EP0375887A2 - Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden und Reinigen von Gegenständen, sowie zum gezielten Materialabtrag mittels eines Wasser-Abrasivmittel-Gemisches - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden und Reinigen von Gegenständen, sowie zum gezielten Materialabtrag mittels eines Wasser-Abrasivmittel-Gemisches Download PDF

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EP0375887A2
EP0375887A2 EP89120368A EP89120368A EP0375887A2 EP 0375887 A2 EP0375887 A2 EP 0375887A2 EP 89120368 A EP89120368 A EP 89120368A EP 89120368 A EP89120368 A EP 89120368A EP 0375887 A2 EP0375887 A2 EP 0375887A2
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EP
European Patent Office
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mixing chamber
abrasive
water jet
outlet
nozzle
Prior art date
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EP89120368A
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English (en)
French (fr)
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EP0375887B1 (de
EP0375887A3 (de
Inventor
Hannes Domann
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/04—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass
    • B24C1/045—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass for cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/02—Blast guns, e.g. for generating high velocity abrasive fluid jets for cutting materials
    • B24C5/04—Nozzles therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for cutting and cleaning objects, as well as for targeted material removal by means of a high-pressure water jet that traverses a mixing chamber from an inlet to an outlet, to which an abrasive is mixed in the mixing chamber by being introduced into the water jet, and a device to carry out the procedure.
  • abrasive agent is introduced into a water jet passing through the mixing chamber, in such a way that the abrasive agent tips under one Angles are fed relative to the water jet.
  • the mixing chamber diameter is smaller than the free jet length in the chamber.
  • the object is achieved according to the method according to the invention in that the abrasive in the mixing chamber is directly and specifically added to the water jet passing through it.
  • Another advantage of the method is the feasibility of small free jet lengths in the mixing chamber.
  • the resulting small jet divergences when the water-abrasive mixture enters the
  • the inlet opening of the abrasive nozzle results in less abrasion in an outlet nozzle and less power losses when focusing the abrasive jet in the outlet nozzle.
  • the abrasive is added to the mixing chamber in such a way that it also collects around the outlet to form an abrasive channel, the formation of the abrasive channel in the mixture of the spray component of the spray which is deposited immediately after commissioning around the outlet Water jet and the supplied dry abrasive takes place automatically within the first seconds.
  • the tapering of the abrasive channel around the water jet in the mixing chamber causes an increase in the air speed in this area and thus an additional acceleration of the hard material particles.
  • the mixing chamber wall is protected against erosion by the abrasive itself - which in the known device very quickly rendered it unusable.
  • the abrasive can preferably also be added to the mixing chamber in such a way that it deposits on all walls of the mixing chamber, so that they are reliably protected against erosion damage.
  • the abrasive is introduced into the water jet essentially orthogonally to the water jet, so that there is an optimal supply of the abrasive to the water jet, i. H. the shortest possible path from the mouth of the abrasive inlet to the water jet.
  • the abrasive can in principle be added to the mixing chamber if any suitable pressure is selected.
  • the abrasive is preferably added to the mixing chamber in a pressure range of 1 bar relative to the internal pressure. Abrasive pressures from 1 to 120 bar are possible.
  • the device for carrying out the method is characterized in that the axis of the abrasive inlet in the mixing chamber is essentially orthogonal to the water jet axis in the mixing chamber.
  • the advantage of this arrangement lies essentially in the fact that the particles of the abrasive injected via the abrasive inlet are introduced into the water jet in the shortest possible way, so that, as desired according to the invention, an optimal feed geometry for the abrasive is achieved.
  • the mixing chamber can have any suitable construction, but it has been found that it is advantageous to design the mixing chamber with a substantially cylindrical cross section with the water jet axis as the cylinder axis, the diameter of which is greater than the free path of the water jet through the mixing chamber .
  • Mixing chambers of this type are relatively easy to manufacture and, due to their symmetrical structure, offer the same radial distance on all sides around the water jet axis, so that when commissioned, the moisturized abrasive that accumulates as intended can accumulate evenly.
  • the mixing chamber can preferably be funnel-shaped or conical in cross-section around the outlet, so that a dead volume can form, in particular if the outlet nozzle for the exit of the water-abrasive mixture from the device at least partially protrudes into the mixing chamber. that to the starting point for the deposition of the moistened abrasive on the bottom of the mixing chamber.
  • the outlet nozzle will advantageously be arranged in the center of the cylindrical mixing chamber, but embodiments are also conceivable in which the outlet nozzle is not arranged centrally to the axis of the mixing chamber, for example in the presence of adjustable centering aids.
  • the outlet nozzle can advantageously be formed in several parts in addition to the one-piece design.
  • the outlet nozzle is advantageously made of hard metal such as tungsten carbide or the like.
  • the fact is taken into account that in the device according to the invention, only the outlet nozzle is subjected to a strong load by the water-abrasive mixture passing through it, but the preceding mixing chamber is not, since the dampening chamber around the outlet is intended for this purpose Abrasive mixture accumulates.
  • the mixing chamber according to the invention can be formed from materials which are inexpensive to provide in comparison to the hard metal outlet nozzle and which are simple and therefore inexpensive to machine.
  • the inlet nozzle is funnel-shaped on its side facing the mixing chamber and enlarges towards the mixing chamber.
  • This configuration of the outlet nozzle is advantageous because the water jet crossing the mixing chamber widens between the inlet into the mixing chamber and the leaving of the mixing chamber via the outlet. Due to the funnel-shaped design of the outlet or the outlet nozzle, the The water jet already containing the abrasive is brought together again.
  • the outlet nozzle on its side facing the mixing chamber can have an inlet bore enlarging the nozzle opening.
  • the funnel-shaped configuration of the opening of the outlet nozzle directed towards the mixing chamber is neither absolutely necessary in the form of a funnel nor in the form of the cylindrical bore.
  • the beam expansion is so small because of the short free beam length possible here that no additional expansion in the inlet area of the abrasive nozzle bore is required.
  • free jet length of the water jet within the mixing chamber In order to be able to optimize the overall effectiveness of the device for each predetermined purpose, it is advantageous to choose the free jet length of the water jet within the mixing chamber. It is advantageous to make the distance (free path length) between the inlet and the outlet of the water jet adjustable in the mixing chamber, the distance advantageously being shifted e.g. the outlet nozzle takes place in the direction of the jet axis.
  • free path lengths of the water jet within the mixing chamber can also be set between 2 and 80 mm.
  • the cross section of the abrasive inlet can also be designed to be variable, this advantageously by inserting a bushing with a suitably selected through-hole cross-section into the abrasive agent inlet.
  • abrasive agent inlets can be designed in any suitable manner around the water jet axis in the mixing chamber and also at different heights between the inlet and outlet of the mixing chamber.
  • the device 10 consists essentially of a mixing chamber body 120 and a so-called connector 121, which is connected on its free side to a pressure line in a known manner.
  • the connecting piece 121 has a through hole which runs essentially centrally, through which the water 15 which is supplied via the pressure line (not shown) passes.
  • a nozzle insert 24 is provided which, for example, comprises the high-pressure water nozzle 140 made from a hard material such as sapphire or the like.
  • the nozzle insert 24 has a through hole which passes through it essentially centrally, the one end of the through hole which points towards the mixing chamber 12 forming an inlet 13 of the water or water jet 15 into the mixing chamber 12.
  • the nozzle insert 24 can be replaced very quickly in the event of wear, damage or an intentional change in the diameter of the water jet 15, since it is clamped in a centering cone between the connecting piece 121 and a receiving body 122 by means of a thread acting between the two parts.
  • the mixing chamber body 120 is essentially rotationally symmetrical, cf. 1 and 5 in particular.
  • the abrasive 160 which will be described in more detail below, is injected into the water jet 15 passing through the mixing chamber 12 from the inlet 13 to an outlet 14.
  • the mixing chamber 12 is tapered in a funnel shape at its end facing the outlet 14, with reference to the illustration in FIG. 1. However, it can also be made plan as shown in FIG. 5.
  • the axis 18 of the water jet 15 is identical to the axis of the cylindrical mixing chamber 12.
  • an outlet nozzle 21 is arranged in the extension of the water jet axis 18 and is made of a hard material exists and has a central through hole for the passage of the water-abrasive mixture 11.
  • the outlet nozzle 21 can have an attachment 26 which can come to rest on a corresponding attachment or web in the mixing chamber body 120.
  • outlet nozzles 21 can be used, which correspond to the corresponding desired cutting or cleaning parameters desired use can be adapted.
  • the degree of protrusion of the outlet nozzle 21 into the mixing chamber 12 determines the free path or the distance 20 of the water jet 15 between the inlet 13 and the outlet 14, which in this embodiment is formed by the funnel-shaped nozzle opening 23.
  • the outlet nozzle can also be designed in a divided manner. This has the advantage that the precision bore in the hard material nozzle can be manufactured more easily, particularly with small diameters, because of the shorter construction of the nozzle parts. In addition, often only the lower nozzle half 211 needs to be replaced if this becomes necessary due to wear of the focusing bore.
  • the upper used nozzle part 210 often has a suitable inlet geometry after a short operating time while maintaining the jet parameters, as a new nozzle, since it has been ground in by the previous abrasive jet application.
  • the axis 17 of the abrasive agent inlet 16 extends essentially orthogonally to the water jet axis 18, wherein bushings 25 of different diameters can optionally be inserted and fastened in the abrasive agent inlet 16. Different-sized inner diameters of the bushing 25 are selected to match the selected free path length (distance) 20 in order to adapt the effectiveness of the device 10 to the suitably chosen cleaning or cutting conditions.
  • the alignment of the abrasive nozzle bore 212 parallel and centrically to the water jet axis 18 is advantageously carried out by precise cylinder and / or cone fits 123, 124, 124, 126.
  • a precisely designed abrasive nozzle bore 212 a symmetrical jet exposure to the abrasive nozzle 21 is achieved, which results in low focusing losses and long life of the abrasive nozzle 21 leads.
  • the centering of the high-pressure nozzle holder 122 by means of a cone, see FIGS. 5, 125, is advantageously used if the mixing chamber 12 is opened and closed frequently, e.g. for inspection purposes, it is desired that it reliably prevents possible seizure of the centering surfaces by penetrating urea particles.
  • cone centering 125 in connection with the soft material seal 127 additionally permits the subsequent alignment of the abrasive inlet 16 at any desired point on the circumference when the device 10 (cutting head.
  • Abrasive agent 160 is injected directly and specifically and essentially orthogonally to the water jet axis 18 through the abrasive agent inlet 16.
  • the abrasive 160 is injected into the mixing chamber, for example, by air at a pressure of 1 bar relative to the internal pressure of the mixing chamber 12. In special applications, for example in hyperbaric working chambers under water, the abrasive can also be added at higher pressures relative to the internal pressure of the mixing chamber 12.
  • the blasting, mixing chamber and abrasive addition parameters should be adjusted in this mode of operation.
  • the abrasive 160 which can consist, for example, of all common and naturally or synthetically obtained or produced materials such as quartz sand, garnet sand, copper slag, corundum, hard metal particles or other suitable solids, this collects around the outlet 14, which in the present case by the in the Exiting nozzle 21 is formed in the mixing chamber, and piles up and forms, together with a proportion of spray water naturally occurring in the mixing chamber 12, a humidified accumulated abrasive agent 161.
  • an abrasive agent channel 162 is formed in the accumulated abrasive agent 161 around the outlet 14 and is formed by the subsequent abrasive, which comes from the abrasive inlet 16, is directed into the water jet 15. Due to the accumulation of the accumulated abrasive 161, the walls of the mixing chamber 12 are protected from erosion by the abrasive 160 itself, so that even less abrasion-resistant materials can be used to produce the mixing chamber 12, for example those which are easy to machine and which are also inexpensive to provide .
  • a suitable pre-acceleration of the abrasive agent 160 can take place due to the geometry of the abrasive agent channel 162 which forms independently as a function of the free path 20 of the water jet 15 and as a function of the pressure of the abrasive agent 160, i. H. the effectiveness of the energy transfer through the water jet 15 to the abrasive is optimized and adapted to the respectively desired conditions.
  • the air bubbles moving in the through bore of the outlet nozzle 21 toward the free nozzle opening are suitable for again increasing the energy transfer to the abrasive 160.
  • the appropriate dimensioning of the opening diameter of the abrasive inlet and also the supply line of the abrasive 160 to the device 10 itself must therefore also be taken into account in order to achieve an optimal amount of air.
  • mixing chambers 12 can be operated or produced with the following performance data: Pressure range of the water jet: approx. 300 - 6,000 bar hydraulic power: 0.5 - 50 kw Abrasive quantity: 0.1 - 10 kg / min Air volume: 10 - 500 l / min.
  • the outlet nozzle 21 can have a passage opening diameter of 0.5 to 3 mm, the length of the outlet nozzle 21 being between 10 and 200 mm.
  • the free path length (distance) 20 can be between 2 and 80 mm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)
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Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Schneiden und Reinigen von Gegenständen, sowie zum gezielten Materialabtrag mittels eines unter Hochdruck befindlichen, eine Mischkammer (12) von einem Einlaß (13) zu einem Auslaß (14) durchquerenden Wasserstrahls (15), dem ein Abrasivmittel (160) in der Mischkammer (12) durch Einbringung in den Wasserstrahl (15) beigemischt wird, vorgeschlagen. Das Abrasivmittel (160) wird dabei in der Mischkammer (12) direkt und gezielt in den diese durchquerenden Wasserstrahl (15) gegeben und zwar auf kürzestem Wege.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden und Reinigen von Gegenständen, sowie zum gezielten Material­abtrag mittels eines unter Hochdruck befindlichen, eine Mischkammer von einem Einlaß zu einem Auslaß durchque­renden Wasserstrahls, dem ein Abrasivmittel in der Mischkammer durch Einbringung in den Wasserstrahl beige­mischt wird, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
  • Verfahren dieser Art, bei denen Hochdruckwasserstrahlen zum Reinigen und Schneiden von Flächen bzw. Gegenständen verwendet werden, und denen Hartstoffteilchen (Abrasiv­mittel) beigefügt werden, sind bekannt. Der Vorteil der­artiger Verfahren gegenüber thermischen Verfahren zum Schneiden von Gegenständen ist der, daß die Schnittstelle praktisch kalt bleibt, was bei der Ausführung des Ver­fahrens insbesondere bei solchen Gegenständen, die ge­schnitten oder gereinigt werden müssen, von Vorteil ist, die empfindlich gegen Wärme sind. Zum anderen eignen sich die bekannten Wasser-Abrasivmittel-Gemische bzw. Verfah­ren insbesondere auch zum Schneiden und Reinigen oder zum gezielten Materialabtrag im Unterwasserbereich.
  • Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (US-PS 4 648 215) wird in einer Mischkammer einer Vorrichtung zum Schneiden und Reinigen mittels eines Wasser-Abrasivmit­tel-Gemisches in einen die Mischkammer durchquerenden Wasserstrahl Abrasivmittel gegeben, und zwar derart, daß die Abrasivmittel unter einem spitzen Winkel relativ zum Wasserstrahl zugeführt werden. Der Mischkammerdurchmesser ist kleiner als die freie Strahllänge in der Kammer.
  • Aufgrund dieser bekannten Zuführtechnik ergab sich der erhebliche Nachteil, daß sich in der Mischkammer an der der Abrasivmitteldüse gegenüberliegenden Seite nach kur­zer Benutzungszeit Vertiefungen in der Mischkammerwand ausbildeten, die sehr schnell größer wurden. Die Ausbil­dung dieser nachteiligen Vertiefung hatte zur Folge, daß die Vorrichtung nach verhältnismäßig kurzer Benutzungs­zeit nicht mehr bestimmungsgemäß funktionierte.
  • Gemäß der bekannten Vorrichtung (US-PS 4 648 215) wurde versucht, dieser Erscheinung dadurch Einhalt zu gebieten, daß wenigstens der zum Auslaß weisende untere Bereich der Mischkammer mit einer Hartmetallauskleidung versehen wurde, was wiederum einerseits mit dem Nachteil erheblich höherer Kosten für die Herstellung derartiger Vorrich­tungen verbunden war und zum anderen auch aufgrund von rückgestreutem Abrasivmittel zu Erosionswirkungen in der in die Mischkammer gerichteten Abrasivmitteleinleitungs­düse führte. Durch dieses Phänomen bedingt wurde ein er­heblicher Düsenverschleiß festgestellt, so daß sich, un­ter tatsächlichen Einsatzbedingungen erprobt, gezeigt hat, daß auch die bekannte Vorrichtung und das mittels ihr ausgeführte Verfahren den in sie gesetzten Erwar­tungen nicht entsprach.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Effekti­vität des Mischprozesses in der Mischkammer verbessert wird, der Leistungsbereich (hydraulischer Arbeitsbereich) erhöht wird und bei der Vorrichtung die Standzeiten der Mischkammer und der Austrittsdüse vergrößert wird.
  • Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Ver­fahren dadurch, daß das Abrasivmittel in der Mischkammer direkt und gezielt in den diese durchquerenden Wasser­strahl gegeben wird.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, daß im Gegen­satz zum genannten Stand der Technik, bei dem nur ein kleiner Teil des Abrasivmittels direkt in den Wasser­strahl eindringt und der größte Teil in den konischen unteren Teil der Mischkammer gelangt, in dem erst eine Orientierung der Flugbahn der einzelnen Partikel des Ab­rasivmittels in Richtung der Wasserstrahlachse erfolgen soll, bevor die Teilchen des Abrasivmittels vom Sprühan­teil des Wasserstrahls in den direkt anschließenden Dü­sentrichter der Austrittsdüse eingespült werden, die Teilchen des Abrasivmittels lange bevor sie in den Aus­laß, d. h. in die Eintrittsöffnung der Austrittsdüse ge­langen, beschleunigt werden, d. h die freie Strahllänge des Wasserstrahls in der Mischkammer voll zur Energie­übertragung genutzt werden kann, da die Teilchen des Abrasivmittels auf kürzestem Wege in den die Mischkammer durchquerenden Wasserstrahl eingeschossen werden.
  • Als weiterer Vorteil des Verfahrens ist die Realisier­barkeit kleiner freier Strahllängen in der Mischkammer. Die daraus resultierenden geringen Strahldivergenzen beim Eintritt des Wasser- Abrasivgemisches in die Eintrittsöffnung der Abrasivdüse bewirken geringeren Ab­rieb in einer Austrittsdüse und kleinere Leistungsver­luste bei der Fokussierung des Abrasivstrahles in der Austrittsdüse.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Abrasivmittel derart in die Mischkammer gegeben, daß sich dieses auch um den Auslaß herum unter Bildung eines Abrasivmittelkanals ansammelt, wobei die Ausbildung des Abrasivmittelkanals in dem sich unmittelbar nach Inbe­triebnahme um den Auslaß herum ablagernden Gemisch aus dem Sprühanteil des Wasserstrahls und dem zugeführten trocknen Abrasivmittel innerhalb der ersten Sekunden au­tomatisch erfolgt. Die Verjüngung des Abrasivmittelkanals um den Wasserstrahl in der Mischkammer herum bewirkt eine Zunahme der Luftgeschwindigkeit in diesem Bereich und damit eine zusätzliche Beschleunigung der Hartstoffteil­chen. Zum anderen ist die Mischkammerwandung vor Erosion durch das Abrasivmittel selbst - was bei der bekannten Vorrichtung sehr schnell zu einem Unbrauchbarwerden führte - geschützt.
  • Auch kann vorzugsweise das Abrasivmittel derart in die Mischkammer gegeben werden, daß es sich an allen Wan­dungen der Mischkammer ablagert, so daß diese zuverlässig vor Erosionsschäden geschützt werden.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Ver­fahrens wird das Abrasivmittel im wesentlichen orthogonal zur Wasserstrahl ebene in den Wasserstrahl gegeben, so daß eine optimale Zuführung des Abrasivmittels zum Wasser­strahl gegeben ist, d. h. der kürzeste mögliche Weg von der Mündung des Abrasivmitteleinlasses zum Wasserstrahl.
  • Es hat sich gezeigt, daß das Abrasivmittel grundsätzlich bei der Wahl beliebigen geeigneten Drucks in die Misch­kammer gegeben werden kann. Bei Anwendungen in normaler Umgebung wird jedoch das Abrasivmittel vorzugsweise in einem Druckbereich von 1 bar relativ zum Innendruck der Mischkammer in diese gegeben. Abrasivmitteldrücke von 1 bis 120 bar sind jedoch möglich.
  • Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Abrasivmitteleinlasses in der Mischkammer im wesentlichen orthogonal zur Was­serstrahlachse in der Mischkammer verläuft.
  • Der Vorteil dieser Anordnung liegt im wesentlichen darin, daß die über den Abrasivmitteleinlaß eingeschossenen Teilchen des Abrasivmittels auf kürzestem Wege in den Wasserstrahl gegeben werden, so daß, wie erfindungsgemäß angestrebt, eine optimale Zuführgeometrie für das Abra­sivmittel erreicht wird.
  • Grundsätzlich kann die Mischkammer einen beliebigen ge­eigneten Aufbau haben, es hat sich jedoch gezeigt, daß es vorteilhaft ist, die Mischkammer mit einem im wesentli­chen zylindrischen Querschnitt mit der Wasserstrahlachse als Zylinderachse auszubilden, wobei deren Durchmesser größer als die freie Weglänge des Wasserstrahls durch die Mischkammer ist. Mischkammern dieser Art sind verhält­nismäßig leicht herstellbar und bieten aufgrund ihres symmetrischen Aufbaus zu allen Seiten gleichen radialen Abstand um die Wasserstrahlachse herum, so daß sich bei der Inbetriebnahme um den Auslaß herum bestimmungsgemäß ansammelndes befeuchtetes Abrasivmittel gleichmäßig an­häufen kann.
  • Die Mischkammer kann um den Auslaß herum vorzugsweise trichterförmig bzw. im Querschnitt konisch ausgebildet sein, so daß sich insbesondere dann, wenn vorzugsweise die Austrittsdüse zum Austritt des Wasser-Abrasivmittel-­Gemisches aus der Vorrichtung wenigstens teilweise in die Mischkammer hineinsteht, ein Totvolumen bilden kann, daß zum Ausgangspunkt für die Ablagerung des befeuchteten Abrasivmittels am Boden der Mischkammer ist. Grundsätz­lich wird die Austrittsdüse vorteilhafterweise im Zentrum der zylindrisch ausgebildeten Mischkammer angeordnet sein, es sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen die Austrittsdüse nicht zentrisch zur Achse der Mischkammer angeordnet ist beispielsweise beim Vorhan­densein von einstellbaren Zentrierhilfen.
  • Gemäß der Erfindung ist es nicht zwingend erforderlich, die Austrittsdüse aus Hartstoff auszubilden. Die Aus­trittsdüse kann vorteilhafterweise neben der einteiligen Ausbildung mehrteilig ausgebildet sein. Vorteilhafter­weise ist jedoch die Austrittsdüse aus Hartmetall wie Wolframkarbid oder dergl. ausgebildet. Bei dieser Ausge­staltung wird dem Umstand Rechnung getragen, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich die Austrittsdüse durch das durch diese hindurchtretende Wasser-Abrasi­vmittel-Gemisch einer starken Belastung unterworfen ist, die vorangeschaltete Mischkammer jedoch nicht, da sich in dieser um den Auslaß herum bestimmungsgemäß das feuchte Abrasivmittelgemisch anlagert. Insofern kann die erfin­dungsgemäße Mischkammer aus Werkstoffen gebildet werden, die im Vergleich zur Austrittsdüse aus Hartmetall kostengünstig bereitstellbar und einfach und damit ko­stengünstig bearbeitbar sind.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Einlaufdüse an ihrer zur Mischkammer gewandten Seite trichterförmig und sich zur Mischkammer vergrößernd ausgebildet. Diese Ausgestaltung der Aus­trittsdüse ist deshalb vorteilhaft, weil der die Misch­kammer durchquerende Wasserstrahl sich zwischen Eintritt in die Mischkammer und dem Verlassen der Mischkammer über den Auslaß verbreitert. Durch die trichterförmige Aus­bildung des Auslasses bzw. der Austrittsdüse wird der das Abrasivmittel nun schon enthaltende Wasserstrahl wieder zusammengeführt.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann, mit ähnlicher Wirkung, wie vorangehend beschrieben, die Aus­trittsdüse an ihrer zur Mischkammer hingewandten Seite eine die Düsenöffnung vergrößernde Eintrittsbohrung auf­weisen. Es sei aber darauf hingewiesen, daß die trichter­förmige Ausbildung der zur Mischkammer hin gerichteten Öffnung der Austrittsdüse weder in trichterförmiger Form noch in Form der zylindrischen Bohrung in jedem Falle zwingend erforderlich ist.
  • Beim Einsatz kleiner Wasserdüsendurchmesser, d.h. bei kleiner hydraulischer Leistung, wie sie z.B. für die Er­reichung von dünnen Präzisionsschnitten vorteilhaft ver­wendet werden können, ist die Strahlaufweitung wegen der hier möglichen kurzen freien Strahllänge so klein, daß keine zusätzliche Aufweitung im Einlaßbereich der Abr­asivdüsenbohrung erforderlich ist.
  • Um die Effektivität der Vorrichtung insgesamt für jeden vorbestimmten Einsatzzweck optimieren zu können, ist es vorteilhaft, die freie Strahllänge des Wasserstrahls in­nerhalb der Mischkammer zu wählen. Es ist dabei vorteil­haft, den Abstand (freie Weglänge) zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Wasserstrahls in der Mischkammer ein­stellbar auszubilden, wobei der Abstand vorteilhafter­weise durch Verschiebung z.B. der Austrittsdüse in Strahlachsenrichtung erfolgt. So können beispielsweise freie Weglängen des Wasserstrahls innerhalb der Misch­kammer auch zwischen 2 und 80 mm eingestellt werden.
  • Zur Anpassung an die gewählte freie Weglänge des Wasser­strahls zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Mischkam­mer kann ebenfalls der Querschnitt des Abrasivmittelein­lasses veränderbar ausgebildet sein, wobei dieses vorteilhafterweise durch Einbringen einer Buchse mit ei­nem geeignet gewählten Durchgangslochquerschnitt in den Abrasivmitteleinlaß erfolgt.
  • Für bestimmte Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, an­stelle lediglich eines Abrasivmitteleinlasses eine Mehr­zahl in die Mischkammer weisende Abrasivmitteleinlässe vorzusehen, die in ihrer Gesamtheit im wesentlichen mit ihren jeweiligen Achsen orthogonal zur Wasserstrahlachse ausgerichtet sind. Je nach Anwendungsfall können die Abrasivmitteleinlässe auf beliebige geeignete Weise um die Wasserstrahlachse herum in der Mischkammer ausgebil­det sein und zwar auch in verschiedenen Höhen zwischen Einlaß und Auslaß der Mischkammer.
  • Schließlich ist es vorteilhaft eine Zentrierung der Abr­asivdüsenbohrung zur Wasserstrahlachse durch Präzisions­zylinder- oder Konuspassungen zu erreichen.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfol­genden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausfüh­rungsbeispieles beschrieben. Darin zeigen:
    • Fig. 1 im Schnitt eine Vorrichtung mit einer Misch­kammer sowie in die Vorrichtung eingesetzter Austrittsdüse und einem die Mischkammer durch­querenden Wasserstrahl,
    • Fig. 2 in gegenüber der Darstellung von Fig. 1 ver­größertem Maßstab einen Düseneinsatz, der die Austrittsdüse des Wasserstrahls zum Eintritt in die Mischkammer umfaßt,
    • Fig. 3 in einem vergrößerten schematischen Schnitt den Bereich der Mischkammer mit in die Mischkammer eingeschossenem Abrasivmittel , wobei ein Teil der Mischkammer noch einmal vergrößert darge­stellt ist,
    • Fig. 4 einen Schnitt durch die Mischkammer von Fig. 3 entlang der Linie A-B, wobei ein Teil der Mischkammer nochmals vergrößert dargestellt ist, und
    • Fig. 5 eine andere Ausführungsform der Erfindung im Halbschnitt.
  • Die Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einem Mischkammerkörper 120 sowie einem sogenannten Anschluß­stück 121, das an seiner freien Seite mit einer Druck­leitung auf bekannte Weise verbunden wird. Das Anschluß­stück 121 weist ein im wesentlichen zentral hindurchlau­fendes Durchgangsloch auf, durch das das über die nicht dargestellte Druckleitung herangeführte Wasser 15 hin­durchgeht. Am unteren, der Mischkammer 12 zugewandten Ende des Anschlußstücks 121 ist ein Düseneinsatz 24 vor­gesehen, der beispielsweise die aus einem Hartwerkstoff wie Saphir oder dergleichen hergestellte Hochdruck-Was­serdüse 140 umfaßt. Der Düseneinsatz 24 weist ein durch diesen im wesentlichen zentral hindurchgehendes Durch­gangsloch auf, wobei das eine Ende des Durchgangsloches, das zur Mischkammer 12 hinweist, einen Einlaß 13 des Wassers bzw. Wasserstrahls 15 in die Mischkammer 12 bil­det. Der Düseneinsatz 24 kann bei Verschleiß, Beschädi­gung oder bei einem beabsichtigten Wechsel des Durchmes­sers des Wasserstrahls 15 sehr schnell ausgewechselt werden, da er zwischen Anschlußstück 121 und einem Auf­nahmekörper 122 mittels eines zwischen beiden Teilen wirkenden Gewindes in einen Zentrierkonus eingeklemmt ist.
  • Der Mischkammerkörper 120 ist im wesentlichen rotations­symmetrisch ausgebildet, vgl. insbesondere Fig. 1 und 5.
  • Im Inneren des Mischkammerkörpers 120 ist eine im we­sentlichen zylindrisch ausgebildete Mischkammer 12 vor­handen, in die das Abrasivmittel 160, was im einzelnen noch weiter unten beschrieben wird, in den von dem Einlaß 13 zu einen Auslaß 14 die Mischkammer 12 durchquerenden Wasserstrahl 15 eingeschossen wird.
  • Die Mischkammer 12 ist an ihrem zum Auslaß 14 weisenden Ende nach unten, bezogen auf die Darstellung von Fig. 1, trichterförmig verjüngt ausgebildet. Sie kann aber auch wie in Fig. 5 dargestellt plan ausgeführt sein.
  • Die Achse 18 des Wasserstrahls 15 ist bei dem hier dar­gestellten Ausführungsbeispiel identisch mit der Achse der zylindrisch ausgebildeten Mischkammer 12. Am unteren Ende, d. h. im trichterförmig ausgebildeten Bereich der Mischkammer 12, ist in Verlängerung der Wasserstrahlachse 18 eine Austrittsdüse 21 angeordnet, die aus einem Hart­werkstoff besteht und ein zentrales Durchgangsloch zum Durchtritt des Wasser-Abrasivmittel-Gemisches 11 auf­weist. Zudem kann die Austrittsdüse 21 einen Ansatz 26 aufweisen, der an einen entsprechenden Ansatz oder Steg im Mischkammerkörper 120 zu liegen kommen kann. Auf diese Weise können in bezug auf die Eintrittstiefe der Aus­trittsdüse 21 in die Mischkammer 12 und in bezug auf den Innendurchmesser für den Durchtritt des Wasser-Abrasiv­mittel-Gemisches 11 unterschiedlich ausgebildete Aus­trittsdüsen 21 verwendet werden, die den entsprechenden gewünschten Schneid- bzw. Reinigungsparametern entspre­chend dem gewünschten Einsatz angepaßt werden können. Der Grad des Hineinstehens der Austrittsdüse 21 in die Misch­kammer 12 bestimmt die freie Weglänge bzw. den Abstand 20 des Wasserstrahls 15 zwischen dem Einlaß 13 und dem Aus­laß 14, der bei dieser Ausgestaltung durch die trichter­förmig 22 ausgebildete Düsenöffnung 23 gebildet wird.
  • Die Austrittsdüse kann wie in Fig. 5 dargestellt auch geteilt ausgeführt sein. Das bringt den Vorteil der ein­facheren Herstellbarkeit der Präzisionsbohrung in der Hartstoffdüse, besonders bei kleinen Durchmessern, wege der kürzeren Bauweise der Düsenteile. Darüber hinaus braucht häufig nur die untere Düsenhälfte 211 ausge­tauscht zu werden, wenn dies durch Verschleiß der Fokus­sierbohrung erforderlich wird. Das obere gebrauchte Dü­senteil 210 hat nach nicht zu großen Betriebszeiten unter Beibehaltung der Strahlparameter häufig eine geeignete Einlaufgeometrie, als eine neue Düse, da sie durch die vorangegangene Abrasivstrahlbeaufschlagung eingeschliffen ist.
  • Im wesentlichen orthogonal zur Wasserstrahlachse 18 ver­läuft die Achse 17 des Abrasivmitteleinlasses 16, wobei in den Abrasivmitteleinlaß 16 wahlweise Buchsen 25 ver­schieden großen Durchmessers einsetzbar und befestigbar sind. Verschieden große Innendurchmesser der Buchse 25 werden in Anpassung an die gewählte freie Weglänge (Ab­stand) 20 gewählt, um die Effektivität der Vorrichtung 10 den geeignet gewählten Reinigungs- bzw. Schneidbedingun­gen anzupassen.
  • Die Ausrichtung der Abrasivdüsenbohrung 212 parallel und zentrisch zur Wasserstrahlachse 18 erfolgt vorteilhaft­erweise durch präzise Zylinder - und/oder Kegelpassungen 123, 124, 124, 126. In Verbindung mit einer präzise aus­geführten Abrasivdüsenbohrung 212 wird eine symmetrische Strahlbeaufschlagung der Abrasivdüse 21 erreicht, was zu geringen Fokussierverlusten und langer Lebensdauer der Abrasivdüse 21 führt.
  • Die Benutzung von Bauteilen mit größeren Toleranzen, insbesondere bei Austrittsdüsen 21 mit nicht zentrischer Austrittsdüsenbohrung 212, kann die Vorrichtung 10 mit geeigneten Justiermöglichkeiten ausgestattet werden.
  • Die Zentrierung des Hochdruck-Düsenhalters 122 mittels Konus, vergl. Fig. 5, 125, wird vorteilhaft eingesetzt, wenn häufiges Öffnen und Schließen der Mischkammer 12 z.B. zu Inspektionszwecken gewünscht wird, daß sie sicher mögliches Fressen der Zentrierflächen durch eindringende Harstoffteilchen verhindert.
  • Die Verwendung der Konuszentrierung 125 in Verbindung mit der Weichstoffdichtung 127 gestattet zusätzlich die nach­trägliche Ausrichtung des Abrasivmitteleinlasses 16 an eine beliebige Stelle des Umfanges bei fertig montierter Vorrichtung 10 (Schneidkopf.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 wird die Funk­tion der Vorrichtung 10 beschrieben. Ein Wasserstrahl 15, der der Vorrichtung, wie oben schon beschrieben, auf be­kannte Weise zugeführt wird, durchquert die Mischkammer 12 vom Einlaß 13 zum Auslaß 14, wobei die freie Weglänge 20 auf vorbestimmte Weise geeignet eingestellt worden ist. Durch den Abrasivmitteleinlaß 16 wird Abrasivmittel 160 direkt und gezielt und im wesentlichen orthogonal zur Wasserstrahlachse 18 eingeschossen. Dabei wird das Abra­sivmittel 160 beispielsweise von Luft mit einen Druck von 1 bar relativ zum Innendruck der Mischkammer 12 in die Mischkammer injiziert. Bei speziellen Anwendungen z.B. in hyperbaren Arbeitskammern unter Wasser kann das Abrasiv­mittel auch unter höheren Drücken relativ zum Innendruck der Mischkammer 12 zugegeben werden. Vorteilhafterweise sollten bei dieser Betriebsweise die Strahl-, Mischkam­mer-, und Abrasivzugabeparameter angepaßt werden. Unmit­telbar nach Beginn des Einschusses des Abrasivmittels 160, das beispielsweise aus allen gebräuchlichen und na­türlich oder synthetisch gewonnenen bzw. hergestellten Materialien wie Quarzsand, Granatsand, Kupferschlacke, Korund, Hartmetallpartikel oder sonstigen geeigneten Feststoffen bestehen kann, sammelt sich dieses um den Auslaß 14, der im vorliegenden Fall durch die in die Mischkammer hineinstehende Austrittsdüse 21 gebildet wird, an, und häuft sich auf und bildet zusammen mit ei­nem in der Mischkammer 12 naturgemäß auftretenden Sprüh­wasseranteil ein befeuchtetes angehäuftes Abrasivmittel 161. Gleichzeitig wird ein sich im angehäuften Abrasiv­mittel 161 um den Auslaß 14 herum ausbildender Abrasiv­mittelkanal 162 gebildet und von diesem gelenkt wird das nachfolgende Abrasivmittel , das vom Abrasivmitteleinlaß 16 kommt, in den Wasserstrahl 15 gelenkt. Durch die Ab­lagerung des angehäuften Abrasivmittels 161 sind die Wandungen der Mischkammer 12 vor Erosion durch das Abrasivmittel 160 selbst geschützt, so daß auch wenig abriebfeste Werkstoffe zur Herstellung der Mischkammer 12 verwendet werden können, beispielsweise solche, die leicht bearbeitbar sind und darüber hinaus kostengünstig bereitstellbar sind.
  • Durch die sich in Abhängigkeit der freien Weglänge 20 des Wasserstrahls 15 und in Abhängigkeit vom Druck des Abra­sivmittels 160 selbständig ausbildende Geometrie des Ab­rasivmittelkanals 162 kann eine geeignete Vorbeschleu­nigung des Abrasivmittels 160 erfolgen, d. h. die Effek­tivität der Energieübertragung durch den Wasserstrahl 15 auf das Abrasivmittel optimiert und den jeweilig gewün­schten Bedingungen angepaßt werden. Dabei sind die sich in der Durchgangsbohrung der Austrittsdüse 21 zur freien Düsenöffnung bewegenden Luftblasen geeignet, nochmals eine Steigerung der Energieübertragung auf das Abrasiv­mittel 160 zu bewirken. Die geeignete Dimensionierung des Öffnungsdurchmessers des Abrasivmitteleinlasses und auch der Zuführleitung des Abrasivmittels 160 zur Vorrichtung 10 selbst sind zur Erreichung einer optimalen Luftmenge deshalb ebenfalls zu beachten.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung 10 lassen sich Mischkammern 12 mit folgenden Leistungs­daten betreiben bzw. herstellen:
    Druckbereich des Wasserstrahls : ca. 300 - 6.000 bar
    hydraulische Leistung : 0,5 - 50 kw
    Abrasivmenge : 0,1 - 10 kg/min
    Luftmenge : 10 - 500 l/min.
  • Die Austrittsdüse 21 kann dabei Durchtrittsöffnungsdurch­messer von 0,5 bis 3 mm aufweisen, wobei die Länge der Austrittsdüse 21 zwischen 10 und 200 mm liegt. Die freie Weglänge (Abstand) 20 kann dabei zwischen 2 und 80 mm liegen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10 Vorrichtung
    • 11 Wasser-Abrasivmittel-Gemisch
    • 12 Mischkammer
    • 120 Mischkammerkörper
    • 121 Anschlußstück
    • 122 Hochdruck-Düsenhalter
    • 123 Elemente der Zentrierpassung
    • 124 Elemente der Zentrierpassung
    • 125 Elemente der Zentrierpassung
    • 126 Elemente der Zentrierpassung
    • 127 Weichstoffdichtung
    • 13 Einlaß
    • 14 Auslaß
    • 15 Wasserstrahl
    • 16 Abrasivmitteleinlaß
    • 160 Abrasivmittel
    • 161 angehäuftes Abrasivmittel
    • 162 Abrasivmittelkanal
    • 17 Achse des Abrasivmitteleinlasses
    • 18 Wasserstrahlachse
    • 19 Zylinderachse
    • 20 freie Weglänge (Abstand)
    • 21 Austrittsdüse
    • 210 Oberteil
    • 211 Unterteil
    • 212 Austrittsdüsenbohrung
    • 22 trichterförmige Ausbildung
    • 23 Düsenöffnung
    • 24 Hochdruck-Düseneinsatz
    • 240 Hochdruckwasserdüse
    • 25 Buchse
    • 26 Ansatz
    • 27 Mischkammerboden

Claims (21)

1. Verfahren zum Schneiden und Reinigen von Gegenständen sowie zum gezielten Materialabtrag mittels eines unter Hochdruck befindlichen, eine Mischkammer von einem Einlaß zu einem Auslaß durchquerenden Wasserstrahls, dem ein Abrasivmittel in der Mischkammer durch Einbringung in den Wasserstrahl beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abrasivmittel in der Mischkammer direkt und ge­zielt in den diese durchquerenden Wasserstrahl gegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abrasivmittel derart in die Mischkammer gegeben wird, daß sich dieses auch um den Auslaß herum unter Bildung eines Abrasivmittelkanals ansammelt.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abrasivmittel derart in die Mischkammer gegeben wird, daß es sich an allen Wandungen der Mischkammer ablagert.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abrasivmittel im wesentlichen orthogonal zur Wasserstrahlachse in den Wasserstrahl gegeben wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abrasivmittel im atmosphärischen Druckbereich in die Mischkammer gegeben wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abrasivmittel in einem Druckbereich von 1 bis 120 bar in die Mischkammer gegeben wird.
7. Vorrichtung zum Schneiden und Reinigen von Gegen­ständen mittels eines unter Hochdruck befindlichen Was­serstrahls, in dem ein Abrasivmittel enthalten ist, um­fassend eine Mischkammer, die von einem Einlaß zu einem Auslaß vom Wasserstrahl durchquert wird, sowie einen Einlaß in die Mischkammer für die Zufuhr von Abrasiv­mittel , zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (17) des Abrasivmitteleinlasses (16) in die Mischkammer (12) im wesentlichen orthogonal zur Wasser­strahlachse (18) in der Mischkammer (12) verläuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (12) einen im wesentlichen zylindri­schen Querschnitt mit der Wasserstrahlachse (18) als Zy­linderachse (19) aufweist, wobei deren Durchmesser größer als die freie Weglänge (20) des Wasserstrahls durch die Mischkammer ist.
9. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (12) um den Auslaß (14) herum trichterförmig ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse (21) zum Austritt des Wasser-Abrasivmittel-Gemisches (11) aus der Vorrichtung (10) wenigstens teilweise in die Mischkammer (12) hineinsteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (21) im Zentrum der zylindrisch ausgebildeten Mischkammer (12) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (21) aus einem Hartstoff besteht.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (21) mehrteilig (210, 211) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (21) an ihrer zur Mischkammer (12) gewandten Seite tri­chterförmig und sich zur Mischkammer (10) hin vergrößernd ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse (21) an ihrer zur Mischkammer (12) gewandten Seite eine die Düsenöffnung (23) vergrößernde Eintrittsbohrung auf­weist.
16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (20) (­ freie Weglänge) zwischen dem Einlaß (13) und dem Auslaß (14) des Wasserstrahls (15) in der Mischkammer (12) ein­stellbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (20) durch Verschiebung der Austrittsdüse (21) und/oder eines Düsenhalters (122) einstellbar ist.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Abrasivmitteleinlasses (16) veränderbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abrasivmitteleinlaß (16) zur Querschnittsver­änderung eine Buchse (25) mit geeignet gewähltem Durch­gangslochquerschnitt einsetzbar ist.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl in die Mischkammer (12) weisende Abrasivmitteleinlässe (16) vorgesehen sind.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentrierung der Abrasivdüsenbohrung (212) zur Wasserstrahlachse (15) durch Präzisionszylinder - und/oder Konuspassungen er­reicht wird.
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