DE3343611A1

DE3343611A1 - Verfahren und vorrichtung zur materialbehandlung mit einem hochdruckmittelstrahl

Info

Publication number: DE3343611A1
Application number: DE19833343611
Authority: DE
Inventors: Günther 4006 Erkrath Köhler; Manfred 4130 Moers Rausch
Original assignee: Woma Apparatebau Wolfgang Maasberg and Co GmbH; Woma Apparatebau GmbH
Current assignee: Woma Apparatebau Wolfgang Maasberg and Co GmbH; Woma Apparatebau GmbH
Priority date: 1983-12-02
Filing date: 1983-12-02
Publication date: 1985-06-13

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Materialbehandlung mit einem
Hochdruckmittelstrahl Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbehandlung insbesondere von Oberflächen, z. B. zum Abtragen, Entgraten von Gußstücken, zum Reinigen von Schiffswänden, zum Schneiden oder Bohren von Holz, Textilien, Kunststoffen oder Metallen oder dergleichen.
Die bisher bekannten Hochdruckwasserstrahlanlagen arbeiten mit kontinuierlich aus einer Düse austretenden Strahlen. Dabei ist mit einem diskontinuierlichen Strahl bei manchen Materialarten bei gleicher Pumpenleistung ein bedeutend höherer Materialabtrag zu erreichen. Dies ist durch den sogenannten Tropfenschlag -Effekt zu erklären. Beim Aufschlag eines Flüssigkeitstropfens auf eine Oberfläche tritt innerhalb einer Mikro-Sekunde ein Stoßdruck auf, der um ein Vielfaches höher ist als der Staudruck des kontinuierlichen Strahls. Um den Tropfenschlag -Effekt auszunutzen, hat man bereits versucht, den Strahl in der Düse zu beeinflussen. Man hat dem Strahl Schwingungen oder Pulsationen überlagert oder eine Zerteilung des Strahls durch Ventile oder Turbinen versucht. Man hat ebenfalls bereits eine Beeinflussung des Strahles nach Verlassen der Düse durch Vorschalten einer Lochscheibe oder einer Radialturbine vorgeschlagen.
Alle diese Maßnahmen sind sehr aufwendig und störanfällig und bedingen einen Energieverbrauch, der den bei Auslösung des Strahls in Tropfen erzielten Energiegewinn wieder aufhebt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen ein aus einer Düse austretender Strahl bereits kurz nach Verlassen des Düsenmundes ohne Energieverlust in Tropfen aufgelöst werden kann und, ohne daß dazu Ein- oder Anbauten erforderlich sind.
Die zur Lösung der gestellten Aufgabe wesentlichen Merkmale der Erfindung sind im Patentanspruch 1 genannt. Die Unteransprüche nenen Ausführungsarten der Erfindung.
Die Struktur eines Hochdruckwasserstrahls ist in der Literatur beschrieben. Ein aus der Düse austretender Strahl hat zunächst einen zusammenhängenden Bereich, der sich aus einem Strahlkern, einem Übergangsbereich und einem Kompaktstrahl zusammensetzt. In diesem zusammenhängenden Bereich herrscht eine konstante oder nahezu konstante Strömungsgeschwindigkeit. Es folgt dann ein Bereich des aufgelösten Strahls, ein sogenannter Tropfenstrahl, in dem die Strömungsgeschwindigkeit abnimmt. Daran anschließend folgt in einem Endbereich der Zerfall des Strahls.
Durch die Erfindung wird nun erreicht, daß bereits im Bereich des zusammenhängenden Strahls eine Auflösung in Tropfen erfolgt. Dabei konnte überraschend festgestellt werden, daß durch das Zusammenführen der beiden Strahlen nach der Erfindung nicht nur die Geschwindigkeit-des aus einzelnen Tropfen bestehenden Strahls erhöht, sondern auch dessen Durchschlagswirkung gesteigert wird, und zwar in ganz erheblichem Maße. Durch die Erfindung wird somit erreicht, daß bereits im Bereich des sich unmittelbar an die Düse anschließenden Strahlkerns statt einer konstanten Geschwindigkeit die zur Tropfenbildung führenden unterschiedlichen Strahlgeschwindigkeiten auftreten, wodurch die sonst statische Belastung der zu behandelnden Oberfläche in eine dynamische-- verwandelt wird. Es kann mindestens eine 3-fache Wirkung erreicht werden, bzw. es können niedrigere Drücke und damit geringere Strömungsmittelmengen angesetzt werden, wodurch Investitions- und Betriebskosten einzusparen sind.
Ein besonderer Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, daß der Abstand zwischen Düse und zu behandelnder Werkstückoberfläche nicht durch mechanische Bauteile begrenzt ist. Man kann also relativ dicht an die zu behandelnde Fläche herankommen, was z. B. insbesondere beim Entgraten einander kreuzender Bohrungen von Vorteil ist.
Wesentlich für das neue Verfahren ist, daß für einen schnellen Abfluß des Hochdruckmittels von der Werkstoffoberfläche gesorgt wird, da sonst die Stoßdruckspitzen der Tropfen durch einen Hochdruckmittelfilm auf der Oberfläche gedämpft werden könnten.
Da der Staudruck eines Flüssigkeitsstrahles quadratisch von der Geschwindigkeit abhängt, der Stoßdruck der Tropfen in erster Näherung aber nur linear, ist es zweckvoll, das neue Verfahren nur bis zu einer gewissen Strahlgeschwindigkeit anzuwenden, bis zu der der Stoßdruck noch über dem Staudruck des kompakten Flüssigkeitsstrahls liegt. Diese Grenzgeschwindigkeit dürfte bei etwa 2900 m/sec bei Wasser von 15 0 C als Hochdruckmittel liegen.
Die Zerteilung des Flüssigkeitsstrahles kann auch noch dadurch gefördert werden, daß parallel zu ihm, ihn einhüllend, ein Luftstrom in oder entgegengesetzt zu seiner Strömungsrichtung geblasen wird.
Durch die neue Maßnahme wird der aus der Düse tretende Strahl nicht nur vertropft, sondern auch beschleunigt, Ursache dafür dürfte Reibung und Impulsaustausch zwischen Teilen der beiden Strahlen sein.
Die benachbarten Strahlen ziehen einander an und vereinigen sich zu einem gemeinsamen Strahl. Das erfolgt auch schon dann, wenn sie parallel aus einer Düse austreten. Offensichtlich entsteht dabei zwischen den beiden Strahlen ein Unterdruck, der die beiden Strahlen zusammenzieht.
Ordnet man die Austrittsöffnungen in Vorschubrichtung des zu behandelnden Materials hintereinander liegend an, so erhält man im Material eine breite Abtragungsspur. Es kann also dadurch eine wesentlich mehr Energieeinsatz erfordernde Flachstrahldüse durch eine erfindungsgemäße Düse mit geringerem Energieverbrauch ersetzt werden. Ordnet man die Austrittsöffnungen senkrecht zur Vorschubrichtung des zu behandelnden Materials an, so ergibt sich eine schmale Abtragungsspur. Durch unterschiedliche Offnungsweite der Austrittsöffnungen und/oder unterschiedliche Austrittswinkel der Bohrungen im Düsenkörper bezogen auf die Mittelachse des Düsenkörpers kann die Abtragungswirkung einseitig geändert, z. B. verstärkt oder vermindert werden.
Das neue Verfahren zeigt bei unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Wirkung. Besonders günstige Wirkung ist mit Materialien mit einem Wöhler-Verhalten, also mit großer Biegefestigkeit zu erreichen, wie z. B. AL oder FE. Aber auch bei PVC oder Beton wurden gute Wirkungen erzielt.
Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 die Struktur eines aus der Literatur bekannten Hochdruckwasserstrahles und in Fig. 2 eine Ausführungsform der neuen Düse mit dem Düsenköper 1, den Austrittsöffnungen 2 vor den Bohrungen 3 sowie von den beiden Bohrungen 3 eingeschlossenen Winkel 4 und den Mittenabstand 5 der beiden Austrittsöffnungen 2.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Materialbehandlung, insbesondere zum Abtragen Entgraten, Schneiden, Bohren oder Reinigen mit einem Hochdruckmittelstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckmittelstrahl der zu behandelnden Fläche des Materials aus einer Doppelstrahldüse,*deren Strahlen einander im Bereich des noch zusammenhängenden Strahls, also des Strahlkerns oder des Kompaktstrahls, konstanter Geschwindigkeit tangieren und dadurch zertropfen und beschleunigt werden und in derartigen Abstand des Düsenmundes von der zu behandelnden Fläche zugeführt wird, daß die Fläche im Bereich des Beginns des der Strahlvereinigung bzw. des Zertropfens des Hochdruckmittelstrahls oder kurz dahinter liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulaufdruck des Hochdruckmittels, die öffnungsweite der Düse, der Mittenabstand der beiden Bohrungen, die Vorschubgeschwindigkeit der Düse bzw. der zu behandelnden Fläche und/oder der Abstand der Düse von der Fläche dem jeweiligen Behandlungszweck anpepaßt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Hochdruckmittelstrahls derart begrenzt wird, daß der Stoßdruck des zertropften Strahls unterhalb des Staudrucks des zusammenhängeden Strahls bleibt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckmittelabfluß von der Auftreffstelle des Strahls auf die Oberfläche, z. B. durch Absaugen, beschleunigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Hochdruckmittelstrahl diesen tangierend ein Luftstrom in oder entgegengesetzt zur Strahlrichtung gerichtet wird.
6. Düse zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenmund zwei parallele oder zueinander schräg gestellte Austrittsöffnungen (2) gleicher oder ungleicher Öffnungsweite aufweist, deren Abstände voneinander und ggfs. Neigungswinkel zueinander so gewählt sind, daß die aus den Öffnungen (2) austretenden Hochdruckmittelstrahlen einander im Bereich des zusammenhängenden Strahles tangieren.
7. Düse nach Anspruch 6 mit zwei, Austrittsöffnungen aufweisenden, Bohrungen (3) im Düsenkörper (1), gekennzeichnet durch einen Mittenabstand (5) der beiden Öffnungen (2) im Bereich zwischen nahezu 0 und 2", vorzugsweise von 2,25 und 3,10 mm und einer Weite der Öffnungen im Bereich vorzugsweise zwischen 1 und 1,3 mm.
8. Düse nach Anspruch 6 oder 7 mit zueinander schräggestellten, die Austrittsöffnungen aufweisenden Bohrungen (3) im Düsenkörper (1), gekennzeichnet durch einen von den Achsen der Bohrungen eingeschlossenen Winkel (4) im Bereich zwischen 0 und 90".
9. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch Anordnung der beiden Düsenöffnungen in Vorschubrichtung oder senkrecht zur Vorschubrichtung des zu behandelnden Materials.
10. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch unterschiedliche Anstellwinkel der Bohrungen (3) bezogen auf die Längsachse des Düsenkörpers und/oder unterschiedliche Öffnungsweite der Düsenöffnungen (2).