CN107000238B

CN107000238B - 用于液体射流切割的方法

Info

Publication number: CN107000238B
Application number: CN201580068005.0A
Authority: CN
Inventors: J-P·纳格尔; M·比克尔豪普特; U·伊本
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2035-10-27
Also published as: EP3230025B1; US10486325B2; US20180015631A1; CN107000238A; DE102014225247A1; WO2016091447A1; EP3230025A1

Abstract

本发明涉及一种用于液体射流切割的方法，具有压缩机单元(3)，该压缩机单元压缩液体来产生液体射流，并且具有喷嘴(10)，该喷嘴与所述压缩机单元(3)连接并且具有排出开口(11)，压缩液体以液体射流(14)的形式经过该排出开口排出。通过中断器单元(8)能够中断或释放所述压缩液体朝向所述排出开口(11)的流动。在此，实施下述方法步骤：通过所述压缩机单元(3)压缩所述液体，使所述排出开口(11)靠近要加工的工件(15)，直到达到加工距离(d)处，通过所述中断器单元(8)交替地释放和中断从所述排出开口(11)出来的所述液体射流(14)，其中，同时使所述喷嘴相对于所述工件沿着加工方向运动，并且所述液体射流的脉冲持续时间(t_p；t_p1；t_p2)小于1000μs。

Description

用于液体射流切割的方法

技术领域

本发明涉及一种用于液体射流切割的方法，所述方法如优选应用于切开固体材料。

背景技术

长时间以来由现有技术已知用于液体射流切割固体材料的方法。在这里，优选通过压缩机单元将水压缩到非常高的压力，该压力通常为几千巴。然后液体流经喷嘴，经过排出开口排出，并且由此形成液体射流，该液体射流对准要切开的材料。由于水的高速度和高动量，水射流打碎了在液体射流区域中的材料并且由此切开所述材料。通过该方法可以切开固体材料，例如金属、玻璃、塑料、木头和类似材料。因为水的压缩需要大量能量并且液体射流或者说水射流以连续波(Dauerstrich)的形式运行，该材料加工只能够通过高功率实现，该功率在通常已知的设施中可能是几十千瓦。相应地，这种设施的运行成本高，并且由于这种设施的大尺寸所需的占地面积也大。

为了改善水射流的作用，同样已知的是，将磨料混入水射流中，该磨料由水夹带并且以高能量撞击到构件表面上并且如此改善水射流的作用。但是由于磨料的混入进一步提高了成本并且所消耗的水不能再轻易地引回到循环中，因为磨料必须首先以费事的方法过滤出并且导致在设施中增大的磨损。

由DE 10 2013 201 797 A1已知一种用于液体射流切割的装置，该装置为了切开材料没有使用连续的水射流，而是使用脉冲的水射流，在该脉冲的水射流中液体射流以有规律的间隔中断。脉冲式液体射流尤其有以下优点：相对较低的压力对于切割设备是足够的并且与已知的持续射流方法相比是特别明显更高能效的。

发明内容

与此相对地，根据本发明的用于液体射流切割的方法具有优点，即确保有效率的和节省能量的切割方法，这附加地导致改善的切割棱边，使得可以实现特别光滑的切割棱边。为此，用于液体射流切割的所述方法具有压缩机单元和喷嘴，该压缩机单元压缩液体来产生液体射流，该喷嘴与压缩机单元连接。喷嘴具有排出开口和中断器单元，被压缩的液体以液体射流的形式经过该排出开口排出，该中断器单元可以中断或释放压缩液体朝向排出开口的流动。在此，实施如下方法步骤：液体通过压缩机单元压缩，将排出开口移到待加工工件处直到达到加工距离，液体射流通过中断器单元交替地释放和中断，其中，喷嘴同时相对于工件沿加工方向运动。在这里，液体射流的脉冲持续时间小于1000μs。

通过液体射流的短的脉冲持续时间实现如下效应：撞击到工件表面上的液体射流脉冲从工件表面剥落材料，所述材料通过液体射流的液体被冲走。随后的液体射流不必再穿过已经存在的液体来加工材料，而是得到其直接到工件表面上的路径并且可以继续进一步的加工。根据工件而定并且根据其他运行参数而定，如果一些颗粒没有随着加工液体冲走，而是保留在切割区域中，则工件的分离出的材料也可以导致切割效应的增强。通过后面的液体射流脉冲，该材料被挤压到工件中并且导致切割作用的增强，这类似于在已知的连续波液体射流切割中添加研磨剂。此外，脉冲式加载具有优点，即在工件表面出现气穴效应，这进一步增强了材料去除。

切割棱边的质量同样通过根据本发明的方法得到改善，因为加工液体不必再向一侧逸出并且由此损坏切割棱边。

在本发明的有利构型中，脉冲持续时间为50到500μs，其中，液体射流通过中断器单元以有利的方式开启和关闭来周期性地产生液体脉冲。当周期性地产生液体脉冲时，工件能够以均匀的速度沿加工方向运动，从而在工件中产生切割线。

在另一有利构型中，每秒产生在25和500个之间的液体脉冲，即液体脉冲以从25到500Hz的频率喷射到工件上。液体脉冲的频率根据加工速度、即喷嘴相对于工件运动的速度，并且根据工件的厚度和材料特性调整。

在另一有利构型中，在加工过程中喷嘴开口相对于工件表面的距离为0.5到2mm，优选1到2mm。通过该距离确保工件的有效率的加工，而溅回的水不会导致喷嘴的损坏。

在另一有利构型中，喷嘴相对于工件以10到1200mm/min的速度运动，其中，进给速度取决于工件的厚度和工件的材料特性。

在另一有利构型中，实施具有短的时间间隔的液体脉冲和以一时间间隔跟随的液体脉冲组，该时间间隔大于各个组的液体脉冲的时间间隔。由此通过液体脉冲形成各个连射，这些连射在时间上相互间隔开，这在确定的材料中导致更好的加工和更整齐的切割棱边。其原因也在于，相对于连续波加工来说加工液体不必向一侧逸出。

在另一有利构型中，喷嘴具有喷嘴体，该喷嘴体具有纵向孔，其中，纵向孔形成压力室，压缩液体被供应到该压力室中。中断器单元通过在压力室内部可纵向运动地布置的喷嘴针形成，该喷嘴针通过其纵向运动开启和关闭排出开口。通过例如由燃料高压喷射已知的该喷嘴可以产生具有期望的持续时间和具有期望频率的精确的液体脉冲。

其他优点和有利构型可以从说明书、附图和权利要求中得出。

附图说明

在附图中为了图示说明根据本发明的方法示出如下附图：

图1用于实施根据本发明的液体射流切割方法的装置的示意性示图，

图2用于液体射流切割的喷嘴的同样的示意性示图，和

图3a、3b和3c同样以示意性示图示出液体射流的不同时间分布。

具体实施方式

在图1中示出用于实施根据本发明的液体射流切割方法的装置。在箱1中暂时保持用于液体射流切割的液体、例如清洁的水，但是也可以考虑其他液体。所述液体由液体箱1通过管路2供应给压缩机单元3、例如高压泵，在这里液体被压缩并且通过高压管路4输送到高压集流室5中，在这里压缩液体被暂时保持。高压集流室5用于平衡压力波动，以便能够以恒定的高压实施液体射流切割，而不必以短的时间间隔微调压缩机单元3。压力管路7从高压集流室5通向喷嘴10，其中，喷嘴10具有中断器单元8(这里呈二位二通阀的形式)和用于液体的呈变窄的通道形式的排出开口11，使得液体射流14从排出开口11中排出，该液体射流是清晰成束的并且在运行过程中撞击到工件15上，该工件以加工距离z相对于喷嘴10布置。

根据本发明的方法如下实施：高度压缩的液体通过压力管路7位于喷嘴10中，其中，中断器单元8一开始是关闭的。为了产生脉冲式液体射流14，中断器单元8以有规律的间隔关闭和开启，使得脉冲式液体射流14经过排出开口11排出，该液体射流撞击到工件15的表面上。在液体撞击在工件15上时，被击中的区域被打碎并且碎块通过流走的液体而冲掉。由此切开工件，其中，切割线通过工件15沿加工方向的运动产生，其中，也可以设置，不使工件15运动，而使喷嘴10通过合适的装置相对于工件15运动。

为此，图2示出根据本发明的喷嘴10和对应的工件15的示意性视图。在这里示出的喷嘴10具有喷嘴体12，孔13构造在该喷嘴体中，喷嘴针18可纵向移动地布置在该孔中。在孔13的壁和喷嘴针18之间构造压力室17，高度压缩的液体通过压力管路7供应到该压力室17中。喷嘴针18与喷嘴座20共同作用，使得在喷嘴针18贴靠在喷嘴座20上时压力室17与喷射开口11分隔开，该喷射开口构造为在喷嘴体10中的孔。如果喷嘴针18从喷嘴座20升起，则液体从压力室17经过排出开口11流出并且形成液体射流14，该液体射流撞击到工件15上。

为了分割工件，喷嘴针18周期性地上下运动并且如此释放液体射流14或者中断两次喷射之间的液体供应。工件15沿加工方向22运动，其中，是工件运动还是喷嘴运动还是二者同时运动是不重要的。

在图3a中示意性示出液体射流的时间分布，其中，在纵坐标上是每单位时间排出的液体量Q并且在横坐标上是时间t。通过开启和关闭中断器单元8，由喷嘴10周期性地喷出液体射流14，其中，各个脉冲具有时间t_p，并且彼此的时间间隔是t_a。如这里所示，脉冲可以周期性地相继进行并且全部相同地构造或者也可以产生不同的脉冲，如在图3b中示出的那样，所述脉冲具有不同的持续时间t_p1和t_p3并且也具有不同的彼此的时间间隔。通过喷射脉冲的不同造型可以例如对改变的进给速度做出反应，即，在进给速度降低的情况下产生与在大的进给速度情况下相比每单位时间更少的脉冲。当工件的厚度增加或者当工件在加工长度上的强度改变时，同样可以提高喷射脉冲的频率。

液体脉冲t_p的持续时间小于1000μs、优选50到500μs，以便根据材料而定实现优化的切割棱边。脉冲式液体射流切割特别好地适用于分割玻璃纤维或碳纤维板(CFK)或者金属片、例如铝片。刚好在加工CFK材料时，脉冲式液体射流切割提供了与持续射流液体射流切割相比明显更光滑的切割棱边的明确的优点，即，碳纤维在切割棱边的边缘处的毛边被尽可能地抑制。同时可以在切开CFK板时以最大20的因数关系降低能量使用。此外，较小的压力对于脉冲的水射流切割就足够了。液体以典型的2500巴的压力被暂时保持在喷嘴12内部，其中，压力也可能提升到3000巴。相对于通常已知的连续波液体射流切割方法(其一般在直到6000巴的情况下工作)，该压力明显降低并且与相应较少的能量消耗有关。

除了液体射流的周期性的接通和关断之外也可能的是，将液体脉冲划分成各个连射，这如在图3c中示出的那样。在这里，各两个脉冲以短的时间间隔t_a1相互跟随，而直到下一个喷射脉冲经过较长的持续时间t_a2。也可以将多于两个脉冲结合在一个连射中，使得产生喷射脉冲的各个组。这尤其在加工相对较厚的材料时是有利的。

喷嘴10相对于工件15的加工距离(在图1和图2以d标明)优选为0.5到2mm，特别优选是1到2mm。在该加工距离d的情况下实现最佳效果，而不必考虑由于溅回的液体对喷嘴的损坏。

脉冲式液体射流切割在CFK材料的情况下尤其适用于具有厚度直到2mm的板，其中，液体射流的直径为大约150μm。所使用的压力为大约2400巴，其中，也能够以较小的液体压力工作。优化的时钟频率为在1000μs或更少的脉冲持续时间的情况下大于40Hz，其中，时钟频率必须与加工的进给速度相协调，即，进给速度越快，时钟频率必须越高。

液体射流为了实现液体脉冲而周期性地借助于中断器单元中断。但在本发明的上下文中概念“中断”并不必然表明在喷嘴上的排出开口的完全关闭。也可以意味着，中断器单元只是非常强地节制液体射流，但是在液体脉冲之间还排出一些具有小的压力的液体。只有在节流足够强的前提下，所述效应才会实现。

Claims

1.用于液体射流切割的方法，具有压缩机单元(3)，该压缩机单元压缩液体来产生液体射流，并且具有喷嘴(10)，该喷嘴与所述压缩机单元(3)连接并且具有排出开口(11)和中断器单元(8)，压缩液体以液体射流(14)的形式经过该排出开口排出，该中断器单元能够中断或释放所述压缩液体朝向所述排出开口(11)的流动，所述方法的特征在于，具有下述方法步骤：

-通过所述压缩机单元(3)压缩所述液体，

-使所述排出开口(11)靠近要加工的工件(15)，直到达到加工距离(d)，

-通过所述中断器单元(8)交替地释放和中断从所述排出开口(11)出来的所述液体射流(14)，其中，同时使所述喷嘴相对于所述工件沿着加工方向(22)运动，

-其中，所述液体射流的脉冲持续时间(t_p；t_p1；t_p2)小于1000μs，其中，实施具有短的时间间隔(t_a1)的液体脉冲组，随后的液体脉冲组以时间间隔(t_a2)跟随，该时间间隔大于各个组的所述液体脉冲的所述时间间隔(t_a1)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲持续时间(t_p；t_p1；t_p2)为50到500μs。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述液体射流(14)通过所述中断器单元(8)周期性地开启和关闭来产生液体脉冲。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述中断器单元(8)布置在所述喷嘴(10)中。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每秒产生25和500个之间的液体脉冲。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述排出开口(11)相对于工件表面的所述加工距离(d)在加工过程中为0.5到2mm。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述喷嘴(10)在加工过程中以每分钟10到1200mm的进给速度相对于所述工件表面运动。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述喷嘴(10)具有喷嘴体(12)，该喷嘴体具有孔(13)，并且所述孔(13)形成压力室(17)，所述压缩液体被供应到该压力室中，其中，所述中断器单元(8)通过在所述压力室(17)内部能纵向运动地布置的喷嘴针(18)形成，该喷嘴针通过该喷嘴针的纵向运动开启和关闭所述排出开口(11)。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述排出开口(11)相对于工件表面的所述加工距离(d)在加工过程中为1.0到2.0mm。