DE102004057658A1 - Work piece e.g. a metal plate, water-jet machining method, involves adding gas to water, and arising increased abrasion during impinging water jet on work piece through gas vesicle - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wasserstrahlbearbeitung von Werkstücken.The The present invention relates to a method and an apparatus for water jet machining of workpieces.
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.Especially under the introduced Concept of "water jet cutting" are methods and devices for machining workpieces with water jets under high pressure generally known. Special They have significance when cutting flat workpieces, for example of plastic or metal sheets. A high pressure generated Water jet hits with a correspondingly high speed on one surface of the workpiece and has a abrasive effect there, so it carries off material. By relative Finely focused water jets can approximate lines through metal sheets be cut and by appropriate guidance of the water jet with little effort and complicated shapes are cut out. The process is considered relatively inexpensive and universal in terms of the materials to be cut, but with regard to on the working speed and the possible material thickness limits.
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.It is also known in water jet cutting the water jet Add solid particles to enhance the abrasive effect. Next to the resulting additional equipment expenditure and material consumption, this approach also in the disposal of the accumulating residues have disadvantages, so too environmental damage and disposal costs. Despite that in many cases improved performance especially the fundamental economic Advantage of the technique of water jet cutting to a part again canceled.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der eine Wasserstrahlbearbeitung in ökonomischer und effektiver Weise ermöglicht wird.Of the The present invention is based on the technical problem Specify a method and a device with which a water jet machining in economic terms and effective way becomes.
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.The The invention is directed to a method for water jet machining a workpiece, directed at the water as a jet of water under pressure on the workpiece and the workpiece characterized abrasively processed, characterized in that the Water is added to a gas and when the water jet hits through to the workpiece gas bubbles a reinforced one Abrasion occurs, as well as to a device for carrying out 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 exit of the water jet from the device.
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.preferred Embodiments of the invention are specified in the dependent claims and are explained below. The individual features of the invention relate both to the process category as well as the device category, without explicitly distinguishing between them in detail.
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.The The basic idea of the invention is to be supplemented by a gas the water used to increase the abrasive effect to create. When hitting the water on the workpiece surface under high velocity gas bubbles due to violent pressure changes an amazingly strong abrasive action, in principle of the cavitation about to turbine blades is known.
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 solcher Weise 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.Around such gas bubbles to produce, the water used can carry dissolved gas, the upon the exit of the water jet from the nozzle and / or upon impact the water jet on the workpiece surface leads to gas bubbles, where you especially in the latter case of a cavitation effect in the narrower Meaning can speak. But even if the gas bubbles at least some are already present in the water jet before this impinges on the workpiece surface, corresponding effects are to be expected. In addition, the gas additive also done in such a way that the gas is not or not completely in dissolved in the water is so entrained in gaseous form with the water jet. Especially can Situations occur in which all three possibilities exist simultaneously, So a part of the gas unresolved is entrained, a portion of the gas as it exits the nozzle from the solution already entering the gas phase and another part of the gas upon impact of the water jet on the workpiece surface in the Gas form passes.
In jedem Fall bietet 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.In any case, the addition of a gas provides an inexpensive, procedurally simple and with regard to the residues particularly unproblematic form of improving 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 already part of the natural At 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.
Vorzugsweise wird das Gas stromabwärts von einer Hochdruckpumpe zugesetzt, mit der der 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.Preferably the gas is going downstream from a high pressure pump added, with the necessary for the water jet Pressure is generated. It is preferably a place with relative low pressure used. For a gas supply upstream of the high-pressure pump would exist possibly the risk of cavitation damage to the pump and would be because the lower pressure smaller amounts of gas solvable. Would you add more gas, so leave a portion of the gas in the gas phase, u would. U. impaired the effect of the pump.
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.Prefers is a gas supply according to the principle of the water jet pump, so at one point with at an opening substantially parallel to the opening surface of passing water. It can on the one hand without significant overpressure of the gas an effective feed guaranteed in the water become. On the other hand, the gas in this form can also be in a high-pressure area supplied to the system be, because the flow a pressure compensation through the opening prevents. Preferably is the gas supplying Cable in the area of the opening inclined in such a way arranged that the gas flow with the water flow forms an acute angle.
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 Abrasionsmittel 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.Although the advantage of the invention may be just to avoid the addition of "solid abrasive" is not excluded, both possibilities to combine, so in addition to the gas additive additionally solid abrasives to use. Preferably, however, in the context of this invention renounced to the already described advantages over the as far as possible known methods with solid abrasives exploit.
Neben dem klassischen Wasserstrahlschneiden, insbesondere von Metallblechen, 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 soll, 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.Next classical water jet cutting, in particular of metal sheets, made of a light metal alloy, come within the scope of the invention also cleaning process into consideration. Therefore, here was the term The water jet processing used, not just on separation processes but should include edits of various shapes should. Among other things can superficial Layers, such as paint residues, with a method according to the invention be removed particularly effectively. In addition to the cutting and the Cleaning are natural also other workpiece machining possible with water jet, such as the profiling or roughening of surfaces and the like.
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.in the The following is an embodiment of the invention described in more detail, wherein the individual features of the embodiment in other Combinations of the invention may be essential.
In
Die
Druckwasserleitung
Das
CO2 löst
sich gut in dem Wasser auf, so dass bei diesem Ausführungsbeispiel
ein reiner Flüssigkeitsstrahl
die Düse
Infolge
des Druckabfalls beim Austreten des Wasserstrahls aus der Düse
Im
Vergleich zu
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.in the In comparison, the left column shows corresponding pictures of top to bottom, but without CO2 additive. It can be seen that in the conventional Procedure top left only one not even half of the Alloy sheet penetrating kerf was achieved, whereas right above a complete severed sheet metal can be seen. Accordingly, the top shows middle Line, left only a slightly widened erosion trail, while the right side with the dark line passing through the water jet on the bottom shows. When trying with conventional waterjet cutting the water jet has penetrated only punctually through the sheet. This is also reflected in the bottom line, the bottom left one on a relatively short track piece limited passage through the sheet shows, whereas lower right a comparatively clean run Dividing line can be seen.
Damit bietet die Erfindung eine Leistungssteigerung des konventionellen Wasserstrahlschneideverfahrens ohne gleichzeitige Entsorgungsprobleme und bei vergleichsweise geringen Mehrkosten.In order to the invention provides an increase in performance of the conventional Water jet cutting process without simultaneous disposal problems and at comparatively low additional costs.
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