DE3624271A1

DE3624271A1 - Verfahren zur herstellung einer duese und verwendung derselben

Info

Publication number: DE3624271A1
Application number: DE19863624271
Authority: DE
Inventors: Siegfried Duerr
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1986-07-18
Filing date: 1986-07-18
Publication date: 1988-01-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanoplastischen Herstellung einer Düse mit einer Innenmantelfläche, deren Steigung bezüglich einer Symmetrieachse variabel und insbe sondere gegenläufig ausbildbar ist, wobei auf einem Grund körper von der Negativform des Düsenkörpers eine elektroly tische Metallabscheidung als Düsenkörperpositiv aufgebracht und danach der Grundkörper auf chemischem oder mechanischem Wege herausgelöst wird sowie die Verwendung einer derart hergestellten Düse.

Die galvanoplastische Düsenherstellung mit komplizierten Innenwandmantelflächen ist aus der DE-PS 28 28 993 bekannt.

Einen wichtigen Bestandteil von z.B. Wasserschneidanlagen bilden die Schneiddüsen. Um den von einem Druckübersetzer erzeugten quasistatischen Druck (800-5000 bar) in die für den Trennvorgang benötigte kinetische Energie umzuwandeln, muß die Flüssigkeit (z.B. Wasser) mit Hilfe einer Düse beschleunigt werden. Im Falle des "Jet-Cuttings" sind hohe Geschwindigkeiten des Wasserstrahls notwendig, um optimale Schneidergebnisse zu erreichen. Da die Kompressibilität des Wassers sehr gering ist, wird die Strahlgeschwindigkeit fast ausschließlich vom Arbeitsdruck p bestimmt.

Begrenzender Faktor beim Aufbau des Arbeitsdrucks und damit der Strahlgeschwindigkeit ist der vom Verstärkeraggregat maximal förderbare Volumenstrom. Soll nun die größtmögliche Stahlgeschwindigkeit erzielt werden, bleibt nur eine Verkleinerung der Düsengeometrie. Um die Verluste in der Düse möglichst klein zu halten, ist die Gestaltung einer optimalen Düsengeometrie von größter Bedeutung.

Die Verluste in der Düse bestehen im wesentlichen aus Ablösungs- und Wandreibungsverlusten. Um einen scharfen gebündelten Schneidstrahl mit großer Kohärenzlänge zu erzielen, ist eine hohe Oberflächenqualität der Düsenwand Voraussetzung. Die Bohrungsdurchmesser im engsten Teil der Düsen betragen in der Regel 0,1-0,6 mm. Bedingt durch die hohe Materialbeanspruchung in der Düse kommen als Düsenwerkstoff derzeit meist synthetischer Saphir und Dia mant infrage. Versuche, rostfreien Stahl und Wolframkarbid als Düsenwerkstoff für Wasserstrahl-Schneiddüsen einzu setzen, haben gezeigt, daß diese Werkstoffe den auftreten den Kavitations- und Erosionsangriffen nur wenige Minuten standhalten können. Die Innenkontur der Düse verändert sich innerhalb kürzester Zeit und führt zu einem deutlich ver schlechterten Strahlbild.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das e.g. Verfahren derart auszunutzen, daß Düsen mit komplizierten Geometrien und kleinsten Abmessungen kostengünstig und reproduzierbar hergestellt werden können.

Die Lösung ist im kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Herstellung z.B. der Schneiddüsen auf galvanoplastischem Weg (z.B. aus dem Werkstoff Nickel) mit eigens entwickelter und gut realisierbarer Düsengeometrie zeigt sich den derzeit auf dem Markt angebotenen Schneiddüsen aufgrund der strömungsgünstigen Formgebung in der Schnittleistung überlegen. Als Verschleiß schicht wird bevorzugt auf das Strukturmaterial der Schneiddüse eine 5-7µm starke Titan-Nitrid-Schicht aufgedampft.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen mittels der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Unter Galvanoplastik versteht man eine elektrolytische Metallabscheidung in dickeren Schichten auf einen zuvor gefertigten metallischen oder nichtmetallischen Grundkörper (Negativ). Im allgemeinen besteht das abzuscheidende Material aus Kupfer oder Nickel. Der verfahrenstechnische apparative Aufwand ist nur geringfügig größer als bei der dekorativen Metallveredelung.

Die Fertigungsschritte einer Hochdruckwasserstrahldüse vom Negativ bis zur fertigen Düse sind in Fig. 1 und 2 dargestellt.

Durch galvanoplastisches Abscheiden von z.B. Nickel auf ein vorgeformtes Düsennegativ 1 ergibt sich das gewünschte Düsenpositiv 2, das nach Abformung nur noch auf das vorgegebene Längenmaß nachgearbeitet werden muß. Eine anschließende Beschichtung mit ca. 5-7µm Nickel-Nitrid gewährleistet einen ausreichenden Verschleißschutz.

Je nach Formgebung der Düsengeometrie sind unterschiedliche Fertigungsschritte durchzuführen:

Anfertigen eines Düsennegativs 1:

Auf einer speziellen Drehmaschine wird spanabhebend ein Negativ- Körper 1 aus Kunststoff mit der vorgegebenen Düsengeometrie sowie entsprechendem Montageschaft 3 (der von einer Distanzplatte 8) umgeben ist bzw. Zentrierschaft 4 hergestellt.

Für eine Düsengeometrie wie in Fig. 1 kann der Negativ- Körper auch in einer Kunststoffabformungsmaschine mit einem geeigneten Thermoplast abgeformt werden. Diese Spritz technik erfordert jedoch einen großen apparativen Aufwand und wäre nur bei sehr großen Stückzahlen wirtschaftlich.

Montage des Negativ-Düsenkörpers:

Der Negativ-Körper 1 wird in eine metallische Trägerplatte 5 eingesetzt und mit einer zweiteiligen Kunststoff-Abdeck maske 6, 7 zentriert. Die vordere Abdeckmaske 7 ist so ausgebildet, daß sie gleichzeitig die Düsen-Außenkontur konzentrisch zum Düsen-Negativ 1 vorgibt. Nach der Montage ist die metallische Trägerplatte 5 (Kathode) nur noch als schmaler Ring zwischen Düsen-Negativ 1 und Abdeckmaske 7 sichtbar.

Galvanisierungsvorgang:

Die mit dem Düsen-Negativ 1 montierte (bestückte) Träger platte 5 wird komplett mit der Abdeckmaske 6 und 7 in ein geeignetes Nickel-Galvanikbad getaucht, wobei die Träger platte 5 auf Kathodenpotential kontaktiert als Startschicht dient. Jetzt kann sich das Düsen-Positiv 2 in Form von galvanisch abgeschiedenem Nickel kontinuierlich nieder schlagen, bis der Abscheidungsprozeß bei der gewünschten Schichthöhe abgebrochen wird.

Demontage des Düsen-Positivs:

Zur Demontage des galvanisierten Düsenkörpers 2 (in Fig. 1) wird die vordere Kunststoffmaske 7 mit dem Düsen-Positiv 1 abgehoben.

Das Düsen-Positiv 1 kann jetzt von der Rückseite der Maske 7 mit leichtem Druck entformt werden. Die Negative 1 bleiben hier für weitere galvanische Abformungsvorgänge ungeschädigt erhalten.

Sind jedoch Düsengeometrien mit z.B. verrundetem Düsenaus lauf entsprechend Fig. 3 zu entformen, so kann das Düsen- Negativ 1 nicht zerstörungsfrei vom Düsen-Positiv 2 ge trennt werden. Hier muß bei der Demontage des Düsen-Körpers 2 zunächst die hintere Abdeckmaske 6 (Fig. 2) abge hoben und der Montageschaft 3 bis auf den Durchmesser des Zentrierschafts 5 abgebohrt werden. Jetzt kann das Düsen- Positiv 2 mit einem leichten achsialen Druck auf den Zen trierschaft 4 des Düsen-Negativs 1 aus der Abdeckmaske 7 entformt werden. Der noch in der Düse verbleibende Teil des Düsen-Negativs 1 wird chemisch oder mechanisch aus dem Düsen-Positiv 2 herausgelöst.

Nacharbeiten und Beschichtung:

Das Düsen-Positiv 2 ist jetzt nur noch auf das tolerierte Längenmaß abzukürzen und mit der entsprechenden Verschleiß schicht auf der Innenfläche 9, die rotationssymmetrisch zur Achse 10 liegt, und/oder der Außenfläche mit 5-7µm Nickel- Nitrid zu beschichten.

In Fig. 4 ist im Schnitt eine Galvanisierungseinrichtung für die Serienfertigung von Hochdruck-Wasserstrahl-Schneiddüsen dargestellt. Für die vielen, regelmäßig angeordneten Zentrier schäfte 4 der Düsen-Negative 1 ist eine gemeinsame Zentrier platte 5, eine gemeinsame hintere Abdeck- und Distanzplatte 6, 8, sowie eine gemeinsame vordere Abdeckmaske 7 zur Aufnahme der einzelnen Düsen-Negative 1 bzw. Düsen-Positive 2 vorgesehen. Die Einzelteile sind mittels Schraubverbin dungen oder dergleichen miteinander verbindbar. Die Galva nisierung erfolgt für alle Düsenkörper 2 gemeinsam von der Zentrier- bzw. Anodenplatte 5 her entlang der Symmetrie achsen 10.

Claims

1. Verfahren zur galvanoplastischen Herstellung einer Düse mit einer Innenmantelfläche, deren Steigung bezüglich einer Symmetrieachse variabel und insbesondere gegen läufig ausbildbar ist, wobei auf einem Grundkörper von der Negativform des Düsenkörpers eine elektrolytische Metallabscheidung als Düsenkörperpositiv aufgebracht und danach der Grundkörper auf chemischem oder mechanischem Wege herausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Düsenkörperpositivs (2), insbesondere dessen Innenmantelfläche (9) mittels einer Verschleiß schicht versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschleißschicht eine 5-7 µm starke Titan-Nitrid-Schicht aufgedampft wird.

3. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2 hergestellte Düse, gekennzeichnet durch ihre Verwendbarkeit als Hochdruck- Wasserstrahl-Düse.