Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden von Materialien mittels eines Flüssigkeitsstrahles

Abstract

 Materialien aller Art, außer besonders festen oder harten, wie Stahl, können mit einem feinen Wasserstrahl geschnitten werden. Die Schneidleistung kann erhöht werden, wenn dem Wasser Abrasisvstoffe beigegeben wird. Die erreichbaren Geschwindigkeiten der Abrasivstoffe reichen aber nicht aus, um z. B. Stahl zu trennen. Nach der Erfin­dung ist dies aber möglich, wenn der Strahl der Flüssigkeit vorzugs­weise vor dem Vermischen mit dem Abrasivstoff unterbrochen oder zu­mindest reduziert wird und erst dann mit dem Abrasivstoff in Kontakt gebracht wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich zunächst auf ein Verfahren zum Schneiden von Materialien mittels eines Scheidstrahles aus einer Flüssigkeit, die mit Abrasivstoffen vermischt ist, und dann auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Es ist bekannt, mittels Wasserstrahl Materialien außer Stahl zu schneiden.Dazu wird z. B. Leitungswasser in Trinkwasserqualität zuf hohen Druck gebracht. Mit einem Druck von etwa 4'000 bar wird das Wasser in eine Düse mit einem kleinen Durchmesser von etwa 0,15 mm gedrückt. Die Austrittsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahles ist dann etwa 700 m/sec. Nach relativ kurzer Flugstrecke von einem cm beginnt sich der Strahl aufzulösen. Durch Luftreibung wird der äußere Strahlmantel in kleine Wirbelstrecken zerlegt und in einzelne Tröpfchen aufgeteilt. Diese einzelnen Tröpfchen sind für die "Zerstö­rungsleistung" des Wasserstrahls verantwortlich. Sie bringen eine dreimal höhere Energieabgabe an die Auftreffstelle. Wenn der Abstand Düse-Trennstelle größer wird, z. B. 5 cm, sind die einzelnen Tröpf­chen nicht mehr in der Lage, viel Arbeit zu leisten, da ihre Ge­schwindigkeit jetzt schon zu gering ist.

[0003] Es ist durch die DE-OS 29 28 698 bekannt, die Trennleistung des Was­serstrahls durch Zugabe von Abrasivstoffen zu erhöhen. Die dazu vorgeschlagene Düse arbeitet nach dem Wasserstrahlpumpensystem, wobei der Unterdruck aufgrund des durch eine Mischkammer strömenden Wasserstrahls den Abrasivstoff ansaugt. Die Abrasivstoffe werden in der Mischkammer beschleunigt und geben ihre kinetische Energie an der Auftreffstelle ab. Selbst ein harter Werkstoff wie Stahl kann auf diese Weise geschnitten werden.

[0004] Nachteilig an diesem System ist, daß die Abrasivstoffe sich lediglich an den Randbereichen des Wasserstrahls anreichern bzw. die Stoffe lediglich durch den Umfang des Wasserstrahls erfaßt und beschleunigt werden. Es bildet sich also ein Kanal in dem angesaugten, ggf. zu durchdringenden und in der Masse bereitgestellten Abrasivstoff. Außerdem können sich feucht Klumpen in der Düse bilden, die den Betrieb behindern.

[0005] Die Beigabe von Abrasivstoffen ins Druchwasser hat den Nachteil, daß die Rohrleitungen und die Düse durch dauerndes Schleifen zerstört werden. Deshalb wurde vorgeschlagen, die Stoffe hinter der Düse dem Strahl beizugeben. Um eine hohe Schnittleistung zu erreichen, muß aber die Aufprallenergie hoch sein. Diese hängt direkt von der Masse der Partikel und deren Geschwindigkeit ab. Bei dem bekannten System liegt die erreichbare Geschwindigkeit der Abrasivstoffe bei 130 bis 50 m/sec. Dieser niedrige Wert kann auf die herkömmliche Weise nicht mehr erhöht werden.

[0006] Ausgehend von dem Verfahren anfangs genannter Art, liegt der Erfin­dung die Aufgabe zugrunde, mit diesem Trennsystem bei gleichblei­bender Antriebsleistung erheblich höhere Schneiderkräfte zu erzielen oder mit verminderter Antriebsleistung dennoch größere Schneidkräfte zu bekommen, da hier auch Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen sind.

[0007] Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Strahl der Flüssigkeit und/oder die Zur-Verfügung-Stellung des Abrasivstoffes zum Vermischen mit dem Flüssigkeitsstrahl im kontinu­ierlichen Fluß unterbrochen wird. Ein gleicher ggf. etwas schwächerer Effekt tritt ein, wenn statt der Unterbrechung des kontinuierlichen Flusses dieser nur kurzzeitig reduziert wird. Jedenfalls wird jetzt ein ständiger Impuls das zu schneidende Werkstück treffen, und zwar ist dann der Schneidstrahl über seinen ganzen Querschnitt (Kopfbereich) mit dem Abrasivstoff vermischt. Diese bewirkt bei gleichbleibender Strahlaustrittsgeschwindigket eine erheblich höhere Leistung des Schneidstrahls. Mit diesem starken Impuls kann jetzt schneller ein dickeres Werkstück und sogar Stahl einfacher geschnitten werden. Für den Fall, daß weichere Werkstücke behandelt werden sollen, kann aber auch der zur Verfügung gestellte Wasserdruck erniedrigt werden, die Antriebsleistung, sprich Energie, kann vermindert werden, jedenfalls erniedrigt sich die aus Sicherheitsaspekten zu beachtende Gefahr beim Schneiden mit Wasserstrahl, ganz zu schweigen von den Herstellungs­kosten einer solchen Schneidanlage.

[0008] Dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf vielfältige Weise durchführen. Der Abrasivstoff könnte mit Vorteil quer zum Flüssig­keitsstrahl vorbeifließen bzw. dem Flüssigkeitstrahl zu- und von diesem abströmen, wobei von diesem Abrasivstoffstrom dann nur Teile abgetrennt werden.

[0009] Es ist auch sinnvoll, den Abrasivstoff kontinuierlich gegen ein Hindernise strömen zu lassen, damit er sich dort in dünner Schicht ablagert und von dort diskontinuierlich durch den Flüssigkeitsstrahl schlagartig beschleunigt wird.

[0010] Der Flüssigkeitsstrahl selbst kann ebenfalls auf verschiedenen Wegen rhythmisch unterbrochen werden. Zum Unterbrechen kann ein Gegen­stand, der sich kontinuierlich oder diskontinuierlich bewegt, in die Fließbahn bewegt werden. Besonders einfach ist es, wenn zum Unterbrechen des Flüssigkeitsstrahls in diesem fortlaufend Luft- oder Dampfblasen erzeugt werden. Dies ist z B. mittels eines kurzzeitig im Flüssigkeitsstrahl erzeugten Lichtbogens möglich.

[0011] Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen eingehend beschrieben. Es wird hier auf diese Ausführungen Bezug genommen. Es zeigen:

Fig. 1 in prinzipmäßiger Darstellung eine Flüssigkeitsstrahl-­Schneideinrichtung,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung die Austrittsstelle des Flüssig­keitstrahls aus der Düse und die Mischstation mit dem Abrasivstoff,

Fig. 3 ein Beispiel wie der Flüssigkeitsstrahl unterbrochen und gleich anschließend mit dem Abrasivstoff vermischt werden kann,

Fig. 4-6 Vorrichungen, mit denen der Flüssigkeitsstrahl mechanisch unterbrochen werden kann,

Fig. 7-9 Vorrichtungen, mit denen der Flüssigkeitsstrahl mit elektri­scher Energie unterbrochen werden kann.

[0012] Eine Anlage zum Schneiden mit Flüssigkeitstrahl besteht aus einer Pumpeneinheit 1, in der das drucklos zufließende Wasser 2 auf einen Druck von 4000 bar verdichtet wird. Durch eine Rohrleitung gelangt dann das Wasser in eine Schneideinheit 3, die von einer Steuereinheit 4 kontrolliert wird. In Richtung des Wasseraustitts ist dann noch ein Schneidtisch 5 angeordnet, in dem auch das ausgetretene Wasser aufgefangen wird.

[0013] Die hier notwendige Schneideinheit ist in Fig. 2 vollständiger dargestellt. Das unter Druck gesetzte Schneidwasser tritt aus einer Düse 6 aus, die in einem Düsenkörper 7 mit einem sich anschließen­den, definiert langen Führungskanal 8 gehalten ist. Der Düsenkörper 7 ist in einer verschraubbaren Halterung 9 derart gehalten, daß er leicht ausgewechselt werden kann. Unterhalb des Führungskanals 8 ist eine Lochscheibe drehbar gelagert, die in der Draufsicht aus Fig. 2.1 hervorgeht. Statt der Lochscheibe 10 kann auch ein Turbinenrad gemäß Fig. 2.2 und 2.3 Anwendung finden. Die Lochscheibe muß angetrieben sein, wärend das Turbinenrad durch die Schrägstellung der Schaufeln 11 nach Auftreffen des Schneidstrahles selbsttätig angetrieben wird.

[0014] Weiter unterhalb der Lochscheibe 10 od. dgl. ist noch der Abrasivstoff zur Verfügung zu stellen. In Fig. 2 ist dazu lediglich ein Rohr 12 vorgesehen, das kontinuierlich von den Abrasivstoff durchflossen ist. In Höhe des Führungskanals 8, an dem auch die Löcher der Lochscheibe 10 vorbeifliegen, ist auch in dem Rohr 12 eine Querbohrung 13 angeordent, durch die der unterbrochene Flüssigkeits­strahl auf den bereitgestellten Abrasivstoff stößt, ihn mitnimmt und auf das zu schneidende Werkstück 14 trägt. An der Stelle des Austritts des Flüssigkeitsstrahls aus dem Rohr 12 ist es zweckmäßig, den Strahl noch einmal durch eine Düse 13ʹ zu bündeln.

[0015] Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 fließt also der Abrasivstoff kontinuierlich am unterbrochenen Flüssigkeitsstrahl vorbei. Statt eines Rohres 12 kann auch ein freier Abrasivstoffstrahl in die Bewegungs­bahn des Flüssigkeitsstrahls gerichtet sein. Nach dem Beispiel nach Fig. 3 fließt der Abrsivstoff zwar kontinuierlich zu, aber in eine Hohlscheibe 15, die oben zur Zuführung des Abrasivstoffes offen, im äußeren Randbereich aber geschlossen ist, damit sich der Abrasivstoff dort aufstaut. In diesem Randbereich sind dann ähnlich der Vorrichtung nach Fig. 2.1 Löcher 16 im Ober- und Unterboden, durch die der Flüssigkeitsstrahl wie oben beschrieben treten soll.

[0016] Mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird der von oben kommende Flüssigkeitsstrahl auch mechanisch unterbrochen, aber mit einem Art Laufrad mit drei oder vier Querstegen 17, die beim Drehen des Laufrades den entlang des Pfeiles kommenden Flüssigkeitsstrahl zerteilt. Je nach Austrittstelle des Flüssigkeitsstrahles über die Länge des Radius des Laufrades, das selbstverständlich auch mit unter­schiedlicher Geschwindigkeit angetrieben werden kann, kann die Dauer der Unterbrechung gesteuert werden. Hier ist auch lediglich eine Reduzierung des Strahles möglich.

[0017] Das zu dem Beispiel nach Fig. 4 Gesagte gilt auch für das Beispiel nach Fig. 5, nach dem für die Unterbrechung oder Reduzierung des Flüssigkeitsstrahles statt der Querstäbe 17 Speichen 18 vorgesehen sind, die in den Flüssigkeitsstrahl reichen. Auch dieses Rad kann mit oder ohne Eigenantrieb umlaufen, ggf. auch gebremst werden.

[0018] Das Beispiel nach Fig. 6 stellt ein Schwingpendel dar mit zwei zueinander gerichteten Schrägflächen 20, die mit Abstand voneinander angeordnet sind. Der Flüssigkeitsstrahl trifft auf eine der Schräg­ flächen und bewirkt dadurch die Pendelwegung der aufgehängten (nicht dargestellt) Schwingmasse. Mit dem Abstand 21 der beiden Schrägflächen 20 kann die Frequenz der Strahlunterbrechung oder -reduzierung gesteuert werden.

[0019] In den Fig. 7 - 8 sind Beispiele zur Unterbrechung oder Reduzierung des Flüssigkeitsstrahles gezeigt, die mit Elektrizität arbeiten. Bei Fig. 7 dient dazu ein Piezobalken, der aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften der verwendeten Kristalle bei elektrischer Aktivierung hin- und herschwingt. Ähnliches gilt für das Beispiel nach Fig. 9, wo ein Elektromagnet mit Wechselstrom zum Hin- und Herbewegen des Rotors 24 entspechend der Frequenz des Wechselstromes sorgt. Selbstverständlich kann insbesondere zu Reduzierung des Flüssigkeits­strahls auch ein elektrisch gesteuertes, nicht dargestelltes Ventil zur Anwendung gelangen.

[0020] Eine ganz anders erzeugt Unterbrechung des Flüssigkeitsstrahles offenbart die Fig. 8. Danach ist in das Leitungssystem des unter Druck gesetzten Wassers eine Einheit 25 geschaltet, mit der ein Lichtbogen von Rohrwand zu Rohrwand erzeugt werden kann. Es wird also Spannung an die Pole angelegt, und durch Elektrizität ein Lichtbogen erzeugt, der augenblicklich das hier durchströmende Wasser zum Verdampfen bringt. Damit bildet sich im Wasser eine Dampfblase, die die gewünschte Strahlunterbrechung bewirkt.

Ansprüche

1. Verfahren zum Schneiden von Materialien mittels eines Schneid­strahles aus einer Flüssigkeit, die mit Abrasivstoffen vermischt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl der Flüssigkeit und/­oder die Zur-Verfügung-Stellung des Abrassivstoffes zum Vermi­schen mit dem Flüssigkeitstrahl im kontinuierlichen Fluß unter­brochen wird.

2. Verfahren zum Schneiden von Materialien mittels eines Schneid­strahles aus einer Flüssigkeit, die mit Abrasivstoffen vermischt ist, dadurch gkennzeichnet, daß der Strahl der Flüssigkeit und/oder die Zur-Verfügung-Stellung des Abrasivstoffes zum Vermischen mit dem Flüssigkeitsstrahl im kontinuierlichen Fluß kurzzeitig reduziert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl der Flüssigkeit vor dem Vermischen mit dem Abrasiv­stoff unterbrochen oder reduziert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsstrahl unterbrochen oder reduziert wird und die Kopf­fläche des unterbrochenen oder reduzierten Strahls den in dünner Schicht bereitgestellten Abrasivstoff trifft und schlagartig be schleunigt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrasivstoff kontinuierlich quer zum Flüssigkeitsstrahl vorbeifließt bzw. dem Flüssigkeitsstrahl zu- und von diesem abströmt und von diesem Abrasivstoff jeweils nur Teile abgetrennt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrasivstoff kontinuierlich gegen ein Hindernis strömt, sich dort in dünner Schicht ablagert und von dort diskontinuierlich durch den Flüssigkeitsstrahl schlagartig beschleunigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abrasivstoff kontinuierlich durch Zentrifugalkraft einer Stelle zufließt, von der er diskontinuierlich mittels des Flüssigkeits­strahls entfernt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterbrechen oder Reduzieren des Flüssigkeitstrahls ein Gegenstand in die Fließbahn bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Geganstand sich kontinuierlich bewegt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand sich diskontinuierlich bewegt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Unterbrechen oder Reduzieren des Flüssigkeitsstrahles in diesem fort laufend Luft- oder Dampfblasen erzeugt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfblasen durch Energiezuführung wie mittels Elektrizität bei der Lichtbogenerzeugung erzeugt werden.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 12 mit einer Düse für den Durchtritt eines feinen Flüssigkeitsstrahles, mit einer dieser Düse vorgeord­neten Einrichtung zur Erzeugung eines hohen Flüssigkeitsdruckes und mit einer weiteren der Düse nachgeordneten Einrichtung zum Vermischen des Flüssigkeitsstrahles mit dem Abrasivstoff, dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Unterbrechung oder Reduzie­rung des Querschnitts des Flüssigkeitsstrahls kurzzeitig ein Gas (Fig. 2) oder ein Gegenstand (Fig. 2 - 7, 9) in die Bewegungs­bahn des Strahles bewegbar und unterhalb der Bewegungsbahn des unterbrochenen oder reduzierten Strahls eine von dem Strahl zu durchdringende Schicht des Abrasivstoffes angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Abrasivstoffes in einem von dem Stoff kontinuierlich durchflossenen Rohr (12), Schlauch od. dgl. angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Abrasivstoffes in einer Kammer (15) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (12) od. dgl. oder die Kammer (15) zum Druchtritt des Flüssigkeitsstrahles quer durchlocht (13, 16) ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlunterbrechung eine drehbar gelagerte, am Außenumfang mit Durchtrittslöchern (16) versehene Lochscheibe (15) vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer aus einer drehbar gelagerten kreisrunden Hohlscheibe (15) besteht, die im funktionell äußeren Randbereich eine radial außen und oben und unten geschlossene Ringkammer (15) aufweist und über den Umfang der Hohlscheibe die obere und untere Wan­dung der Ringkammer mit die Hohlscheibe quer durchstoßenden Löchern (16) für den Durchtritt des Flüssigkeitsstrahls versehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzichnet, daß zur Strahlunterbrechung über die Länge der Düse oder in der Zu­führung vor der Düse Elektroden (25) zur Zuleitung von Elektri­zität zur Lichtbogenerzeugung angeordnet sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennziechnet, daß zur Strahlunterbrechung oder -reduzierung in der Bewegungsbahn des Flüssigkeitsstrahls ein Laufrad (Fig. 5) angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Laufrades (Fig. 5) senkrecht zum Flüssigkeitsstrahl ausgerichtet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Laufrades, wie z. B. ein Turbinenrad (11), parallel zum Flüssigkeitstrahl ausgerichtet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (10,11,15, Fig. 4, 5) mit einem Eigenantrieb versehen ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlunterbrechung oder -reduzierung ein Schwingkörper (Fig. 6) periodisch in die Bewegungsbahn des Flüssigkeitsstrahls bewegbar ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlunterbrechung oder -reduzierung ein elektrisch in Bewegung versetzter Schwingbalken (22) (piezoelektrizität) vergesehen ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlunterbrechnung ein frequentiell aktivierter Elektromagnet (23) vorgesehen ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlreduzierung ein Ventil vorgesehen und kurzzeitig dessen Schließmechanismus aktiviert ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stahlunterbrechung oder -reduzierung eine Vielkolbenpumpe vorge­sehen ist, mit der der Volumenstrom der Flüssigkeit oder des Abrasivstoffes kurzzeitig unterbrechbar ist.

Zeichnung