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Vorrichtung zum AuSbau eines Strömungsmittel-Schneidstrahls Die Erfindung
betrifft das Schneiden mit Strömungsmittels-trahlen und insbesondere ein solches
Schneiden ermöglichende Düsen.
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Die Verwendung von Hochdruckströmungsmittelstrahlen von kleinem Durchmesser
zum Schneiden von iqaterialien wie Geweben, Holz, Metall usw. und zum Entgraten
von Bauteilen ist bereits vorgeschlagen worden, wie es aus den US-PS 2 985 050,
3 212 378 und 3 526 162 zu entnehmen ist; die Wirksamkeit ist ebenfalls experimentell
gezeigt worden. Ein derartiges Schneidverfahren bietet verschiedene erstrebenswerte
Vorteile gegenüber bekannten industriellen Schneidverfahren wie z.B. die Erleichterung
der Automatisierung mit entsprechenden Produktivitätssteigerungen, verringerte Schnittverluste,
Ein-Punkt-Schneiden, höhere Schnittgeschwindigkeiten und andere Vorteile.
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Diese bekannten Systeme müssen aber eine Flüssigkeit, gewöhnlich
Wasser mit oder ohne Schleifmittel oder anderen Zusätzen unter extrem hohen Drücken
im Bereich von 1020atm bis 6800 atm (15000psi bis 100.000psi) in einen Strömungsmittelstrahl
umwandeln, damit dieser eine Schneidfunktion ausüben kann; wobei die erreichbaren
hohen Drücke nur durch die zur Verfügung stehende Pumpausrüstung begrenzt sind.
Darüber hinaus muß der Flüssigkeitsstrahl einen relativ kleinen Durchmesser in der
Größenordnung von 0,09 bis O,64mm aufweisen, um die Pumpenlasten zu verringern und
um einen erwünschten sehr engen und feinen Schnitt zu erreichen; weiterhin muß der
Strahl "kohärent" sein, d.h. es muß im größtmöglichen Umfang ein Auffächern des
Strahls vermieden werden, damit die gesamte Energie im Strahl verbleibt und der
feine Schnitt erz-ielt wird und damit die Leistungserfordernisse gering gehalten
werden.
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Zusätlich ist es für industrielle Anwendungen wünschenswert, da.
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das System über relativ lange Zeiträume stetig in Betrieb gehalten
werden kann, ohne daß zusätzliche Wartungsarbeit erforderlich ist.
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Diese Erfordernisse haben einen praktischen industriellen Einsatz
des Schneidens mit einem Strömungsmittelstrahl insoweit verhindert als neben anderen
Schwierigkeiten die Herstellung von Düsen unmöglich war, die derartig kohärente
Strahlen über Perioden von praktischer Dauer bei annehmbaren Kosten aufgebaut haben.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Düsen, die auf verwandten
Gebieten
der Anwendung von Strömungsmittelstrahlen wie z.B. beim bergmannischen Waschabbau
verwendet werden, haben sich nicht als geeignet erwiesen, dabei diesen Anwendungsgebieten:
a. der Strömungsmittelstrahl entweder bei viel zu niedrigen Drücken oder intermittierend
arbeitet, b. die Durchflußraten und demzufolge die Düsendurchmesser viel größer
und damit die Strömungsmittelges chwindigkeiten viel kleiner sind, wodurch die Abtragungsraten
verringert werden und eine ungeeignete Geometrie infolge von Er@osion oder von Herstellungsfehlern
die Strahlkohärenz in unerwünschter Weise beeinflussen und c. was am wichtigsten
ist,bei dieser Anwendung ein kohärenter Strahl nicht erforderlich ist, da eine feine
Schnittbreite nur von geringer oder von keiner Bedeutung ist.
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In der Tat lassen sich bei keiner der anderen Anwendungen die beiden
gleichzeitig zu erfüllenden Erfordernisse einer kritischen Düsengeometrie, die bei
extrem hohen Drücken über lange Zeiten erhalten bleiben sollXund der Tatsache finden,
daß die Düse mit verhältnismäßig geringen Kosten herstellbar sein mu?. Der Stand
der Technik zeigt, daß man sich vielen verschiedenen Düsengeometrien und Materialien
wie z.B. Werkzeugstahl, gesinterten Keramikmaterialien, Kuntstoffen und Diamanten
zuwandte. Mit Ausnahme der Diamanten wurden alle anderen Materialien sehr schnell
in einem Ausmaße abgetragen, daß die Strahlkohärenz infolge der Änderung der Düsengeometrie
verloren ging und/oder ein Druckabfall infolge der Düsenverbreiterung zu verzeichnen
war. Die Verwendung von
Diamanten als Düsenmaterial wurde infolge
der hohen Material- und Bearbeitungskosten als nicht möglich erachtet und die geeigneten
Düsengeometrien sind sehr scnwer zu erreichen.
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Auch wurden Versuche mit gesintertem Aluminiumoxyd und Wolframcarbid
durchgeführt, die jedoch infolge der Schwierigkeiten, die beim Erzielen von den
erforderlichen Oberflächenbeschafftenheiten auf-; traten erfolglos verliefen, wobei
die OberflächenbeschaffterLheiten auch notwendig sind, um die Wirksamkeit, die Kohärenz
und minimale Abtragungsraten zu gewährleisten. Diese Materialien entsprachen auch
nicht den AbtragungserfordernissenJda die die Teilchen zusammenhaltende Bindung
zerbrach. Auf ähnliche Weise führten die Erfordernisse einer kleinen Uffnungsgrö3e,
der Strahlkohärenz, der niedrigen Herstellungskosten, der engen Toleranzen der Düsenkonfiguration,
der Oberflächenbeschafftenheit und der Verwendung eines harten festen Materials
zur Bekämpfung der Abtragung zu großen Schwierigkeiten beim Versuch, zu einer annehmbaren
Düsengeometrie zu gelangen. Die meisten dieser Konfigurakionen, die einen kohärenten
Strahl unter den Strömungsbedingungen aufbauen würden, schließen entweder gekrümmte
Abschnitte oder lange sich ganz allmählich verjüngende Abschnitte ein, die aus dem
erforderlichen harten und festen Düsenmaterialien im Rahmen einer normale Produktion
kaum herzustellen sind.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zum Aufbau eines Strömungsmittel-Schneidstrahls mit einer' Düse zu schaffen, in
der die Düse wirksam einen kohärenten Strömungsmittelstrahl
bei
Drücken von 1020 bis 6800 atm aufbaut und die stetig über eine relativ lange Zeitspanne
in Betrieb gehalten werden kann, die dabei aber billig herzustellen ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird durch-die folgende Beschreibung und
die beigefügten Ansprüche umrissen, nach denen eine Düse geschaffen wird, die aus
einem Korund-Kristall (Saphir oder Rubin) hergestellt ist und die eine Geometrie
(aufweist), mit einem geradlinigen konischen Eingangsabschnitt, der in einen geradlinigen
zylindrischen Ausgangsabschnitt übergeht, wobei der Konvergenzgrad des Eingangsabschnittes,
der Durchmesser des Auslaßabschnitt es und die Länge desselben so gewählt sind,
daß eine Verlängerung der konvergenten Seite die Wandung des Auslaßabschnittes nicht
schneidet; weiterhin soll die Länge des Auslaßabschnittes gleich oder größer dem
Durchmesser des Abschnittes sein.
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Von den Figuren zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zum Aufbau eines Strömungsmittel-Schneidstrahls gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine detaillierte Schnittdarstellung der in Fig. 1 schematisch dargestellten
Düsenanordnung und Fig. 5 eine detaillierte Darstellung der Düsengeometrie gemäß
der vorliegenden Erfindung.
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In der folgenden ins einzelne gehenden Beschreibung werden besondere
Aus Cührungs formen dargestellc und es wird eine bestimmte
Terminologie
aus Gründen der Klarheit verwendet, es soll aber hier unterstrichen werden, daß
diese nur der Beschreibung dienen und daß die Erfindung in einer Vielzahl von Formen
und Ausführungebeispielen ausgeführt werden kann.
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In der Fig. 1 ist ein Strömungsmittel-Schneidsystem 10 in schematischer
Form dargestellt. Zu diesem System gehört eine Quelle 12 für eine unter Druck stehende
Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser.
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Diese Quelle ist mit einem Hochdruckverstärker 14 verbunden, um den
Druck der Flüssigkeit auf die hohen Drücke anzuheben, die für das Schneiden von
Material erforderlich sind. Diese Drücke überdecken den Bereich von einen Minimumdruck
von 1020 atm bis 68co ate, wobei die nützlicflsten Drücke im Bereich über 2040 atm
(30000 psi) liegen.
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Gegenwärtig ist das wirksamste Verfahren zum Aufbau derartiger über
2040 atm liegenden Drücken dasjenige, bei dem Verstärker mit doppelt wirkendem Druckkolben
verwendet werden, z.B. die in der US-PS 2 592 940 beschriebenen und auf dem Markt
erhältlichen Verstärker.
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Flüssigkeit unter einem Druck bis zu 2040 atm kann in stetigem Strom
durch auf dem Markt erhältliche Hochdruckpumpen bereitgestellt werden.
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Die unter diesem hohen Drücken stehende Flüssigkeit wird dann über
eine Leitung 13 einer Düsenbaugruppe 16 zugeführt, die den
ISochdruckstrahl
18 aufbaut, der das Werkstück 20 schneidet, das in die für den Schnitt geeignete
Lage gebracht ist. Nach-seinem Durchtritt durch das Werkstück kann der seine Arbeit
geleistet in habende Strahl/einem Sammelbecken 22 aufgefangen werden, das unterhalb
des Werkstückes angeordnet ist, Die Fig. 2 zeigt die Düsenbaugruppe 16 in größerem
Maßstab und mit mehr Einzelheiten. Die Baugruppe weist ein Düsenöffnungsbauteil
24 auf, das in eine Senkbohrung 26 eines Messingeinsatzes 28 gepreßt ist. Dieser
Einsatz ist an dem-Ende der Leitung 15 durch eine Verschlußkappe 30 gehalten, die
auf die Außenfläche der Leitung 13 aufgeschraubt ist. Durch die Kappe 50 wird der
Einsatz 28 infolge der Verformung des Metalls dichtend-auf das Ende der Leitung
13 gepreßt. Andererseits können Hochdruckdichtungen an dieser Stelle zu diesem Zwecke
verwendet werden.
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Das Düsenöffnungsbauteil 24, das die Verbesserung der vorliegender.
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Erfindung darstelIt, ist aus einem einzigen Korund-Kristall (Al20)')
wie z.B. Saphir oder Rubin hergestellt. Es wurde gefunden, daß dieses Material alle
die oben beschriebenen Erfordernisse erfüllt.
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ist er ist nicht teuer, da sythetische Formen auf dem Markt erhältlich
sind und da derartige Kristalle mit einer mittigen Öffnung bereits in weitem Umfange
kommerziell als Matrizen für das Ziehen von Draht und als Präzisionsmündungsbauteile
für niederen Druck verwendet worden sind; aus diesem Grunde sind die zu in großen
Mengen/relativ geringen Kosten mit | geringen Kosten mit oder ohne darin ausgebildete
mittige Öffnungen zu erwerben.
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Korund läßt sich im Vergleich zu Diamant leichter bearbeiten, da es
mit Diamant- oder Aluminiumoxyd überzogenen oder besetzten Werkzeugen abgetragen
werden lang, wodurch eine Vielzahl von Formgebungen erzielt werden kann; auch kann
somit durch Läppen eine sehr glatte Oberflächenbeschafftenheit erreicht werden.
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Was aber besonders wichtig ist, dieses Material ist nachweislich sehr
widerstandsfähig gegenüber der Erosion durch den Hochdruck- , strahl; solche Düsenöffnungsbauteile
haben in Versuchen bei Drücken von 5400 bis 5440 atm (50000 bis 80000 psi) mehrere
Stunden ausgeht halten.
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In der Fig. 5 werden Einzelheiten der Geometrie des Düsenöffnungsbauteils
gezeigt. Diese Geometrie schließt einen konvergenten konischen Einlaßabschnitt 32
ein, dessen gerade Seiten einen Winkel 8 miteinander einschließen. Dieser Abschnitt
32 geht in einen geradlinigen zylindrischen Auslaßabschnitt 34 des Durchmessers
D und der Länge L über. Diese Geometrie ist so ausgewählt, daß eine Verlängerung
der Seiten des konvergenten Abschnittes 32 die l Wand des Auslaßabschnittes )4 nicht
schneidet. So wird diese Verlängerung entweder gerade den Punkt "A" berühren oder
irgendwo durch den Auslaßdurchmesser des Auslaßabschnittes 54 laufen.
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Mathematisch ausgedrückt heißt dies: L # D tang (0/2)
Zusätzlich
soll das Verhältnis L/D gleich oder größer als 1 sein.
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Es wurde gefunden, daß diese Konfiguration zu einem kohärenten Flüssigkeitsstrahl
bei den beschriebenen Drücken und im Bereich der Durchmesser D führt; auf diese
Weise werden geeignete Schneid strahlen ohne das Erfordernis von gekrümmten oder
langen sich all mählich verengenden Abschnitten erreicht. Vorzugsweise sind die
Kegelwinkel 0 nicht größer als 300, wodurch die Bearbeitungskosten aus einem Minimum
gehalten werden. Die Durchmesser D liegen im Bereich von angenähert 0,05 bis 0,5
mm (0,002 bis 0,020 Zoll), wobei D = 0,2 mm (0,008 Zoll) ein typischer Wert ist.
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Als typisches Beispiel kann ein Düsenöffnungsbauteil angesehen werden,
das aus einer Saphirstange von 2,25 mm Durchmesser (0,088 Zoll) mit einer Winkel
@ = = 600, einer Länge vorn L = 0,30 mm mm (0,012 Zoll) und einem Durchmesser
D von 0,2 hergestellt worden ist. Die zur Strömungsachse senkrechten Düsenquerschnitte
wurden symmetrisch und konzentrisch mit einer Genauigkeit von 0,012 mm (0,0005 Zoll)
gehalten; die inneren Flächen sind im Höchstmaß poliert worden.
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Es ist nicht bekannt, warum diese besondere Form dieses Ergebnis zeigt,
da weder analytische noch experimentelle Techniken zur Analyse dieses Phänomens
entwickelt werden konnten, die zu der Begründung dafür führten, daß mit dieser Geometrie
und unter diesen Bedingungen ein kohärenter Strahl aufgebaut wird.
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Es ist festzustellen, daß diese Geometrie auch ein anderes Erfordernis
erfüllt,
d.h. sie ist relativ einfach durch Bearbeitung zu jerreichen, da sie weder gekrümmte
Wände noch lange'sich stetig verengende Teile aufweist, wie sie im Stand der Technik
üblich sind.
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Daher können die kommerziell zu Verfügung stehenden Düsenöffnungsbauteile,
die eine der gezeigten in etwa entsprechende Rohform auf weisen, mit Erfolg glatt
und in die offenbarte Präzisionsform geläppt werden, indem die Ausrüstung und die
Techniken verwendet werden, wie sie beim Läppen von Ziehmatrizen üblich sind. In
diesem Zusammenhang wäre anzumerken, daß es von Vorteil ist, wenn die Schulter 36
zwischen dem Einlaß- und Auslaßabschnitt etwas abgerundet wird, um eine unstetige
Änderung im Querschnitt zu vermeiden.