EP3391996A1 - Device and method for processing a workpiece using abrasive liquid jets - Google Patents

Device and method for processing a workpiece using abrasive liquid jets Download PDF

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EP3391996A1
EP3391996A1 EP17167569.7A EP17167569A EP3391996A1 EP 3391996 A1 EP3391996 A1 EP 3391996A1 EP 17167569 A EP17167569 A EP 17167569A EP 3391996 A1 EP3391996 A1 EP 3391996A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
nozzle
tube
abrasive particles
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17167569.7A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Maurer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microwaterjet AG
Original Assignee
Microwaterjet AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Microwaterjet AG filed Critical Microwaterjet AG
Priority to EP17167569.7A priority Critical patent/EP3391996A1/en
Publication of EP3391996A1 publication Critical patent/EP3391996A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C7/00—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts
    • B24C7/0046—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts the abrasive material being fed in a gaseous carrier
    • B24C7/0076—Equipment for feeding abrasive material; Controlling the flowability, constitution, or other physical characteristics of abrasive blasts the abrasive material being fed in a gaseous carrier the blasting medium being a liquid stream
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for machining a workpiece by means of an abrasive liquid jet emerging from a focussing tube.
  • An object of the present invention is to provide a method and a device which enable the machining of workpieces with improved accuracy.
  • liquid jet and abrasive particles are directed into a channel of the focussing tube so that within the channel a core region in which the liquid is concentrated and between core region and edge of the channel form a transition region in which the abrasive particles concentrated.
  • the liquid jet initially formed in the nozzle thus remains largely preserved when the abrasive particles are added.
  • An abrasive liquid jet can be generated which, viewed transversely to the direction of propagation, has a more precisely defined effective range, so that precise but nevertheless efficient processing is possible.
  • a controller for controlling the supply of liquid and abrasive particles is provided so that the ratio of the mass of abrasive particles to the mass of liquid exiting from the focus tube per unit time is below a predetermined threshold.
  • FIGS. 1 . 2 and 4 show the machining head, which is part of a machine serving as a processing device and from which in operation a jet of liquid and abrasive for machining a workpiece occurs.
  • This abrasive liquid jet is also referred to below as a processing jet.
  • the machining head is stationary or movable in space, z. B. displaceable in three axes and / or rotatable about at least one axis.
  • a suitable displacement measuring device can be used, which comprises, for example, a glass measuring rod per displacement axis. If a drive with encoder is provided for moving the machining head, the precision in the displacement measurement can be increased by determining position values between the scale units of the glass measuring rod by means of the encoder. This is e.g. achievable in that the encoder delivers a higher number of pulses per unit length than the glass measuring rod.
  • the machining head 5 can be arranged on a machine bed 6 made of mineral casting, as exemplified in Fig. 3 is shown.
  • the machining head 5 is slidably disposed in this embodiment in three linear axes by providing a movable bridge 6a, to which the processing head 5 is arranged transversely and vertically movable.
  • FIG. 3 Next is in Fig. 3 to see a workpiece support 6b, on which a workpiece W to be machined rests.
  • the processing apparatus is provided with holding means 6c for holding the workpiece W.
  • the holding means 6c are z. B. formed as terminals, by means of which the workpiece W is pressed against the workpiece support 6b. In this way it can be ensured that the workpiece W rests as flat as possible and thus during machining a distance as constant as possible between the outlet-side end of the machining head 5 and the workpiece surface can be maintained.
  • the processing device For feeding abrasive particles into a chamber 64 in the processing head 5 (see chamber 64 in FIG Fig. 12 ), the processing device has a metering device 7.
  • the controller 8 of the processing device is arranged so that in operation liquid and abrasive particles are fed into the chamber 64 in the processing head 5 so that the ratio of the mass of abrasive particles to the mass of liquid exiting or exiting the focusing tube per unit time is below a predetermined threshold.
  • a collimating tube 1 which is fastened by means of tension screw 10 and pressure ring 20 to a holding part 30.
  • a branching part 60 is received, on which a nozzle 40, an inlet nozzle 70 for the abrasive and a focusing tube 80 are arranged.
  • the inlet 2a of the collimation tube 1 is connected via a high-pressure line to a pump device which the liquid, for. As water, under high pressure, to generate in the nozzle 40 a liquid jet, which is then then added abrasive to form the processing beam.
  • a pump device which the liquid, for. As water, under high pressure, to generate in the nozzle 40 a liquid jet, which is then then added abrasive to form the processing beam.
  • an actuatable valve is arranged for switching on and off the liquid supply and thus the processing beam.
  • the pump device is designed so that the processing jet has a high pressure, which is typically at least 1000 bar, preferably at least 2000 bar and particularly preferably at least 3000 bar.
  • the collimating tube 1 contains a bore 2, which has a circular cylindrical cross-section and is preferably flared at the inlet 2a and outlet 2b.
  • the front side 4 of the collimator tube 1 is designed for contacting with the nozzle 40, so that a tight connection is ensured (see. Fig. 5 and 9 ).
  • the liquid is supplied during operation of the pump device as a turbulent liquid flow.
  • In Kollimationsrohr 1 there is a forwarding and flow calming, so that preferably a laminar or at least turbulence reduced flow is formed.
  • the collimating tube 1 at the end a portion 2 c, which is received in the assembled state in the holding part 30.
  • the outer surface of the portion 2c and the corresponding inner surface of the holding member 30 are complementary to each other, for example, both circular cylindrical.
  • the section 2c ensures a precise alignment of the focusing tube 1 in the holding part 30, so that the bore 2 coaxial with the subsequent channels for Liquid line is aligned.
  • the collimation tube 1 has a section with an external thread 3. In this, in the assembled state, the internal thread 23 of the pressure ring 20 inserted in the tension screw 10 (see FIG. Fig. 7 ).
  • the lag screw 10 is formed as a polygonal end 11 and a continuous recess 12. This expands seen in the flow direction, whereby for the pressure ring 20, a stop 13 is formed, and is end provided with an internal thread 14 for engagement with an am Holding part 30 formed external thread 34, see.
  • Fig. 8 the lag screw 10 is formed as a polygonal end 11 and a continuous recess 12. This expands seen in the flow direction, whereby for the pressure ring 20, a stop 13 is formed, and is end provided with an internal thread 14 for engagement with an am Holding part 30 formed external thread 34, see.
  • Fig. 8 shows,
  • the holding part 30 comprises a continuous recess 32 with an inlet-side receiving portion 32 a, which has a circular cylindrical cross section and serves to receive the end of the Kollimationsrohrs 1, an intermediate portion 32 b, in which a through the wall of the holding member 30 passing through the first transverse bore 33 opens, and a
  • the outlet-side receiving portion 32c which here has a circular cylindrical cross-section and in which a through the wall of the holding member 30 passing second transverse bore 35 opens with internal thread, is provided with a step 32d, whereby a seat for the Branching part 60 is formed.
  • the first transverse bore 33 serves as a discharge channel, through which liquid z. B. may leak in the event of leakage.
  • the second transverse bore 35 in the holding part 30 is connected to the inlet nozzle 70 and has for this purpose z. B. an internal thread which engages in an external thread on the inlet nozzle 70.
  • Fig. 9 shows the nozzle 40, which includes a nozzle holder 41 and a nozzle block 50.
  • the nozzle holder 41 has an upper side 42a, which directly contacts the end face 4 of the collimating tube 1, so that a metallic seal is created.
  • the geometry of the two sides 4 and 42a is adjusted so that a seal with reduced force is ensured.
  • the upper side 42a has a convex-shaped curvature.
  • the front side 4 is flat.
  • the nozzle holder 41 includes a recess 43 in which the nozzle block 50 is inserted, and a channel 44 which extends from the recess 43 to the bottom 42 b of the nozzle holder 41.
  • the channel 44 is formed stepwise. Here it comprises a first channel section 44a, which merges via a first extension 44b into a second channel section 44c with a larger inner diameter, followed by a second extension 44d.
  • the channel sections 44a and 44c are here circular-cylindrical and the extensions 44b and 44d are conical.
  • the nozzle block 50 is made of a particularly hard material, such as ruby, sapphire or diamond.
  • the inlet of the channel 51 is here not sharp-edged, but has a wall which is rounded and / or beveled so that, seen in the flow direction, a non-abrupt constriction results, which in the circular cylindrical passage 51b passes.
  • the geometry of the constriction 51a is z. B. chosen so that it is defined by a surface 51 a, which seen in cross section runs on a circular line with radius ⁇ , cf. the dotted line in Fig. 10 , Fig. 11 shows an example in which the inlet is given by a chamfered edge 51a '.
  • ⁇ defines the angle between the perpendicular on the inlet side surface 50a of the nozzle block 50 and the edge 51a '.
  • Fig. 12 shows an example in which the inlet has a profile 51a "which runs first round and then straight, and the variable ⁇ 'defines the angle between the vertical on the inlet side surface 50a and the straight line passing through the two end points of the profile 51a". runs.
  • the supplied liquid dissolves from the inlet 51a, 51a 'or 51a ", so that an in Fig. 10 . 11 or 12 formed by the dashed line 55 indicated beam, which extends at a distance from the wall of the channel part 51b.
  • Fig. 13 shows the branching part 60, which at the ends of an inlet-side recess 61 and an outlet-side recess 62 and at the side has a lateral recess 63.
  • the depressions 61 and 62 are connected to each other by an intermediate bore 64, so that in each case a step is formed. They serve as a seat for the nozzle 40 and the focusing tube 80. From the intermediate bore 64 leads to a transverse transverse bore 65 to the lateral recess 63, resulting in a further stage.
  • end of the inlet nozzle 70 can be accommodated (see. Fig. 1 ).
  • Fig. 14 shows the focusing tube 80.
  • This comprises a continuous inner channel 81, which has an inlet portion 81a, which opens into a circular cylindrical channel 81b.
  • the entrance portion 81a is conical here formed constricting, wherein the angle of the cone is denoted by ⁇ .
  • the length L of the bore 2 and the inner diameter D are selected (see. Fig. 1 ) that the ratio L / D is in the range of 40 to 55, preferably in the range of 45 to 50.
  • the inner surface of the collimator tube 1 is formed particularly smooth.
  • An improvement in the surface quality can be achieved by the surface is reworked in the production, for example, by material removal, z. B. by electropolishing, or by applying one or more layers.
  • the post-processing leads to an increased service life and improves the preservation of the most laminar flow possible.
  • the parts 1, 40, 60, 80 are positioned by the holding part 30 and mounted without play by means of the lag screw 10 and the pressure ring 20 on the holding part 30.
  • the geometry of the collimating tube 1 and the nozzle 40 can be selected so that a metallic seal between the collimator tube 1 and the nozzle 40 can be provided with reduced expenditure of force (compare the contacting of the surfaces 4 and 42a in FIG Fig. 9 ).
  • the processing head is composed of several parts, here from nozzle 40, branching part 60, inlet nozzle 70 and focusing tube 80, wherein the branching part 60 serves as a main connecting element.
  • the focusing tube 80 is inserted into the branching part 60, for example, by gluing or shrinking.
  • ⁇ is indicated, which indicates the deviation of the axis 82 about which the channel 81b of the focusing tube 80 extends from the axis 52 about which the channel 51 of the nozzle block 50 extends.
  • This axis 52 passes through the center point about which the outlet 51c of the channel 51 extends circularly with radius R.
  • ⁇ is less than R, preferably less than R / 2 and / or less than 20 micrometers, more preferably less than 15 micrometers, especially preferably less than 10 microns.
  • the axes 52 and 82 are aligned as parallel as possible to one another, so that in operation the jet 55 emerging from the nozzle block 50 does not strike the wall of the channel 81b in the focusing tube 80.
  • the geometry and the surface quality of the bore 81 of the focusing tube 80 can be improved during production by further processing steps. For example, after the drilling additional material to be removed, for. B. by honing or Grandize, and / or the surface can be coated. As a result, inter alia, the erosion behavior compared to conventional focusing tubes is improved, so that degradation of the roughness of the wall occurs less strong and the operation is prolonged, in which the diameter and the roundness (ie circularity in cross section) of the focusing tube 80 remain well defined. Overall, a focus tube 80 is provided which forms part of a tool of substantially constant accuracy over a longer period of time.
  • the surface quality of the intermediate bore 64 in the branching part 60 can be improved by further processing steps, so that a particularly trouble-free flow of the abrasive particles can be achieved.
  • other material can be removed, for. As by honing, and / or the surface can be coated, for. B. with a hydrophobic coating.
  • the nozzle 40 is designed so that a coherent jet of liquid is formed in the form of a hard core jet with low droplet formation. This can be achieved, inter alia, by a suitably formed edge of the inlet into the channel 51.
  • the edge 51a is rounded off with a radius ⁇ that is less than 5 microns, preferably less than 2 microns.
  • the ratio of the radius ⁇ to the inner diameter, 2R, of the channel part 51b (cf. Fig. 10 ) is typically in the range 0.01 to 0.03, preferably in the range 0.0125 to 0.025. If a chamfered edge 51a 'or partially chamfered edge 51a "is provided, then the angle ⁇ or ⁇ ' is typically greater than 45 degrees, preferably greater than 50 degrees, for example 60 degrees.
  • the nozzle 40 supplied liquid, z. B. water, wherein it separates at the inlet 51 a, 51 a ', 51 a "from the edge and a narrow beam 55th training, which subsequently only expands to a reduced extent.
  • a gaseous medium, z As air, to the lower portion of the nozzle 40 can be fed, from where it is distributed as symmetrically as possible around the beam 55, as indicated by the arrows 56 in Fig. 10 is indicated.
  • the step-like design of the channel 44 prevents compression of the supplied agent.
  • the supply of the agent can be passive, z. B. via the inlet nozzle 70, via which in addition to the abrasive material and air can be introduced. It can also be z. B. in the nozzle holder 41 a bore can be provided which extends from the outside to the channel 44 and allows a targeted, external introduction of a gaseous agent.
  • the nozzle block 50 may additionally be coated, for. B. with a hydrophobic layer to prevent deposits.
  • the intermediate bore 64 is radially positioned in the holding member 30 by the inlet port 70 by means of connection (eg, by a thread). Sealed the connection z. B. by means of sealing ring (see reference numeral 71 in Fig. 1 ).
  • the liquid jet passes from the nozzle 40 into the chamber 64, where the abrasive material is added and forwarded to the focusing tube 80, so that it is predominantly arranged between sierrohrwand and liquid jet.
  • the Input section 81a is chosen to be long enough to initiate the abrasive material in the channel 81b and to prevent bouncing in the focusing tube 80.
  • the median is at a grain size diameter is smaller than d / 3, where d is the inner diameter of the focusing tube 80.
  • the size to be set m A or m F is z.
  • the ratio m A / m F should be chosen so that it does not exceed a certain threshold.
  • m A / m F is less than 0.3, preferably less than 0.25, and more preferably less than 0.2.
  • the ratio m A / m F is in the range of 0.1 to 0.18.
  • the energy transfer from the liquid to the abrasive material is reduced here.
  • Fig. 15 schematically shows the distribution of liquid and abrasive material in the channel 81b of the focusing tube 80.
  • the horizontal axis corresponds to the distance from the center in the radial direction
  • the vertical axis corresponds to the mass flow m F and m A.
  • the curve 83 shows the radial distribution of m F.
  • the liquid in the core region B1 is concentrated and largely spaced from the wall of the focusing tube 80.
  • the curve 84 shows the radial distribution of m A.
  • the abrasive material is largely disposed in a transition region B2, which is located between the core region B1 and the wall of the focusing tube 80.
  • the abrasive particles are thus placed and accelerated on the inner diameter of the focusing tube 80 during operation.
  • the device is designed so that only drops from the surface layer of the fluid jet formed by the nozzle 40 are detached by the incoming abrasive material.
  • the hard core beam is largely retained. Only in the surface layer is an abrasive-fluid mixture.
  • the cause for the detachment is the speed difference between the abrasive and the fluid jet.
  • the initially virtually resting abrasive particles are thereby accelerated by the fluid jet.
  • the supplied abrasive amount requires only a part of the energy of the fluid jet. This preserves the hard core jet and forces the abrasive particles against the bore wall of the focus tube.
  • the targeted positioning of the abrasive particles enables a clearly defined tool geometry.
  • the machining beam 90 emerging from the focusing tube 80 opens in a trumpet shape after a short distance, as shown in FIG Fig. 16 is indicated.
  • the distance A between the focusing tube 80 and the workpiece surface 91 is selected so that it does not exceed a certain threshold.

Landscapes

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

Abstract

Beim Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines aus einem Fokussierrohr (80) austretenden Abrasivflüssigkeitsstrahls wird in einer Düse (40) ein Flüssigkeitsstrahl (55) gebildet, der in einer nachfolgenden Kammer (64) eingeleitete Abrasivpartikel beschleunigt. Flüssigkeitsstrahl und Abrasivpartikel werden aus der Kammer in einen Kanal (81) des Fokussierrohrs geleitet, so dass sich innerhalb des Kanals ein Kernbereich (B1), in welchem sich die Flüssigkeit konzentriert befindet, und zwischen Kernbereich und Rand des Kanals ein Übergangsbereich (B2) ausbilden, in welchem sich die Abrasivpartikel konzentriert befinden. Die Vorrichtung umfasst eine Steuerung (8) zum Ansteuern der Zufuhr von Flüssigkeit und Abrasivpartikeln in die Kammer, so dass das Verhältnis der Masse an Abrasivpartikeln (mA) zur Masse an Flüssigkeit (mF), welche pro Zeiteinheit aus dem Fokussierrohr austreten bzw. austritt, unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt.In the method for processing a workpiece by means of an abrasive liquid jet emerging from a focusing tube (80), a liquid jet (55) is formed in a nozzle (40), which accelerates abrasive particles introduced into a following chamber (64). Liquid jet and abrasive particles are directed out of the chamber into a channel (81) of the focussing tube so that within the channel a core region (B1) in which the liquid is concentrated and between the core region and edge of the channel form a transition region (B2) in which the abrasive particles are concentrated. The apparatus comprises a controller (8) for controlling the supply of liquid and abrasive particles into the chamber such that the ratio of the mass of abrasive particles (mA) to the mass of liquid (mF) exiting the focussing tube per unit of time, is below a predetermined threshold.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines aus einem Fokussierrohr austretenden Abrasivflüssigkeitsstrahls.The present invention relates to a method and apparatus for machining a workpiece by means of an abrasive liquid jet emerging from a focussing tube.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind beispielsweise aus der Patentschrift US 8,527,084 B2 und EP 2 338 653 B1 des gleichen Anmelders bekannt.Such methods and devices are known for example from the patent US 8,527,084 B2 and EP 2 338 653 B1 of the same applicant.

Bekanntermassen wird in einer Düse ein Strahl aus Flüssigkeit, z. B. Wasser, erzeugt, dem in einer Mischkammer Abrasivpartikel beigemischt werden. Dabei interagieren Flüssigkeit und Abrasivpartikel stark miteinander, so dass möglichst viel Energie auf diese übertragen wird. Der dabei entstehende Abrasivflüssigkeitsstrahl lässt jedoch eine nicht allzu genaue Bearbeitung zu. Mit den heute auf dem Markt erhältlichen Vorrichtungen ist z. B. beim Schneiden eines Werkstückes entlang einer Kontur mit einer Konturgenauigkeit von typischerweise über ± 0.1 mm zu rechnen.As is known, in a nozzle, a jet of liquid, for. As water generated, which are mixed in a mixing chamber abrasive particles. Liquid and abrasive particles interact strongly with each other, so that as much energy as possible is transferred to them. However, the resulting Abrasivflüssigkeitsstrahl allows a not very accurate processing. With the devices available on the market today is z. B. when cutting a workpiece along a contour with a contour accuracy of typically over ± 0.1 mm expected.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, welche das Bearbeiten von Werkstücken mit verbesserter Genauigkeit ermöglichen.An object of the present invention is to provide a method and a device which enable the machining of workpieces with improved accuracy.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäss dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen des Verfahrens und der Vorrichtung sowie eine Verwendung an.This object is achieved by the method according to claim 1 and the device according to the independent device claim. The further claims indicate preferred embodiments of the method and the device as well as a use.

Beim Verfahren gemäss dem Anspruch 1 werden Flüssigkeitsstrahl und Abrasivpartikel in einen Kanal des Fokussierrohrs geleitet, so dass sich innerhalb des Kanals ein Kernbereich, in welchem sich die Flüssigkeit konzentriert befindet, und zwischen Kernbereich und Rand des Kanals ein Übergangsbereich ausbilden, in welchem sich die Abrasivpartikel konzentriert befinden.In the method according to claim 1, liquid jet and abrasive particles are directed into a channel of the focussing tube so that within the channel a core region in which the liquid is concentrated and between core region and edge of the channel form a transition region in which the abrasive particles concentrated.

Der anfänglich in der Düse gebildete Flüssigkeitsstrahl bleibt somit weitgehend erhalten beim Beifügen der Abrasivpartikel. Es lässt sich ein Abrasivflüssigkeitsstrahl erzeugen, der quer zur Ausbreitungsrichtung gesehen einen genauer definierten Wirkungsbereich hat, so dass ein präzises, aber dennoch effizientes Bearbeiten möglich ist.The liquid jet initially formed in the nozzle thus remains largely preserved when the abrasive particles are added. An abrasive liquid jet can be generated which, viewed transversely to the direction of propagation, has a more precisely defined effective range, so that precise but nevertheless efficient processing is possible.

Bei der Vorrichtung gemäss unabhängigem Vorrichtungsanspruch ist eine Steuerung zum Ansteuern der Zufuhr von Flüssigkeit und Abrasivpartikel vorgesehen, so dass das Verhältnis der Masse an Abrasivpartikeln zur Masse an Flüssigkeit, welche pro Zeiteinheit aus Fokussierrohr austreten bzw. austritt, unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt.In the device according to the independent apparatus claim, a controller for controlling the supply of liquid and abrasive particles is provided so that the ratio of the mass of abrasive particles to the mass of liquid exiting from the focus tube per unit time is below a predetermined threshold.

Es wird dabei im Betrieb verhindert, dass zu viel Abrasivmaterial dem Flüssigkeitsstrahl zugeführt wird und dieser aufgrund der Durchmischung einen weniger genauen Wirkungsbereich aufweist.It is prevented during operation that too much abrasive material is supplied to the liquid jet and this has a less accurate range of effect due to the mixing.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.The invention will be explained below with reference to embodiments with reference to figures.

Es zeigen

  • Fig. 1 eine Seitenansicht eines Bearbeitungskopfs im Schnitt gemäss der Linie I-I in Fig. 3;
  • Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Bearbeitungskopfs aus Fig. 1;
  • Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Bearbeitungsvorrichtung mit einem Bearbeitungskopf gemäss Fig. 1;
  • Fig. 4 eine Draufsicht des Bearbeitungskopfs aus Fig. 1;
  • Fig. 5 den unteren Teil des Kollimationsrohrs aus Fig. 1;
  • Fig. 6 die Zugschraube aus Fig. 1;
  • Fig. 7 den Druckring aus Fig. 1;
  • Fig. 8 das Halteteil aus Fig. 1;
  • Fig. 9 die Düse sowie einen Teil des Kollimationsrohrs aus Fig. 1;
  • Fig. 10 eine Detailansicht aus Fig. 9;
  • Fig. 11 eine geschnittene Detailansicht eines Düsensteins mit einer alternativen Geometrie des Einlasses;
  • Fig. 12 eine geschnittene Detailansicht eines Düsensteins mit einer weiteren alternativen Geometrie des Einlasses;
  • Fig. 13 das Verzweigungsteil aus Fig. 1;
  • Fig. 14 das Fokussierrohr aus Fig. 1;
  • Fig. 15 schematisch die Verteilung von Flüssigkeit und Abrasivpartikeln im Fokussierrohr; und
  • Fig. 16 eine geschnittene Werkstücksoberfläche bei der Bearbeitung mittels Abrasivflüssigkeitsstrahls.
Show it
  • Fig. 1 a side view of a machining head in section along the line II in Fig. 3 ;
  • Fig. 2 a perspective view of the machining head Fig. 1 ;
  • Fig. 3 a perspective view of a processing device with a machining head according Fig. 1 ;
  • Fig. 4 a plan view of the machining head Fig. 1 ;
  • Fig. 5 the lower part of the collimation tube Fig. 1 ;
  • Fig. 6 the lag screw off Fig. 1 ;
  • Fig. 7 the pressure ring off Fig. 1 ;
  • Fig. 8 the holding part off Fig. 1 ;
  • Fig. 9 the nozzle and a part of the collimation tube Fig. 1 ;
  • Fig. 10 a detailed view Fig. 9 ;
  • Fig. 11 a sectional detail view of a nozzle block with an alternative geometry of the inlet;
  • Fig. 12 a sectional detail view of a nozzle block with a further alternative geometry of the inlet;
  • Fig. 13 the branching part Fig. 1 ;
  • Fig. 14 the focus tube off Fig. 1 ;
  • Fig. 15 schematically the distribution of liquid and abrasive particles in Fokocusierrohr; and
  • Fig. 16 a cut workpiece surface during processing by means of Abrasivflüssigkeitsstrahls.

Figuren 1, 2 und 4 zeigen den Bearbeitungskopf, welcher Teil einer als Bearbeitungsvorrichtung dienenden Maschine ist und aus welchem im Betrieb ein Strahl aus Flüssigkeit und Abrasiv zur Bearbeitung eines Werkstücks tritt. Dieser Abrasivflüssigkeitsstrahl wird nachfolgend auch als Bearbeitungsstrahl bezeichnet. FIGS. 1 . 2 and 4 show the machining head, which is part of a machine serving as a processing device and from which in operation a jet of liquid and abrasive for machining a workpiece occurs. This abrasive liquid jet is also referred to below as a processing jet.

Je nach Anwendungszweck ist der Bearbeitungskopf stationär oder im Raum beweglich angeordnet, z. B. in drei Achsen verschiebbar und/oder um mindestens eine Achse rotierbar. Zum präzisen Positionieren des Bearbeitungskopfs ist eine geeignete Wegmesseinrichtung einsetzbar, welche beispielsweise einen Glasmessstab pro Verschiebeachse umfasst. Ist ein Antrieb mit Encoder zum Verfahren des Bearbeitungskopfs vorgesehen, so kann die Präzision in der Wegmessung erhöht werden, indem Positionswerte zwischen den Skaleneinheiten des Glasmessstabs mittels des Encoders bestimmt werden. Dies ist z.B. dadurch erzielbar, dass der Encoder eine höhere Anzahl Pulse pro Längeneinheit liefert als der Glasmessstab.Depending on the application, the machining head is stationary or movable in space, z. B. displaceable in three axes and / or rotatable about at least one axis. For precise positioning of the machining head, a suitable displacement measuring device can be used, which comprises, for example, a glass measuring rod per displacement axis. If a drive with encoder is provided for moving the machining head, the precision in the displacement measurement can be increased by determining position values between the scale units of the glass measuring rod by means of the encoder. This is e.g. achievable in that the encoder delivers a higher number of pulses per unit length than the glass measuring rod.

Um eine hohe mechanische Stabilität und eine Schwingungsdämpfung sicherzustellen, kann der Bearbeitungskopf 5 auf einem Maschinenbett 6 aus Mineralguss angeordnet sein, wie dies beispielhaft in Fig. 3 gezeigt ist. Der Bearbeitungskopf 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel in drei Linearachsen verschiebbar angeordnet durch Vorsehen einer verfahrbaren Brücke 6a, an welcher der Bearbeitungskopf 5 quer sowie vertikal verfahrbar angeordnet ist.In order to ensure a high mechanical stability and a vibration damping, the machining head 5 can be arranged on a machine bed 6 made of mineral casting, as exemplified in Fig. 3 is shown. The machining head 5 is slidably disposed in this embodiment in three linear axes by providing a movable bridge 6a, to which the processing head 5 is arranged transversely and vertically movable.

Weiter ist in Fig. 3 eine Werkstückauflage 6b zu sehen, auf welcher ein zu bearbeitendes Werkstück W aufliegt. Die Bearbeitungsvorrichtung ist mit Haltemitteln 6c zum Festhalten des Werkstücks W versehen. Die Haltemittel 6c sind z. B. als Klemmen ausgebildet, mittels welchen das Werkstück W an die Werkstückauflage 6b gedrückt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Werkstück W möglichst plan aufliegt und somit bei der Bearbeitung ein möglichst konstanter Abstand zwischen dem auslassseitigen Ende des Bearbeitungskopfs 5 und der Werkstücksoberfläche beibehalten werden kann.Next is in Fig. 3 to see a workpiece support 6b, on which a workpiece W to be machined rests. The processing apparatus is provided with holding means 6c for holding the workpiece W. The holding means 6c are z. B. formed as terminals, by means of which the workpiece W is pressed against the workpiece support 6b. In this way it can be ensured that the workpiece W rests as flat as possible and thus during machining a distance as constant as possible between the outlet-side end of the machining head 5 and the workpiece surface can be maintained.

Zum Zuführen von Abrasivpartikeln in eine Kammer 64 im Bearbeitungskopf 5 (vgl. Kammer 64 in Fig. 12) weist die Bearbeitungsvorrichtung eine Dosiereinrichtung 7 auf. Die Steuerung 8 der Bearbeitungsvorrichtung ist so eingerichtet, dass im Betrieb Flüssigkeit und Abrasivpartikel in die Kammer 64 im Bearbeitungskopf 5 so zugeführt werden, dass das Verhältnis der Masse an Abrasivpartikeln zur Masse an Flüssigkeit, welche pro Zeiteinheit aus dem Fokussierrohr austreten bzw. austritt, unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt.For feeding abrasive particles into a chamber 64 in the processing head 5 (see chamber 64 in FIG Fig. 12 ), the processing device has a metering device 7. The controller 8 of the processing device is arranged so that in operation liquid and abrasive particles are fed into the chamber 64 in the processing head 5 so that the ratio of the mass of abrasive particles to the mass of liquid exiting or exiting the focusing tube per unit time is below a predetermined threshold.

Zurückkommend auf Fig. 1, 2 und 4 werden nachfolgend die einzelnen Komponenten des Bearbeitungskopfs 5 genauer erläutert. Dieser umfasst ein Kollimationsrohr 1, welches mittels Zugschraube 10 und Druckring 20 an einem Halteteil 30 befestigt ist. In diesem ist ein Verzweigungsteil 60 aufgenommen, an welchem eine Düse 40, ein Einlassstutzen 70 für das Abrasiv sowie ein Fokussierrohr 80 angeordnet sind.Coming back to Fig. 1 . 2 and 4 The individual components of the machining head 5 will be explained in more detail below. This comprises a collimating tube 1, which is fastened by means of tension screw 10 and pressure ring 20 to a holding part 30. In this, a branching part 60 is received, on which a nozzle 40, an inlet nozzle 70 for the abrasive and a focusing tube 80 are arranged.

Der Einlass 2a des Kollimationsrohrs 1 ist über eine Hochdruckleitung an eine Pumpenvorrichtung anschliessbar, welche die Flüssigkeit, z. B. Wasser, unter Hochdruck zuführt, um in der Düse 40 einen Flüssigkeitsstrahl zu erzeugen, dem dann anschliessend Abrasiv beigefügt wird zur Bildung des Bearbeitungsstrahls. In der Hochdruckleitung ist ein betätigbares Ventil angeordnet zum Ein- und Ausschalten der Flüssigkeitszufuhr und somit des Bearbeitungsstrahls. Die Pumpenvorrichtung ist so ausgelegt, dass der Bearbeitungsstrahl einen hohen Druck aufweist, der typischerweise mindestens 1000 bar beträgt, bevorzugt mindestens 2000 bar und besonders bevorzugt mindestens 3000 bar.The inlet 2a of the collimation tube 1 is connected via a high-pressure line to a pump device which the liquid, for. As water, under high pressure, to generate in the nozzle 40 a liquid jet, which is then then added abrasive to form the processing beam. In the high-pressure line an actuatable valve is arranged for switching on and off the liquid supply and thus the processing beam. The pump device is designed so that the processing jet has a high pressure, which is typically at least 1000 bar, preferably at least 2000 bar and particularly preferably at least 3000 bar.

Das Kollimationsrohr 1 enthält eine Bohrung 2, welche einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweist und am Einlass 2a und Auslass 2b vorzugsweise konisch aufgeweitet ist. Die Stirnseite 4 des Kollimationsrohrs 1 ist ausgelegt zur Kontaktierung mit der Düse 40, so dass eine dichte Verbindung gewährleistet ist (vgl. Fig. 5 und 9).The collimating tube 1 contains a bore 2, which has a circular cylindrical cross-section and is preferably flared at the inlet 2a and outlet 2b. The front side 4 of the collimator tube 1 is designed for contacting with the nozzle 40, so that a tight connection is ensured (see. Fig. 5 and 9 ).

Die Flüssigkeit wird im Betrieb von der Pumpenvorrichtung als turbulenter Flüssigkeitsstrom zugeführt. Im Kollimationsrohr 1 erfolgt eine Weiterleitung und Strömungsberuhigung, so dass vorzugsweise eine laminare oder zumindest turbulenzreduzierte Strömung entsteht.The liquid is supplied during operation of the pump device as a turbulent liquid flow. In Kollimationsrohr 1 there is a forwarding and flow calming, so that preferably a laminar or at least turbulence reduced flow is formed.

Wie auch Fig. 5 zeigt, weist das Kollimationsrohr 1 endseitig einen Abschnitt 2c auf, der im zusammengesetzten Zustand im Halteteil 30 aufgenommen ist. Die Aussenfläche des Abschnitts 2c und die entsprechende Innenfläche des Halteteils 30 sind komplementär zueinander ausgebildet, z.B. beide kreiszylindrisch. Der Abschnitt 2c gewährleistet eine präzise Ausrichtung des Fokussierrohrs 1 im Halteteil 30, so dass die Bohrung 2 koaxial zu den nachfolgenden Kanälen zur Flüssigkeitsleitung ausgerichtet ist. Nachfolgend zum Abschnitt 2c weist das Kollimationsrohr 1 einen Abschnitt mit einem Aussengewinde 3 auf. In dieses greift im zusammengesetzten Zustand das Innengewinde 23 des in die Zugschraube 10 eingefügten Druckrings 20 (vgl. Fig. 7).As well as Fig. 5 shows, the collimating tube 1 at the end a portion 2 c, which is received in the assembled state in the holding part 30. The outer surface of the portion 2c and the corresponding inner surface of the holding member 30 are complementary to each other, for example, both circular cylindrical. The section 2c ensures a precise alignment of the focusing tube 1 in the holding part 30, so that the bore 2 coaxial with the subsequent channels for Liquid line is aligned. Subsequent to section 2 c, the collimation tube 1 has a section with an external thread 3. In this, in the assembled state, the internal thread 23 of the pressure ring 20 inserted in the tension screw 10 (see FIG. Fig. 7 ).

Wie auch Fig. 6 zeigt, umfasst die Zugschraube 10 ein als Vielkant ausgebildetes Ende 11 sowie eine durchgehende Ausnehmung 12. Diese weitet sich in Strömungsrichtung gesehen auf, wodurch für den Druckring 20 ein Anschlag 13 gebildet ist, und ist endseitig mit einem Innengewinde 14 versehen zum Eingriff mit einem am Halteteil 30 gebildeten Aussengewinde 34, vgl. Fig. 8.As well as Fig. 6 shows, the lag screw 10 is formed as a polygonal end 11 and a continuous recess 12. This expands seen in the flow direction, whereby for the pressure ring 20, a stop 13 is formed, and is end provided with an internal thread 14 for engagement with an am Holding part 30 formed external thread 34, see. Fig. 8 ,

Das Halteteil 30 umfasst eine durchgehende Ausnehmung 32 mit einem einlassseitigen Aufnahmeabschnitt 32a, welcher einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweist und zur Aufnahme des Endes des Kollimationsrohrs 1 dient, einen Zwischenabschnitt 32b, in welchem eine durch die Wandung des Halteteils 30 hindurchgehende erste Querbohrung 33 mündet, und einen auslassseitigen Aufnahmeabschnitt 32c zur Aufnahme des Verzweigungsteils 60. Der auslassseitige Aufnahmeabschnitt 32c, welcher hier einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweist und in welchem eine durch die Wandung des Halteteils 30 hindurchgehende zweite Querbohrung 35 mit Innengewinde mündet, ist mit einer Stufe 32d versehen, wodurch ein Sitz für das Verzweigungsteil 60 gebildet ist.The holding part 30 comprises a continuous recess 32 with an inlet-side receiving portion 32 a, which has a circular cylindrical cross section and serves to receive the end of the Kollimationsrohrs 1, an intermediate portion 32 b, in which a through the wall of the holding member 30 passing through the first transverse bore 33 opens, and a The outlet-side receiving portion 32c, which here has a circular cylindrical cross-section and in which a through the wall of the holding member 30 passing second transverse bore 35 opens with internal thread, is provided with a step 32d, whereby a seat for the Branching part 60 is formed.

Die erste Querbohrung 33 dient als Entlastungskanal, durch welchen hindurch Flüssigkeit z. B. im Falle einer Undichtheit abfliessen kann.The first transverse bore 33 serves as a discharge channel, through which liquid z. B. may leak in the event of leakage.

Die zweite Querbohrung 35 im Halteteil 30 ist mit dem Einlassstutzen 70 verbunden und weist zu diesem Zweck z. B. ein Innengewinde auf, welches in ein Aussengewinde am Einlassstutzen 70 greift.The second transverse bore 35 in the holding part 30 is connected to the inlet nozzle 70 and has for this purpose z. B. an internal thread which engages in an external thread on the inlet nozzle 70.

Fig. 9 zeigt die Düse 40, welche eine Düsenhalterung 41 und einen Düsenstein 50 umfasst. Fig. 9 shows the nozzle 40, which includes a nozzle holder 41 and a nozzle block 50.

Die Düsenhalterung 41 weist eine Oberseite 42a auf, welche direkt die Stirnseite 4 des Kollimationsrohrs 1 kontaktiert, so dass eine metallische Abdichtung entsteht. Die Geometrie der beiden Seiten 4 und 42a ist so angepasst, dass eine Dichtung mit reduziertem Kraftaufwand sichergestellt ist. Hier weist die Oberseite 42a eine konvex geformte Wölbung auf. Die Stirnseite 4 ist eben ausgebildet.The nozzle holder 41 has an upper side 42a, which directly contacts the end face 4 of the collimating tube 1, so that a metallic seal is created. The geometry of the two sides 4 and 42a is adjusted so that a seal with reduced force is ensured. Here, the upper side 42a has a convex-shaped curvature. The front side 4 is flat.

Die Düsenhalterung 41 enthält eine Vertiefung 43, in welcher der Düsenstein 50 eingesetzt ist, und einen Kanal 44, welcher von der Vertiefung 43 zur Unterseite 42b der Düsenhalterung 41 reicht. Der Kanal 44 ist stufenartig ausgebildet. Hier umfasst er einen ersten Kanalabschnitt 44a, der über eine erste Erweiterung 44b in einen zweiten Kanalabschnitt 44c mit grösserem Innendurchmesser übergeht, welchem sich eine zweite Erweiterung 44d anschliesst. Die Kanalabschnitte 44a und 44c sind hier kreiszylindrisch und die Erweiterungen 44b und 44d konisch ausgebildet.The nozzle holder 41 includes a recess 43 in which the nozzle block 50 is inserted, and a channel 44 which extends from the recess 43 to the bottom 42 b of the nozzle holder 41. The channel 44 is formed stepwise. Here it comprises a first channel section 44a, which merges via a first extension 44b into a second channel section 44c with a larger inner diameter, followed by a second extension 44d. The channel sections 44a and 44c are here circular-cylindrical and the extensions 44b and 44d are conical.

Der Düsenstein 50 ist aus einem besonders harten Material, beispielsweise Rubin, Saphir oder Diamant. Wie Fig. 10 zeigt, umfasst er einen durchgehenden Kanal 51. Der Einlass des Kanals 51 ist hier nicht scharfkantig ausgebildet, sondern weist eine Wandung auf, die abgerundet und/oder abgeschrägt ist, so dass sich in Strömungsrichtung gesehen eine nicht-abrupte Verengung ergibt, die in den kreiszylindrischen Kanalteil 51b übergeht. Die Geometrie der Verengung 51a ist z. B. so gewählt, dass sie durch eine Oberfläche 51a definiert ist, welche im Querschnitt gesehen auf einer kreisrunden Linie mit Radius ρ verläuft, vgl. die gepunktete Linie in Fig. 10. Fig. 11 zeigt ein Beispiel, bei welchem der Einlass durch eine abgeschrägte Kante 51a' gegeben ist. Die Grösse γ definiert den Winkel zwischen der Senkrechten auf der einlassseitigen Fläche 50a des Düsensteins 50 und der Kante 51a'. Fig. 12 zeigt ein Beispiel, bei welchem der Einlass ein Profil 51a" aufweist, das zuerst rund und dann gerade verläuft. Die Grösse γ' definiert den Winkel zwischen der Senkrechten auf der einlassseitigen Fläche 50a und der Geraden, welche durch die beiden Endpunkte des Profils 51a" verläuft.The nozzle block 50 is made of a particularly hard material, such as ruby, sapphire or diamond. As Fig. 10 The inlet of the channel 51 is here not sharp-edged, but has a wall which is rounded and / or beveled so that, seen in the flow direction, a non-abrupt constriction results, which in the circular cylindrical passage 51b passes. The geometry of the constriction 51a is z. B. chosen so that it is defined by a surface 51 a, which seen in cross section runs on a circular line with radius ρ, cf. the dotted line in Fig. 10 , Fig. 11 shows an example in which the inlet is given by a chamfered edge 51a '. The quantity γ defines the angle between the perpendicular on the inlet side surface 50a of the nozzle block 50 and the edge 51a '. Fig. 12 shows an example in which the inlet has a profile 51a "which runs first round and then straight, and the variable γ 'defines the angle between the vertical on the inlet side surface 50a and the straight line passing through the two end points of the profile 51a". runs.

Im Betrieb löst sich die zugeführte Flüssigkeit vom Einlass 51a, 51a' bzw. 51a" ab, so dass sich ein in Fig. 10, 11 bzw. 12 durch die gestrichelte Linie 55 angedeuteter Strahl ausbildet, welcher beabstandet von der Wandung des Kanalteils 51b verläuft.In operation, the supplied liquid dissolves from the inlet 51a, 51a 'or 51a ", so that an in Fig. 10 . 11 or 12 formed by the dashed line 55 indicated beam, which extends at a distance from the wall of the channel part 51b.

Fig. 13 zeigt das Verzweigungsteil 60, welches an den Enden eine einlassseitige Vertiefung 61 und eine auslassseitige Vertiefung 62 sowie an der Seite eine seitliche Vertiefung 63 aufweist. Die Vertiefungen 61 und 62 sind durch eine Zwischenbohrung 64 miteinander verbunden, so dass jeweils eine Stufe gebildet ist. Sie dienen als Sitz für die Düse 40 bzw. das Fokussierrohr 80. Von der Zwischenbohrung 64 führt eine dazu querverlaufende Querbohrung 65 zur seitlichen Vertiefung 63, wodurch sich eine weitere Stufe ergibt. In die seitliche Vertiefung ist das mit einem Dichtring 71 versehene Ende des Einlassstutzens 70 aufnehmbar (vgl. Fig. 1). Fig. 13 shows the branching part 60, which at the ends of an inlet-side recess 61 and an outlet-side recess 62 and at the side has a lateral recess 63. The depressions 61 and 62 are connected to each other by an intermediate bore 64, so that in each case a step is formed. They serve as a seat for the nozzle 40 and the focusing tube 80. From the intermediate bore 64 leads to a transverse transverse bore 65 to the lateral recess 63, resulting in a further stage. In the lateral recess which is provided with a sealing ring 71 end of the inlet nozzle 70 can be accommodated (see. Fig. 1 ).

Fig. 14 zeigt das Fokussierrohr 80. Dieses umfasst einen durchgehenden Innenkanal 81, welcher einen Eingangsabschnitt 81a aufweist, der in einem kreiszylindrischen Kanal 81b mündet. Der Eingangsabschnitt 81a ist hier konisch sich verengend ausgebildet, wobei der Winkel des Konus mit β bezeichnet ist. Fig. 14 shows the focusing tube 80. This comprises a continuous inner channel 81, which has an inlet portion 81a, which opens into a circular cylindrical channel 81b. The entrance portion 81a is conical here formed constricting, wherein the angle of the cone is denoted by β.

Nachfolgend werden verschiedene Massnahmen erläutert, die einzeln oder in beliebiger Kombination anwendbar sind, um einen Bearbeitungsstrahl zu erzeugen, der eine Bearbeitung eines Werkstücks mit einer erhöhten Präzision ermöglicht.In the following, various measures will be explained, which are applicable individually or in any combination, to produce a machining beam that allows machining of a workpiece with increased precision.

Beim Kollimationsrohr 1 werden die Länge L der Bohrung 2 sowie der Innendurchmesser D so gewählt (vgl. Fig. 1), dass das Verhältnis L/D im Bereich von 40 bis 55 liegt, bevorzugt im Bereich von 45 bis 50.When Kollimationsrohr 1, the length L of the bore 2 and the inner diameter D are selected (see. Fig. 1 ) that the ratio L / D is in the range of 40 to 55, preferably in the range of 45 to 50.

Die Innenfläche des Kollimationsrohrs 1 ist besonders glatt ausgebildet. Eine Verbesserung der Oberflächengüte ist erzielbar, indem bei der Fertigung die Oberfläche nachbearbeitet wird, beispielweise durch Materialabtrag, z. B. mittels Elektropolieren, oder durch Aufbringen einer oder mehrerer Schichten. Die Nachbearbeitung führt zu einer erhöhten Lebensdauer und verbessert den Erhalt einer möglichst laminaren Strömung.The inner surface of the collimator tube 1 is formed particularly smooth. An improvement in the surface quality can be achieved by the surface is reworked in the production, for example, by material removal, z. B. by electropolishing, or by applying one or more layers. The post-processing leads to an increased service life and improves the preservation of the most laminar flow possible.

Bei der Fertigung des Bearbeitungskopfs wird besonders darauf geachtet, dass eine präzise koaxiale Anordnung der Teile 1, 40, 60, 80 gewährleistet ist. Dies ist u. a. erzielbar, indem die Abmessungen der durchgehenden Ausnehmung 32 des Halteteils 30 so auf das Kollimationsrohr 1 und das Verzweigungsteil 60 abgestimmt sind, dass das Kollimationsrohr 1 und das Verzweigungsteil 60 spielfrei in das Halteteil 30 eingesetzt sind. Ebenso ist eine spielfreie Verbindung zwischen Düse 40 und Verzweigungsteil 60 sowie zwischen Verzweigungsteil 60 und Fokussierrohr 80 vorsehbar. Dabei werden die Teile 1, 40, 60, 80 durch das Halteteil 30 positioniert und mittels der Zugschraube 10 und des Druckrings 20 am Halteteil 30 spielfrei montiert.During the production of the machining head, particular care is taken to ensure that a precise coaxial arrangement of the parts 1, 40, 60, 80 is ensured. This is achievable, inter alia, in that the dimensions of the continuous recess 32 of the holding part 30 are matched to the collimating tube 1 and the branching part 60 such that the collimating tube 1 and the branching part 60 are inserted without clearance into the holding part 30. Likewise, a backlash-free connection between the nozzle 40 and branching part 60 and between the branching part 60 and the focusing tube 80 can be provided. The parts 1, 40, 60, 80 are positioned by the holding part 30 and mounted without play by means of the lag screw 10 and the pressure ring 20 on the holding part 30.

Die Geometrie des Kollimationsrohrs 1 und der Düse 40 ist so wählbar, dass eine metallische Abdichtung zwischen dem Kollimationsrohr 1 und der Düse 40 mit reduziertem Kraftaufwand bereitstellbar ist (vgl. die Kontaktierung der Flächen 4 und 42a in Fig. 9).The geometry of the collimating tube 1 and the nozzle 40 can be selected so that a metallic seal between the collimator tube 1 and the nozzle 40 can be provided with reduced expenditure of force (compare the contacting of the surfaces 4 and 42a in FIG Fig. 9 ).

Der Bearbeitungskopf setzt sich aus mehreren Teilen zusammen, hier aus Düse 40, Verzweigungsteil 60, Einlassstutzen 70 und Fokussierrohr 80, wobei das Verzweigungsteil 60 als Hauptverbindungselement dient. Um eine verbesserte Koaxialität der Teile zu gewährleisten, ist das Fokussierrohr 80 zum Beispiel durch Kleben oder Aufschrumpfen in das Verzweigungsteil 60 eingesetzt.The processing head is composed of several parts, here from nozzle 40, branching part 60, inlet nozzle 70 and focusing tube 80, wherein the branching part 60 serves as a main connecting element. In order to ensure improved coaxiality of the parts, the focusing tube 80 is inserted into the branching part 60, for example, by gluing or shrinking.

In Fig. 10 ist der seitliche Versatz Δ angedeutet, welches die Abweichung der Achse 82, um welche der Kanal 81b des Fokussierohrs 80 verläuft, von der Achse 52 andeutet, um welche der Kanal 51 des Düsensteins 50 verläuft. Diese Achse 52 geht durch den Mittelpunkt, um welchen der Auslass 51c des Kanals 51 kreisförmig mit Radius R verläuft. Je kleiner der Versatz Δ, desto genauer ist die koaxiale Anordnung des Fokussierohrs 80 in Bezug auf den Düsenstein 50. Typischerweise ist Δ kleiner als R, bevorzugt kleiner als R/2 und/oder kleiner als 20 Mikrometer, bevorzugt kleiner als 15 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner als 10 Mikrometer. Nebst einem genügend kleinen Versatz Δ sind die Achsen 52 und 82 möglichst parallel zueinander ausgerichtet, so dass im Betrieb der aus dem Düsenstein 50 austretende Strahl 55 nicht auf die Wandung des Kanals 81b im Fokussierrohr 80 trifft.In Fig. 10 the lateral offset Δ is indicated, which indicates the deviation of the axis 82 about which the channel 81b of the focusing tube 80 extends from the axis 52 about which the channel 51 of the nozzle block 50 extends. This axis 52 passes through the center point about which the outlet 51c of the channel 51 extends circularly with radius R. The smaller the offset Δ, the more accurate the coaxial arrangement of the focusing tube 80 with respect to the nozzle block 50. Typically, Δ is less than R, preferably less than R / 2 and / or less than 20 micrometers, more preferably less than 15 micrometers, especially preferably less than 10 microns. In addition to a sufficiently small offset Δ, the axes 52 and 82 are aligned as parallel as possible to one another, so that in operation the jet 55 emerging from the nozzle block 50 does not strike the wall of the channel 81b in the focusing tube 80.

Die Geometrie und die Oberflächengüte der Bohrung 81 des Fokussierrohrs 80 sind bei der Fertigung durch weitere Bearbeitungsschritte verbessbar. Beispielsweise kann nach dem Bohren weiteres Material abgetragen werden, z. B. durch Honen oder Grandieren, und/oder die Oberfläche kann beschichtet werden. Dadurch ist u. a. das Erosionsverhalten gegenüber herkömmlichen Fokussierrohren verbesserbar, so dass ein Abbau der Rauheit der Wandung weniger stark auftritt und der Betrieb verlängert ist, bei welchem der Durchmesser sowie die Rundheit (d.h. Kreisförmigkeit im Querschnitt) des Fokussierrohrs 80 genau definiert bleiben. Insgesamt ist ein Fokussierrohr 80 bereitstellbar, welches Teil eines Werkzeugs mit im Wesentlichen konstanter Genauigkeit über einen längeren Zeitraum bildet.The geometry and the surface quality of the bore 81 of the focusing tube 80 can be improved during production by further processing steps. For example, after the drilling additional material to be removed, for. B. by honing or Grandize, and / or the surface can be coated. As a result, inter alia, the erosion behavior compared to conventional focusing tubes is improved, so that degradation of the roughness of the wall occurs less strong and the operation is prolonged, in which the diameter and the roundness (ie circularity in cross section) of the focusing tube 80 remain well defined. Overall, a focus tube 80 is provided which forms part of a tool of substantially constant accuracy over a longer period of time.

Das Verzweigungsteil 60 dient nebst dem Positionieren der Teile 40, 70, 80 dazu, Abrasivpartikel in den Flüssigkeitsstrahl einzubringen. Die Zwischenbohrung 64 dient als Beifügekammer, in welcher das Abrasivmaterial dem Flüssigkeitsstrahl 55 beigefügt wird. Die Verteilung bzw. Positionierung der Abrasivpartikel sowie deren Beschleunigung sind durch Wahl folgender Grössen anpassbar (vgl. Fig. 13):

  • Innendurchmesser a der Zwischenbohrung 64,
  • Abstand b von der Mittelachse der Querbohrung 65 zum einlassseitigen Ende der Zwischenbohrung 64,
  • Länge c der Zwischenbohrung 64,
  • Winkel α zwischen den Mittelachsen der Zwischenbohrung 64 und der Querbohrung 65.
The branching part 60 serves in addition to the positioning of the parts 40, 70, 80 to introduce abrasive particles in the liquid jet. The intermediate bore 64 serves as an addition chamber, in which the abrasive material is added to the liquid jet 55. The distribution or positioning of the abrasive particles and their acceleration can be adjusted by selecting the following variables (cf. Fig. 13 ):
  • Inner diameter a of the intermediate bore 64,
  • Distance b from the central axis of the transverse bore 65 to the inlet end of the intermediate bore 64,
  • Length c of the intermediate bore 64,
  • Angle α between the center axes of the intermediate bore 64 and the transverse bore 65th

Weiteren Grössen sind durch den Innendurchmesser d des Fokussierrohrs 80 im Kanal 81b, der Durchmesser e des Eingangsabschnitts 81a beim Einlass sowie der Winkel β des Konus des Eingangsabschnitts 81a gegeben (vgl. Fig. 14).Further sizes are given by the inner diameter d of the focusing tube 80 in the channel 81b, the diameter e of the inlet portion 81a at the inlet, and the angle β of the cone of the inlet portion 81a (see FIG. Fig. 14 ).

Vorzugsweise haben die Grössen a, d, e, α, β z.B. folgende Verhältnisse bzw. Werte:

  • Das Verhältnis d:a beträgt mindestens 1:20 und/oder höchstens 1:10.
  • Die Grösse a ist kleiner als die Grösse e gewählt.
  • Der Winkel α beträgt mindestens 10 Grad und/oder höchstens 90 Grad.
  • Der Winkel β ist kleiner als 40 Grad, bevorzugt kleiner als 30 Grad.
The quantities a, d, e, α, β preferably have the following ratios or values, for example:
  • The ratio d: a is at least 1:20 and / or at most 1:10.
  • The size a is smaller than the size e chosen.
  • The angle α is at least 10 degrees and / or at most 90 degrees.
  • The angle β is less than 40 degrees, preferably less than 30 degrees.

Die Oberflächengüte der Zwischenbohrung 64 im Verzweigungsteil 60 ist durch weitere Bearbeitungsschritte verbesserbar, sodass ein besonders störungsfreier Fluss der Abrasivpartikel erreichbar ist. Beispielsweise kann bei der Fertigung nach dem Bohren weiteres Material abgetragen werden, z. B. durch Honen, und/oder die Oberfläche kann beschichtet werden, z. B. mit einer hydrophoben Beschichtung.The surface quality of the intermediate bore 64 in the branching part 60 can be improved by further processing steps, so that a particularly trouble-free flow of the abrasive particles can be achieved. For example, in the production after drilling other material can be removed, for. As by honing, and / or the surface can be coated, for. B. with a hydrophobic coating.

Die Düse 40 ist so auslegbar, dass ein kohärenter Strahl aus Flüssigkeit ausgebildet wird in Form eines harten Kernstrahls mit geringer Tropfenbildung. Dies ist u. a. durch eine geeignet ausgebildete Kante des Einlasses in den Kanal 51 erreichbar. Beispielsweise ist die Kante 51a mit einem Radius ρ abgerundet, der kleiner als 5 Mikrometer gewählt ist, bevorzugt kleiner als 2 Mikrometer. Das Verhältnis des Radius ρ zum Innendurchmesser, 2R, des Kanalteils 51b (vgl. Fig. 10) liegt typischerweise im Bereich 0.01 bis 0.03, bevorzugt im Bereich 0.0125 bis 0.025. Ist eine abgeschrägte Kante 51a' oder teilweise abgeschrägte Kante 51a" vorgesehen, so ist der Winkel γ bzw. γ' typischerweise grösser als 45 Grad, bevorzugt grösser als 50 Grad, z.B. 60 Grad.The nozzle 40 is designed so that a coherent jet of liquid is formed in the form of a hard core jet with low droplet formation. This can be achieved, inter alia, by a suitably formed edge of the inlet into the channel 51. For example, the edge 51a is rounded off with a radius ρ that is less than 5 microns, preferably less than 2 microns. The ratio of the radius ρ to the inner diameter, 2R, of the channel part 51b (cf. Fig. 10 ) is typically in the range 0.01 to 0.03, preferably in the range 0.0125 to 0.025. If a chamfered edge 51a 'or partially chamfered edge 51a "is provided, then the angle γ or γ' is typically greater than 45 degrees, preferably greater than 50 degrees, for example 60 degrees.

Im Betrieb wird die der Düse 40 zugeführte Flüssigkeit, z. B. Wasser komprimiert, wobei sie sich beim Einlass 51a, 51a', 51a" von der Kante ablöst und einen engen Strahl 55 ausbildet, der sich nachfolgend nur im reduzierten Mass aufweitet.In operation, the nozzle 40 supplied liquid, z. B. water, wherein it separates at the inlet 51 a, 51 a ', 51 a "from the edge and a narrow beam 55th training, which subsequently only expands to a reduced extent.

Um die Gefahr einer Kavitation zu verhindern, ist im Betrieb ein gasförmiges Mittel, z. B. Luft, zum unteren Bereich der Düse 40 zuführbar, von wo aus es sich möglichst symmetrisch um den Strahl 55 verteilt, wie dies durch die Pfeile 56 in Fig. 10 angedeutet ist. Die stufenartige Ausbildung des Kanals 44 verhindert dabei ein Komprimieren des zugeführten Mittels.In order to prevent the risk of cavitation, a gaseous medium, z. As air, to the lower portion of the nozzle 40 can be fed, from where it is distributed as symmetrically as possible around the beam 55, as indicated by the arrows 56 in Fig. 10 is indicated. The step-like design of the channel 44 prevents compression of the supplied agent.

Die Zufuhr des Mittels kann passiv erfolgen, z. B. via den Einlassstutzen 70, über welchen nebst dem Abrasivmaterial auch Luft einleitbar ist. Es kann auch z. B. in der Düsenhalterung 41 eine Bohrung vorgesehen werden, welche von aussen bis zum Kanal 44 reicht und ein gezieltes, externes Einleiten eines gasförmiges Mittels ermöglicht.The supply of the agent can be passive, z. B. via the inlet nozzle 70, via which in addition to the abrasive material and air can be introduced. It can also be z. B. in the nozzle holder 41 a bore can be provided which extends from the outside to the channel 44 and allows a targeted, external introduction of a gaseous agent.

Der Düsenstein 50 kann zusätzlich beschichtet sein, z. B. mit einer hydrophoben Schicht, um Ablagerungen zu verhindern.The nozzle block 50 may additionally be coated, for. B. with a hydrophobic layer to prevent deposits.

Um zu gewährleisten, dass der Durchmesser des Kanals, über welchen das Abrasivmaterial zugeführt wird, in der Form und Lage gleich bleibt, ist die Zwischenbohrung 64 durch den Einlassstutzen 70 mittels Verbindung (z. B. durch ein Gewinde) im Halteteil 30 radial positioniert. Abgedichtet wird die Verbindung z. B. mittels Dichtring (siehe Bezugszeichen 71 in Fig. 1).In order to ensure that the diameter of the channel over which the abrasive material is supplied remains the same in shape and position, the intermediate bore 64 is radially positioned in the holding member 30 by the inlet port 70 by means of connection (eg, by a thread). Sealed the connection z. B. by means of sealing ring (see reference numeral 71 in Fig. 1 ).

Im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung gelangt der Flüssigkeitsstrahls aus der Düse 40 in die Kammer 64, wo das Abrasivmaterial beigefügt und zum Fokussierrohr 80 weitergeleitet wird, so dass es überwiegend zwischen Fokussierrohrwand und Flüssigkeitsstrahl angeordnet ist. Der Eingangsabschnitt 81a ist dabei genügend lang gewählt, um das Abrasivmaterial entsprechend in den Kanal 81b einzuleiten und ein Hin- und Her-Prallen im Fokussierrohr 80 zu vermeiden.During operation of the processing device, the liquid jet passes from the nozzle 40 into the chamber 64, where the abrasive material is added and forwarded to the focusing tube 80, so that it is predominantly arranged between Fokussierrohrwand and liquid jet. Of the Input section 81a is chosen to be long enough to initiate the abrasive material in the channel 81b and to prevent bouncing in the focusing tube 80.

Insgesamt wird im Gegensatz zu den üblichen Bearbeitungsvorrichtungen Abrasivmaterial und Flüssigkeit weniger stark durchmischt. Der in der Düse 40 gebildete kohärente Flüssigkeitsstrahl bleibt weitgehend erhalten und wird vom Abrasivmaterial, vereinfacht gesagt, umhüllt. Es ist dadurch ein besser definierter Bearbeitungsstrahl erzeugbar, der eine präzise Bearbeitung ermöglicht.Overall, in contrast to the usual processing equipment abrasive material and liquid is less mixed. The coherent liquid jet formed in the nozzle 40 remains largely intact and is enveloped by the abrasive material, in simple terms. It is thereby produced a better defined processing beam, which allows precise machining.

Dies wird auch dadurch unterstützt, indem die Menge an zugeführtem Abrasivmaterial an den Massenstrom der Flüssigkeit angepasst ist. Im Folgenden definieren

  • mF (z. B. in Einheiten von Gramm pro Minute):
    • Massenstrom der aus Bearbeitungskopf austretenden Flüssigkeit,
  • mA (z. B. in Einheiten von Gramm pro Minute):
    • Menge an Abrasivmaterial, welche pro Zeiteinheit aus dem Bearbeitungskopf austritt.
This is also aided by adjusting the amount of abrasive material supplied to the mass flow of the liquid. Define below
  • m F (eg in units of grams per minute):
    • Mass flow of the liquid emerging from the machining head,
  • m A (eg in units of grams per minute):
    • Amount of Abrasivmaterial which emerges per unit time from the machining head.

Zur Festlegung des Massenverhältnisses mA/mF sind eine oder mehrere der folgenden Parameter zu berücksichtigen:

  • Viskosität der Flüssigkeit
  • Grösse der Abrasivpartikel
  • Form der Abrasivpartikel
  • Druck der Flüssigkeit
  • Innendurchmesser und Länge des Fokussierrohrs
  • Gasgemisch, z. B. Luft
  • Reibungsverlust im Fokussierrohr
To determine the mass ratio m A / m F , one or more of the following parameters must be considered:
  • Viscosity of the liquid
  • Size of the abrasive particles
  • Shape of the abrasive particles
  • Pressure of the liquid
  • Inner diameter and length of the focusing tube
  • Gas mixture, z. For example, air
  • Friction loss in the focusing tube

In einer Anwendung werden z. B. Abrasivpartikel verwendet, mit einer Korngrössenverteilung, deren Median bei einem Korngrössendurchmesser liegt, der kleiner als d/3 ist, wobei d der Innendurchmesser des Fokussierrohrs 80 ist.In one application z. As abrasive particles used, with a grain size distribution, the median is at a grain size diameter is smaller than d / 3, where d is the inner diameter of the focusing tube 80.

Die einzustellende Grösse mA bzw. mF ist z. B. softwaretechnisch anhand von mathematischen Modellen berechenbar. Es ist auch denkbar, dass die Bearbeitungsvorrichtung die Werte aus Tabellen liest oder aus einer externen Datenbank bezieht, auf welche via Internet oder einem anderen Netzwerk zugreifbar ist. Es ist auch ein manuelles Einstellen denkbar.The size to be set m A or m F is z. B. software by means of mathematical models calculable. It is also conceivable that the processing device reads the values from tables or obtains from an external database, which is accessible via the Internet or another network. It is also conceivable manual adjustment.

Versuche haben gezeigt, dass das Verhältnis mA/mF so zu wählen ist, dass es einen bestimmen Schwellenwert nicht übersteigt. Typischerweise ist mA/mF kleiner als 0.3, bevorzugt kleiner als 0.25 und besonders bevorzugt kleiner als 0.2. Z.B. liegt das Verhältnis mA/mF im Bereich von 0.1 bis 0.18. Im Gegensatz zu den üblichen Bearbeitungsvorrichtungen ist hier die Energieübertragung von der Flüssigkeit auf das Abrasivmaterial reduziert.Experiments have shown that the ratio m A / m F should be chosen so that it does not exceed a certain threshold. Typically, m A / m F is less than 0.3, preferably less than 0.25, and more preferably less than 0.2. For example, the ratio m A / m F is in the range of 0.1 to 0.18. In contrast to the usual processing devices, the energy transfer from the liquid to the abrasive material is reduced here.

Um einen besonders präzisen Bearbeitungsstrahl zu erhalten können weitere Parameter und Massnahmen berücksichtigt werden:

  • Abrasivmaterial:
    • Korngrössenverteilung
    • Kernfeuchte sowie Temperatur
    • Berücksichtigung der statischen Aufladung
  • Flüssigkeit:
    • Die Flüssigkeit kann so aufbereitet werden, dass Ablagerungen insbesondere an der Düse 40 verhindert werden, z. B. in Form kristallisierter Gase. Wird z. B. Wasser als Flüssigkeit eingesetzt, ist eine Aufbereitung denkbar, bei welchem es nach dem Enthärten belüftet wird, sodass die Kohlensäure entweichen kann.
In order to obtain a particularly precise machining beam, further parameters and measures can be taken into account:
  • abrasive:
    • Particle size distribution
    • Core moisture and temperature
    • Consideration of static charge
  • Liquid:
    • The liquid can be treated so that deposits are prevented, in particular at the nozzle 40, z. B. in the form of crystallized gases. If z. B. water used as a liquid, is a treatment conceivable, in which it is aerated after softening, so that the carbon dioxide can escape.

Fig. 15 zeigt schematisch die Verteilung von Flüssigkeit und Abrasivmaterial im Kanal 81b des Fokussierohrs 80. Die horizontale Achse entspricht dem Abstand von der Mitte in radialer Richtung, die vertikale Achse entspricht dem Massenstrom mF bzw. mA. Die Kurve 83 zeigt die radiale Verteilung von mF. Wie ersichtlich, ist die Flüssigkeit im Kernbereich B1 konzentriert und weitgehend von der Wandung des Fokussierrohrs 80 beabstandet. Die Kurve 84 zeigt die radiale Verteilung von mA. Wie ersichtlich, ist das Abrasivmaterial weitgehend in einem Übergangsbereich B2 angeordnet, der sich zwischen dem Kernbereich B1 und der Wandung des Fokussierrohrs 80 befindet. Fig. 15 schematically shows the distribution of liquid and abrasive material in the channel 81b of the focusing tube 80. The horizontal axis corresponds to the distance from the center in the radial direction, the vertical axis corresponds to the mass flow m F and m A. The curve 83 shows the radial distribution of m F. As can be seen, the liquid in the core region B1 is concentrated and largely spaced from the wall of the focusing tube 80. The curve 84 shows the radial distribution of m A. As can be seen, the abrasive material is largely disposed in a transition region B2, which is located between the core region B1 and the wall of the focusing tube 80.

Um einen möglichst runden Bearbeitungsstrahl zu erhalten, werden somit im Betrieb die Abrasivpartikel am Innendurchmesser des Fokussierrohrs 80 platziert und beschleunigt. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, dass nur Tropfen aus der Randschicht des durch die Düse 40 gebildeten Fluidstrahls durch das eintretende Abrasivmaterial abgelöst werden. Der harte Kernstrahl bleibt weitgehend erhalten. Nur in der Randschicht ist ein Abrasiv-Fluid-Gemisch. Die Ursache für das Ablösen ist der Geschwindigkeitsunterschied zwischen Abrasiv und Fluidstrahl. Die anfänglich praktisch ruhenden Abrasivpartikel werden dabei durch den Fluidstrahl beschleunigt. Die zugeführte Abrasivmenge benötigt nur einen Teil der Energie des Fluidstrahls. Dadurch bleibt der harte Kernstrahl erhalten und zwingt die Abrasivpartikel an die Bohrungswand des Fokussierrohrs. Durch das gezielte Positionieren der Abrasivpartikel wird eine klar definierte Werkzeuggeometrie möglich.In order to obtain a processing beam that is as round as possible, the abrasive particles are thus placed and accelerated on the inner diameter of the focusing tube 80 during operation. The device is designed so that only drops from the surface layer of the fluid jet formed by the nozzle 40 are detached by the incoming abrasive material. The hard core beam is largely retained. Only in the surface layer is an abrasive-fluid mixture. The cause for the detachment is the speed difference between the abrasive and the fluid jet. The initially virtually resting abrasive particles are thereby accelerated by the fluid jet. The supplied abrasive amount requires only a part of the energy of the fluid jet. This preserves the hard core jet and forces the abrasive particles against the bore wall of the focus tube. The targeted positioning of the abrasive particles enables a clearly defined tool geometry.

Versuche haben gezeigt, dass sich der aus dem Fokussierrohr 80 austretende Bearbeitungsstrahl 90 nach kurzer Strecke trompetenförmig öffnet, wie dies in Fig. 16 angedeutet ist. Bei der Bearbeitung wird daher der Abstand A zwischen Fokussierrohr 80 und Werkstücksoberfläche 91 so gewählt, dass er einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreitet. Typsicherweise ist A < 1 mm, z. B. bei 0.5 mm.Experiments have shown that the machining beam 90 emerging from the focusing tube 80 opens in a trumpet shape after a short distance, as shown in FIG Fig. 16 is indicated. During machining, therefore, the distance A between the focusing tube 80 and the workpiece surface 91 is selected so that it does not exceed a certain threshold. Typically, A <1 mm, z. B. at 0.5 mm.

Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.From the foregoing description, numerous modifications will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention, which is defined by the claims.

Claims (18)

Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines aus einem Fokussierrohr (80) austretenden Abrasivflüssigkeitsstrahls, wobei beim Verfahren in einer Düse (40) ein Flüssigkeitsstrahl (55) gebildet wird, der in einer nachfolgenden Kammer (64) eingeleitete Abrasivpartikel beschleunigt, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeitsstrahl und Abrasivpartikel aus der Kammer (64) in einen Kanal (81) des Fokussierrohrs geleitet werden, so dass sich innerhalb des Kanals ein Kernbereich (B1), in welchem sich die Flüssigkeit konzentriert befindet, und zwischen Kernbereich und Rand des Kanals ein Übergangsbereich (B2) ausbilden, in welchem sich die Abrasivpartikel konzentriert befinden.Method for processing a workpiece by means of an abrasive liquid jet emerging from a focusing tube (80), wherein a liquid jet (55) is formed during the process in a nozzle (40) which accelerates abrasive particles introduced into a subsequent chamber (64), characterized in that the liquid jet and abrasive particles are directed from the chamber (64) into a channel (81) of the focus tube so that within the channel a core region (B1) in which the liquid is concentrated and between the core region and edge of the channel a transition region (B2 ) in which the abrasive particles are concentrated. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Flüssigkeit und Abrasivpartikel so in die Kammer (64) zugeführt werden, dass das Verhältnis der Masse an Abrasivpartikeln (mA) zur Masse an Flüssigkeit (mF), welche pro Zeiteinheit aus dem Fokussierrohr (80) austreten bzw. austritt, unterhalb eines Schwellenwerts liegt, vorzugsweise liegt das Verhältnis unterhalb mindestens einem der folgenden Werte: 0.3, 0.25, 0.2.Method according to claim 1, wherein liquid and abrasive particles are fed into the chamber (64) in such a way that the ratio of the mass of abrasive particles (m A ) to the mass of liquid (m F ) which emerges from the focusing tube (80) per unit time If it is below a threshold value, the ratio is preferably below at least one of the following values: 0.3, 0.25, 0.2. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zum Erzeugen des Abrasivflüssigkeitsstrahls ein Bearbeitungskopf bereitgestellt wird, welcher als Komponenten umfasst: - ein Kollimationsrohr(1), - die Düse (40), welche fluidisch mit dem Kollimationsrohr verbunden ist, - ein Verzweigungsteil (60), welches die Kammer (64) zum Beifügen der Abrasivpartikel umfasst, und - das Fokussierrohr (80), wobei in mindestens einer der Komponenten (1, 40, 60, 80) ein Kanal (2, 51, 64, 81) zum Durchleiten der Flüssigkeit gebohrt und zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit nachbearbeitet wird durch mindestens eines der folgenden Bearbeitungsverfahren: - durch Materialabtrag, insbesondere durch Honen, Grandieren, Elektropolieren, - durch Auftrag mindestens einer Schicht, insbesondere hydrophoben Schicht. Method according to one of the preceding claims, wherein for producing the abrasive liquid jet, a processing head is provided, which comprises as components: a collimation tube (1), the nozzle (40), which is fluidically connected to the collimation tube, - A branching part (60), which comprises the chamber (64) for adding the Abrasivpartikel, and the focusing tube (80), wherein in at least one of the components (1, 40, 60, 80) a channel (2, 51, 64, 81) is drilled for the passage of the liquid and reworked to reduce the surface roughness by at least one of the following processing methods: by material removal, in particular by honing, Grandieren, electropolishing, - By applying at least one layer, in particular hydrophobic layer. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während der Bearbeitung das Werkstück mittels Haltemitteln (6c) an eine Werkstückauflage (6b) gedrückt wird und/oder der Abstand (A) zwischen der Austrittsöffnung des Fokussierrohrs (80) und der Werkstücksoberfläche (91) kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 0.7 mm ist.Method according to one of the preceding claims, wherein during machining the workpiece is pressed by means of holding means (6c) on a workpiece support (6b) and / or the distance (A) between the outlet opening of the focusing tube (80) and the workpiece surface (91) is smaller than 1 mm, preferably less than 0.7 mm. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Düse (40) einen Düsenstein (50) umfasst, der eine Bohrung (51) mit einem Auslass (51c) aufweist, der kreisförmig um einen Mittelpunkt mit Radius R verläuft, und der Kanal (81) des Fokussierohrs (80) rotationssymmetrisch um eine Achse (82) verläuft, wobei zur koaxialen Anordnung des Düsensteins und des Fokussierohrs der seitliche Versatz (Δ) zwischen Mittelpunkt und Achse kleiner als 20 Mikrometer ist, bevorzugt kleiner als 15 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner als 10 Mikrometer.A method according to any one of the preceding claims, wherein the nozzle (40) comprises a nozzle block (50) having a bore (51) with an outlet (51c) circular about a center point of radius R, and the channel (81). of the focusing tube (80) runs rotationally symmetrically about an axis (82), wherein for the coaxial arrangement of the nozzle block and the focusing tube the lateral offset (Δ) between center point and axis is less than 20 micrometers, preferably less than 15 micrometers, more preferably less than 10 micrometers. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die der Düse (40) zugeführte Flüssigkeit Wasser ist, welches aufbereitet wird durch Enthärten und Belüften, sodass die Kohlensäure entweichen kann.Method according to one of the preceding claims, wherein the liquid supplied to the nozzle (40) is water, which is treated by softening and aerating so that the carbon dioxide can escape. Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines aus einem Fokussierrohr (80) austretenden Abrasivflüssigkeitsstrahls, umfassend - ein Kollimationsrohr (1) zur Zufuhr und Strömungsberuhigung einer Flüssigkeit, - eine Düse (40) zur Bildung eines Strahls aus der Flüssigkeit, - eine mit dem Fokussierrohr (80) verbundene Kammer (64) zum Beifügen von Abrasivpartikeln zum Flüssigkeitsstrahl, - eine Dosiereinrichtung (7) zum Zuführen von Abrasivpartikeln in die Kammer (64) und - eine Steuerung (8) zum Ansteuern der Zufuhr von Flüssigkeit und Abrasivpartikeln in die Kammer (64), so dass das Verhältnis der Masse an Abrasivpartikeln zur Masse an Flüssigkeit, welche pro Zeiteinheit aus dem Fokussierrohr austreten bzw. austritt, unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts liegt. Device for processing a workpiece by means of an abrasive liquid jet emerging from a focusing tube (80) a collimating tube (1) for feeding and flow-calming a liquid, a nozzle (40) for forming a jet of the liquid, a chamber (64) connected to the focusing tube (80) for adding abrasive particles to the liquid jet, - A metering device (7) for supplying abrasive particles in the chamber (64) and - A controller (8) for controlling the supply of liquid and abrasive particles into the chamber (64), so that the ratio of the mass of abrasive particles to the mass of liquid, which exits from the Fokussierrohr per unit time, is below a predetermined threshold , Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Verhältnis unterhalb mindestens einem der folgenden Werte liegt: 0.3, 0.25, 0.2.Apparatus according to claim 7, wherein the ratio is below at least one of the following values: 0.3, 0.25, 0.2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-8, wobei die Düse (40) einen Düsenstein (50) umfasst, der einen Einlass (51a, 51a', 51a") aufweist, der in einen Kanal (51b) übergeht, der einen kreisförmigen Querschnitt mit Radius R aufweist, wobei der Einlass eine der folgenden Formen umfasst: - der Einlass (51a) ist mit einem Radius ρ abgerundet, sodass das Verhältnis ρ/2R mindestens 0.01, bevorzugt mindestens 0.0125 beträgt, und/oder höchstens 0.03, bevorzugt höchstens 0.025 beträgt, - der Einlass weist eine abgeschrägte Kante (51a') auf, wobei der Winkel (γ) zwischen der Kante und der Senkrechten auf der einlassseitigen Fläche (50a) des Düsensteins (50) grösser als 45 Grad ist, bevorzugt grösser als 50 Grad, - der Einlass weist ein Profil (51a") auf, welches einen runden und einen geraden Abschnitt aufweist, wobei der Winkel (γ') zwischen der Senkrechten auf der einlassseitigen Fläche (50a) des Düsensteins (50) und der Geraden, welche durch die beiden Endpunkte des Profils (51a") verläuft, grösser als 45 Grad ist, bevorzugt grösser als 50 Grad. Apparatus according to any one of claims 7-8, wherein the nozzle (40) comprises a nozzle block (50) having an inlet (51a, 51a ', 51a ") which merges into a channel (51b) having a circular cross-section Radius R, wherein the inlet comprises one of the following forms: the inlet (51a) is rounded off with a radius ρ such that the ratio ρ / 2R is at least 0.01, preferably at least 0.0125, and / or at most 0.03, preferably at most 0.025, the inlet has a chamfered edge (51a '), the angle (γ) between the edge and the perpendicular on the inlet side surface (50a) of the Nozzle block (50) is greater than 45 degrees, preferably greater than 50 degrees, the inlet has a profile (51a ") which has a round and a straight portion, the angle (γ ') between the perpendicular on the inlet side surface (50a) of the nozzle block (50) and the straight line passing through the both end points of the profile (51a ") runs, is greater than 45 degrees, preferably greater than 50 degrees. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, wobei die Düse (40) einen Düsenstein (50) umfasst, der eine Bohrung (51) mit einem Auslass (51c) aufweist, der kreisförmig um einen Mittelpunkt mit Radius R verläuft, und der Kanal (81) des Fokussierohrs (80) rotationssymmetrisch um eine Achse (82) verläuft, wobei zur koaxialen Anordnung des Düsensteins und des Fokussierohrs der seitliche Versatz (Δ) zwischen Mittelpunkt und Achse kleiner als 20 Mikrometer ist, bevorzugt kleiner als 15 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner als 10 Mikrometer.Apparatus according to any one of claims 7-9, wherein the nozzle (40) comprises a nozzle block (50) having a bore (51) with an outlet (51c) extending in a circle around a center point of radius R, and the channel (15). 81) of the focusing tube (80) runs rotationally symmetrically about an axis (82), wherein for the coaxial arrangement of the nozzle block and the focusing tube the lateral offset (Δ) between center point and axis is smaller than 20 micrometers, preferably smaller than 15 micrometers, more preferably smaller than 10 microns. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-10, wobei die Endfläche (4) des Kollimationsrohrs (1) an die Düse (40) gepresst ist zur Bildung einer metallischen Abdichtung.Apparatus according to any of claims 7-10, wherein the end face (4) of the collimating tube (1) is pressed against the nozzle (40) to form a metallic seal. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, wobei das Fokussierrohr (80) einen Kanal (81) mit einem konischen Eingangsabschnitt (81a) aufweist, wobei der Konus einen Winkel (β) von kleiner als 40 Grad, bevorzugt kleiner als 30 Grad aufweist.Apparatus according to any of claims 7-11, wherein the focusing tube (80) has a channel (81) with a tapered entry portion (81a), the cone having an angle (β) of less than 40 degrees, preferably less than 30 degrees. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-12, wobei die Düse (40) eine Halterung (41) zum Halten eines Düsensteins (50) umfasst, wobei die Halterung einen Kanal (44) aufweist, der sich aufweitend ausgebildet ist, indem mindestens zwei Kanalabschnitte (44a, 44c) mit unterschiedlichem Innendurchmesser vorgesehen sind.Apparatus according to any one of claims 7-12, wherein the nozzle (40) comprises a holder (41) for holding a nozzle block (50), the holder having a channel (44) which is flared by at least two Channel sections (44a, 44c) are provided with different inner diameter. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-13, welche ein Halteteil (30) umfasst, in welchem das Kollimationsrohr (1) endet und in welchem ein Verzweigungsteil (60) mit der Kammer (64) zum Beifügen der Abrasivpartikel angeordnet ist, wobei ein Einlassstutzten (70) am Halteteil befestigt ist und im Verzweigungsteil endet.Apparatus according to any one of claims 7-13, comprising a retaining member (30) in which the collimating tube (1) terminates and in which a branching member (60) is disposed with the chamber (64) for adding the abrasive particles, an inlet nozzle (30) 70) is attached to the holding part and ends in the branching part. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-14, wobei ein bzw. das Halteteil (30) ein erstes Aussengewinde (34) und das Kollimationsrohr (1) ein zweites Aussengewinde (3) aufweisen, wobei das Kollimationsrohr im Halteteil endet und die beiden Aussengewinden axial versetzt zueinander angeordnet und miteinander verschraubt sind, vorzugsweise mittels eines Verschraubungsteils (10), welches ein erstes Innengewinde (14) aufweist und in welches ein Druckring (20) mit einem zweiten Innengewinde (23) aufgenommen istDevice according to one of claims 7-14, wherein one or the holding part (30) has a first external thread (34) and the collimation tube (1) has a second external thread (3), wherein the collimating tube ends in the holding part and axially offset the two external threads arranged to one another and screwed together, preferably by means of a Verschraubungsteils (10) which has a first internal thread (14) and in which a pressure ring (20) with a second internal thread (23) is accommodated Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-15, mit einem Verzweigungsteil (60), welches die Kammer (64) zum Beifügen der Abrasivpartikel umfasst, wobei mindestens eine der Komponenten Kollimationsrohr (1), Düse (40), Verzweigungsteil (60) und Fokussierrohr (80) einen gebohrten Kanal (2, 51, 64, 81) zum Durchleiten der Flüssigkeit aufweist, dessen Fläche nachbereitet ist, sodass sie glatter ist als eine Fläche der Komponente, welche nicht zum Durchleiten der Flüssigkeit ausgelegt ist.Apparatus according to any of claims 7-15, including a branching member (60) comprising the chamber (64) for adding the abrasive particles, at least one of the collimating tube (1), nozzle (40), branching member (60) and focusing tube (16). 80) has a drilled passage (2, 51, 64, 81) for passing the liquid, the surface of which is post-processed, so that it is smoother than a surface of the component which is not designed to pass the liquid. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-16, mit einem Maschinenbett (6) aus Mineralguss.Device according to one of claims 7-16, with a machine bed (6) made of mineral cast. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17 zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zu mindestens einem der folgenden Zwecke: Schneiden, Bohren, Strukturieren und/oder Verdichten der jeweiligen Werkstücksoberfläche (91). Use of the method according to one of claims 1 to 6 and / or the device according to one of claims 7 to 17 for machining workpieces, in particular for at least one of the following purposes: Cutting, drilling, structuring and / or compacting the respective workpiece surface (91).
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