DE2544129C2 - Method and device for cutting with a continuously flowing liquid cutting jet of high flow velocity - Google Patents
Method and device for cutting with a continuously flowing liquid cutting jet of high flow velocityInfo
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Description
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 2 zum Schneiden mit einem kontinuierlich fließenden Flüssigkeitsschneidstrahi hoher Strömungsgeschwindigkeit.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus according to the preamble of claim 2 for cutting with a continuously flowing liquid cutting jet high flow velocity.
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.The use of jets of liquid as a means of cutting or grinding various materials has long been known. For example, in a hydraulic mining process, a high pressure liquid jet is used Used to cut through rock formations, layers of coal or the like.
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.Furthermore, there are already various devices for generating high-speed pulsed jets of liquid known one reason to use a pulsed beam is that as compared to Devices that work with continuous flow, higher pressures can be achieved.
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 größer ermöglichten. Eine derartige Vorrichtung ist in der US-PS 38 ti 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. Diese Art eines Flüssigkeits-Strahlschneidens mit einem verhältnismäßig schmalen Flüssigkeitsstrahl sehr hoher Geschwindigkeit stellt einen ziemlich präzisen Vorgang dar.In recent years, development work has been carried out on high-pressure boosters, which are essentially a constant delivery of a fluid jet with velocities of the order of 366 m / s and still much larger. Such a device is described in US-PS 38 ti 795. One the practical applications of such a device is in a beam cutting, in which a small diameter jet of fluid (i.e., between fractions of a diameter of Millimeter to a few hundredths of a millimeter) is used for a variety of materials, such as wood, fabric, sandstone, etc., to achieve relatively narrow cutting widths. That kind of one Liquid jet cutting with a relatively narrow jet of liquid at very high speed represents a fairly precise process.
Es ist Aufgabe der Erfindung bei einem Schneidvorgang dieser Art eine zu große Verteilung des Flüssigkeitsschneidstrahls zu vermeiden oder anders ausgedrückt, einen »kohärenteren« oder »besser kollimierten« Strahl zu erhalten.It is an object of the invention in a cutting process of this type, too large a distribution of the Liquid cutting jet or, in other words, a "more coherent" or "better collimated" Get beam.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren bzw. bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 2 gelöst.This object is achieved in a generic method or in a generic device solved by the characterizing features of claim 1 and claim 2, respectively.
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 vermeiden, auf die Verbesserung der Düsenausbildung und die Anordnung sorgfältig bearbeiteter konvergierender Oberflächen, die zur Düsenöffnung führen.Such a collimated beam has several Advantages, for example greater cutting efficiency, the achievement of a smaller cutting width, a better surface quality at the interface and avoidance of excessive wetting of the cut material. To the best of the applicant's knowledge, most efforts have been related to a To avoid spreading the jet, work carefully on improving the nozzle design and arrangement machined converging surfaces leading to the nozzle opening.
Die Erfindung stellt eine Verbesserung der vorausgehend genannten Vorrichtung zum Schneiden mit Flüssigkeitsstrahlen dar. Diese Verbesserung erhöht die »Kollimation« oder »Kohärenz« des Flüssigkeitsstrahls, um eine Schneidwirkung des Strahls mit verfeinerter Schnittbreite, verbesserter Oberflächengüte der Schnittflächen, geringerer Benetzung und potentiellen Erhöhungen der Produktivität und der Schneidgeschwindigkeit zu erzielen. Gemäß der erfindurigsgemäßen Verbesserung ist ein Gehäuse zwischen der Leitungsanordnung und der Düse vorgesehen, welches unmittelbar stromaufwärts der Düse eine Strömungskollimationskammer bildet, welche die Flüssigkeit von der Leitungsanordnung aufnimmt und sie direkt an die Düse abgibt, wobei die Kollimationskammer eine Querschnittsfläche besitzt, die zumindest größer als das lOOfache der Düsenöffnung ist. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der Kollimationskammer größer als das 200fache der Querschnittsfläche der Düse; die Verbesserung ist noch größer, wenn das vorausgehend genannte Verhältnis in der Größenordnung des 400fachen oder größer liegt und wird noch erhöht, wenn dieses Verhältnis in der Größenordnung von dem lOOOfachen oder 1400fachen liegt. Bei einem über den HOOfachen hinausgehenden Wert wird keine merkliche Verbesserung der Kohärenz des Flüssigkeitsstroms mehr beobachtet.The invention provides an improvement of the aforementioned device for cutting with Liquid jets. This enhancement increases the "collimation" or "coherence" of the liquid jet, a cutting effect of the jet with a refined cutting width, improved surface quality of the Cut surfaces, less wetting and potential increases in productivity and cutting speed to achieve. According to the improvement according to the invention, a housing is between the Line arrangement and the nozzle are provided, which is a flow collimation chamber immediately upstream of the nozzle forms, which absorbs the liquid from the line arrangement and sends it directly to the Dispensing nozzle, the collimation chamber having a cross-sectional area at least greater than that 100 times the nozzle opening. Preferably, the cross-sectional area of the collimation chamber is greater than 200 times the cross-sectional area of the nozzle; the improvement is even greater when the previous one Said ratio is in the order of 400 times or greater and is increased if this ratio of the order of that 100 times or 1400 times. If the value exceeds the HOOfold, there will be no noticeable Improvement in the coherence of the liquid flow was observed more.
Das Auftreten einer größeren Kohärenz des Düsenstrahls durch die Verwendung einer KoIIimationskamiTier wird möglicherweise nicht völlig verstanden, jedoch wird angenommen, daß die folgende Hypothese wenigstens teilsweise 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 Düsensu'ahls erheblich verbessert istThe occurrence of a greater coherence of the jet through the use of a coordination camera may not be fully understood, however, it is believed that the following hypothesis can serve at least partially as an explanation. However, the present invention makes them independent on the accuracy or validity of this hypothesis, an improved device and one improved method created in which the cutting effect by improving the collimation of the nozzle selection 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 in der umgebenden 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 Male größer und häufig viel größer als die Querschnittsfläche der Düsenöffnung gemacht. Jedoch wurde bei den Ausführungen des Standes der Technik angenommen, daß, falls der Querschnitt des Strömungskanals in der Leitungsanordnung sich einem Wert nähert, welcher das lOOfache des ^ Querschnitts der Düse beträgt, durch eine weitere Erhöhung dieses Querschnittbereichs kein besonderer Vorteil erhalten werden kann.Consistent with this hypothesis, it is assumed that · that one of the factors influencing the distribution of the Fluid jet influenced by the turbulence is formed within the liquid jet. This turbulence can be very small as a number Eddy currents in the liquid can be understood, which have a greater interaction between the Generate liquid on the surface of the jet and the adjacent layer of air, which in turn the liquid is distributed in the surrounding air layer. It was recognized that a The main reason for the formation of turbulence in the nozzle design and the shape of the nozzle leading converging walls lies. It was also found that the flow data of the liquid upstream of the nozzle can influence the turbulence of the liquid. Was accordingly the cross-sectional area or flow area of the conduit arrangement is several times larger and often much made larger than the cross-sectional area of the nozzle opening. However, in the case of the Prior art assumed that if the cross section of the flow channel in the line arrangement approaches a value which is 100 times the ^ Cross-section of the nozzle is no particular due to a further increase in this cross-sectional area Advantage can be obtained.
Werden ferner sehr hohe Flüssigkeitsdrücke verwendet (beispielsweise in der Größenordnung von 3515 bar 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 Hochdruckkanal ausgeübte Kraft, welche bestrebt ist, den Kanal längs einer durch die Längsachse des Kanals laufenden Ebene in zwei Hälften aufzureißen, 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 versetzt 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 größer als bei bekannten Anordnungen ist, eine Verringerung der Turbulenz 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 Flüssigkeitsstrahls 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 »Kollimationskammer« bezeichnet und entsprechend in der anschließenden Beschreibung verwendet In den Zeichnungen zeigtAlso, very high fluid pressures are used (for example on the order of 3515 bar or higher), structural considerations suggest the diameter of the flow channel in the line arrangement to be kept within reasonable limits. Because that of a fluid in a high pressure channel exerted force tending to move the channel along a plane running through the longitudinal axis of the channel to tear open in two halves, the diameter of the flow channel in the line arrangement directly is proportional, an increase in the diameter of the flow channel requires a corresponding> " Increasing the wall thickness so that the flow channel can withstand the higher forces. With others In other words, if the diameter of the flow channel in the line arrangement doubles, so it is necessary to double the wall thickness of the line arrangement or, as an alternative, take other measures take, through which the line arrangement is enabled, the explosive forces of the high pressure liquid to resist. To return to the hypothesis according to the invention, it is assumed that, if the flow is passed through a flow chamber immediately upstream of the outlet nozzle whose cross-section compared to the nozzle cross-section is significantly larger than in known arrangements there is a reduction in the turbulence of the liquid emerging from this chamber into the nozzle, this reduction in turbulence is a significant improvement in terms of collimation of the Coherence of the liquid jet brings regardless of the validity of this hypothesis was experimental demonstrated that this effect is present. This provided according to the invention, immediately upstream The chamber arranged in the nozzle is explained in connection with the preceding one Effect called "collimation chamber" and accordingly in the following description used in the drawings shows
F i g. 1 eine Seitenansicht einer mit Flüssigkeitsstrahl arbeitenden erfindungsgemäßen Schneidvorrichtung,F i g. 1 shows a side view of a cutting device according to the invention operating with a liquid jet;
F i g. 2 eine teils im Schnitt dargestellte Längsansicht der erfindungsgemäßen Kollimationskammer und der Düse undF i g. 2 shows a partially sectioned longitudinal view of the collimation chamber according to the invention and of FIG Nozzle and
F i g. 3 eine vergrößerte Schnittdarstellung des vorderen Teils der Kollimationskammer und der Düsenanordnung.F i g. 3 is an enlarged sectional view of the front part of the collimation chamber and the Nozzle arrangement.
Gemäß F i g. 1 weist die mit Flüssigkeitsstrahl arbeitende Schneidvorrichtung IO 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 cutting device IO operating with a liquid jet has an electrical one Motor 12, which operates a hydraulic pump 14, the working medium in turn 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 discharge end of the line 20 is an outlet arrangement 22, which a liquid cutting jet with small diameter and very high speed supplies.
Die Austrittsanordnung 22 ist insbesondere in F i g. 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 Anschlußstück 28 ist in üblicher Weise ausgebildet und wird daher nicht näher beschrieben.The outlet arrangement 22 is shown in particular in FIG. 2 and has a substantially cylindrical elongated housing 24, which has a front outlet end which is provided with a nozzle arrangement 26 is connected, and a rear end which is connected to the outlet end of the line 20 via a connector 28 connected is. The connection piece 28 is formed in the usual way and is therefore not detailed described.
Der Strömungskanal 44 hat den gleichen Durchmesser wie der Strömungskanal 46 in der Leitung 20.The flow channel 44 has the same diameter as the flow channel 46 in the line 20.
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 der Querschnittsfläche dieser Kollimationskammer 48 gegenüber der Querschnittsfläche der Düse erfindungsgemäß von besonderer Beduetung.The flow channel 44 leads into an elongated cylindrical collimation chamber 48 which extends through the Housing 24 is formed. The collimation chamber 48 for its part stands directly with a nozzle opening 50 with the small diameter connection present in the nozzle assembly 26, as previously mentioned is the ratio of the cross-sectional area of this collimation chamber 48 to the cross-sectional area the nozzle according to the invention of particular importance.
Der Druckverstärker 16 Hefen Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, über die Leitung 20 mit einem ausreichenden Druck (beispielsweise 1406 bis 7030 bar) an die Austrittsanordnung 22, damit ein verhältnismäßig schmaler Fluidstrahl erzeugt wird, welcher beispielsweise einen Durchmesser aufweist, der für die hier betrachteten Schneidvorgänge zwischen 25 Mikrometer und 0,37 mm liegt. Bei Schneidvorgängen, die mit höherer Leistung erfolgen, kann der Durchmesser des Fluidstrahls etwas größer 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 durcn das vorliegende Material zu schneiden.The pressure intensifier 16 yeast liquid, for example Water, via line 20 at a sufficient pressure (for example 1406 to 7030 bar) to the outlet arrangement 22 so that a relatively narrow fluid jet is generated, which for example has a diameter that for the cutting operations considered here between 25 micrometers and 0.37 mm. For cutting operations that take place with higher power, the diameter of the Fluid jet be slightly larger. The fluid jet emerges at a sufficiently high speed that is at least approximately 305 m / s, and more preferably on the order 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 Kollimationskammer 48. In der dargestellten Ausführungsform ist der Durchmes-The 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 into the collimation chamber 48. In the embodiment shown, the diameter is
ser der Kollimationskammer 48, welcher in F i g. 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 größer als jener 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 austritt. Der Fluidstrahl gelangt frei durch den Kanal 53 des Düsengehäuses, wobei der Fluidstrom in einem solchen Ausmaß kollimiert ist, daß er die Seitenwände des Kanals 53 nicht berührt.ser of the collimation chamber 48, which in F i g. 3 is indicated by "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 than that of the flow channel 46-44. Therefore, the velocity of the fluid flowing through the collimation chamber 48 is only a quarter of the flow velocity of the fluid in the channel 46-44. The fluid passes from the front end of the collimation chamber 48 directly into the nozzle opening 50, the fluid emerging as a fluid stream. The fluid jet passes freely through the channel 53 of the nozzle housing, the fluid flow being collimated to such an extent that it does not contact the side walls of the channel 53.
Es wurde gefunden, daß, falls der Durchmesser »a« der Kollimationskammer 48 mehr als lOmai größer als der Durchmesser der Düsenöffnung 50 gemacht wird (wodurch der Querschnitt der Kollimationskammer 48 mehr als das 10Ofache des Querschnitts der Düsenöffnung 50 wird), die Kollimation des Fluidstrahls 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 größer als das 400fache und so hoch wie das lOOOfache oder HOOfache 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 koine merkliche Verbesserung mehr erhalten wird, wie dies bereits erläutert wurde.It has been 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 (making the cross-section of the collimation chamber 48 more than 10,000 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. If the diameter "a" is increased further so that the cross-section of the collimation chamber 48 is greater than 400 times and as high as 1000 or HOO times the cross-section of the nozzle opening 50, an even greater improvement in the collimation of the fluid jet is obtained while a noticeable improvement is obtained at ratio values in excess of 1400 ko, as already 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: ,In an apparatus carried out in accordance with the foregoing, a nozzle 50 was provided with a diameter of 0.25 mm, while the diameter of the channel 44 was 3.2 mm and the Collimation chamber 48 was made in three designs:,
1. mit einem Durchmesser von 6,3 mm,1. with a diameter of 6.3 mm,
2. einem Durchmesser von 9,5 mm und2. a diameter of 9.5 mm and
3. einem Durchmesser von 12,7 mm.3. a diameter of 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 Ausführung 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.The embodiment in which the collimation chamber had a diameter of 6.3 mm resulted a significant improvement over the prior art and one diameter design of 9.5 mm was an even further improvement. however, the embodiment provided at 12.7 mm there was no noticeable improvement over that at 9.5 mm.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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