DE3516103A1 - Mischkopf zum einbringen von abrasiven partikeln in einen hochdruckwasserstrahl - Google Patents

Description

• Mischkopf zum Einbringen von abrasiven Partikeln in einen
• Hochdruckwasserstrahl Die Erfindung betrifft einen Mischkopf zum Einbringen von abrasiven Partikeln in einen Hochdruckwasserstrahl, insbesondere für Jet-Cutting-Anlagen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Das Bearbeiten und Trennen von Werkstücken durch Hochdruckwasserstrahlen ist schon lange bekannt. Diese Verfahren werden hauptsächlich zum Reinigen und Bearbeiten von Oberflächen eingesetzt. Auch das Schneiden nichtmetallischer Werkstoffe mit Hochdruckwasser ist üblich. Für schwer zerspanbare Werkstoffe, wie Metalle oder Glas, sind die Schnitttiefe und die Schnittgeschwindigkeit bei Verwendung von Hochdruckstrahlen aus reinem Wasser sehr gering. Zur Behebung dieses Mangels hat man deshalb dem Wasserstrahl auch schon abrasive Partikel, wie Glasbruch oder Korund, beigefügt. Dadurch lassen sich die Schnitt- bzw. Abtragsleistungen des Strahles wesentlich erhöhen.
• Die bisher bekannten Einrichtungen zum Beifügen der körnigen, abrasiven Partikel zu dem aus einer Düse austretenden Hochdruckwasserstrahl bestehen aus einer in Strömungsrichtung hinter der Düse angeordneten Mischkammer, in die seitlich eine Zuleitung für die Partikel einmündet, die durch den Strahl wie bei einer Strahlpumpe, angesaugt werden. Einen solchen bekannten Mischkopf zeigt schematisch das Bild 1. Wegen der einseitig ungleichmäßigen Verteilung der Partikel in der Mischkammer und der somit ungezielten Partikelzufuhr zum Umfang des die Mischkammer zentral durchströmenden Wasserstrahles ergeben diese Einrichtungen keinen gleichförmigen Partikelstrahl, wie er insbesondere für Schnitte mit sehr hohen Wasserdrücken von z. Zt. bis etwa 4000 bar erwünscht ist.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Mischkopf der bekannten, im Obergriff des Patentanspruchs 1 definierten Art zu schaffen, durch den ein gleichmäßig mit einem optimalen Anteil von abrasiven Partikeln befrachteter Schneidstrahl erzeugt werden kann.
• Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 6 richten sich auf eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung und deren bauliche Einzelheiten.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die erwähnten Mängel der bekannten Mischköpfe sich aus der einseitigen Zufuhr des Partikelstromes in einer verhältnismäßig weiten Mischkammer ergeben. In der Mischkammer bildet sich dabei eine Partikelwolke, aus welcher der zentrale Hochdruckwasserstrahl unterschiedliche Mengen von Partikeln mitreißt und beschleunigt. Der damit asymetrisch befrachtete Mischstrahl kann einen ungleichmäßigen Schnitt und einen einseitigen Verschleiß der Fokussierdüse bewirken.
• Gemäß der Erfindung wird dagegen der Partikelstrom dem Hochdruckwasserstrahl in einer der Mischkammmer vorgeschalteten Bohrung kleineren Durchmessers über eine in Strömungsrichtung konisch verjüngte Ringdüse zugeführt. Der zentral in der Bohrung verlaufende Wasserstrahl wird so auf seinem ganzen Umfang gleichmäßig mit abrasiven Partikeln beaufschlagt, die er in die Mischkammer mitreißt und sie durch Impuls austausch beschleunigt. Durch die hohe Partikelgeschwindigkeit und die zeitlich konstante, -große Partikelmenge im Strahl wird eine gute Schnittleistung erreicht.
• Die in den Unteransprüchen definierte Bauweise des Mischkopfes ergibt eine raum- und gewichtsparende Anordnung, die sich auf ein Außengewinde einer Hochdruckwasserleitung aufschrauben läßt und zugleich als Halterung für die Hochdruckstrahldüse dient. Durch die Ausbildung der Mischkammer in einem axial verstellbaren Mischrohr ist eine einfache Einstellung der Breite des Ringspaltes und der Menge des Partikelstroms möglich.
• Im folgenden werden ein bekannter Mischkopf und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
• In diesen zeigen: Bild 1 schematisch einen bekannten Mischkopf mit einseitiger Zufuhr der abrasiven Partikel, Bild 2 eine schematische Darstellung eines Mischkopfes nach der Erfindung, Bild 3 die baulichen Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Mischkopfes in Seitenansicht vergrößert dargestellt, Bild 4 den Mischkopf nach Bild 3 im Längsschnitt in Verbindung mit einer Hochdruckwasserstrahldüse, Bild 5 die Anordnung nach Bild 4 mit einem rohrförmigen Bündelungseinsatz.
• In den Bildern 1 und 2 sind die Hauptteile eines bekannten bzw. eines erfindungsgemäßen Mischkopfes sowie die Verläufe des Hochdruckwasserstrahles, des Partikelstromes, des Mischstrahles und des gebündelten Schneidstrahles wörtlich bezeichnet, so daß sich eine weitere Beschreibung erübrigt.
• Wesentlich ist nur der Unterschied, daß bei dem bekannten Mischkopf nach Bild 1 die Zufuhr des Partikelstromes in die Mischkammer von einer Seite erfolgt, was zu einer über den Umfang bzw. Querschnitt des Hochdruckwasserstrahles ungleichmäßigen Verteilung der abrasiven Partikel und evtl.
• auch zu einer seitlichen Ablenkung des Strahles -und damit zu einem einseitig stärkeren Verschleiß der Fokussierdüse führt. Demgegenüber ist bei dem Mischkopf nach dem Bild 2 durch die zum Wasserstrahl konzentrische Partikelzufuhr mittels einer konischen Ringdüse eine gleichmäßige Partikelverteilung im Strahl und ein gerader Verlauf des Mischstrahles gewährleistet.
• Die in den Bildern 3 bis 5 dargestellte Konstruktion eines erfindungsgemäßen Mischkopfes besteht aus einem Vorsatzkörper 1 mit einer zylindrischen Längsbohrung 4, in die vom dem verdickten oberen Ende des Vorsatzkörpers 1 aus ein Kupplungsstück 2 passend eingesteckt und durch einen seitlich in den Vorsatzkörper eingeschraubten Gewindestift 16 fixiert ist. In das untere Ende der Längsbohrung 4 ist ein Mischrohr 5 eingesetzt und ebenfalls durch einen Gewindestift 17 gesichert. Im Inneren des Mischrohres befindet sich eine langgestreckte Mischkammer 5, die an ihrem oberen Ende in einen zu ihr koaxialen Bohrungsteil 6e übergeht und sich von dort über eine Innenkonusfläche 9b bis zum Außendurchmesser des Mischrohres 3 (bzw. bis zu der Längsbohrung 4 des Vorsatzkörpers 1) erweitert.
• Das von oben in die Längsbohrung 4 eingeschobene Kupplungsstück 2 ist an seinem unteren Teil zunächst etwas zylindrisch nach innen abgesetzt und verjüngt sich dann über eine Außenkonusfläche 9a bis zu einem axialen Bohrungsteil 6a. Das Kupplungsstück 2 und das Mischrohr 3 sind in ihrer Länge so bemessen, daß sie nach dem Einsetzen in die Längsbohrung 4 mit ihren den gleichen Kegelwinkel von -etwa 600 aufweisenden Konusflächen 9a und 9b einen konischen Ringspalt 9 begrenzen. Das Mischrohr 3 ist mittels eines Feingewindes 14 in den Vorsatzkörper 1 eingeschraubt, so daß die axiale Breite des Ringspaltes 9 durch Drehen des Mischrohres 3 an seinem gerändeltem Ansatz 18 verändert werden kann. Ein nach innen zylindrisch abgesetzter Teil der Außenfläche des Kupplungsstückes 2 bildet mit der Längsbohrung 4 des Vorsatzkörpers 1 eine Ringkammer 8. In der Höhe der Ringkammer 8 sind in den verdickten Teil des Vorsatzkörpers 1 unter einem Winkel von etwa 45° zur Achse der Längsbohrung zwei Gewindebohrungen einander diagonal gegenüber eingebracht, in die je ein Anschlußstück 7 für eine Partikelzufuhrleitung eingeschraubt ist.
• Das Kupplungsstück 2 weist in seinem oberen Teil eine Anschlußbohrung 12 mit Innengewinde 13, das auf ein Außengewinde einer Hochdruckwasserleitung 10 aufgeschraubt ist.
• Die Anschlußbohrung 12 ist an ihrem Ende nach innen abgesetzt. Die so gebildete Schulter dient als Anlage für eine, den Hochdruckwasserstrahl S formende, handelsübliche Düse 11, die mit einem zentrischen Ansatz in den nach innen abgesetzten Teil 12a der Anschlußbohrung 12 hineinragt. Dies gewährleistet, daß der Hochdruckwasserstrahl S zentrisch in der von den Bohrungsteilen 6a und 6e gebildeten Eintrittsbohrung 6 verläuft.
• In das Mischrohr 3 ist am unteren Ende der Mischkammer 5 eine Fokussierdüse 15 aus verschleißfestem Material, z. B.
• aus Siliziumkarbid, zum Bündeln des aus dem Mischkopf austretenden Schneidstrahles eingeschraubt. Sowohl diese Düse 15 als auch das Kupplungsstück 2 sind mit seitlichen Abflachungen zum Ansetzen eines Schraubenschlüssels versehen.
• Der vorstehend anhand der Figuren 3 und 4 erläuterte Mischkopf funktioniert folgendermaßen. Der aus der Hochdruckwasserleitung 10 durch die Düse 11 in den Bohrungsteil 6a eintretende Hochdruckwasserstrahl S bewirkt in seiner Umgebung einen Unterdruck, der sich über den Ringspalt 9, die Ringkammer 8 und die Anschlußstutzen 7 bis zu den Zufuhrleitungen für die abrasiven Partikel fortsetzt und dadurch einen stetigen Partikelstrom P ansaugt. Der Partikelstrom verteilt sich in der Ringkammer 8 und strömt dann durch den konischen Ringspalt 9 geichmäßig mit einer Axialkomponente auf den Umfang des Hochdruckwasserstrahles- S. Von diesem werden die Partikel durch den Bohrungsteil 6e mitgerissen und bilden in der Mischkammer 5 mit dem Wasser einen Mischstrahl M, in dem sie durch Impulsaustausch auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden. Durch die Fokussierdüse 15 wird der Mischstrahl M zu einem Schneidstrahl Sch eng gebündelt, der für die jeweils erforderliche Schneid-oder Abtragbearbeitung eingesetzt werden kann.
• Der Mischkopf nach Bild 5 unterscheidet sich von dem in den Bildern 3 und 4 dargestellten nur durch die Form des Bündelungseinsatzes. Dieser ist nicht als kurze Fokussierdüse 15, sondern als langestrecktes Einsatzrohr 19 ausgebildet, welches die Mischkammer 5 ganz durchsetzt und dessen Innenraum 20 im Druchmesser nur wenig größer ist als der des Eintrittsbohrungsteiles 6e. Dadurch ergibt sich eine hohe Geschwindigkeit des Mischstrahles auf seiner ganzen Länge, was bei manchen Betriebsverhältnissen zu einer besseren Partikelverteilung und -beschleunigung führt.
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Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Mischkopf zum Einbringen von abrasiven Partikeln in einen aus einer Düse durch eine Eintrittsbohrung in eine Mischkammer eintretenden Hochdruckwasserstrahl, insbesondere für Jet-Cutting- Anlagen, wobei die Eintrittsbohrung zentral in die Mischkammer mündet und die Zuführung der abrasiven Partikel seitlich in den Mischkopf erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zuleitungen (7) für die abrasiven Partikel gleichmäßig am Umfang einer Ringkammer (8) verteilt vorgesehen sind, die mit der Eintrittsbohrung (6) für den Durchlaß des Hochdruckwasserstrahles (S) über einen in Strahlrichtung sich konisch verjüngenden Ringspalt (9) verbunden sind.
2. 2. Mischkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorsatzkörper (1) vorgesehen ist, in dessen zylindrische Durchgangsbohrung (4) von einer Seite ein Mischrohr (3) mit der langgestreckten Mischkammer (5) und mit dem Endteil (6e) der Eintrittsbohrung (6) sowie von der anderen Seite ein Kupplungstück (2) eingesetzt ist, das zur Verbindung des Vorsatzkörpers (1) mit der Hochdruckwasserzuleitung (10) dient und die Strahldüse (11) sowie den Anfangsteil (6a) der Eintrittsbohrung (6) enthält.
3. 3. Mischkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem inneren Ende des Mischrohres (3) eine Innenkonusfläche (9a) und am inneren Ende des Kupplungsstükkes (2) eine Außenkonusfläche (9b) mit gleichem Kegelwinkel ( ) vorgesehen sind, die zusammen den konischen Ringspalt (9) begrenzen.
4. 4. Mischkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischrohr (3) mittels eines Feingewindes (14) in den Vorsatzkörper (1) eingeschraubt ist, so daß durch eine Drehbewegung des Mischrohres (3) die Breite des Ringspaltes (9) und damit die Menge des Partikelstromes (P) veränderbar ist.
5. 5. Mischkopf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kupplungsstück (2) eine Anschlußbohrung (12) mit Innengewinde (13) vorgesehen ist, das auf ein Außengewinde der Hochdruckwasser-Zuleitung aufschraubbar ist.
6. 6. Mischkopf nach einen der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in das äußere Ende der Mischkammer (5) eine Fokussierdüse (15) oder ein Einsatzrohr (19) zum Bündeln bzw.

   Führen des mit den abrasiven Partikeln vermischten Hochdruckwasserstrahles (M) zu einem Schneidstrahl (Sch) eingeschraubt ist.