DE2544129A1 - CUTTING DEVICE AND METHOD USING A LIQUID JET - Google Patents
CUTTING DEVICE AND METHOD USING A LIQUID JETInfo
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Description
Dr Ing. Waiter AbitzDr. Ing.Waiter Abitz
Dr. Dieter F. Kort 2. Oktober i975 Dr. Dieter F. Kort 2 . Ok to about i 975
Dr. Hans»A. :.■;λ\:ϊι$ Dr. Hans "A. :. ■; λ \: ϊι $
Cu, S-.Cu, S-.
PLOW RESEARCH, INC.PLOW RESEARCH, INC.
Suite 72, 1819 S. Central Avenue, Kent, Washington 9803I,Suite 72, 1819 S. Central Avenue, Kent, Washington 9803I,
V.St.A.V.St.A.
Schneidvorrichtung und -verfahren mit Verwendung eines FlüssigkeitsstrahlsCutting device and method using a jet of liquid
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zum Schneiden dienenden Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahls und insbesondere eine. Vorrichtung zur Verbesserung der Kollemation des Flüssigkeitsstrahls zwecks Erzielung einer verbesserten Schneidwirkung. The present invention relates to a method and an apparatus for producing a cutting tool High velocity liquid jet and in particular one. Device for improving the collemation of the liquid jet in order to achieve an improved cutting effect.
Die Verwendung von Flüssigkeitsstrahlen als Mittel zum Schneiden oder Schleifen verschiedener Werkstoffe ist seit langem bekannt. Beispielsweise wird bei einem hydraulischen Bergbauverfahren ein Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl verwendet, um durch Gesteinsformationen, Kohlenschichten oder dgl. zu schneiden. Die folgenden US-Patente stellen einen repräsentativen Stand der Technik dar: 878 208; 1 530 768; 1 856 836; 2 018 926;The use of jets of liquid as a means of cutting or grinding various materials has been around for a long time known. For example, in a hydraulic mining process a high pressure liquid jet is used to cut through rock formations, layers of coal or the like. Representative prior art is the following US patents: 878,208; 1,530,768; 1,856,836; 2,018,926;
2 304 143; 2 518 591; 3 104 186; 3 112 800; 3 203 736; 3 326 607;2 304 143; 2,518,591; 3,104,186; 3,112,800; 3,203,736; 3,326,607;
3 331 456; 3 375 887; 3 419 220; 3 528 704; 3 536 151; 3 554 602; 3 572 839 und 3 799 6I5.3,331,456; 3,375,887; 3,419,220; 3,528,704; 3,536,151; 3,554,602; 3 572 839 and 3 799 6I5.
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Ferner sind bereits verschiedene Vorrichtungen zur Erzeugung gepulster Flüssigkeitsstrahlen hoher Geschwindigkeit bekannt. Ein Grund zur Verwendung eines gepulsten Strahles liegt darin, dass im Vergleich zu Vorrichtungen, die mit kontinuierlicher Strömung arbeiten, höhere Drücke erzielbar sind. Derartige Vorrichtungen sind aus folgenden US-PSen bekannt: 2 512 74-3;Furthermore, there are already various devices for generating pulsed high speed liquid jets known. One reason to use a pulsed beam is that, compared to devices that use continuous Working flow, higher pressures can be achieved. Such devices are known from the following US patents: 2,512,74-3;
2 665 052; 3 34-3 794; 3 490 696; 3 514 037; 3 520 477; 3 521 820;2,665,052; 3,344-3,794; 3,490,696; 3,514,037; 3,520,477; 3,521,820;
3 539 104; 3 653 596; 3 704 966; 3 729 137; 3 746 256; 3 748 953; und 3 784 103· Als Stand der Technik, welcher einer andere Düsenausbildung zeigt, ist die US-PS 3 750 961 zu erwähnen.3,539,104; 3,653,596; 3,704,966; 3,729,137; 3,746,256; 3,748,953; and 3,784,103. As prior art showing a different nozzle configuration, mention should be made of US Pat. No. 3,750,961.
In den letzten Jahren erfolgten Entwicklungsarbeiten an Hochdruckverstärkern, welche eine im wesentlichen konstante Abgabe eines Fluidstrahls mit Geschwindigkeiten in der Grössenordnung von 366 m/s und noch wesentlich grosser ermöglichten. Eine derartige Vorrichtung ist in der US-PS 3 811 795 beschrieben. Eine der praktischen Anwendungen einer derartigen Vorrichtung liegt in einem Strahlschneiden, bei welchem ein einen geringen Durchmesser aufweisender Fluidstrahl (d. h. mit einem Durchmesser zwischen Bruchteilen von Millimeter bis zu einigen hundertstel Millimeter) verwendet wird, um bei einer Vielzahl von Werkstoffen, wie Holz, Gewebe, Sandstein usw., verhältnismässig enge Schnittbreiten zu erzielen.In recent years development work has been carried out on high-pressure boosters, which is a substantially constant delivery of a fluid jet at velocities on the order of magnitude of 366 m / s and much larger. Such a one Apparatus is described in U.S. Patent 3,811,795. One of the practical uses of such a device resides in jet cutting in which a small diameter jet of fluid (i.e., with a Diameter between fractions of a millimeter up to a few hundredths of a millimeter) is used in a wide variety of materials such as wood, fabric, sandstone, etc., proportionally to achieve narrow cutting widths.
Diese Art eines Flüssigkeits-Strahlschneidens mit einem verhältnismässig schmalen !Flüssigkeitsstrahl sehr hoher Geschwindigkeit" stellt einen ziemlich präzisen Vorgang dar, so dass einer der wichtigeren Gesichtspunkte darin besteht, eine zu grosse Verteilung des Flüssigkeitsstrahls zu vermeiden oder anders ausgedrückt, einen "kohärenteren" oder "besser kollimierten" Strahl zu erhalten. Ein derartiger kollimierter Strahl weist mehrere Vorteile auf, beispielsweise einen grösseren Schneidwirkungsgrad, die Erzielung einer geringeren Schnittbreite, eine bessere Oberflächengüte an der Schnittstelle und eine Vermeidung einer zu weitgehenden Benetzung des geschnittenen Materials. Nach bestem Wissen des Anmelders bezogen sich die meisten Bemühungen, eine Verteilung des Strahls zu vermei-This type of liquid jet cutting with a relatively narrow! very high speed jet of liquid "represents a fairly precise process, so that one of the more important aspects is to avoid too large a distribution of the liquid jet or in other words, a "more coherent" or "better collimated" Get beam. Such a collimated beam has several advantages, for example a larger one Cutting efficiency, the achievement of a smaller cutting width, a better surface quality at the interface and an avoidance of excessive wetting of the cut material. To the best of the applicant's knowledge, related most efforts to avoid spreading the beam
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den, auf die Verbesserung des Düsenausbildung und die Anordnung sorgfältig bearbeiteter konvergierender Oberflächen,die zur Düsenöffnung führen. Eine derartige Lösung ist in der US-PS 3 756 106 angegeben, gemäss welcher ein Korund-Kristall einer besonderen Formgebung verwendet wird, welcher einen Flüssigkeitsstrahl mit sehr hohem Druck erzeugt, um verhältnismässig genaue Schneidoperationen, wie sie vorausgehend genannt wurden, durchzuführen. Damit bestehen die Hauptelemente von bekannten , mit einem Flüssigkeitsstrahl arbeitenden Schneidvorrichtungen aus einer Hochdruck-Flüssigkeitsquelle, einer Leitungsanordnung, um die Flüssigkeit dem Schneidbereich zuzuführen und einer sorgfältig konstruierten und/oder bearbeiteten Düsenanordnung, welche die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit von der Leitungsanordnung aufnimmt und diese Flüssigkeit als Schneidstrahl mit kleinem Durchmesser und hoher Geschwindigkeit abgibt. the, on the improvement of the nozzle formation and the arrangement carefully machined converging surfaces that lead to Guide nozzle opening. Such a solution is given in US Pat. No. 3,756,106, according to which a corundum crystal is a special shape is used, which is a liquid jet generated with very high pressure, in order to be proportionate to carry out precise cutting operations as mentioned above. Thus the main elements of well-known, with a liquid jet working cutting devices from a high pressure liquid source, a line arrangement, to deliver the liquid to the cutting area and a carefully designed and / or machined nozzle assembly, which absorbs the liquid under high pressure from the line arrangement and this liquid as a cutting jet dispenses with a small diameter and high speed.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung der vorausgehend genannten Vorrichtungen zum Schneiden mit Flüssigkeitsstrahlen dar, wobei eine Hochdruck-Flüssigkeitsquelle (wie beispielsweise ein Hochdruckverstärker) vorhanden ist sowie eine Leitungsanordnung zur Zuführung dieser Flüssigkeit zum Schneidbere.ich und eine Düse zur Abgabe der Flüssigkeit in einem Schneidstrahl kleinen Durchmessers und hoher Geschwndigkeit. Diese Verbesserung erhöht die "Kollimation" oder "Kohärenz" des Flüssigkeitsstrahls, um eine Schneidwirkung des Strahls mit verkleinerter Schnittbreite, verbesserter Oberflächengüte der Schnittflächen, geringerer Benetzung und potentiellen Erhöhungen der Produktivität und der Schneidgeschwindigkeit zu erzielen. Gemäss der erfindungsgemässen Verbesserung ist ein Gehäuse zwischen der Leitungsanordnung und der Düse vorgesehen, welches unmittelbar stromaufwärts der Düse eine Strömungskollimationskammer bildet, Vielehe die Flüssigkeit von der Leitungsanordnung aufnimmt und sie direkt an die Düse abgibt, wobei die Kollimationskammer eine Querschnittsfläche besitzt, die zumindest grosser als das 10Ofache der Austrittsöffnung der Düse ist. VorzugsweiseThe present invention is an improvement on the foregoing said devices for cutting with liquid jets, wherein a high pressure liquid source (such as For example, a high-pressure booster) is available and a line arrangement for supplying this liquid to the Cutting area and a nozzle for dispensing the liquid in a cutting jet of small diameter and high speed. This enhancement increases "collimation" or "coherence" of the liquid jet in order to achieve a cutting effect of the jet with a reduced cutting width and improved surface quality of cut surfaces, less wetting and potential increases in productivity and cutting speed to achieve. According to the invention Improvement, a housing is provided between the line arrangement and the nozzle, which is immediately upstream the nozzle forms a flow collimation chamber, many receives the liquid from the line arrangement and delivers it directly to the nozzle, the collimation chamber having a cross-sectional area that is at least greater than is 10O times the outlet opening of the nozzle. Preferably
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ist die Querschnittsfläche der Kollimationskammer grosser als das 20Ofache der Querschnittsfläche der Düse; die Verbesserung ist noch grosser, wenn das vorausgehend genannte Verhältnis in der Grössenordnung des 400fachen oder grosser liegt und wird noch erhöht, wenn dieses Verhältnis in der Grössenordnung von dem lOOOfachen oder 14O0fachen liegt. Bei einem über den 1400fachen hinausgehenden Wert wird keine merkliche Verbesserung der Kohärenz des Flüssigkeitsstroms mehr beobachtet.the cross-sectional area of the collimation chamber is greater than 20O times the cross-sectional area of the nozzle; the improvement is even greater if the aforementioned ratio is in the order of magnitude of 400 times or greater and is further increased if this ratio is in the order of magnitude of 10000 or 140 times. With one over the A value exceeding 1400 times will not show any noticeable improvement the coherence of the liquid flow is more observed.
Das Auftreten einer grösseren Kohärenz des Düsenstrahls durch die Verwendung einer Kollimationskammer wird möglicherweise nicht völlig verstanden, jedoch wird angenommen, dass die folgende Hypothese wenigstens teilweise als Erklärung dienen kann. Jedoch werden durch die vorliegende Erfindung unabhängig von der Genauigkeit oder der Gültigkeit dieser Hypothese eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren geschaffen, bei welchem die Schneidwirkung durch Verbesserung der Kollimation des Düsenstrahls erheblich verbessert ist.The occurrence of greater coherence of the jet through the use of a collimation chamber becomes possible not fully understood, but it is believed that the following hypothesis may serve as an explanation, at least in part can. However, regardless of the accuracy or validity of this hypothesis, the present invention makes one Improved apparatus and method created in which the cutting action by improvement the collimation of the jet is significantly improved.
Im Einklang mit dieser Hypothese wird angenommen, dass einer der Faktoren, welcher die Verteilung des Flüssigkeits-Düsenstrahls beeinflusst, durch die Turbulenz innerhalb des Flüssigkeitsstrahls gebildet wird. Diese Turbulenz kann als eine Anzahl sehr kleiner Wirbelströme in der Flüssigkeit verstanden werden, welche eine grössere Wechselwirkung zwischen der Flüssigkeit an der Oberfläche des Düsenstrahls und der angrenzenden Luftschicht erzeugen, wodurch wiederum eine Verteilung der Flüssigkeit die umgebende Luftschicht erfolgt. Es wurde erkannt, dass ein Hauptgrund für die Entstehung der Turbulenz in der Düsenausbildung und der Formgebung der zur Düse führenden konvergierenden Wände liegt. Es wurde ferner gefunden, dass die Strömungsdaten der Flüssigkeit stromaufwärts der Düse die Turbulenz der Flüssigkeit beeinflussen können. Entsprechend wurde die Querschnittsfläche oder Strömungsfläche der Leitungsanordnung einige Hale grosser und häufig viel grosser als die Querschnittsfläche der Düsenaustrittsöffnung gemacht. Jedoch wurde bei den Ausführungen des Standes der Technik angenommen,Consistent with this hypothesis, it is believed that one the factors that determine the distribution of the liquid jet influenced by the turbulence is formed within the liquid jet. This turbulence can be considered a Number of very small eddy currents in the liquid can be understood, which have a greater interaction between the Liquid on the surface of the jet and the adjacent Create a layer of air, which in turn distributes the liquid to the surrounding air layer. It it was recognized that a main reason for the emergence of the turbulence lies in the nozzle design and the shape of the converging walls leading to the nozzle. It was also found that the flow data of the liquid upstream of the nozzle can influence the turbulence of the liquid. Corresponding became the cross-sectional area or flow area of the conduit arrangement some hale larger and often much larger than that Cross-sectional area of the nozzle orifice made. However, it was assumed in the statements of the prior art,
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dass, falls der Querschnitt des Strömungskanals in der Leitungsanordnung sich einem Wert nähert, welcher das 10Ofache des Querschnitts der Düse beträgt, durch eine weitere Erhöhung dieses Querschnittbereichs kein besonderer Vorteil erhalten werden kann.that if the cross section of the flow channel in the line arrangement approaches a value which is 10O times the cross-section of the nozzle by further increasing it no particular advantage can be obtained from this cross-sectional area.
Werden ferner sehr hohe Flüssigkeitsdrüeke verwendet (beispielsweise in der Grössenordnung von 35^5 at oder höher ), so legen konstruktive Erwägungen nahe, den Durchmesser des Strömungskanals in der Leitungsanordnung innerhalb vernünftiger Grenzen zu halten. Da die von einem Fluid in einem Hochdruckanal ausgeübte Kraft, welche bestrebt ist, den Kanal längs einer durch die Längsachse des Kanals laufenden Ebene in zwei Hälften auf— zureissen, dem Durchmesser des Strömungskanals in der Leitungsanordnung unmittelbar proportional ist, erfordert eine Erhöhung des Durchmessers des Strömungskanals eine entsprechende Erhöhung der Wandstärke, damit der Strömungskanal den höheren Kräften widerstehen kann. Mit anderen Worten, falls sich der Durchmesser des Strömungskanals in der Leitungsanordnung verdoppelt, so ist es notwendig, die Wandstärke der Leitungsanordnung zu verdoppeln oder als Alternative andere Massnahmen zu ergreifen, durch die die Leitungsanordnung in die Lage gesetzt wird, den Sprengkräften der Hochdruckflüssigkeit zu widerstehen. Um auf die erfindungsgemässe Hypothese zurückzukommen, wird angenommen, dass, falls die Strömung unmittelbar stromaufwärts der Austrittsdüse durch eine Strömungskammer geleitet wird, deren Querschnitt im Vergleich zum Düsenquerschnitt wesentlich grosser als bei bekannten Anordnungen ist, eine Verrringerung der Turbuelnz der Flüssigkeit auftritt, welche aus dieser Kammer in die Düse austritt, wobei diese Verringerung der Turbulenz eine erhebliche Verbesserung bezüglich der Kollimation der Kohärenz des Flüssigkeitstrahls bringt. Unabhängig von der Gültigkeit dieser Hypothese wurde experimentell gezeigt, dass diese Wirkung vorhanden ist. Diese erfindungsgemäss vorgesehene,unmittelbar stromaufwärts der Düse angeordnete Kammer wird im Zusammenhang mit der vorausgehend erläuterten Wirkung als "Kollimationskammer11 bezeichnet und entsprechend in der anschliessenden BeschreibungIf, in addition, very high fluid pressures are used (for example of the order of magnitude of 35 ^ 5 at or higher), design considerations suggest that the diameter of the flow channel in the line arrangement should be kept within reasonable limits. Since the force exerted by a fluid in a high pressure channel, which strives to tear the channel open in two halves along a plane running through the longitudinal axis of the channel, is directly proportional to the diameter of the flow channel in the line arrangement, an increase in the diameter of the is required Flow channel a corresponding increase in wall thickness so that the flow channel can withstand the higher forces. In other words, if the diameter of the flow channel in the line arrangement doubles, it is necessary to double the wall thickness of the line arrangement or, as an alternative, take other measures that enable the line arrangement to withstand the explosive forces of the high pressure liquid . To return to the hypothesis according to the invention, it is assumed that if the flow is passed directly upstream of the outlet nozzle through a flow chamber whose cross-section is significantly larger than in known arrangements compared to the nozzle cross-section, a reduction in the turbulence of the liquid occurs from this Chamber exits into the nozzle, this reduction in turbulence brings a considerable improvement in terms of the collimation of the coherence of the liquid jet. Regardless of the validity of this hypothesis, it has been shown experimentally that this effect is present. This chamber provided according to the invention and arranged directly upstream of the nozzle is referred to in connection with the previously explained effect as "collimation chamber 11 and correspondingly in the following description
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verwendet.used.
Gemäss einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine besondere Düsenausbildung vorgesehen, um die Wirkung des Flüssigkeitsstrahls zu verbessern. Diese Düsenausbildung umfasst ein Düsengehäuse mit einer Gegenbohrung, welche das Düsenelement (welches mit der Austrittsöffnung versehen ist) aufnimmt. Das Düsenelement wird von einem Haltering umgeben, welcher aus einem in geringem Umgang nachgiebigen Material, wie einem Kunststoff, besteht. Dieser Ring umgreift das Düsenelement und wird mit einem Pressitz in der Gegenbohrung des Düsengehäuses aufgenommen, wobei die freiliegenden Flächen des Halterings und des Düsenelementes dem Hochdruck des Arbeitsmediums ausgesetzt sind. Die gegenüberliegende Fläche des Düsenelementes wird gegen die Bodenfläche der Gegenbohrung des Düsengehäuses gedrückt. Der Haltering übernimmt drei Aufgaben. Zunächst liefert er einen gleichförmigen radial nach innen gerichteten Druck um das Düsenelement und verhindert damit ein Eeissen des Düsenelements oder eine andere Beschädigung desselben. Zweitens verringert der Haltering die ToIeranzänforderungen zwischen der Seitenfläche der Gegenbohrung und der Seitenfläche des Düsenelements. Drittens liefert der Haltering bei hoher Druckeinwirkung eine zufriedenstellende Abdichtung zwischen dem Düsenelement und der Bodenwand der Gegenbohrung, an welcher das Düsenelement anliegt. Die Eückseite der Düsenanordnung besitzt eine sich nach hinten verjüngende Konusfläche, welche an einer entsprechenden Konusfläche des Hauptgehäuses anliegt, das die Kollimationskammer bildet, um damit eine Abdichtung zwischen diesen Teilen zu gewährleisten.According to a further aspect of the present invention, a special nozzle design is provided to improve the effect of the liquid jet. This nozzle training includes a nozzle housing with a counterbore which receives the nozzle element (which is provided with the outlet opening). The nozzle element is surrounded by a retaining ring, which is made of a material that is only slightly flexible, like a plastic. This ring surrounds the nozzle element and is pressed into the counter bore of the Nozzle housing added, the exposed surfaces of the retaining ring and the nozzle element are exposed to the high pressure of the working medium. The opposite face of the The nozzle element is pressed against the bottom surface of the counterbore of the nozzle housing. The retaining ring takes on three tasks. First, it provides a uniform, radially inward pressure around the nozzle element and prevents This means that the nozzle element is iced or damaged in some other way. Second, the retaining ring reduces the tolerance requirements between the side surface of the counterbore and the side surface of the nozzle element. Third, the delivers Retaining ring provides a satisfactory seal between the nozzle element and the bottom wall of the under high pressure Counterbore on which the nozzle element rests. The rear side of the nozzle arrangement has a rearwardly tapering one Conical surface which rests against a corresponding conical surface of the main housing that forms the collimation chamber, in order to ensure a seal between these parts.
In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer mit Flüssigkeitsstrahl arbeitenden erfindungsgemässen Schneidvorrichtung,Fig. 1 is a side view of a working with a liquid jet cutting device according to the invention,
Fig. 2 eine teils im Schnitt dargestellte Längsansicht der Kollimationskammer und der Düse gemäss der vorliegenden Erfindung und 2 shows a partially sectioned longitudinal view of the collimation chamber and the nozzle according to the present invention and
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511 486 T-511 486 T-
Fig. 3 eine vergrösserte Schnittdarstellung des vorderen Teils der Kollimationskammer und der Düsenanordnung gemäss der vorliegenden Erfindung.3 shows an enlarged sectional illustration of the front part of the collimation chamber and the nozzle arrangement according to the present invention Invention.
Gemäss Fig. 1 weist die mit Flüssigkeitstrahl arbeitende Schneidvorrichtung 10 einen elektrischen Motor 12 auf, welcher eine Hydraulikpumpe 14- betreibt, die ihrerseits Arbeitsmedium einem Hochdruckverstärker 16 zuführt. Der Hochdruckverstärker 16 erhält ein Fluid, beispielsweise Wasser, aus einer Fluidquelle, beispielsweise einem Vorrat 18 und gibt das Wasser unter einem sehr hohen Druck über eine Leitung 20 ab. Am Abgabeende der Leitung 20 ist eine Austrittsanordnung 22, welche einen Flüssigkeitsschneidstrahl mit geringem Durchmesser und sehr hoher Geschwindigkeit liefert.According to FIG. 1, the working with a liquid jet Cutting device 10 has an electric motor 12, which operates a hydraulic pump 14, which in turn, the working medium a high pressure booster 16 supplies. The high pressure booster 16 receives a fluid, for example water, from a fluid source, for example a reservoir 18 and releases the water via a line 20 under a very high pressure. At the The discharge end of the conduit 20 is an exit assembly 22 which has a small diameter and liquid cutting jet delivers very high speed.
Die Austrittsanordnung 22 ist insbesondere in Fig. 2 dargestellt und weist ein im wesentlichen zylindrisches längliches Gehäuse 24 auf, das ein vorderes Austrittsende besitzt, welches mit einer Düsenanordnung 26 verbunden ist, sowie ein hinteres Ende, welches mit dem Austrittsende der Leitung 20 über ein Anschlussstück 28 verbunden ist. Das Anschlusstück 28 ist in üblicher Weise ausgebildet und wird daher nur kurz beschrieben. Es besteht aus einer inneren Hülse 30, welche auf das Austrittsende der Leitung 20 aufgeschraubt ist. Die Hülse 30 ist von einer zweiten Hülse 32 umgeben, deren Aussengewinde in eine Ausnehmung 34 im hinteren Abschnitt des Gehäuses 24 eingeschraubt ist. Mit dem hinteren Ende der Hülse 32 ist ein Kopfabschnitt 36 verbunden, welcher eine innere Lippe 38 aufweist, die am hinteren Ende der inneren Hülse 30 anliegt. Durch Einsehrauben der äusseren Hülse 32 in die Ausnehmung 34 wird das vordere verjüngte Ende 40 der Leitung 20 fest gegen eine konische Gegen-* fläche 42 gepresst, die im Gehäuse 24 unmittelbar vor der Ausnehmung 34 vorhanden ist. Die konische Gegenfläche 42 mündet in einen in Längsrichtung verlaufenden Strömungskanal 44, welcher die gleiche Grosse wie der Strömungskanal 46 in der Leitung 20 aufweist und fluchtend zu dieser angeordnet ist, um eine vordere Verlängerung derselben darzustellen.The outlet assembly 22 is shown particularly in FIG. 2 and has a substantially cylindrical elongated housing 24, which has a front exit end, which with a nozzle assembly 26 is connected, as well as a rear end, which is connected to the outlet end of the line 20 via a connector 28. The connector 28 is conventional Manner and is therefore only briefly described. It exists from an inner sleeve 30 which fits onto the outlet end the line 20 is screwed on. The sleeve 30 is of a second sleeve 32, the external thread of which is screwed into a recess 34 in the rear section of the housing 24. With the rear end of the sleeve 32, a head portion 36 is connected, which has an inner lip 38, which at the rear End of the inner sleeve 30 is applied. By robbing the outer sleeve 32 into recess 34, the front one is tapered End 40 of the line 20 firmly against a conical counter * surface 42 pressed, which is present in the housing 24 immediately in front of the recess 34. The conical mating surface 42 opens into a longitudinally extending flow channel 44 which is the same size as the flow channel 46 in the line 20 and is arranged in alignment with this to represent a front extension of the same.
609R1 B/iU5'Ä ■609R1 B / iU5'Ä ■
Der Strömungskanal 44 führt in eine längliche zylindrische Kollimationskammer 48, welche durch das Gehäuse 24- gebildet wird« Die Kollimationskammer 48 steht ihrerseits unmittelbar mit einer Düsenöffnung 50 mit geringem Durchmesser in Verbindung, die in der Düsenanordnung 26 vorhanden ist. Wie bereits erwähnt wurde, ist das Verhältnis dieser Kollimationskammer 48 gegenüber der Düsenöffnung erfindungsgemäss von besonderer Bedeutung und wird anschliessend näher beschrieben.The flow channel 44 leads into an elongated cylindrical one Collimation chamber 48, which is formed by the housing 24- « The collimation chamber 48 is in turn directly connected to a nozzle opening 50 with a small diameter, which is present in the nozzle assembly 26. As mentioned earlier, the ratio of this collimation chamber is 48 of particular importance in relation to the nozzle opening according to the invention and is described in more detail below.
Die Düsenanordnung 26 umfasst ein Düsengehäuse 52 mit einer in Längsrichtung verlaufenden Durchtrittsöffnung 53 und einem hinteren Befestigungsteil 54 sowie einem nach vorne gerichteten Schaft 56, welcher lose in einer vorderen Kappe 58 aufgenommen wird. Die Kappe 58 ist mit dem vorderen Ende des Gehäuses 24- verschraubt, um gegen das Düsengehäuse 52 zu drücken, so dass eine sich nach hinten verjüngende Konusfläche 60 des Düsengehäuses 52 gegen eine entsprechende Gegenfläche 62 des Gehäuses 24 unter Ausbildung einer Abdichtung zwischen dem Düsengehäuse 52 und der Gehäuse 24 gedrückt wird.The nozzle assembly 26 includes a nozzle housing 52 with a through-opening 53 running in the longitudinal direction and a rear fastening part 54 as well as a forward-facing one Shaft 56 which is loosely received in a front cap 58. The cap 58 is with the front end of the housing 24- screwed to press against the nozzle housing 52, so that a conical surface tapering towards the rear 60 of the nozzle housing 52 against a corresponding mating surface 62 of the housing 24 is pressed to form a seal between the nozzle housing 52 and the housing 24.
Im mittleren rückwärtigen Teil des Düsengehäuses. 52 ist eine zylindrische Ausnehmung 64 vorgesehen, in welcher ein Düsenelement 66 befestigt ist, das mit einer Düsenaustrittsöffnung 50 ausgestattet ist. Das Düsenelement 66 ist in üblicher Weise ausgebildet und besitzt eine zylindrische Formgebung und besteht aus üblichem Material, beispielsweise einem Saphir. Der hintere Rand des Düsenelements 66, welcher den Eingang zur Düsenaustrittsöffnung 50 bildet, ist vorzugsweise rechtwinklig mit einer geringen Rundung zur Verringerung der Abnützung ausgebildet. Das Düsenelement 66 ist von einem an ihm anliegenden Haltering 68 umgeben, welcher aus einem im geringen Umfang nachgiebigen Kunststoff besteht. Der Haltering 68 wird mit einem Pressitz in einer ringförmigen Ausnehmung aufgenommen, die durch die Seitenwand der Ausnehmung 64 und die Seitenwand des Düsenelements 66 gebildet wird. Wird die Düsenanordnung den sehr hohen Drücken des Fluids in der Kollimationskammer ausgesetzt, so wird durch den resultierenden Druck gegen dieIn the middle rear part of the nozzle housing. 52 is a cylindrical recess 64 is provided, in which a nozzle element 66 is attached, which has a nozzle outlet opening 50 is equipped. The nozzle element 66 is formed in the usual way and has a cylindrical shape and consists of a common material, such as a sapphire. The rear edge of the nozzle element 66, which is the entrance to the Forming nozzle outlet opening 50 is preferably rectangular designed with a slight curve to reduce wear. The nozzle element 66 is one of its abutting against it Surrounding retaining ring 68, which consists of a plastic that is flexible to a small extent. The retaining ring 68 is with received an interference fit in an annular recess defined by the side wall of recess 64 and the side wall of the nozzle element 66 is formed. The nozzle arrangement will cope with the very high pressures of the fluid in the collimation chamber exposed, so is by the resulting pressure against the
60981S/CU5* · .60981S / CU5 *.
freiliegenden Rückflächen des Düsenelements 66 und des Rings 68 der Haltering 68 radial nach innen gegen das Düsenelement 66 mit im wesentlichen gleichmässigem Druck gepresst, so dass jegliche Gefahr einer Rissbildung oder Beschädigung des Düsenelements 66 durch diesen Innendruck vermieden wird. Da die Vorderseite des Düsenelements 66 gegen die Bodenfläche der Ausnehmung 64 im Düsengehäuse 52 drückt, liefert der Haltering 68 eine Abdichtung für die aneinander liegenden Flächen des Düsenelements 66 und des Düsengehäuses 52, ohne dass ein Auspressen des Rings zwischen diesen Flächen erfolgen kann.exposed rear surfaces of the nozzle element 66 and the ring 68 of the retaining ring 68 radially inwardly against the nozzle element 66 pressed with essentially even pressure, so that any risk of cracking or damage to the nozzle element 66 by this internal pressure is avoided. Because the front of the nozzle element 66 presses against the bottom surface of the recess 64 in the nozzle housing 52, the retaining ring 68 delivers a Sealing of the adjacent surfaces of the nozzle element 66 and the nozzle housing 52 without being pressed out of the ring can be made between these surfaces.
Der Druckverstärker 16 liefert Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, über die Leitung 20 mit einem ausreichendem Druck (beispielsweise 1406 bis 7030 at) an die Austrittsanordnung 22, damit ein verhältnismässig schmaler Fluidstrahl erzeugt wird, welcher beispielsweise einen Durchmesser aufweist, welcher für die hier betrachteten Schneidvorgänge zwischen 25 Mikron und 0,37 » liegt. Bei Schneidvorgängen, die mit höherer Leistung erfolgen, kann der Durchmesser des Fluidstrahls etwas grosser sein. Der Fluidstrahl tritt mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit aus, die mindestens näherungsweise 305 m/s beträgt und noch besser in der Grössenordnung von 915 m/s liegt, um durch das vorliegende Material zu schneiden.The pressure booster 16 supplies liquid, for example water, via the line 20 at a sufficient pressure (e.g. 1406 to 7030 at) to the outlet assembly 22, so that a relatively narrow fluid jet is generated which, for example, has a diameter which for the cutting processes considered here is between 25 microns and 0.37 ». For cutting operations with higher Power take place, the diameter of the fluid jet can be somewhat larger. The fluid jet occurs with a sufficient high speed, which is at least approximately 305 m / s and even better in the order of magnitude of 915 m / s to cut through the material at hand.
Das Fluid strömt durch den Kanal 46 der Leitung 20 in den Verbindungskanal 44 im rückwärtigen Teil des Gehäuses 24 und damit in die Eollimati ons kammer 48. In der dargestellten Ausführungsform ist der Durchmesser des Kollimationskammer 48, welcher in Fig. 3 mit "a" angegeben ist, näherungsweise doppelt so gross wie der Durchmesser des Strömungskanals 46-44, so dass der Querschnitt der Kollimationskammer 48 damit viermal grosser als oette^ des Strömungskanals 46-44 ist. Daher ist die Geschwindigkeit des durch die Kollimationskammer 48 fliessenden Fluids nur ein Viertel der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Kanal 46-44. Das Fluid gelangt vom vorderen Ende der Kollimationskammer 48 unmittelbar in die Düsenöffnung 50, wobei das Fluid als Fluidstrom 70 (Fig. 3) austritt. Der FluidstrahlThe fluid flows through the channel 46 of the line 20 into the connecting channel 44 in the rear part of the housing 24 and thus in the eollimation chamber 48. In the embodiment shown, the diameter of the collimation chamber 48, which is indicated in Fig. 3 with "a", approximately twice as large as the diameter of the flow channel 46-44, so that the cross section of the collimation chamber 48 is four times larger as oette ^ of the flow channel 46-44. Hence the speed of the fluid flowing through the collimation chamber 48 is only a quarter of the flow velocity of the fluid in channel 46-44. The fluid passes from the front end of the collimation chamber 48 directly into the nozzle opening 50, the Fluid emerges as fluid flow 70 (FIG. 3). The fluid jet
60981 5/(K 5 460981 5 / (K 5 4
u u 25U12925U129
gelangt frei durch die Öffnung 53 des Düsengehäuses, wobei der Fluidstrom in einem solchen Ausmass kollimiert ist, dass er die Seitenwände des Kanals 53 nicht berührt.passes freely through the opening 53 of the nozzle housing, the fluid flow being collimated to such an extent that it does not touch the side walls of the channel 53.
Es wurde gefunden, dass, falls der Durchmesser "a" der Kollimationskammer 48 mehr als 10mal grosser als der Durchmesser der Düsenöffnung 50 gemacht wird (wodurch der Querschnitt der Kollimationskammer 48 mehr als das lOOfache des Querschnitts der Düsenöffnung 50 wird), die Kollimation des Pluidstrahls erheblich verbessert wird, wodurch eine wesentliche Erhöhung der Schneidwirkung des Fluidstrahls erhalten wird. Wird der Durchmesser "a" weiter erhöht, so dass der Querschnitt der Kollimationskammer 48 grosser als das 400fache und so hoch wie das lOOOfache oder 1400fache des Querschnitts der Düsenöffnung 50 beträgt, -.so wird sogar eine noch grössere Verbesserung in der Kollimation des Fluidstrahls erhalten, während bei Verhältniswerten jenseits von 1400 keine merkliche Verbesserung mehr erhalten wird, wie dies bereits erläutert wurde.It was found that if the diameter "a" of the collimation chamber 48 is made more than 10 times larger than the diameter of the nozzle opening 50 (whereby the cross-section of the Collimation chamber 48 is more than 100 times the cross section of the nozzle opening 50), the collimation of the fluid jet is significantly improved, whereby a substantial increase in the cutting effect of the fluid jet is obtained. Will the Diameter "a" is further increased so that the cross-section of the Collimation chamber 48 larger than 400 times and as high as 10000 times or 1400 times the cross section of the nozzle opening 50, -.so there will be an even greater improvement obtained in the collimation of the fluid jet, while at ratio values beyond 1400 no noticeable improvement is obtained, as has already been explained.
Bei einer im Einklang mit dem vorausgehenden ausgeführten Vorrichtung wurde eine Düse 50 mit einem Durchmesser von 0,25 mm verwendet, während der Durchmesser des Kanals 44 3>2 mm betrug und die Kollimationskammer 48 in drei Ausführungen hergestellt wurde: (1) mit einem Durchmesser von 6,3 mm, (2) einem Durchmesser von 9,5 mm und (3) einem Durchmesser von 12,7 mm. Die Ausführungsform, bei welcher die Kollimationskammer einen Durchmesser von 6,3 mm aufwies, ergab eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik und die Aus führung, mit einem Durchmesser von 9,5 mm stellte eine noch weitergehende Verbesserung dar. Jedoch lieferte die Ausführungsform mit 12,7 mm gegenüber jener mit 9,5 mm keine merkliche Verbesserung.In an apparatus embodied in accordance with the foregoing became a nozzle 50 with a diameter of 0.25 mm used, while the diameter of the channel 44 3> 2 mm and the collimation chamber 48 made in three designs was: (1) 6.3mm in diameter, (2) diameter of 9.5 mm and (3) a diameter of 12.7 mm. The embodiment in which the collimation chamber has a diameter of 6.3 mm showed a considerable improvement compared to the state of the art and the execution, with a diameter of 9.5 mm represented an even further improvement. However, the embodiment was included 12.7 mm no noticeable improvement over that of 9.5 mm.
In der dargestellten Ausführungsform zeigen das Düsenelement 66 und der Haltering 68 die Neigung, unter sehr hohen Fluiddrücken gleichmässig zusammengedrückt zu werden, so dass an der Verbindungslinie dieser Elemente 66 und 68 möglicherweise eine Turbulenzerzeugung stattfindet. Es wurde jedoch gefunden,In the illustrated embodiment, the nozzle element 66 and the retaining ring 68 show the tendency to under very high fluid pressures to be evenly compressed, so that at the connecting line of these elements 66 and 68 possibly a generation of turbulence takes place. However, it was found
- 10 -- 10 -
.609815/0454 " . ..609815 / 0454 ".
511 486 jjf 25AA129511 486 jjf 25AA129
dass, falls der Durchmesser des Düsenelementes 66 mindestens das 7fache des Durchmessers der Düsenöffnung 50 beträgt, und nach Möglichkeit das 10fache»diese mögliche Turbulenzursache einen sehr geringen Einfluss auf die Kollimation des Pluidstrahls aufweist, welcher aus der Düsenöffnung 50 austritt. Bei der vorlxegenden Ausführungsform ist die Länge der Kollimationskammer 68, welcher in Fig. 2 mit "d" bezeichnet ist, näherungsweise das 10fache des Durchmessers "a" der Kollimationskammer 48. Dies hat sich als zufriedenstellend für die beabsichtigte Wirkungsweise der Kollimationskammer 48 erwiesen.that if the diameter of the nozzle element 66 is at least 7 times the diameter of the nozzle opening 50, and if possible 10 times »this possible cause of turbulence has very little influence on the collimation of the fluid jet which emerges from the nozzle opening 50. In the present embodiment, the length of the collimation chamber is 68, which is labeled "d" in FIG. 2, approximately 10 times the diameter "a" of the collimation chamber 48. This has been found to be satisfactory for the intended operation of the collimation chamber 48 proved.
O 9 8 1 R / O U *> AO 9 8 1 R / O U *> A
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