DE60005729T2

DE60005729T2 - Verfahren zum Reinigen oder Entkernen eines Gussstückes

Info

Publication number: DE60005729T2
Application number: DE60005729T
Authority: DE
Inventors: Alain Scotto; Jean Louis Janin
Original assignee: Forward Technology Ind S A; FORWARD TECHNOLOGY INDUSTRIES SA
Current assignee: Forward Technology Ind S A; FORWARD TECHNOLOGY INDUSTRIES SA
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2020-03-09
Also published as: ATE251506T1; EP1038597A1; FR2791282B1; ES2211467T3; EP1038597B1; DE60005729D1; CA2300504A1; US6361610B1; FR2791282A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen, welches das Herauslösen von Fremdkörpern (Staub, Sand, Materialreste) und Verschmutzungen aus dem Inneren von starren Hohlräumen ermöglicht, deren komplizierte und ausgebuchtete Form keinen leichten Zugang zu den zu reinigenden Zonen erlaubt. Sie bezweckt besonders ein Verfahren zum Reinigen von Werkstücken aus Metall, die vorzugsweise für die Kraftfahrzeug- und Luftfahrtindustrie bestimmt sind, wie beispielsweise Getriebegehäuse, Zylinderköpfe, Motorblöcke, Auspuffkrümmer, Pumpenkörper oder jedes andere Stück.
Diese Stücke werden im allgemeinen durch Gießen erhalten und erfordern in der Mehrzahl der Fälle die Verwendung von Kernen.
Die technische Entwicklung dieser Gießverfahren tendiert dazu, Stücke mit immer feineren und komplexeren Formen zu verwenden, welche also die Erhöhung der Dichte der Kerne auf der Grundlage von Sand, Keramik oder Glas oder die Verwendung von schmelzbaren Gußmodellen wie insbesondere Polystyrol erfordern.
Gleichgültig ob auf der Grundlage von Kern oder verlorenem Gußmodell führt die Komplexität der inneren Kanäle zu einem Zusammenhalt des Kerns in seiner Gesamtheit oder von Resten dieses Gußmodells in den Hohlräumen dieses Stücks.
Wenn nun diese Werkstücke die Gießerei verlassen, verbleiben Reste des Kerns oder des verlorenen Gußmodells, Schlacken oder auch Bearbeitungsspäne im Inneren der Schmier- oder Kühlkanäle, welche außerordentlich schwer zu beseitigen sind, selbst durch Methoden der Vibration bei tiefer Frequenz oder durch Kavitation von Flüssigkeit in einer Ultraschallwanne, besonders weil keine Kavitation der Flüssigkeit im Bereich der kleinen Kanäle eintritt.
Die traditionellen Verfahren zur Reinigung des Stücks verwenden verschiedene Methoden, wie beispielsweise die Vibrationen mit tiefer Frequenz, das Entkernen durch Rütteln mittels eines Unwuchtmotors oder durch pneumatisches, hydraulisches und selbst mechanisches Hämmern oder auch die Zirkulation von Fluiden unter hohem Druck, die Kavitation einer Flüssigkeit durch Ultraschallwannen (wobei das Werkstück zuvor in die Wanne gelegt wurde), das Strahlen mit Stahlkugeln oder Eis oder plastischen Medien oder auch ein Handverfahren mit Hilfe einer Rohrbürste oder Bürste.
So besteht eine bekannte Methode, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht, darin, das Verfahren der Erregung eines Werkstücks nach den Maßnahmen des Patents FR 2 755 038 zu verwenden, wobei dieses Werkstück zuvor in einen mit Flüssigkeit gefüllten Raum gebracht wurde.
Ein anderes Verfahren wie aus WO-A-96 244 62 bekannt besteht darin, ein Werkstück in trockner Umgebung durch eine Schwingungsquelle mit einer Frequenz in der Größenordnung 40 bis 80 Hz zu erregen.
Im Fall der Reinigung von massiven Metallstücken im wesentlichen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die keine Härte ähnlich der von Gußeisen oder Stahl aufweisen, riskieren die Sand- oder Schrotstrahlmethoden das Werkstück zu schädigen, und außerdem kann der Schrot die Enden von Kanäle mit geringem Querschnitt nicht erreichen, die in einer entsprechenden, Zahl beispielsweise in einem Zylinderkopf vorliegen.
Es ist leicht einzusehen, daß die Methoden der Handbearbeitung nicht auf eine industrielle Serienherstellung von Werkstücken übertragbar sind.
Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, diese Nachteile zu beheben, indem ein industrielles Verfahren geschaffen wird, das eine ausgezeichnete Reinigungsleistung liefert selbst im Bereich der inneren Unregelmäßigkeiten eines massiven Gußstücks und das bezweckt, jedes Agglomerat abzulösen, zu fluidisieren und heraus zu fördern, das in den inneren Kanälen eines zu reinigenden Werkstücks gefangen ist, wie besonders einem durch Gießen ausgehend von Kernen und verlorenen Gußmodellen hergestellten Werkstück, und das die unleugbaren Vorteile einer Trockenreinigung garantiert.
Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren der Reinigung oder des Entkernens eines Gußstücks, wobei das Gußstück durch eine Ultraschallschwingungsquelle erregt wird, welche das Ablösen von die Wände des Werkstück berührenden Stoffresten ermöglicht, wobei das Gußstück auf einer Mehrzahl von Ambossen aufliegt, welche auf Vibrationsmitteln angeordnet sind, welche das Gußstück stützen und mit einer Mehrzahl von Schallerzeugern in Kontakt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung in trockner Umgebung erfolgt.
Vorzugsweise weist das Verfahren einen Schritt auf, in dem das Gußstück mit sehr tiefer Frequenz gehämmert wird, um eine Rißbildung der inneren Reste von großen Abmessungen wie insbesondere eines Kerns auf der Grundlage von Sand hervorzurufen.
Weiter besonders weist das Verfahren einen Schritt auf, wobei dem Gußstück mittels einer Vibrationsvorrichtung eine lineare Schwingung mit tiefer Frequenz aufgezwungen wird, um die gespaltenen Brocken zu zerbröseln und zu fluidisieren.
Noch weiter besonders weist das Verfahren einen Schritt auf, welcher darin besteht, die aus dem Gußstück kommenden Stoffe mit Hilfe eines Stroms von gasförmigem Fluid herauszufördern.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden erläutert durch die folgende Beschreibung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Erregung des Werkstücks mit einer Quelle für sinusförmige Schwingungen mit Ultraschallfrequenz in einem mittleren Frequenzbereich in der Größenordnung von beispielsweise 10 bis 30 kHz, vorzugsweise 15 bis 20 kHz, um die die Innenwände des Werkstücks berührenden Materialreste abzulösen, wobei letzteres durch ein Formverfahren ausgehend von einem Kern auf Sandbasis oder Keramik oder verlorenem Gußmodell („verlorene Form") erhalten wurde, wobei dieses Werkstück besonders auf eine Vibrationsvorrichtung wie besonders eine Platte gestellt wird.
Außerdem können ein oder mehrere Folgeschritte nach dem Schritt der Erregung durch eine Ultraschallschwingungsquelle in trockener Umgebung durchgeführt werden:

– man schlägt das Werkstück durch eine pneumatische oder mechanische Hammervorrichtung mit sehr niedriger Frequenz in einer Größenordnung von beispielsweise 0,1 bis 5 Hz, um eine Rißbildung der inneren Reste von großen Abmessungen, wie besonders eines Kerns auf der Grundlage von Sand hervorzurufen,
– man läßt das Werkstück mit Hilfe einer elektromagnetischen Quelle in einem mittleren Frequenzbereich in der Größenordnung von beispielsweise 100 bis 250 Hz vibrieren, um die gespaltenen Brocken zu brechen und zu fluidisieren,
– man trägt die fluiden Reste mit Hilfe eines Stroms von beispielsweise Luft aus durch einen im Inneren der Kanäle hervorgerufenen Transport.

Die Ultraschallerregungsquellen werden geschaffen ausgehend von Schallerzeugern (sonotrodes) von 10 bis 60 mm Durchmesser aus Titan oder Stahl, denen man eine Frequenz von 10 bis 30 kHz für eine Amplitude von 40 bis 150 μm Spitze/Spitze verleiht und die an Anordnungen Booster mit piezoelektrischen oder magnetostriktiver Wandlern befestigt und durch Ultraschallfrequenzgeneratoren in Bewegung versetzt werden.
Außerdem, um die Übertragung der Vibrationsbewegung durch das Werkstück hindurch zu optimieren, und da diese im wesentlichen von der Art des Kontakts abhängt, welcher zwischen jedem der Schallerzeuger und dem zu reinigenden Stück hergestellt wird, muß die Kopplung Schallerzeuger-Werkstück durch eine Veränderung der Andruckkraft sowie durch eine Veränderung der Amplitude der Ultraschallschwingungsbewegung gesteuert werden. Diese Abtastung des Drucks und der Amplitude garantiert unter anderem, daß das Werkstück periodisch einer optimalen Vibration ausgesetzt wird, trotz der Unterschiede des Schwingungsverhaltens einer Reihe von Werkstücken, die mit den Fabrikationsabweichungen zusammenhängen.
Man kann so die Schallerzeuger in Kontakt mit dem Werkstück steuern, indem man ihnen eine Schwingung oder Pulsierung der Amplitude der Schwingung dieser Schallquellen mit einer geringeren Frequenz als die der Ultraschallquelle aufprägt.
Beispielsweise hat man ausgezeichnete Ergebnisse erhalten, indem die Schallerzeuger in Berührung mit dem Werkstück gesteuert wurden, indem man ihnen eine Schwingung der Andruckkraft mit niedriger Frequenz in der Größenordnung von 0,5 Hz zwischen zwei Schwellen zwischen 100 bis 1000 N aufprägte, die zuvor durch Tests der Schwingungsenergie-Kapazität des Werkstücks festgelegt wurden. Diese Übertragung der Schwingungsbewegung des Werkstücks auf die Ultraschall-Erregungsfrequenz und auf diese eigentlichen Schwingungsfrequenzen erfordert außerdem sorgfältig angeordnete punktuelle Erregungen.
Dafür ist es unabdingbar, Amboßstücke aus Metall mit einer kleinen Kontaktfläche gegenüber dem Stoßpunkt der Ultraschallquelle anzuordnen und zwar mit einem möglichst kleinen Spalt, um eine punktuelle Erregung zu gewährleisten und dabei beizubehalten, daß der Hauptteil der Wände des in Schwingung zu versetzende Werkstücks für jede Schwingungsbewegung frei bleibt. Um die Schwingung nicht auf die Struktur der Maschine zu übertragen und diesen Charakter der Freiheit der Schwingung zu bewahren, müssen die Ambosse vom Chassis mittels eines etwas elastischen Elements wie einem Stück aus Polyurethan oder einem pneumatischen Kolben isoliert sein, ebenso wie die Anordnung akustische Schallquelle/Booster/Umwandler.
Als Variante kann man auch den Druck steuern, der für die Frequenzkopplungen des Werkstücks notwendig ist, indem man den Ambossen eine Schwingung aufprägt.
Alle die oben angegebenen Bedingungen sind notwendig, um eine vollständige Zerbröselung des Kerns in seiner Gesamtheit oder in Form von Resten zu erreichen, indem man die Wände des zu reinigenden Werkstücks einer Schwingungsbewegung unterwirft.
Die Quellen der Erregung mit niedriger Frequenz, die zur Rißbildung von erheblichen Massen des Kerns erforderlich sind, wie besonders im Fall von Sandkernen, werden geschaffen ausgehend von einem pneumatischen Hammersystem mit einer sehr tiefen Frequenz in der Größenordnung von 0,1 bis 5 Hz.
Das Ergebnis hängt im vorliegenden Fall im wesentlichen von der dem Werkstück zugeführten Stoßwelle ab, weshalb die Bedingungen des Kontakts zwischen dem Hammer und dem Werkstück, wie besonders die Stoßgeschwindigkeit und die eingesetzte Masse, definiert werden müssen, wobei diese eingesetzte Masse proportional zur eigenen Masse des zu reinigenden Werkstücks mit seinem Kern oder seinen Kernresten festgelegt ist.
Das Hämmern kann auf das Werkstück durch mindestens einen der Schallerzeuger oder mindestens einen der das Werkstück stützenden Ambosse ausgeübt werden.
Eine geschickte Maßnahme zur Erzeugung dieser zur Rißbildung notwendige Bewegung ist, die pneumatischen Anordnungen von Ultraschallquellen oder ihren Ambossen zu verwenden, um das gewünschte Hämmern durch alternative Führung der Steuerung des oder der pneumatischen Verteiler mit Einstellung der Druckregler und des Durchsatzes zu erhalten.
Die Schwingungsquelle, welche zum Zerbröseln der Reste bis auf eine Fluidisierung, welche ihr Ausbringen ermöglicht, erforderlich ist, wird realisiert ausgehend von einer linearen Schwingung mit einer Frequenz zwischen 100 und 250 Hz und einer Amplitude von 1 bis 4 mm Spitze/Spitze, die mit Hilfe eines mechanischen Systems erhalten wird, das auf die gewählte Frequenz abgestimmt und abwechselnd durch zwei Elektromagnete über ein Tieffrequenzgenerator erregt wird.
Diese lineare Vibration kann gemäß einer horizontalen oder einer vertikalen Achse orientiert sein in Abhängigkeit von der Form des Werkstücks und dem Ablauf der Kanäle.
Das Werkstück muß daher fest mit dem vibrierenden Element von oben oder von einer der Seitenflächen her verbunden sein, um einen Ablauf durch Schwerkraft, d. h. nach unten zu begünstigen. Unter Berücksichtigung der gelegentlich sehr erheblichen Masse des Kerns, besonders für Kerne auf der Basis von Sand, ist es unbedingt erforderlich, den Frequenzgenerator mit einer automatischen Frequenzsteuerung zu versehen, die während einer ersten Zeit eine Einstimmung derselben auf die mechanische Frequenz der vibrierenden Anordnung mit der Masse des zu vibrierenden Werkstücks ermöglicht, und während einer zweiten Zeit in Echtzeit die Erhöhung dieser Frequenz proportional zum Massenverlust infolge des Ablaufs des zunehmend freigesetzten Materials ermöglicht, um die Leistung zu optimieren, die mit der Übertragung von elektromagnetischer Energie in mechanische Energie zusammenhängt.
Der Weiterleitungsfluß des Materials der zerbröselten Reste des Kerns wird mit Hilfe eines kombinierten Blas- und Saugsystems erhalten, das den gewünschten Typ von Ablauf garantiert. Dazu wird zweckmäßigerweise eine zentrale Ansaugung verwendet, die eine Ablaufgeschwindigkeit von mehr als beispielsweise 20 m/s und besonders im Bereich von 20 bis 80 m/s garantiert für einen entsprechenden Durchsatz an den Abschnitten der zu reinigenden Kanäle, was man geschickterweise vervollständigt durch ein Blassystem, das mit Druckluft gespeist ist, indem man am Einlaß jeder Öffnung, die dem oder den mit dem Ansaugen verbundenen Auslassen gegenüberliegt, kalibrierte Düsen installiert.
Diese Zufuhr von Druckluft dient dazu, die Lastverluste zu kompensieren, die mit dem gelegentlich verwinkelten Verlauf der Kanäle zusammenhängen, und muß hinsichtlich des Drucks stromaufwärts und im Durchgangsabschnitt gesteuert werden, damit sie äquivalent dem durch Ansaugen erzeugten Abzugsdurchsatz ist, um jeden Stau zu vermeiden.
Diese Ansaug- und Blassysteme müssen so nah wie möglich an den Öffnungen der Kanäle installiert werden, um die Zwischenvolumina soweit wie möglich zu begrenzen und einen möglichst geringen Druckabfall zu garantieren und sind beispielsweise in einer Kammer angeordnet, welche das Werkstück allein oder mit der Vibrationsvorrichtung, den Ultraschallquellen der insbesondere pneumatischen oder mechanischen Hammervorrichtung, der Schwingplatte umgibt. Dieser unter einem Unterdruck gehaltene Raum garantiert die Abführung der vom Gußwerkstück kommenden Reste. Im Fall eines voluminösen Gußstücks ist es erforderlich, das dem Unterdruck unterworfene Volumen zu verringern, indem der Flußdurchlaß auf einen Raum von einigen Millimetern begrenzt wird, der die gesamte dreidimensionale Außenhülle des Gußstücks abdeckt.
Es sei bemerkt, daß es sehr nützlich sein kann, die Temperatur der umlaufenden Luft nahe bei einer Temperatur zwischen 50°C bis 200°C, vorzugsweise nahe bei 80°C zu halten, falls, die Reste sich wegen der verschiedenen Vorsorgebehandlungen, noch in einem feuchten Zustand befinden, um die Qualität des Ablaufs dieser Reste zu optimieren.
Die Erfindung, so wie oben beschrieben bietet zahlreiche Vorteile, da sie durch Vereinigung der Phasen der Erregung durch Ultraschall, des Hämmerns, des Versetzens in Schwingung und der Abführung der Reste durch ein Fluid eine optimale Reinigung oder Entkernung des Werkstücks garantiert, wobei gleichzeitig die mit einer industriellen Produktion in mittlerer und großer Serie verbundenen Forderungen erfüllt werden.
Dieses Verfahren ist selbst als Kontrollverfahren anwendbar, das es ermöglicht, die durch klassische Methoden erreichte Reinigungsqualität zu überprüfen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und oben dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt sondern umfaßt alle von den Ansprüchen erfaßten Abwandlungen.

Claims

Verfahren zum Reinigen oder Entkernen eines Gußstücks, wobei man das Gußstück durch eine Ultraschall-Schwingungsquelle erregt, was das Ablösen der die Wände des Gußstücks berührende Materialreste ermöglicht, wobei das Gußstück einerseits gegen einer Mehrzahl von Ambossen anliegt, die auf einer das Gußstück tragenden Vibratorvorrichtung angeordnet sind, und andererseits in Kontakt ist mit einer Mehrzahl von Schallerzeugern, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung in trockner Umgebung realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt umfaßt der darin besteht, das Gußstück mit sehr tiefer Frequenz zu hämmern, um eine Rißbildung von inneren Resten von großen Abmessungen wie besonders eines Kerns auf der Grundlage von Sand zu bewirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt umfaßt, der darin besteht, dem Gußstück mittels der Vibratorvorrichtung eine lineare Vibration mit tiefer Frequenz aufzuprägen, um die von Rissen durchzogenen Brocken zu zerbröseln und zu fluidisieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt umfaßt, der darin besteht, die Materialien aus dem Gußstück mit Hilfe eines Stroms von gasförmigem Fluid auszutragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gußstück durch eine Vibrationsquelle erregt, die besonders sinusförmige oder gepulste Schwingung mit Ultraschallfrequenz liefert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallfrequenz im Bereich von 10 bis 30 kHz gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallfrequenz im Bereich von 15 bis 20 kHz gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hämmern mit einer Frequenz zwischen 0,1 bis 5 Hz betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Hämmern durch mindestens einen Schallerzeuger besorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet; daß das Hämmern durch mindestens einen Amboß erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der an das Gußstück angelegten linearen Schwingung im Bereich von 100 bis 250 Hz liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallerzeuger in Kontakt mit dem Gußstück führt, indem man ihnen eine Schwingung der Druckkraft mit tiefer Frequenz in der Größenordnung von 0,5 Hz zwischen zwei Schwellen, die zwischen etwa 100 bis 1000 N liegen, aufzwingt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ambosse in Kontakt mit dem Gußstück führt, indem man ihnen eine Schwingung der Druckkraft mit tiefer Frequenz in der Größenordnung von 0,5 Hz zwischen zwei Schwellen, die zwischen etwa 100 bis 1000 N liegen aufzwingt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schallerzeuger im Kontakt mit dem Gußstück führt, indem man ihnen eine Schwingung oder Pulsierung mit einer geringeren Frequenz der Schwingungsamplitude dieser Schallerzeuger als die Ultraschallquelle aufprägt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung der Reste aus dem Gußstück durch den Fluidstrom mit Hilfe eines kombinierten Blas- und Saugsystems erhalten wird, dessen Ablaufgeschwindigkeit im Bereich zwischen 20 m/s bis 80 m/s liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom auf eine Temperatur zwischen 50 und 200°C erwärmt wird, um die aus dem Gußstück abzuführenden Materialien zu trocknen.