DE69004635T2

DE69004635T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Hochdruckwasserstrahlschneiden dicker Bahnen aus weichem Material.

Info

Publication number: DE69004635T2
Application number: DE69004635T
Authority: DE
Inventors: Pierre Daubigny; Claude Ruet; Michel Vives
Original assignee: Societe Europeenne de Propulsion SEP SA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1990-08-13
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2010-08-14
Also published as: DE69004635D1; CA2023413C; EP0413630B1; CA2023413A1; FR2650973B1; EP0413630A1; US5097731A; FR2650973A1

Description

Die Erfindung betrifft in erste Linie ein Verfahren zum Schneiden von dicken Schichten aus biegsamem Material, das z.B. eine faserige Struktur hat, mittels einer Vorrichtung zum Abstrahlen eines Hochdruck-Wasserstrahls.
Aus der GB-A-2 027 776 ist es bekannt, massive Körper wie Blöcke aus armiertem Beton mittels einer Vorrichtung zu schneiden, die einen extrem schnellen Wasserstrahl abgibt. Da diese Materialien außer im Falle eines Bruchs nicht die Tendenz haben, sich am Schneidstrahl wieder zu schließen, ist es möglich, sie ohne Schwierigkeit in mehreren aufeinanderfolgenden Durchgängen über große Dicken zu schneiden.
Dies gilt nicht ebenso, wenn Schichten mit einer biegsamen und elastischen Struktur, insbesondere faserige Schichten geschnitten werden sollen, um Vorformen für die Herstellung von Verbundteilen zu erhalten. Hierbei sind mehrere Techniken bekannt.
Für Schichten geringer Dicke (in der Größenordnung eines Milimeters), wie Schichten aus Kohlenstoffasergeweben, Siliziumcarbid oder Kevlar verwendet man je nach dem Schneidtechniken mit Lochstanzer, Laser, Hochdruck- Wasserstrahl oder Ultraschall, deren Anwendung hier keine Schwierigkeit bereitet.
Wenn die Dicke der Schichten zunimmt und einige Zentimeter erreicht, treten Schwierigkeiten auf. Der Laser bewirkt eine erhebliche Erhitzung mit der Gefahr der Oxidation des die Schicht bildenden Materials, die geschnitten werden soll. Der übliche Düsen-Wasserstrahl verliert seine Wirksamkeit. Das Schneiden mit Lochstanzer hat den Nachteil, durch Quetschung die Schicht durch die Wirkung der Kompression zu verformen, die dem eigentlichen Schneidvorgang vorangeht, und regelmäßige Schärfvorgänge der Werkzeugausrüstung zu erfordern.
Um Schichten großer Dicke (über zwei oder drei Zentimeter) Kohlenstoffilze zu schneiden, verwendet man Bandsägen oder einen diamantbesetzten Faden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schneiden mit einem Hochdruckwasserstrahl von Schichten aus einem biegsamen, insbesondere aus einem faserigen Material und einer mittleren oder großen Dicke zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der in Betracht gezogenen Gattung, bei dem gemäß der Erfindung vorgesehen ist, daß eine Trennung des Strahls gegenüber den Seitenflächen des Spaltes, der bereits in einem Teilschnitt der Gesamtdicke der Schicht geschnitten wurde, durchgehend dadurch gewährleistet wird, daß die Seitenflächen mit Hilfe der Vorrichtung auseinandergehalten werden. Dies ermöglicht es, die Dispersion des Strahls gegen die Seitenflächen des Spaltes zu vermeiden, so daß er seine Energie beibehält, um eine neue, tiefere Lage der dicken, zu schneidenden Schicht anzuschneiden. Theoretisch gibt es somit keine Grenze der Dicke der Schicht, die mit dem Strahl geschnitten werden kann. In der Praxis ermöglicht es das Verfahren, Schichten mit einer faserigen Struktur zu schneiden, deren Dicke 50% und in bestimmten Fällen mehr erreichen kann.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Druckstrahlschneiden für dicke Schichten mit biegsamer Struktur, bestehend aus einem Ansatz, der ein Profilmesser trägt, das in einer Längsachse verläuft und das ausgehend von einer dicken Längszone nahe der Achse allmählich in seitlicher Richtung auf wenigstens einer Seite dieser Achse bis zu einer scharfen Kante hin dünner wird, die parallel oder im wesentlichen parallel zur Achse verläuft, wobei das Messer mit einer Düse versehen ist, die mit einem Druckströmungsmittel gespeist wird und in der Mittelebene des Messers einen Strahl abgibt, der die Schicht schneidet.
Eine Vorrichtung dieser Art ist in der US-A 4 226 005 beschrieben. Diese Vorrichtung, die zum Schneiden des Körpers von Schlachttieren bestimmt ist, hat ein mit mehreren Düsen versehenes Messer, die tatsächlich Düsen sind, die Druckluftstrahlen abgeben, die das Schneiden des Fleisches weicher Konsistenz sicherstellen. Eine derartige Vorrichtung ist zum Schneiden von Schichten aus biegsamem Material, das jedoch relativ kompakt und elastisch ist, wie faserige Schichten, die im Bereich von Verbundmaterialien verwendet werden, unwirksam.
Im Unterschied zu dieser bekannten Vorrichtung hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine einzige Düse, die am Ende des Profilmessers befestigt ist, das dem Ansatz gegenüberliegt; diese mit Druckwasser gespeiste Düse gibt einen feinen und extrem schnellen Schneidwasserstrahl auf einer Abgabeachse ab, die mit der Längsachse des Messers übereinstimmt, während die Längszone des Messers im Bereich der Düse eine zu diesem Ende hin abnehmende Dicke hat.
Das Profilmesser, mit dem die Vorrichtung gemäß der Erfindung versehen ist, und das derart orientiert ist, daß seine Mittelebene parallel zur Richtung der relativen Bewegung der Vorrichtung und der zu schneidenden Schicht verläuft, dringt in den Spalt ein, der beim vorherigen Schneiddurchgang, bzw. den vorherigen Schneiddurchgängen, gebildet wurde und hält die Wände nahe dem Strahl auseinander, so daß dieser von jedem ungeeigneten Kontakt, der seine Wirksamkeit beeinträchtigen könnte, bewahrt wird. Das Messer hat auch die Funktion, die Seitenflächen auseinanderzuhalten, die geschnitten werden, um den Durchgang der Düse zwischen diesen Seitenflächen zu bilden, wobei der Abstand auf jeden Fall so gering wie möglich ist, um die Reibung infolge der Reaktion der Struktur der Schicht, die die Tendenz hat, sich wieder zu schließen, zu begrenzen.
Zweckmäßigerweise ist in diesem Bereich des Endes des Messers gegenüber dem Ansatz die vorgenannte, bzw. jede Kante, gekrümmt und nähert sich der Achse der Düse derart, daß dieses Ende die Form einer Spitze hat. Diese Anordnung erleichtert es, das Messer in den Schneidspalt einzuführen.
Das Messer kann in zwei Ausführungsformen verwirklicht werden. In der einen liegt es vollständig auf einer Seite der Achse und hat nur eine einzige Kante. Bei der anderen hat es zwei Kanten und nimmt auf beiden Seiten der genannten dicken Zone zu jeder Kante ab. Diese Ausführungsform ermöglicht eine abwechselnde Bewegung der Schneidvorrichtung bezüglich der Schicht, während die erste für den Fall in Frage kommt, bei dem die Richtung der relativen Bewegung der Vorrichtung unveränderbar ist.
Das Messer kann entweder aus einem einzigen Stück oder durch Zusammenfügen von zwei komplementären Stücken hergestellt werden, die jeweils auf beiden Seiten der Achse der Düse angeordnet sind.
Die Düse kann entweder im Bereich des Endes des Messers nahe dem Ansatz montiert werden, wobei das Messer vorzugsweise auswechselbar am Ansatz montiert ist, an dem auch die Düse befestigt ist, die einen Längskanal aufweist, der die Achse der Düse beabstandet umgibt und für den Strahl über die Länge des Messers einen freien Durchgang schafft, oder im Bereich des verdünnten Endes des Messers gegenüber dem Ansatz, wobei eine Speiseleitung der Düse für Druckwasser innerhalb des Messers vorgesehen ist. In letzterem Fall kann sich nötigenfalls das verdünnte Ende des Messers an eine Verdickung anschließen, die zur Aufnahme der Düse dimensioniert ist, wenn diese dicker als die Dicke des Messers ist. Außerdem kann das Messer an seinem verdünnten, vom Ansatz entfernten Ende eine Aussparung für den Austritt des Strahls aufweisen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele zeigen.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung der Schneidvorrichtung gemäß der Erfindung, die mit einem zweischneidigen Messer versehen ist.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Messers der Vorrichtung der Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung entsprechend dem Pfeil III des Messers der Vorrichtung der Fig. 1.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer abgewandelten Ausführungsform des Messers der Vorrichtung der Fig. 1.
Fig. 5A und Fig. 5B zeigen jeweils perspektivisch bzw. in Längsschnitt das Ende des Messers der Vorrichtung der Fig. 1, das zur Aufnahme einer relativ dicken Düse ausgebildet ist.
Fig. 6 zeigt entsprechend Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer abgewandelten Ausführungsform.
Fig. 7 zeigt eine Darstellung längs des Pfeils VII des Messers der Vorrichtung der Fig. 6.
Fig. 8 bis 10 zeigen perspektivisch und vereinfacht drei Anwendungsbeispiele einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die gezeigte Vorrichtung ist dazu bestimmt, eine dicke faserige Schicht 2 zu schneiden, deren Dicke E größer als die Dicke H ist, die der Strahl 6 in einem Durchgang schneiden kann, wobei die Größe der Dicke H von der Schneidleistung des Strahls 6 für die spezielle Struktur der Schicht 2 abhängt. Das Schneiden der Schicht erfolgt somit in mehreren aufeinanderfolgenden Durchgängen, die durch translatorische Verstellung der Vorrichtung 1 abwechselnd in Richtung des Pfeils D und danach in entgegengesetzter Richtung (Pfeil D') durchgeführt werden. Nach jedem Schneiddurchgang wird die Vorrichtung, deren Messer 4 derart orientiert ist, daß seine Mittelebene parallel zur Verstellrichtung D bzw. D' verläuft, um eine neue Größe H abgesenkt, wobei die Klinge 4 zusammen mit der Düse 5 in den Spalt 12 eindringt, der zuvor in die Schicht 2 geschnitten wurde. Die Seitenflächen 12a, 12b des Spaltes, die natürlicherweise die Tendenz hätten, sich wieder gegeneinander zu schließen, wobei sie den Strahl 6 erheblich stören wurden, werden so durch das Messer in dessen Zone auseinandergehalten.
Bei dem Beispiel der Fig. 1 - 3 besteht die Klinge 4 aus einem Stück, in das die Leitung 8 gebohrt ist, um die Düse 5 zu speisen. In Abwandlung davon kann das Messer 4 aus zwei symmetrischen Stücken 4', 4'' (Fig. 4) hergestellt werden, von denen jedes zwei Kanten 4a, 4b hat, die entsprechend einer Verbindungsebene 14 zusammengefügt werden, die durch die Achse 9 der Düse verläuft. In diesem Falle ist es zweckmäßig, zum Speisen der Düse ein Rohr 18 vorzusehen, das in einer Längsausnehmung angeordnet ist, die in dem einen und dem anderen Stück 4', 4'' ausgebildet ist, die das Messer 4 bilden. Diese Stücke können aus gesintertem Keramikmaterial oder einem Keramikverbundmaterial hergestellt werden.
Da der Durchmesser der Düse 5 größer als die Dicke e des dicksten Teils des Messers 4 ist (Fig. 5A und 5B) kann man dem Ende des Messers 4 eine Form verleihen, die eine Verdickung 11 aufweist, die eine Dicke e' hat, die etwas größer als dieser Durchmesser ist und die eine Ausrundung bildet, die die Düse 5 aufnehmen kann, die z.B. durch Verschrauben befestigt wird. In der Praxis ist es zweckmäßig, daß die Dicke e des Messers 4 höchstens drei mm beträgt, und daß die Dicke e' der Verdickung 11 6 mm nicht überschreitet.
Eine abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt, die eine Schneidvorrichtung zeigt, die nicht nur mit einem zweischneidigen Messer 4, sondern auch mit einem Messer 4' versehen ist, das auf eines der beiden Stücke reduziert ist, die ein Messer gemäß Fig. 4 bildet. Das Messer 4', das vollständig auf einer Seite des Schneidstrahls 6 liegt, ist geeignet, wenn die Verstellrichtung der Vorrichtung gegenüber der Schicht 2, die durch den Pfeil D angegeben ist, stets die gleiche ist, wobei sich die Kante 4a ständig stromaufwärts vom Schneidstrahl 6 befindet. Außerdem ist das Messer 4' demontierbar.
Weiterhin ist die Düse 5 der Vorrichtung der Fig. 6 nicht nahe dem Ende des Messers gegenüber dem Ansatz 3 angeordnet, sondern an einer dem Ansatz benachbarten Stelle. Genau gesagt ist die Düse 5 am Ansatz 3 befestigt und befindet sich in einer Ausnehmung 13, die am Ende des Messers 4' ausgebildet ist, wodurch es selbst am Ansatz 3 befestigt ist. Hierbei dringt die Düse 5 nicht in die Schicht 2 ein, und der Strahl 6, den diese abgibt, muß die gesamte Länge des Messers 4' durchlaufen; er führt diesen Durchlauf in einem tropfenförmigen Kanal 15 durch, der im Messer 4' ausgebildet ist, das ihn vor jeder Kontaktierung mit den Seitenflächen des Schneidspaltes bewahrt, in den das Messer 4' eintaucht. Hierbei ist auch eine Aussparung 10 am Ende des Messers ausgebildet, durch die der Strahl 6 austritt.
In der Praxis verwendet man die Vorrichtung der Figur 6, indem ein erster Schneiddurchgang durchgeführt wird, wobei das Messer 4' abgenommen wurde; danach führt man, nachdem das Messer wieder am Ansatz 3 befestigt wurde, wobei sein Ende in den bei diesem ersten Durchgang gebildeten Schnitt eintaucht, einen zweiten Durchgang durch, ohne die Vorrichtung abzusenken, um die Schicht nur auf einer zusätzlichen Dicke zu schneiden.
Die Anordnung der Düse 5 nahe dem Ansatz 3 hat den Vorteil der Anpassung an eine Düse in Form eines handelsüblichen Modells. Dennoch erfordert sie das Hinzufügen eines Polymers zum Speisewasser der Düse, um die Dispersion des Strahls zu vermeiden. Außerdem führt sie zu weniger hohen tiefen Schneidleistungen als die erste Ausführungsform (Fig. 1).
Die Fig. 8 bis 10 zeigen Anwendungsbeispiele der Schneidvorrichtungen, wie sie zuvor beschrieben wurden.
Die Fig. 8 zeigt das Schneiden einer Scheibe 2a in einer Schicht erheblicher, fester Dicke E mittels einer Vorrichtung 1 mit wechselnder Bewegung, die mit einem Messer 4 mit Doppelschneide 4a, 4b versehen ist.
Fig. 9 zeigt das Schneiden von Scheiben in einer zylindrischen, dicken Schicht 2, die um ihre Achse 16 in Drehung versetzt wird, wobei die Vorrichtung 1 stationär bleibt. Hierbei kann eine Vorrichtung mit einem vereinfachten Messer entsprechend Fig. 6 verwendet werden. Eine Anordnung mehrerer Vorrichtungen 1, z.B. (etwa 10) kann, verteilt längs der Achse 16 der zylindrischen Schicht 2, vorgesehen werden, um gleichzeitig mehrere Scheiben in dieser zu schneiden.
Fig. 10 zeigt, wie in einer dicken, flachen Schicht 2, die in Drehung versetzt wird, ein Rotationsteil 22 mit einer Achse 17 geschnitten wird, das außen durch eine Fläche in Form eines geraden Zylinders innen durch eine Kegelstumpffläche begrenzt ist.

Claims

1. Verfahren zum Schneiden von dicken Schichten anhand einer Vorrichtung zum Abstrahlen eines Hochdruck-Wasserstrahls, wobei das Schneiden in mehreren aufeinanderfolgenden Durchgängen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennung des Strahls gegenüber den Seitenflächen des Spaltes, der bereits in einem Teilabschnitt der Gesamtdicke der aus biegsamem Material bestehenden, beispielsweise eine faserige Struktur aufweisenden Schicht geschnitten wurde, durchgehend dadurch gewährleistet wird, daß die Seitenflächen mit Hilfe der Vorrichtung auseinandergehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem der aufeinanderfolgenden Durchgänge die Schneidvorrichtung nach und nach in die Dicke der Schicht eingesenkt wird.

3. Druckstrahlschneidvorrichtung für dicke Schichten mit biegsamer Struktur mit einem Ansatz, an dem ein Profilmesser (4; 4') angebracht ist, das in einer Längsachse (9) verläuft und das von einer dickeren Längszone in der Nähe dieser Achse (9) aus allmählich in seitlicher Richtung auf mindestens einer Seite dieser Achse zu einer parallel oder in etwa parallel zur Achse (9) angeordneten scharfen Kante (4a, 4b) hin dünner wird, wobei dieses Messer mit einer Düse (5) bestückt ist, die unter Zufuhr einer unter Druck stehenden Flüssigkeit in der Mittelebene des Messers einen Strahl zum Schneiden der Schicht ausstößt, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) an dem Ende des Profilmessers (4; 4') angebracht ist, das dem Ansatz (3) gegenüberliegt, daß sie unter Zufuhr von Druckwasser einen dünnen und extrem schnellen Schneidwasserstrahl in einer Strahlachse ausstößt, die mit der Längsachse (9) des Messers (4; 4') zusammenfällt, und daß die Längszone des Messers im Bereich der Düse (5) eine zu dem besagten Ende hin abnehmende Dicke aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kante bzw. jede vorgenannte Kante (4a, 4b) im Bereich des dem Ansatz (3) gegenüberliegenden Endes des Messers (4; 4'), nach innen gekrümmt ist, wobei sie sich der Achse (9) der Düse annähert, so daß dieses Ende spitzenförmig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß das Messer (4') vollständig auf ein und derselben Seite der Achse (9) angeordnet ist und nur eine einzige Kante (4a) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (4) zwei Kanten (4a, 4b) aufweist und auf beiden Seiten der dickeren Zone zu jeder dieser Kanten hin dünner wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (4; 4') einstückig ausgeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (4) durch die Zusammenfügung von zwei sich ergänzenden Teilen (4', 4'') gebildet wird, die jeweils auf einer Seite der Achse (9) der Düse angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) in dem Bereich des zum Ansatz (3) hin gelegenen Endes des Messers (4') angebracht ist und daß das Messser einen Längskanal (15) aufweist, der die Achse (9) der Düse mit einem gewissen Abstand umgibt und dem Strahl (6) über die Länge des Messers freien Durchgang verschafft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) am Ansatz (3) befestigt ist und daß das Messer (4') in abnehmbarer Form an diesem Ansatz angebracht ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) im Bereich des dem Ansatz (3) gegenüberliegenden Endes mit abnehmender Dicke des Messers (4) angebracht ist, wobei im Innern des Messers eine Leitung (8) für die Zufuhr von Druckwasser zur Düse vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ende mit abnehmender Dicke des Messers (4) an eine Verdickung (11) anschließt, die so bemessen ist, daß sie die Düse (5) aufnehmen kann.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Messer (4; 4') an seinem dem Ansatz gegenüberliegenden Ende eine bogenförmige Aussparung (10) für den Austritt des Strahls (6) aufweist.