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Verfahren zur Herstellung einer Kumulationsdüse mit oder ohne Wasserreservoir
an ihrer Eintrittsseite, die in einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles
hoher Geschwindigkeit verwendet wird.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Eumulationsdüse
mit oder ohne Wasserreservoir an ihrer Eintrittsseite, die in einer Vorrichtung
zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles hoher Geschwindigkeit verwendet wird, wodurch
Materialien geschnitten, gebrochen, verformt. oder gereinigt werden können.
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Düsen, die einen Druck von bis 20Kbar ertragen können und einen gut
bestimmten Innenumriss aufweisen, stellen die wichtigste Voraussetzung für eine
optimale Ausnützung von Vorrichtungen zum Erzeugen von Flüssigkeitsstrahlen hoher
Geschwindigkeit åar. fDer innere Düsenumriss
ist für Vorrichtungen
zum Erzeugen von ununterbrochenen Flüssigkeitsstrahlen insoweit wichtig, weil durch
ihn die Kohärenz des Flüssigkeitsstrahles und dadurch seine Schnittfähigkeit bestimmt
wird. Kavitationseffekte innerhalb der Düse und somit die Lebensdauer der Vorrichtung
werden ebenfalls durch den Innenumriss beeinflusst. Die wichtigste Bedeutung obliegt
dem Innenumriss bei Vorrichtungen zum Erzeugen von pulsierenden Flüssigkeitsstrahlen,
weil durch ihn sowohl die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles als auch der
maximale Druck innerhalb der Vorrichtung bestimmt wird.
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In jedem Fall ist eine lange, ein hohes Flächenverhältnis aufweisende
Düse wünschenswert. Es ist kennzeichnend, dass die Düse für eine maximale Leistung
einen exponentiellen oder hyperbolischen Innenumriss haben soll.
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Der Herstellung von solchen Düsen haften jedoch verschiedene Pro bleme
an, die bis jetzt nicht ganz überwunden werden konnten.
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Da in der Praxis das maschinelle Drehen einer Düse aus einem einzigen
Stahlblock oder einem anderen Material auf einer Drehbank schwierig ist, mussten
die Arbeiter bis heute die Düse aus mehreren Teilen herstellen, wobei jeder Teil
einen konischen oder zylindrischen Hohlraum aufweist. Nach der Zusammensetzung dieser
Teile, entsprach der Innenumriss der Düse annähernd dem gewünschten Umriss. Jedoch
mit Rücksicht auf die herrschenden hohen Drucke haben sich insbesondere die bei
der Herstellung dieser Art Düsen auftretenden Dichtungsprobleme als schwer lösbar
gezeigt. Ein solches Herstellungsvenfahren ist ziemlich mw sam.
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Alternative Verfahren, die sich anbieten, umfassen eine Metallpulverdichtungsmethode
oder eine Bearbeitungsmethode durch Funkenerosion.
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Die Netallpulververdichtung ist verhältnismässig eine fortschrittliche
Methode. Die Hauptprobleme, die dieser Methode anhaften, betreffen die Verbiegung
des Dornes während der Verdichtung und eine weiterme
Dewo-mat.vr
des verdichteten Teiles während des Qlntear.gsp-vzesses. Die nachträgliche Bearbeitung
ist ebenfalls nicht einfach, insbesondere wenn Hartmetalle verwendet werden. Andere
Nachteile bestehen in der Porosität des in diesem Verfahren hergestellten Erzeugnisses
und in der Notwendigkeit eine äussere Schale zu verwenden, um das verdichtete Stück
vorzuspannen, falls harte zerbrechliche Metalle, wie Wolframkarbid, verwendet werden.
Offensichtlich ist ein solches Herstellungsverfahren kostspielig, weil es mehrere
Herstellungsoperationen einschliesst, und die Materialien selbst teuer sind0 Der
Bearbeitung durch Funkenerrosion haften auch verschiedene Nach teile an. Für jede
Bohrung oder jeden Innenumriss werden mehrere Elektroden gebraucht. Ueberdies wird
die Anwendung dieses Verfahrens aus marstüblicnen Maschinen (wie Charmilles D 20)
auf Düsen von einer Länge von ungefähr lOOmm beschränkt. Gleich wie bei der Metallpulverdichtungsmethode
wird auch hier das Enderzeugnis teuer sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile
zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung einer Kuaulationsdüse mit oder ohne
Wasserreservoir an ihrer Eintrittsseite vorzuschlagen, wobei ein gut bestimmter
Innenumriss der Düse in einer einzigen Operation an einem einzigen Formling erhalten
werden kann.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Herstellungskosten
niedrig zu halten und jede zusätzliche Operation, wie Drehen, Sintern, Schweissen
usw. zu eliminieren.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- maschinelle Bearbeitung eines Rohlinges aus einem höchstfesten, martensitaushärtDaren
Stahl in seinem geglühten Zustand,
- Aufschieben des Rohlings mit
einer zylindrischen oder mehrkegelförmigen Bohrung auf einen Schmiededorn aus Hartmetall,
dessen Form dem Innenumriss der zu verformenden Düse entspricht, - Schmieden des
Rohlings über dem Schmiededorn durch eine hohe Schlagzahl von Hämmern auf die Aussenfläche
desselben, wobei der Rohling mit dem Schmiededorn gedreht und in Richtung der Drehbewegungsachse
vorgeschoben wird, - Abziehen des fertig geschmiedeten Werkstückes vom Schmiededorn
und Anwenden einer Nachbehandlung des fertiggeschmiedeten Werkstückes.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung beispielsweise
naher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen charakteristischen hyperbolischen Innenumriss
einer Düse, die in Vorrichtungen zum Erzeugen von Flüssigkeitsstrahlen hoher Geschwindigkeit
verwendet wird, Fig. 2 einen Schnitt eines vorgebohrten Rohlinges mit einer zylindrischen
Bohrung, vor dem Schmieden, Fig. 3 einen Schnitt eines vorgebohrten Rohlings mit
einer mehrkegelförmigen Bohrung, die sich dem gewünschten Innenumriss nach der Fig.
1 nähert, vor dem Schmieden, und Fig. 4 eine Skizze, in welcher der Schmiedevorgang
an einem Rohling in ein fertig geschmiedetes Werkstück dargestellt ist, teilweise
im Schnitt.
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Das vorgeschlagene Verfahren bevorzugt mit Vorteil die Technik des
Kaltschmieder.s, die auf marktüblichen Feinschmiedemaschinen ausgeführt werden kann.
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Ein Rohling 1, aus welchem eine Kumulationsdüse mit einem exponentiellen
oder hyperbolischen Innenumriss geformt werden soll, besteht aus höchstfesten, martensitaushärtbaren
Strahlen, die eine 2 Dehnungsgrenze von über 250kg/mm2 aufweisen; solche Stähle
sind ebenfalls marktüblich. In gegluhtem Zustand sind diese Stähle verhältnismässig
geschmeidig und haben eine Dehnungsgrenze von ungefähr 100kg/mm². Das Ealtschmieden
solcher Stähle stellt deshalb kein Problem dar. Dieses Verfahren ist aber nicht
nur auf das Ealtschmieden be/grenzt; es ist auch möglich, die Technik des Heissschmiedens
anzuwenden.
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Die Bohiung 2 des vorgebohrten Rohlings 1 kann zylindrisch sein, wie
in der Fig. 2 gezeigt ist, oder mehrkegelförmig, wobei eine solche Pohrung sich
der gewünschten Innenkontur der herzustellenden Düse nähert, wie aus der Fig. 3
ersichtlIch ist. Der Rohling 1, aus welchem die Düse geformt wird, wird vorerst
aus einem höchstfesten, martensitaushärtbarem Stahl in seinem geglühten Zustand
auf einer Drehbank bearbeitet. Je nach dem Flächenverhältnis der Düse, das erreicht
werden soll, kann eine maschinelle Bearbeitung des Rohlings mit einer zylindrischen
oder einer mehrkegelförmigen Bohrung vorgenommen werden, wobei die mehrkegelförmige
Form ungefähr dem endgLltigen Innenumriss der Düse entspricht. Bei: einer solchen
maschinellen Bearbeitung wird ein Bohrlochausräumer verwendet, um eine zufriedenstellende
Innenoberfläche zu erreichen.
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In der Fig. 4 ist der eigentliche Schmiedevorgang veranschaulicht.
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Der Rohling 1 mit der zylindrischen Bohrung wird auf einen Schmiededorn
3 aus einem Hartmetall, vorzugsweise Wolframkarbid, aufgeschoben. Die Form des Dornes
3 entspricht genau dem Innenumriss der zu verformenden Düse. Wie aus der Figur ersichtlich
ist, ist der Innendurchmesser des Rohlings 1 um etwas grösser als der Durchmesser
des eine hyperbolische Form aufweisenden Dornes 3. Der Dorn 3 wird dann an einem
sein Enden in einenSpannkopf 5 einer nichtdargesteliten Feinschmiedemaschine gespannt
und der über das andere Ende des Dornes 3 aufgeschobene Rohling 1 wird von einem
Gegenhalter
6 gehalten. Der Dorn 3 mit dem Rohling 1 wird gedreht
und im Vorsehubgang in Richtung der Drehbewegungsachse (siehe Pfeil A) in Schmiedehämmer
4 eingefahren, wobei der Rohling 1 durch eine hohe Schlagzahl der Hämmer 4 auf seiner
Aussenfläche über dem Dorn 3 geschmiedet wird. Der Schmiedevorgang beginnt an der
Eintrittsseite (also am grössten Durchmesser) der zu verformenden Düse und wird
weiter in Richtung ihrer Austrittsseite fortgesetzt. Diese Technik bringt die zufriedenstellendsten
Resultate hervor. Der Schmiedevorgang kann aber auch an der Austrittsseite (also
am kleinsten Durchmesser) der zu verformenden Düse beginnen und in der Richtung
der Eintrittsseite der Düse fortgesetzt werden. Während des Schmiedevorganges wird
der Aussencurchmesser des Rohlings 1 vermindert, seine Länge vergrössert, und der
gewünschte Innenumriss über dem Schmiededorn 3 geformt.
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Nach Beendigung des Schmiedevorganges hat das Werkstück seine Endform,
wie in Fig. 4 mit 7 bezeichnet ist. Der Gegenhalter 6 wird -in der Figur gesehen
- um etwas nach links verschoben, um die Verlängerung des Formlings 1 zum Endwerkstück
7 zu erlauben. Der Innenumriss des fertiggeschmiedeten Werkstückes 7 folgt der Formlinge
des Schmiededornes 3. Die Arbeitszeit beim Schmieden eines einzigen Werkstückes
beträgt ordnungsgemäss 2-4 Min., was von der Länge des fertiggeschmiedeten Werkstückes
abhängt.
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Nach Beendigung des Vorschubes werden die Hämmer 4 geöffnet und das
fertiggeschmiedete Werkstück 7 mit dem Dorn 3 wird aus der Maschine im Eilgang ausgefahren
und schlfesslich wird das Werkstück 7 vom Dorn 3 herabgezogen. Dle Qualität der
inneren Fläche des Werkstückes 7 entspricht der Oberflächenqualität des Dornes 3.
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Nach dem vollendeten Schmiedevorgang werden jeweilige maschinelle
Bearbeitungen wie zum Beispiel Gewindefräsen auf dem fertig geschmiedeten Werkstück
7 ausgeführt, um den Anschluss der Düse an das Wasserreservoir der Schneidevorrichtung
zum Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen. Schlussendlich
wird
das Werkstück wärmebehandelt, damit es die gewünschte Festigkeit erhält.
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Das oben erwähnte Verfahren kann auch zur Herstellung von Eumulationsdüsen
mit dem Wasserreservoir an ihrer Eintrittsseite aus einem einzigen Formling verwendet
werden.
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Das oben beschriebene Verfahren weist folgende Vorteile gegenüber
der bekannten Methode auf: Die Düse besteht aus einem einzigen Stück, wobei alle
Verbindungsstellen eliminiert werden. Wenn gewünscht, kann das Wasserreservoir und
die Düse in einem Stück hergestellt werden. Man kann eine breite Skala von höchstfesten,
martensftaushärtbaren Stählen und ähnlichen hochwertigen Legierungen verwenden,
wobei die Vorbereitungs- sowie Endbearbeitungsarbeiten mit der üblichen Werkstattaußrüstung,
d.h., Drehbänken, Fräs- und Schleifmaschinen ausgeführt werden können, weil das
sich in einem weich geglühten oder homogenisierten Zustand befindende FIaterial
einfach maschinell bearbeitet werden kann. Die Genauigkeit des Innenumrisses ist
durch die Genauigkeit der Ausführung des Dornes beschränkt. Je nach Wunsch können
unrunde Querschnitte verwendet werden. Die erreichbaren Toleranzen betragen + OOlmm.
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Derselbe Schmiededorn kann bis für 1000 Düsen verwendet werden.
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Für die meisten Anwendungen genügen Uchmiededorne, die aus Werkzeugstahl
hergestellt sind.
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Dieses Verfahren eignet sich ausgezeichnet für eine Massenproduktion
und kann bei kleinen wie auch bei grossen Düsen bis zu lO0mm Aussendurchmesser und
von einer beiiebigen Länge verwendet werden, wobei von den marktüblichen Maschinen
Gebrauch gemacht werden kann.
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Beim Schmieden ist der Materialverbrauch kleiner als heim maschinellen
Bearbeiten eines Vollkörpers.