden Bereichs, schwierig, so daß die kavitationserzeugenden Blasen 23 das Fließen nach hinten beenden und es für die kavitationserzeugenden Blasen 23 schwierig wird, zu kollabieren. Deshalb wird eine wirkungsvolle Oberflächenmodifikation der Querbohrung 32 schwierig.
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Versuch 1
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Dies ist ein Beispiel für die Bewertung der Modifikationsfähigkeit im Falle der Anwendung des Verfahrens zur Modifikation einer Lochoberfläche. Der Druck des Hochdruckwassers 210 wurde auf 30 MPa, der Druck des Niederdruckwassers auf 0,06 MPa eingestellt und der Wasserstrahl 2 wurde in das Werkstück 3 kontinuierlich während 60 Sekunden eingespritzt. Außerdem wurde beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung der Abstand d zwischen der Düsenspitze 14 und dem Wasserspiegel 421 auf 2 mm und die Entfernung zwischen der Düsenspitze 14 und der Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements 6 auf 50 mm eingestellt. Schließlich wurde die Innenfläche 321 der Querbohrung 32 beschichtet.
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Des weiteren bestätigten die Erfinder die Abtragungszustände an den Durchdringungskanten
33 und die Abschälungszustände an den Innenflächen
321 der Querbohrung
32 nach der Modifikation durch die Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, der zweiten Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels. Der Abtragungszustand und der Abschälungszustand wurden als Modifikationsfähigkeit bewertet. Das heißt, es kann gesagt werden, daß, je größer der Betrag der Abtragung oder der Betrag der Abschälung ist, desto höher die Modifikationsenergie durch den die kavitationserzeugenden Blasen
23 enthaltenden Wasserstrahl
2 und desto höher die Modifikationsfähigkeit ist. Die Testergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
| | Abtragung der Durchdringungskanten | Abschälung der Beschichtung der Querbohrung |
| Erste Ausführungsform | Ja | Ja |
| Zweite Ausführungsform | Ja | Nein |
| Vergleichsbeispiel | Nein | Nein |
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Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, treten im Falle der ersten Ausführungsform sowohl die Abtragung der Durchdringungskanten 33 als auch die Abschälung der Beschichtung der Querbohrung 32 auf, so daß die Modifikationsfähigkeit ausreichend ist.
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Des weiteren tritt im Falle der zweiten Ausführungsform die Abtragung der Durchdringungskanten 33 auf, jedoch ist die Fähigkeit zur Modifikation der Querbohrung 32 nicht ausreichend. Außerdem tritt im Falle des Vergleichsbeispiels weder eine Abtragung der Durchdringungskanten 33 noch ein Abschälen der Beschichtung der Querbohrung 32 auf, so daß die Modifikationsfähigkeit verglichen mit der ersten Ausführungsform geringer ist. Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere durch die erste Ausführungsform die Möglichkeit gegeben ist, die Oberfläche der Querbohrung 32 wirkungsvoll zu modifizieren.
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Versuch 2
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Bei diesem Versuch haben die Erfinder, wie in 5 gezeigt, die Beziehung zwischen der Größe des Abstands c zwischen dem Strömungssteuerelement 6 und der Innenfläche 311 der Hauptbohrung 31 des Werkstücks 3 und der abgetragenen Menge untersucht. Das heißt, sie setzten beim eingangs beschriebenen Verfahren zur Modifikation einer Lochoberfläche den Druck des Hochdruckwassers 210 auf 30 MPa und den Druck des Niederdruckwassers 220 auf 0,06 MPa fest und spritzten den Wasserstrahl 2 über das Strömungssteuerelement 6 während 60 Sekunden kontinuierlich gegen die Innenfläche 311 der Hauptbohrung 31 des Werkstücks 3. Des weiteren setzten sie den Abstand d von der Düsenspitze 14 zum Wasserspiegel 421 auf 2 mm und die Entfernung zwischen der Düsenspitze 14 und der Reflexionsfläche 61 des Strömungssteuerelements auf 50 mm fest.
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Weiterhin veränderten sie auf verschiedene Weise den Außendurchmesser des Strömungssteuerelements 6 zur Veränderung des Abstands c für die oben genannte Lochoberflächenmodifikation und maßen in den verschiedenen Fällen die abgetragene Menge. Die Ergebnisse der Messung sind in 9 gezeigt. Aus der Figur ist ersichtlich, daß die abgetragene Menge um so größer ist, je kleiner der Abstand c ist.
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Des weiteren wird, falls der Abstand c 400 μm oder weniger beträgt, die abgetragene Menge 5 mg oder mehr, wodurch es ermöglicht wird, daß die Druckbelastung tatsächlich übertragen wird, Schmutz weggeputzt und Grate entfernt werden. Falls der Abstand größer wird als 400 μm ist es wahrscheinlich, daß es schwierig wird, den oben erwähnten Wasserstrahl 2 in die Hauptbohrung 31 einzuführen. Überdies, wenn der Abstand c 1,5 mm erreicht, wird die abgetragene Menge geringer als 2 mg und die Modifikation der Bohrungsoberfläche neigt dazu, schwierig zu werden.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf die speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, die für die Zwecke der Erläuterung ausgewählt wurden, sollte verstanden werden, daß vom Fachmann zahlreiche Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Grundkonzept und Umfang der Erfindung abzuweichen.
