DE102017204883A1

DE102017204883A1 - Material processing with an ice blast

Info

Publication number: DE102017204883A1
Application number: DE102017204883.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Voehringer; Frank Zehnder
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Verfahren (100) zum Bearbeiten eines Werkstücks (1), wobei ein flüssiges Bearbeitungsmedium (2, 2a) komprimiert (110) und als Strahl auf das Werkstück (1) geführt (140) wird, so dass beim Auftreffen des Bearbeitungsmediums (2) auf das Werkstück (1) das Material des Werkstücks (1) geschnitten und/oder abgetragen wird (150), wobei das flüssige Bearbeitungsmedium (2, 2a) vor dem Auftreffen auf das Werkstück (1) in Kontakt mit einer Mantelströmung (3a) aus einem Kühlmedium (3) gebracht (120) und hierdurch in den festen Aggregatzustand (2, 2b) überführt (130) wird.Vorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens (100), umfassend einen ersten Kanal (11) für das Bearbeitungsmedium (2) und einen konzentrisch zu dem ersten Kanal (11) angeordneten zweiten Kanal (12) für das Kühlmedium (3), wobei der erste Kanal (11) und der zweite Kanal (12) in einen Abkühlraum (13) münden, wobei der zweite Kanal (12), in Richtung auf den Abkühlraum (13) gesehen, auf den ersten Kanal (11) zuläuft.Method (100) for machining a workpiece (1), wherein a liquid processing medium (2, 2a) is compressed (110) and guided (140) in the form of a jet onto the workpiece (1) so that upon impact of the processing medium (2) the workpiece (1) cuts and / or removes (150) the material of the workpiece (1), the liquid processing medium (2, 2a) being in contact with a sheath flow (3a) before impinging on the workpiece (1) Cooling medium (3) brought (120) and thereby in the solid state (2, 2b) transferred (130) wird.Devorrichtung (10) for performing the method (100), comprising a first channel (11) for the processing medium (2) and a second channel (12) for the cooling medium (3) arranged concentrically with the first channel (11), wherein the first channel (11) and the second channel (12) open into a cooling space (13), the second channel ( 12), seen in the direction of the cooling space (13), on the first channel (11) zul runs.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit einem Eisstrahl als Erosionsmittel.The present invention relates to a method and a device for processing workpieces with an ice jet as erosion agent.

Stand der TechnikState of the art

Ein gängiges Verfahren zum Schneiden von Werkstücken ist das Wasserstrahlschneiden. Dabei wird Wasser unter hohem Druck durch eine Düse auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet. Wasser als Werkzeug hat den Vorteil, dass es nicht verschleißt und nach der Bearbeitung rückstandsfrei entfernbar ist.A common method for cutting workpieces is the water jet cutting. In this case, water is directed under high pressure through a nozzle onto the workpiece to be machined. Water as a tool has the advantage that it does not wear out and can be removed residue-free after processing.

Mit einem Dauerstrich aus reinem Wasser lassen sich nur vergleichsweise weiche Materialien schneiden. Daher ist es gängig, dem Wasser abrasive Partikel zuzusetzen. Der Materialabtrag vom Werkstück wird hierdurch verbessert um den Preis, dass die Partikel nach der Bearbeitung durch Waschen wieder entfernt werden müssen und das Wasser nicht mehr ohne Weiteres im Kreislauf geführt werden kann.With a continuous wave of pure water, only comparatively soft materials can be cut. Therefore, it is common to add abrasive particles to the water. The removal of material from the workpiece is thereby improved at the cost that the particles have to be removed again after washing by washing and the water can no longer be easily recirculated.

Die DE 10 2014 225 247 A1 offenbart, dass sich der Materialabtrag auch ohne Verwendung abrasiver Partikel durch eine spezielle gepulste Betriebsweise verbessern lässt. Diese Betriebsweise verbessert zugleich die Schnittkanten und vermindert den erforderlichen Wasserdruck.The DE 10 2014 225 247 A1 discloses that material removal can be improved even without the use of abrasive particles by a special pulsed mode of operation. This operation also improves the cutting edges and reduces the required water pressure.

Aus der EP 2 583 790 B1 ist bekannt, Kohlendioxid als Bearbeitungsmedium zu verwenden und im flüssigen Zustand aus einer Düse zu expandieren. Durch die Expansion gefriert das Kohlendioxid zu harten Partikeln, die Schmutz von einer Werkstückoberfläche abtragen und zugleich nach Gebrauch rückstandsfrei sublimieren.From the EP 2 583 790 B1 It is known to use carbon dioxide as a processing medium and to expand in the liquid state from a nozzle. As a result of the expansion, the carbon dioxide freezes to hard particles, which remove dirt from a workpiece surface and, at the same time, sublime residue-free after use.

In einem DFG-Projekt (http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/39133799/ergebnisse) wurde versucht, auf die gleiche Weise Wasser als Bearbeitungsmedium beim Austritt aus einer Düse zu gefrieren.In a DFG project (http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/39133799/ergebnisse) an attempt was made to freeze water as a processing medium as it exits a nozzle in the same way.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks entwickelt. Bei diesem Verfahren wird ein flüssiges Bearbeitungsmedium komprimiert und als Strahl auf das Werkstück geführt, so dass beim Auftreffen des Bearbeitungsmediums auf das Werkstück das Material des Werkstücks geschnitten und/oder abgetragen wird.In the context of the invention, a method for processing a workpiece has been developed. In this method, a liquid processing medium is compressed and guided as a jet onto the workpiece, so that when the machining medium impinges on the workpiece, the material of the workpiece is cut and / or removed.

Erfindungsgemäß wird das flüssige Bearbeitungsmedium vor dem Auftreffen auf das Werkstück in Kontakt mit einer Mantelströmung aus einem Kühlmedium gebracht und hierdurch zumindest teilweise in den festen Aggregatzustand überführt.According to the invention, the liquid processing medium is brought into contact with a sheath flow from a cooling medium prior to hitting the workpiece and thereby at least partially transferred to the solid state of matter.

Es wurde erkannt, dass auf diese Weise der Wärmekontakt zwischen dem Bearbeitungsmedium und dem Kühlmedium deutlich verbessert wird. Die Mantelströmung des Kühlmediums bildet gleichsam einen „wandlosen Wärmetauscher“ für das Bearbeitungsmedium. Damit kann deutlich mehr Wärme in das Kühlmedium überführt werden. Damit kann beispielsweise die erhebliche latente Wärme von Wasser abgeführt werden, die für den Phasenübergang von flüssig zu fest bei 333 kJ/kg liegt. Dies entspricht der Energiemenge, die erforderlich ist, um flüssiges Wasser von 80 °C auf 0 °C abzukühlen.It was recognized that in this way the thermal contact between the processing medium and the cooling medium is significantly improved. The sheath flow of the cooling medium forms as it were a "wallless heat exchanger" for the processing medium. This significantly more heat can be transferred into the cooling medium. Thus, for example, the significant latent heat dissipated by water, which is for the phase transition from liquid to solid at 333 kJ / kg. This corresponds to the amount of energy required to cool liquid water from 80 ° C to 0 ° C.

Somit wird es erstmals möglich, Wasser als Bearbeitungsmedium zunächst in flüssiger Form zuzuführen, jedoch vor dem Auftreffen auf das Werkstücks in Eis zu überführen. Das Wassereis ist auf Grund seiner höheren Kompaktheit und seiner Blockform deutlich abrasiver als Partikel aus gefrorenem Kohlendioxid. Es kann also nicht nur Schmutz von der Werkstückoberfläche abgetragen, sondern das Vollmaterial des Werkstücks zerspant werden.Thus, it becomes possible for the first time to first supply water as a processing medium in liquid form, but to convert it to ice before striking the workpiece. The water ice is significantly more abrasive than frozen carbon dioxide particles due to its higher compactness and block shape. So it can not only remove dirt from the workpiece surface, but the solid material of the workpiece to be machined.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bewegen sich im Moment des Kontakts zwischen dem Kühlmedium und dem Bearbeitungsmedium beide Medien parallel, wobei die Geschwindigkeiten beider Medien gleich sind oder wobei das langsamere Medium um höchstens 5 % langsamer ist als das schnellere Medium. Die Relativgeschwindigkeit beider Medien gegeneinander ist also sehr gering. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass an der Grenzfläche zwischen den Strömungen beider Medien keine Scherkräfte auftreten. Insbesondere zerfällt die Strömung des Bearbeitungsmediums nicht in einzelne Tropfen, sondern bleibt als zusammenhängender Strahl erhalten.In a particularly advantageous embodiment of the invention move both media in parallel at the moment of contact between the cooling medium and the processing medium, the velocities of both media are the same or wherein the slower medium is at most 5% slower than the faster medium. The relative speed of both media against each other is therefore very low. In this way it is ensured that no shear forces occur at the interface between the flows of both media. In particular, the flow of the processing medium does not disintegrate into individual drops, but remains as a coherent jet.

Dies wiederum hat zwei Vorteile. Zum einen kann der zusammenhängende Strahl des Bearbeitungsmediums in kontrollierter Weise durch ein Gefäß, in dem er mit dem Kühlmedium in Kontakt gebracht wird, hindurch in Richtung auf das Werkstück geführt werden. Würde der Strahl innerhalb des Gefäßes in einzelne Tropfen zerfallen, könnten die daraus entstehenden Eispartikel das Gefäß in kurzer Zeit verstopfen. Zum anderen weitet sich der Strahl, wenn er erst einmal verfestigt ist, auf dem weiteren Weg zum Werkstück nicht mehr auf. Das Werkstück kann also mit wesentlich besserer Auflösung bearbeitet werden als mit einer Strahlung aus einzelnen Partikeln, die sich mit zunehmender Entfernung zwischen einer Austrittsdüse und dem Werkstück im Wesentlichen kegelförmig aufweitet.This in turn has two advantages. On the one hand, the coherent jet of the processing medium can be guided in a controlled manner through a vessel in which it is brought into contact with the cooling medium in the direction of the workpiece. If the jet would disintegrate into individual drops within the vessel, the resulting ice particles could clog the vessel in a short time. On the other hand, once the beam has solidified, it does not expand on the way to the workpiece. The workpiece can thus be processed with significantly better resolution than with radiation from individual particles, which widens substantially conically with increasing distance between an outlet nozzle and the workpiece.

Weiterhin hat die ausbleibende Zerstäubung des Bearbeitungsmediums zur Folge, dass das Bearbeitungsmedium isentrop abgekühlt wird. Bei der Zerstäubung würde dem Bearbeitungsmedium hingegen isenthalp Energie zugeführt.Furthermore, the absence of atomization of the processing medium has the consequence that the Processing medium is cooled isentropically. In the atomization, however, energy would be supplied to the processing medium isenthalp.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stehen im Moment des Kontakts zwischen dem Kühlmedium und dem Bearbeitungsmedium beide Medien unter Drücken p₂, p₃, die sich um höchstens 5 % voneinander unterscheiden. Auch diese Maßnahme vermeidet Scherkräfte an der Grenzfläche zwischen beiden Medien. Der Strahl des Bearbeitungsmediums bleibt in der Mantelströmung des Kühlmediums eingeschlossen.In a further particularly advantageous embodiment of the invention are at the moment of contact between the cooling medium and the processing medium both media under pressures p ₂ , p ₃ , which differ by more than 5% from each other. This measure also avoids shear forces at the interface between the two media. The jet of the processing medium remains trapped in the sheath flow of the cooling medium.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Strömung des Kühlmediums, deren Querschnitt die Form eines Rings hat, durch Verminderung des Innendurchmessers des Rings in Kontakt mit dem Bearbeitungsmedium gebracht. Auf diese Weise können beide Strömungen wiederum so miteinander in Kontakt gebracht werden, dass beide Strömungen laminar bleiben und Scherkräfte an der Kontaktfläche minimiert werden.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, a flow of the cooling medium, whose cross section has the shape of a ring, brought by reducing the inner diameter of the ring in contact with the processing medium. In this way, both flows can in turn be brought into contact with each other such that both flows remain laminar and shear forces at the contact surface are minimized.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlmedium vor dem Auftreffen auf das Werkstück vom verfestigten Bearbeitungsmedium abgetrennt. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch des Verfahrens vermindert werden. Das Kühlmedium wird in der Regel sehr weit unter die Umgebungstemperatur abgekühlt und geht beim Abkühlen des Bearbeitungsmediums nur einen Bruchteil des Weges zurück in Richtung der Umgebungstemperatur. Der weitaus größte Teil der in die Abkühlung des Kühlmediums investierten Energie ist also noch vorhanden und kann genutzt werden, indem das Kühlmedium in einem Kreislauf zurückgeführt wird. Jedoch sind auch Anwendungen denkbar, in denen das oberste Ziel eine möglichst präzise Bearbeitung des Werkstücks ist, während es auf den Energieverbrauch des Verfahrens nicht ankommt.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the cooling medium is separated from the solidified processing medium before hitting the workpiece. In this way, the energy consumption of the process can be reduced. The cooling medium is usually cooled very far below the ambient temperature and is only a fraction of the way back on the cooling of the processing medium in the direction of the ambient temperature. By far the greater part of the energy invested in the cooling of the cooling medium is still present and can be used by recycling the cooling medium in a cycle. However, applications are conceivable in which the ultimate goal is the most accurate machining of the workpiece, while it does not depend on the energy consumption of the process.

Das Kühlmedium kann insbesondere ein verflüssigtes Gas mit einem Siedepunkt unterhalb von 220 K sein, also ein kryogenes Gas. Hier kommen insbesondere Argon, Helium, Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserstoff in Betracht. Wenn das Kühlmedium sich im flüssigen Zustand befindet, ist zum einen seine Dichte, und somit seine Wärmekapazität, erhöht. Zum anderen ist dann besonders zweckmäßig einstellbar, dass das Kühlmedium das Bearbeitungsmedium im Wesentlichen ohne Relativgeschwindigkeit begleitet.The cooling medium may in particular be a liquefied gas having a boiling point below 220 K, ie a cryogenic gas. In particular, argon, helium, carbon dioxide, nitrogen and hydrogen come into consideration. When the cooling medium is in the liquid state, on the one hand its density, and thus its heat capacity, is increased. On the other hand, it is then particularly expediently adjustable that the cooling medium accompanies the processing medium essentially without a relative speed.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Bearbeitungsmedium in einer schraubenförmigen Bewegung in Richtung auf das Werkstück geführt. Ein solcher Drall stabilisiert die Flugbahn des Bearbeitungsmediums. Zur Vermeidung von Scherkräften wird der gleiche Drall idealerweise auch dem Kühlmedium aufgeprägt.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the machining medium is guided in a helical movement in the direction of the workpiece. Such a spin stabilizes the trajectory of the processing medium. To avoid shear forces, the same twist is ideally also applied to the cooling medium.

Im Rahmen der Erfindung wurde auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entwickelt. Diese Vorrichtung umfasst einen ersten Kanal für das Bearbeitungsmedium und einen konzentrisch zu dem ersten Kanal angeordneten zweiten Kanal für das Kühlmedium.In the context of the invention, an apparatus for carrying out the method has also been developed. This device comprises a first channel for the processing medium and a second channel for the cooling medium arranged concentrically with the first channel.

Erfindungsgemäß münden der erste Kanal und der zweite Kanal in einen Abkühlraum, und der zweite Kanal läuft, in Richtung auf den Abkühlraum gesehen, auf den ersten Kanal zu.According to the invention, the first channel and the second channel lead into a cooling space, and the second channel, viewed in the direction of the cooling space, flows toward the first channel.

Es wurde erkannt, dass eine derartige Vorrichtung in der Lage ist, eine Strömung des Bearbeitungsmediums konzentrisch innerhalb einer Strömung des Kühlmediums zu führen. Es wird also im Abkühlraum eine Wand für die Medientrennung zwischen dem Bearbeitungsmedium und dem Kühlmedium eingespart. Eine solche Wand würde aus Sicht des Bearbeitungsmediums eine Kapillare darstellen und beim Verfestigen des Bearbeitungsmediums schnell verstopfen.It has been recognized that such a device is capable of concentrically guiding a flow of the processing medium within a flow of the cooling medium. Thus, a wall for the media separation between the processing medium and the cooling medium is saved in the cooling space. Such a wall would constitute a capillary from the viewpoint of the processing medium and quickly clog when solidifying the processing medium.

In dem Bereich, in dem der erste Kanal für das Bearbeitungsmedium noch vom zweiten Kanal für das Kühlmedium getrennt ist, kann diese Trennung vorteilhaft aus einem wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise einem Metall, und hier insbesondere aus Kupfer, bestehen. Dann kann bereits in diesem Bereich das Bearbeitungsmedium in einem gewissen Maße vorgekühlt werden, so dass es noch nicht gefriert. Der im direkten Kontakt zwischen dem Bearbeitungsmedium und dem Kühlmedium noch zu überwindende Temperaturunterschied ist dann entsprechend geringer, so dass wiederum das Auftreten von Scherkräften an der Grenzfläche zwischen beiden Medien verringert wird.In the region in which the first channel for the processing medium is still separated from the second channel for the cooling medium, this separation may advantageously consist of a thermally conductive material, such as a metal, and in particular copper. Then already in this area, the processing medium can be pre-cooled to a certain extent, so that it does not freeze. The temperature difference still to be overcome in direct contact between the processing medium and the cooling medium is then correspondingly lower, so that in turn the occurrence of shear forces at the interface between the two media is reduced.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abkühlraum von einem Separator begrenzt, der einen Durchlass für das verfestigte Bearbeitungsmedium in Richtung auf das Werkstück und einen von dem Durchlass weggeführten Auslass für das Kühlmedium bildet. Die Nutzung eines solchen Separators wird dadurch ermöglicht, dass das verfestigte Bearbeitungsmedium sich innerhalb des Abkühlraums als geschlossener Strahl bewegt und nicht etwa zerstäubt wird: Durch den Durchlass des Separators tritt das verfestigte Bearbeitungsmedium gleichsam als endloser Faden hindurch. Der vordere Teil dieses Fadens bricht jeweils beim Kontakt mit dem Werkstück ab; dafür wird der hintere Teil des Fadens ab dem Beginn des Abkühlraums fortwährend ergänzt.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the cooling space is delimited by a separator which forms a passage for the solidified processing medium in the direction of the workpiece and an outlet for the cooling medium led away from the passage. The use of such a separator is made possible in that the solidified processing medium moves within the cooling space as a closed jet and is not atomized: Through the passage of the separator, the solidified processing medium passes through it as an endless thread. The front part of this thread breaks off on contact with the workpiece; instead, the back part of the thread is continually being added from the beginning of the cooling room.

Die mit dem Verfahren, bzw. mit der Vorrichtung, möglichen Materialbearbeitungen sind vielseitiger als beim bisherigen Wasserstrahlschneiden. Da sich der verfestigte Strahl des Bearbeitungsmediums nicht aufweitet, kann er beispielsweise zum präzisen Bohren kleiner Löcher genutzt werden, wie sie etwa für die Kühlung von Turbinenschaufeln benötigt werden. Dabei wird das Material des Werkstücks nicht wärmebelastet, sondern im Gegenteil sogar gekühlt. Da keine abrasiven Partikel erforderlich sind, ist auch ein Einsatz in der Medizintechnik sinnvoll. Beispielsweise kann das Schneiden mit einem Strahl aus Wassereis als alternative Operationsmethode eingesetzt werden. Ohne Skalpell können extrem präzise Schnitte vorgenommen werden, wobei etwa im Bauchraum lediglich keimfreies Wasser zurückbleibt, das vom Organismus vollständig resorbiert wird. Durch die niedrige Temperatur ist weiterhin gewährleistet, dass das Gewebe, anders als beim Laserstrahlschneiden, nicht durch Erwärmung verödet wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Eisstrahl von einem Polster der gasförmigen Phase des Kühlmediums umgeben ist, wenn er auf das Gewebe auftrifft. Ein anschließender Heilungsprozess wird also erheblich begünstigt. So müssen beispielsweise die beiden Teile einer gefrorenen Schnittwunde nicht genäht, sondern lediglich geklammert werden, bevor die Durchblutung wieder einsetzt. Die Narbenbildung wird dadurch minimiert. The with the method, or with the device, possible material processing are more versatile than in previous water jet cutting. As the solidified jet of the processing medium does not expand, it can be used, for example, for the precise drilling of small holes, such as those required for the cooling of turbine blades. The material of the workpiece is not heat-stressed, but on the contrary even cooled. Since no abrasive particles are required, a use in medical technology is useful. For example, cutting with a jet of water ice can be used as an alternative method of operation. Without a scalpel, extremely precise cuts can be made, leaving behind in the abdominal cavity, for example, only germ-free water that is completely absorbed by the organism. The low temperature also ensures that the tissue, unlike laser cutting, is not desolated by heating. This is especially true when the ice is surrounded by a cushion of the gaseous phase of the cooling medium when it strikes the tissue. A subsequent healing process is therefore significantly favored. For example, the two parts of a frozen cut do not have to be sutured, but merely stapled before the circulation starts again. Scarring is thereby minimized.

Im Rahmen der Erfindung wurde auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Bearbeitungsverfahrens gemäß der Erfindung entwickelt. Diese Vorrichtung umfasst einen ersten Kanal für das Bearbeitungsmedium und einen konzentrisch zu dem ersten Kanal angeordneten zweiten Kanal für das Kühlmedium.Within the scope of the invention, an apparatus for carrying out the machining method according to the invention has also been developed. This device comprises a first channel for the processing medium and a second channel for the cooling medium arranged concentrically with the first channel.

Erfindungsgemäß münden der erste Kanal und der zweite Kanal in einen Abkühlraum, wobei der zweite Kanal, in Richtung auf den Abkühlraum gesehen, auf den ersten Kanal zuläuft.According to the invention, the first channel and the second channel open into a cooling space, wherein the second channel, viewed in the direction of the cooling space, tapers towards the first channel.

Es wurde erkannt, dass mit einer derartigen Vorrichtung das Kühlmedium in einer Weise mit dem Bearbeitungsmedium in Kontakt gebracht werden kann, dass das Bearbeitungsmedium sich nach dem Eintritt in den Abkühlraum in gerader Linie weiterbewegt und vom Kühlmedium auch nicht in einzelne Tropfen aufgespalten wird. Zugleich umgrenzt in dem Abkühlraum das Kühlmedium das Bearbeitungsmedium dergestalt, dass sich die Strömung aus dem Bearbeitungsmedium nicht zu einem Freistrahl aufweitet und somit auch nicht mit der Wand des Abkühlraums in Kontakt kommt. Das Bearbeitungsmedium kann also, während es verfestigt wird, von dem Kühlmedium durch den Abkühlraum geführt werden.It has been recognized that with such a device, the cooling medium can be brought into contact with the processing medium in such a way that the processing medium moves in a straight line after entering the cooling space and is not split by the cooling medium into individual drops. At the same time, the coolant circumscribes the processing medium in such a way that the flow from the processing medium does not expand to a free jet and thus does not come into contact with the wall of the cooling space. The processing medium can thus, while it is solidified, are guided by the cooling medium through the cooling space.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung läuft der zweite Kanal unter Beibehaltung seines Strömungswiderstandes auf den ersten Kanal zu. Dies erleichtert es, das Kühlmedium in einer laminaren Strömung mit dem Bearbeitungsmedium zusammenzuführen, die keine Scherkräfte in die Grenzfläche zum Bearbeitungsmedium einbringt.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the second channel runs while maintaining its flow resistance to the first channel. This makes it easier to merge the cooling medium in a laminar flow with the processing medium, which introduces no shear forces in the interface with the processing medium.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abkühlraum von einem Separator begrenzt, der einen Durchlass für das verfestigte Bearbeitungsmedium in Richtung auf das Werkstück und einen von dem Durchlass weggeführten Auslass für das Kühlmedium aufweist. Dann lässt sich zumindest ein Teil des Kühlmediums in einem Kreislauf zurückführen und die für seine Abkühlung verwendete Energie weiternutzen. Da das Bearbeitungsmedium nicht zur Aufspaltung in einzelne Tropfen angeregt wird, ist das Kühlmedium nicht mit festen Partikeln aus dem Bearbeitungsmedium durchsetzt.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the cooling space is delimited by a separator which has a passage for the solidified processing medium in the direction of the workpiece and an outlet for the cooling medium led away from the passage. Then at least a part of the cooling medium can be recycled in a cycle and continue to use the energy used for its cooling. Since the processing medium is not stimulated to split into individual drops, the cooling medium is not interspersed with solid particles from the processing medium.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Innenwand des ersten Kanals, und/oder die Innenwand des zweiten Kanals, eine Mehrzahl helixförmiger Nuten auf. Auf diese Weise kann die Strömung des Bearbeitungsmediums, und/oder die Strömung des Kühlmediums, in einen Drall versetzt werden. Ein Drall stabilisiert insbesondere die geradlinige Fortbewegung des Bearbeitungsmediums auf dem Weg durch den Abkühlraum sowie weiter in Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks. Besonders vorteilhaft weisen sowohl die Innenwand des ersten Kanals als auch die Innenwand des zweiten Kanals die helixförmigen Nuten auf, und diese Nuten sind so aufeinander abgestimmt, dass die Strömung des Bearbeitungsmediums und die Strömung des Kühlmediums jeweils in einen Drall mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit versetzt werden. Dann wird der Drall nicht mit Scherkräften an der Grenzfläche zwischen dem Bearbeitungsmedium und dem Kühlmedium erkauft.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the inner wall of the first channel, and / or the inner wall of the second channel, a plurality of helical grooves. In this way, the flow of the processing medium, and / or the flow of the cooling medium can be set in a twist. In particular, a twist stabilizes the straightforward movement of the machining medium on the way through the cooling space and further in the direction of the workpiece to be machined. Particularly advantageously, both the inner wall of the first channel and the inner wall of the second channel on the helical grooves, and these grooves are coordinated so that the flow of the processing medium and the flow of the cooling medium are each offset in a twist at the same angular velocity. Then, the twist is not bought with shear forces at the interface between the processing medium and the cooling medium.

Die wichtigsten Auslegungsgrößen der Vorrichtung sind der Durchmesser des ersten Kanals für das Bearbeitungsmedium und die Länge des Abkühlraums entlang der Bewegungsrichtung des Bearbeitungsmediums. Damit das verfestigte Bearbeitungsmedium einen für die Materialbearbeitung hinreichenden Impuls auf das Material des Werkstücks übertragen kann, muss es die Vorrichtung mit einer bestimmten Geschwindigkeit verlassen. Diese Geschwindigkeit liegt für Wasser als Bearbeitungsmedium und Stahl als Material des Werkstücks bei etwa 150-220 m/s, was beispielsweise mit einem Vorlaufdruck von 500 bar erreicht wird. Diese Geschwindigkeit begrenzt in Verbindung mit der Länge des Abkühlraums die Zeit, die im Abkühlraum für die Verfestigung des Bearbeitungsmediums zur Verfügung steht. Der pro Zeiteinheit mögliche Wärmeübertrag vom Bearbeitungsmedium auf das Kühlmedium im Abkühlraum ist eine feste Größe. Der in der Zeit im Abkühlraum insgesamt benötigte Wärmeübertrag wiederum hängt von der Menge des abzukühlenden Bearbeitungsmediums, und somit vom Durchmesser des ersten Kanals für das Bearbeitungsmedium, ab. Ein größerer Durchmesser dieses ersten Kanals erfordert somit einen längeren Abkühlraum. Dabei skaliert die dem Strahl des Bearbeitungsmediums pro Zeiteinheit entziehbare Wärmemenge mit dem Umfang des Strahls, der wiederum proportional zu dessen Durchmesser d ist. Gleichzeitig skaliert der Wärmegehalt dieses Strahls mit der Querschnittsfläche, also mit d². Damit skaliert die Länge des Abkühlraums linear mit dem Strahldurchmesser d. Gleichfalls steigt sie linear mit der Strahlgeschwindigkeit bzw. mit der Quadratwurzel des angelegten Drucks.The most important design variables of the device are the diameter of the first channel for the processing medium and the length of the cooling space along the direction of movement of the processing medium. In order for the solidified machining medium to transfer sufficient momentum for material processing to the material of the workpiece, it must leave the device at a certain speed. This speed is for water as a processing medium and steel as the material of the workpiece at about 150-220 m / s, which is achieved for example with a flow pressure of 500 bar. This speed, in conjunction with the length of the cooling space, limits the time available in the cooling space for solidification of the processing medium. The per unit time possible heat transfer from the processing medium to the cooling medium in the cooling space is a fixed size. The one in time In turn, total heat transfer required in the cooling space depends on the quantity of the processing medium to be cooled, and thus on the diameter of the first channel for the processing medium. A larger diameter of this first channel thus requires a longer cooling space. In this case, the quantity of heat which can be withdrawn from the beam of the processing medium per unit of time scales with the circumference of the beam, which in turn is proportional to its diameter d. At the same time, the heat content of this jet scales with the cross-sectional area, ie with d ² . Thus, the length of the cooling space scales linearly with the beam diameter d. Likewise, it increases linearly with the jet velocity or with the square root of the applied pressure.

Wird beispielsweise Wasser mit einer Vorlauftemperatur um 250 K und einem Druck von 2000 bar, der zu einer Geschwindigkeit von 440 m/s führt, aus einem ersten Kanal mit einem Durchmesser von 100 µm in den Abkühlraum geführt und mit flüssigem Stickstoff mit einer Temperatur von 77 K zusammengebracht, wird ein Abkühlraum mit einer Länge von etwa 200 cm benötigt.For example, water with a flow temperature of 250 K and a pressure of 2000 bar, which leads to a speed of 440 m / s out of a first channel with a diameter of 100 microns in the cooling room and with liquid nitrogen at a temperature of 77 K brought together, a cooling room is required with a length of about 200 cm.

Das Bearbeitungsmedium und das Kühlmedium können mit beliebigen Pumpen unter einen Hochdruck von beispielsweise 1000 bar gesetzt und den jeweiligen Kanälen zugeführt werden. Hierfür kann beispielsweise eine kombinierte und somit kompakte Zwei-Stempel-Pumpe für beide Medien vorgesehen sein. Abhängig davon, welche Medien im Einzelnen verwendet werden, kann es aber auch vorteilhaft sein, beide Medien mit separaten Pumpen zu fördern. So sollte beispielsweise bei einer Pumpe für Wasser als Bearbeitungsmedium der Antrieb, und insbesondere dessen Schmierung, hermetisch vom Elementraum getrennt sein, um die Dauerhaltbarkeit der Pumpe zu verbessern. Bei einer Pumpe für ein tiefkaltes verflüssigtes Gas kommt es hingegen hauptsächlich darauf an, dass der Elementraum thermisch gegen die Umgebung isoliert ist.The processing medium and the cooling medium can be set with any pump under a high pressure of, for example, 1000 bar and fed to the respective channels. For this purpose, for example, a combined and thus compact two-piston pump can be provided for both media. Depending on which media is used in detail, it may also be advantageous to promote both media with separate pumps. Thus, for example, in a pump for water as the processing medium of the drive, and in particular its lubrication, be hermetically separated from the element space to improve the durability of the pump. In contrast, a pump for a cryogenic liquefied gas mainly depends on the element space being thermally insulated from the environment.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.

Figurenlistelist of figures

Es zeigt:

1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens 100;
2 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10;
3 Helixförmige Nuten 11a, 11b; 12a, 12b zur Drallerzeugung.

It shows:

1 Schematic representation of an embodiment of the method 100;
2 Schematic representation of an embodiment of the device 10;
3 Helical grooves 11a, 11b; 12a, 12b for swirl generation.

Nach 1 wird in Schritt 110 des Verfahrens 100 das Bearbeitungsmedium 2 zunächst auf den Druck p₂ komprimiert. Das Bearbeitungsmedium 2 befindet sich zu diesem Zeitpunkt in seiner flüssigen Phase 2a. In Schritt 120 wird das Bearbeitungsmedium 2 mit dem Kühlmedium 3 in Kontakt gebracht, das ebenfalls flüssig ist und unter dem Druck p₃ steht. Hierzu wird das Kühlmedium 3 in einer Strömung 3b zugeführt, deren Querschnitt die Form eines Rings 3c hat. Das Zusammenführen des Kühlmediums 3 mit dem Bearbeitungsmedium 2 erfolgt, indem der Innendurchmesser 3d des Rings 3c vermindert wird. Der Außendurchmesser des Rings 3c wird entsprechend angepasst, so dass der Strömungswiderstand, den die Strömung 3b des Kühlmediums 3 erfährt, konstant bleibt.To 1 will be in step 110 of the procedure 100 the processing medium 2 initially compressed to the pressure p ₂ . The processing medium 2 is in its liquid phase at this time 2a , In step 120 becomes the processing medium 2 with the cooling medium 3 brought into contact, which is also liquid and is under the pressure p ₃ . For this purpose, the cooling medium 3 fed in a flow 3b whose cross-section is in the form of a ring 3c Has. The merging of the cooling medium 3 with the processing medium 2 takes place by the inner diameter 3d of the ring 3c is reduced. The outer diameter of the ring 3c is adjusted accordingly, so that the flow resistance, the flow 3b of the cooling medium 3 experiences, remains constant.

Das Kühlmedium 3 bildet somit einen Kontakt mit dem Bearbeitungsmedium 2 in Form einer Mantelströmung 3a, die das Bearbeitungsmedium 2 umschließt. Hierdurch wird Wärme vom Bearbeitungsmedium 2 in das deutlich kältere Kühlmedium 3 übertragen. In der Folge wird in Schritt 130 die flüssige Phase 2a des Bearbeitungsmediums 2 in die feste Phase 2b umgewandelt. In Schritt 135 wird das Kühlmedium 3 von der festen Phase 2b des Bearbeitungsmediums 2 abgetrennt und zurückgeführt, um die hierin noch gespeicherte Kälte weiter zu nutzen.The cooling medium 3 thus forms a contact with the processing medium 2 in the form of a jacket flow 3a that the processing medium 2 encloses. As a result, heat from the processing medium 2 transferred to the much colder cooling medium 3. As a result, in step 130 the liquid phase 2a of the processing medium 2 in the solid phase 2 B transformed. In step 135 becomes the cooling medium 3 from the solid phase 2 B of the processing medium 2 separated and returned to continue to use the stored cold here.

Die feste Phase 2b des Bearbeitungsmediums 2 wird in Schritt 140 zu dem Werkstück 1 geführt. Der hierbei auf das Material des Werkstücks 1 übertragene Impuls bewirkt in Schritt 150 den gewünschten Materialabtrag. Dabei bricht zugleich das vordere Ende 2c der festen Phase 2b des Bearbeitungsmediums 2 ab.The solid phase 2 B of the processing medium 2 will be in step 140 guided to the workpiece 1. The case on the material of the workpiece 1 transmitted pulse causes in step 150 the desired material removal. At the same time, the front end breaks 2c the solid phase 2 B of the processing medium 2 from.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10, mit der die feste Phase 2b des Bearbeitungsmediums 2 erzeugt werden kann, um diese anschließend zu dem Werkstück 1 zu führen. Die Vorrichtung 10 enthält einen ersten Kanal 11 für das Bearbeitungsmedium 2 und einen zweiten Kanal 12 für das Kühlmedium 3. Beide Kanäle 11 und 12 verlaufen konzentrisch und münden in einen Abkühlraum 13, wobei der zweite Kanal 12 für das Kühlmedium 3 von außen auf den ersten Kanal 11 für das Bearbeitungsmedium 2 zuläuft. Im Abkühlraum 13 steht das Bearbeitungsmedium 2 somit im unmittelbaren Wärmekontakt mit dem Kühlmedium 3, so dass es in Schritt 130 verfestigt wird und von der flüssigen Phase 2a in die feste Phase 2b übergeht. 2 shows an embodiment of a device 10 with which the solid phase 2b of the processing medium 2 can be generated to then this to the workpiece 1 respectively. The device 10 contains a first channel 11 for the processing medium 2 and a second channel 12 for the cooling medium 3 , Both channels 11 and 12 run concentrically and open into a cooling space 13, wherein the second channel 12 for the cooling medium 3 from the outside to the first channel 11 for the processing medium 2 tapers. In the cooling room 13 is the processing medium 2 thus in direct thermal contact with the cooling medium 3, so it in step 130 is solidified and from the liquid phase 2a in the solid phase 2 B passes.

Der Abkühlraum 13 ist durch einen Separator 14 begrenzt. Der Separator 14 bildet einen zentral auf der Symmetrieachse der Vorrichtung 10 angeordneten Durchlass 14a für die feste Phase 2b des Bearbeitungsmediums 2 in Richtung auf das Werkstück 1. Zugleich bildet der Separator 14 auch einen von dem Durchlass 14a weggeführten Auslass 14b für das Kühlmedium 3.The cooling room 13 is through a separator 14 limited. The separator 14 forms a central on the symmetry axis of the device 10 arranged passage 14a for the solid phase 2 B of the processing medium 2 in the direction of the workpiece 1 , At the same time, the separator forms 14 also one outlet led away from the passage 14a 14b for the cooling medium 3 ,

Die Innenwand 11c des ersten Kanals 11 und die Innenwand 12c des zweiten Kanals 12 sind jeweils so ausgestaltet, dass das Bearbeitungsmedium 2 und das Kühlmedium 3 synchron in einer schraubenförmigen Bewegung geführt werden. The inner wall 11c of the first channel 11 and the inner wall 12c of the second channel 12 are each configured so that the processing medium 2 and the cooling medium 3 are guided synchronously in a helical motion.

Dies ist in Figur 3 näher erläutert. Die Innenwand 11c des ersten Kanals 11 ist mit helixförmigen Nuten 11a und 11b ausgestattet. Analog ist die Innenwand 12c des zweiten Kanals 12 mit helixförmigen Nuten 12a und 12b ausgestattet. Die Steigungen der Nuten 11a und 11b sind so auf die Steigungen der Nuten 12a und 12b abgestimmt, dass das Bearbeitungsmedium 2 und das Kühlmedium 3 jeweils in eine schraubenförmige Bewegung mit gleicher Winkelgeschwindigkeit versetzt werden.This is in figure 3 explained in more detail. The inner wall 11c of the first channel 11 is with helical grooves 11a and 11b fitted. Analogous is the inner wall 12c of the second channel 12 with helical grooves 12a and 12b fitted. The slopes of the grooves 11a and 11b are so on the slopes of the grooves 12a and 12b tuned that the machining medium 2 and the cooling medium 3 each be placed in a helical motion at the same angular velocity.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102014225247 A1 [0004]
EP 2583790 B1 [0005]

Claims

Method (100) for machining a workpiece (1), wherein a liquid processing medium (2, 2a) is compressed (110) and guided (140) in the form of a jet onto the workpiece (1) so that upon impact of the processing medium (2) the workpiece (1) cuts and / or removes (150) the material of the workpiece (1), characterized in that the liquid processing medium (2, 2a) is in contact with a sheath flow (3a) before impacting the workpiece (1) ) brought from a cooling medium (3) (120) and thereby at least partially in the solid state (2, 2b) transferred (130).

Method (100) according to Claim 1 , characterized in that at the moment of contact (3a) between the cooling medium (3) and the processing medium (2) both media (2, 3) move in parallel, wherein the velocities of both media (2, 3) are the same or wherein slower medium (2, 3) is at most 5% slower than the faster medium (2, 3).

Method (100) according to one of Claims 1 to 2 , characterized in that at the moment of contact (3a) between the cooling medium (3) and the processing medium (2) both media (2, 3) are under pressures p ₂ , p ₃ , which differ by more than 5% from each other.

Method (100) according to one of Claims 1 to 3 characterized in that a flow (3b) of the cooling medium (3) whose cross-section has the shape of a ring (3c) is brought into contact with the processing medium (2) by reducing the inside diameter (3d) of the ring (3c) ( 120).

Method (100) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the cooling medium (3) before the impact on the workpiece (1) from the solidified processing medium (2, 2b) is separated (135).

Method (100) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that water is selected as the processing medium (2).

Method (100) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that a liquefied gas having a boiling point below 220 K is selected as the cooling medium (3).

Method (100) according to Claim 7 , characterized in that argon, helium, carbon dioxide, nitrogen or hydrogen is selected as the cooling medium (3).

Method (100) according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the machining medium (2, 2b) is guided in a helical movement in the direction of the workpiece (1) (140).

Device (10) for performing a method (100) according to one of Claims 1 to 9 comprising a first channel (11) for the processing medium (2) and a second channel (12) for the cooling medium (3) arranged concentrically with the first channel (11), characterized in that the first channel (11) and the second channel (11) Channel (12) open into a cooling space (13), wherein the second channel (12), seen in the direction of the cooling space (13), on the first channel (11) tapers.

Device (10) according to Claim 10 , characterized in that the second channel (12) while maintaining its flow resistance to the first channel (11) tapers.

Device (10) according to one of Claims 10 to 11 characterized in that the cooling space (13) is delimited by a separator (14) having a passage (14) for the solidified machining medium (2, 2b) towards the workpiece (1) and one from the passage (14a) formed away outlet (14b) for the cooling medium (3).

Device according to one of Claims 10 to 12 , characterized in that the inner wall (11c) of the first channel (11), and / or the inner wall (12c) of the second channel (12), a plurality of helical grooves (11a, 11b, 12a, 12b).