-
Die Erfindung betrifft eine Fluidstrahlschneidvorrichtung, wie sie zur Erzeugung eines Fluidstrahls verwendet wird, mit dem Werkstücke zerschnitten, entschichtet oder in anderer Weise bearbeitet werden können.
-
Stand der Technik
-
Eine Fluidstrahlschneidvorrichtung zur Erzeugung eines Fluidstrahls mittels Hochdruck ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 225 904 A1 bekannt. Bei einer solchen Vorrichtung wird Fluid, meist Wasser, mittels einer Hochdruckpumpe oder einer anderen Vorrichtung hochverdichtet und einer Einspritzdüse zugeführt. Durch diese Einspritzdüse tritt das verdichtete Fluid aus und bildet dabei einen Hochdruckfluidstrahl, dessen Partikel eine so hohe Geschwindigkeit haben, dass mit dem Hochdruckfluidstrahl Gegenstände zerteilt werden können. Wird als Fluid Wasser verwendet, so spricht man von Hochdruckwasserstrahlschneiden. Dabei können bis zu einer gewissen Dicke auch sehr harte Gegenstände zerteilt werden, beispielsweise Keramiken oder Stahl. Die Vorrichtung eignet sich aber auch zum Entschichten von Bauteilen, indem der Hochdruckfluidstrahl mit geeignetem Druck, Abstand und Winkel auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet wird, so dass der Hochdruckfluidstrahl das Werkstück nicht zerteilt, sondern beispielsweise eine Lackschicht von der Oberfläche des Werkstücks abträgt, ohne dieses zu beschädigen.
-
Bei der bekannten Fluidstrahlschneidvorrichtung wird eine Düse zur Erzeugung des Hochdruckfluidstrahls verwendet, die es erlaubt, die Eindüsöffnung, durch die der Hochdruckfluidstrahl austritt, mittels eines beweglichen Elements zu verschließen oder freizugeben. Dadurch kann ein gepulster Hochdruckfluidstrahl erzeugt werden, dessen Schneidwirkung mit der eines kontinuierlichen Fluidstrahls vergleichbar ist, der aber mit deutlich niedrigerem Druck auskommt und darüber hinaus sehr viel weniger Fluid benötigt. Da das Fluid mit hohem Druck durch den Injektor ausgespritzt wird, muss dieses zuvor beispielsweise mittels einer Hochdruckpumpe verdichtet werden. Je niedriger der Bedarf an Hochdruckfluid ist, desto niedriger ist entsprechend der Energieverbrauch der gesamten Anlage und desto wirtschaftlicher arbeitet sie.
-
Soll die Fluidstrahlschneidvorrichtung für verschiedene Zwecke verwendet werden, beispielsweise zum Zerteilen von Werkstücken und zum Entschichten oder Entgraten von Werkstücken, so muss der Strahl unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Dazu können die Prozessparameter variiert werden: Es kann der Abstand zwischen der Einspritzdüse und dem Werkstück geändert oder der Druck angepasst werden. Darüber hinaus ist die Zugabe eines abrasiven Mediums zum Hochdruckfluid möglich, was die Schneidwirkung bzw. Entschichtungswirkung ebenfalls deutlich beeinflussen kann. Die Vorrichtung muss eine solche Änderung der Parameter mit einfachen Mitteln erlauben, da sonst die Fluidstrahlschneidvorrichtung solange abgeschaltet werden muss, bis die neuen Parameter eingestellt sind, eventuell auch durch Tausch einzelner Komponenten, was den Betrieb der Vorrichtung verteuert.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Fluidstrahlschneidvorrichtung weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Durchdringungsvermögen des dadurch erzeugten Fluidstrahls einfach reguliert werden kann, um den Fluidstrahl für verschiedene Aufgaben zu modifizieren. Dazu weist die Fluidstrahlschneidvorrichtung zur Erzeugung eines Fluidstrahls eine Fluidhochdruckquelle auf, von der über eine Hochdruckleitung verdichtetes Fluid einem Injektor zuführbar ist, wobei der Injektor eine Düsenöffnung aufweist, über die das verdichtete Fluid einen Fluidstrahl bildend ausströmen kann. Dem Injektor nachgeschaltet ist ein Adapter, der eine zentrale Öffnung aufweist, durch die der Fluidstrahl hindurchtreten kann. Dabei bildet die zentrale Öffnung eine Luftkammer, die das austrittsseitige Ende der zentralen Öffnung bildet, wobei im Adapter im Bereich der Luftkammer eine Einrichtung zur Beeinflussung des Fluidstrahls vorgesehen ist, mit der der Fluidstrahl aufgeweitet werden kann.
-
Durch die Einrichtung zur Aufweitung des Fluidstrahls lässt sich die Schneidwirkung des Fluidstrahls modifizieren, so dass dieser weniger durchdringend ist und eher dazu geeignet, die Oberfläche des Werkstücks zu bearbeiten, also beispielsweise zu entschichten. Es kann aber auch dazu benutzt werden, die Schnittbreite zu erhöhen, was insbesondere bei Werkstücken, die aus einem relativ weichen Material bestehen, von Vorteil sein kann, je nach gewünschter Schnittleistung.
-
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung bildet die zentrale Öffnung in dem dem Injektor zugewandten Abschnitt eine Strömungskammer, die den aus der Düsenöffnung austretenden Fluidstrahl in die Luftkammer lenkt. Die Strömungskammer dient dabei der Strömungsführung des aus dem Injektor austretenden Fluidstrahls bzw. mehrerer Fluidstrahlen, falls der Injektor mehrere Düsenöffnungen aufweist. Durch eine entsprechende Formgebung der Strömungskammer kann Form und die Durchdringungskraft des Fluidstrahls beeinflusst werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Injektor mehrere Düsenöffnungen auf, wobei der jeweils aus der Düsenöffnung austretende Fluidstrahl durch die Strömungskammer in die Luftkammer gelenkt wird. Damit ist es auch möglich, einen Injektor zu verwenden, der mehrere Düsenöffnungen aufweist, was insbesondere für hohe Fluiddurchflüsse von Vorteil sein kann.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am Übergang der Strömungskammer in die Luftkammer eine Auslassöffnung gebildet, durch die das Fluid hindurchströmt und beim Austreten aus der Auslassöffnung einen Fluidstrahl bildet, der dann durch die Luftkammer hindurchtritt. Über Form, Länge und Durchmesser der Auslassöffnung lässt sich ebenfalls der Fluidstrahl beeinflussen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einrichtung zur Beeinflussung des Fluidstrahls durch wenigstens einen Lufteinlass gebildet, der im Adapter im Bereich der Luftkammer ausgebildet ist und über den ein Gas so in die Luftkammer eingeleitet werden kann, dass der Fluidstrahl aufgeweitet wird. Insbesondere von Vorteil ist dabei, wenn verdichteten Gas über den Lufteinlass eingeleitet wird, insbesondere Umgebungsluft mit einem Druck, der oberhalb des Umgebungsdrucks liegt. Bereits bei einem Luftdruck von wenigen bar ergibt sich bei geeigneter Ausrichtung der Lufteinlässe eine Aufweitung des Fluidstrahls und damit eine entsprechende Änderung der Wirkung auf das zu bearbeitende Werkstück. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn das eingeleitete Gas in der Luftkammer direkt auf den Fluidstrahl trifft.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einrichtung zur Beeinflussung des Fluidstrahls ein Ablenkbolzen, der in die Luftkammer einführbar ist, so dass der Ablenkbolzen zumindest teilweise in den Fluidstrahl eintaucht und diesen dadurch aufweitet. Je nachdem wie weit der Ablenkbolzen in den Fluidstrahl eingeführt wird, wird der Fluidstrahl mehr oder weniger beeinflusst und entsprechend aufgeweitet. Dabei wird der Ablenkbolzen in vorteilhafter Weise durch eine seitliche Öffnung im Adapter in die Luftkammer eingeführt. Dies erlaubt zum einen, den Ablenkbolzen kontinuierlich in den Fluidstrahl einzuführen und zum anderen kann der Ablenkbolzen, wenn der Fluidstrahl Teile davon abgetragen hat, nachgeführt werden, um die Ablenkung durch den Ablenkbolzen wieder herzustellen.
-
In vorteilhafter Weise ist der Injektor der Fluidstrahlschneidvorrichtung mit einer Unterbrechereinheit versehen, durch die die Düsenöffnung geöffnet oder geschlossen und der Fluidstrahl damit unterbrochen werden kann. Damit ist ein sogenanntes gepulstes Hochdruckfluidstrahlschneiden möglich, bei dem der Fluidstrahl nicht kontinuierlich, sondern in kurzen Pulsen auf das Werkstück auftrifft.
-
Figurenliste
-
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Fluidstrahlschneidvorrichtung dargestellt. Es zeigt
- 1 eine erfindungsgemäße Fluidstrahlschneidvorrichtung in schematischer Darstellung zusammen mit der Versorgungseinrichtung des Fluids,
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fluidstrahlschneidvorrichtung, wobei hier im Wesentlichen nur der Adapter eines weiteren Ausführungsbeispiels gezeigt ist,
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel in der gleichen Darstellung wie 2 und
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, ebenfalls in der gleichen Darstellung wie 2.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist eine erfindungsgemäße Fluidstrahlschneidvorrichtung schematisch dargestellt. Das Fluid, das zum Fluidstrahlschneiden Verwendung finden soll, wird in einem Fluidtank 1 vorgehalten und von dort über eine Leitung 2 zu einer Hochdruckpumpe 3 gefördert, die als Hochdruckquelle für das Fluid dient. Das verdichtete Fluid wird über eine Hochdruckleitung 5 einem Injektor 4 zugeleitet, der einen Düsenkörper 6 aufweist, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 7 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 7 ist an ihrem in der Zeichnung unteren Ende von einem Druckraum 20 umgeben, in den das verdichtete Fluid eingeleitet wird, so dass die Düsennadel 7 vom Hochdruckfluid umgeben ist. Am unteren Ende des Düsenkörpers 6 ist ein Düsensitz 8 ausgebildet, mit dem die Düsennadel 7 so zusammenwirkt, dass bei Anlage der Düsennadel 7 auf dem Düsensitz 8 mehrere Düsenöffnungen 13, die am Ende des Düsenkörpers 6 ausgebildet sind, gegenüber dem Druckraum 20 verschlossen werden. Bewegt sich die Düsennadel 7 vom Düsensitz 8 weg, so wird eine Verbindung zwischen dem Druckraum 20 und den Düsenöffnungen 13 hergestellt, so dass verdichtetes Fluid aus dem Druckraum 20 durch die Düsenöffnungen 13 nach außen gedrückt wird und dort Fluidstrahlen 27 bildet. Die Düsennadel 7 bildet so eine Unterbrechereinheit, die es ermöglicht, einen nicht-kontinuierlichen Fluidstrahl 27 zu erzeugen.
-
Zur Bewegung der Düsenadel 7 innerhalb des Düsenkörpers 6 dient der wechselnde Druck in einem Steuerraum 10. Der Steuerraum 10 wird von einem Führungskörper 9 begrenzt und von der dem Düsensitz 8 abgewandten Stirnseite der Düsennadel 7, wobei die Düsennadel 7 innerhalb des Führungskörpers 9 geführt ist. Durch den Druck innerhalb des Steuerraums 10 wird eine in Richtung auf den Düsensitz 8 wirkende Schließkraft auf die Düsennadel 7 erzeugt, wobei im Steuerraum 10 bedingt durch die Zulaufdrossel 11, die mit der Hochdruckleitung 5 verbunden ist, der gleiche hohe Fluiddruck ansteht wie im Druckraum 20. Zur Regulierung des Drucks im Steuerraum 10 dient ein Steuerventil 15, über das Fluid aus dem Steuerraum 10 über eine Ablaufdrossel 12 und eine Rücklaufleitung 23 zurück in den Tank 1 geleitet werden kann. Ist das Steuerventil 15 geöffnet, so fließt über die Ablaufdrossel 12 mehr Fluid aus dem Steuerraum 10 ab als im gleichen Zeitraum über die Zulaufdrossel 11 zufließt, so dass der Druck im Steuerraum 10 abnimmt. Durch den Fluiddruck im Druckraum 20 wird die Düsennadel 7 vom Düsensitz 8 weggedrückt und öffnet die Verbindung zwischen dem Druckraum 20 und den Düsenöffnungen 13. Wird das Steuerventil 15 wieder verschlossen, so stellt sich wieder der vorherige hohe Fluiddruck im Steuerraum 10 ein und die Düsennadel 7 gleitet zurück in ihre Schließstellung an den Düsensitz 8.
-
Das Ende des Düsenkörpers 6, in dem sich die Düsenöffnungen 13 befinden, weist eine kegelstumpfförmige Außenfläche auf. An dieser kegelstumpfförmigen Außenfläche liegt ein Adapter 16 dichtend an, der im Wesentlichen eine kegelförmige Außenkontur aufweist und eine passende Aufnahme 24 für den Düsenkörper 6 bildet. Im Inneren des Adapters 16 ist eine zentrale Öffnung 17 ausgebildet, die unmittelbar angrenzend an den Düsenkörper 6 eine Strömungskammer 18 bildet, die in eine Auslassöffnung 25 übergeht und die sich schließlich in eine Luftkammer 28 erweitert. Tritt Fluid aus den Düsenöffnungen 13 aus, wie in der 1 dargestellt, so werden die Fluidstrahlen durch die Form der Strömungskammer 18 umgelenkt und zu einem einzelnen Fluidstrahl gebündelt, der durch die Auslassöffnung 25 hindurchtritt. Der dadurch gebildete Fluidstrahl 27 durchquert die Luftkammer 28 und trifft schließlich auf das Werkstück 26, das im unteren Bereich der 1 angedeutet ist. Durch die hohe Geschwindigkeit der Fluidpartikel wird das Werkstück 26 zerteilt, wobei die Schnittlinie durch die Bewegung des Injektors 4 oder des Werkstücks 26 erzeugt wird. In gleicher Weise kann der Fluidstrahl 27 natürlich auch zur sonstigen Bearbeitung des Werkstücks 26 verwendet werden, beispielsweise zur Entschichtung.
-
Im Adapter 16 sind im Bereich der Luftkammer 28 eine oder mehrere Lufteinlässe 35 vorgesehen. Über diese Lufteinlässe 35 kann Gas eingeleitet werden, das durch einen Kompressor 36 verdichtet und über eine Druckleitung 37 zu den Lufteinlässen geleitet wird, wobei als Gas vorzugsweise Umgebungsluft verwendet wird. Dabei beeinflusst die durch die Lufteinlässe 35 mit einem geeigneten Druck eingeleitete Luft den Fluidstrahl 27 so, dass dieser aufgeweitet wird. Dadurch wird Durchdringungswirkung des Fluidstrahls 27 herabgesetzt, da die Fluidpartikel jetzt auf einen größeren Bereich des Werkstücks 26 auftreffen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mit dem Fluidstrahl 27 das Werkstück 26 nicht zerteilt werden soll, sondern beispielsweise entschichtet, indem eine Lack- oder eine Keramikschicht vom Werkstück 26 abgetragen wird, wofür in der Regel geringere Energien notwendig sind als zum Zerschneiden des Werkstücks 26. Statt den Druck des Fluids in der Düse zu reduzieren kann so durch die Aufweitung des Fluidstrahls 27 mit gleichbleibendem Fluiddruck gearbeitet werden, da der Fluidstrahl 27 auf eine größere Fläche des Werkstücks 26 auftrifft, was darüber hinaus den Vorteil hat, dass eine größere Fläche in einem Arbeitsgang bearbeitet werden kann. Der aufgeweitete Fluidstrahl 27 kann aber natürlich auch verwendet werden, um eine größere Schnittbreite zu erhalten.
-
Die eingeblasene Luft in die Luftkammer 28 wird dabei über den Kompressor 36 auf einen Druck oberhalb des Atmosphärendrucks, vorzugsweise 2 bis 10 bar verdichtet, wobei über die Menge der eingeblasenen Luft bzw. des eingeblasenen Gases und den Druck die Wirkung auf den Fluidstrahl 27 eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise ohne Unterbrechung zuerst ein Schnitt im Werkstück 26 durchgeführt werden und anschließend durch das Einblasen von Luft in die Luftkammer 28 ein Wechsel hin zum Entgraten eines anderen Bereichs des Werkstücks, ohne dass die sonstigen Prozessparameter, also insbesondere der Abstand des Injektors 4 zum Werkstück 26 und der Fluiddruck, geändert werden müssen.
-
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt, wobei hier im Wesentlichen nur der Adapter dargestellt ist. Zusätzlich zu den Lufteinlässen 35 in die Luftkammer 28 kann hier ein abrasives Medium in die Luftkammer 28 gegeben werden. Durch eine entsprechende Zuführung 32, die hier als Öffnung in der Wandung der Luftkammer 28 angedeutet ist, kann ein abrasives Medium, beispielsweise ein Sand oder Keramikpartikel, eingeführt werden. Die abrasiven Partikel vermischen sich innerhalb der Luftkammer 28 mit dem Fluidstrahl 27 und treffen zusammen mit dem Fluidstrahl auf das Werkstück. Dadurch kann die Schneidwirkung bzw. die Entschichtungswirkung des Fluidstrahls deutlich verbessert werden. Die in die Luftkammer 28 eingedüste Luft kann hierbei auch dazu verwendet werden, eine bessere Durchmischung der Abrasivpartikel mit dem Fluidstrahl zu erreichen.
-
Darüber hinaus kann innerhalb der Strömungskammer 18 ein Additiv zum Hochdruckfluid zugegeben werden, beispielsweise Stoffe, die die Korrosionswirkung des Wassers herabsetzen und dadurch das Schneiden von empfindlichen Werkstücken erlauben. Dazu ist eine Zuführung 30 in Form einer Öffnung in der Wandung des Adapters 16 vorgesehen, über die das Additiv zugegeben werden kann. Es ist auch möglich, sowohl abrasive Partikel als auch ein Additiv gleichzeitig zuzugeben.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in 3 dargestellt. Hier kann zusätzlich oder alternativ zur eingeblasenen Luft ein Ablenkbolzen 38 über eine seitliche Öffnung 39 in die Luftkammer 28 eingeführt werden. Der Ablenkbolzen 38 besteht aus einem harten, widerstandsfähigen Material, beispielsweise Keramik, und wird soweit in die Luftkammer 28 eingeführt, bis dieser zumindest teilweise in den Fluidstrahl 27 eintaucht. Dadurch kommt es zu einer Aufweitung des Fluidstrahls 27 und damit zu einer ähnlichen Wirkung wie durch das Einblasen der Luft. Ebenso wie beim Einblasen der Luft verbreitert sich dadurch der Fluidstrahl 27 und seine Schneidwirkung lässt nach, was insbesondere zum Entschichten oder zum Entgraten vorteilhaft sein kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass sowohl Luft in die Luftkammer 28 eingeblasen wird, als auch der Ablenkbolzen 38 eingeführt wird, je nachdem, wie stark die gewünschte Aufweitung des Fluidstrahls 27 sein soll. Der Ablenkbolzen 38 kann dabei jederzeit nachgeschoben werden oder auch aus der Luftkammer 28 entfernt werden. Da der vordere Bereich des Ablenkbolzens 38 vom Fluidstrahl 27 getroffen wird, wird dieser mit der Zeit abgetragen und muss entsprechend nachgeschoben werden, um weiterhin die gewünschte Wirkung zu erreichen.
-
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Fluidstrahlschneidvorrichtung dargestellt. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen weist der Düsenkörper 6 hier nur eine Düsenöffnung 13 auf, die mittig im Düsensitz 8 angeordnet ist. Der aus der Düsenöffnung 13 austretende Fluidstrahl 27 wird hier in der zentralen Öffnung 17 nicht mehr umgeleitet, sondern durchströmt ungehindert den ersten Teil der zentrale Öffnung 17 und gelangt so in die Luftkammer 28. Dort kann der Fluidstrahl 27 durch über Lufteinlässe 35 eingeblasene Luft oder durch Einführen eines Ablenkbolzens 38 in der bereits geschilderten Weise aufgeweitet werden. Die Strömungskammer 18 entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel; der erste Teil der zentralen Öffnung 17 dient hier nur der Aufnahme eines Endbereichs des Düsenkörpers 6.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014225904 A1 [0002]
