WO2019015846A1 - Verfahren und vorrichtung zur hochdruckfluidbearbeitung - Google Patents

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WO2019015846A1
WO2019015846A1 PCT/EP2018/064861 EP2018064861W WO2019015846A1 WO 2019015846 A1 WO2019015846 A1 WO 2019015846A1 EP 2018064861 W EP2018064861 W EP 2018064861W WO 2019015846 A1 WO2019015846 A1 WO 2019015846A1
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WO
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workpiece
pressure fluid
fluid jet
pulse frequency
frequency
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PCT/EP2018/064861
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French (fr)
Inventor
Athanasios Vikas
Bernd Stuke
Malte Bickelhaupt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations
    • 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
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    • B24C5/02—Blast guns, e.g. for generating high velocity abrasive fluid jets for cutting materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/004—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for high-pressure fluid processing of a workpiece, as used, for example, to cut or otherwise machine a workpiece by means of a high-pressure fluid jet.
  • Injector unit ejected, so that a high-pressure water jet is formed. Due to the high pressure of the water and the correspondingly high velocity of the water particles in the high-pressure water jet - possibly with the addition of abrasive particles - even the hardest materials can be cut without causing a significant temperature entry into the workpiece. This also materials that are brittle or sensitive to heat, easily and almost in any way divide.
  • the same method can also be used to machine the workpiece by means of the high pressure blast jet on its surface, for example, to remove a lacquer coating or other coating, or to otherwise remove the workpiece
  • the high pressure fluid jet is directed at the workpiece.
  • the workpiece is fixed in a holding device and the cut is carried out by either the Workpiece or the injector is moved relative to the workpiece. If the workpiece is to be moved, it is located on a travel table, which allows movement of the workpiece in a plane perpendicular to the direction of the high-pressure fluid jet. Computer-controlled, this allows a precise cut through the workpiece, and even complicated shapes can be generated in this way.
  • High pressure fluid jet cutting requires relatively high energy because the fluid must be compressed to a very high pressure to achieve adequate cutting performance. Thus, a reduction of the fluid to be compressed is always desirable in order to minimize the energy consumption of the device.
  • the inventive method for high-pressure fluid processing of a workpiece has the advantage that the effectiveness of the pulsed water jet cutting is further increased, thus reducing the need for high-pressure fluid and thus the
  • an injector unit for generating a pulsed high-pressure fluid jet, preferably a pulsed high-pressure water jet, with a prescribable pulse frequency.
  • a holding device for fixing a workpiece to be machined is present.
  • a control device for controlling the frequency of the high pressure fluid jet is provided.
  • the movement and vibration of the workpiece is detected at least in the direction of the high pressure fluid jet by means of a motion sensor.
  • the pulse rate is changed so that the vibration excitation of the workpiece by the pulsed high-pressure fluid jet reaches a maximum, and then the workpiece is processed with the high pressure fluid jet and thus found pulse rate.
  • the workpiece By subjecting the workpiece to a high-pressure pulsed fluid jet, the workpiece is vibrated at a frequency equal to the pulse frequency of the high-pressure fluid jet, which physically corresponds to a forced vibration.
  • the amplitude of the oscillation depends on whether this frequency coincides with one of the natural frequencies of the workpiece resulting from the geometry, the material properties and the clamping conditions of the workpiece in the device. If the workpiece oscillates at a natural frequency excited by the high-pressure fluid jet, the deflection of the workpiece is maximum, and these workpiece vibrations interfere with the pulse of the high-pressure fluid jet, thus enhancing the cutting action.
  • a better cutting effect can be achieved with the same amount of fluid or with less high-pressure fluid, the same cutting action, so that ultimately less high-pressure fluid is needed and the energy consumption of the high-pressure cutting device is reduced.
  • the vibration excitation of the workpiece is continuously detected by the high pressure fluid jet.
  • the pulse frequency can optionally be changed and adjusted during processing so that the machining always takes place at a pulse frequency at which the oscillation excitation of the workpiece is maximum, that is excited in one of its natural frequencies.
  • no natural frequency is excited by means of the pulsed high-pressure fluid jet, but the workpiece is caused to oscillate with the pulse frequency of the high-pressure fluid jet by means of a displacement device, which can move the workpiece in the direction of the high-pressure fluid jet.
  • the workpiece vibrates at the same frequency or a multiple of the pulse frequency of the high pressure fluid jet.
  • the high-pressure fluid jet impinging periodically on the material is in a fixed phase relationship with the vibration of the workpiece, so that the high-pressure fluid jet always strikes the workpiece when it passes through the workpiece
  • Vibration excitation moves in the direction of the high pressure fluid jet.
  • the cutting effect is increased, and it can be the cutting speed can be increased or a corresponding time or energy savings can be achieved.
  • the device according to the invention for high-pressure fluid processing of a workpiece has an injector unit for generating a pulsed high-pressure fluid jet, a holding device for fixing the workpiece and a control device for controlling the pulse frequency of the high-pressure fluid jet generated by the injector unit. Furthermore, a motion sensor is provided which detects the movement or oscillation of the workpiece at least in the direction of the high-pressure fluid jet. By means of the device according to the invention, the movement or oscillation of the workpiece in the direction of the high-pressure fluid jet can be detected and thus the amplitude with which the workpiece is excited by the high-pressure fluid jet can be measured.
  • a displacement device is provided on the holding device, with which the workpiece is movable in the direction of the high-pressure fluid jet.
  • the shuttle may also be used to move the workpiece perpendicular to the direction of the high pressure fluid jet.
  • the traversing device is particularly suitable for to periodically move the workpiece at a frequency in the direction of the high pressure fluid jet that corresponds to the pulse frequency of the high pressure fluid jet.
  • the motion sensor for detecting the movement of the workpiece is an ultrasonic sensor.
  • the motion sensor can advantageously be an optical sensor or an acceleration sensor which is applied directly to the workpiece.
  • Figure 2 is a plan view of the holding device for the workpiece
  • Figure 3 is a perspective view of the holding device of another
  • FIGS 4a, 4b and 4c different embodiments of the motion sensor
  • Figure 5 is an illustration of the vibrating workpiece clamped in the fixture.
  • the device comprises an injector unit 1, which is designed to generate a high-pressure fluid jet 2, which exits through an opening in the injector unit 1.
  • the fluid usually water
  • the injector unit 1 is designed to generate a pulsed high-pressure fluid jet 2, ie to periodically interrupt the high-pressure fluid jet, so that the high-pressure fluid jet strikes the workpiece 4 at a specific pulse frequency.
  • the injector 1 is a to provided electrically controlled interrupter unit, which is connected via a control line 13 to a control device 12 and controlled by this.
  • the pulse frequency can be adjusted within a wide range, preferably with a pulse frequency of 1 Hz to 100 Hz.
  • the workpiece 4 is fixed in a holding device 5, wherein the holding device 5 is formed in this embodiment substantially as a frame in which the here rectangular workpiece 4 is fixed by means of a plurality of clamping devices 6.
  • the holding device 5 is in turn movable by displacement units 16, 17, wherein a - here only schematically indicated - displacement unit 16, the holding device 5 moves in the x direction, while a second displacement unit 17, the holding device 5 in the y direction, d. H. into the drawing plane, can move.
  • the holding device 5 may be formed in another way to accommodate the workpiece can.
  • a movement sensor 15 For detecting the movement or the vibration of the workpiece 4 is a movement sensor 15 which is disposed below the workpiece 4 and which is formed for example as an ultrasonic sensor.
  • the motion sensor 15 is connected via a sensor line 14 to the control device 12, so that the
  • Control device 12 receives corresponding signals from the motion sensor 15 and thus can detect the movement of the workpiece 4.
  • FIG. 2 a lower view of the holding device 5 is shown once again, and the positioning of the motion sensor 15.
  • the motion sensor 15 is arranged at a distance from the workpiece 4 and detects its movement in the direction of the high-pressure fluid jet 2.
  • a pulsed water jet is generated on the injector unit 1 via the control device 12 and impinges on the workpiece 4 at a predetermined frequency.
  • This frequency can be adjusted in wide ranges and is preferably located in the range between 5 and 30 Hz.
  • the pulsed high-pressure fluid jet 2 impinges on the workpiece 4 and thereby causes it to vibrate, which physically corresponds to a forced oscillation.
  • the amplitude of this vibration tion is essentially determined by the pulse frequency of the high-pressure fluid jet 2, the speed and quantity of the impinging fluid, the mechanical material properties of the workpiece 4 and by its fixation on the holding device 5.
  • the motion sensor 15 detects the movement of the workpiece 4 in the direction of the high-pressure fluid jet 2 so that the oscillation amplitude of the
  • the amplitude of the workpiece 4 with which this oscillates likewise changes.
  • the frequency of the high-pressure fluid jet 2 that is to say the pulse frequency
  • an amplitude maximum of the oscillation of the workpiece 4 can thus be set, which will be the case exactly when the pulse frequency of the high-pressure fluid jet 2 corresponds to a natural frequency of the workpiece 4. If the workpiece 4 blended at this frequency, the cutting action of the pulsed high-pressure fluid jet is maximum.
  • the cutting speed can be increased or less high-pressure fluid can be used and thus less energy can be consumed.
  • the natural frequencies of the workpiece 4 change during the dicing, since the now separated parts of the workpiece 4 have different vibration modes. This can be detected by the motion sensor 15 and the pulse frequency can be adjusted accordingly during processing.
  • FIG. 3 shows a further holding device 5 according to the invention.
  • This is also designed as a frame on which the workpiece 4, which is not shown here for clarity, can be fixed.
  • the holding device 5 can be moved by means of a first displacement unit 16 in the x-direction and by means of a second displacement unit 17 in the y-direction, wherein the two displacement devices 16, 17 are here exemplified as rotating cylinders on which the holding device 5 rolls.
  • a traversing device 1 At each corner of the holding device 5 is a traversing device 1, which makes it possible to Holding device 5 in the z-direction, ie to move in the direction of the high-pressure fluid jet 2.
  • the traversing device 18 can be designed, for example, as four piezo actuators, which makes it possible to move the holding device 5 with almost any frequency in the z direction.
  • the traversing device 18, ie the four piezo actuators, are connected to the control device 12 and can be excited by the latter, wherein the connection takes place via control lines 19.
  • the method can be modified to the effect that the high-pressure fluid jet 2 still strikes the workpiece 4 with a predetermined pulse frequency, but the holding device 5 now by the traversing device 18 during processing of the workpiece 4 with the same frequency z-direction is moved.
  • the same amplification effect of the cutting action occurs as in the excitation of the workpiece 4 with a natural frequency. Since the excitation frequency of the workpiece 4 is not predetermined here by its natural frequency, but can be targeted by the traversing device 18, almost any frequencies can be used and it is also possible that the traversing device 18, the workpiece 4, for example, with twice or three times the pulse frequency the high-pressure fluid jet 2 is excited.
  • FIG. 4 a shows an exemplary embodiment of a motion sensor 15 which operates with ultrasound 20.
  • the ultrasound 20 emitted by the motion sensor 15 strikes the workpiece 4, is reflected and picked up again by the motion sensor 15. On the duration of the signal or on the phase relationship between the emitted and reflected ultrasonic wave can be concluded that the movement of the workpiece 4.
  • FIG. 4b shows an exemplary embodiment in which the distance between motion sensor 15 and workpiece 4 and thus its movement measured by a laser beam.
  • the movement sensor 15 has a laser 115 which generates a laser beam 22 which is reflected by the workpiece 4 and registered in a photoreceiver 215. If the angle of the laser beam 22 changes when it strikes the photoreceiver 215, the position of the workpiece 4 can be calculated therefrom.
  • the motion sensor 15 is designed as an acceleration sensor and applied directly to the workpiece 4, for example glued.
  • the motion sensor 15 is subjected to the same motion or vibration as the workpiece 4 in this area and measures the corresponding acceleration values from which the speed and the position of the workpiece 4 can be determined. It is also possible to apply a plurality of acceleration sensors to the workpiece 4 in order to measure the movements at different points.
  • FIG. 5 shows in an illustration the movement of the workpiece 4 within the holding device 5, as happens when the workpiece 4 is excited in its natural frequency.
  • the workpiece 4 is here clamped on the holding device 5 at its edges and can oscillate between the frame of the holding device 5. If the workpiece 4 is excited by the high-pressure fluid jet in its natural frequency, here in the first natural vibration, then the workpiece 4 oscillates maximally in its center and performs a movement as illustrated in FIG. 5, the amplitude of the oscillation in FIG 5 is exaggerated and usually will be much smaller.

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Abstract

Verfahren zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks (4) mit einer Injektoreinheit (1) zum Erzeugen eines gepulsten Hochdruckfluidstrahls (2), vorzugsweise eines gepulsten Hochdruckwasserstrahls (2), mit einer vorgebbaren Pulsfrequenz, einer Haltevorrichtung zur Fixierung eines zu bearbeitenden Werkstücks (4), einem Bewegungssensor (15) zur Erfassung der Bewegung des Werkstücks (4) zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls und einer Steuervorrichtung zur Steuerung der Frequenz des Hochdruckfluidstrahls. Das Werkstücks wird mit einem Hochdruckfluidstrahl mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz beaufschlagt, in Richtung des Hochdruckfluidstrahls mittels der Verfahreinrichtung mit der gleichen Frequenz wie die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls bewegt und mit dem Hochdruckfluidstrahl dieser Pulsfrequenz bearbeitet. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens umfasst einen Bewegungssensor zur Erfassung der Bewegung des Werkstücks zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks, wie sie beispielsweise Verwendung findet, um ein Werkstück mittels eines Hochdruckfluldstrahls zu zerschneiden oder anderweitig zu bearbeiten.
Stand der Technik
Vorrichtungen zum Hochdruckfluidstrahlschneiden- bzw. Hochdruckwasserstrahlschneiden sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird ein Fluid, meistens Wasser, mittels einer Hochdruckpumpe stark verdichtet und über eine
Injektoreinheit ausgestoßen, so dass ein Hochdruckwasserstrahl entsteht. Durch den hohen Druck des Wassers und die entsprechend hohe Geschwindigkeit der Wasserpartikel im Hochdruckwasserstrahl - gegebenenfalls noch unter Beimengung von abrasiven Partikeln - können auch härteste Materialien zerteilt werden, ohne dass es zu einem nennenswerten Temperatureintrag in das Werkstück kommt. Damit lassen sich auch Werkstoffe, die spröde oder wärmeempfindlich sind, problemlos und nahezu in beliebiger Weise zerteilen. Das gleiche Verfahren kann auch angewendet werden, um das Werkstück mittels des Hochdruckfluldstrahls an seiner Oberfläche zu bearbeiten, beispielsweise um eine Lackschicht oder eine sonstige Beschichtung zu entfernen oder das Werkstück in sonstiger
Weise zu bearbeiten.
Zur Durchführung eines Schnitts oder der Bearbeitung des Werkstücks wird der Hochdruckfluidstrahl auf das Werkstück gerichtet. Das Werkstück ist in einer Hal- tevorrichtung fixiert und der Schnitt wird dadurch ausgeführt, dass entweder das Werkstück oder die Injektoreinheit relativ zum Werkstück bewegt wird. Soll das Werkstück bewegt werden, so befindet sich dieses auf einem Verfahrtisch, das eine Bewegung des Werkstücks in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Hochdruckfluidstrahls ermöglicht. Computergesteuert lässt sich so ein präziser Schnitt durch das Werkstück durchführen, und auch komplizierte Formen lassen sich auf diese Weise generieren.
Das Hochdruckfluidstrahlschneiden bzw. das Hochdruckwasserstrahlschneiden erfordert jedoch eine relativ hohe Energie, da das Fluid auf einem sehr hohen Druck verdichtet werden muss, um eine entsprechende Schneidleistung zu erzielen. Damit ist eine Verminderung des zu verdichtenden Fluids stets anzustreben, um die Energieaufnahme der Vorrichtung zu minimieren.
Um Energie und Wasser zu sparen ist es beispielsweise aus der DE 10 2014 225 247 AI bekannt, einen gepulsten Hochdruckwasserstrahl zum Zerschneidung eines Werkstücks zu verwenden. Dabei wird eine Injektoreinheit eingesetzt, die den Hochdruckfluidstrahl periodisch unterbrechen kann. Das der Injektoreinheit zugeführte Fluid, das unter hohem Druck steht, wird damit nicht mehr kontinuierlich ausgestoßen, sondern das Fluid trifft in einzelnen Pulsen auf das Werkstück. Auf diese Weise lässt sich sowohl mit weniger Wasser als auch mit weniger
Druck die nahezu gleiche Wirkung am Werkstück erzielen.
Vorteile der Erfindung
Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fluidwasserstrahlschneiden und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks weist den Vorteil auf, dass die Effektivität des gepulsten Wasserstrahlschneidens weiter erhöht wird und so der Bedarf an Hochdruckfluid vermindert und damit die
Energieaufnahme der Vorrichtung, mit der das Verfahren durchgeführt wird. Dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Injektoreinheit zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruckfluidstrahls eingesetzt, vorzugsweise eines gepulsten Hochdruckwasserstrahls, mit einer vorgebbaren Pulsfrequenz. Weiter ist eine Haltevorrichtung zur Fixierung eines zu bearbeitenden Werkstücks vorhan- den und weiterhin ein Bewegungssensor zur Erfassung der Bewegung und Schwingung des Werkstücks zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls. Weiterhin ist eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Frequenz des Hochdruckfluidstrahls vorgesehen. Damit werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Das Werkstück wird mit einem gepulsten Hochdruckfluidstrahl mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz beaufschlagt. Die Bewegung und Schwingung des Werkstücks wird zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls mittels eines Bewegungssensors erfasst. Die Pulsfrequenz wird so geändert, dass die Schwingungsanregung des Werkstücks durch den gepulsten Hochdruckfluidstrahl ein Maximum erreicht, und anschließend wird das Werkstück mit dem Hochdruckfluidstrahl und dieser somit gefundenen Pulsfrequenz bearbeitet.
Durch die Beaufschlagung des Werkstücks mit einem gepulsten Hochdruckfluidstrahl wird das Werkstück in eine Schwingung versetzt, deren Frequenz der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls entspricht, was physikalisch einer erzwungenen Schwingung entspricht. Die Amplitude der Schwingung hängt davon ab, ob diese Frequenz mit einer der Eigenfrequenzen des Werkstücks übereinstimmt, die sich aus der Geometrie, den Materialeigenschaften und den Einspannverhältnissen des Werkstücks in der Vorrichtung ergeben. Schwingt das Werkstück in einer Eigenfrequenz, die durch den Hochdruckfluidstrahl angeregt wird, so ist die Auslenkung des Werkstücks maximal, und diese Werkstückschwingungen überlagern sich mit dem Impuls des Hochdruckfluidstrahls und führen so zu einer Verstärkung der Schneidwirkung. Damit kann mit der gleichen Fluidmenge eine bessere Schneidwirkung erzielt werden bzw. mit weniger Hochdruckfluid die gleiche Schneidwirkung, so dass letztlich weniger Hochdruckfluid benötigt wird und die Energieaufnahme der Hochdruckschneidvorrichtung vermindert wird.
In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens wird die Schwingungsanregung des Werkstücks durch den Hochdruckfluidstrahl fortwährend erfasst. Dadurch kann die Pulsfrequenz gegebenenfalls geändert werden und während der Bearbeitung so eingestellt werden, dass die Bearbeitung stets mit einer Pulsfrequenz erfolgt, bei der die Schwingungsanregung des Werkstücks maximal ist, dieses also in einer seiner Eigenfrequenzen angeregt wird. In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks wird alternativ keine Eigenfrequenz mit Hilfe des gepulsten Hochdruckfluidstrahls angeregt, sondern das Werkstück wird mittels einer Verfahreinrichtung, die das Werkstück in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewe- gen kann, mit der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls in Schwingung versetzt. Damit schwingt das Werkstück mit der gleichen Frequenz oder einem Vielfachen der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls. Vorzugsweise ist dabei der periodisch auf dem Werkstoff auftreffende Hochdruckfluidstrahl in einer festen Phasenbeziehung mit der Schwingung des Werkstücks, so dass der Hochdruck- fluidstrahl immer dann auf das Werkstück trifft, wenn sich dieses durch die
Schwingungsanregung in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegt. Dadurch verstärkt sich der Schneideffekt, und es kann die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden oder entsprechend eine Zeit- oder Energieeinsparung erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks weist eine Injektoreinheit zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruckfluidstrahls auf, eine Haltevorrichtung zur Fixierung des Werkstücks und eine Steuervorrichtung zur Steuerung der Pulsfrequenz des durch die Injektoreinheit erzeugten Hochdruckfluidstrahls. Weiterhin ist ein Bewegungssensor vorgesehen, der die Bewegung bzw. Schwingung des Werkstücks zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls erfasst. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Bewegung bzw. Schwingung des Werkstücks in Richtung des Hochdruckfluidstrahls erfasst werden und somit die Amplitude gemessen werden, mit der das Werkstück durch den Hochdruckfluidstrahl angeregt wird. Auch wenn das Werkstück mit einer Verfahreinrichtung in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegt wird, lässt sich mittels des Sensors messen, inwieweit das Werkstück dieser Bewegung folgt und ob die Bewegung des Werkstücks in einer festen Phasenbeziehung zur Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls steht. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist an der Haltevorrichtung eine Verfahreinrichtung vorgesehen, mit der das Werkstück in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegbar ist. Die Verfahreinrichtung kann auch dazu verwendet werden, das Werkstück senkrecht zur Richtung des Hochdruckfluidstrahls zu bewegen. Die Verfahreinrichtung ist insbesondere dafür geeignet, das Werkstück mit einer Frequenz in Richtung des Hochdruckfluidstrahls periodisch zu bewegen, die der Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bewegungssensor zur Erfas- sung der Bewegung des Werkstücks ein Ultraschallsensor. Weiter kann der Bewegungssensor in vorteilhafter Weise ein optischer Sensor sein oder ein Beschleunigungssensor, der direkt auf das Werkstück aufgebracht ist.
Zeichnungen
In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks dargestellt. Es zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung einer solchen Vorrichtung,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Haltevorrichtung für das Werkstück und
Figur 3 eine perspektivische Darstellung der Haltevorrichtung eines weiteren
Ausführungsbeispiels,
Figur 4a, 4b und 4c verschiedene Ausführungsbeispiele des Bewegungssensors und
Figur 5 eine Illustration des schwingenden Werkstücks, das in der Haltevorrichtung eingespannt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks 4 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Injektoreinheit 1 auf, die dazu ausgebildet ist, einen Hochdruckfluidstrahl 2 zu erzeugen, der durch eine Öffnung in der Injektoreinheit 1 austritt. Das Fluid, meistens Was- ser, wird in einem Fluidtank 7 vorgehalten und über eine Leitung 8 einer Hochdruckpumpe 9 zugeführt, dort verdichtet und über eine Hochdruckleitung 10 der Injektoreinheit 1 zugeführt. Die Injektoreinheit 1 ist dazu ausgebildet, einen gepulsten Hochdruckfluidstrahl 2 zu erzeugen, also den Hochdruckfluidstrahl periodisch zu unterbrechen, so dass der Hochdruckfluidstrahl mit einer bestimmten Pulsfrequenz auf das Werkstück 4 trifft. In der Injektoreinheit 1 ist dazu eine elektrisch angesteuerte Unterbrechereinheit vorgesehen, die über eine Steuerleitung 13 mit einer Steuervorrichtung 12 verbunden und durch diese angesteuert wird. Damit kann die Pulsfrequenz in einem weiten Bereich eingestellt werden, vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz von 1 Hz bis 100 Hz.
Das Werkstück 4 ist in einer Haltevorrichtung 5 fixiert, wobei die Haltevorrichtung 5 in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen als ein Rahmen ausgebildet ist, in dem das hier rechteckige Werkstück 4 mittels mehrerer Klemmvorrichtungen 6 fixiert ist. Die Haltevorrichtung 5 ist ihrerseits durch Verschiebeeinheiten 16, 17 bewegbar, wobei eine - hier nur schematisch angedeutete - Verschiebeeinheit 16 die Haltevorrichtung 5 in x-Richtung bewegt, während eine zweite Verschiebeeinheit 17 die Haltevorrichtung 5 in y-Richtung, d. h. in die Zeichenebene hinein, bewegen kann. Je nach Form des Werkstücks 4 kann die Haltevorrichtung 5 auch in anderer Weise ausgebildet sein, um das Werkstück aufnehmen zu können.
Zur Erfassung der Bewegung bzw. der Schwingung des Werkstücks 4 dient ein Bewegungssensor 15, der unterhalb des Werkstücks 4 angeordnet ist und der beispielsweise als Ultraschallsensor ausgebildet ist. Der Bewegungssensor 15 ist über eine Sensorleitung 14 mit der Steuervorrichtung 12 verbunden, so dass die
Steuervorrichtung 12 entsprechende Signale vom Bewegungssensor 15 empfängt und somit die Bewegung des Werkstücks 4 erfassen kann. In Figur 2 ist dazu noch einmal eine untere Ansicht der Haltevorrichtung 5 gezeigt und die Positionierung des Bewegungssensor 15. Der Bewegungssensor 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit Abstand zum Werkstück 4 angeordnet und erfasst dessen Bewegung in Richtung des Hochdruckfluidstrahls 2.
Um die Schneidwirkung des Hochdruckfluidstrahls 2 zu verstärken, der gepulst auf das Werkstück 4 trifft, wird folgendes Verfahren angewandt: Über die Steuer- Vorrichtung 12 wird an der Injektoreinheit 1 ein gepulster Wasserstrahl erzeugt, der mit einer vorgegebenen Frequenz auf das Werkstück 4 trifft. Diese Frequenz kann in weiten Bereichen eingestellt werden und ist vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 30 Hz angesiedelt. Der gepulste Hochdruckfluidstrahl 2 trifft auf das Werkstück 4 und versetzt dieses dadurch in eine Schwingung, was physika- lisch einer erzwungenen Schwingung entspricht. Die Amplitude dieser Schwin- gung wird im Wesentlichen bestimmt durch die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2, die Geschwindigkeit und Menge des auftreffenden Fluids, die mechanischen Materialeigenschaften des Werkstücks 4 und durch dessen Fixierung auf der Haltevorrichtung 5.
Je näher die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 an einer Eigenfrequenz des Werkstücks 4 liegt, desto größer ist die Schwingungsamplitude des Werkstücks 4 in Antwort auf die Anregung durch den Hochdruckfluidstrahl 2. Über den Bewegungssensor 15 wird die Bewegung des Werkstücks 4 in Richtung des Hochdruckfluidstrahls 2 erfasst und damit auch die Schwingungsamplitude des
Werkstücks 4. Wird die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 verändert, so verändert sich ebenfalls die Amplitude des Werkstücks 4, mit dem dieses schwingt. Durch Verändern der Frequenz des Hochdruckfluidstrahls 2, also der Pulsfrequenz, kann somit ein Amplitudenmaximum der Schwingung des Werk- Stücks 4 eingestellt werden, was genau dann der Fall sein wird, wenn die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 einer Eigenfrequenz des Werkstücks 4 entspricht. Wird das Werkstück 4 mit dieser Frequenz verschnitten, ist die Schneidwirkung des gepulsten Hochdruckfluidstrahls maximal. Damit kann entweder die Schneidgeschwindigkeit erhöht werden oder es kann weniger Hochdruckfluid eingesetzt und damit weniger Energie verbraucht werden.
Dabei ist zu beachten, dass sich die Eigenfrequenzen des Werkstücks 4 während des Zerteilens ändern, da die jetzt getrennten Teile des Werkstücks 4 andere Schwingungsmodi aufweisen. Dies kann durch den Bewegungssensor 15 er- fasst und die Pulsfrequenz entsprechend während der Bearbeitung angepasst werden.
In Figur 3 ist eine weitere erfindungsgemäße Haltevorrichtung 5 gezeigt. Diese ist ebenfalls als Rahmen ausgebildet, auf den das Werkstück 4, das hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, fixiert werden kann. Die Haltevorrichtung 5 kann mittels einer ersten Verschiebeeinheit 16 in x-Richtung und mittels einer zweiten Verschiebeeinheit 17 in y-Richtung bewegt werden, wobei die beiden Verschiebeeinrichtungen 16, 17 hier exemplarisch als drehende Zylinder dargestellt sind, auf denen die Haltevorrichtung 5 abrollt. An jeder Ecke der Hal- tevorrichtung 5 befindet sich eine Verfahreinrichtung 1, die es ermöglicht, die Haltevorrichtung 5 in z-Richtung, d. h. in Richtung des Hochdruckfluidstrahls 2 zu bewegen. Die Verfahreinrichtung 18 kann beispielsweise als vier Piezoaktoren ausgebildet sein, was es erlaubt, die Haltevorrichtung 5 mit nahezu beliebiger Frequenz in z-Richtung zu bewegen. Die Verfahreinrichtung 18, d. h. die vier Piezoaktoren, sind mit der Steuervorrichtung 12 verbunden und können durch diese angeregt werden, wobei die Verbindung über Steuerleitungen 19 erfolgt.
Bei Verwendung einer solchen Haltevorrichtung 5 kann das Verfahren dahingehend abgewandelt werden, dass der Hochdruckfluidstrahl 2 zwar nach wie vor mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz auf das Werkstück 4 trifft, die Haltevorrichtung 5 aber jetzt durch die Verfahreinrichtung 18 während der Bearbeitung des Werkstücks 4 mit derselben Frequenz in z-Richtung bewegt wird. Dadurch tritt der gleiche Verstärkungseffekt der Schneidwirkung auf wie bei der Anregung des Werkstücks 4 mit einer Eigenfrequenz. Da die Anregungsfrequenz des Werkstücks 4 hier nicht durch seine Eigenfrequenz vorgegeben ist, sondern durch die Verfahreinrichtung 18 gezielt eingestellt werden kann, können nahezu beliebige Frequenzen verwendet werden und es ist auch möglich, dass die Verfahreinrichtung 18 das Werkstück 4 beispielsweise mit der doppelten oder dreifachen Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls 2 anregt. In jedem Fall ist es vorteilhaft, dabei eine feste Phasenbeziehung zwischen der Bewegung des Werkstücks 4 in z- Richtung und der Hochdruckfluidstrahlfrequenz beizubehalten. Es kann so erreicht werden , dass der Hochdruckfluidstrahl immer dann auf das Werkstück 4 trifft, wenn dieses sich bedingt durch die Verfahreinrichtung 18 in Richtung des Hochdruckfluidstrahls bewegt. Dies erhöht den Schneideffekt und damit die mögliche Schnittgeschwindigkeit.
Figur 4a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bewegungssensors 15, der mit Ultraschall 20 arbeitet. Der durch den Bewegungssensor 15 ausgesandte Ultraschall 20 trifft auf das Werkstück 4, wird reflektiert und wieder durch den Bewe- gungssensor 15 aufgefangen. Über die Laufzeit des Signals bzw. über die Phasenbeziehung zwischen ausgesandter und reflektierter Ultraschallwelle kann auf die Bewegung des Werkstücks 4 geschlossen werden.
Alternativ zeigt dazu Figur 4b ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Abstand zwischen Bewegungssensor 15 und Werkstück 4 und damit dessen Bewegung über einen Laserstrahl gemessen wird. Dabei weist der Bewegungssensor 15 einen Laser 115 auf, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der vom Werkstück 4 reflektiert und in einem Fotoempfänger 215 registriert wird. Ändert sich der Winkel des Laserstrahls 22 beim Auftreffen auf den Fotoempfänger 215, so kann daraus die Position des Werkstücks 4 berechnet werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Figur 4c. Hier ist der Bewegungssensor 15 als Beschleunigungssensor ausgebildet und direkt auf das Werkstück 4 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt. Damit ist der Bewegungssensor 15 der gleichen Bewegung bzw. Schwingung ausgesetzt wie das Werkstück 4 in diesem Bereich und misst die entsprechenden Beschleunigungswerte, aus denen sich die Geschwindigkeit und die Position des Werkstücks 4 bestimmen lässt. Es können auch mehrere Beschleunigungssensoren auf dem Werkstück 4 aufgebracht werden, um die Bewegungen an verschiedenen Punkten zu messen.
Figur 5 zeigt in einer Illustration die Bewegung des Werkstücks 4 innerhalb der Haltevorrichtung 5, wie sie bei Anregung des Werkstücks 4 in seiner Eigenfrequenz geschieht. Das Werkstück 4 ist hier auf der Haltevorrichtung 5 an seinen Kanten eingespannt und kann zwischen dem Rahmen der Haltevorrichtung 5 schwingen. Wird das Werkstück 4 durch den Hochdruckfluidstrahl in seiner Eigenfrequenz angeregt, hier in der ersten Eigenschwingung, so schwingt das Werkstück 4 in seiner Mitte maximal und führt eine Bewegung aus, wie sie in der Figur 5 illustriert ist, wobei die Amplitude der Schwingung in der Figur 5 übertrieben gezeichnet ist und in aller Regel deutlich kleiner ausfallen wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks (4) mit
- einer Injektoreinheit (1) zum Erzeugen eines gepulsten Hochdruckflu- idstrahls (2), vorzugsweise eines gepulsten Hochdruckwasserstrahls (2), mit einer vorgebbaren Pulsfrequenz,
- einer Haltevorrichtung (5) zur Fixierung eines zu bearbeitenden Werkstücks (4),
- einem Bewegungssensor (15) zur Erfassung der Bewegung des Werkstücks (4) zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2),
- einer Steuervorrichtung (12) zur Steuerung der Frequenz des Hochdruckfluidstrahls (2),
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Beaufschlagen des Werkstücks (4) mit einem gepulsten Hochdruckfluid- strahl (2) mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz,
- Ändern der Pulsfrequenz und gleichzeitig Erfassen der Bewegung des Werkstücks (4) mittels des Bewegungssensors (15) zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2), bis die Schwingungsamplitude des Werkstücks (4) ein Maximum erreicht,
- Bearbeiten des Werkstücks (4) mit dem Hochdruckfluidstrahl (2) dieser Pulsfrequenz.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- Fortwährendes Erfassen der Schwingungsanregung des Werkstücks (4) während der Bearbeitung des Werkstücks (4) durch den Hochdruckfluidstrahl (2).
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch
- Anpassen der Pulsfrequenz während der Bearbeitung so, dass die Bearbeitung stets mit einer Pulsfrequenz erfolgt, bei der die Schwingungsamplitude des Werkstücks (4) maximal ist. Verfahren zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks (4) mit
- einer Injektoreinheit (1) zum Erzeugen eines gepulsten Hochdruckfluidstrahls (2), vorzugsweise eines gepulsten Hochdruckwasserstrahls (2), mit einer vorgebbaren Pulsfrequenz,
- einer Haltevorrichtung (5) zur Fixierung eines zu bearbeitenden Werkstücks (4),
- einer Verfahreinrichtung (18) zur Bewegung des Werkstücks (4) zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2),
- einer Steuervorrichtung (12) zur Steuerung der Frequenz des Hochdruckfluidstrahls (2),
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- Beaufschlagen des Werkstücks (4) mit einem Hochdruckfluidstrahl (2) mit einer vorgegebenen Pulsfrequenz,
- Bewegung des Werkstücks (4) in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2) mittels der Verfahreinrichtung (18) mit der gleichen Frequenz wie die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls (2),
- Bearbeiten des Werkstücks (4) mit dem Hochdruckfluidstrahl (2) dieser Pulsfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass
die der Hochdruckfluidstrahl (2) und die Bewegung des Werkstücks (4) in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2) in einer festen Phasenbeziehung stehen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckfluidstrahl (2) dann auf das Werkstück (4) trifft, wenn sich dieses in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2) bewegt.
Vorrichtung zur Hochdruckfluidbearbeitung eines Werkstücks (4) mit einer Injektoreinheit (1) zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruckfluidstrahls (2), einer Haltevorrichtung (5) zur Fixierung des Werkstücks (4) und einer Steuervorrichtung (12) zur Steuerung der Pulsfrequenz des durch die Injektoreinheit (1) erzeugten Hochdruckfluidstrahls (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein Bewegungssensor (15) zur Erfassung der Position des Werkstücks (15) zumindest in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Haltevorrichtung eine Verfahreinrichtung (18) vorgesehen ist, mit der das Werkstück in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2) bewegbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) auch senkrecht zur Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2) mittels einer Verschiebeeinheit (16, 17) bewegt werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahreinrichtung (18) das Werkstück (4) in Richtung des Hochdruckfluidstrahls (2) periodisch mit einer Frequenz bewegen kann, die mindestens so groß ist wie die Pulsfrequenz des Hochdruckfluidstrahls (2).
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungssensor (15) zur Erfassung der Bewegung des Werkstücks (4) ein Ultraschallsensor ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungssensor (15) ein Beschleunigungssensor ist, der direkt auf dem Werkstück (4) aufgebracht ist.
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