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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden, wie es vorzugsweise zum Zerteilen von festen Werkstoffen angewandt wird.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden von festen Werkstoffen seit längerer Zeit bekannt. Hierbei wird vorzugsweise Wasser mit einer Verdichtereinheit auf einen sehr hohen Druck verdichtet, der üblicherweise einige tausend bar beträgt. Die Flüssigkeit strömt anschließend durch eine Düse, tritt durch eine Austrittsöffnung aus und bildet dadurch einen Flüssigkeitsstrahl, der auf den zu zerteilenden Werkstoff gerichtet wird. Auf Grund der hohen Geschwindigkeit und des hohen Impulses des Wassers zertrümmert der Wasserstrahl den Werkstoff im Bereich des Flüssigkeitsstrahls und zerteilt ihn dadurch. Mit diesem Verfahren lassen sich feste Werkstoffe bearbeiten, beispielsweise Metall, Glas, Kunststoff, Holz und ähnliche Werkstoffe. Da die Verdichtung des Wassers viel Energie benötigt und der Flüssigkeitsstrahl bzw. der Wasserstrahl im Dauerstrich betrieben wird, ist diese Werkstoffbearbeitung nur mit einer hohen Leistung möglich, die bei den üblichen bekannten Anlagen einige zehn Kilowatt betragen kann. Entsprechend hoch sind die Betriebskosten einer solchen Anlage.
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Um die Wirkung des Wasserstrahls zu verbessern ist es ebenfalls bekannt, Abrasivstoffe dem Wasserstrahl zuzumischen, die vom Wasser mitgerissen werden und mit hoher Energie auf die Werkstückoberfläche auftreffen und so die Wirkung des Wasserstrahls verbessern. Durch die Zumischung der Abrasivstoffe werden allerdings die Kosten weiter erhöht und das verbrauchte Wasser lässt sich nicht mehr ohne Weiteres in den Kreislauf zurückführen, da die Abrasivstoffe erst in einem aufwendigen Verfahren herausgefiltert werden müssten.
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Aus der
DE 10 2013 201 797 A1 ist eine Vorrichtung zum Flüssigkeitsstrahlschneiden bekannt, die zum Zerteilen des Werkstoffs keinen kontinuierlichen Wasserstrahl verwendet, sondern einen gepulsten Wasserstrahl, bei dem der Flüssigkeitsstrahl in regelmäßigen Abständen unterbrochen wird. Der gepulste Flüssigkeitsstrahl hat insbesondere den Vorteil, dass die Schneideinrichtung mit einem relativ geringen Druck auskommt und vor allem deutlich energieeffizienter ist als die bekannten Dauerstrahlschneidverfahren. Für eine optimale Wirkung des Flüssigkeitsstrahlschneidens sind die Betriebsparameter jedoch von entscheidender Bedeutung.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein effizientes und energiesparendes Schneidverfahren gewährleistet ist, was zusätzlich zu einer verbesserten Schnittkante führt, sodass besonders glatte Schnittkanten erreichbar sind. Dazu weist das Verfahren zum Flüssigkeitsstrahlschneiden eine Verdichtereinheit auf, die eine Flüssigkeit zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls verdichtet und eine Düse, die mit der Verdichtereinheit verbunden ist. Die Düse weist eine Austrittsöffnung auf, durch die die verdichtete Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsstrahls austritt, und mit einer Unterbrechereinheit, die eine Strömung der verdichteten Flüssigkeit zu der Austrittsöffnung unterbrechen oder freigeben kann. Dabei werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Die Flüssigkeit wird durch die Verdichtereinheit verdichtet, die Austrittsöffnung wird an das zu bearbeitende Werkstück bis auf eine Bearbeitungsdistanz herangeführt, der Flüssigkeitsstrahl wird durch die Unterbrechereinheit abwechselnd freigegeben und unterbrochen, wobei gleichzeitig die Düse gegenüber dem Werkstück in einer Bearbeitungsrichtung bewegt wird. Hierbei beträgt der Bearbeitungswinkel zwischen der Werkstückoberfläche und dem Flüssigkeitsstrahl weniger als 90°.
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Durch den kleineren Bearbeitungswinkel im Gegensatz zu dem bekannten rechten Winkel lässt sich die Wirkung der Bearbeitung vor allem bei relativ harten Werkstücken verbessern. Trifft der Flüssigkeitsstrahl in einem kleineren Bearbeitungswinkel auf die Werkstückoberfläche, so bildet sich am Schnittende eine Kante mit einem spitzen Bearbeitungswinkel im Werkstück, an dem der Flüssigkeitsstrahl angreifen kann und so den Werkstoff, insbesondere harte Werkstoffe, besser zertrümmern kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Bearbeitungswinkel mehr als 60°, vorzugsweise 60° bis 80°. Dieser Winkelbereich hat sich insbesondere bei sehr harten Werkstoffen als vorteilhaft erwiesen. Dabei ist es von Vorteil, einen umso kleineren Bearbeitungswinkel zu verwenden, je härter der zu bearbeitende Werkstoff ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Pulsdauer 100 bis 1000 μs, wobei der Flüssigkeitsstrahl durch die Unterbrechereinheit periodisch zur Erzeugung von Flüssigkeitspulsen in vorteilhafter Weise geöffnet und geschlossen wird. Werden die Flüssigkeitspulse periodisch erzeugt, kann mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit das Werkstück in Bearbeitungsrichtung bewegt werden, sodass eine Schnittlinie im Werkstück entsteht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden zwischen 25 und 500 Flüssigkeitspulse pro Sekunde erzeugt, die Flüssigkeitspulse also mit einer Frequenz von 25 bis 500 Hz auf das Werkstück gespritzt. Die Frequenz der Flüssigkeitspulse richtet sich nach der Bearbeitungsgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit, mit der sich die Düse relativ zum Werkstück bewegt und nach der Dicke und den Materialeigenschaften des Werkstücks.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Abstand der Düsenöffnung zur Werkstückoberfläche während der Bearbeitung 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm. Durch diesen Abstand wird eine effiziente Bearbeitung des Werkstücks sichergestellt, ohne dass das zurückspritzende Wasser zu einer Beschädigung der Düse führen könnte.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Düse relativ zum Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 1200 mm/min bewegt, wobei die Vorschubgeschwindigkeit von der Dicke des Werkstücks und den Materialeigenschaften des Werkstücks abhängt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Düse einen Düsenkörper mit einer Längsbohrung auf, wobei die Längsbohrung einen Druckraum bildet, in den die verdichtete Flüssigkeit zugeführt wird. Die Unterbrechereinheit wird durch eine innerhalb des Druckraums längsbeweglich angeordnete Düsennadel gebildet, die durch ihre Längsbewegung die Austrittsöffnung öffnet und schließt. Durch diese beispielsweise aus der Kraftstoffhochdruckeinspritzung bekannte Düse lassen sich präzise Flüssigkeitspulse in der gewünschten Dauer und mit der gewünschten Frequenz erzeugen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahren Folgendes dargestellt:
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In 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahl-Schneidverfahrens, in
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2 eine ebenfalls schematische Darstellung der Düse zum Flüssigkeitsstrahlschneiden und die
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3 zeigt einen vergrößerten, schematischen Querschnitt durch das Werkstück im Bereich, in dem der Flüssigkeitsstrahl das Werkstück zerteilt, und
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4 eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der abgegebenen Flüssigkeitsmenge der Vorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsstrahlschneidverfahrens dargestellt. In einem Tank 1 wird die Flüssigkeit vorgehalten, die zum Flüssigkeitsstrahlschneiden Verwendung findet, beispielswese gereinigtes Wasser, jedoch sind auch andere Flüssigkeiten möglich. Die Flüssigkeit wird aus dem Flüssigkeitstank 1 über eine Leitung 2 einer Verdichtereinheit 3 zugeführt, beispielsweise einer Hochdruckpumpe, wo die Flüssigkeit verdichtet wird und über eine Hochdruckleitung 4 in einen Hochdrucksammelraum 5 eingespeist wird, wo die verdichtete Flüssigkeit vorgehalten wird. Der Hochdrucksammelraum 5 dient dazu, Druckschwankungen auszugleichen, um so das Flüssigkeitsstrahlschneiden mit einem konstant hohen Druck durchführen zu können, ohne dass die Verdichtereinheit 3 in kurzen Zeitabständen nachgeregelt werden muss. Vom Hochdrucksammelraum 5 führt eine Druckleitung 7 zu einer Düse 10, wobei die Düse 10 eine Unterbrechereinheit 8, hier in Form eines 2/2-Wegeventils, und eine Austrittsöffnung 11 aufweist in Form eines verengten Durchgangs für die Flüssigkeit, sodass aus der Austrittsöffnung 11 ein Flüssigkeitsstrahl 14 austritt, der scharf gebündelt ist und während des Betriebs auf ein Werkstück 15 trifft.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird folgendermaßen durchgeführt: In der Düse 10 liegt über die Druckleitung 7 hochverdichtete Flüssigkeit an, wobei die Unterbrechereinheit 8 zu Beginn geschlossen ist. Zur Erzeugung eines gepulsten Flüssigkeitsstrahls 14 wird die Unterbrechereinheit 8 nun in regelmäßigen Abständen geschlossen und geöffnet, sodass durch die Austrittsöffnung 11 ein gepulster Flüssigkeitsstrahl 14 austritt, der auf die Oberfläche des Werkstücks 15 trifft. Beim Auftreffen der Flüssigkeit auf dem Werkstück 15 werden die betroffenen Bereiche zertrümmert und die Bruchstücke über die abfließende Flüssigkeit weggespült. Dadurch wird das Werkstück zerteilt, wobei die Schnittlinie durch eine Bewegung des Werkstücks 15 in einer Bearbeitungsrichtung erzeugt wird, wobei auch vorgesehen sein kann, dass nicht das Werkstück 15, sondern die Düse 10 durch eine geeignete Vorrichtung relativ zum Werkstück 15 bewegt wird.
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2 zeigt dazu eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Düse 10 mit dem zugehörigen Werkstück 15. Die hier gezeigte Düse 10 weist einen Düsenkörper 12 auf, in dem eine Bohrung 13 ausgebildet ist, in dem eine Düsennadel 18 längsverschiebbar angeordnet ist. Zwischen der Wand der Bohrung 13 und der Düsennadel 18 ist ein Druckraum 17 ausgebildet, in den die hochverdichtete Flüssigkeit über die Druckleitung 7 zugeführt wird. Die Düsennadel 18 wirkt mit einem Düsensitz 20 zusammen, sodass bei Anlage der Düsennadel 18 auf dem Düsensitz 20 der Druckraum 17 von der Einspritzöffnung 11 getrennt ist, die als Bohrung im Düsenkörper 10 ausgebildet ist. Hebt die Düsennadel 18 vom Düsensitz 20 ab, so fließt Flüssigkeit aus dem Druckraum 17 durch die Austrittsöffnung 11 und bildet einen Flüssigkeitsstrahl 14, der auf das Werkstück 15 trifft.
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Zum Zerschneiden des Werkstücks wird die Düsennadel 18 periodisch auf und ab bewegt und gibt so den Flüssigkeitsstrahl 14 frei oder unterbricht die Flüssigkeitszufuhr zwischen zwei Einspritzungen. Das Werkstück 15 wird in Bearbeitungsrichtung 22 bewegt, wobei es unerheblich ist, ob das Werkstück oder die Düse bewegt wird oder auch beide gleichzeitig.
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Die Düsenkörper 10 und damit der Flüssigkeitsstrahl 14 sind in einem Bearbeitungswinkel α zur Werkstückoberfläche 115 des Werkstücks 15 geneigt, wobei der Bearbeitungswinkel α weniger als 90° beträgt. Der Bearbeitungswinkel α ist dabei zwischen dem Flüssigkeitsstrahl 14 und der Werkstückoberfläche 115 in Bearbeitungsrichtung 22 definiert. Trifft der Flüssigkeitsstrahl 14 auf die Werkstückoberfläche 115, so zertrümmert der Flüssigkeitsstrahl 14 das Material des Werkstücks 15 in diesem Bereich. Durch die Schrägstellung des Flüssigkeitsstrahls 14 ergibt sich eine Kante 19 am Ende des Schnitts, die einen stumpfen Winkel zwischen der Werkstückoberfläche 115 und dem Schnitt durch den Flüssigkeitsstrahl 14 einschließt, der sich im Idealfall mit dem Bearbeitungswinkel α zu 180° ergänzt, wie dies in 3 vergrößert in einem Längsschnitt durch das Werkstück 15 dargestellt ist. Der Flüssigkeitsstrahl 14 kann durch den spitzen Winkel an der Kante 19 insbesondere bei sehr harten Materialien durch den Flüssigkeitsstrahl 14 leichter zertrümmert und damit leichter und in höherer Qualität zerschnitten werden.
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Je härter ein Werkstoff ist, desto bessere Ergebnisse werden mit kleineren Bearbeitungswinkeln α erzielt. Bei weicheren Werkstoffen kann die Bearbeitung auch mit einem größeren Bearbeitungswinkel durchgeführt werden, so dass der optimale Bearbeitungswinkel je nach Härte des Werkstücks optimiert werden kann.
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In 4 ist der zeitliche Verlauf des Flüssigkeitsstrahls schematisch dargestellt, wobei auf der Ordinate die ausgetretene Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit Q abgetragen ist und auf der Abszisse die Zeit t. Durch das Öffnen und Schließen der Unterbrechereinheit 8 wird aus der Düse 10 periodisch ein Flüssigkeitsstrahl 14 ausgestoßen, wobei die einzelnen Pulse einer Zeit tp aufweisen und einen zeitlichen Abstand zueinander von ta. Die Pulse können, wie hier dargestellt, periodisch aufeinander folgen und alle gleich ausgebildet sein oder es können auch verschiedene Pulse erzeugt werden, die regelmäßig oder in variablen zeitlichen Abständen aufeinander folgen.
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Die Dauer der Flüssigkeitspulse tp beträgt weniger als 1000 μs, vorzugsweise 100 bis 1000 μs, um je nach Werkstoff eine optimale Schnittkante zu erreichen. Besonders gut eignet sich das gepulste Flüssigkeitsstrahlschneiden zum Zerteilen von Glasfaser- oder Kohlefaserplatten (CFK) oder von Metallblechen, beispielsweise Aluminium. Gerade bei der Bearbeitung von CFK-Werkstoffen bietet das gepulste Flüssigkeitsstrahlschneiden einen Vorteil gegenüber dem Dauerstrahl-Flüssigkeitsstrahlschneiden mit deutlich glatteren Schnittkante, d. h. das Ausfransen der Kohlefasern am Rand der Schnittkante wird weitgehend verhindert. Gleichzeitig kann der Energieeinsatz beim Zerteilen einer CFK-Platte bis zu einem Faktor 20 gesenkt werden. Darüber hinaus kommt das gepulste Wasserstrahlschneiden mit einem geringeren Druck aus. Die Flüssigkeit wird innerhalb der Düse 12 mit einem Druck von beispielsweise 2500 bar vorgehalten, was gegenüber den sonst bekannten Dauerstrich-Flüssigkeitsstrahlschneidverfahren, die üblicherweise bei bis zu 6000 bar arbeiten, deutlich reduziert ist mit entsprechend geringerem Energieaufwand.
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Die Bearbeitungsdistanz der Düse 10 zum Werkstück 15, in 1 und 2 mit d bezeichnet, beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 mm, bevorzugt 1 bis 2 mm. Bei dieser Bearbeitungsdistanz d erreicht man eine optimale Wirkung, ohne dass durch zurückspritzende Flüssigkeit mit einer Beschädigung der Düse gerechnet werden muss.
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Das gepulste Flüssigkeitsstrahlschneiden eignet sich bei CFK-Werkstoffen insbesondere für Platten mit einer Dicke a bis zu 2 mm, wobei der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls ca. 150 µm beträgt. Die verwendeten Drücke betragen etwa 2500 bar, wobei auch mit geringerem Flüssigkeitsdruck gearbeitet werden kann. Optimale Bearbeitungswinkel α betragen 60° bis 80°, Taktraten bei einer Pulsfrequenz von mehr als 40 Hz und einer Pulsdauer von 1000 μs oder weniger, wobei die Taktrate auf die Vorschubgeschwindigkeit der Bearbeitung abgestimmt werden muss, d. h. die Taktrate muss umso höher sein, je schneller die Vorschubgeschwindigkeit ist.
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Der Flüssigkeitsstrahl wird zur Erzielung der Flüssigkeitspulse periodisch mittels der Unterbrechereinheit unterbrochen. Im Kontext dieser Erfindung bezeichnet der Begriff "unterbrechen" jedoch nicht notwendigerweise ein völliges Verschließen der Austrittsöffnung an der Düse. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Unterbrechereinheit den Flüssigkeitsstrahl nur sehr stark drosselt, jedoch zwischen den Flüssigkeitspulsen noch etwas Flüssigkeit mit geringem Druck austritt. Die beschriebenen Effekte werden auch dann erreicht, vorausgesetzt, dass die Drosselung ausreichend stark ist. Dabei ist eine Drosselung auf 80 bis 90 % der Flüssigkeitsmenge pro Zeiteinheit Q ausreichend, die ungedrosselt aus der Düse 10 austritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201797 A1 [0004]
