DE3708608A1 - Hochdruck-wasserstrahlschneidkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Hochdruck-Intensivwasserstrahl­ systeme und Schneidköpfe zur Verwendung in diesen Sy­ stemen.

Etwa im letzten Jahrzehnt wurden Hochdruck-Intensiv­ wasserstrahlsysteme entwickelt, die stark genug sind, um unter hoher Effizienz durch Textilmaterial, Kunst­ stoffe und sogar Metalle zu schneiden. Derartige Sy­ steme verwenden im allgemeinen einen Wasserstrahl unter sehr hohem Druck im Bereich von 4137 bar (60 000 psi), die durch Düsen mit geringen Bohrungsdurchmessern von etwa 0,15-0,3 mm getrieben werden. Zur optimalen Schneidkraft, insbesondere beim Schneiden von Metall­ blechen, ist dieser Wasserstrahl mit feinen Partikeln von abrasivem Material gemischt und durch eine Düse mit einem Durchmesser von 1-2 mm getrieben, die einen hoch abrasiven Wasserstrahl erzeugt.

Die für derartige abrasiven Wasserstrahlen verwendeten Düsen müssen aus einem Material bestehen, das sehr wi­ derstandsfähig gegenüber Abrieb ist, da die Bohrungen durch die Reibwirkung erodieren. Das bevorzugte Materi­ al für diese Düsen ist Wolframkarbidstahl, der jedoch bei manchen Verwendungsformen vergleichsweise teuer ist. Im herkömmlichen Schneidkopf ist die Erosion in der Düse besonders schwerwiegend an der Austrittsmün­ dung der Bohrung, die sich in den herkömmlichen Zuführ­ köpfen elliptisch vergrößert und im Vergleich zu ihrer ursprünglichen kreisförmigen Gestalt deformiert wird. Wegen dieser Veränderung in der Symmetrie der Mündung wird der diese Mündung passierende Abrasiv-Wasserstrahl ebenfalls deformiert und gestreut und ist nicht scharf auf das Ziel fokussiert, so daß sich die Effizienz beim Schneiden durch feste Materialien vermindert. Auch wenn der aus einer derartigen abgenutzten Düse austretende Abrasiv-Wasserstrahl feste Materialien, wie z.B. eine Metallbahn, durchschneidet, bewirkt er aufgrund seiner Verzerrung und seiner elliptischen Gestalt keinen glat­ ten und gleichmäßigen Schnitt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Hochdruck-Inten­ sivwasserstrahlschneidsystem zu schaffen, dessen Düsen im Vergleich zum Stand der Technik effizienter sind und eine längere Lebensdauer aufweisen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein im Vergleich zum Stand der Technik effizienteres Hoch­ druck-Intensivwasserstrahlschneidsystem zu schaffen, bei dem im Wasserstrahl abrasive Materialien verwendet werden.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfah­ ren zu schaffen, um mit einem Abrasiv- Hochdruck-Wasser­ strahl glatt und gleichmäßig durch feste Gegenstände zu schneiden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Abrasiv-Wasserstrahl zu erzeugen, der bei der Lösung der obengenannten Aufgaben verwendbar ist.

Zur Lösung der obengenannten Aufgaben wird ein Abrasiv- Hochdruck-Wasserstrahlschneidkopf mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 geschaffen.

Erfindungsgemäß läßt sich durch die Rotation der Düse von Abrasiv-Hochdruck-Wasserstrahlschneidköpfen um ihre Bohrungsachsen die effektive Lebensdauer der Düse auf das vier- bis zehnfache oder einen größeren Wert der Lebensdauer einer nicht rotierenden Düse aus dem glei­ chen Material steigern, wobei die Effizienz des Schneid­ systems beträchtlich gesteigert wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele im Zusammen­ hang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines herkömmlichen Abrasiv- Hochdruck-Wasserstrahlschneid­ kopfes;

Fig. 2 und 3 Längsschnitte von zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abrasiv-Wasserstrahlschneidköpfe mit rotierenden Düsen;

Fig. 4a und 4b Draufsichten und Seitenansichten einer neuen bzw. einer abgenutzten Düse;

Fig. 5 eine Graphik zum Vergleich der Lebensdauer einer Wolframkarbiddüse in einem herkömmlichen Abrasiv-Wasser­ strahlschneidkopf mit der Lebensdauer der gleichen Düse in einem erfindungsgemäßen Schneidkopf, bei dem die Düse rotiert.

Gemäß Fig. 1 tritt Wasser unter hohem Druck über den Einlaß 1 durch die Saphir-Wasserstrahldüse 2 in den Schneidkopf ein und fließt in Richtung der Düse 3, wo­ bei es die Mischkammer 4 passiert. Abrasives Material wie z.B. feingekörnter Sand oder Granat wird durch den Venturi-Effekt über eine Zuführleitung 5 in die Misch­ kammer 4 gezogen, wo es mit dem Wasser gemischt wird, und strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse 3, so daß es durch die Mündung 6 austritt. Der Durchmesser des Wasserstrahls wird durch die Gestalt der Düsenmün­ dung bestimmt. Wie Fig. 4a zeigt, ist die Mündung einer neuen Düse im wesentlichen kreisförmig ausgebildet, so daß der aus der Mündung 6 austretende Wasserstrahl 7 eine massive Platte 8 sauber durchstößt und über die gesamte Platte 8 einen glatten Schnitt 9 hinterläßt. Im Lauf der Zeit erodieren beim Fließen des Abrasiv-Wasser­ strahls durch die Düse 3 die Bohrung 10 und die Mündung 6 und vergrößern sich. Bei herkömmlichen Abrasiv-Wasser­ strahlschneidköpfen fällt diese Vergrößerung nicht sym­ metrisch aus, und entsprechend 6′ in Fig. 4b wird die ursprünglich kreisförmige Mündung oval. Infolge dieser Deformation der Mündung wird der Abrasiv-Wasserstrahl 7′ ebenso verzerrt und erfährt eine Streuung. Dieser Strahl hat nicht mehr die gleiche Schneidkraft wie bei einer neuen Düse, und zudem schneidet er nicht sauber durch die Platte 8′, sondern hinterläßt Ausfransungen 11 am Ausgangsende des Schnittes.

Man nimmt an, daß die Verzerrung der Mündung dadurch entsteht, daß der Wasserstrahl und das abrasive Materi­ al zueinander abgewinkelt in die Mischkammer strömen und deshalb beim Eintreten in die Düsenbohrung ein Mo­ ment entwickeln.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Abrasiv-Wasser­ strahlschneidkopfes mit rotierender Düse. Wasser fließt unter hohem Druck durch die Zuführleitung 1 und die Saphir-Wasserstrahldüse 2 in die Mischkammer 12. Abra­ sives Material wird durch den Venturi-Effekt aus der Zuführleitung 5 in die Mischkammer 12 gezogen. In der Kammer 12 werden Wasser und abrasives Material ge­ mischt. Diese Mischung strömt durch den trichterförmi­ gen Düseneingang 13 in die Bohrung 10 der Düse 3 und tritt an der Mündung 6 aus. Die Zuführleitungen 1 und 5, die Saphir-Wasserstrahldüse 2 und die Mischkammer 12 sind in einem stationären Gehäuse 14 angeordnet. Die Düse 3 ist auf einer rotierbaren Basis 15 mittels einer Schnellverbindungsvorrichtung 16 und 17 gehalten, wel­ che üblicherweise zum Befestigen von druckbetriebenen Handwerkzeugen an Schläuchen verwendet wird. Die rotier­ bare Basis 15 ist rotierbar an dem stationären Gehäuse 14 angeordnet. Die Rotation erfolgt um das Lager 19 durch einen kleinen Gleichstrommotor 20, der die Welle 21 dreht, welche ihrerseits Antriebszahnräder 22 und 23 dreht, wodurch die Basis 15 und mit ihr die Düse 3 ro­ tieren.

In dem Wasserstrahlsystem kann die Düse bei ca. 5 upm rotieren, obwohl auch andere Rotationsgeschwindigkeiten möglich sind. Die Rotation kann langsamer oder schnel­ ler erfolgen, liegt jedoch vorteilhafterweise im Be­ reich von 2 bis 20 upm. Das Hauptkriterium für die an­ gemessene Rotationsgeschwindigkeit ist die Gleichmäßig­ keit der Abnutzung der Düsenbohrung und der Mündung. Die zum Schneiden von Festkörpern wie Metallen verwen­ deten Mündungen bestehen im allgemeinen aus sehr harten und abriebsresistenten Materialien, wie sie dem Stand der Technik nach bekannt sind. Das bevorzugte Material ist Wolframkarbidstahl. Der Durchmesser der Düsenboh­ rungen beträgt 1-2 mm, und der Standardwert für eine Bohrung liegt bei etwa 1,6 mm. Derartige Düsen arbeiten bei konventionellen Schneidköpfen für etwa 3 Stunden korrekt, wenn der Wasserstrahl Granat mit einer Korn­ größe von 0,25 mm (60 mesh) in einer Menge von 40 kg pro Stunde zuführt. Wenn die Düse unter diesen Bedingun­ gen 3 Stunden gebraucht worden ist, ist die Düsenmün­ dung so erodiert, daß sie ovale Gestalt annimmt und sich ihr Durchmesser auf etwa 2 mm vergrößert. Diese Deformation der Mündung reicht aus, um die Schneidkraft des Strahls zu verringern. Zudem verursacht sie Unre­ gelmäßigkeiten an den Schnittflächen und hinterläßt Bärte an der Austrittsseite des Strahls. Bei dem ro­ tierenden Düsenschneidkopf dagegen bleiben die Proporti­ onen der Mündung erhalten, da die Erosion durch das abrasive Material gleichmäßig um den gesamten Umfang der Bohrung und der Mündung erfolgt. Wenn deshalb eine rotierende Düse unter den obengenannten Strömungsbe­ dingungen verwendet wird, ist die Mündung nach 5 Be­ triebsstunden noch rund, und ihr Durchmesser mißt 1,7 mm, so daß der Wasserstrahl einen weiteren Betrieb er­ möglicht.

Jedes Mal, wenn ein Auswechseln der Düse erforderlich ist, muß der gesamte Schneidvorgang unterbrochen wer­ den, wodurch die Kosten des Arbeitsvorgangs erhöht wer­ den. Zudem sind die Düsen selbst vergleichsweise teuer, da sie hoch widerstandfähig gegenüber Erosion sein müs­ sen. Eine Verlängerung der Lebensdauer der Düsen bringt bedeutende kommerzielle Vorteile mit sich. So z.B. ist das Abrasiv-Wasserstrahlschneidverfahren in vielen wei­ teren Bereichen verwendbar, die bislang wegen des Ko­ stenfaktors der Düse ausgeschlossen waren.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Wasserstrahl-Schneidkopfes mit rotierender Düse. Bei dieser Ausführungsform ist die Düse 3 auf der rotieren­ den Basis 15 mit einem Spannfutter 24 montiert, das gewöhnlich zum Halten der Bohreinsätze in elektrischen Bohrern verwendet wird. Dadurch läßt sich die Düse schnell auswechseln, und die Arbeitszeit bei der Schneidoperation wird verringert.

Die rotierende Basis und der Motor, insbesondere die beweglichen und/oder elektrischen Teile sind vorzugs­ weise gegen die Atmosphäre aus abrasivem Staub und Was­ serdämpfen isoliert, welche während des Abrasiv- Schneidvorgangs unausweichlich in der Nähe des Schneid­ kopfes auftritt.

Die Rotiervorrichtung muß nicht unbedingt aus einem Motor bestehen. Jedes bekannte Mittel zum Rotieren eines Körpers um einen anderen ist verwendbar, wie bei­ spielsweise Wasserdruck oder Luftdruck.

Der Hochdruck-Intensivwasserstrahlschneidkopf läßt sich auf einem computergesteuerten Schneidtisch montieren, wodurch ein automatisches programmierbares effizientes Präzisionsschneidgerät für feste Materialien einschließ­ lich Metallplatten geschaffen wird.

Claims (7)

1. Hochdruck-Intensiv-Wasserstrahlzuführkopf, mit einem stationären Gehäuse (14) mit einem Hochdruck-Was­ serstrahleinlaß (1), einem Einlaß (5) für abrasives Material und einer Mischkammer (12), wobei der Wasser­ strahleinlaß (1) und der Abrasivmaterialeinlaß (5) in die Mischkammer (12) führen; einer Düse (3), die rotierbar auf dem stationären Ge­ häuse (14) montiert ist und zum Zuführen des Gemischs mit der Mischkammer (12) verbunden ist; gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (20) zum Rotieren der Düse um ihre Bohrungsachse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) mittels einer rotierbaren Basis (15) auf dem stationären Gehäuse (14) montiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wasserstrahleinlaß (1) zur Mischkam­ mer (12) und der Abrasivmaterialeinlaß (5) zur Mischkam­ mer (12) nicht parallel zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rotiervorrichtung aus einem Miniatur-Gleichstrommotor (20) besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Düse (3) durch eine Spannvorrichtung (24) auf der rotierbaren Basis (15) montiert ist.

6. Verfahren zum Schneiden durch feste Gegenstände mit Hochdruck-Wasserstrahlen, welche abrasives Material enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der abrasives Material enthaltende Hochdruck-Wasserstrahl durch einen Schneidkopf getrieben wird, der eine rotierende Düse (3) aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) mit ungefähr 2 bis 20 upm rotiert.