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Die
Erfindung betrifft eine bewegliche Fangeinrichtung (Catcher) und
ein Verfahren zum Auffangen des Schneidstrahls von Wasserstrahlbearbeitungsanlagen,
wie z. B. Wasserstrahlschneidmaschinen, nach einem zu bearbeitenden
Werkstück,
mit einem Energievernichtungsgefäß, das im
Bereich der Austrittsstelle des Schneidstrahls aus dem Werkstück zur Absorption
der Restenergie des Schneidstrahls eine wassergefüllte Absorptionskammer
mit einer Eintrittsöffnung
für den
Schneidstrahl aufweist.
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Wasserstrahlschneidmaschinen
werden beispielsweise zum Schneiden von plattenförmigen Werkstücken aus
den unterschiedlichsten Werkstoffen verwendet. Diese Art des mechanischen
Trennens ermöglicht
eine Bearbeitung des Werkstücks ohne
jegliche Materialdeformation und Gefügeänderung im Randzonenbereich
des Schnitts. Dabei wird das zu bearbeitende Material durch einen
haarfeinen Hochdruckwasserstrahl mit einem Durchmesser von 0,2 bis
1,0 mm getrennt. Es gibt sowohl Schneidmaschinen, die mit reinem
Wasser arbeiten, als auch Anlagen, die mit einem Abrasiv-Wasserstrahl
schneiden. Beim Reinwasserschneiden wird lediglich die Strahlenergie
des Wassers zum Schneiden ausgenutzt, während beim Abrasivschneiden
dem Wasser zur Erhöhung
der Schneidleistung ein scharfkantiges Schneidmittel, Abrasiv genannt,
zugesetzt ist.
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Der
hinter dem Schnitt am Werkstück
austretende, auch nach der geleisteten Schneidarbeit noch relativ
energiereiche Schneidstrahl wird in der Regel aus Sicherheitsgründen abgefangen.
Zum Abfangen des Schneidstrahls ist es bekannt, den aus dem Werkstück austretenden
Wasserstrahl in einen feststehenden oder mobilen, mit Wasser gefüllten Behälter, im
Weiteren als Energievernichtungsgefäß bezeichnet, zu leiten und
durch das darin enthaltene Wasser abzubremsen. Während stationäre Energievernichtungsgefäße flächenüberdeckend
auf der der Schneiddüse
gegenüberliegenden
Seite des zu schneidenden Werkstückes
ortsfest angeordnet sind, bewegen sich mobile Energievernichtungsgefäße zusammen
mit der Schneiddüse
beim Schneiden des Werkstücks.
Wegen der relativ hohen Restenergie des Schneidstrahles muss in
dem Energievernichtungsgefäß ein verhältnismäßig hoher
Wasserstand aufrechterhalten werden, um die im Schneidstrahl enthaltene
Restenergie vollständig
zu vernichten. Daher sind Energievernichtungsgefäße zumindest in der Regel mindestens
0,8 m hoch.
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Zur
Reduzierung der Höhe
des Wasserstandes ist es beispielsweise aus der Patentschrift
DE 42 35 090 C2 bekannt,
in solchen Energievernichtungsgefäßen unterhalb der Oberfläche des
Wassers lose gehaltene Prallkörper
als Strahlabfangkörper
anzuordnen, die vom Schneidstrahl beaufschlagt werden und den Schneidstrahl
brechen. Dabei übernehmen die
Prallkörper
einen Teil der Restenergie des Schneidstrahls als Bewegungsenergie,
d. h. sie erfahren eine Translations- und/oder eine Rotationsbewegung.
Zudem wird ihre Oberfläche
durch den Schneidstrahl abgetragen, weswegen sie als austauschbares
Verschleißteil
vorgesehen sind.
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Die
Strahlabfangkörper
absorbieren einen Großteil
der Restenergie des auftreffenden Schneidstrahls, wobei die absorbierte
Energie in dem Energievernichtungsgefäß nahezu vollständig in
Wärme umgewandelt,
wodurch sich das Energievernichtungsgefäß nach einer gewissen Schneidzeit
im zweistelligen Gradbereich erwärmt.
Um Schneidungenauigkeiten am Werkstück durch temperaturänderungsbedingte
Materialausdehnung des Werkstücks und/oder
des Aufnahmetisches für
das Werkstück vorzubeugen,
hat es sich als sinnvoll erwiesen, das Energievernichtungsgefäß von dem
Auflagetisch und dem Werkstück
zu entkoppeln.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
100 51 942 A1 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Schneiden von Werkstoffplatten mittels eines Hochdruckwasserstrahls,
bei dem im Bereich der Austrittsstelle des Schneidstrahls aus einer
nahezu lotrecht stehenden Werkstoffplatte eine, an einen Wasserkreislauf angeschlossene,
wassergefüllte
Absorptionskammer eines Energievernichtungsgefäßes zur Absorption der Restenergie
des in etwa horizontal aus der Werkstoffplatte austretenden Hochdruckschneidstrahls angeordnet
wird. Durch den Wasserkreislauf, für den eine eigene Wassereintritts-
und Wasseraustrittsöffnung
in der Absorptionskammer vorgesehen ist, wird eine gleichsinnig
zu dem durch eine Eintrittsöffnung in
die Absorptionskammer eintretenden Schneidstrahl gerichtete Wasserströmung erzeugt.
Das Energievernichtungsgefäß und eine
Austrittsdüse
zur Erzeugung des Schneidstrahls sind horizontal angeordnet und
derart miteinander gekoppelt, dass die Absorptionskammer synchron
mit der Austrittsdüse beim
Verfahren der Austrittsdüse
bewegt wird.
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Beim
Wasserstrahlschneiden hat der Hochdruckwasserstrahl einen Druck
von bis zu 6.000 bar und Austrittsgeschwindigkeiten aus der Schneiddüse von bis
zu 1.000 m/s. Bedingt durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des
Wassers entsteht beim Schneiden ein Schalldruck von bis zu 130 dB,
der extrem gehörschädigend und
damit unerwünscht
ist. Als nachteilig wird bei den mit Prallkörpern gefüllten Energievernichtungsgefäßen angesehen,
dass sie die extreme Luftschallemission, die von der Austrittstelle
des Schneidstrahl aus dem Werkstück
ausgeht, nur geringfügig
dämpfen.
Weiterer Nachteil ist der relativ hohe Spritzwasseranteil, den der
Schneidstrahl beim Eintreten in das Energievernichtungsgefäß bewirkt.
Außerdem
erfolgt, als Folge der geringeren Wassermenge in derartigen Catchern,
die Erwärmung
des Energievernichtungsgefäßes wesentlich schneller
und auf höhere
Temperaturen als bei größeren Energievernichtungsgefäßen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine bewegliche Fangeinrichtung zum Auffangen
eines Schneidstrahls vorzuschlagen, bei der die Luftschallemission gegenüber herkömmlichen
Energievernichtungsgefäßen reduziert
ist. Der Erfindung liegt außerdem
die Aufgabe zu Grunde, ein entsprechendes Verfahren zum Auffangen
des Schneidstrahles vorzuschlagen.
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Die
gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Fangeinrichtung
und ein Verfahren zum Auffangen eines Schneidstrahls mit den Merkmalen der
Hauptansprüche
der nebengeordneten Vorrichtungs- und Verfahrensansprüche gelöst. Weitere
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweiligen rückbezogenen
Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
erfindungsgemäße Fangeinrichtung weist
ein beweglich geführtes
Energievernichtungsgefäß mit einer
wassergefüllten
Absorptionskammer zur Absorption der Restenergie des Schneidstrahls auf,
bei der der Eintrittsöffnung
für den
Schneidstrahl in die Absorptionskammer gegenüberliegend in der Absorptionskammer
ortsfest eine gegenüber
dem Schneidstrahl resistente Prallplatte zur Umkehr der Strahlrichtung
des Schneidstrahls angeordnet ist. Die Prallplatte ist in Verlängerung
des Schneidstrahles vorgesehen und erzeugt eine gegensinnig zum Schneidstrahl
gerichtete Wasserströmung
in der Absorptionskammer. Dadurch verlängert sich der „Bremsweg" für den Schneidstrahl
im „Bremswasser" der Absorptionskammer
auf das Doppelte, wodurch bei Reduzierung des Wasserstands in der
Absorptionskammer um die Hälfte
eine im Wesentlichen gleiche Energievernichtung erfolgt. Dementsprechend kann
die Bauhöhe
des Energievernichtungsgefäßes sowie
dessen zu bewegende Masse deutlich reduziert werden. Zudem wird
durch die gegensinnig zum Schneidstrahl gerichtete Wasserströmung des
abgebremsten Schneidwassers der Schneidstrahl in die Absorptionskammer
effektiver abgebremst als bei herkömmlichen Absorptionskammern.
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Die
Absorptionskammer ist prallplattenseitig geschlossen, so dass die
mit dem Schneidstrahl in die Absorptionskammer eintretenden Abrasivstoffe und
Werkstoffpartikel des Werkstückes
sich in der Absorptionskammer auf Grund der Gravitationskraft anstauen.
Durch die Konzentrationserhöhung
der Feststoffanteile in dem „Bremswasser" der Absorptionskammer
wird die Energievernichtung zusätzlich begünstigt.
Zur gerichteten Strahlumkehr des Schneidstrahles kann die vom Schneidstrahl
beaufschlagte Seite der Prallplatte mit Strahllenkungsmitteln versehen
sein, die den Schneidstrahl an der Prallplatte entlang in die gewünschte Richtung,
beispielsweise bogenförmig,
führen.
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Vorteilhafterweise
weist das Energievernichtungsgefäß eine in
einem Kühlwasserkreislauf
liegende Kühlwasserkammer
auf, die die Absorptionskammer umschließt. Damit kann die Temperaturerhöhung der
Absorptionskammer trotz der reduzierten Masse des Energievernichtungsgefäßes sowie
der geringeren Wassermenge in deren Absorptionskammer in Grenzen,
d. h. im Wesentlichen im einstelligen Bereich, gehalten werden.
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Vorzugsweise
weist die Absorptionskammer einen umlaufenden Überlauf zur Kühlwasserkammer hin,
an der dem Werkstück
zugewandten Stirnseite auf. Über
den Überlauf,
der auch düsenartig
ausgebildet sein kann, erfolgt die Ableitung des durch den Schneidstrahl
der Absorptionskammer zugeführten, mit
Werkstoffpartikeln und ggf. Abrasivstoffen befrachteten Schneidwassers.
Durch die gegensinnig zum Schneidstrahl gerichtete Wasserströmung wird die
Absorptionskammer über
ihre gesamte Länge
gespült,
so dass sich keine Ablagerungen in der Absorptionskammer bilden
können.
Das aus der Absorptionskammer in die Kühlwasserkammer eintretende,
verunreinigte Schneidwasser wird mit dem Kühlwasser einem Abscheidebecken
und einem Filtersystem zugeführt,
das die Feststoffanteile von dem Kühlwasser trennt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Absorptionskammer so zum Werkstück angeordnet, dass beim Bearbeiten
des Werkstückes
ein Wasserkontakt zwischen dem Wasser der Absorptionskammer und
dem Werkstück
an der Austrittsstelle des Schneidstrahles aus dem Werkstück gegeben
ist. Durch die gegensinnig in der Absorptionskammer gerichtete Wasserströmung wird
das Wasser der Absorptionskammer gegen die zur Eintrittsöffnung gerichtete
Seite des Werkstückes
gespült
und ein Spalt im Bereich des Überlaufes,
zwischen der Absorptionskammer und der Austrittsseite des Schneidstrahls
aus dem Werkstück
abgedichtet. Abhängig vom
Abstand der Absorptionskammer zu dem Werkstück kontaktiert das Wasser der
Absorptionskammer das Werkstück
nicht nur auf seiner Unterseite, sondern auch im Schnittspalt und
durch den Schnittspalt oberhalb des Schnittspaltes. Das Schneiden am
Schnittspalt erfolgt dabei unter Wasser, was die Schallemission
bedeutend reduziert, d. h. eine lärmarme Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen,
das Energievernichtungsgefäß oder mindestens
die Absorptionskammer in ihrer Entfernung zum Werkstück einstellbar
auszubilden, so dass der Wasserstand im Schnittspalt beeinflussbar
ist.
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Grundsätzlich kann
das Energievernichtungsgefäß und/oder
die Absorptionskammer eine beliebige geometrische Form aufweisen.
Stationäre Energievernichtungsgefäße sind
häufig
entsprechend der Rechteckform des Auflagetisches als quaderförmiges Becken
ausgebildet. Es sind auch mobile Energievernichtungsgefäße bekannt,
die eine längliche
eckige oder eine kubische Form aufweisen. Derartige Ausführungsformen
sind jedoch nur aufwändig
herstellbar und für
eine Wasserströmung strömungstechnisch
unvorteilhaft. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
weist das Energievernichtungsgefäß eine längliche
zylindrische Form auf, wobei die Absorptionskammer und/oder die Kühlwasserkammer
von koaxialen Rohrwänden
begrenzt ist und die Achse des Energievernichtungsgefäßes zumindest
annähernd
mit dem Schneidstrahl zusammenfällt.
Dies ermöglicht
einerseits eine einfache und kostengünstige Herstellung der Fangeinrichtung
sowie andererseits eine vorteilhafte Wasserströmung in dem Absorptions- und
in dem Kühlwassergefäß, so dass
sich dort keine Ablagerungen bilden können.
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Die
zur Umkehr der Strahlrichtung des Schneidstrahls verwendete, gegenüber dem Schneidstrahl
resistente Prallplatte ist als Hochleistungskeramik, insbesondere
aus Siliciumnitrid hergestellt. Als Folge davon ist die Oberseite
der Prallplatte extrem resistent gegen die Beaufschlagung durch den
Schneidstrahl, was eine ortsfeste Befestigung der Prallplatte in
der Absorptionskammer ermöglicht. Die
Prallplatte wird bei der Bearbeitung des Werkstückes nur unwesentlich abgenutzt,
was gegenüber
bekannten Maßnahmen
zu erheblich längeren
Wartungsintervallen bei der Fangeinrichtung führt.
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Das
Energievernichtungsgefäß der erfindungsgemäßen Fangeinrichtung
für den
Schneidstrahl einer Wasserstrahlbearbeitungsanlage ist beweglich
an der Wasserstrahlanlage geführt,
wobei die Position des Schneidstrahls und des Energievernichtungsgefäßes miteinander
gekoppelt sind. Das Energievernichtungsgefäß wird beim Bearbeiten des Werkstückes synchron
mit dem Schneidstrahl bewegt. Damit ist sichergestellt, dass sich
die Absorptionskammer immer gegenüberliegend dem Schneidstrahl
befindet und die Prallplatte in der Absorptionskammer immer in Verlängerung
des Schneidstrahls angeordnet ist.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
die Strahlrichtung des Schneidstrahls mittels einer gegenüber dem
Schneidstrahl resistenten Prallplatte, die einer Eintrittsöffnung der
Absorptionskammer für
den Schneidstrahl gegenüberliegend
in der Absorptionskammer ortsfest angeordnet ist, in der Absorptionskammer
umgekehrt. Durch den von der Prallplatte umgekehrten Schneidstrahl
wird eine gegensinnig zum eintretenden Schneidstrahl gerichtete Wasserströmung in
der Absorptionskammer erzeugt. Mit der zum Werkstück hin gerichteten
Wasserströmung
wird das Schneidwasser des Schneidstrahls in einem Bereich um die
Austrittstelle des Schneidstrahls aus dem Werkstück gegen das Werkstück gespült. Dabei
wird ein Wasserkontakt zwischen dem abgebremsten Schneidwasser der
Absorptionskammer und dem Werkstück
an der Austrittsstelle des Schneidstrahles an dem Werkstück hergestellt,
wobei durch den Wasserkontakt die Entstehung und Ausbreitung von
Schallwellen beim Austreten des Schneidstrahls aus dem Werkstück und/oder
beim Eintreten des Schneidstrahls in die Absorptionskammer reduziert
wird. Das durch den Schneidstrahl der Absorptionskammer zugeführte Schneidwasser
wird an einem umlaufenden Überlauf
der Absorptionskammer über
eine die Absorptionskammer umschließende Kühlwasserkammer einem Kühlwasserkreislauf
zugleitet. Durch die Kühlwasserkammer
wird die Absorptionskammer gekühlt.
Das Energievernichtungsgefäß wird an
der Wasserstrahlbearbeitungsanlage beweglich geführt, wobei die Positionen des Schneidstrahles
und des Energievernichtungsgefäßes miteinander
gekoppelt werden, wodurch das Energievernichtungsgefäß synchron
mit dem Schneidstrahl bewegt wird.
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Zusammenfassend
weist die erfindungsgemäße Fangeinrichtung
gegenüber
bekannten Fangeinrichtungen eine Vielzahl von Vorteilen auf. Dies sind
zum Beispiel:
- • Wegfall des großen Wasserbeckens
- • geringe
Wasserverdunstung im Raum
- • keine
wärmebedingte
Plattenausdehnung
- • geringe
Lärmbelästigung,
da Wasserkontakt am Schneidobjekt durch Quelltopffunktion des Catchers
- • erhöhter Feststoffanteil
in der Catcher-Röhre und
damit höhere
Bremswirkung
- • Gewichtsersparnis
- • Möglichkeit
der externen Kühlung
- • automatischer
Abtransport der Abrasivstoffe und der Werkstoffschneidrückstände
- • keine
Absetzung des Abrasivs im Becken
- • leichteres
Be- und Entladen mit Werkstücken,
da kein Wasserbecken stört
- • geringere
Bauhöhe
der Maschine durch die reduzierte Bauhöhe des Catchers
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung.
Die einzelnen Merkmale können
für sich allein
oder zu mehreren bei unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung
verwirklicht sein. Es zeigen:
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1 ein
Energievernichtungsgefäß mit einer
topfförmigen
Absorptionskammer in schematischer Darstellung; und
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2 ein
Energievernichtungsgefäß mit flaschenartiger
Absorptionskammer in schematischer Darstellung.
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Die 1 und 2 zeigen
eine Fangeinrichtung zum Auffangen des Schneidstrahls 1 einer
in der Zeichnung nicht dargestellten Wasserstrahlbearbeitungsmaschine
nach einem zu bearbeitenden Werkstück 2, mit einem Energievernichtungsgefäß 3, das
im Bereich einer Austrittsstelle 4 aus dem Werkstück 2 unterhalb
des Werkstücks 2 angeordnet
ist. Das Energievernichtungsgefäß 3 weist
eine im Wesentlichen zylindrisch ausgebildete Absorptionskammer 5 auf,
die koaxial von einer Kühlwasserkammer 6 umschlossen
ist. Die Kühlwasserkammer 6 ist
topfförmig
ausgebildet und mit Dichtelementen 7 an ihrer ringförmigen Stirnfläche 8 dichtend
an dem Werkstück 2 in
Anlage.
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Die
Kühlwasserkammer 6 ist
mit Kühlwasser 11 gefüllt. Sie
liegt in einem Kühlwasserkreislauf,
der ein Absetz-/Filterbecken 9 sowie einen luftgekühlten Kühler 10 umfasst.
Zur Kreislaufführung
ist eine Ringleitung 12 vorgesehen, die von einem trichterförmigen Boden 13 der
Kühlwasserkammer 6 ausgeht und
an dem gegenüberliegenden
Ende 14 in die Kühlwasserkammer 6 mündet. Über dem
Werkstück 2 ist
eine Austrittsdüse 14 für den Schneidstrahl 1 angeordnet,
die eine die Austrittdüse 14 übergreifenden Dichtglocke 15 aufweist.
Die Dichtglocke 15 ist topfförmig ausgebildet und zum Werkstück 2 hin
offen. Sie ist mittels Dichtelementen 16 zur Oberseite 17 des
Werkstücks 2 abgedichtet,
so dass an der Oberseite 17 des Werkstücks 2 kaum Spritzwasser
beim Schneiden des Werkstückes 2 austreten
kann.
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Das
Werkstück 2 liegt
dabei auf Auflageflächen 18, 19 einer
Auflagevorrichtung 20 auf, die einen Maschinenrahmen 31 aufweist,
zwischen dem sich die Auflageflächen 18, 19 befinden.
Die Auflageflächen 18, 19 sind
horizontal voneinander beabstandet und bestimmen einen Spalt 21,
an dem die Austrittsdüse 14 für den Schneidstrahl 1 und
das Energievernichtungsgefäß 3 angeordnet
sind, wobei das Energievernichtungsgefäß 3 und die Austrittsdüse 14 miteinander
gekoppelt und beweglich zum Maschinenrahmen 31 geführt sind.
Das Werkstück 2 wird
im Bereich des Spaltes 21 mit dem Schneidstrahl 1 bearbeitet,
wobei die Austrittsdüse 14 und
das Energievernichtungsgefäß 3 in
Verlängerung
zueinander angeordnet sind und sich entlang des Spaltes 21 synchron
bewegen.
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Die
Auflageflächen 18, 19 sind
Teil eines Gliederbandes 22, das über Umlenkrollen 23 geführt ist
und dessen Enden an dem Maschinenrahmen 31 befestigt sind.
Die Umlenkrollen 22 sind mechanisch miteinander verbunden
und können
gemeinsam bezüglich
dem Maschinenrahmen 31 quer zum Spalt 21 hin und
her bewegt werden. Durch die Bewegung verschiebt sich der Spalt 21 in
Bewegungsrichtung der Umlenkrollen 23. Dabei wird das Werkstück 2, das
auf den Auflageflächen 18, 19 des
Gliederbandes 22 aufliegt, in seiner Lage zum Spalt 21 synchron mit
der entsprechenden Bewegung der Austrittsdüse 14 und dem Energievernichtungsgefäß 3 verändert, was
die Bearbeitung des Werkstücks 2 quer
zum Spalt 21 ermöglicht.
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Die
Absorptionskammer 5 zur Vernichtung der Restenergie des
Schneidstrahls 1 ist in 1 topfförmig und
in 2 flaschenförmig
ausgebildet. Eine Eintrittsöffnung 24 für den Schneidstrahl 1,
an dem dem Werkstück 2 zugeordneten
Ende der Absorptionskammer 5, ist nach oben zum Werkstück 2 ausgerichtet.
In Verlängerung
des Schneidstrahls 1 ist an einem Boden 25 der
Absorptionskammer 5 eine für den Schneidstrahl 1 resistente
Prallplatte 26 ortsfest befestigt. Diese kehrt die Strahlrichtung
des Schneidstrahls 1 um 180° um. Damit wird eine in Richtung
zur Eintrittsöffnung 24 und
gegensinnig zum eintretenden Schneidstrahl 1 gerichtete
Wasserströmung
erzeugt, die einen Wasserkontakt des Schneidwassers 27 in
der Absorptionskammer 5 mit einer Unterseite 28 des
Werkstückes 2 bewirkt.
Das überschüssige Schneidwasser 27 wird
an einem Überlauf 29 von
der Absorptionskammer 5 in die Kühlwasserkammer 6 abgeleitet.
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Bei
der flaschenförmigen
Absorptionskammer 5 des Energievernichtungsgefäßes 3 aus 2 ist
die Eintrittsöffnung 24 gegenüber dem
Kammerdurchmesser reduziert. Die Verjüngung 30 am oberen
Ende der Absorptionskammer 5 wirkt als Düse für das in
Richtung der Eintrittsöffnung 24 rückströmende abgebremste
Schneidwasser 27 und erhöht dessen Energie beim Durchtritt
durch die Eintrittsöffnung 24.
Damit wird ein besserer Wasserkontakt zu dem Werkstück 2 hergestellt,
was wiederum eine Verbesserung der Lärmreduktion bewirkt.