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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Schneiden und eine Vorrichtung zu dessen Anwendung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zum Strahlschneiden und eine Vorrichtung zu
dessen Anwendung, die eine ausgezeichnete Schneidwirkung
bei gleichmäßig geschnittener Fläche ergeben und das
Erzeugen von Graten verhindern können.
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Herkömmlich bekannt zum Schneiden eines Metallgegenstands
sind ein Schmelzschneideverfahren mit einer
Hochtemperaturgasflamme unter Verwendung von Gasverbrennung und ein
Flüssigkeitsstrahlschneidverfahren zur Verwendung unter
Bedingungen, die die Verwendung einer Flamme nicht
zulassen, beispielsweise in einem Tank zum Aufbewahren eines
öligen Materials.
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Weit verbreitet ist beispielsweise das
Flüssigkeitsschneidstrahlverfahren als ein
Wasserstrahlschneidverfahren unter Verwendung von
Hochdruckwasser, und es wird in weitem Umfang zum Schneiden
von Stahlblech verwendet. Dieses Verfahren wird auch auf
Baustellen verwendet, wo zum Schneiden oder Aufbrechen von
Stein und Beton Pulver nicht verwendbar ist.
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Eine für das Flüssigkeitsschneidstrahlverfahren verwendete
typische Strahldüse ist in Fig. 3 dargestellt.
Hochdruckwasser wird von einem Hochdruckwassereinlaß (B) zu einem
Düsenausgang (A) eingeführt, während harte Partikel von
einem quer dazu angeordneten Schneidpartikeleinlaß (C)
eingeführt werden, und das Schneiden wird mittels eines
von dem Düsenausgang (A) ausgestoßenen Strahlflusses
durchgeführt. In diesem Fall kann man harte
Schneidpartikel weglassen.
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Während das Strahlschneidverfahren als ein
Schneidverfahren sehr nützlich ist, das unter Bedingungen anwendbar
ist, die die Verwendung von Feuer schwierig machen, sind
verschiedene Punkte bei dein herkömmlichen Verfahren und
der herkömmlichen Vorrichtung zu verbessern.
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Bei dem herkömmlichen Verfahren weitet sich insbesondere
der von dem Düsenausgang (A) gemäß Fig. 3 ausgestoßene
Strahlfluß schnell auf, so daß man den Strahlfluß auf das
zu schneidende Teil nur schwer konzentrieren kann. Darüber
hinaus besteht die Neigung, daß die Schnittfläche
ungleichmäßig wird, und die Bildung von Graten ist
unvermeidbar. Bei Verwendung harter Schneidpartikel nutzen sich
die Innenwände der Düse stark ab.
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Diese Nachteile sind bei dem Erzeugen eines Strahlflusses
auf Basis der einführung von Hochdruckwasser unvermeidbar,
und dies beschränkt natürlich die Anwendbarkeit des
Flüssigkeitsstrahlschneidverfahrens. Daher bestand ein
starkes Bedürfnis zur Verbesserung der Schneidwirkung,
Homogenisierung einer Schneidfläche, Verhindern des
Auftretens von Graten und der Minderung der
Düsenabnutzung.
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Aus der SU-A-1 245 349 ist eine Düse bekannt, die einen
Spiralstrahlfluß erzeugt, was einige Verbesserungen
bietet. Die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 5 beruhen auf
dieser Druckschrift.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein neues
Strahlschneidverfahren auf Basis eines Strahlflusses
aufzuzeigen, das wenigstens einen der vorgenannten Nachteile der
herkömmlichen Verfahren vermeidet.
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Darüber hinaus hat die vorliegende Erfindung zum weiteren
Ziel, eine neue Vorrichtung zur Anwendung des
Strahlschneidverfahrens aufzuzeigen.
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Aus Sicht eines Aspekts zeigt die vorliegende Erfindung
ein Strahlschneidverfahren, durchgeführt durch Ausstoßen
eines Fluids, umfassend: Fördern harter Schneidpartikel
mittels eines ersten Druckfluids, das durch eine Leitung
mit einer konischen Düse an ihrem stromabwärtigen Ende
fließt, wobei der Durchmesser der Düse in die
stromabwärtige Richtung abnimmt und die Düse an ihrem
stromabwärtigen Ende eine axial gerichtete Öffnung zum
Ausstoßen eines Schneidfluids aufweist; und dadurch
gekennzeichnet, daß es weiter umfaßt: Einführen von
Druckfluid, das anfänglich um den Umfang eines
stromaufwärtigen Endes der Düse zu der Düsenachse in die
Düse fließt, um eine Tangentialkomponente zu dem Fluß des
ersten Druckfluids einzuführen, wodurch ein
Coandaspiralfluß aus Fluid mit einer hohen Geschwindigkeit in
der stromabwärtigen Richtung mit der maximalen
Stromabwärtsgeschwindigkeit auf der Achse zusammen mit einer
Coandaschicht nahe der inneren Düsenwand erzeugt wird.
Bevorzugt wird das Druckfluid durch einen Ringschlitz in
der Düse eingeführt, und die Innenwand der Düse ist
wenigstens von dort konvex gekrümmt, wo das Druckfluid zu
dem Düsenausgang eingeführt wird.
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In einer bevorzugten Ausführung ist das Druckfluid Wasser
und das ausgestoßene Fluid enthält harte Schneidpartikel.
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Aus Sicht eines weiteren Aspekts zeigt die vorliegende
Erfindung eine Strahlschneidvorrichtung, umfassend: eine
konische Düse mit einer axial gerichteten Öffnung zum
Ausstoßen eines Schneidfluids an ihrem stromabwärtigen
Ende, durch die Schneidpartikel führendes Fluid fließen
kann, wobei der Düsendurchmesser in die stromabwärtige
Richtung abnimmt, und dadurch gekennzeichnet, daß
um den Umfang eines stromaufwärtigen Endes der Düse ein
Mittel zum Einführen eines Druckfluids vorgesehen ist,
welches anfänglich zu der Achse der Düse in das bei
Verwendung durch die Düse fließende Fluid fließt, um zu
dem Fluß des bei Verwendung durch die Düse fließenden
Fluids eine Tangentialkomponente einzuführen, um hierdurch
einen Coandaspiralfluß von Fluid mit einer hohen
Geschwindigkeit in der stromabwärtigen Richtung mit der
maximalen Stromabwärtsgeschwindigkeit auf der Achse in
dem durch die Düse fließenden Fluid zusammen mit einer
Coandaschicht nahe der Düseninnenwand zu erzeugen.
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Bevorzugt hat die Düse einen Ringschlitz zum Einführen des
Druckfluids quer zu der Düsenauswurföffnung und eine
gekrümmte Wand, die von dem Schlitz zu der Auslaßöffnung
verläuft.
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In einer bevorzugten Ausführung ist das stromaufwärtige
Ende der Düse an einer Leitung zum Fördern des Fluids
angebracht, und die Düse ist um das stromabwärtige Ende
der Leitung derart beweglich und drehbar, daß man das
ausgeworfene Fluid ausrichten kann.
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Der vorliegende Erfinder stellte fest, daß der in der
vorliegenden Erfindung verwendete Coandaspiralfluß einen
Bewegungszustand hat, der sich von einem turbulenten Fluß
unterscheidet, während er unter den zu dem turbulenten
Bereich gehörenden Bewegungsbedingungen eines Fluids
steht, und zwar anders als der laminare Fluß oder ein
turbulenter Fluß, die als das herkömmliche Konzept von
Fluidbewegung bekannt sind. Ein Verfahren zur Bildung des
Coandaspiralflusses wurde ebenfalls von dem vorliegenden
Erfinder bereits vorgeschlagen.
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Insbesondere ist der hierin definierte Coandaspiralfluß
ein Fluidfluß, der mit einer hohen Geschwindigkeit in der
Rohrrichtung unter Bildung einer Spirale fließt, und er
läßt sich bilden durch Addieren eines Vektors in der
Rohrradialrichtung zu dem Fließvektor des in der
Rohrrichtung eingeführten Fluids. In diesem Fall bildet sich
ein Negativdruck mit einer starken Saugkraft auf der der
Laufrichtung des Coandaspiralflusses gegenüberliegenden
Seite, und es bildet sich eine Coandaschicht hoher
Geschwindigkeit auf Basis des Spiralflusses nahe der
Rohrinnenwand.
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Die vorliegende Erfindung kann ein Metall, ein
anorganisches Material, Zement oder andere Feststoffe durch
Nutzung der Merkmale eines solchen Coandaspiralflusses
schneiden. Eines der wichtigsten Dinge bei der Verwendung
des vorliegenden Verfahrens und der Vorrichtung ist die
konzentrierte Geschwindigkeitsverteilung auf der Laufachse
relativ zu der Laufrichtung des Coandaspiralflusses. Diese
Konzentration wird bei einem herkömmlichen Strahlfluß auf
Basis eines Turbulentflusses niemals beobachtet. Diese
Konzentration der Geschwindigkeitsverteilung ermöglicht
die Verbesserung der Schneidwirkung mit einer
gleichmäßigen Schneidfläche und verhindert das Auftreten von
Graten.
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Eine Ausführung der Erfindung wird nun nur beispielshalber
unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
wobei:
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Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Ausführung einer Düse einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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Fig. 2(a) und (b) zeigen Geschwindigkeitsverteilungen des
Strahlflusses in einer Ausführung jeweils eines
erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des herkömmlichen Verfahrens;
und
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Fig. 3 zeigt im Schnitt eine herkömmliche
Wasserstrahlschneiddüse.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführung der vorliegenden Erfindung
als eine Coandaspiralfluß erzeugende Düse, entwickelt zur
Verwendung beim wirksamen Einmischen von Schleifmitteln
und zur Verbesserung der Fokussierung von
Wasserstrahlströmen bei
Hochdruckschleifwasser-Strahlschneidanwendungen. Die Entwicklung der Düse beruhte auf der
Spiralflußtheorie. Zum Erhalt eines fokussierten Strahlflusses
ist die Düse mit einem Ringschlitz ausgebildet, der an ein
allgemein konisches Rohr angeschlossen ist. Druckfluid
wird durch diesen Schlitz eingeführt, und das durch das
allgemein konische Rohr tretende Fluid wird aufgrund des
Coandaeffekts und der Instabilität der Turbulenz zu dem
Spiralfluß mit dem maximalen Axialfluß auf der Achse
deformiert.
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In der in Fig.1 gezeigten Ausführung ist an einem zu einem
Düsenausgang (1) gerichteten Hauptrohr (2) ein Ringschlitz
(3) zum Pressen und Einführen eines Fluids wie etwa Wasser
vorgesehen, und dieser Schlitz (3) ist mit einem
Zufuhrrohr (7) zur Zufuhr eines Druckfluids versehen. Ein
Durchmesser des Hauptzylinders (2) wird von dem
Düsenausgang (1) zu dem Schlitz (3) hin gleichartig und graduell
größer, und eine Wandfläche (5) des Hauptzylinders (2) ist
sanft gekrümmt ausgebildet. Das dem Düsenausgang (1)
gegenüberliegende Ende ist mit einem Hilfszylinder (4) mit
einem Einlaß (6) für einen gemischten Fluß eines Fluids
oder eines Fluids und harte Schneidpartikel versehen. An
der gegenüberliegenden Seite der Wandfläche (5) gegenüber
dem Schlitz (3) ist eine Wandfläche (8) des Hilfszylinders
(4) mit rechten Winkeln oder einem spitzen Winkel
abgebogen.
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Der Abstand des Schlitzes (3) kann einstellbar sein. Es
gibt keine besondere Beschränkung der Struktur des
Zufuhrrohrs (7), welches ein Druckfluid zuführt. Darüber
hinaus kann beispielsweise eine Verteilerkammer (9)
vorgesehen sein, mit dem Zweck, eine gleichmäßige Zufuhr
sicherzustellen.
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Für den Hauptzylinder (2) sollte der Neigungswinkel (Θ)
derart sein, daß tanΘ etwa 1/3 bis 1/10 ist.
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In eine coandaspiralflußerzeugende Düse, wie etwa der oben
beschriebenen, kann man unter Druck stehendes Wasser als
ein Druckfluid von dem Schlitz (3) in den Hauptzylinder
(2) einführen. Dies ermöglicht die Synthese des
Bewegungsvektors des unter Druck stehenden Wassers zu dem
Bewegungsvektor des Fluids, wie etwa Wasser und Luft aus
dem Einlaß (6), wodurch sich eine Spiralbewegung (10)
bildet. Diese Spiralbewegung (10) erzeugt eine
Konzentration der Fluidgeschwindigkeit in der Laufachsenrichtung
und bildet einen konzentrierten Fluß hoher
Geschwindigkeit. Weil sich in dem Hauptzylinder (2) eine
Coandaschicht bildet, wird ein Abnutzen der Düseninnenwand auch
dann verhindert, wenn harte Schneidpartikel in ein
Druckfluid gemischt werden. Beim Einmischen von Partikeln wie
etwa Aluminiumoxid, SiC, Si&sub3;N&sub4;, BN, WC, etc. wird ihre
Dispersion homogenisiert.
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Die Düse wurde wenigstens in ihren bevorzugten
Ausführungen entwickelt, um Schleifmittel wirksam einzumischen
und um das Fokussieren von Wasserstrahlströmen bei
Hochdruckschleifwasser-Strahlschneidanwendungen zu verbessern.
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Wenigstens in den bevorzugten Ausführungen ist der
Strahlstrom stabiler und konzentriert die Partikel in den
Axialbereich des Strahlflusses, und zwar aufgrund der
Charakteristiken eines Spiralflusses. Dies ist der
maximale Axialfluß auf der Achse und ein Drehfluß um die
Achse.
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Wenigstens in den bevorzugten Ausführungen kann man beim
Schneiden den Druck des Fluids, wie etwa Wasser, geeignet
einstellen, und jegliche Metalle, anorganische
Materialien, wie etwa Aluminiumoxidgranulat oder dergleichen,
lassen sich als harte Schneidpartikel geeignet verwenden.
Die Verwendung dieser harten Schneidmaterialien ist nicht
immer erforderlich.
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Das Druckfluid kann Wasser sein oder ein anderes Fluid
oder eine gemischte Flüssigkeit. Das zu schneidende Objekt
kann irgendeines von Metallen, anorganischen Materialien
und anderen Feststoffen sein.
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Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden weiter
anhand der folgenden Beispiele erläutert:
BEISPIEL 1
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Verwendet wurde die in Fig. 1 gezeigte Düse. Ein
Außendurchmesser der Düse war 19 mm.
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Zwischen dem Düsenausgang und dem Werkstück wurde ein
Abstand von 50 mm vorgesehen, und als Werkstück wurde eine
Betonwand geschnitten. In diesem Fall wurde Wasser mit
einen Druck von 400 kgf/cm² ausgestoßen ist, ohne die
Verwendung harter Schneidpartikel.
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Das Werkstück wurde auf einer Tiefe von 18 cm geschnitten.
Das Schneiden wurde durch das herkömmliche
Wasserstrahlverfahren unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Das
Wekstück wurde nur auf eine Tiefe von 10 cm geschnitten.
Die Schneidfläche war rauh mit einer Unzahl feiner Grate
auf ihr. Die Scheidbreite war mehr als doppelt so groß
wie beim Schneiden mit dem Coandaspiralfluß der
vorliegenden Ausführung.
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Beim Einmischen von Aluminiumoxidoartikeln erhöhte sich
darüber hinaus die Schneidtiefe auf etwa 26 cm.
BEISPIEL 2
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Es wurde die Geschwindigkeitsverteilung eines aus einer
Düse mit 8 mm fließenden Strahls bestimmt.
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An einer Stelle 4 cm von der Düsenspitze wurde eine
Geschwindigkeit von 43 m/sec eingestellt und es wurde ein
Vergleich mit dem herkömmlichen Wasserstrahl gezogen.
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Geschwindigkeitsverteilungen einer Ausführung der
Coandadüse mit einer Wasserdruck von 4,8 kgf/cm² und des
herkömmlichen Wasserstrahls sind in den Figuren 2 (a) und (b)
gezeigt.
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Wie aus dem Vergleich der Geschwindigkeitsverteilung von
20m/sec, das sind Ausdehnungen ( ) der Geschwindigkeit,
ersichtlich, ist die Geschwindigkeitskonzentration in dem
Coandastrahl der vorliegende Erfindung sehr viel höher
als bei dem herkömmlichen Strahl.
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Gemäß wenigstens bevorzugten Ausführungen der vorliegenden
Erfindung, wie sie oben beschrieben sind, lassen sich
folgende Wirkungen erhalten, wenn man unter Verwendung
eines Strahlflusses auf Basis eines Coandaspiralflusses
Schneidarbeiten durchführt:
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1) Weil das Aufweiten des Strahls geringer ist und die
Energie ihre Wirkung in Laufrichtung konzentrisch
ausübt, läßt sich die Schneidwirkung stark
verbessern.
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2) Die Widerstandsfähigkeit der Düse gegen Abnutzung
kann ausgezeichnet sein.
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3) Harte Schneidpartikel lassen sich in dem gesamten
Fluid gleichmäßig verteilen.
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Diese Vorteile lassen sich mit dem Schneidverfahren und
der Schneidvorrichtung erreichen, die weit nützlicher sind
als herkömmliche.