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WO2006058659A1 - Verfahren und vorrichtung zur wasserstrahlbearbeitung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur wasserstrahlbearbeitung Download PDF

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WO2006058659A1
WO2006058659A1 PCT/EP2005/012595 EP2005012595W WO2006058659A1 WO 2006058659 A1 WO2006058659 A1 WO 2006058659A1 EP 2005012595 W EP2005012595 W EP 2005012595W WO 2006058659 A1 WO2006058659 A1 WO 2006058659A1
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gas
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workpiece
pressure
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Wolfgang Danzer
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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Publication date
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    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/004—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for water jet machining of workpieces.
  • the present invention is based on the technical problem of providing a method and a device with which water jet machining is made possible in an economical and effective manner.
  • the invention is directed to a method for water jet machining a workpiece, wherein the water as a water jet under pressure on the workpiece is directed and the workpiece is thereby abraded, characterized in that the water is added to a gas and the impact of the water jet on the workpiece by gas bubbles increased abrasion occurs, and to an apparatus for performing the method with a water jet nozzle for generating the water jet a high-pressure pump for generating the pressure for the water jet and a water pipe for supplying the high-pressure pump with water, characterized by a gas supply means for supplying the gas to the water upstream of the outlet of the water jet from the device.
  • the basic idea of the invention is to produce an increase in the abrasive effect by adding gas to the water used.
  • gas bubbles have a surprisingly strong abrasive effect as a result of violent changes in pressure, which in principle is known from cavitation damage, for example to turbine blades.
  • the water used can carry dissolved gas in it, which in the exit of the water jet from the nozzle and / or during
  • the gas can also be added in such a way that the gas is not or not completely dissolved in the water, so entrained in gaseous form with the water jet.
  • situations may occur in which all three options are present, ie a part of the gas unresolved is entrained, a part of the gas at the exit from the nozzle from the solution already passes into the gas phase and another part of the Gas on impact of the water jet on the workpiece surface merges into the gaseous form.
  • a gas offers an inexpensive, procedurally simple and, with regard to the residues, particularly unproblematic form of an improvement in the abrasion effect of a water jet. This is especially true when using a low-cost and environmentally benign gas that does not need to be recovered or collected after use.
  • a preferred example in the context of this invention is CO 2 , which is easy to dissolve in water and is available at low cost. CO 2 is anyway a component of the natural atmosphere and therefore harmless to the environment. Of course, it can also be used in the context of the invention in mixtures with other gases to produce certain effects.
  • the gas is added downstream from a high pressure pump which produces the pressure necessary for the jet of water.
  • a relatively low pressure location is used.
  • the gas supply line is arranged obliquely in the region of the opening in such a way that the gas flow forms an acute angle with the water flow.
  • Figure 1 shows schematically a device for water jet cutting according to this invention.
  • FIG. 2 shows for comparison a conventional apparatus for water-jet cutting with fixed addition of abrasive agent.
  • FIG. 3 shows a comparison of cutting experiments with the invention
  • FIG. 1 shows a highly schematic and partially sectional view of a water jet cutting device according to the invention. This one has
  • the pressurized water line 1 is supplied via a high-pressure pump 5 with water, which is connected via a water supply line 6 to a water network.
  • a Gas supply device 7 is added to CO 2 in an amount just below the solubility limit at the water pressure used for the water jet cutting device.
  • the water pressure can be, for example, in the range of 1000 bar. This is done in a manner not shown here in accordance with the principle of a water jet pump through a running at an acute angle to the water flow gas line 10, which meets a parallel to the water flow opening.
  • the gas flow should therefore be largely parallel to the flow of water and be employed only at a relatively low angle.
  • the CO2 dissolves well in the water, so that in this embodiment, a clean liquid jet reaches the nozzle 2.
  • FIG. 2 shows a conventional device of comparable design.
  • the gas supply device 7 is missing.
  • the high-pressure pump 5 and the water supply line 6 are omitted, in contrast to FIG. 1, a mixing chamber 8 with a lateral closes to the nozzle 2 in the high-pressure pipe 1
  • FIG. 3 shows the results of experiments.
  • the right column shows from top to bottom a kerf 1 1, ie a cross-sectional view, a plan view of the top and a bottom view of the underside of a machined with the inventive device of Figure 1 sheet.
  • the sheet was made of AJMgSi with 3 mm thickness.
  • the pressure in the high-pressure pipe 1 in this case was 360 mPa.
  • the workpiece was moved at a feed rate of 30 mm / min.
  • the left column shows corresponding images from top to bottom, but without the addition of CO2. It can be seen that only a half of the light metal sheet penetrating kerf was achieved in the conventional approach at the top left, whereas right above a completely severed sheet is seen. Accordingly, the upper side, middle line, left shows only a slightly widened erosion trace, while the right side with the dark line shows the passage of the water jet on the lower side. In the experiment with conventional water jet cutting the water jet has penetrated only selectively through the sheet. This is also shown in the bottom line, the left below a limited to a relatively short piece of track passage through the sheet shows, whereas right below a relatively clean led dividing line can be seen.
  • the invention provides an increase in performance of the conventional water jet cutting process without simultaneous disposal problems and at relatively low additional costs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wasserstrahischneiden mit einem Gaszusatz zu dem verwendeten Wasser. Dadurch wird eine verstärkte abrasive Wirkung erzeugt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Wasserstrahlbearbeitung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wasserstrahlbearbeitung von Werkstücken.
Insbesondere unter dem eingeführten Begriff des "Wasserstrahlschneidens" sind Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung von Werkstücken mit Wasserstrahlen unter Hochdruck allgemein bekannt. Besondere Bedeutung haben sie beim Schneiden flacher Werkstücke, etwa von Kunststoff- oder Blechbahnen. Ein unter hohem Druck erzeugter Wasserstrahl trifft mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf eine
Oberfläche des Werkstücks und hat dort eine abrasive Wirkung, trägt also Material ab. Durch relativ fein fokussierte Wasserstrahlen können angenäherte Linien etwa durch Metallbleche geschnitten werden und durch entsprechende Führung des Wasserstrahls mit geringem Aufwand auch komplizierte Formen ausgeschnitten werden. Das Verfahren ist als relativ preisgünstig, und universell hinsichtlich der zu schneidenden Materialien bekannt, hat jedoch im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und die möglichen Materialstärken Grenzen.
Es ist ferner bekannt, beim Wasserstrahlschneiden dem Wasserstrahl feste Partikel zuzusetzen, um die abrasive Wirkung zu verstärken. Neben dem damit entstehenden zusätzlichen apparativen Aufwand und dem Materialverbrauch kann diese Vorgehensweise auch bei der Entsorgung der anfallenden Rückstände Nachteile haben, also zu Umweltschädigungen und Entsorgungskosten führen. Trotz der in vielen Fällen verbesserten Leistungsfähigkeit wird vor allem der grundsätzliche ökonomische Vorteil der Technik des Wasserstrahlschneidens zu einem Teil wieder aufgehoben.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine Wasserstrahlbearbeitung in ökonomischer und effektiverWeise ermöglicht wird.
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Wasserstrahlbearbeitung eines Werkstücks, bei dem Wasser als Wasserstrahl unter Druck auf das Werkstück gerichtet wird und das Werkstück dadurch abrasiv bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser ein Gas zugesetzt wird und beim Auftreffen des Wasserstrahls auf das Werkstück durch Gasbläschen eine verstärkte Abrasion auftritt, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Wasserstrahldüse zur Erzeugung des Wasserstrahls, einer Hochdruckpumpe zur Erzeugung des Drucks für den Wasserstrahl und einer Wasserleitung zur Versorgung der Hochdruckpumpe mit Wasser, gekennzeichnet durch eine Gaszufuhreinrichtung zum Zuführen des Gases zu dem Wasser stromaufwärts von dem Austritt des Wasserstrahls aus der Vorrichtung.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden im Folgenden erläutert. Die einzelnen Merkmale der Erfindung beziehen sich dabei sowohl auf die Verfahrenskategorie als auch auf die Vorrichtungskategorie, ohne dass hierzwischen im Einzelnen explizit unterschieden wird.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, durch einen Gaszusatz zu dem verwendeten Wasser eine Verstärkung der abrasiven Wirkung zu erzeugen. Beim Auftreffen des Wassers auf die Werkstückoberfläche unter hoher Geschwindigkeit haben Gasbläschen in Folge heftiger Druckänderungen eine erstaunlich starke abrasive Wirkung, die im Prinzip von den Kavitationsschäden etwa an Turbinenschaufeln bekannt ist.
Um solche Gasbläschen zu erzeugen, kann das verwendete Wasser gelöstes Gas in sich tragen, das beim Austreten des Wasserstrahls aus der Düse und/oder beim
Auftreffen des Wasserstrahls auf die Werkstückoberfläche zu Gasbläschen führt, wobei man vor allem im letzteren Fall von einem Kavitationseffekt im engeren Sinn sprechen kann. Aber auch dann, wenn die Gasbläschen zumindest zum Teil bereits in dem Wasserstrahl vorhanden sind, bevor dieser auf die Werkstückoberfläche auftrifft, sind entsprechende Effekte zu erwarten. Darüber hinaus kann der Gaszusatz auch in solcherweise erfolgen, dass das Gas nicht oder nicht vollständig in dem Wasser gelöst ist, also in Gasform mit dem Wasserstrahl mitgerissen wird Insbesondere können Situationen auftreten, in denen alle drei Möglichkeiten gleichzeitig vorliegen, also ein Teil des Gases ungelöst mitgerissen wird, ein Teil des Gases beim Austritt aus der Düse aus der Lösung bereits in die Gasphase übergeht und ein weiterer Teil des Gases beim Auftreffen des Wasserstrahles auf die Werkstückoberfläche in die Gasform übergeht.
in jedem Faii bietst der Zusatz eines Gases eine preisgünstige, verfahrenstechnisch einfache und hinsichtlich der Rückstände besonders unproblematische Form einer Verbesserung der Abrasionswirkung eines Wasserstrahls. Dies gilt besonders, wenn ein preisgünstiges und umweltunschädliches Gas verwendet wird, das nach seiner Verwendung nicht wiedergewonnen oder gesammelt werden muss. Ein bevorzugtes Beispiel im Rahmen dieser Erfindung ist CO2, das sich leicht in Wasser lösen lässt und zu geringen Kosten zur Verfügung steht. CO2 ist ohnehin ein Bestandteil der natürlichen Atmosphäre und daher umweltunschädlich. Es kann im Rahmen der Erfindung natürlich auch in Mischungen mit anderen Gasen verwendet werden, um bestimmte Wirkungen zu erzeugen.
Vorzugsweise wird das Gas stromabwärts von einer Hochdruckpumpe zugesetzt, mit derder für den Wasserstrahl notwendige Druck erzeugt wird. Es wird vorzugsweise eine Stelle mit relativ niedrigem Druck verwendet. Bei einer Gaszuführung stromaufwärts von der Hochdruckpumpe bestünde evtl. die Gefahr von Kavitationsschäden an der Pumpe und wären wegen des geringeren Druckes geringere Gasmengen lösbar. Würde man größere Gasmengen zusetzen, also einen Teil des Gases in der Gasphase belassen, wäre u. U. die Wirkung der Pumpe beeinträchtigt.
Bevorzugt ist eine Gaszuführung nach dem Prinzip der Wasserstrahlpumpe, also an einer Stelle mit an einer Öffnung im Wesentlichen parallel zu der Öffnungsfläche vorbeiströmendem Wasser. Dabei kann zum einen ohne wesentlichen Überdruck des Gases eine effektive Zuführung in das Wasser gewährleistet werden. Zum anderen kann das Gas in dieser Form auch in einen Hochdruckbereich des Systems zugeführt werden, weil die Strömung eine Druckkompensation durch die Öffnung unterbindet. Vorzugsweise ist die das Gas zuführende Leitung im Bereich der Öffnung in solcher Weise schräg angeordnet, dass die Gasströmung mit der Wasserströmung einen spitzen Winkel bildet.
Wenngleich der Vorteil der Erfindung gerade daran liegen kann, den Zusatz "fester Abrasionsmittel" zu vermeiden, ist nicht ausgeschlossen, beide Möglichkeiten zu kombinieren, also neben dem Gaszusatz zusätzlich feste Abrasionsmittei zu verwenden. Vorzugsweise wird im Rahmen dieser Erfindung jedoch darauf verzichtet, um die bereits geschilderten Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren mit festen Abrasionsmitteln möglichst auszuschöpfen.
Neben dem klassischen Wasserstrahlschneiden, insbesondere von Metallblecheπ, etwa aus einer Leichtmetalllegierung, kommen im Rahmen der Erfindung auch Reinigungsverfahren in Betracht. Daher wurde hier der Begriff der Wasserstrahlbearbeitung verwendet, der sich eben nicht nur auf Trennverfahren beziehen soil, sondern Bearbeitungen verschiedener Formen umfassen soll. Unter anderem können oberflächliche Schichten, etwa Lackreste, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren besonders effektiv abgetragen werden. Neben dem Schneiden und der Reinigung sind natürlich auch andere Werkstückbearbeitungen mit Wasserstrahl möglich, etwa die Profilierung oder Aufrauung von Oberflächen und dergleichen.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung näher beschrieben, wobei die einzelnen Merkmale des Ausführungsbeispiels auch in anderen Kombinationen der Erfindung wesentlich sein können.
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden gemäß dieser Erfindung.
Figur 2 zeigt zum Vergleich eine konventionelle Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden mit festem Abrasivmittelzusatz. Figur 3 zeigt im Vergleich Schnittversuche mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung und einer konventionellen Wasserstrahlschneidevorrichtung anhand von Fotografien der Spuren an Werkstücken.
In Figur 1 ist stark schematisch und teilweise im Schnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Wasserstrahlschneiden dargestellt. Diese weist eine
Druckwasserieitung 1 mit einer Wasseraustrittsdüse 2 auf, durch die ein fokussierter Wasserstrahl 3 mit hoher Geschwindigkeit austritt und auf ein Werkstück 4 trifft.
Die Druckwasserleitung 1 wird über eine Hochdruckpumpe 5 mit Wasser versorgt, die über eine Wasserversorgungsleitung 6 an ein Wassernetz angeschlossen ist. Mit einer Gaszuführvorrichtung 7 wird CO2 in einer knapp der Löslichkeitsgrenze bei dem für die Wasserstrahlschneidevorrichtung verwendeten Wasserdruck entsprechenden Menge zugesetzt. Der Wasserdruck kann beispielsweise im Bereich von 1000 bar liegen. Dies geschieht in hier nicht eigens eingezeichneter Weise nach dem Prinzip einer Wasserstrahlpumpe durch eine in spitzem Winkel zu der Wasserströmung verlaufende Gasleitung 10, die auf eine parallel zu der Wasserströmung liegende Öffnung trifft. Die Gasströmung soll also weitgehend parallel zur Wasserströmung verlaufen und nur in einem relativ geringen Winkel dazu angestellt sein.
Das CO2 löst sich gut in dem Wasser auf, so dass bei diesem Ausführungsbeispiel ein reiner Flüssigkeitsstrahl die Düse 2 erreicht.
Infolge des Druckabfalls beim Austreten des Wasserstrahls aus der Düse 2 kann dort bereits ein gewisser Teil des CO2 in die Gasphase übergehen. Dies hängt auch von der Geschwindigkeit des Wassers ab. Für einen wesentlichen Teil des -Rests gilt dies erst beim Auftreffen des Wasserstrahls 3 auf die Oberfläche des Werkstücks 4, so dass es dort durch die bereits in dem Wasserstrahl 3 enthaltenen und die durch Kavitation entstehenden Gasbläschen zu einer deutlich verstärkten abrasiven Wirkung kommt. Ein gewisser Gasanteil in dem Wasserstrahl nach dem Austreten aus, der Düse 2 stört die Erfindung nicht unbedingt.
Im Vergleich zu Figur 1 zeigt Figur 2 eine konventionelle Vorrichtung vergleichbarer Bauart. Hier fehlt die Gaszuführeinrichtung 7. Die Hochdruckpumpe 5 und die Wasserzuführleitung 6 sind weggelassen, im Unterschied zu Figur 1 schließt sich an die Düse 2 in dem Hochdruckrohr 1 eine Mischkammer 8 mit einer seitlichen
Abrasivmittelzuführleitung 9 an. Durch diese Zuführleitung 9 wird ein partikelförmiges Abrasivmittel, beispielsweise ein Carbid, zugesetzt, das in der Mischkammer mit dem Wasserstrahl vermischt wird. Nach Auftreffen des Wasserstrahls auf das hier nicht dargestellte Werkstück 4 fallen neben dem Abtrag von dem Werkstück 4 erhebliche Mengen des Abrasivmittels an. In vielen Fällen ist es erforderlich, diese gemischten Rückstände als Sondermüll relativ kostenaufwendig zu entsorgen. Figur 3 zeigt die Ergebnisse von Versuchen. Die rechte Spalte zeigt dabei von oben nach unten eine Schnittfuge 1 1 , d. h. eine Querschnittsaufnahme, eine Draufsicht auf die Oberseite und eine Unteransicht der Unterseite eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Figur 1 bearbeiteten Blechs. Das Blech bestand aus AJMgSi mit 3 mm Stärke. Der Druck in dem Hochdruckrohr 1 lag in diesem Fall bei 360 mPa. Das Werkstück wurde mit einem Vorschub von 30 mm/min bewegt.
Im Vergleich dazu zeigt die linke Spalte entsprechende Aufnahmen von oben nach unten, jedoch ohne CO2-Zusatz. Man erkennt, dass bei der konventionellen Vorgehensweise links oben nur eine nicht einmal die Hälfte des Leichtmetallblechs durchdringende Schnittfuge erzielt wurde, wohingegen rechts oben ein vollständig durchtrenntes Blech zu sehen ist. Dementsprechend zeigt die Oberseite, mittlere Zeile, links nur eine etwas verbreiterte Erosionsspur, während die rechte Seite mit der dunklen Linie das Durchtreten des Wasserstrahls auf der Unterseite zeigt. Bei dem Versuch mit konventionellen Wasserstrahlschneiden ist der Wasserstrahl nur punktuell durch das Blech hindurchgedrungen. Dies zeigt sich auch in der untersten Zeile, die links unten einen auf ein relativ kurzes Bahnstück begrenzten Durchtritt durch das Blech zeigt, wohingegen rechts unten eine vergleichsweise sauber geführte Trennlinie zu erkennen ist.
Damit bietet die Erfindung eine Leistungssteigerung des konventionellen Wasserstrahlschneideverfahrens ohne gleichzeitige Entsorgungsprobleme und bei vergleichsweise geringen Mehrkosten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Wasserstrahlbearbeitung eines Werkstücks (4), bei dem Wasser als Wasserstrahl (3) unter Druck auf das Werkstück (4) gerichtet wird und das Werkstück (4) dadurch abrasiv bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser ein Gas zugesetzt wird und beim Auftreffen des Wasserstrahls (3) auf das Werkstück (4) durch Gasbläschen eine verstärkte Abrasion auftritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Gas vollständig in dem Wasser gelöst wird und die Gasbläschen durch Kavitation auftreten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Gas zumindest teilweise ungelöst ist und als Gasbläschen dem Wasserstrahl (3) beigemengt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Gas dem Wasser stromabwärts von einer Hochdruckpumpe (5) zur Erzeugung des Drucks des Wasserstrahls (3) zugesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Gas dem Wasser nach dem Prinzip einer Wasserstrahlpumpe zugesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Gas CO2 enthält, vorzugsweise CO2 ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Wasserstrahl (3) keine festen Abrasionszusätze enthält.
8, Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Wasserstrahlschneiden flacher Werkstücke (4), insbesondere von Metallblechen.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Reinigen, insbesondere Entlacken, von Werkstücken (4).
10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einer Wasserstrahldüse (2) zur Erzeugung des Wasserstrahls (3), einer Hochdruckpumpe (5) zur Erzeugung des Drucks für den Wasserstrahl (3) und einer Wasserleitung (6) zur Versorgung der Hochdruckpumpe (5) mit Wasser, gekennzeichnet durch eine Gaszuführeinrichtung zum Zuführen des Gases zu dem Wasser stromaufwärts von dem Austritt des Wasserstrahls (3) aus der Vorrichtung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Gaszufuhreinrichtung (7) zwischen der Düse und der Hochdruckpumpe (5) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , bei der die Gaszuführeinrichtung eine Wasserstrahlpumpe aufweist.
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