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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden wie sie beispielsweise benutzt wird, um Werkstoffe mittels eines Hochdruckfluidstrahls, dem abrasive Partikel beigemischt sind, zu schneiden oder zu entschichten.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Fluidstrahlschneiden mit hohem Druck bekannt, wobei die Vorrichtungen auch zum Entschichten von Werkstücken verwendet werden können. So ist aus der
DE 10 2014 222 299 A1 eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Fluid, vorzugsweise Wasser, mittels einer Hochdruckpumpe verdichtet und einer Düse zugeführt wird, die einen Hochdruckfluidstrahl abgeben kann. Die Düse ist dabei so ausgebildet, dass sie den Hochdruckfluidstrahl periodisch unterbrechen kann, so dass ein pulsierender Hochdruckfluidstrahl entsteht. Die eigentliche Unterbrechung des Hochdruckfluidstrahls geschieht dabei mittels eines beweglichen Steuerkolbens, der servohydraulisch betrieben wird, d.h. über einen wechselnden Druck in einem Steuerraum gesteuert wird. Der Steuerkolben weist zwei Stirnflächen auf, wobei eine Stirnfläche, die den Steuerraum begrenzt, größer als die gegenüberliegende Stirnfläche des Steuerkolbens ausgebildet ist. Wird der Druck in dem Steuerraum, der von der größeren Stirnfläche des Steuerkolbens begrenzt wird, abgesenkt, so bewegt sich der Steuerkolben bedingt durch die hydraulischen Kräfte in denselben hinein und gibt so die Verbindung zwischen einer Verdichtereinheit und der Düse frei, so dass ein Hochdruckfluidstrahl aus der Düse austritt, mit dem das Werkstück zerschnitten oder entschichtet werden kann. Wird der Druck im Steuerraum wieder erhöht, so bewegt sich der Steuerkolben zurück in seine Schließstellung und unterbricht die Zufuhr von verdichtetem Fluid zur Düse, so auch der Hochdruckfluidstrahl unterbrochen wird.
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Es ist auch bekannt, einem solchen Hochdruckfluidstrahl ein abrasives Medium beizumischen, um die Schneidwirkung zu verbessern. Die dem Hochdruckfluid beigemischten Partikel werden mit dem Hochdruckfluidstrahl beschleunigt und treffen zusammen mit diesem auf das zu bearbeitende Werkstück, was die Schneidwirkung bzw. Entschichtungswirkung deutlich verstärkt. Hierzu ist eine Mischeinrichtung erforderlich, mit der die abrasiven Partikel dem Hochdruckfluidstrahl zugeführt werden können. Entscheidend ist dabei, die Menge der Partikel genau zu steuern, damit die Schneid- bzw. Entschichtungswirkung optimiert wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Zuführung der Abrasivmittel mit geringem Aufwand geschieht, so dass die Abrasivmittelzuführung ohne großen technischen Aufwand in die bekannten Apparaturen integriert werden kann. Dazu weist die Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden eine Verdichtereinheit zur Verdichtung eines Fluids auf, das in Form eines Hochdruckfluidstroms einer Düse zuführbar ist, wobei die Düse zur Abgabe eines Hochdruckfluidstrahls ausgebildet ist. Weiter ist eine Unterbrechereinheit vorgesehen, durch die der Fluidstrom zur Düse unterbrochen oder zumindest stark gedrosselt werden kann, wobei die Unterbrechereinheit einen mit Hochdruckfluid befüllbaren Steuerraum umfasst, der über ein Steuerventil mit einem Ablaufraum verbindbar ist. Die über das Steuerventil abgeführte Steuerfluidmenge fließt über eine Zufuhrleitung in eine Mischkammer, wobei ein Abrasivpartikel führender Abrasivkanal in die Zufuhrleitung mündet, so dass sich die mit abrasiven Partikeln angereicherte Steuerfluidmenge mit dem Hochdruckfluidstrahl mischt.
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Die Steuerung der Unterbrechereinheit mittels eines wechselnden Drucks in einem Steuerraum macht es erforderlich, dass ein Teil des im Steuerraum befindlichen Hochdruckfluids abgesteuert wird. Diese Fluidmenge wird in der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung dazu benutzt, die gewünschten Abrasivpartikel in den Hochdruckfluidstrahl einzubringen, indem diese Menge vermischt mit den Partikeln in eine Mischkammer eingebracht wird. Damit lässt sich zum einen die Steuerfluidmenge sinnvoll nutzen, so dass ein Kanal, mit dem diese Steuermenge zurück in den Tank befördert wird, entfallen kann, und zum anderen lassen sich so die Abrasivpartikel gut dosieren und dem Hochdruckfluidstrahl beimischen.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Zuführleitung so ausgebildet, dass sie außermittig zum Hochdruckfluidstrahl in die Mischkammer mündet. Dadurch ergibt sich in der Mischkammer eine Drallströmung, die zu einer besseren Durchmischung der Steuerfluidmenge, die die Abrasivpartikel beinhaltet, mit dem Hochdruckfluidstrahl führt. Dabei ist die Mischkammer der Düse vorzugsweise nachgeordnet, so dass die Abrasivpartikel erst nach der Düse dem Hochdruckstrahl beigemischt werden und die Abrasivpartikel nicht zu einer übergroßen Belastung der Düse und damit zu einer verkürzten Lebensdauer der Düse führt. Dabei werden die Abrasivpartikel bereits im Bereich der Mündung des Abrasivkanals in die Zuführleitung mit der Steuerfluidmenge vermischt, wobei in der Zuführleitung nur ein geringer Druck herrscht, so dass die Abrasivpartikel kaum zu einer mechanischen Beeinträchtigung der Zuführleitung führen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Unterbrechereinheit einen beweglichen Steuerkolben, welcher den mit dem Hochdruckfluid befüllbaren Steuerraum begrenzt, so dass durch den Druck im Steuerraum eine Schließkraft auf den Steuerkolben ausgeübt werden kann. Der bewegliche Steuerkolben gibt so die Verbindung zwischen der Verdichtereinheit und der Düse frei oder unterbricht dies, wobei der Kolben nach dem bekannten servo-hydraulischen Prinzip arbeitet, was eine schnelle Schaltbarkeit und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Unterbrechereinheit eine Düsennadel, die mit einem Düsensitz zum Unterbrechen des Hochdruckfluidstroms zur Düse zusammenwirkt. Dabei begrenzt die Düsennadel mit ihrer dem Düsensitz abgewandten Stirnfläche den Steuerraum, so dass sich die Düsennadel durch den wechselnden Druck im Steuerraum in Längsrichtung bewegt und dadurch den Hochdruckfluidstrom zur Düse unterbricht oder freigibt. Dieses hydraulische Prinzip ist sehr ähnlich zu dem des Steuerkolbens und hat sich beispielsweise bei der Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei Kraftstoffeinspritzventilen bewährt. Das Steuerventil ist dabei vorzugsweise als Magnetventil ausgestaltet, was einerseits eine hohe Zuverlässigkeit und schnelle Schaltbarkeit sicherstellt und andererseits relativ kostengünstig herstellbar ist. Es ist aber auch möglich, statt des Magnetventils ein Piezoventil vorzusehen, bei dem das Schließelement des Steuerventils durch einen Piezoaktor bewegt wird.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dargestellt. So zeigt
- 1 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 3 eine Detailansicht der Mischkammer, in der die abrasiven Partikel dem Hochdruckfluidstrahl beigemischt werden.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum abrasiven Fluidstrahlschneiden schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Verdichtereinheit 1, die einen Fluidtank 2 und eine Hochdruckpumpe 3 umfasst. Durch die Hochdruckpumpe 3 wird das Fluid, das zum Fluidstrahlschneiden verwendet werden soll, verdichtet und über eine Hochdruckleitung 4 einer Unterbrechereinheit 6 zugeführt. Die Unterbrechereinheit 6 umfasst einen in einem Gehäuse 5 ausgebildeten Hohlraum 8, der als gestufte Bohrung ausgebildet ist und in dessen Seitenwand ein Ringraum 11 ausgebildet ist. Vom Ringraum 11 führt ein Hochruckkanal 12 zu einer Düse 25, durch die das verdichtete Fluid ausgedüst wird und in eine Mischkammer 27 gelangt, die in einem Kollimator 31 ausgebildet ist. Schließlich tritt der Hochdruckfluidstrahl 33 aus dem Kollimator 31 aus und trifft auf ein Werkstück 35, das durch den Hochdruckfluidstrahl 33 zerschnitten bzw. entschichtet wird.
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Im Steuerraum 108 ist ein längsbeweglicher Steuerkolben 7 angeordnet, der gestuft ausgebildet ist, so dass seine beiden Stirnseiten einen unterschiedlichen Durchmesser und dementsprechend eine unterschiedliche Fläche aufweisen. Auf der in der 1 linken Stirnseite des Steuerkolbens 7, die eine kleinere Fläche aufweist als die gegenüberliegende Stirnseite, wirkt der Steuerkolben 7 mit einem Dichtsitz 9 zusammen, so dass bei Anlage des Steuerkolbens 7 am Dichtsitz 9 eine Verbindung der Hochdruckleitung 4 zu dem Ringraum 11 unterbrochen wird. Mit seiner in der Zeichnung rechten Stirnseite begrenzt der Steuerkolben 7 den Steuerraum 108, der einen Teil des Hohlraums 8 bildet. Der Steuerraum 108 ist mit der Hochruckleitung 4 über eine im Steuerkolben 7 ausgebildete Längsbohrung 10 hydraulisch verbunden, so dass der Steuerraum 108 eine Verbindung zum Hochdruckkanal 4 aufweist.
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Zur Änderung des Drucks im Steuerraum 108 ist dieser mit einem Ablaufraum 19 verbindbar, in dem ein niedriger Fluiddruck herrscht. Dazu ist eine Ablaufdrossel 21 vorgesehen, die den Steuerraum 108 mit dem Ablaufraum 19 verbindet, wobei die Ablaufdrossel 21 mittels eines Steuerventils 14 verschlossen oder geöffnet werden kann. Das Steuerventil 14 ist als Magnetventil ausgebildet und umfasst einen Magnetanker 15 mit einer Dichtkugel 17, die die Ablaufdrossel 21 bei Anlage auf einem Dichtsitz verschließt. Der Magnetanker 15 kann durch einen Elektromagneten 16 in Längsrichtung weg von der Ablaufdrossel 21 bewegt werden, wobei diese Bewegung entgegen der Kraft einer Ankerfeder 18 geschieht, die unter Druckvorspannung im Ablaufraum 19 angeordnet ist und den Magnetanker 15 und damit auch die Dichtkugel 17 in Richtung der Ablaufdrossel 21 mit einer Kraft beaufschlagt.
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Vom Ablaufraum 19 führt eine Zufuhrleitung 20 zur Mischkammer 27, so dass in den Ablaufraum 19 abgesteuertes Fluid aus dem Steuerraum 108 in die Mischkammer 27 abfließt. In die Zuführleitung 20 mündet ein Abrasivkanal 22, über den abrasive Partikel aus einem Abrasivmittelbehälter 23 in die Zuführleitung 20 eingebracht werden können, so dass diese sich mit der Steuerfluidmenge vermischen und zusammen mit der Steuerfluidmenge in die Mischkammer 27 gelangen. In der Mischkammer 27 vermischt sich der Hochdruckfluidstrahl 33 mit der Steuerfluidmenge, so dass der letztlich aus der Vorrichtung austretende Fluidstrahl 33 hochverdichtetes Fluid zusammen mit abrasiven Partikeln enthält. Dieser Hochdruckfluidstrahl 33 trifft auf ein Werkstück 35, wobei vom Auftreffwinkel und vom Druck abhängt, ob der Hochdruckfluidstrahl 33 das Werkstück 35 zerteilt oder ob der Hochdruckfluidstrahl 33 geeignet ist, das Werkstück zu entschichten, um beispielsweise eine Farbschicht oder eine sonstige Beschichtung vom Werkstück zu entfernen.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung ist wie folgt:
- Durch die Verdichtereinheit 1 steht im Hochdruckkanal 4 Hochdruckfluid unter hohem Druck an. Das Hochdruckfluid ist dabei vorzugsweise gereinigtes Wasser. Ist der Steuerkolben 7 in seiner Schließstellung in Anlage am Dichtsitz 9, so verschließt er den Hochdruckkanal 4 gegenüber dem Ringraum 11, so dass kein Hochdruckfluidstrahl 33 aus der Düse 25 austritt. Über die Längsbohrung 10 herrscht auch im Steuerraum 108 derselbe Hochdruck wie im Hochdruckkanal 4, so dass der Steuerkolben 7 in seiner Anlage am Dichtsitz 9 gehalten wird. Dabei ist der Zwischenraum, der durch den gestuften Steuerkolben 7 gebildet wird, über einen Entlastungskanal 13 mit dem Ablaufraum 19 verbunden, so dass stets ein deutlicher Kraftüberschuss durch den Druck im Steuerraum 108 auf den Steuerkolben 7 verbleibt. Soll ein Hochdruckfluidstrahl erzeugt werden, so wird das Steuerventil 14 betätigt und die Dichtkugel 17 gibt die Ablaufdrossel 21 frei. Dadurch strömt Hochdruckfluid aus dem Steuerraum 108 in den Ablaufraum 19 und verringert so den Druck im Steuerraum 108 und damit auch die hydraulische Kraft auf den Steuerkolben 7. Dieser bewegt sich damit in Richtung des Steuerraums 108 und gibt die Verbindung zwischen dem Hochdruckkanal 4 und dem Ringraum 11 frei. Dadurch strömt Hochdruckfluid über den Hochdruckkanal 12 und tritt aus der Düse 25 aus.
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Das Hochdruckfluid, das in den Ablaufraum 19 abgesteuert wird durch das geöffnete Steuerventil 14, läuft über den Zufuhrkanal 20 in Richtung der Mischkammer 27. Am Zusammenfluss der Zuführleitung 20 mit dem Abrasivkanal 22 vermischt sich das Steuerfluid mit den Partikeln, so dass das Gemisch aus Steuerfluid und abrasiven Partikeln in die Mischkammer 27 gelangt. Dort vermischt sich das Fluid mit den abrasiven Partikeln und dem Hochdruckfluidstrahl 33, so dass der letztlich aus der Vorrichtung austretende Hochdruckfluidstrahl 33 mit abrasiven Partikeln versetzt ist, was die Schneidwirkung auf das Werkstück 35 deutlich erhöht. Dadurch ist es möglich, das Werkstück auch mit einem relativ geringen Druck von beispielsweise 2000 bar (200 MPa) zu schneiden, wobei allgemein durch das pulsierende Hochdruckfluidstrahlschneiden bereits weniger Hochdruckfluid benötigt wird als beim kontinuierlichen Wasserstrahlschneiden. Durch das Schließen des Steuerventils 14 stellen sich die vorherigen Druckverhältnisse am Steuerkolben 7 wieder ein, so dass dieser zurück in seine Schließstellung in Anlage an den Ventilsitz 9 gedrückt wird und die Verbindung zwischen dem Hochdruckkanal 4 und dem Hochdruckkanal 12 wieder unterbricht. Durch Öffnen und Schließen des Steuerventils 14 kann so ein pulsierender Hochdruckfluidstrahl 33 erzeugt werden.
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Die Steuermenge, die notwendigerweise beim Betrieb des servo-hydraulischen Steuerventils 14 abgesteuert wird, kann durch die oben beschriebene Vorrichtung genutzt werden, um die abrasiven Partikel einfach und genau dosiert in den Hochdruckfluidstrahl einzubringen. Damit entfällt auch die Notwendigkeit, die abgesteuerte Fluidmenge beispielsweise über eine weitere Leitung wieder zurück in den Tank zu fördern.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Die Unterbrechereinheit 6 ist hier in Form einer Düse 25 mit darin eingebetteter Düsennadel 28 realisiert. Die Düsennadel 28 ist in einem Druckraum 26 innerhalb der Düse 25 längsverschiebbar angeordnet und übernimmt hier die Funktion der Unterbrechereinheit 6, also die Funktion des Steuerkolbens 7 im Ausführungsbeispiel nach 1. Die Düsennadel 28 wirkt mit einem Düsensitz 29 zusammen, so dass bei Anlage am Düsensitz 29 die Verbindung des Druckraums 26 zur Düsenöffnung 30 unterbrochen wird. Der Druckraum 26 wird dabei durch die Verdichtereinheit 1 mit dem Hochdruckfluid über eine Hochdruckleitung 4 befüllt. Zur Bewegung der Düsennadel 28 in der Düse 25 dient auch hier ein Steuerraum 108, über den ein wechselnder Fluiddruck im Steuerraum 108 einstellbar ist. Der Steuerraum 108 wird hier über einen Abzweig der Hochdruckleitung 4 mit Fluid befüllt und kann über die Ablaufdrossel 21 druckentlastet werden, auch hier gesteuert über ein nur schematisch dargestelltes Steuerventil 14. Auch diese abgesteuerte Fluidmenge wird über eine Zuführleitung 20 in eine Mischkammer 27 geleitet, wobei sie zuvor über eine in die Zuführleitung 20 mündende Abrasivleitung 22 mit den abrasiven Partikeln vermischt wird, wie schon beim Ausführungsbeispiel nach 1. Die Mischkammer 27 ist in einem Kollimator 31 ausgebildet, der einen Teil der Düse 25 aufnimmt. Die Steuerfluidmenge, die über den Zuführkanal 20 in die Mischkammer 27 gelangt, vermischt sich in der Mischkammer 27 mit dem Hochdruckfluidstrahl 33, so dass letztlich auch hier ein mit abrasiven Partikeln vermischter Hochdruckfluidstrahl 33 austritt.
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Zur besseren Durchmischung des Hochdruckfluidstrahls 33 mit den Partikeln zeigt 3 einen Schnitt durch ein Ausführungsbespiel der Mischkammer 27, die sowohl im ersten wie auch im zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein kann. Dabei ist die Mischkammer 27 so gestaltet, dass der Hochdruckfluidstrahl 33 senkrecht zur Zeichnungsebene ist. Der Zuführkanal 20 mündet in die Mischkammer 27 außermittig zum Hochdruckfluidstrahl 33, so dass eine leichte Drallströmung innerhalb der Mischkammer 27 erzeugt wird. Dadurch vermischt sich der Hochdruckfluidstrahl 33 effektiv mit den abrasiven Partikeln. Diese werden zusammen mit dem Hochdruckfluidstrahl 33 aus der Vorrichtung ausgedüst.
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Als Hochdruckfluid dient vorzugsweise Wasser, aber es sind auch andere Flüssigkeiten, die sich entsprechend hochverdichten lassen, grundsätzlich geeignet. Die beigemischten abrasiven Partikel können beispielsweise Siliziumcarbit oder Siliziumoxid sein, über deren Anzahl und Korngröße die Wirkung eingestellt werden kann. Die Drücke, mit denen der Hochdruckfluidstrahl 33 die Vorrichtung verlässt, betragen typischerweise 1500 bis 2000 bar (150 bis 200 MPa), können jedoch auch niedriger sein, was von der Anwendung abhängt. Grundsätzlich ist für eine Entschichtung eines Werkstücks ein niedrigerer Druck ausreichend als für ein Zerschneiden eines Werkstücks.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014222299 A1 [0002]
