DE4222073C1 - Vorrichtung zum Strahlbearbeiten von Werkstückoberflächen, insbesondere zum Verfestigen oder Umformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Strahlbearbeiten von Werkstückoberflächen, insbesondere zum Verfestigen oder Umformen durch Strahlmittel, bestehend aus

• - einem geschlossenen Druckkessel, in dem sich ein Vor­ rat von Strahlmittel befindet,
• - eine durch einen regelbaren Antrieb angetriebenen Strahlmittelzuführung, die
• - eine Förderschnecke mit einem Aufnahmebereich, der unter dem Druckkessel positioniert ist, und einen Abgabebereich und
• - ein Schneckenrohr mit unveränderlichem Querschnitt, in dem die Förderschnecke angeordnet ist, umfaßt, und
• - einer Vorrichtung zum Ausgleichen des Druckgefälles zwischen dem geschlossenen Druckkessel und einer Förderleitung für ein Strahlmittel-Luft-Gemisch, an die eine Strahldüse angeschlossen ist.

Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 0 218 869 A1 be­ kannt. Hierbei wird Strahlmittel in einem geschlossenen druckfesten Kessel vorrätig gehalten. Unter einem Ein­ laufstutzen eines Einlauftrichters des Kessels ist eine Förderschnecke angeordnet, die sich in einem waage­ rechten Schneckenrohr dreht. Dabei erfaßt ein Aufnahme­ bereich der Förderschnecke Strahlmittel und gibt es an seinen Abgabebereich ab. Das Schneckenrohr ist an seinem Ende mit einer Rohrleitung verbunden, in den das Strahlmittel eingegeben wird. Da die Rohrleitung mit Druckluft beaufschlagt ist, wird das Strahlmittel vom Fördergasstrom mitgerissen. Zur Vergleichmäßigung des zu dosierenden Strahlmittels ist eine Vorrichtung zum Ausgleich des Druckgefälles vom Inneren des geschlos­ senen Kessels zum Inneren des Schneckenrohres bis hin zur Förderleitung vorgesehen. Um aber reproduzierbare Werte der durch das Bestrahlen eintretenden mechanischen Eigenschaftsverbesserung bzw. Umformung von Oberflächen an Gegenständen, wie Werkstücken, Bauteilen, Flachteilen oder dergleichen zu bekommen, sind die bisherigen Maß­ nahmen zur Vergleichmäßigung des zu dosierenden Strahl­ mittels nicht ausreichend. Vielmehr sind präzise, reproduzierbare Strahlbedingungen notwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung so weiter zu entwickeln, daß genau reproduzierbare Werte für durchzuführende Bearbeitungsmaßnahmen einfach und sicher zur Verfügung gestellt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem Abgabebereich der Förderschnecke und der Förderleitung eine Durchflußmeßeinrichtung angeordnet ist und daß eine mit der Durchflußmeßeinrichtung verbundene Auswerteeinheit

• a) aus den empfangenen Meßdaten den Strahlmittelanteil im Inneren einer Durchlaufstrecke der Meßeinrichtung unter Berücksichtigung von Kalibrierfaktoren errechnet und
• b) in Abhängigkeit von den errechneten Werten in einem Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert die Drehzahl der Förderschnecke so einstellt, daß ein gleichbleibender und kontrollierter Durchsatz des Strahlmittels gewährleistet ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß durch die Durchflußmeßeinrichtung genauestens die Strahlmittelmenge festgestellt wird. Anhand dessen können eventuell auftretende Fördermengen­ schwankungen oder Fördermengenveränderungen sofort wahr­ genommen werden. Die Auswerteeinheit verändert anhand der errechneten Mengentoleranz die Drehzahl der Förderschnecke automatisch, so daß immer gleichbleibend mit einer äußerst geringen Schwankung ein Strahlmittel­ gut vorhanden ist. Sollte die eingestellte Nachregelung überschritten werden, wird der Strahlmittelvorgang un­ terbrochen. Dadurch ist gesichert, daß die Strahlmittel­ parameter

• - Strahlmittelgeschwindigkeit,
• - Strahlmittelmenge pro Fläche bzw. Zeiteinheit und
• - genaue und gleichmäßige Bestrahlung des Werkstückes exakt eingestellt werden.

Das Strahlmittel besteht aus Kugeln, aus Stahlgranulat, Glas- oder Keramikkörpern oder Korundkörnern. Der Durchmesser der Kugeln hat dabei einen ganz entscheidenden Einfluß auf das gewünschte Verfestigungs- oder Verformungs­ ergebnis.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich die Vorrichtung auch für ein Oberflächenreinigungs- und ein Oberflächenveredelungsverfahren, z. B. Homogenisierung thermisch gespritzter Oberflächen, eignet. In diesem Fall bestimmen Korngröße-, form usw. das zu erzielende Ergebnis.

In weiterer Ausgestaltung ist die Förderschnecke als eine Strahlmitteldosierschnecke mit einer Zweigang- Schneckenwendel, deren Steigung zum Abgabebereich hin unter Verkleinerung von Schneckenwendelsektionen kontinu­ ierlich abnimmt und deren Ende sich im Abgabebereich verjüngt, ausgebildet. Das konisch verjüngte Schneckenende sorgt dafür, daß anstelle der impuls­ artigen Förderung bekannter Schnecken das Strahlmittel immer gleichmäßig ausläuft. Durch die kontinuierliche Verkleinerung der Schneckenwendelsektionen bedingt durch die Steigungsverjüngung, wird das Strahlmittel komprimiert und die gleichmäßige Dosierung im Abgabebe­ reich begünstigt.

Vorteilhaft ist es, daß die Durchflußmeßeinrichtung aus einem Durchflußmengenaufnehmer mit einer davor angeord­ neten Vorlaufstrecke und einer danach angeordneten Nach­ laufstrecke besteht. Dadurch kann das Strahlmittel ohne Verwirbelung und Ablagerungen in seiner Menge genaue­ stens erfaßt und die Werte zu Regelungszwecken benutzt werden.

Vorteilhaft ist es, einen Durchflußmengenaufnehmer zu verwenden, der nach dem Kapazitätsprinzip arbeitet. Mit und durch die Auswerteeinheit erfolgt eine Kalibrierung bei Leerkapazität. Die Kapazitätsänderung als Maß für die Feststoffkonzentration ist als umgewandeltes störsiche­ res Puls-Frequenz-Modulations-Signal verarbeitbar. Mög­ lich ist es natürlich auch, die Kapazitätsänderung in eine andere beliebige bekannte Signalform umzuwandeln. Gesichert ist aber in sämtlichen Fällen, daß ein der Feststoffkonzentration proportionales Signal zu einer weiteren Verarbeitung vorhanden ist. Dieses Signal kann außer zur Regelung der Drehzahl der Strahl­ mitteldosierschnecke auch zu Anzeigezwecken benutzt werden.

Für Regelungszwecke ist dabei die Auswerteeinheit über eine Steuerleitung bidirektional mit dem regelbaren Antrieb der Strahlmitteldosierschnecke, der z. B. ein Gleichstromantrieb ist, verbunden. Der Gleichstrom­ antrieb enthält einen Vier-Quadranten-Drehzahlregler mit einer Tachorückführung. Hierdurch ist es möglich, die Strahlmitteldosierschnecke für das Dosieren einer gewünschten Strahlmittelmenge optimal zu steuern und darüberhinaus einen nahezu hundertprozentigen Gleichlauf der Strahlmitteldosierschnecke zu gewährleisten.

Um die komplexen Meßwerterfassungs- und Strahlmittel­ dosierungsvorgänge zu ermöglichen, ist in der Auswerte­ einheit wenigstens ein Rechner, vorzugsweise ein Mikro­ rechner installiert, so daß hier eine CNC-Strahlanlage vorliegt. Der wenigstens eine Rechner ist in der Auswerteeinheit über eine Schnittstelle an den Durchflußmengenaufnehmer angeschlossen, insbesondere

• a) zum externen Soll-/Istwertvergleich,
• b) zur Fernkontrolle der Rückflußmengen,
• c) zur Dokumentation der Strahlparameter und/oder
• d) zur Feststellung von Abweichungen.

Dieser Rechner ist in Form einer Mehrrechnerkopplung mit einem anderen Rechnern verbunden, der insbesondere die Feststoffkonzentration errechnet. Das hat den Vorteil, daß zum einen eine sichere und zum anderen eine schnelle Ansteuerung der Strahlanlage gegeben ist. Möglich ist es natürlich auch, daß die erforderlichen Funktionen von weiteren Rechnern oder nur einem Rechner durchführbar sind.

In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß es bekannt ist (DE-GM 70 28 407), daß sich in einem Behälter ansammelnde verunreinigte Strahlmittel einer mit einem Strahlmittelkreislauf arbeitenden Strahl­ maschine mit einer Förderschnecke einer Reinigungs­ vorrichtung zuzuführen. Das Strahlmittel tritt dabei aus Förderrohren aus. Um eines der Förderrohre ist eine Meßeinrichtung in Form einer Induktionsspule angeordnet, die über ein Steuerteil den Fördervorgang der Schnecke steuert. Allerdings stellt die Meßeinrichtung nur die Verunreinigung des Strahlmittels fest.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbei­ spiel näher erläutert. Es zeigen in schematischer, ge­ schnittener Darstellung:

Fig. 1 eine Strahlmittelanlage und

Fig. 2 eine Strahlmitteldosierschnecke.

Fig. 1 zeigt die wesentlichsten Teile einer Vorrichtung zum Verfestigen und/oder Umformen durch Strahlmittel. Sie zeigt den Einlauftrichter und den Einlaufstutzen eines Druckkessels 1, in dem sich Strahlmittel 11, z. B. Stahlkugeln, Glaskugeln, Kunststoffkugeln oder der­ gleichen befinden. Der Kessel 1 kann über einen ver­ schließbaren, druckdichten Kegel geöffnet und ge­ schlossen werden. Bei geöffnetem Kegel wird über einen nicht dargestellten Zulauf Strahlmittel in den Kessel 1 eingegeben. Nach dem Schließen des Kegels wird der Druckkessel 1 mit Druckluft beaufschlagt. Dadurch wird gesichert, daß das Strahlmittel 11 immer gleichmäßig über einer Strahlmittelzuführung 2 liegt.

Die Strahlmittelzuführung 2 besteht, wie Fig. 2 zeigt, aus einem Schneckenrohr 27 und einer darin rotierenden Strahlmitteldosierschnecke 20. Die Strahlmitteldosier­ schnecke 20 ist dabei so ausgebildet, daß auf einer Schneckenwelle 21 in unterschiedlichen Abständen 24.1 . . ., 24.n Schneckenwendeln 25, 25′ angeordnet sind. Die Zweigang-Schneckenwendel 25, 25′ ist dabei innig mit der Schneckenwelle 21 verbunden. Die Strahlmitteldosier­ schnecke 20 zeichnet und unterscheidet sich gegenüber einer bekannten Förderschnecke dadurch aus, daß vor allem die ersten zwei bis drei Schneckenwendeldurch­ messer 21.1, 21.2 und 21.3 an einem Ende 28 stetig an­ steigen, um danach bis zum letzten Schneckenwendeldurch­ messer 23.n einen im wesentlichen konstanten Wert ein­ zuhalten. Zwischen der Zweigang-Schneckenwendel 25, 25′ befinden sich Schneckenwendelabstände 24.1, . . . 24.n. Diese Schneckenwendelabstände vergrößern sich beginnend vom ersten 24.1 im wesentlichen kontinuierlich bis zum letzten 24.n, wobei die Schneckenwendelabstände im letzten Drittel in etwa konstant sind. Hierdurch ent­ stehen Schneckenwendelsektionen 26.1, . . . 26.n unter­ schiedlichen Volumens, die durch die Zweigang-Schnecken­ wendel 25, 25′ und die Schneckenwelle 1 begrenzt werden.

Die Strahlmitteldosierschnecke 20 der Strahlmittelzu­ führung 2 wird über einen Gleichstromantrieb 7 ange­ trieben. Der Gleichstromantrieb 7 besteht z. B. aus einem Getriebe und einem Getriebemotor oder aus einem Gleichstrommotor mit Transistorregelung. Außerdem ist am Gleichstromantrieb 7 ein Vier-Quadranten-Drehzahlregler mit einer Tachorückführung angeordnet. Hierdurch ist gesichert, daß die Drehzahl der Strahlmitteldosier­ schnecke 20 stufenlos und bei eingestellter Umdrehungs­ zahl mit einem nahezu hundertprozentigen Gleichlauf be­ wegbar ist. Entsprechend der Drehzahl der Strahlmittel­ dosierschnecke 20 und bedingt durch ihre besondere Aus­ gestaltung kann das Strahlmittel fein dosiert werden. Dabei gelangt das Strahlmittel 11 auf die hinteren Schneckenwendelsektionen, beginnend bei 26.n und wird durch Rotation nach vorn befördert. Beim Eintreffen am Ende 28 beginnt das Strahlmittel 11 in den ersten drei Sektionen 26.1 bis 26.3 bereits auszutreten, um dann in der ersten Sektion 26.1 die Strahlmitteldosierschnecke 20 vollständig zu verlassen. Die konische Verjüngung am Ende 20 sorgt dabei für ein gleichmäßiges Auslaufen des Strahlmittels aus der Zweigang-Schneckenwendel 25, 25′, egal in welcher gedrehten Position sich die Zweigang- Schneckenwendel 25, 25′ befindet. Durch die kontinuier­ liche Steigungsverjüngung in Richtung Abgabebereich 14 wird das Strahlmittel 11 komprimiert und die gleichmäßi­ ge Dosierung am Ende 20 noch begünstigt. Das nun vom Abgabebereich gleichmäßigst und kontinuierlichst abge­ gebene Strahlmittel 11 gelangt in eine Vorlaufstrecke 3. Der Vorlaufstrecke 3 schließt sich ein Durchflußauf­ nehmer 4 an, der mit einer Auswerteeinheit 8 verbunden ist. Von der Vorlaufstrecke 3 flieht das Strahlmittel 11 im freien Fall zentriert in den Durchflußaufnehmer 4. Der Durchflußaufnehmer 4 verwendet für die Meßwert­ aufnahme nur einen Meßkondensator. Die absolute Kapa­ zitätsänderung - hervorgerufen durch Feststoffpartikel des Strahlmittels 11 im Meßkondensator - im Vergleich zu vorher mit Hilfe der Auswerteeinheit 8 eingeeichten Leerrohrkapazität ist proportional zur Feststoffkon­ zentration. Die Kapazitätsänderung wird dabei in ein störsicheres Puls-Frequenz-Modulation-Signal umgewandelt und dann der Auswerteeinheit 8 zugeführt.

Die Auswerteeinheit 8 errechnet die Feststoffkonzen­ tration unter Berücksichtigung der Kalibrierfaktoren, stellt damit die Umdrehungsgeschwindigkeit der Strahl­ mitteldosierschnecke 20 ein und zeigt die wichtigsten Meßgrößen des Strahlmitteldurchsatzes an einem Display an. Aus dem Durchflußaufnehmer 4 heraus fließt das Strahlgut′ 11 weiter im freien Fall durch eine Nachlaufstrecke 5 in eine Mischkammer 9 in einer Förderleitung 12. In der Mischkammer 9 wird das Strahlmittel 11 durch die seitlich einströmende Preßluft P mitgerissen und durch einen Strahlschlauch 6 zu einer Strahldüse transportiert. Aus der Strahldüse heraus tritt dann das Strahlmittel 11 mit einem vorgegebenen Strahldruck auf ein zu verfestigendes Werkstück.

Eventuelle Fördermengenschwankungen bzw. Fördermengen­ änderungen z. B. bedingt durch einen Verschleiß an den Schneckenwendeln 25 und 25′ oder durch andere Störfak­ toren werden durch die Auswerteeinheit 8 wahrgenommen. Die Auswerteeinheit 8 errechnet mit ihrem Rechner, z. B. einem Mikrorechner, die Mengentoleranz und erhöht oder erniedrigt über eine Steuerleitung 10 die Geschwindig­ keit der Strahlmitteldosierschnecke 20 entsprechend automatisch, so daß ständig immer gleichbleibend mit einer zulässigen Abweichung von ± 2% das Strahlmittel 11 gefördert wird.

Wird trotz dieser Nachregelung die Mengentoleranz des Strahlmittels 11 von ± 2% überschritten, unterbricht die Strahlanlage durch die Auswerteeinheit 8 automatisch den Strahlvorgang.

So wird durch ein kombiniertes Strahlmitteldosier- und Kontrollsystem immer ein absolut gleichbleibender und kontrollierter Strahlmitteldurchsatz an der Strahldüse gewährleistet. Dadurch ist es möglich, die notwendigen Strahlparameterkombinationen

• - Strahlmittelart (Qualität, Körnung),
• - Strahlmittelgeschwindigkeit,
• - Strahlmittelmenge pro Fläche bzw. Zeiteinheit und
• - genaue örtliche und gleichmäßige Bestrahlung des Werkstückes (Bahnsteuerung)

einzustellen. Durch diese Veränderungen wird die übli­ cherweise mit Sandstrahlanlage bezeichnete Einrichtung zu einer Spezialwerkzeugmaschine, die durch ihre CNC-Steuerung den Charakter einer Spezialwerkzeugma­ schine erhält. Mit ihr ist es jetzt möglich, insbeson­ dere durch ein gezieltes Bestrahlen mit Strahlgut z. B. in Form von Strahlkugeln einer bestimmten Größe ein Werkstück in einem ausgewählten Bereich zu verfestigen oder aber umzuformen. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in die Gruppe der präzise arbeitenden Ma­ schinen mit einem speziellen Einsatzbereich einzuordnen.

Bezugszeichenliste

 1 Druckkessel
 2 Strahlmittelzuführung
 3 Vorlaufstrecke
 4 Durchflußmeßaufnehmer
 5 Nachlaufstrecke
 6 Strahlschlauch
 7 Gleichstromantrieb
 8 Auswerteeinheit
 9 Mischkammer
10 Steuerleitung
11 Strahlmittel
12 Förderleitung
13 Aufnahmebereich
14 Abgabebereich
20 Strahlmitteldosierschnecke
21 Schneckenwelle
21.1 . . . 21n Schneckenwendeldurchmesser
23.1 . . . 23n Schneckenwendelsteigung
24.1 . . . 24n Schneckenwendelabstand
25, 25′ Schneckenwendel
26.1 . . . 26n Schneckenwendelsektion
27 Schneckenrohr
28 Ende
P Preßluft

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Strahlbearbeiten von Werkstückoberflächen, insbesondere zum Verfestigen oder Umformen, bestehend aus

• - einem geschlossenen Druckkessel (1), in dem sich ein Vorrat von Strahlmittel (11) befindet,
• - eine durch einen regelbaren Antrieb (7) angetrie­ bene Strahlmittelzuführung (2), die
• - eine Förderschnecke (20) mit einem Aufnahmebe­ reich (13), der unter dem Druckkessel (1) po­ sitioniert ist, und einen Abgabebereich (14) und ein Schneckenrohr (27) mit unveränderlichem Querschnitt, in dem die Förderschnecke (20) angeordnet ist, umfaßt,
• - und einer Vorrichtung zum Ausgleichen des Druckge­ fälles zwischen dem geschlossenen Druckkessel (1) und einer Förderleitung (12) für ein Strahlmittel-Luft-Gemisch, an die eine Strahldüse angeschlossen ist,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß zwischen dem Abgabebereich (14) der Förder­ schnecke (20) und der Förderleitung (12) eine Durchflußmeßeinrichtung (3; 4; 5) angeordnet ist und
• - daß eine mit der Durchflußmeßeinrichtung (3; 4; 5) verbundene Auswerteeinheit (8)
• a) aus den empfangenen Meßdaten den Strahlmittel­ anteil im Inneren einer Durchlaufstrecke der Meßeinrichtung (3; 4; 5) unter Berück­ sichtigung der Kalibrierfaktoren errechnet und
• b) in Abhängigkeit von den errechneten Werten in einem Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert die Drehzahl der Förderschnecke (20) so einstellt, daß ein gleichbleibender und kontrol­ lierter Durchsatz des Strahlmittels (11) gewähr­ leistet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderschnecke (20) als eine Strahlmittel­ dosierschnecke mit einer Zweigang-Schnecken­ wendel (25, 25′), deren Steigung (23.1, . . . 23.n) zum Abgabebereich (14) hin unter Verkleinerung von Schneckenwendelsektionen (26.1, . . . 26.n) kontinu­ ierlich abnimmt und deren Ende (28) sich im Abgabe­ bereich (14) verjüngt, ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchflußmeßeinrichtung (3; 4; 5) aus einem Durchflußmengenaufnehmer (4) mit einer davor ange­ ordneten Vorlaufstrecke (3) und einer danach ange­ ordneten Nachlaufstrecke (5) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß­ mengenaufnehmer (4) einen Meßkondensator enthält, dessen Kapazitätsänderung durch die Auswerteeinheit (8) im Vergleich zur einjustierten Rohrkapazität als umgewandeltes störsicheres Puls-Frequenz-Modu­ lations-Signal verarbeitbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Strahlmitteldosierschnecke (20) verbundene, regel­ bare Antrieb, der insbesondere ein Gleichstrom­ antrieb (7) ist, einen Vier-Quadranten-Drehzahl­ regler mit einer Tachorückführung enthält.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß in der Auswerteeinheit (8) wenigstens ein Rechner, vorzugsweise ein Mikrorechner, angeordnet ist und
• - daß der wenigstens eine Rechner über eine Schnittstelle angeschlossen ist an den Durchflußmengenaufnehmer (4)
• a) zum externen Soll-/Istwertvergleich,
• b) zur Fernkontrolle der Rückflußmengen,
• c) zur Dokumentation der Strahlparameter und/oder
• d) zur Feststellung von Abweichungen.