EP3856459B1

EP3856459B1 - Verfahren zur oberflächenbearbeitung eines bauteils durch strömungsschleifen

Info

Publication number: EP3856459B1
Application number: EP19779389.6A
Authority: EP
Inventors: Mathias WEICKERT
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2018-09-24
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2024-11-06
Anticipated expiration: 2039-09-18
Also published as: EP3856459A1; CN112752632B; US20220032425A1; WO2020064444A1; CN112752632A; JP2022502275A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Bauteils durch Strömungsschleifen, umfassend folgende Schritte:

(a) Bereitstellen eines Rohlings,
(b) Überströmen mindestens einer Oberfläche des Rohlings mit einem Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial.

Ein derartiges Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Dokument EP 3 257 627 A1 bekannt.

Strömungsschleifverfahren sind Bearbeitungsverfahren, bei denen eine zu bearbeitende Oberfläche von einem Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial, insbesondere einer Schleifpartikel enthaltenden Flüssigkeit überströmt wird. Die in dem fließfähigen Trägermaterial enthaltenen Schleifpartikel treffen während des Überströmens auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils, wodurch die entsprechende Oberfläche erosiv abgeschliffen wird, indem die Schleifpartikel beim Aufprall Material vom Bauteil abtragen. Abhängig von der Geometrie, insbesondere der Form und Größenverteilung der Schleifpartikel, ist dabei eine sehr feine Bearbeitung der Oberflächen und insbesondere auch eine Behandlung sehr feiner Strukturen möglich. Wenn das fließfähige Trägermaterial eine Flüssigkeit ist, wird das Strömungsschleifverfahren auch hydroerosives Verfahren oder hydroerosives Schleifverfahren genannt. Strömungsschleifverfahren können zum Beispiel zur Behandlung der Oberflächen von 3D-gedruckten Bauteilen aus Metall, Keramik und/oder Kunststoff eingesetzt werden, die eine Oberflächenrauheit zwischen 50 und 500 µm aufweisen. Diese Oberflächenrauheiten bewirken unerwünschte Effekte beim Einsatz der entsprechenden Bauteile, beispielsweise Fouling oder erhöhter Druckverlust. Um die exakte Geometrie innerhalb der Fehlertoleranzen nach dem Schleifverfahren einhalten zu können, muss gegebenenfalls die Geometrie des Bauteils bereits beim Herstellverfahren, insbesondere bei der Herstellung durch ein 3D-Druckverfahren modifiziert werden und das Schleifverfahren muss präzise und kontrolliert eingestellt werden können.
Aus WO 2014/000954 A1 ist es zum Beispiel bekannt, durch ein hydroerosives Verfahren Bohrungen an Einspritzdüsen in Einspritzventilen für Verbrennungskraftmaschinen zu verrunden, um auf diese Weise an den sehr kleinen Bohrungen, durch die der Kraftstoff mit hohem Druck in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird, scharfkantige Übergänge abzuschleifen. Für das Verfahren strömt eine Schleifpartikel enthaltende Flüssigkeit durch die Einspritzdüse. Für eine gleichmäßige Durchströmung der Bohrung in der Einspritzdüse und damit eine gleichmäßige Verrundung der Kanten, wird ein Hohlkörper in das Einspritzventil eingeführt und die Schleifpartikel enthaltende Flüssigkeit wird durch den im Hohlkörper gebildeten inneren Strömungskanal und einen zwischen dem Hohlkörper und der Innenwandung des Einspritzventils gebildeten äußeren Strömungskanal geleitet. Hierbei ist es für ein gleichmäßiges Ergebnis möglich, unterschiedliche Schleifpartikel enthaltende Flüssigkeiten einzusetzen, die den inneren und den äußeren Strömungskanal durchströmen, und/oder die Schleifpartikel enthaltende Flüssigkeit mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten oder Drücken durch den inneren und den äußeren Strömungskanal zu führen.
Eine mathematische Simulation des hydroerosiven Schleifens ist zum Beispiel in P.A. Rizkalla, Development of a Hydroerosion Model using a Semi-Empirical Method Coupled with an Euler-Euler Approach, Dissertation, Royal Melbourne Institute of Technology, Universität Melbourne, November 2007, Seiten 36 bis 44 beschrieben.
Nachteil der bekannten Verfahren ist, dass bei nicht planaren zu bearbeitenden Oberflächen eine Strömungsablösung auftreten kann, die Kavitation und damit unerwünschten Materialabtrag zur Folge hat und damit zu Schäden an der zu bearbeitenden Oberfläche führen kann und eine mathematischen Simulation des Schleifens aufwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die zu bearbeitenden Oberflächen des Bauteils nicht geschädigt werden und das gegenüber den mathematischen Simulationen weniger aufwendig ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Bauteils durch Strömungsschleifen, umfassend folgende Schritte:

(a) Bereitstellen eines Rohlings,
(b) Überströmen mindestens einer Oberfläche des Rohlings mit einem Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial,

Durch das Abrunden des Rohlings an Positionen, an denen sich beim Überströmen die Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials ändert, und das Anbringen zusätzlichen Materials an Positionen, an denen am fertig bearbeiteten Bauteil ein Strömungsabriss erfolgt, wird verhindert, dass durch das Bearbeiten der Oberfläche mit dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial unkontrolliert Material durch Kavitation aufgrund des Strömungsabrisses und damit verbundene Rückströmungen abgetragen wird und dadurch das Bauteil geschädigt wird.
Das fließfähige Trägermaterial, das die Schleifpartikel enthält, ist beispielsweise Wasser, Öl oder ein hochviskoses Fett, das heißt ein Fett mit einer Viskosität bei Bearbeitungstemperatur im Bereich von 100 bis 1000000 Pa•s, insbesondere mit einer Viskosität im Bereich von 1000 bis 200000 Pa•s. Besonders bevorzugt ist das fließfähige Trägermaterial Öl, insbesondere ein Hydrauliköl. Der Anteil der Schleifpartikel in dem fließfähigen Trägermaterial liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 80 Vol.-%, insbesondere im Bereich von 2 bis 60 Vol.-%. Wenn eine Flüssigkeit als fließfähiges Trägermaterial eingesetzt wird, beispielsweise Wasser oder Öl, liegt der Anteil der Schleifpartikel vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 Vol.-%, mehr bevorzugt im Bereich von 1 bis 20 Vol.-% und insbesondere im Bereich von 1 bis 5 Vol.-% und bei Einsatz eines hochviskosen Fetts als fließfähiges Trägermaterial liegt der Anteil der Schleifpartikel vorzugsweise im Bereich von 20 bis 80 Vol.-% und insbesondere im Bereich von 40 bis 60 Vol.-%.
Das für die Schleifpartikel eingesetzte Material ist abhängig vom Material des zu bearbeitenden Bauteils. Wenn das Bauteil aus einem Metall oder einer Keramik ist, werden vorzugsweise Schleifpartikel aus Borcarbid oder Diamant eingesetzt. Bei einem Bauteil aus einem Kunststoff eignen sich insbesondere Schleifpartikel aus Borcarbid, Diamant, Sand oder Silizium. Auch die Form und die Größe der Schleifpartikel ist abhängig vom zu bearbeitenden Material des Bauteils und von der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere der gewünschten Oberflächenrauheit sowie der Größe der zu bearbeitenden Struktur. Geeignete Partikelformen für die Schleifpartikel sind insbesondere scharfkantige Partikel, zum Beispiel gebrochene Partikel. Geeignete Schleifpartikel weisen vorzugsweise eine Größenverteilung von 1 bis 1000 µm und insbesondere eine Größenverteilung von 1 bis 10 µm bei Verwendung von Öl und 10 µm bis 1000 µm bei Verwendung von Fett auf.
Zur Bearbeitung durch das Strömungsschleifen wird als erstes das Bauteil in einen Kanal eingebracht, durch den das die Schleifpartikel enthaltende fließfähige Trägermaterial strömt. Wenn äußere Oberflächen des Bauteils bearbeitet werden sollen, wird das Bauteil so in den Kanal eingebracht, dass das die Schleifpartikel enthaltende fließfähige Trägermaterial die Oberflächen überströmen kann. Bei einer Bearbeitung von inneren Oberflächen, beispielsweise von Bohrungen, wird das Bauteil so an den Kanal angeschlossen, dass das die Schleifpartikel enthaltende fließfähige Trägermaterial durch die zu bearbeitenden Öffnungen, beispielsweise Bohrungen, strömt, jedoch nicht in Kontakt kommt mit Oberflächen, die nicht bearbeitet werden sollen. Für das Schleifen von Bohrungen können zum Beispiel geeignete Anschlüsse am Bauteil vorgesehen sein, über die das die Schleifpartikel enthaltende fließfähige Trägermaterial zugeführt wird und wieder aus dem Bauteil strömt.
Um an den Positionen, an denen sich beim Überströmen die Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials ändert, einen Strömungsabriss und damit einen unerwünschten Materialabtrag durch Kavitation zu verhindern, ist der Rohling an den Positionen, an denen sich beim Überströmen die Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials ändert, mit einem Radius abgerundet, der dem 0,1 bis 2,5 fachen des mittleren Abstandes zwischen der überströmten Oberfläche und der gegenüberliegenden Wandung des von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial durchströmten Kanals entspricht. Bevorzugt ist der Rohling an den Positionen, an denen sich beim Überströmen die Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen
Trägermaterials ändert, mit einem Radius abgerundet, der dem 0,25 bis 1,5 fachen und insbesondere dem 0,5 fachen des mittleren Abstandes zwischen der überströmten Oberfläche und der gegenüberliegenden Wandung des von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial durchströmten Kanals entspricht.
Der mittlere Abstand kann dabei zum Beispiel numerisch ermittelt werden. Vorzugsweise ist der mittlere Abstand jedoch der Mittelwert aus dem minimalen Abstand zwischen der überströmen Oberfläche und der gegenüberliegenden Wandung und dem maximalen Abstand zwischen überströmen Oberfläche und der gegenüberliegenden Wandung. Der minimale Abstand und der maximale Abstand können dabei sowohl beide vor der Änderung der Strömungsrichtung oder beide nach der Änderung der Strömungsrichtung liegen oder eine der beiden Abstände liegt vor der Änderung der Strömungsrichtung und der andere der beiden Abstände liegt hinter der Strömungsrichtung. Insbesondere bei einem durchströmten Kanal, der eine Richtungsänderung aufweist, ist es zum Beispiel möglich, dass der Kanal einen ersten hydraulischen Durchmesser vor der Richtungsänderung und einen zweiten hydraulischen Durchmesser nach der Richtungsänderung aufweist. Hierbei kann der erste hydraulische Durchmesser kleiner als der zweite hydraulische Durchmesser sein oder der erste hydraulische Durchmesser ist größer als der zweite hydraulische Durchmesser.
Der hydraulische Durchmesser berechnet sich dabei zu: $D_{h} = \frac{4 A}{U},$
wobei D_h der hydraulische Durchmesser, U der Umfang und A die Querschnittsfläche des durchströmten Kanals sind.
Eine Änderung der Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials ergibt sich zum Beispiel dann, wenn ein Kanal, in den der Rohling eingebracht ist, und der von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial durchströmt wird, um die äußeren Oberflächen des Rohlings zu bearbeiten, eine Krümmung oder einen Knick aufweist und der zu bearbeitende Rohling im Bereich der Krümmung oder des Knicks positioniert ist. Weiterhin ergibt sich eine Änderung der Strömungsrichtung auch dann, wenn der Rohling einen Kanal enthält und dieser Kanal eine Krümmung oder einen Knick aufweist und die den Kanal begrenzenden Wandungen durch das Strömungsschleifverfahren bearbeitet werden sollen. In diesem Fall wird der Kanal im Rohling von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial durchströmt.
Wenn äußere Oberflächen des Rohlings durch das Strömungsschleifverfahren bearbeitet werden sollen, wird der Rohling üblicherweise in einem gerade verlaufenden Kanal ohne Knick oder Krümmung und ohne Einschnürung oder Erweiterung positioniert. Um in diesem Fall zu verhindern, dass durch Kavitation aufgrund von Strömungsabriss unkontrolliert Material abgetragen wird, wird an Positionen, an denen am fertig bearbeiteten Bauteil ein Strömungsabriss auftritt, zusätzliches Material angebracht. Bei einem Bauteil mit einer angeströmten rotationssymmetrischen Projektionsfläche weist das zusätzliche Material auf der der Strömung zugewandten Seite eine in Strömungsrichtung zu einer zentralen Achse des Kanals, in dem das die Schleifpartikel enthaltende fließfähige Trägermaterial strömt, geneigte und konkav verlaufende Oberfläche auf.
"Auf der der Strömung zugewandten Seite" bedeutet in diesem Zusammenhang die Seite, über die das die Schleifpartikel enthaltende fließfähige Trägermaterial strömt.
Ein Bauteil mit einer angeströmten rotationssymmetrischen Projektionsfläche ist zum Beispiel eine Kugel. Auch jedes andere Bauteil, das in Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials eine kreisförmige Ansicht zeigt, hat eine angeströmte rotationssymmetrische Projektionsfläche. Ein solches Bauteil kann zum Beispiel auch eine Tropfenform aufweisen, wobei das Bauteil in diesem Fall am halbkugelförmigen Ende des Tropfens angeströmt wird.
Um einen Strömungsabriss zu verhindern, weist die geneigte und konkav verlaufende Oberfläche des zusätzlich aufgebrachten Materials eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 1 bis 5 fachen des Durchmessers der rotationssymmetrischen Projektionsfläche auf. Weiter bevorzugt weist die geneigte und konkav verlaufende Oberfläche des zusätzlich aufgebrachten Materials eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 1,5 bis 3 fachen des Durchmessers der rotationssymmetrischen Projektionsfläche, beispielsweise eine Krümmung mit einem Radius, der dem doppelten des Durchmessers der rotationssymmetrischen Projektionsfläche entspricht.
Wenn die angeströmte Projektionsfläche nicht rotationssymmetrisch ist weist das zusätzliche Material, das an Positionen angebracht ist, an denen am fertig bearbeiteten Bauteil ein Strömungsabriss erfolgt, auf der der Strömung zugewandten Seite eine in Strömungsrichtung zu einer zentralen, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene geneigte und konkav verlaufende Oberfläche auf. Auch in diesem Fall wird durch die zu der zentralen, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufende Ebene geneigte und konkave Oberfläche verhindert, dass ein Strömungsabriss erfolgt, der zu Kavitation und damit unkontrolliertem Materialabtrag führt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zu der zentralen, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene geneigte und konkav verlaufende Oberfläche des zusätzlichen Materials eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 2 bis 10 fachen des maximalen senkrechten Abstandes von der zentralen, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene zum Rand der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche aufweist. Besonders bevorzugt weist die Krümmung der geneigten und konkav verlaufenden Oberfläche einen Radius im Bereich des 3 bis 6 fachen des maximalen senkrechten Abstandes von der zentralen, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene zum Rand der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche auf, beispielsweise einen Radius, der dem vierfachen des maximalen senkrechten Abstandes von der zentralen, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene zum Rand der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche entspricht.
"Zentral" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Schnittgerade der parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene mit der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche in der Mitte der Projektionsfläche verläuft. Bei einer achssymmetrischen Projektionsfläche bildet die Schnittgerade der parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene mit der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche die Symmetrieachse der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche.
Bauteile mit einer nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche sind zum Beispiel Rohre, Wellen oder Achsen, deren äußere Oberfläche durch das Strömungsschleifverfahren bearbeitet werden soll. Die Rohre, Wellen oder Achsen können dabei jede beliebige Querschnittsform haben, wobei ein runder Querschnitt besonders für die Bearbeitung durch das Strömungsschleifverfahren geeignet ist. Das zu bearbeitende Rohr, die zu bearbeitende Welle oder die zu bearbeitende Achse wird dabei quer zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials in den Kanal, durch den das die Schleifpartikel enthaltende fließfähige Trägermaterial geleitet wird, eingelegt, so dass die angeströmte Projektionsfläche des Rohrs, der Welle oder der Achse ein Rechteck ist, dessen Länge der Länge des Rohrs, der Welle oder der Achse entspricht und dessen Höhe dem Durchmesser des Rohrs, der Welle oder der Achse entspricht. Die zentrale, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufende Ebene erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Länge des Rechtecks und schneidet die Projektionsfläche auf halber Höhe. In diesem Fall beträgt der Radius der Krümmung der geneigten und konkaven Oberfläche also dem 2 bis 10 fachen des Radius des Rohrs, der Welle oder der Achse.
Nach der Bearbeitung der Oberfläche durch das Strömungsschleifen muss das zusätzlich aufgebrachte Material entfernt werden, um das gewünschte Bauteil zu erhalten. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, die Strömungsgeschwindigkeit des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials zu erhöhen und so gezielt das Material abzuschleifen. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Geschwindigkeit nicht zu stark erhöht wird, um ein unkontrolliertes Abtragen des zusätzlich aufgebrachten Materials zu verhindern.
Wenn nicht die äußere Oberfläche des Rohlings bearbeitet werden soll, sondern ein Kanal innerhalb des Rohlings, ist vorzugsweise bei einer überströmten Oberfläche, die eine Wandung des Kanals bildet, wobei der Kanal eine Richtungsänderung aufweist, auf der Wandung des Kanals, die aufgrund der Richtungsänderung des Kanals von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial angeströmt wird, Material aufgebracht, das in der Mitte eine konvex verlaufende und nach außen hin eine konkav verlaufende Oberfläche aufweist.
Das zusätzlich aufgebrachte Material auf der von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial angeströmten Seite verhindert, dass in die Wandung des Kanals durch das Strömungsschleifen eine Vertiefung eingebracht wird. Die in der Mitte konvex verlaufende und nach außen hin konkav verlaufende Oberfläche unterstützt die Umlenkung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials und verhindert insbesondere unkontrollierten Materialabtrag durch Kavitation. Das auf die Wandung aufgebrachte Material wird so durch das Strömungsschleifverfahren kontrolliert entfernt, so dass auf einfache Weise eine Schädigung der Wandung des Kanals verhindert werden kann.
Vorzugsweise weist die konvex verlaufende Oberfläche eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 0,5 bis 5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals auf. Besonders bevorzugt weist die Krümmung einen Radius im Bereich des 0,5 bis 2 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals auf, beispielsweise das Einfache des hydraulischen Durchmessers des Kanals. Die maximale Dicke des aufgebrachten Materials entspricht vorzugsweise dem 0,1 bis 0,75 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals, insbesondere dem 0,4 bis 0,6 fachen, beispielsweise dem 0,5 fachen.
Die nach außen hin konkav verlaufende Oberfläche des aufgebrachten Materials weist vorzugsweise eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 0,5 bis 5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals auf. Besonders bevorzugt weist die nach außen hin konkav verlaufende Oberfläche eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 1 bis 3 fachen, beispielsweise des doppelten, des hydraulischen Durchmessers des Kanals auf.
Wenn der Kanal vor der Richtungsänderung einen anderen hydraulischen Durchmesser aufweist als nach der Richtungsänderung, ist der hydraulische Durchmesser auf den sich der Radius der konkaven Krümmung des aufgebrachten Materials und der Radius der konvexen Krümmung des aufgebrachten Materials beziehen, der hydraulische Durchmesser des Kanals nach der Richtungsänderung.
Wenn der Kanal eine Erweiterung aufweist, in der sich der Kanal von einem Bereich mit einem ersten hydraulischen Durchmesser auf einen Bereich mit einem zweiten hydraulischen Durchmesser vergrößert, das heißt, dass der zweite hydraulische Durchmesser größer ist als der erste hydraulische Durchmesser, wobei ein Übergangsabschnitt der Wandung des Kanals zwischen dem Bereich mit erstem hydraulischen Durchmesser und dem Bereich mit zweitem hydraulischen Durchmesser einen Winkel zwischen 7° und 90°, insbesondere zwischen 45° und 90° zur Hauptströmungsrichtung aufweist, kann sowohl am Übergangsabschnitt als auch im Bereich mit dem zweiten hydraulischen Durchmesser Kavitation und damit ein unkontrollierter Materialabtrag auftreten, wenn der Kanal in Richtung von dem Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Bereich mit zweitem hydraulischem Durchmesser hin durchströmt wird. Bei einer entgegengesetzten Strömungsrichtung kann entsprechend Kavitation mit damit verbundenem unkontrolliertem Materialabtrag m Übergangbereich und dem sich daran in Strömungsrichtung dann anschließenden Bereich mit erstem hydraulischen Durchmesser auftreten.
Um diesen unkontrollierten Materialabtrag zu verhindern, ist es bevorzugt, wenn bei einer überströmten Oberfläche, die eine Wandung eines Kanals bildet, wobei der Kanal eine Erweiterung aufweist, in der der Kanal von einem Bereich mit einem ersten hydraulischen Durchmesser auf einen Bereich mit einem zweiten hydraulischen Durchmesser vergrößert wird, wobei ein Übergangsabschnitt der Wandung des Kanals zwischen dem Bereich mit erstem hydraulischen Durchmesser und dem Bereich mit zweitem hydraulischen Durchmesser einen Winkel zwischen 7° und 90°, insbesondere zwischen 45° und 90° zur Hauptströmungsrichtung aufweist, wobei die überströmte Oberfläche beim Übergang vom Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Übergangsabschnitt konvex verläuft und beim Übergang vom Übergangsabschnitt zum Bereich mit dem zweiten hydraulischen Durchmesser konkav verläuft. Der Übergang vom Übergangsabschnitt zum Bereich mit dem zweiten hydraulischen Durchmesser kann jedoch auch einen Winkel aufweisen.
Durch den konvexen Verlauf beim Übergang vom Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Übergangsabschnitt wird ein Strömungsabriss am Übergang vom Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Übergangsabschnitt verhindert oder zumindest stark reduziert, so dass ein unkontrollierter Materialabtrag aufgrund der damit verbundenen Kavitation verhindert oder eingeschränkt werden kann.
Vorzugsweise weist die beim Übergang vom Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Übergangsabschnitt konvex verlaufende Oberfläche eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 0,05 bis 2,5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals vor der Erweiterung auf. Bevorzugt weist die beim Übergang vom Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Übergangsabschnitt konvex verlaufende Oberfläche eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 0,25 bis 1 fachen, beispielsweise des 0,375 fachen, des hydraulischen Durchmessers des Kanals vor der Erweiterung auf.
Die beim Übergang vom Übergangsabschnitt zum Bereich mit dem zweiten hydraulischen Durchmesser konkav verlaufende Oberfläche weist vorzugsweise eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 0,05 bis 2,5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals vor der Erweiterung auf. Besonders bevorzugt weist die Krümmung der beim Übergang vom Übergangsabschnitt zum Bereich mit dem zweiten hydraulischen Durchmesser konkav verlaufenden Oberfläche einen Radius im Bereich des 0,25 bis 1 fachen, beispielsweise des 0,375 fachen, des hydraulischen Durchmessers des Kanals vor der Erweiterung auf.
Der Rohling, der durch das Strömungsschleifverfahren bearbeitet wird, kann durch verschiedene Herstellerverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Rohling durch ein Gießverfahren hergestellt werden. Auch ist es möglich, den Rohling durch ein spanendes Verfahren hergestellt werden. Besonders bevorzugt wird der Rohling jedoch durch ein additives Herstellungsverfahren, beispielsweise 3D-Druck hergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1: einen Rohling mit kreisförmigem Querschnitt und daran angebrachtem Material, um einen Strömungsabriss zu verhindern,
Figur 2: einen durchströmten Kanal, dessen Wandungen durch Strömungsschleifen bearbeitet werden und der eine Richtungsänderung aufweist,

Figur 1 zeigt einen Rohling mit kreisförmigem Querschnitt und daran angebrachtem Material, um einen Strömungsabriss zu verhindern.
Ein Rohling 1 mit einer Oberfläche 3, die durch Strömungsschleifen bearbeitet werden soll, wird hierzu in einen geeigneten Kanal eingebracht, der von einem Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial durchströmt wird. Um einen Strömungsabriss zu verhindern, ist an dem Rohling 1 auf der der Strömung abgewandten Seite zusätzliches Material 5 angebracht. Das zusätzliche Material 5 weist auf der der Strömung zugewandten Seite 7 eine in Strömungsrichtung zu einer zentralen Ebene 9, die parallel zur Strömungsrichtung 25 des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verläuft, geneigte und konkav verlaufende Oberfläche 11 auf.
Der in Figur 1 dargestellte Rohling 1 hat einen kreisförmigen Querschnitt wie beispielsweise ein Zylinder oder eine Kugel. Wenn der Rohling 1 ein Zylinder ist, hat dieser eine angeströmte nicht rotationssymmetrische Projektionsfläche, nämlich eine rechteckige Projektionsfläche. Die zentrale Ebene 9, die parallel zur Strömungsrichtung 25 des Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verläuft, bildet mit der rechteckigen Projektionsfläche eine Schnittgerade, die in der Mitte der Projektionsfläche verläuft, so dass der Abstand von der Schnittgerade zum Rand der Projektionsfläche dem Radius des Zylinders entspricht.
Wenn der Rohling kein Zylinder sondern eine Kugel ist, hat dieser eine rotationssymmetrische Projektionsfläche, wobei in diesem Fall das zusätzliche Material auf der Strömung zugewandten Seite eine in Strömungsrichtung 25 zu einer zentralen Achse geneigt und konkav verlaufende Oberfläche aufweist. Die zentrale Achse verläuft dabei entsprechend der zentralen Ebene 9 durch den Mittelpunkt der Kugel parallel zur Strömungsrichtung 25 des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials.
Bei einem zylinderförmigen Rohling 1 weist die die zur zentralen Ebene 9 geneigte und konkav verlaufende Oberfläche 11 vorzugsweise eine Krümmung mit einem Radius 13 auf, der dem 2 bis 10 fachen des maximalen senkrechten Abstandes von der zentralen Ebene 9 zum Rand der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche entspricht, das heißt, der dem 2 bis 10 fachen des Radius 15 des zylinderförmigen Rohlings 1 entspricht. Entsprechend weist die zur zentralen Achse geneigte und konkav verlaufende Oberfläche bei einem kugelförmigen Rohling 1 eine Krümmung mit einem Radius 13 auf, der dem 1 bis 5 fachen des Durchmessers des kugelförmigen Rohlings 1, das heißt dem 2 bis 10 fachen des Radius des kugelförmigen Rohlings 1, entspricht.
Besonders bevorzugt beträgt der Radius 13 der Krümmung der geneigt und konkav verlaufenden Oberfläche 11 das 3 bis 6 fache des maximalen senkrechten Abstandes von der zentralen Ebene 9 zum Rand der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche beziehungsweise des Radius 15 der rotationssymmetrischen Projektionsfläche, beispielsweise, wie in Figur 1 dargestellt, das 4 fache des Radius 15 der rotationssymmetrischen Projektionsfläche oder des Zylinders beziehungsweise das doppelte des Radius 15 der rotationssymmetrischen Projektionsfläche oder des Zylinders.
Bevorzugt ist die geneigt und konkav verlaufende Oberfläche des zusätzlich aufgebrachten
Materials so geneigt, dass die zentrale Ebene 9 bei einem Rohling 1 mit nicht rotationssymmetrischer Projektionsfläche in Strömungsrichtung 25 oder die zentralen Achse bei einem Rohling 1 mit rotationssymmetrischer Projektionsfläche in Strömungsrichtung eine Tangente der geneigte und konkav verlaufende Oberfläche 11 ist.
Bei einem Rohling 1, bei dem die zentrale Ebene 9 eine Symmetrieebene ist, ist auch das zusätzliche Material 5 symmetrisch zur zentralen Ebene 9 angebracht, so dass das zusätzliche Material 5 auf beiden Seiten der zentralen Ebene 9 eine geneigte und konkav verlaufende Oberfläche 11 aufweist, die tangential zur zentralen Ebene 9 endet. Bei einem Rohling 1 mit einer in Strömungsrichtung rotationssymmetrischen Projektionsfläche ist das zusätzliche Material 5 vorzugsweise ebenfalls rotationssymmetrisch am Rohling 1 angebracht. Bei einer nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche, die in Strömungsrichtung 25 auch nicht zur Schnittgeraden mit der zentralen Ebene 9 achssymmetrisch ist, ist das zusätzliche Material vorzugsweise so aufgebracht, dass der Radius der Krümmung auf beiden Seiten der zentralen Ebene 9 unterschiedlich ist, so dass die zentrale Ebene 9 auf beiden Seiten an der gleichen Position in Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials eine Tangente zur geneigt und gekrümmt verlaufenden Oberfläche bildet.
Figur 2 zeigt einen durchströmten Kanal, dessen Wandungen durch Strömungsschleifen bearbeitet werden und der eine Richtungsänderung aufweist
Der in Figur 2 dargestellte Kanal 17 weist einen ersten Abschnitt mit einem ersten hydraulischen Durchmesser 19 und einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten hydraulischen Durchmesser 21 auf. Der zweite Abschnitt schließt sich nach einer Richtungsänderung an den ersten Abschnitt an.
Auf der Wandung 23 des Kanals 17, die aufgrund der Richtungsänderung des Kanals von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial, dessen Strömungsrichtung mit einem Pfeil 25 gekennzeichnet ist, angeströmt wird, ist zusätzliches Material 5 aufgebracht, das in der Mitte eine konvex verlaufende Oberfläche 27 und nach außen hin eine konkav verlaufende Oberfläche 29 aufweist.
Die konvex verlaufende Oberfläche 27 weist vorzugsweise eine Krümmung mit einem Radius 31 auf, der im Bereich des 0,5 bis 5 fachen des hydraulischen Durchmessers liegt. Besonders bevorzugt beträgt der Radius 31 der Krümmung der konvex verlaufenden Oberfläche 27 das 0,5 bis 2 fache des hydraulischen Durchmessers des Kanals 17. Wenn der Kanal 17 wie hier dargestellt, vor der Richtungsänderung einen ersten hydraulischen Durchmesser 19 aufweist und nach der Richtungsänderung einen zweiten hydraulischen Durchmesser 21, ist der hydraulische Durchmesser, auf den sich die Größe des Radius 31 bezieht, der zweite hydraulische Durchmesser 21. Besonders bevorzugt beträgt der Radius 31 der Krümmung der konvex verlaufenden Oberfläche das Einfache des zweiten hydraulischen Durchmessers 21, wie hier dargestellt.
Die konkav verlaufende Oberfläche 29 weist vorzugsweise eine Krümmung mit einem Radius 33 im Bereich des 0,5 bis 5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals 17 auf. Besonders bevorzugt beträgt der Radius 33 das 1 bis 3 fache des hydraulischen Durchmessers des Kanals 17. Wie auch für den Radius 31 der Krümmung der konvex verlaufenden Oberfläche 27 ist der hydraulische Durchmesser, auf den sich der Radius 33 der Krümmung der konkav verlaufenden Oberfläche 29 bezieht, der zweite hydraulische Durchmesser 21. Insbesondere beträgt der Radius 33 der Krümmung der konvex verlaufenden Oberfläche 27 dem doppelten des 2. hydraulischen Durchmessers 21, wie hier dargestellt.
Die Dicke des aufgebrachten zusätzlichen Materials 5 weist eine maximale Dicke auf, die dem 0,2 bis 0,75 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals 17 entspricht. Besonders bevorzugt entspricht die Dicke des aufgebrachten zusätzlichen Materials 5 dem 0,5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals 17, wobei auch hier der hydraulische Durchmesser, auf den sich die Dicke des aufgebrachten zusätzlichen Materials 5 bezieht, der zweite hydraulische Durchmesser 21 ist.
Auf der der aufgrund der Richtungsänderung des Kanals von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial angeströmten Wandung gegenüberliegenden Seite, an der sich aufgrund der Richtungsänderung des Kanals 17 ein Strömungsabriss ergeben kann, ist die Wandung 37 abgerundet. Der Radius 39, mit dem die Wandung 37 abgerundet ist, entspricht vorzugsweise dem 0,1 bis 2,5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals 17, wobei der hydraulische Durchmesser des Kanals 17 bei einem Kanal mit einem ersten hydraulischen Durchmesser 19 vor der Richtungsänderung und einem zweiten hydraulischen Durchmesser 21 nach der Richtungsänderung der mittlere hydraulische Durchmesser verwendet wird. Hierbei wird der arithmetische Mittelwert verwendet, das heißt der mittlere hydraulische Durchmesser berechnet sich aus der Summe des ersten hydraulischen Durchmessers 19 und des zweiten hydraulischen Durchmessers 21 dividiert durch 2. Besonders bevorzugt entspricht der Radius 39 dem 0,25 bis einfachen des mittleren hydraulischen Durchmessers und insbesondere dem 0,5 fachen des mittleren hydraulischen Durchmessers.

Bezugszeichenliste

1: Rohling
3: Oberfläche
5: zusätzliches Material
7: der Strömung zugewandte Seite
9: zentrale Ebene
11: geneigte und konkav verlaufende Oberfläche
13: Radius der geneigt und konkav verlaufenden Oberfläche 11
15: Radius des Rohlings 1
17: Kanal
19: erster hydraulischer Durchmesser
21: zweiter hydraulischer Durchmesser
23: Wandung
25: Strömungsrichtung
27: konvex verlaufende Oberfläche
29: konkav verlaufende Oberfläche
31: Radius der konvex verlaufenden Oberfläche
33: Radius der konkav verlaufenden Oberfläche
35: Dicke des zusätzlichen Materials
37: Wandung
39: Radius

Claims

Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Bauteils durch Strömungsschleifen, umfassend folgende Schritte:
(a) Bereitstellen eines Rohlings (1),

(b) Überströmen mindestens einer Oberfläche des Rohlings (1) mit einem Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (1) an Positionen, an denen sich beim Überströmen die Strömungsrichtung (25) des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials ändert, abgerundet ist und an Positionen, an denen am fertig bearbeiteten Bauteil ein Strömungsabriss erfolgt, zusätzliches Material (5) so angebracht ist, dass zu Beginn des Überströmens ein Strömungsabriss verhindert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (1) an den Positionen, an denen sich beim Überströmen die Strömungsrichtung (25) des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials ändert, mit einem Radius (39; 57) abgerundet ist, der dem 0,1 bis 2,5 fachen des mittleren Abstandes zwischen der überströmten Oberfläche und der gegenüberliegenden Wandung des von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial durchströmten Kanals entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Material (5), das an Positionen angebracht ist, an denen am fertig bearbeiteten Bauteil ein Strömungsabriss erfolgt, auf der der Strömung zugewandten Seite (7) bei einem Bauteil mit einer angeströmten rotationssymmetrischen Projektionsfläche eine in Strömungsrichtung (25) zu einer zentralen Achse eines Kanals, in dem das die Schleifpartikel enthaltende fließfähigen Trägermaterial strömt, geneigte und konkav verlaufende Oberfläche (11) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte und konkav verlaufende Oberfläche (11) eine Krümmung mit einem Radius (13) im Bereich des 1 bis 5 fachen des Durchmessers der rotationssymmetrischen Projektionsfläche aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Material (5), das an Positionen angebracht ist, an denen am fertig bearbeiteten Bauteil ein Strömungsabriss erfolgt, auf der der Strömung zugewandten Seite (7) bei einem Bauteil mit einer angeströmten nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche eine in Strömungsrichtung zu einer zentralen, parallel zur Strömungsrichtung (25) des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene (9) geneigte und konkav verlaufende Oberfläche (11) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigte und konkav verlaufende Oberfläche (11) eine Krümmung mit einem Radius (13) im Bereich des 2 bis 10 fachen des maximalen senkrechten Abstandes von der zentralen, parallel zur Strömungsrichtung des die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterials verlaufenden Ebene zum Rand der nicht rotationssymmetrischen Projektionsfläche aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer überströmten Oberfläche, die eine Wandung eines Kanals (17) bildet, wobei der Kanal (17) eine Richtungsänderung aufweist, auf der Wandung (23) des Kanals (17), die aufgrund der Richtungsänderung des Kanals (17) von dem die Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial angeströmt wird, Material (5) aufgebracht ist, das in der Mitte eine konvex verlaufende Oberfläche (27) und nach außen hin eine konkav verlaufende Oberfläche (29) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die konvex verlaufende Oberfläche (27) eine Krümmung mit einem Radius (31) im Bereich des 0,5 bis 5 fachen des hydraulischen Durchmessers (21) des Kanals (17) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgebrachte Material (5) eine maximale Dicke (35) aufweist, die dem 0,1 bis 0,75 fachen des hydraulischen Durchmessers (21) des Kanals entspricht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav verlaufende Oberfläche (29) eine Krümmung mit einem Radius (33) im Bereich des 0,5 bis 5 fachen des hydraulischen Durchmessers (21) des Kanals (17) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer überströmten Oberfläche, die eine Wandung eines Kanals bildet, wobei der Kanal eine Erweiterung aufweist, in der der Kanal von einem Bereich mit einem ersten hydraulischen Durchmesser auf einen Bereich mit einem zweiten hydraulischen Durchmesser erweitert wird, wobei ein Übergangsabschnitt der Wandung des Kanals zwischen dem Bereich mit erstem hydraulischen Durchmesser und dem Bereich mit zweitem hydraulischen Durchmesser einen Winkel zwischen 7° und 90° zur Hauptströmungsrichtung aufweist, wobei die überströmte Oberfläche beim Übergang vom Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Übergangsabschnitt konvex verläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Übergang vom Bereich mit erstem hydraulischem Durchmesser zum Übergangsabschnitt konvex verlaufende Oberfläche eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 0,05 bis 2,5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals vor der Erweiterung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die überströmte Oberfläche beim Übergang vom Übergangsabschnitt zum Bereich mit dem zweiten hydraulischen Durchmesser konkav verläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Übergang vom Übergangsabschnitt zum Bereich mit dem zweiten hydraulischen Durchmesser konkav verlaufende Oberfläche eine Krümmung mit einem Radius im Bereich des 0,05 bis 2,5 fachen des hydraulischen Durchmessers des Kanals vor der Erweiterung aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Trägermaterial Wasser, Öl oder ein hochviskoses Fett ist.