DE69427166T2

DE69427166T2 - Abrasivstrahlströmungsschneider

Info

Publication number: DE69427166T2
Application number: DE69427166T
Authority: DE
Inventors: J. Rhoades
Original assignee: Extrude Hone LLC
Current assignee: Ex One Company Irwin Pa Us
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1994-08-29
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2014-08-30
Also published as: KR100359501B1; WO1995005921A1; CA2170351C; CA2170351A1; US5679058A; CN1094813C; RU2161086C2; EP0715560A1; JP3913773B2; EP0715560A4; EP0715560B1; TW267123B; KR960703707A; CN1133574A; ATE200872T1; JPH09502664A; MX9406550A; DE69427166D1; US5527204A

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft das Gebiet des Strahlschneidens und insbesondere das Schneiden mit Schleifmittelstrahlströmen, wobei eine Suspension von Schleifmittelteilchen in einem Fluidmedium unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit gegen die Oberfläche eines Werkstücks gepumpt wird, um Schneidarbeiten auszuführen. Derartige Arbeiten werden in großem Umfang beim Schneiden von Metallfeinblechen und -grobblechen bei der Herstellung von Gebrauchsgütern angewandt.

STAND DER TECHNIK

Schleifmittel-Wasserstrahlen sind in zunehmendem Umfang bei Schneid- und Bearbeitungsvorgängen eingesetzt worden, besonders bei Metallfeinblechen und -grobblechen, um schnelle und wirtschaftliche Schneidarbeiten und damit verbundene Umformarbeiten auszuführen. Typische Anwendungen waren das Schneiden von schwer bearbeitbaren Materialien, wie z. B. rostfreien Stählen, Titan, Nickellegierungen, verstärkten Polymerverbundstoffen, Keramik, Glas, Stein und dergleichen. Derartige Verfahren sind besonders vorteilhaft, um durch eine sehr eng lokalisierte Wirkung mit einer im Mittel geringen angreifenden Kraft eine Schneidwirkung hervorzurufen, um Schnitte von derartigen Materialien unter minimaler Wärmebeanspruchung oder Deformation ohne Zerstörung der Kristallstruktur und ohne Schichtentrennung von Verbundmaterialien auszuführen.
Zur Ausführung des Schneidens mit Schleifmittel-Wasserstrahlen wird eine spezielle Düseneinheit verwendet, um einen kohärenten kollimierten Hochdruckstrom durch eine Öffnung mit kleinem Durchmesser zu lenken, um einen Strahl zu bilden. Typischerweise werden Drücke von etwa 200 MPa (etwa 30000 psi) und mehr angewandt, um das Medium durch die Düsenöffnung zu pressen.
Typische Düseneinheiten werden aus abriebfesten Materialien hergestellt, wie z. B. Wolframcarbid oder Wolframdiborid. Die Öffnung selbst kann aus Diamant oder Saphir hergestellt werden. Dem aus der Düsenöffnung austretenden Hochgeschwindigkeits-Wasserstrahl werden Schleifmittelteilchen zugesetzt, indem der Wasserstrom durch ein "Mischrohr" gelenkt und im Bereich zwischen dem Austritt des Stroms aus der Öffnung und seinem Eintritt in das "Mischrohr" Schleifmittelteilchen in das Rohr eingebracht werden. Das Mischrohr, das typischerweise mehrere Zoll lang ist, ist ein Bereich mit eingeschlossener, äußerst turbulenter Strömung, in dem die relativ ruhenden oder sich langsam bewegenden Schleifmittelteilchen beschleunigt und in dem Hochgeschwindigkeits-Wasserstrom mitgerissen werden, der so hohe Düsenaustrittsgeschwindigkeiten wie 3 Mach aufweisen kann. Durch den Mitführungsprozeß entsteht eine Neigung zum Zerstreuen und Verlangsamen des Wasserstroms, während die Schleifmittelteilchen mit der Rohrwand und miteinander zusammenstoßen.
Durch den zerstreuten Strom entstehen relativ breite Schnittkerben, es wird Energie verschwendet, und das Rohr unterliegt einem schnellen Verschleiß, selbst wenn es aus abriebfesten Materialien besteht, wie z. B. aus Wolframcarbid oder Wolframdiborid und dergleichen. Einige Untersuchungen haben gezeigt, daß bis zu 70% der Schleifmittelteilchen zerbrochen werden, bevor sie das zu schneidende Werkstück erreichen.
In neueren Entwicklungen sind Wasserstrahlen ohne Schleifmittel mit wasserlöslichen Polymeren eingedickt worden, die dazu beitragen, kohärente Strahlströme zu erzielen und aufrechtzuerhalten, indem sie den Grad der Nebelbildung, Spritzerbildung und dergleichen vermindern. Es können etwas schmalere Schnittkerben erzielt werden. Die Betriebsdrücke und -geschwindigkeiten bleiben ziemlich hoch.
Bekannt ist außerdem das Suspendieren bzw. Aufschlämmen von Schleifmittelteilchen in Wasserstrahlen, das gewöhnlich auf den Eindickungseffekt der wasserlöslichen Polymere angewiesen ist, um in dem System als Suspensionsmittel zu wirken. Das Schleifmittel schneidet mit höherem Wirkungsgrad als das Wasser allein oder das Wasser mit einem Verdickungsmittel, führt aber zu einem völlig neuen Problemspektrum.

PROBLEME DER TECHNIK

Wegen der hohen Drücke und Strömungsgeschwindigkeiten, die mit der Strahlstrombearbeitung verbunden sind, ist es ziemlich schwierig, kohärente Ströme des Strahls aufrechtzuerhalten. Der Einsatz von Verdickungsmitteln bietet zwar wichtige Verbesserungen, aber solche Verfahren sind gewöhnlich teuer, da weder das Wasser noch das lösliche Polymer wiederverwendbar ist, weil die bei solchen Verfahren auftretende hohe Scherbeanspruchung das Polymer zersetzt; das zersetzte Polymer bleibt in dem Wasser gelöst und führt zu Kosten bei der Abwasserbeseitigung.
Wenn dem System Schleifmittel zugesetzt wird, sind die Schwierigkeiten und Kosten für das Schneiden und Fräsen mit dem Schleifmittelstrahlstrom noch höher.
Düsen, die für Schleifmittel-Wasserstrahl-Schneidarbeiten verwendet werden, sind komplizierter und erfordern Zusatzausrüstungen, um das Schleifmittel dem Strom zuzusetzen, normalerweise unmittelbar an die Düseneinheit angrenzend oder als Teil einer solchen Düse. Die Einheit umfaßt eine Mischkammer, wo das Schleifmittel in das Medium eingebracht wird, ein Fokussierrohr, wo der Strom beschleunigt wird, und eine kleine Öffnung, wo der Strom zu einem kohärenten Strahlstrom kollimiert wird, der auf das Werkstück geschleudert wird.
Die Mischkammer und die damit verbundenen Bauelemente sind komplex, was durch das notwendige Einblasen der Schleifmittelteilchen in den relativ schnellen Strom erforderlich ist. Die Mischkammer muß die Teilchen so weit wie möglich ins Innere des fließenden Stroms einblasen, um den Abriebgrad der Innenflächen der Mischkammer und der Öffnung zu minimieren. Da die Komponenten sehr unterschiedliche Dichten aufweisen, war ein Vormischen der Komponenten vor der Düseneinheit im allgemeinen nicht möglich, da selbst in eingedickten Fluiden die Schleifmittelteilchen dazu neigen, sich mit bemerkenswerter Geschwindigkeit zu entmischen und abzusetzen. Eine zusätzliche Verdickung ist in derartigen Systemen nicht kosteneffektiv.
Eine gleichmäßige Dispersion des Schleifmittels in dem Strom hat sich als unzuverlässig und unbeständig erwiesen, was weitgehend auf die großen Dichteunterschiede der Materialien, die hohen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den eingeblasenen Teilchen und dem schnellfließenden Strom und die daraus resultierende Notwendigkeit, die Schleifmittelteilchen durch den Strom zu beschleunigen, zurückzuführen ist. Die Vermischung der Teilchen mit dem Medium ist oft unvollständig und unbeständig, die Beschleunigungsbedingungen für das Schleifmittel verlangsamen den Fluß des Mediums, und die unvollständige Mischung führt zu Unbeständigkeiten und Inhomogenitäten, die divergente Strömungen und unterschiedliche Bahnen des Stroms oder seiner Komponenten beim Austritt aus der Öffnung verursachen und zu uneinheitlichen und/oder vergrößerten Schnittkerbenbreiten und zu ungenauen und ungleichmäßigen Schnittkanten am Werkstück führen.
Der Mischprozeß bewirkt, daß das Schleifmittel hohe Verschleißgeschwindigkeiten im Inneren der Düsenelemente hevorruft, die infolgedessen unter günstigen Bedingungen eine in Betriebsstunden zu messende Nutzlebensdauer aufweisen, und weniger günstige Bedingungen können die Lebensdauer der Düsen und Düsenöffnungen auf wenige Minuten verkürzen. Zum Beispiel sind die präzise Ausrichtung der Düse und des Fokussierrohrs ziemlich kritisch.
Die Mitführung der Teilchen trägt außerdem dazu bei, daß der Strahlstrom eher divergent als kohärent wird, was zu breiten Schnittkerben und zu einem zusätzlichen Zeit- und Arbeitsaufwand beim Schneidvorgang führt.
Wenn der Strahlstrom, in den das Schleifmittel eingebracht wird, ausreichend verdickt wird, schließt die Zersetzung durch Scherbeanspruchung eine Wiederverwendung des Mediums aus, und die Kosten sind beträchtlich. Um eine ausreichende Verdickung zur wirksamen Suspension der gewöhnlich verwendeten Schleifmittel zu erzielen, sind beträchtliche Mengen des Polymers erforderlich.
Wasserstrahl-Düsenöffnungen liegen typischerweise in der Größenordnung von 0,25 mm (etwa 0,010 Zoll). Wenn ein Schleifmittel eingebracht wird, ist der kleinste verwendbare Durchmesser des Mischrohrs etwa dreimal so groß wie der Öffnungsdurchmesser, d. h. er beträgt etwa 0,75 mm (etwa 0,030 Zoll) oder mehr. Kleinere Düsen haben wegen übermäßiger Abnutzung während des Betriebs eine unannehmbar kurze Betriebslebensdauer. Eine weitere Düse erzeugt einen breiteren Strom und eine breitere Schnittkerbe und erfordert einen höheren Medien- und Schleifmittelverbrauch pro Schnitteinheit.
Hollinger et al., "Precision Cutting With a Low Pressure, Coherent Abrasive Suspension" (Präzisionsschneiden mit einem kohärenten Niederdruck-Schleifmittelsuspensionsstrahl), 5th American Water Jet Conference, Toronto, Canada, 29.-31. August 1989, haben über verbesserte Schleifmitteldispersionen in wäßrigen Lösungen von Methylcellulose und über ein gesetzlich geschütztes Verdickungsmittel "Super Water" (Warenzeichen der Berkeley Chemical Co.) berichtet. Ihre Arbeit basierte darauf, daß durch Verwendung von 1,5 bis 2 Gew.-% der Verdickungsmittel, um das Vormischen des Schleifmittels mit den Polymerlösungen zu ermöglichen, ausreichende Viskositäten erreicht wurden, wodurch die Notwendigkeit des Einpressens des Schleifmittels an der Düse entfiel. Hollinger et al. berichteten, daß Düsenöffnungen von nur 0,254 mm (0,01 Zoll) erfolgreich verwendet werden konnten.
Die Arbeit von Hollinger et al. ist später in dem US-Patent 5184434, erteilt am 9. Februar 1993 auf eine am 29. August 1990 eingereichte Anmeldung realisiert worden. Eine Vernetzung der eingesetzten Polymere wird nicht ins Auge gefaßt.
Siehe auch Howells, "Polymerblasting with Super-Water from 1974 to 1989; a Review" (Polymerstrahlen mit Super-Water von 1974 bis 1989: eine Übersicht), Int'l. J. Water Jet Technol., Bd. 1, Nr. 1, März 1990, 16 S. Howells ist besonders informativ bezüglich der Gründe, weshalb Polymerstrahlmedien mit oder ohne Schleifmittel nicht im Kreislauf geführt und wiederverwendet worden sind. Siehe die Seiten 8 und 9.
US-A-3524367 offenbart ein Verfahren zur Verbesserung des Kohäsionsvermögens eines Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahls durch Auflösen eines langkettigen Polymers in der Arbeitsflüssigkeit, die unter Druck gesetzt und durch eine Strahldüse ausgestoßen wird. Das langkettige Polymer kann ein Polyalkylenoxid, Gelatine oder Methylcellulose aufweisen. Einige der vorgeschlagenen Zusammensetzungen sind wiederverwendbar.
In vielen Zusammenhängen können das nach dem Stand der Technik verwendete Wasser oder die wäßrigen Systeme bei bestimmten Materialien oder bestimmten Werkstücken, wo die Gegenwart von Wasser oder die dadurch hervorgerufene Korrosion nicht tolerierbar sind, nicht verwendet werden. Das Strahlschneiden war bisher unter derartigen Umständen nicht anwendbar.
In allen polymerbasierten eingedickten Systemen nach dem Stand der Technik hat bisher die Aufspaltung von Polymerketten durch die hohen angewandten Geschwindigkeiten im System wirksame Verfahren zur Rückgewinnung und Wiederverwendung des Strahlmediums ausgeschlossen, was zu erheblichen Anforderungen an die Abfallbehandlung und zu beträchtlichen Kosten für das verbrauchte Polymer und Schleifmittel führte.

AUFGABEN UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Strahlschneidmittel und - bearbeitungsmittel bereitzustellen, das die bei den bekannten Verfahren anzutreffenden Probleme überwindet.
Insbesondere besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, wiederverwendbare, mit Polymer eingedickte, vorgemischte Strahlmedien bereitzustellen, die Schleifmittelteilchen wirksam suspendieren, zusammenhängende und stabile Strahlströme bilden, mit hohem Wirkungsgrad enge Schnittkerben schneiden und wiederverwendbar sind und dadurch die Anforderungen an die Abfallbehandlung sowie die Rohstoffkosten verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung des Strahlstromschneidens bei niedrigeren Drücken und Volumenströmen als nach dem Stand der Technik erforderlich.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Verwendung von Öffnungen mit kleinerem Durchmesser, als nach dem Stand der Technik nutzbar, für das Schleifmittelstrahlschneiden und -fräsen zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, das Schleifmittelstrahlschneiden unter Verwendung einer vereinfachten Düse zu ermöglichen, die beträchtlich kleiner und besonders kürzer ist als diejenigen, die bisher für das herkömmliche Schleifmittel-Wasserstrahlbearbeiten und -schneiden erforderlich waren.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines kostengünstigen Strahlschneidsystems auf der Basis der Kreislaufführung und Wiederverwendung des eingedickten Strahlmediums.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein nichtwäßriges Strahlmedium bereitzustellen, das die Anwendung von Strahlschneid- und -bearbeitungsvorgängen bei Materialien und Werkstücken gestattet, die früher bei Strahlschneidarbeiten nicht einsetzbar waren.
Die vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zum Schneiden und spanenden Bearbeiten mit einem Schleifmittelstrahlstrom, wobei eine Vielzahl von Schleifmittelteilchen in einem fließfähigen Strahlmedium suspendiert sind, das ein Polymer enthält und mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck auf ein Werkstück geschleudert wird; dadurch gekennzeichnet, daß
A. das Polymer kovalente Bindungen aufweist und durch wiederbildungsfähige chemische Opferbindungen vernetzt ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ionenbindungen, mit einem Metall der Gruppen 11 bis VIII aktivierten wäßrigen Wasserstoffbrückenbindungen und nichtwäßrigen intermolekularen Bindungen besteht;
B. das Medium und das suspendierte Schleifmittel auf das Werkstück geschleudert werden, um das Schneiden und spanende Bearbeiten unter hohen Scherbeanspruchungsbedingungen auszuführen, wodurch die wiederbildungsfähigen chemischen Opferbindungen im wesentlichen ohne Aufspaltung der kovalenten Bindungen des Polymers aufgespalten werden;
C. die während des Schneidens und der spanenden Bearbeitung aufgespaltenen wiederbildungsfähigen chemischen Bindungen erneut gebildet werden; und
D. das Medium und das Schleifmittel zur Wiederverwendung in dem Verfahren im Kreislauf zurückgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignetes Schleifmittelstrahl-Schneidmedium bereit, das ein Polymer und ein dispergiertes und suspendiertes teilchenförmiges Schleifmittel aufweist, wobei das Polymer kovalente Bindungen aufweist und durch wiederbildungsfähige chemische Opferbindungen vernetzt ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ionenbindungen, mit einem Metall der Gruppen II bis VIII aktivierten wäßrigen Wasserstoffbrückenbindungen und nichtwäßrigen intetmolekularen Bindungen besteht; wobei die chemischen Opferbindungen vorzugsweise unter Bedingungen mit hoher Scherbeanspruchung aufgespalten werden und sich unter Bedingungen mit niedriger Beanspruchung erneut bilden, wobei das Medium eine statische bzw. Ruheviskosität von etwa 100 bis etwa 500 Pa·s (100000 bis etwa 500000 cP) und eine dynamische Viskosität von etwa 300 bis etwa 3000 Pa·s (etwa 3000 bis etwa 30000 P) unter Scherungsbedingungen aufweist, die dadurch dargestellt werden, daß man das Medium unter einem Druck von etwa 14 bis etwa 80 MPa durch eine Öffnung mit einem Durchmesser von etwa 0,1 bis etwa 1 mm fließen läßt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Wasserstrahlstrom mit einem durch Ionenbindung vernetzten, wasserlöslichen Polymer verdickt, wobei die ionischen Vernetzungen durch Salze von Metallen der Gruppen III bis VIII des Periodensystems gebildet werden.
In einer zweiten Ausführungsform wird der wäßrige Strahl aus einem Hydrogel eines wasserlöslichen Polymers gebildet, das vorzugsweise mit einem gelaktivierenden wasserlöslichen Salz eines Metalls der Gruppen II bis VIII des Periodensystems vernetzt ist. Die Vernetzung in derartigen Systemen basiert auf intermolekularen Bindungen, d. h. der Wasserstoffbrückenbindung, zwischen Polymermolekülen.
In einer dritten Ausführungsform wird aus einem durch intermolekulare Bindungen vernetzten Polymer, das selbst einen überwiegenden Bestandteil des Strahlstroms bildet, ein nichtwäßriges Medium gebildet. Im Betrieb sind die Schleifmittelteilchen in dem Polymer suspendiert. Das Polymer kann unter den im Betrieb auftretenden Scherkräften durch Zerstörung der intermolekularen Bindungen, welche die Vernetzungen des Polymers erzeugen, teilweise aufgespalten sein. Nachdem der Strahl seine Arbeit am Werkstück verrichtet hat, wird das Polymer aufgefangen, die Vernetzungsbindungen können sich neu bilden, und das Medium wird zur Wiederverwendung im Prozeß zurückgeführt.
Kleinere Öffnungsdurchmesser in der Größenordnung von nur etwa 0,1 mm (etwa 0,004 Zoll) können erfolgreich verwendet werden, wenn der Teilchendurchmesser des Schleifmittels ausreichend klein ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein im Kreislauf geführtes Medium zur Wiederverwendung liefert.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt einer bevorzugten Düsenform gemäß der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung stützt sich im wesentlichen auf die Beobachtung, daß die Scherbeanspruchungen, die bei der Bildung und Anwendung von polymerhaltigen Strahlströmen einwirken, die für Strahlschneidarbeiten angewandt werden, notwendigerweise hoch sind. Es können zwar eine Anzahl von Schritten unternommen werden, um die angreifenden Scherbeanspruchungen in der Düseneinheit zu minimieren, aber die Stoßkräfte des Strahlstroms an der Oberfläche des Werkstücks sind gleichfalls hoch und spalten ebenfalls die Polymerstruktur. Da hohe Scherbeanspruchung ein inhärentes Merkmal des Schneidvorgangs ist, sind Verfahren zur Verringerung der Polymeraufspaltung an einem gewissen Punkt unvereinbar mit den Bedingungen des Schneidvorgangs selbst und sind daher begrenzt.
Der Einschluß von anderthalb oder zwei Gew.-% Verdickungsmittel oder Polymermaterial in dem bei den bekannten Verfahren verwendeten Strahlmedium macht daher einen sehr beträchtlichen Anteil der Betriebskosten aus. Der Zeit- und Energiebedarf für die Auflösung des Polymers in dem wäßrigen Medium ist gleichfalls ein wesentlicher Faktor in den Betriebskosten und kann, wenn er nicht angemessen geplant wird, wegen des erheblichen Zeitaufwands, der für die Auflösung solcher Polymere erforderlich ist, zu wesentlichen Verzögerungen bei den Arbeiten führen. Wenn keine beständige Steuerung erfolgt, können Veränderungen in der Lösung zu mangelnder Gleichmäßigkeit bei Schneid- und Bearbeitungsvorgängen führen und die Qualität des Ergebnisses beeinträchtigen.
Nach dem Gebrauch bildet die Sammlung und Behandlung der zersetzten Polymerlösung eine beträchtliche Belastung für den Betrieb, und es gibt keine bekannten Verwendungen für das entstehende Abfallprodukt. Die Behandlungs- und Beseitigungskosten machen typischerweise einen wesentlichen Anteil der Betriebskosten aus.
In diesem Zusammenhang wird die Verwendung komplexerer und teurerer Polymere, die bestimmte konkrete Vorteile für den Betrieb bieten, im allgemeinen durch die erhöhten Kosten aufgewogen.
Die Zersetzung der Polymere in Strahlschneidsystemen entsteht durch die Aufspaltung der chemischen Bindungen, die das Polymer bilden, und insbesondere der chemischen Bindungen, die das Grundgerüst der Polymerkette bilden. Derartige Effekte führen zur Verringerung des Molekulargewichts des Polymers und zu einer resultierenden Verringerung der Viskosität sowie einem Verlust der Fähigkeit des Mediums, die Schleifmittelteilchen wirksam zu suspendieren, einen kohärenten Strahlstrom zu bilden und den Verschleiß der Anlage durch Schleifmittel zu begrenzen.
Bei der vorliegenden Erfindung werden diese Schwierigkeiten durch die Verwendung von Polymermaterialien überwunden, welche die Fähigkeit zur Neubildung bzw. Wiederbildung von chemischen Bindungen aufweisen, die während des Strahlschneidvorgangs aufgespalten werden, und die daher in voll wirksamer Form wiederhergestellt werden können, um eine Rückführung und Wiederverwendung zu ermöglichen. So werden die chemischen Bindungen zwar während der Schneidarbeiten unter dem Einfluß einer hohen Scherbeanspruchung in der Düse und durch den Aufprall auf das Werkstück aufgespalten, aber derartige Effekte sind nicht mehr schädlich für die Verwendbarkeit des Strahlstrommediums.
In der Praxis können die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Polymere durch den Betrieb während vieler Arbeitstakte dem Kreislauf wieder zugeführt werden. Mit der Zeit entsteht eine stärkere Zersetzung der Ketten des Polymergrundgerüsts (normalerweise kovalente Bindungen), welche die Zahl der Kreisläufe begrenzt. Im allgemeinen können die bevorzugten Polymere der vorliegenden Erfindung über 20 bis 100 oder mehr Zyklen im Kreislauf durch das System geführt werden, bevor ein Austausch erforderlich ist.
Die Neubildung der aufgespaltenen Bindungen zur Wiederherstellung des Polymer- Verdickungsmittels in verwendbarer Form erfordert, daß das Polymer Bindungen enthält, die unter den Bedingungen hoher Scherbeanspruchung und starker Stöße beim Schneidvorgang geopfert werden, und die sich neu bilden, um die ursprüngliche Polymerstruktur wiederherzustellen. Dies erfordert, daß das Polymer einen ausreichenden Bestand an chemischen Bindungen enthält, die keine kovalenten Bindungen sind. Wenn kovalente Bindungen aufgespalten werden, dann sind die Bruchstücke in so hohem Maße reaktiv, daß die aufgespaltenen Ketten normalerweise durch nahezu augenblicklich ablaufende Kettenabschlußreaktionen abgeschlossen werden und die ursprünglichen Bindungen nicht wieder gebildet werden können.
Es gibt drei Typen von chemischen Bindungen, die bei der vorliegenden Erfindung bisher beurteilt wurden und die sich als effektiv erwiesen haben. Dabei handelt es sich um Ionenbindungen, intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen und intermolekulare B : O-Bindungen.
Ionenbindungen werden häufig bei der ionischen Vernetzung der verschiedensten Polymere verwendet. Derartige Polymere sind oft wasserlösliche Typen, die sich gut für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignen. Wenn solche Polymere ionisch vernetzt werden, bilden sie typischerweise mit Wasser aufgequollene Gele mit effektiven Viskositätswerten, die sehr dauerhafte Suspensionen der Schleifmittelteilchen mit hoher Dichte bilden, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zugesetzt werden sollen.
In ionisch vernetzten Hydrogelen sind die Ionenbindungen schwächer als die kovalenten Bindungen des Polymergrundgerüsts, und die Ionenbindungen werden bei Einwirkung von hohen Scherbeanspruchungen vorzugsweise zerstört und aufgespalten. Die Ionenarten, die beim Aufspalten der Bindungen erzeugt werden, sind relativ stabil und reagieren im Zusammenhang mit den hier verwendeten Polymersystemen nur, um die aufgespaltenen Vernetzungen wiederherzustellen und folglich die hochviskose Hydrogelstruktur wiederherzustellen, sobald die hohe Scherbeanspruchung beseitigt wird.
In einer alternativen Ausführungsform werden aus gelbildenden wasserlöslichen Polymeren mit Gelbildungspromotoren, wie z. B. wasserlöslichen Salzen von Metallen der Gruppen 11 bis VIII des Periodensystems, Hydrogele gebildet. Hydrogele beruhen auf der Bildung von intermolekularen Bindungen, d. h. von Wasserstoffbrückenbindungen, zwischen den Polymermolekülen. Solche Bindungen sind schwächer als Ionenbindungen und erleichtern im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die Verdünnung des Mediums unter den hohen Scherbeanspruchungen, die bei der Bildung des Schneidstrahls auftreten, und liefern die Opferbindungen, welche die kovalenten Bindungen des Polymers schützen und die Kettenspaltung minimieren. Diese Hydrogele dienen außerdem zur Förderung einer hohen Ruheviskosität, gleichgültig ob die intermolekularen Bindungen beim Aufbau des Gels gebildet oder nach Gebrauch neu gebildet werden, was in hohem Maße wünschenswert ist, um eine Ausscheidung der Schleifmittelteilchen zu verhindern.
Eine Reihe von wasserlöslichen Polymeren sind zwar bei der Formulierung von Ausgangsgemischen für das Strahlschneiden eingesetzt worden, einschließlich bestimmter gelbildender Polymere, aber diese sind ohne Gelbildungspromotoren und bei Konzentrationen eingesetzt worden, bei denen keine spontane Gelbildung auftritt. Die Zugabe solcher Polymere bei den bekannten Verfahren war hauptsächlich auf die Erhöhung der Kohärenz des Strahls gerichtet. Ohne die Bildung eines beträchtlichen Bestands an Opferbindungen wird das Polymer bei einmaliger Verwendung weitgehend zersetzt und ist nicht wiederverwendbar. Die Strahlgemische bei den bekannten Verfahren werden normalerweise als Abfall verworfen.
Es sind auch nichtwäßrige Polymerformulierungen möglich, wobei das Polymer durch andere Typen von intermolekularen Opferbindungen vernetzt ist. Solche Formulierungen sind von besonderer Bedeutung für das Schneiden und spanende Bearbeiten von Materialien, die durch Wasser angreifbar sind, wie z. B. Eisenmetalle und dergleichen.
Ein bevorzugtes nicht wasserhaltiges Polymer, das durch intermolekulare Bindungen vernetzt ist, ist die Familie der Polyborosiloxane. Diese Polymere sind durch Elektronenpaarteilung zwischen tertiären B-Atomen in der Polymerkette mit O-Atomen in der Kette der benachbarten Polymermoleküle vernetzt. Die spezifischen Eigenschaften, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind, können sehr direkt und fein gesteuert werden, einschließlich des Molekulargewichts von Polyborosiloxan und dergleichen.
Die Formulierung von Schneidmedien, die auf der Verwendung von Polyborosiloxanen basieren, wie weiter unten ausführlicher beschrieben, wird bei der vorliegenden Erfindung wegen des nichtwäßrigen Charakters der Medien, der genauen Steuerung der Viskosität und der Fähigkeit zum Ausgleich der Ruheviskosität und der durch hohe Scherbeanspruchung verminderten Viskosität entsprechend den Bedingungen der auszuführenden Schneid- und Bearbeitungsvorgänge besonders bevorzugt.
Intermolekulare Bindungen, gleichgültig ob sie auf Wasserstoffbrückenbindungen oder auf B : O- Bindungen basieren, sind außerdem schwächer als kovalente Bindungen, und es werden Polymere verwendet, die ohne weiteres intermolekulare Bindungen bilden, besonders bei der erfindungsgemäßen Verarbeitung von nichtwäßrigen Strahlströmen. Bei den Vorgängen mit hoher Scherbeanspruchung, die mit der Erzeugung des Strahlstroms verbunden sind, und unter Einwirkung der Stoßkräfte auf Werkstückoberflächen werden vorzugsweise die intermolekularen Bindungen aufgespalten, wobei sie einen Teil der auf das Polymer einwirkenden Energie absorbieren und die kovalenten Bindungen schützen, die das Grundgerüst des Polymers bilden.
Diese intermolekularen Bindungen bilden sich im Lauf der Zeit ohne weiteres von neuem, sobald die hohe Scherbeanspruchung entfernt wird, wodurch die vernetzte Struktur und die gelartige hohe Viskosität, die von dem System gefordert werden, wiederhergestellt werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden die Vernetzungsbindungen, d. h. ionische oder intermolekulare Bindungen, unter den Betriebsbedingungen mit hoher Scherbeanspruchung und starken Stößen als erste aufgespalten und opfern sich auf diese Weise selbst, um die zugeführte Energie zu absorbieren. Sie sind in diesem Sinne Opferbindungen, die dazu dienen, die kovalenten Bindungen gegen Zersetzung zu schützen, die andernfalls die Polymerketten auf dauerhafte, irreversible Weise zerstören würde, die für die Polymerzersetzung der Materialien und Verfahren nach dem Stand der Technik charakteristisch ist.
Wenn die Scherspannungen beseitigt werden, z. B. wenn man das Medium stehen läßt, erfolgt eine spontane Neubildung der zerstörten Bindungen. Die Basis für die Ionenbindungen bleibt intakt, da während des Betriebs des Strahlschneidverfahrens durch die Aufspaltung der Bindungen gerade die Ionenspezies erzeugt wird, die für die Entstehung solcher Bindungen im ursprünglichen Polymermedium charakteristisch ist. Derartige Bindungen werden in erster Linie reversibel gebildet und existieren in wäßrigen Medien in jedem Falle in einem Gleichgewichtszustand. Die Neubildungsgeschwindigkeit der Bindungen wird überwiegend durch die Beweglichkeit der Polymerketten in dem verbrauchten und zersetzten Medium bestimmt. Bei der niedrigeren Viskosität des Mediums unter solchen Bedingungen ist die Beweglichkeit relativ groß, und die Neubildung des Gels erfolgt typischerweise innerhalb weniger Minuten nach dem Sammeln. Dementsprechend ist es wünschenswert, für die Vermischung der gesammelten Polymerlösung und des Schleifmittels zu sorgen, um die weitgehend homogene Dispersion der Schleifmittelteilchen in dem Hydrogel sicherzustellen, obwohl es auch möglich ist, das Schleifmittel nach voller Wiederherstellung der ronenbindungen nochmals in dem neugebildeten Gel zu dispergieren.
Die Verdünnung der Polymerkomponente als Reaktion auf einwirkende hohe Scherbeanspruchung ist selbst von Nutzen für die Bildung des Schleifmittelstrahlstroms, da die Formulierung im Strahlstrom eine geringere Viskosität aufweist, so daß die zugeführte Energie in einem höheren Anteil auf die Schleifmittelteilchen übertragen wird und ihren Wirkungsgrad beim Schneiden erhöht. Das Polymer bewirkt die Erzeugung eines in hohem Maße kohärenten Strahlstroms und dient dazu, den Abrieb innerhalb der Anlage zu minimieren.
Es sind die spezifischen Viskositätsparameter und -änderungen, die eine Vereinfachung der Anlagenbedingungen gegenüber früheren Schleifmittel-Wasserstrahlverfahren ermöglichen. Da der Eintrag bzw. die Mitführung des Schleifmittels in dem Medium beim Auffüllen in der gewöhnlich verwendeten Mischanlage erfolgt, besteht keine Notwendigkeit, eine getrennte Zufuhr des Schleifmittels zur Düse bereitzustellen, die Schleifmittelteilchen in den Strom einzubringen oder ein Mischrohr bereitzustellen, was nach dem Stand der Technik normalerweise alles erforderlich ist.
Zerstörte intermolekulare Bindungen erfahren eine spontane und schnelle Neubildung und eine erneute Dispersion des Schleifmittels ist ziemlich einfach auszuführen, wenn überhaupt erforderlich.
Da die Polymersysteme durch den Strahlschneidprozeß und die Neubildung der zerstörten chemischen Bindungen im Kreislauf geführt werden, erfolgt in jedem Zyklus eine gewisse Zerstörung von kovalenten Bindungen. Obwohl der Anteil an irreversibel zerstörten Bindungen in jedem einzelnen Zyklus bescheiden ist, ist der Effekt kumulativ, und nach einer beträchtlichen Anzahl von Zyklen wird die permanente Zersetzung des Polymers signifikant. Da das Polymer kumulativ und irreversibel zersetzt wird, nimmt die Viskosität des neugebildeten Polymers allmählich ab, und das Medium beginnt schließlich, einen unerwünschten Klebrigkeitsgrad aufzuweisen.
Nach den bisher ausgeführten Arbeiten können die Polymerverdickungsmittel, die bei den erfindungsgemäßen Wasserstrahlschneidarbeiten eingesetzt werden, erfolgreich in bis zu 100 Gebrauchszyklen im Kreislauf geführt werden, bevor ein Austausch erforderlich ist. Die erfindungsgemäßen nichtwäßrigen Medien sind mindestens ebenso haltbar und oft viel haltbarer als die wäßrigen Systeme. Die Anzahl der Zyklen variiert natürlich mit dem jeweiligen Polymer, den Verfahrensbedingungen und dergleichen, aber es ist ohne weiteres ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Medium im Vergleich zum Stand der Technik, der nach einem einzigen Durchlauf durch die Öffnung keine Wiederverwendung des Mediums zuläßt, die Wiederverwendungsfähigkeit beträchtlich erhöht hat. Es ist im allgemeinen wünschenswert, periodisch oder sogar kontinuierlich kleine Mengen "frisches" Schleifmittel- Polymer-Gemisch zuzusetzen, um die Konsistenz und Homogenität des Materials während des Gebrauchs aufrechtzuerhalten. Günstigerweise werden äquivalente Materialmengen entfernt, um in der Anlage ein relativ konstantes Volumen des Mediums aufrechtzuerhalten.
Ionisch vernetzbare Polymere, die sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignen, sind u. a. irgendwelche wasserlöslichen Polymere, die ionisch vernetzte Gele mit Metallsalzen, Metalloxiden oder metallorganischen Geliermitteln von Metallen der Gruppen 11 bis VIII bilden. Bevorzugte Spezies sind diejenigen wasserlöslichen Polymere, die beträchtliche Anteile an Hydroxylgruppen aufweisen. Die Polymere können auch aktive ionisierbare Reaktivgruppen aufweisen, wie z. B. Carboxylgruppen, Sulfonsäuregruppen, Amingruppen und dergleichen. Die ionisch vernetzenden Polymere und Vernetzungssysteme sind ähnlich den Hydrogelen, die durch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen gebildet werden, außer daß die Ionenbindungen nur unter Bedingungen entstehen, welche die Ionisierung der Vernetzungsspezies fördern. Solche Bedingungen können eine Steuerung des pH-Werts, die Gegenwart von Reaktionskatalysatoren oder Promotoren erfordern, wie z. B. von Lewis-Säuren oder Lewis-Basen und dergleichen. Die Bildung solcher ionisch vernetzter Polymere ist im allgemeinen bekannt und in der chemischen Literatur charakterisiert, wie der Durchschnittsfachmann erkennen wird.
Es sind eine beträchtliche Anzahl von hydrogelierbaren Polymeren und Geliermitteln bekannt, und im wesentlichen kann jede der verfügbaren Substanzen erfolgreich bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Beispiele der bevorzugten hydroxylgruppenhaltigen wasserlöslichen Polymere schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf Guaran, Xanthanlösung, Hydroxypropyl- und Hydroxyethylderivate von Guaran und/oder Xanthanlösung und verwandte hydroxylgruppenhaltige oder substituierte Pflanzengummis, Hydroxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose und verwandte wasserlösliche Cellulosederivate, hydroxylgruppenhaltige synthetische Polymere, wie z. B. Hydroxyethyhnethacrylat, Hydroxypropylmethacrylat, und andere wasserlösliche Polymere, wie z. B. Polyacrylamid und dergleichen. Von Interesse sind auch mit Hydroxylgruppen abgeschlossene wasserlösliche Spezies von Polymeren und Oligomeren mit niedrigem Molekulargewicht, wie z. B. Polyethylenoxid, Polyoxymethylen und dergleichen.
Zu den bevorzugten Gelierpromotoren von Metallen der Gruppen II bis VIII, die verwendet werden können, gehören Borsäure, Borax und metallorganische Verbindungen von Titan, Aluminium, Chrom, Zink, Zirconium und dergleichen.
Eine besonders bevorzugte Spezies für den bescheidenen Kostenaufwand ist eine mit Borax gelierte Lösung von etwa 2 bis 2,5 Gew.-% Guaran in Wasser. Dieses besonders billige Hydrogel hat die Fähigkeit gezeigt, bis zu 12 Zyklen von Strahlschneidarbeiten bei 14 MPa mit anschließender Gelneubildung ohne nachweisbare permanente Zersetzung des Polymergels zu überstehen.
Ein bevorzugtes, durch intermolekulare Bindungen vernetztes nichtwäßriges Polymer, das eine wirksame Strahlstromviskosität aufweist, erhält man durch eine Zusammensetzung aus Polyborosiloxan- Polymer, einem Kohlenwasserstoffett oder -Öl als Streckmittel oder Verdünnungsmittel und einem Weichmacher, wie z. B. Stearinsäure oder dergleichen. Die Polyborosiloxan-Polymere als Klasse sind Spezies mit starken intermolekularen Bindungen und sind ein hervorragendes Strahlmedium für wasserempfindliche Anwendungen, wenn sie auf geeignete Weise erweicht werden, um geeignete Viskositäten für die Strahlbildung zu erreichen. Außerdem sind die Polyborosiloxan-Formulierungen im allgemeinen nichtklebrige, nichthaftende Materialien, die sich nach Beendigung des Schneidvorgangs leicht von der Oberfläche der Werkstücke entfernen lassen.
Die Borosiloxan-Polymere zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung haben im allgemeinen Molekulargewichte von etwa 200000 bis etwa 750000, vorzugsweise von etwa 350000 bis etwa 500000. Das Atomverhältnis B : Si liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 : 3 bis zu etwa 1 : 100, stärker bevorzugt von etwa 1 : 10 bis zu etwa 1 : 50.
Die Borosiloxane sind in hohem Maße mit einer Vielzahl von Füllstoffen, Erweichungsmitteln und Weichmachern verträglich. Gewöhnlich werden inerte Füllstoffe als Verdünnungsmittel zur Senkung der Materialkosten und geeignete Weichmacher und Erweichungsmittel zur weiteren Verdünnung des Polymers und zur Steuerung der Viskosität eingesetzt.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die Schleifmittelteilchen normalerweise der einzige inerte Füllstoff, obwohl auch andere Füllstoffe eingesetzt werden können, wenn der Schleifmittelanteil entsprechend verringert wird. Wie oben festgestellt, kann der Anteil des Schleifmittels (und eines anderen Füllstoffs, falls dieser verwendet wird) im Bereich von etwa 5 bis etwa 60 Gew.-% der Formulierung liegen, wobei im allgemeinen ein Anteil von etwa 25 bis 40 Gew.-% bevorzugt wird.
Weichmacher und erweichende Verdünnungsmittel werden verwendet, um die Viskosität des Schleifmittelstrahlinediums zu regulieren. Geeignete Weichmacher zur Verwendung in Siliconpolymeren sind recht zahlreich und dem Fachmann bekannt, und die Auswahl geeigneter Viskositätssteuerungsmittel ist nicht im engen Sinne wesentlich für die vorliegende Erfindung. Um Beispiele anzugeben, die aber nicht als Einschränkung aufzufassen sind, sind geeignete Materialien unter anderem Fettsäuren mit etwa 8 bis 30 Kohlenstoffatomen, insbesondere mit etwa 12 bis 20 Kohlenstoffatomen, wie z. B. Palmitinsäure, Stearinsäure und Oleinsäure; Kohlenwasserstoff-Paraffinöle, besonders Leichtöle, wie z. B. "Topöl" und andere Erdöldestillate und Nebenprodukte; Pflanzenöle und teilweise oder voll hydrierte Pflanzenöle, wie z. B. Rapsöl, Safloröl, Sojaöl und dergleichen; Fette auf Kohlenwasserstoffbasis, wie z. B. Kraftfahrzeugschmierfette und dergleichen; Mono-, Di- und Triester von polyfunktionellen Carbonsäuren, wie z. B. Dioctylphthalat (DOP) und dergleichen. Flüssige oder halbfeste Siliconöle können ebenfalls verwendet werden und trotz ihrer Kosten erhebliche Vorteile bringen, wenn das Medium hohen Temperaturen und/oder oxidierenden Bedingungen ausgesetzt ist, die zur Zersetzung von Weichmachern und Verdünnungsmitteln auf Kohlenwasserstoffbasis führen können.
Wie erwähnt, werden die Weichmacher und erweichenden Verdünnungsmittel zugesetzt, um die Viskosität der Formulierung zu steuern. Eine Ruheviskosität von typischerweise etwa 300000 cP bei Umgebungsbedingungen, gemessen durch ein Brookfield-Viskosimeter, ist geeignet und zweckmäßig. Bekanntlich weisen Borosiloxanpolymere als Reaktion auf angewandte Scherbeanspruchung eine erhebliche scheinbare Viskositätszunahme und bei hoher Scherbeanspruchung sogar eine Propfenströmung durch konfigurierte Strömungswege auf. Es gibt zwar kein verfügbares Verfahren zur direkten Messung der Viskosität in der erfindungsgemäßen Düse, aber wir haben festgestellt, daß Formulierungen mit Ruheviskositäten von etwa 200 Pa·s bis etwa 500 Pa·s (etwa 200000 cP bis etwa 500000 cP) im allgemeinen geeignet sind und daß eine Viskosität von etwa 300 Pa·s (300000 cP) recht zuverlässig ist. Wir haben eine effektive Viskosität als Funktion des angelegten Drucks und daraus resultierende Strahlstromvolumina berechnet und glauben, daß die effektive spezifische Viskosität an der Düse in der Größenordnung von etwa 500 Pa·s bis etwa 2000 Pa·s (etwa 5000 P bis etwa 20000 P) liegt.
Wenn das Strahlmaterial gesammelt und stehengelassen wird, dann kehrt die Viskosität schnell im wesentlichen zur ursprünglichen Ruheviskosität zurück, typischerweise innerhalb von 5 Minuten oder weniger, oft innerhalb einer Minute. Wir glauben, daß die Rückkehr zur ursprünglichen Viskosität die Neubildung der intermolekularen B : Si-Bindungen und den relativ unbedeutenden Kettenspaltungsgrad demonstriert.
Während einer Anzahl von Einsatzzyklen tritt zwar eine gewisse Zersetzung auf, aber der der Zersetzungsgerad wird typischerweise bis zu 20 oder mehr Zyklen nicht signifikant und ist unter Umständen nicht feststellbar, bis 100 oder mehr Einsatzzyklen abgelaufen sind. Die langfristige Zersetzung wird leicht durch die periodische oder kontinuierliche Zugabe von frischem, unverbrauchtem Medium und die Entnahme einer äquivalenten Menge des verbrauchten Mediums ausgeglichen. Eine solche Verfahrensweise dient auch zum Austauch von verbrauchten Schleifmittelteilchen durch neue, scharfkantige Teilchen und zur Begrenzung der Anhäufung von Schneid- oder Bearbeitungstrümmern im Medium.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Einspritzen bzw. Einpressen des Schleifmittels an der Düse nicht bevorzugt und ist allgemein nicht erwünscht. Vorzugsweise werden die Schleifmittelteilchen in einem getrennten, vorausgehenden Arbeitsgang in das gelierte Polymer eingemischt und durch eine geeignete Hochdruckpumpe zur Düse gepumpt.
In den wäßrigen Hydrogelsystemen liegen die Anteile des Polymers und seines Geliermittels typischerweise in der Größenordnung von etwa 1 bis etwa 20 Gew.-% des Mediums, am häufigsten von etwa 2 bis 5%, und typischerweise für die meisten Polymere etwa 2 bis 3%. Die genauen Anteile können für irgendein bestimmtes Gel in Bezug auf das jeweilige Schleifmittel, seine Teilchengröße und Dichte und den zuzusetzenden Anteil optimiert werden.
Das Schleifmittel hat besonders häufig eine Teilchengröße im Bereich von nur etwa 2 um bis zu etwa 1400-1600 um (etwa 16 mesh). Häufiger liegt die Korngröße des Schleifmittels im Bereich von etwa 20 bis etwa 200 um, vorzugsweise von etwa 20 bis etwa 80 um.
Das Strahlstrommedium kann etwa 1 bis etwa 75 Gew.-% Schleifmittel enthalten. Häufiger beträgt der bevorzugte Anteil etwa 5 bis etwa 50 Gew.-%, und stärker bevorzugt etwa 15 bis etwa 30 Gew.-%. Im Betrieb werden die Formulierungen auf eine Weise eingesetzt, die sich in verschiedener Hinsicht von dem Strahlschneiden unterscheidet, wie es nach dem Stand der Technik praktiziert wird und dem Durchschnittsfachmann bekannt ist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist die Polymerformulienmg in zwei voneinander verschiedenen Betriebszuständen viskositätsempfindlich. Vor allem muß das Polymer eine ausreichende Viskosität aufweisen, um die Schleifmittelteilchen wirksam in der Formulierung zu suspendieren; unter Bedingungen mit niedriger Scherbeanspruchung ist dies ein Parameter, der am genauesten durch die statische bzw. Ruheviskosität definiert ist. Zusätzlich kann die Ausbildung des Strahlstroms unter Bedingungen mit hoher Scherbeanspruchung den Zusammenhang bzw. die Kohärenz des Strahls und die Homogenität der Schleifmittelteilchendispersion im Strahl wesentlich beeinflussen. Diese Parameter sind durch die dynamische Viskosität definiert.
Obwohl Polymerlösungen nicht-Newtonsche bzw. strukturviskose Fluide sind, weisen sie ein Fluidverhalten auf, das unter statischen Bedingungen Newtonsche Fluide approximiert. Außerdem dominieren unter Bedingungen mit hoher Scherbeanspruchung wieder Fließeigenschaften von Newtonschen Fluiden.
Ein kugelförmiges Teilchen benötigt in einem statischen Fluid eine bestimmte Zeit, um sich unter Schwerkrafteinwirkung über eine gegebene Höhe abzusetzen. Folglich erhält man aus der Strömungsmechanik:
mit
t = Zeit
= Viskosität des Fluids
η = Absetzhöhe
A = Teilchendurchmesser
DP = Dichte des Teilchens
DL = Dichte des Fluids
g = Schwerkraftbeschleunigung
Wir haben beobachtet, daß die folgenden Annahmen, von denen die vorstehende Formel abhängig ist, für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ausreichend gültig sind:
Laminare Strömung: bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten, die für das Absetzen von Schleifmittelteilchen charakteristisch sind, sind die Fließeigenschaften laminar oder nahezu laminar.
Newtonsches Fluid: unter nahezu statischen Bedingungen, die beim Absetzen von Teilchen auftreten, sind die Polymerformulierungen ihrer Natur nach ausreichend fluid, um im wesentlichen Newtonsche Fließeigenschaften aufzuweisen.
Kugelförmige Teilchenform: Die unregelmäßige Form von Schleifmittelteilchen bringt einen gewissen Fehler ein, aber da die durchschnittlichen Teilchen sich in ihren Haupt- und Nebenabmessungen nicht stark unterscheiden und da diese Schwankungen sich gewöhnlich über eine beträchtliche Anzahl von Teilchen im Mittel aufheben, kann im vorliegenden Zusammenhang die Schwankung gefahrlos ignioriert werden.
Formulierungen, die für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind, weisen eine Viskosität bei niedriger Schergeschwindigkeit (Brookfield) in der Größenordnung von etwa 200 Pa·s bis 500 Pa·s (etwa 200000 bis 500000 cP), vorzugsweise von etwa 300 Pa·s (300000 cP) auf. Ein SiC- Teilchen von 320 mesh mit einer Dichte von 3 ergibt eine Absetzrate von etwa 267,7 x 10&sup6; s/m (6,8 x 10&sup6; s/Zoll) (annähernd elf Wochen, und für die vorliegende Erfindung geeignet).
Bei höheren Scherraten nehmen die Polymerformulierungen ein nicht-Newtonsches Verhalten an, wobei die Viskosität nach einer Potenzbeziehung von der Scherrate abhängt. Diese Abhängigkeit gilt bis zu einer hohen Scherrate, wo die Viskosität wieder im wesentlichen unabhängig von der einwirkenden Scherbeanspruchung wird und wieder weitgehend Newtonsche Fließeigenschaften gelten.
Einer der besonderen Vorzüge der erfindungsgemäßen Strahlstromformulierungen ist die Verminderung des Drucks, der bei der Ausbildung des Strahls erforderlich ist, um nutzbare Schneidwirkungen hervorzurufen. Typischerweise liegen die erforderlichen Drücke in der Größenordnung von etwa 14 bis etwa 80 MPa (etwa 2000 bis etwa 12000 psi) im Vergleich zu Drücken von typischerweise mindestens 200 MPa (30000 psi) und darüber bei den bekannten Verfahren.
Verabredungsgemäß wird der angewandte Druck als Druckabfall an der strahlbildenden Düse gemessen. Wie der Durchschnittsfachmann leicht erkennen wird, erfordern Drücke bis zu 80 MPa nicht die komplexe, teure und wartungsaufwendige Ausrüstung, die bei Drücken von 200 MPa und mehr eingesetzt wird, die typischerweise bei den bekannten Verfahren erforderlich sind. Daher erfordert die praktische Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht den Einsatz von hydraulischen Pumpen mit Druckausgleich und Hochdruckverstärkern, und sogar Druckspeicher sind entbehrlich oder können zumindest stark vereinfacht werden. Die vorliegende Erfindung kann mit leicht verfügbaren und billigen herkömmlichen Verdrängerpumpen in die Praxis umgesetzt werden, wie z. B. mit Kolbenpumpen, die bei den erforderlichen Drücken hydraulisch oder auf ähnliche Weise angetrieben werden können.
Bei den bei der vorliegenden Erfindung wirksamen Düsenöffnungsdurchmessern liegen die Düsengeschwindigkeit im Bereich von etwa 75 bis etwa 610 m/s (etwa 250 bis etwa 2000 ft/s) vorzugsweise von etwa 150 bis etwa 460 m/s (etwa 500 bis etwa 1500 ft/s), der sich bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung als voll nutzbar erwiesen hat.
Die Auswahl des Schleifmittels ist bei der vorliegenden Erfindung nicht kritisch, und jedes der üblicherweise verwendeten Materialien ist nutzbar. Beispiele geeigneter Materialien sind unter anderem Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Granat, Wolframcarbid, Siliciumcarbid und dergleichen. Die Wiederverwendung des Schleifmittels ermöglicht den wirksamen Einsatz von härteren, aber teureren Schleifmitteln mit daraus resultierenden Erhöhungen des Wirkungsgrads der Schneid- und Bearbeitungsvorgänge. Zum Beispiel kann Siliciumcarbid bei Schneidvorgängen eingesetzt werden, wo aus Kostenbegrenzungsgründen Granat verwendet wurde.
Im allgemeinen wird das Schleifmittel günstigerweise in der Formulierung in Konzentrationen von etwa 5 bis etwa 60 Gew.-% eingesetzt, vorzugsweise von etwa 25 bis etwa 40 Gew.-%. Wir haben festgestellt, daß der Betrieb in dem bevorzugten Bereich und in bestimmten Fällen in einem höheren Bereich ziemlich effektiv ist und daß die Konzentration im allgemeinen wesentlich höher ist als die Konzentrationen, die herkömmlicherweise beim Schleifmittel-Wasserstrahlschneiden angewandt werden.
Wie oben festgestellt, kann die Hauptabmessung (Durchmesser) der Schleifmittelteilchen im Bereich von 2 bis 2000 um liegen, vorzugsweise von etwa 20 bis 200 um. Für Schnitte, wo eine feine Oberflächengüte gewünscht wird, sind Teilchengrößen von etwa 20 bis etwa 100 um besonders vorteilhaft. Im allgemeinen wird es angemessen sein, die größte Teilchengröße zu verwenden, die mit dem zu verwendenden Durchmesser der strahlbildenden Düsenöffnung vereinbar ist; in welchem Falle der Teilchendurchmesser oder die Hauptabmessung vorzugsweise etwa 20%, und stärker bevorzugt etwa 10% des Öffnungsdurchmessers nicht übersteigt.
Bei größerer Teilchengröße besteht die Gefahr, daß eine "Brückenbildung" an der Öffnung auftritt, die den Durchfluß durch die Düse verstopft, was selbstverständlich unerwünscht ist. Bei Teilchengrößen von weniger als 20% tritt selten eine Brückenbildung auf, und bei weniger als 10% sind solche Effekte sehr selten. Der Düsendurchmesser wird im allgemeinen durch andere Parameter bestimmt.
Im einzelnen wird der Durchmesser der Düsenöffnung durch die folgenden Parameter bestimmt:
Vor allem gilt: je breiter die Düsenöffnung, desto breiter ist der Strahlstrom und infolgedessen die Schnittkerbe. Die Schnittgenauigkeit steht im allgemeinen im umgekehrten Verhältnis zum Öffnungsdurchmesser. Beim Schneiden von dünnen Materialien gilt allgemein: je kleiner die Öffnung, desto besser sind die Genauigkeit und die möglichen Details, in Abhängigkeit von weiteren Parametern. Pro Schnittlängeneinheit wird weniger Schneidmittel verbraucht.
Zweitens gilt: je größer die Öffnung, desto größer ist der Massendurchsatz des Strahlstroms, und desto größer ist infolgedessen die Schnittgeschwindigkeit. Je breiter daher die Öffnung, desto besser ist die Schnittgeschwindigkeit, in Abhängigkeit von anderen Erwägungen. In Beziehung zur Schnittlänge wird mehr Schneidmittel verbraucht.
Der Ausgleich dieser beiden widersprüchlichen Erwägungen hat gewöhnlich den Vorrang vor anderen Parametern, die den Öffnungsdurchmesser beeinflussen können.
Bei der vorliegenden Erfindung können Düsendurchmesser von etwa 0,1 bis etwa 1 mm (etwa 0,004 bis etwa 0,04 Zoll) wirksam eingesetzt werden, aber im allgemeinen wird die Verwendung von Durchmessern von etwa 0,2 bis etwa 0,5 mm (etwa 0,008 bis etwa 0,20 Zoll) bevorzugt.
Die Düsenöffnung kann aus Hartmetallegierungen, Hartauftragsmaterialien, wie z. B. Wolfram- oder Siliciumcarbid, Keramikformulierungen oder kristallinen Materialien, wie z. B. Saphir oder Diamant, bestehen. Die Auswahl geeigneter Materialien wird gewöhnlich durch die Härte des ausgewählten Schleifmittels und die Kosten des Düsenmaterials bestimmt. Diamant wird bevorzugt.
Der Bearbeitungsabstand, d. h. der Abstand zwischen der Düse und der Werkstückoberfläche, hat sich als wichtiger Faktor bei der Schnittqualität erwiesen, ist aber bei weitem nicht so wichtig wie beim Schleifmittel-Wasserstrahlschneiden. Obwohl die Schnittqualität, besonders die Breite und Form der Schnittkerbe, durch einen Bearbeitungsabstand bis zu etwa 2,5 cm (etwa 1 Zoll) wesentlich beeinflußt wird, können mit der vorliegenden Erfindung Schnitte in Bearbeitungsabständen bis zu etwa 25 bis 30 cm (etwa 10 bis etwa 12 Zoll) ausgeführt werden. Obwohl das Schleifmittel-Wasserstrahlschneiden bei Materialien bis zu 12 Zoll Dicke angewandt werden kann, erforderten derartige Verfahren im allgemeinen einen "Freiluft"-Bearbeitungsabstand von nicht mehr als etwa 2,5 cm (etwa 1 Zoll).
Das erfindungsgemäße Strahlschneiden kann zum Schneiden jedes der Materialien angewandt werden, für die solche Verfahren bisher eingesetzt wurden. Bemerkenswerterweise können insbesondere schwer bearbeitbare Materialien, einschließlich vieler Metalle und Legierungen, wie z. B. rostfreie Stähle, Nickellegierungen, Titan, Keramiken und Gläser, Gesteine, wie z. B. Marmor, Granit und dergleichen, und Polymerverbundstoffe sowie faserverstärkte Polymerschichtstoffe. alle effektiv und mit beträchtlicher Genauigkeit durch die vorliegenden Verfahren geschnitten werden.
Zu den Vorteilen der vorliegenden Erfindung, die durch Verwendung von gelverdickten Polymermedien mit Schleifmittel in Suspension erzielt werden, gehört die Fähigkeit der vorliegenden Erfindung, vorgemischte Suspensionen von feinkörnigen Schleifmittelteilchen bereitzustellen, die früher nicht verwendet wurden. Schleifmittelteilchengrößen, die kleiner als etwa 200 um und insbesondere kleiner als etwa 100 um sind, wurden z. B. früher nicht bevorzugt. Die Verwendung so feinkörniger Schleifmittelteilchen beim herkömmlichen hydrodynamischen Schleifmittelstrahlschneiden und -bearbeiten führte gewöhnlich zur Schleifmittelverstopfung an Winkeln, Schleifen und Durchbiegungen in Schleifmitteizuleitungen, und solche feinkörnigen Schleifmittel sind außerdem in einer herkömmlichen Mischkammer oder einem herkömmlichen Mischrohr schwerer in Strahlströme einzubringen. Wegen dieser Schwierigkeiten wurden solche kleinen Teilchengrößen bei der praktischen Ausführung des Schleifmittel- Strahlschneidens und -bearbeitens. weitgehend vermieden.
Durch die Verwendung einer vorgemischten Schleifmittelsuspension bei der vorliegenden Erfindung entfällt die Notwendigkeit für zusätzliche Zuleitungen und Ausrüstungen in der Düseneinheit. Feinkörnige Schleifmittelteilchen verbessern die Qualität und Genauigkeit des Schnitts und der spanenden Bearbeitung und verringern die Beschädigung der an die Schnitte angrenzenden Werkstückoberflächen durch Schleifmittelteilchen. Daher können feinkörnige Schleifmittelteilchen bei Anwendungen, wo zusätzliche Fertigbearbeitungsschritte weggelassen werden können, besonders nützlich sein.
Durch das Vorhandensein einer im wesentlichen homogenen Suspension von Schleifmitteln und von Schleifmittelteilchen, die sich mit Geschwindigkeiten bewegen, die denen des Trägermediums vergleichbar sind, was eine Folge der Verwendung von vorgemischten Schleifmittelsuspensionen ist, wird die Neigung von Schleifmitteln, an der Düsenöffnung Überbrückungen oder Verdichtungen zu bilden, wesentlich vermindert. Daher können die Düsenöffnungsdurchmesser verringert werden. Je nach der Größe der Schleifmittelteilchen können die Durchmesser der Düsenöffnung nur etwa 0,1 mm (etwa 0,004 Zoll) betragen. Solche kleineren Öffnungen liefern Strahlströme mit vergleichbar kleinerem Durchmesser und erhöhen die Schnitt- und Bearbeitungsgenauigkeit, indem sie kleinere Schnittkerben erzeugen und die Verbrauchsraten des Mediums verringern.
Die Dispersion des Schleifmittels im Medium wird durch einfache Mischverfahren erzielt und ist für die praktische Ausführung der Erfindung nicht im engen Sinne wesentlich.
Wie weiter oben festgestellt, werden die Konstruktion und Struktur der Düsenelemente zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen System durch den Wegfall des Mischrohrs, des Schleifmittelzufuhrmechanismus und des Schleifmitteltransportkanals, typischerweise eines Schlauches, stark vereinfacht. Diese Merkmale und ihre Masse, ihre Komplexität, ihr Kostenaufwand, Gewicht und die Abhängigkeit vom Urteil und Geschick des Bedienungsmanns werden alle beseitigt, zum beträchtlichen Vorteil der Schleifmittelstrahlschneid- und -bearbeitungsvorgänge.
Außerdem ist wünschenswert, daß die konkrete Konstruktion der einzusetzenden Düse so beschaffen ist, daß die Scherbeanspruchung des Polymerbestandteils des Strahlstrommediums minimiert wird. Dementsprechend bevorzugt man, daß die Änderungsrate der Düsenquerschnittsfläche vom relativ großen Einlaß zum Auslaß der Düsenöffnung sich in glatten, einigermaßen stetigen Kurven entwickelt und soweit wie möglich das Auftreten von Kanten oder anderen Unstetigkeiten vermeidet. Eine Beschleunigung der Strömung wird durch Verringern der Querschnittsfläche erzielt, durch die das Medium gepumpt wird, und notwendigerweise greifen hohe Scherbeanspruchungen an dem Polymer an. Man glaubt jedoch, daß die Kettenspaltung und die Zersetzung des Polymers minimiert werden, indem man Spannungskonzentrationen an Kanten und dergleichen vermeidet, wo die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung sehr hoch und proportional zu plötzlichen Änderungen der Änderungsrate der Querschnittsfläche ist.
Derartige Merkmale in der Düse dienen auch dazu, die Erzeugung einer turbulenten Strömung im Medium zu vermeiden. Die Kohärenz des Strahlstroms wird durch eine laminare Strömung durch die Düsenöffnung begünstigt, so daß die angedeutete Düsenkonfiguration dazu dient, die Divergenz des Stroms zu minimieren.
Die Minimierung von induzierten Scherspannungen ist im Zusammenhang mit allen Aspekten der vorliegenden Erfindung hilfreich. Insbesondere sind Scherspannungsgrößen zu vermeiden, die zur Erzeugung einer turbulenten Strömung in dem durchfließenden Medium ausreichen. Scherspannungen dieser Größe für eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit sind mit einem Fluß über Unstetigkeiten und Kanten verbunden. Eine Folge eines solchen Flusses ist die Erzeugung von Scherspannungen im Medium, deren Größe ausreicht, um Polymerbindungen aufzuspalten. Die Aufspaltung von kovalenten Polymerbindungen und die gleichzeitig auftretende irreversible Verringerung des Molekulargewichts sind sämtlich Anzeichen einer Zersetzung des Polymers und werden, wenn möglich, am besten vermieden oder minimiert.
Es kann ein Auffänger für das Medium verwendet werden, um Strahlströme nach dem Durchgang durch Werkstücke oder an Werkstücken vorbei aufzufangen. Auch nach dem Schneiden und spanenden Bearbeiten eines Werkstücks bewegen sich Teile des Stroms, wenn nicht der gesamte Strom, immer noch mit hohen Geschwindigkeiten, weshalb vorgeschriebene Medienauffänger erforderlich sind, um ein Zurückspritzen, die Nebelbildung und die Beschädigung von Medienauffangeinrichtungen zu minimieren. Außerdem müssen Medienauffänger so konstruiert sein, daß sie das durch die Aufspaltung des Strahlstroms verursachte Geräusch mindern und die Zersetzung des Polymers sowie einen Bruch der Schleifmittelteilchen auf ein Minimum reduzieren.
Früher wurden langgestreckte Röhren als Medienauffäger verwendet. Diese langgestreckten Röhren waren so gestaltet und ausgerichtet, daß sie eine Aufteilung des Strahlstroms an Wandoberflächen verursachten, bevor die Strahlströme den Boden der Medienauffänger erreichten. Als Alternative enthielten Medienauffänger austauschbare Bodeneinsätze oder waren mit losen Stahlkugeln gefüllt, um die Aufteilung des Strahlstroms zu bewirken. Bei Verwendung von austauschbaren Böden war eine akzeptierte Folge, daß die Strahlströme gewöhnlich Einschnitte im Boden erzeugten. Um diesen Nachteil zu berücksichtigen, wurde vorausgesetzt, daß die Böden von Medienauffängern für einen leichten, billigen Austausch konstruiert waren. Ungeachtet des gegenwärtig verwendeten Medienauffängertyps sind aufgefangene Strahlströme hohen Scherspannungen ausgesetzt, die unvermeidlich die Zersetzung des Polymers fördern.
Eine Medienauffängerkonstruktion zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 in Schnittansicht dargestellt, wobei der Medienauffänger allgemein durch das Bezugszeichen 48 bezeichnet wird. Ein Strahlstrom (50) kann in den Medienauffänger (48) injiziert und schonend abgebremst werden. Hierbei prallt der Strahlstrom (50) nicht auf Metalloberflächen auf, sondern wird statt dessen so gerichtet, daß er in ein enthaltenes Medium (52) eindringt. Vorzugsweise ist dieses Medium (52) die gleiche, mit Gel verdickte Polymerlösung oder Suspension wie der Strahlstrom (50). Polymermoleküle in dem Strahlstrom (50), der durch den Medienauffänger (48) aufgefangen wird, werden daher über eine beträchtliche Entfernung abgebremst, im Gegensatz zum Aufprall auf eine Metalloberfläche und zur im wesentlichen sofortigen Abbremsung. Durch diese verlängerte Abbremsung wird die Entstehung von Scherspannungsgrößen vermieden, die mit dem Aufprall auf Metallflächen verbunden wären. Obwohl für die Aufnahme des Mediums (52) viele verschiedene Materialien verwendet werden könnten, entstehen Nachteile, wenn nicht das gleich Medium wie das des Strahlstroms (50) verwendet wird. Zu diesen Nachteilen gehören Verdünnungs- und Trennungsschwierigkeiten, die sogar zu Unmöglichkeiten werden könnten, wenn das Medium für das Strahlschneiden und -bearbeiten wiederverwendet werden soll.
In Abhängigkeit von der Energie des Strahlstroms (76) und besonders vom Anteil des Stroms, der den Schnitt (50) passiert hat, sowie von der Tiefe des Mediums (52) könnte der Strahlstrom (50) das Medium (52) bis zur Oberfläche (54) des Medienauffängers durchdringen. Eine Verfahrensweise zur Lösung dieses Problems wäre der Bau eines Medienauffängers (48) mit ausreichendem Volumen, um die Möglichkeit auszuschließen, daß der Strahlstrom (50) unabhängig von der Energie im Strahlstrom (50) bis zur Oberfläche (54) des Medienauffängers durchdringt.
Der Medienauffänger (48) ist von einfacher Konstruktion und kann eingesetzt werden, gleichgültig ob der Strahlstrom (50) wiederverwendet werden soll oder nicht. Als Medium (52) kann irgendein Fluid verwendet werden, einschließlich Wasser, wenn das Strahlmedium (50) nicht wiederverwendet werden soll.
Da herkömmliche Kolbenverdrängerpumpen eingesetzt werden können, um wirksame Strahlströme (76) mit gelverdickten Polymeren gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, und da auch zur Rückführung des Mediums (54) eine Verdrängerpumpe eingesetzt werden kann, ist es möglich und in der Tat zweckmäßig, unter Verwendung derartiger Geräte eine Ausrüstung für ein Schneid- und Bearbeitungssystem mit Medienrückführung zusammenzustellen.
Zur Anwendung der Vorrichtung wird ein Medium (64) für das Strahlstromschneiden und - bearbeiten in den Zylinder (72) einer Verdrängerpumpe (66) eingefüllt. Eine Düse (68), die vorzugsweise eine Düsenkonstruktion aufweist, die im wesentlichen der Darstellung in Fig. 2 entspricht, wird am Ausgang der Verdrängerpumpe (66) angebracht, entweder durch einen Direktanschluß oder über eine Hochdruckleitung für das Medium (75). Ein hydraulischer Arbeitszylinder (70), der über eine Kolbenstange (72) angreift, drückt den Kolbenkopf (74) nach unten und drückt das Medium (64) durch die Öffnung in der Düse (68) als Hochgeschwindigkeits-Strahlstrom (76) nach außen. Der Strahlstrom (76) schneidet und bearbeitet ein Werkstück (78). Nach dem Schneiden und der Bearbeitung des Werkstücks (78) durch den Strahlstrom gelangt die jetzt divergente Strömung des Strahlstroms (50) in den Medienauffänger (48). Bei dieser besonderen Ausführungsform ist das Medium (52) das gleiche wie das Medium (64). Der Impuls des Strahlstroms (50), der in den Medienauffänger (48) eintritt, wird nach und nach zerstreut, und das Medium des Strahlstroms (76) vermischt sich mit dem Medium (52).
Sobald der größte Teil des Mediums (64) in den Medienauffänger (48) gelangt ist, kann ein Teil des Mediums (52) zurückgeführt werden, um das Medium (64) in der Verdrängerpumpe (66) wiederaufzufüllen, so daß das Schneiden/Bearbeiten fortgesetzt werden kann. Zur Rückführung des Mediums (64) in die Verdrängerpumpe (66) wird die Pumpe (80) an der Rückflußleitung (82) verwendet. Der Kolbenkopf (74) der Verdrängerpumpe wird zurückgezogen, um das Medium (64) auf der Kompressionsseite des Kolbenkopfes (74) einzulassen. Wenn notwendig, kann ein Filter (84) in der Rückflußleitung (82) vorgesehen werden, um Trümmer auszufiltern, wie sie beispielsweise durch das Schneiden und Bearbeiten entstehen. Durch dieses Herausfiltern soll hauptsächlich die Öffnung der Düse (68) geschützt und eine Verstopfung verhindert werden. Es kann auch eine Magnetabscheidung der Trümmer angewandt werden, wenn Eisenwerkstoffe oder andere paramagnetische Werkstoffe geschnitten werden. Wie weiter oben festgestellt, ist die durch den Kolbenkopf (74) ausgeübte Kraft ausreichend, um das Medium (64) durch die Düse (68) zu pressen und Strahlströme (76) zu erzeugen, deren Energie zur effektiven Bearbeitung von Werkstücken (78) ausreicht. Niedrigere Anlagenkosten, eine erhöhte Zuverlässigkeit und eine verbesserte Sicherheit für das Bedienungspersonal sind Vorzüge, welche diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet.
Es ist gezeigt worden, daß die Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung bei der Ausführung von Schnitten mindestens gleich und oft höher als die Leistungsfähigkeit der bekannten Verfahren ist. Der größte Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ergibt sich aus der Fähigkeit zur Rückführung und Wiederverwendung des Mediums, für viele der Formulierungen typischerweise über 20 bis 100 Zyklen. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil ist die Vereinfachung der Anlage, die für die Schleifmittel- Wasserstrahlschneid- und -bearbeitungsvorgänge benötigt wird und bei niedrigerem Druck arbeitet. Diese Merkmale ergeben beträchtliche Kosteneinsparungen und verringern die Abhängigkeit vom Geschick und von der Erfahrung der Bedienungskräfte der Anlage.
Die erhöhte Kohärenz der Strahlströme bei der vorliegenden Erfindung führt im allgemeinen zu einer geringeren Breite der Schnittkerbe im Vergleich zu denjenigen, die bei den bekannten Verfahren in Bezug auf die Größe der Schleifmittelteilchen erzielt wurden, wenn alle anderen Parameter gleich sind. Die schmalere Schnittkerbe ermöglicht eine höhere Präzision und mehr Details bei der Ausführung von Schnitten und ist, für sich allein betrachtet, ein wesentlicher Vorteil.
Außerdem haben wir beobachtet, daß für eine gegebene Größe der Schleifmittelteilchen die Oberflächengüte der Schnittkanten erheblich besser ist, als sie bei den bekannten Verfahren erreicht werden konnte. In Verbindung mit der Fähigkeit zur Verwendung von kleineren Teilchengrößen, als bei bekannten Verfahren eingesetzt werden können, ist es möglich, Schnitte zu erzeugen, die keine Oberflächenbearbeitungsverfahren an der Schnittkante erfordern, und die Anzahl der Arbeitsgänge und sowie bei der Produktion benötigten Arbeits- und Geräteaufwand zu reduzieren.
Während die bei der vorliegenden Erfindung angewandten Arbeitsdrücke wesentlich niedriger sind als diejenigen, die bei den bekannten Schleifmittelstrahlschneidverfahren angewandt werden, haben wir festgestellt, daß die Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich dazu nicht beeinträchtigt werden und in vielen Fällen höher sind, als durch bekannte Verfahren erreichbar.

BEISPIELE

BEISPIELE 1 BIS 3

Eine wäßrige Lösung von 40 Gew.-% Guaran wird hergestellt, indem das Pflanzengummi bei leicht erhöhter Temperatur von etwa 35ºC über eine Zeit von etwa 30 Minuten mit Wasser vermischt wird, bis das Gummi vollständig aufgelöst ist. Der so entstandenen Lösung werden 0,60 Gew.-% eines hochmolekularen, mit Alkali deacetylierten Polysaccharids von Mannose, Glucose und Kaliumgluconuratacetylester zugesetzt und aufgelöst. Dieser Lösung wird ein gleiches Volumen einer wäßrigen Lösung von 35 Gew.-% Borsäure und 2,0 Gew.-% Borax zugesetzt und bis zur Homogenität vermischt, begleitet durch die Einleitung einer Hydrogelbildung.
Zur Hydrogelbildung werden 50 Teile SiC mit einer Teilchengröße von 54 um (325 mesh) zugesetzt, und die vereinigten Materialien werden gründlich vermischt, bis eine homogene Dispersion des Schleifmittels erzielt wird. Man erhält ein bröckliges Pulver, das als Vorläuferkonzentrat bezeichnet wird.
Die obige Vorläuferzusammensetzung wird gewöhnlich in Form eines trockenen Pulvers eingesetzt und mit verschiedenen Anteilen Wasser vermischt, in Abhängigkeit von der Größe der Düsenöffnung, die das Medium beim Strahlschneiden und -bearbeiten passieren muß, zusammen mit entsprechenden Anteilen eines feinverteiten Schleifmittels zum Schneiden und Bearbeiten. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wird ein geringer Anteil Paraffinöl oder Kohlenwasserstoffett der Zusammensetzung als Benetzungsmittel zugesetzt, um die Bildung einer Kruste auf dem Medium zu vermeiden, wenn dieses nicht sofort verwendet wird. Die Volumenanteile geeigneter Formulierungen für verschiedene Düsenöffnungsgrößen sind in der untenstehenden Tabelle I zusammengestellt. TABELLE I
Die Ölkomponente in den oben definierten Zusammensetzungen verzögert oder verhindert nicht nur eine Krustenbildung. Sie steuert auch die Klebrigkeit. Mit wenig oder ohne Öl haftet das Medium an Metall wie auch an den Händen des Bedieners. Ein geeignetes Benetzungsöl ist daher ein bevorzugter Zusatz.
Manchmal wird die Lagerfähigkeit der obigen Medien durch Bakterienbefall oder Pilzbewuchs begrenzt. Der Zusatz einer sehr geringen Menge eines Biozids, wie z. B. von Methyl- oder Parahydroxybenzoat, typischerweise in Anteilen von weniger als etwa 1%, oft von weniger als etwa 0,5%, ist oft nützlich bei der Bekämpfung eines solchen Befalls.

BEISPIELE 4 BIS 26

Die folgenden Bestandteile wurden in einem Planetenmischer vermengt:

Bestandteil Gewichtsteile

Polyborosiloxan 35,0
Stearinsäure 21,5
leichtes Türkischrotöl 8,5
Fett auf Kohlenwasserstoffbasis 35,0
Das Polyborosiloxan hatte ein Molekulargewicht von 125000 und ein Bor : Silicium-Verhältnis von 1 : 25. Das Fett war ein von Exxon bezogenes Schmierfett für Kraftfahrzeugchassis.
Die Bestandteile wurden unter Umgebungsbedingungen vermischt, bis man ein glattes, homogenes Gemisch erhielt, und dann portioniert. Jede Portion wurde dann mit Schleifmittelteilchen vereinigt und vermischt, wie in Tabelle II angegeben, um mehrere Schleif-Strahlstrommedien herzustellen. Jede Formulierung wurde durch Zugabe von Stearinsäure so eingestellt, daß man eine Ruheviskosität von 300 Pa·s (300000 cP) erhielt.
Jede der Medienformulierungen wurde zum Schneiden von 1/4 Zoll dicken Aluminiumplatten unter den in Tabelle II angegebenen Bedingungen verwendet, und die Schnitte wurden beurteilt und ergaben die in der Tabelle dargestellten Ergebnisse. TABELLE II
Wie in Tabelle II dargestellt, wurden schnelle, wirksame Schnitte von hoher Güte erzielt.

BEISPIELE 27-62

Die in den Beispielen 4-26 verwendete Grundformulierung wurde wieder benutzt und mit den in Tabelle III angegebenen Schleifmitteln vermischt; die Viskosität wurde wieder mit Stearinsäure auf eine Ruheviskosität von 300 Pa·s (300000 cP) eingestellt, und die Formulierung wurde Zum Schneiden von 6,35 mm (0,25 Zoll) dicken Aluminiumplatten verwendet. Die Schnittbedingungen sind in Tabelle II angegeben.
Die Kennwerte der Schnittkanten der Platte wurden zur Ermittlung der Oberflächenrauhigkeit gemessen. Die Meßwerte sind in den Spalten G und H von Tabelle III angegeben. TABELLE III
Legende
A = Beispiel
B = Schleifmittel
C = Maschenweite (mesh = Maschen/Zoll linear)
D = Bearbeitungsabstand, mm (Zoll)
E = Druck, mPa (psi)
F = Vorschubgeschwindigkeit, mm/min (Zoll/min)
G = Ra (Mikrozoll)
H = Ra (um)
Wie der Fachmann leicht erkennen wird, sind die gemessenen und in Tabelle III angegebenen Oberflächengüten von außergewöhnlich hoher Qualität im Zusammenhang mit dem Schleifmittelstrahlschneiden.
Die vorstehenden Beispiele sollen die Erfindung veranschaulichen und nicht ihren Umfang einschränken. Die Erfindung wird durch die nachstehenden Patentansprüche definiert und begrenzt, die auf besondere Weise den Umfang der Erfindung darlegen.

Claims

1. Verfahren zum Schneiden und spanenden Bearbeiten mit einem Schleifmittelstrahlstrom, wobei eine Vielzahl von Schleifmittelteilchen in einem fließfähigen Strahlmedium suspendiert sind, das ein Polymer enthält und mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck auf ein Werkstück geschleudert wird; dadurch gekennzeichnet, daß

A. das Polymer kovalente Bindungen aufweist und durch wiederbildungsfähige chemische Opferbindungen vernetzt ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ionenbindungen, mit einem Metall der Gruppe II bis VIII aktivierten wäßrigen Wasserstoffbrückenbindungen und nichtwäßrigen intermolekularen Bindungen besteht;

B. das Medium und das suspendierte Schleifmittel auf das Werkstück geschleudert werden, um das Schneiden und spanende Bearbeiten unter höhen Scherbeanspruchungsbedingungen auszuführen, wodurch die wiederbildungsfähigen chemischen Opferbindungen im wesentlichen ohne Aufspaltung der kovalenten Bindungen des Polymers aufgespalten werden;

C. die während des Schneidens und der spanenden Bearbeitung aufgespaltenen wiederbildungsfähigen chemischen Bindungen erneut gebildet werden; und

D. das Medium und das Schleifmittel zur Wiederverwendung in dem Verfahren im Kreislauf zurückgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Medium durch eine Düse ausgestoßen wird, um einen Strahlstrom mit einem Druck von etwa 14 bis 80 MPa zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Strahlstrom mit einer Geschwindigkeit von etwa 61 bis etwa 305 ms&supmin;¹ (etwa 200 bis etwa 1000 Fuß/s) ausgestoßen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schleifmittelteilchen eine Teilchengröße von etwa 2 bis etwa 1600 um in ihrer Hauptabmessung aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Medium ein wäßriges Gel aus einem wasserlöslichen Polymer ist, das durch Ionenbindung mit einer Verbindung eines Metalls der Gruppe II bis VIII vernetzt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Medium ein nichtwäßriges plastifiziertes Polymer ist, das intermolekulare Bindungen zur Bildung eines Gels ausbildet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gel eine statische Viskosität 200 bis 600 Pa·s (200000 bis 600000 cP) aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Medium ein wäßriges Hydrogel mit etwa 1 bis etwa 20 Vol.% eines hydroxylhaltigen wasserlöslichen Polymers ist, das durch die Bildung von intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen zum Gelieren gebracht wird, die durch die Wirkung eines Gelierpromotors gefördert werden, der ein Metall aus der Gruppe II bis Gruppe VIII enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strahlstrom entsteht, indem das eingedickte wäßrige Medium durch eine Düsenvorrichtung gepreßt wird, die eine innere Eintrittsöffnungsfläche und eine innere Austrittsöffnungsfläche mit einer verbindenden Übergangszonenfläche aufweist, wobei die Eintrittsöffnungsfläche, die Übergangszonenfläche und die Austrittsöffnungsfläche alle im Kontakt mit dem durch die Düsenvorrichtung strömenden eingedickten wäßrigen Medium sind und die Übergangszonenfläche und die Eintrittsöffnungsfläche ein zusammenhängendes Profil ohne Unstetigkeiten definieren.

10. Verfahren nach Anspruch 4, wobei dem Medium bis zu 50 Gew.-% der Schleifmittelteilchen zugesetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das wasserlösliche Polymer aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Guaran und seinen Hydroxypropylderivaten, Cellulosederivaten einschließlich Carboxymethylethylcellulose, oder synthetischen hydroxylfunktionellen Polymeren einschließlich Polyacrylamid und Polyoxymethylen besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Medium etwa 1 bis etwa 20 Vol.-% des wasserlöslichen Polymers aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das wäßrige Medium etwa 50 bis etwa 75 Gew.-% Guaran, etwa 30 bis etwa 40 Gew.-% Borsäure und etwa 1,0 bis etwa 2,5 Gew.-% Natriumborat aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 8, wobei dem eingedickten wäßrigen Medium bis zu 10 Gew.-% eines Benetzungsöls zugesetzt werden.

15. Verfahren nach Anspruch 8, wobei dem eingedickten wäßrigen Medium ein Biozid zugesetzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der eingedickten wäßrigen Lösung zur Verbesserung des Fließverhaltens ein lösliches Thixotrop zugesetzt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei dem Geliermittel etwa 0,25 bis 0,60 Gew.-% eines Polysaccharids mit hohem Molekulargewicht zugesetzt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Polysaccharid das mit Alkali deacetylierte Acetylesterderivat eines Polymers aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Mannose, Glucose, Kaliumglucuronat und deren Gemischen besteht.

19. Zur Verwendung in dem Verfahren nach Anspruch 1 geeignetes Schleifmittelstrahl- Schneidmedium, das ein Polymer und ein dispergiertes und suspendiertes teilchenförmiges Schleifmittel aufweist, wobei das Polymer kovalente Bindungen aufweist und durch wiederbildungsfähige chemische Opferbindungen vernetzt ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Ionenbindungen, mit einem Metall der Gruppe II bis VIII aktivierten wäßrigen Wasserstoffbrückenbindungen und nichtwäßrigen intermolekularen Bindungen besteht; wobei die chemischen Opferbindungen vorzugsweise unter Bedingungen mit hoher Scherbeanspruchung aufgespalten werden und sich unter Bedingungen mit niedriger Beanspruchung erneut bilden, wobei das Medium eine statische bzw. Ruheviskosität von etwa 100 bis etwa 500 Pa·s (100000 bis etwa 500000 cP) und eine dynamische Viskosität von etwa 300 bis etwa 3000 Pa·s (etwa 3000 bis etwa 30000 P) unter Scherungsbedingungen aufweist, die dadurch dargestellt werden, daß man das Medium unter einem Druck von etwa 14 bis etwa 80 MPa durch eine Öffnung mit einem Durchmesser von etwa 0,1 bis etwa 1 mm fließen läßt.

20. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 19, wobei das Medium ein wäßriges Hydrogel aus einem wasserlöslichen Polymer und einem Gelpromotor aufweist.

21. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 20, wobei das wasserlösliche Polymer Guaran und dessen Hydroxypropylderivate, Cellulosederivate einschließlich Carboxymethylethylcellulose, oder synthetische Polymere mit Hydroxylendgruppen einschließlich Polyacrylamid und Polyoxymethylen aufweist, und wobei der Gelpromotor ein Metalloxid oder eine metallorganische Verbindung zum Aktivieren einer Hydrogelbildung mit einer Komponente aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Borsäure, Natriumborat, metallorganischen Verbindungen mindestens eines Metalls aus der Gruppe II bis VII und deren Gemischen besteht.

22. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 21, wobei der Gelpromotor eine metallorganische Verbindung eines Metalls ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Aluminium, Chrom, Zink, Zirkonium und deren Gemischen besteht.

23. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 22, wobei das Hydrogel etwa 1 bis etwa 20 Gew.-% des wasserlöslichen Polymers und etwa 99 bis 80 Gew.-% Wasser aufweist.

24. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 20, wobei das Medium ferner ein wasserlösliches Thixotrop aufweist.

25. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 20, wobei das Hydrogel-Polymer etwa 50 bis etwa 75 Gew.-% Guarat aufweist, das mit etwa 30 bis etwa 40 Gew.-% Borsäure und etwa 1,0 bis etwa 2,5 Gew.-% Borax zur Reaktion gebracht wird.

26. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 20, wobei das Medium ferner etwa 0,25 bis 0,60 Gew.-% wasserlösliches Polysaccharid mit hohem Molekulargewicht aufweist.

27. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 26, wobei das Polysaccharid den mit Alkali deacetylierten Acetylester von Kaliumglucuronat aufweist.

28. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 20, wobei das Medium ferner etwa 0,5 bis 10,0 Gew.-% eines Benetzungsöls aufweist.

29. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 19, wobei die Schleifmittelteilchen Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Granat, Wolframcarbid, Siliciumcarbid und deren Gemische aufweisen.

30. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 19, das ein nichtwäßriges plastifiziertes vernetztes Polymergel aufweist, das durch intermolekulare Bindungen vernetzt ist, wobei das Medium eines statische Viskosität von etwa 200 bis etwa 600 Pa·s (etwa 200000 bis etwa 600000 cP) aufweist.

31. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 30, wobei das Polymer ein Polyborosiloxan mit intermolekularen Bor-Sauerstoff-Vernetzungsbindungen ist.

32. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 30, wobei das Polyborosiloxan ein Molekulargewicht von etwa 200000 bis etwa 750000 und ein Bor-Silicium-Atomverhältnis von etwa 10 bis etwa 100 aufweist.

33. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 19, wobei die Schleifmittelteilchen eine maximale Abmessung von etwa 2 bis etwa 1400 um aufweisen.

34. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 19, wobei die Schleifmittelteilchen eine maximale Abmessung von etwa 10 bis etwa 200 um aufweisen.

35. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 19, wobei die Schleifmittelteilchen eine maximale Abmessung von etwa 20 bis etwa 100 um aufweisen.

36. Schleifmittelstrahl-Schneidmedium nach Anspruch 19, wobei das Medium eine Ruheviskosität von etwa 300 Pa·s (etwa 300000 cP) aufweist.