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Die Erfindung betrifft eine Düse zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls, wobei der Hochdruckwasserstrahl dazu verwendbar ist, ein Werkstück zu zerteilen oder dessen Oberfläche zu bearbeiten.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist das sogenannte Hochdruckwasserstrahlschneiden seit langer Zeit bekannt. Dabei wird Wasser unter hohem Druck beschleunigt und über eine Düse ausgestoßen. Die so beschleunigten Wasserpartikel treffen auf ein Werkstück, aus dem bei entsprechend hoher Geschwindigkeit der Wasserpartikel Material abgetragen wird, so dass selbst härteste Werkstoffe zerteilt werden können, beispielsweise Stahl, Glas oder Keramik. Der Druck, mit dem das Wasser ausgestoßen wird, beträgt dabei einige 1000 bar (100 MPa), so dass die Komponenten, die das hoch verdichtete Wasser führen und die Düse, über die das hochverdichtete Wasser ausgespritzt wird, sehr hohen Belastungen ausgesetzt sind. Um dieser Belastung Stand zu halten ist aus der
DE 69 003 233 T2 eine Düse zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls bekannt, bei der die Ausspritzöffnung aus einen sehr harten Mineral, beispielsweise einem Saphir, gefertigt ist. Auch andere hochharte Edelsteine, wie Rubine oder Diamanten, können hierbei zum Einsatz kommen.
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Zur Minderung des Drucks bei gleichzeitig hoher Schneidleistung ist aus der
DE 10 2013 201 797 A1 eine Vorrichtung bekannt, mit der ein Hochdruckwasserstrahl erzeugt werden kann, der nicht kontinuierlich aus der Düse ausgestoßen wird, sondern in einzelnen Pulsen. Dabei wird eine Düse mit einer Einspritzöffnung verwendet, die ein bewegliches Ventilelement beinhaltet. Durch die Bewegung des Ventilelements in der Düse wird der Hochdruckwasserstrahl periodisch unterbrochen und freigegeben, so dass ein gepulster Wasserstrahl entsteht. Durch das Pulsen lässt sich eine hohe Schneidleistung auch mit einem deutlich niedrigeren Druck erreichen, beispielsweise 2000 bar (200 MPa), jedoch ist auch hier die Belastung des Materials, insbesondere der Düse und der Düsenöffnung, beachtlich. Dieser Verschleiß zwingt beim Betrieb solcher Anlagen regelmäßig dazu, die Düsen nach wenigen Betriebsstunden auszutauschen, um die Schneidleistung zu gewähren. Die Verwendung von Edelsteinen, also beispielsweise Saphiren, zum Einfassen der Einspritzöffnung ist dabei entsprechend teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Düse zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls weist den Vorteil auf, dass sie eine hohe Lebensdauer aufweist, wobei die Düse aus einem kostengünstigen Material gefertigt werden kann. Durch die lange Lebensdauer und die Vermeidung von Edelsteinen, wie Saphiren, können die Kosten für das Hochdruckwasserstrahlschneiden deutlich gesenkt werden. Dazu weist die Düse einen Düsenkörper auf, der einen zylindrischen Schaftabschnitt aufweist, in dem ein mit Wasser unter hohem Druck befüllbarer Druckraum ausgebildet ist, so dass im Bereich des Schaftabschnitts eine Wandung mit einer vorgegebenen Wandstärke vorhanden ist. Im Druckraum ist an einem Ende ein konischer Düsensitz ausgebildet, wobei der konische Düsensitz an seinem zulaufenden Ende in ein Spritzloch mündet. Weiterhin ist im Druckraum ein kolbenförmiges Schließelement längsbeweglich angeordnet, das zum Öffnen und Schließen des Spritzlochs mit dem Düsensitz zusammenwirkt. Die Wandstärke des Düsenkörpers ist im gesamten Bereich des konischen Düsensitzes mindestens so groß wie die Wandstärke im Schaftabschnitt.
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Durch die Ausgestaltung des Düsenkörpers, der im Bereich des Düsensitzes deutlich verstärkt ist, ergibt sich eine sehr hohe Festigkeit im Bereich des Düsensitzes. Durch die große Masse des Düsenkörpers am Düsensitz wird zum einen die Impulsaufnahme durch das auftreffende Schließelement vermindert und damit die mechanische Belastung in diesem Bereich. Zum anderen wird die periodische Aufweitung des Düsenkörpers im Bereich des Düsensitzes und des Spritzlochs durch den wechselnden Wasserdruck in diesem Bereich vermindert, was verhindert, dass aus mikroskopisch kleinen Rissen durch Rissfortschritt ein Versagen des Düsenkörpers resultiert. Damit wird die Lebensdauer der Düse erhöht und diese muss seltener getauscht werden, was die Kosten für den Betrieb einer Hochdruckwasserstrahl-Schneidanlage deutlich senkt.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wandstärke im Bereich des konischen Düsensitzes einen Faktor 1,2 bis 2,0 größer als die Wandstärke im Schaftabschnitt. Dabei ist das Spritzloch in vorteilhafter Ausgestaltung als zylindrische Bohrung ausgebildet, deren Längsachse mit der Längsachse des Druckraums fluchtet. Diese symmetrische Ausgestaltung führt zu einer gleichmäßigen Belastung des Düsenkörpers und damit zu einer Verminderung von Spitzenbelastungen. Dabei ist der Düsenkörper im Bereich des Schaftabschnitts in vorteilhafter Weise als gerader Hohlzylinder ausgebildet, wobei der Düsenkörper auch auf Höhe des Düsensitzes in vorteilhafterweise eine zylindrische Außenkontur aufweist, so dass eine einfache Bearbeitung des Düsenkörpers an seiner Außenseite ermöglicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Spritzloch als gestufte Bohrung ausgebildet und weist einen ersten Abschnitt auf, der sich unmittelbar an den ersten Düsensitz anschließt und in eine Sackbohrung mündet, die im Düsenkörper ausgebildet ist und die einen Durchmesser aufweist, der größer als der Durchmesser des Spritzlochs ist und die den zweiten Abschnitt des Spritzlochs bildet. Durch diese Ausgestaltung kann das eigentlich wirksame Spritzloch, das für die Formung des Hochdruckwasserstrahls entscheidend ist, kurz ausgeführt sein, was die hydraulischen Verluste minimiert und den effektiv zur Verfügung stehenden Wasserstrahldruck erhöht und damit die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Wasserpartikel.
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In vorteilhafter Weise ist der Düsenkörper vollständig aus einem Stahl gefertigt, wobei der Stahl in bevorzugt folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gewichtsprozent):
- Kohlenstoff: 0,10 bis 0,80 %, Silizium: 0,20 bis 1,00 %, Mangan: 0,20 bis 0,70 %, Phosphor: max. 0,025 %, Schwefel: max. 0,025 %, Chrom: 10,0 bis 20,0 %, Molybdän: 0,5 bis 4,0 %, Nickel: max. 0,50 %, Stickstoff: 0,20 bis 0,70 %, Vanadium: 0,01 bis 0,10 %, Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei die Summe der Legierungselemente Kohlenstoff und Stickstoff kleiner als 1,0 % ist und das Verhältnis zwischen 0,3 und 2,0 liegt. Ein solcher hochlegierter, korrosionsarmer Stahl ist unter der Bezeichnung X30 CrMoN 15-1 bekannt. Die Düse lässt sich wie üblich aus diesem Stahl fertigen und kann aufgrund ihrer Geometrie auch über längere Zeit einem entsprechend hohen Wasserdruck in ihrem Inneren standhalten.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Düse gezeigt. Es zeigt:
- 1 eine Gesamtansicht einer Anlage zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls in schematischer Darstellung,
- 2 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Düse,
- 3a ein weiteres Ausführungsbespiel, wobei nur der Bereich des Düsensitzes gezeigt ist,
- 3b ein Ausführungsbeispiel mit einem alternativ gestalteten Spritzloch,
- 4 ein weitere Ausführungsbeispiel einer Düse, wobei hier das Schließelement in Form einer Düsennadel gezeigt ist und
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem gestuften Spritzloch.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls schematisch dargestellt. In einem Wassertank 5 wird Wasser zur Verfügung gestellt und mittels einer Hochdruckpumpe 4 verdichtet. Über eine Druckleitung 2 wird das verdichtete Wasser einer Düse 1 zugeführt, aus der über ein Spritzloch 18 ein Hochdruckwasserstrahl 8 austritt. Der Hochdruckwasserstrahl 8 kann zur Bearbeitung eines Werkstücks 7 eingesetzt werden, indem es das Werkstück 7 zerteilt, wie in der 1 dargestellt, wo im Werkstück 7 ein Schnitt 9 dargestellt ist. Dabei wird das Werkstück 7 mittels Verschiebeeinheiten 10 bewegt, wobei alternativ auch die Düse 1 bezüglich des Werkstücks 7 bewegt werden kann. Das Werkstück 7 kann durch den Hochdruckwasserstrahl auch an seiner Oberfläche bearbeitet werden, indem ein entsprechender Abstand der Düse 1 zum Werkstück 7 eingestellt wird und ein geeigneter Druck verwendet wird, so dass der Hochdruckwasserstrahl 8 das Werkstück 7 nicht zerteilt, sondern beispielsweise nur eine Lackschicht an der Oberfläche des Werkstücks 7 abträgt.
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In 2 ist eine erfindungsgemäße Düse 1 im Längsschnitt schematisch dargestellt, wobei nur die wesentlichen Bereiche der Düse 1 dargestellt sind. Die Düse 1 umfasst einen Düsenkörper 12, der an seiner Außenseite zylindrisch geformt ist und in dem ein Druckraum 13 ausgebildet ist. Der Düsenkörper 12 bildet im Bereich des Druckraums 13 einen Schaftabschnitt 112, der als Hohlzylinder mit einer Wandstärke d1 ausgebildet ist, wie in 2 dargestellt. Der Druckraum 13 wird an seinem in der 2 unteren Ende von einem konischen Düsensitz 17 begrenzt, der sich zum Ende des Düsenkörpers 12 verjüngt und in ein Spritzloch 18 übergeht, durch welches das Wasser aus dem Druckraum 13 ausströmen und einen Hochdruckwasserstrahl 8 bilden kann. Im Druckraum 13 ist ein längsbewegliches Schließelement 15 in Form einer Düsennadel angeordnet, das über eine nicht gezeigte Vorrichtung in seiner Längsrichtung bewegbar ist. Das Schließelement 15 wirkt mit dem Düsensitz 17 zum Öffnen und Verschließen des Spritzlochs 18 zusammen, so dass bei Anlage des Schließelements 15 auf dem Düsensitz 17 das Spritzloch 18 verschlossen wird. Bewegt sich das Schließelement 15 vom Düsensitz 17 weg, so strömt verdichtetes Wasser aus dem Druckraum 13 in das Spritzloch 18 und bildet so einen Hochdruckwasserstrahl 8.
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Der konische Düsensitz 17 weist eine Sitzlänge a auf, wobei die Wandstärke im Bereich des Düsensitzes 17 gegenüber der Wandstärke D1 im Schaftabschnitt 112 vergrößert ist. Die Wandstärke ist dabei der Abstand gemessen senkrecht zum Düsensitz 17 bis zur Außenseite des Düsenkörpers 12, so dass zwischen dieser Messrichtung und dem Düsensitz 17 ein rechter Winkel 22 gebildet ist. Je nach Position des Punktes P, von dem aus die Wandstärke bestimmt werden soll, ergeben sich so unterschiedliche Wandstärken d2 , d3 , wie in 2 eingezeichnet, wobei jede dieser Wandstärken d2 , d3 größer oder mindestens ebenso groß wie die Wandstärke d1 im Schaftbereich 112 ist. Dadurch ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität im Bereich des Düsensitzes 17, der das am höchsten mechanisch belastete Teil des Düsenkörpers 12 bildet.
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Im Betrieb wird das Schließelement 15 periodisch in Längsrichtung bewegt, so das ein gepulster Hochdruckwasserstrahl 8 entsteht, der die Schneidwirkung des Hochdruckwasserstrahls deutlich gegenüber einem Dauerbetrieb erhöht. Die Längsachse 20 des Düsenkörpers 12 fällt dabei in der Längsachse des Schließelements 15 und mit der Längsachse des Spritzlochs 18 zusammen, so dass der Düsenkörper 12 in diesem Bereich eine hohe Rotationssymmetrie aufweist, wodurch die mechanischen Kräfte durch das Aufsetzen des Schließelements 15 auf den Düsensitz 17 und durch den wechselnden Druck im Bereich des Spritzlochs 18 gleichmäßig über den Umfang des Düsenkörpers 12 verteilt sind, was die Gefahr eines mechanischen Versagens an dieser Stelle des Düsenkörpers 12 minimiert.
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In 3a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düse gezeigt, wobei nur der Bereich des Düsensitzes 17 dargestellt ist. Die Außenseite des Düsenkörpers 12 ist hier im Bereich des Düsensitzes 17 ebenso wie dieser konisch ausgebildet, wobei auch hier die Wandstärke d2 , gemessen senkrecht zum Düsensitz 17, größer ist als die Wandstärke d1 des Düsenkörpers 12 im Schaftabschnitt 112. Wie in 3b gezeigt, kann das Spritzloch 18 auch eine konische Form aufweisen und sich vom Druckraum 13 weg verengen, um den austretenden Hochdruckwasserstrahl besser zu fokussieren.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbespiel der erfindungsgemäßen Düse gezeigt. Der Düsenkörper 12 bildet hier im Bereich des Düsensitzes 17 an seiner Außenseite einen verlängerten Zylinder, so dass das Spritzloch 18 verlängert ist. Dies ergibt einen stark fokussierten Hochdruckwasserstrahl 8, was sich insbesondere zur Bearbeitung von kleinen Bauteilen oder kleinen Strukturen eignet.
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Auch hier ist die Wandstärke d2 stets größer als die Wandstärke d1 am Schaftabschnitt 112.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düse gezeigt. Das Spritzloch 18 ist hier relativ kurz ausgebildet und mündet in eine Sackbohrung 19, die im Düsenkörper 12 ausgebildet ist, so dass ein gestuftes Spritzloch 18 entsteht. Ein kurzes Spritzloch 18, das einen Durchmesser de aufweist, der deutlich geringer ist als der Durchmesser ds der Sackbohrung 19, bewirkt nur geringe Druckverluste innerhalb des Spritzlochs 18 und entsprechend höhere Geschwindigkeiten der Wasserpartikel an der Austrittsöffnung, was eine höhere Schneidwirkung ermöglicht. Jedoch ist der Hochdruckwasserstrahl 8, der mit dieser Düse erzeugt wird, nicht so scharf fokussiert wie bei Verwendung einer Düse, wie sie die 4 gezeigt ist. Die Wandstärke d2 gemessen vom Punkt P, der in 5 exemplarisch eingezeichnet ist, ist auch hier stets größer als die Wandstärke d2 im Bereich des Schaftabschnitts 112. Dies gilt für den gesamten konischen Dichtsitz 17.
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Der Düsenkörper 12 ist aus einem Stahl gefertigt, der folgende Zusammensetzung aufweist (Angaben in Gewichtsprozent): Kohlenstoff: 0,10 bis 0,80 %, Silizium: 0,20 bis 1,00 %, Mangan: 0,20 bis 0,70 %, Phosphor: max. 0,025 %, Schwefel: max. 0,025 %, Chrom: 10,0 bis 20,0 %, Molybdän: 0,5 bis 4,0 %, Nickel: max. 0,50 %, Stickstoff: 0,20 bis 0,70 %, Vanadium: 0,01 bis 0,10 %, Rest Eisen und übliche, erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei die Summe der Legierungselemente Kohlenstoff und Stickstoff kleiner als 1,0 % ist und das Verhältnis zwischen 0,3 und 2,0 liegt.
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Dieser hochlegierte Werkzeugstahl eignet sich gut für den Einsatz als Hochdruckdüse und ist durch seine Korrosionsarmut insbesondere geeignet für das Ausspritzen von Wasser, so dass durch die Verwendung dieses Stahls eine hohe Lebensdauer der Düse erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69003233 T2 [0002]
- DE 102013201797 A1 [0003]
