DE102019200566A1

DE102019200566A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls

Info

Publication number: DE102019200566A1
Application number: DE102019200566.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Leukart; Ferdinand Nicolai
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls (8), mit einer Düse (1), die einen Düsenkörper (10) mit einem darin ausgebildeten Druckraum (11) aufweist, der mit Wasser unter einem hohen Druck befüllbar ist. Im Düsenkörper (10) sind zwei Spritzlöcher (20; 20') ausgebildet, welche jeweils eine Längsachse (21; 21') aufweisen und durch welche Wasser aus dem Druckraum (11) ausgespritzt werden kann. Im Druckraum (11) ist ein bewegliche Ventilelement (14) zum Öffnen und Schließen der Spritzlöcher (20; 20') angeordnet, das dazu mit einem Düsensitz (15) zusammenwirkt. Die Längsachsen (21; 21') der Spritzlöcher (20; 20') schneiden sich außerhalb des Düsenkörpers (10) in einem Schnittpunkt (S). Bei einem Verfahren zum Wasserstrahlschneiden mit einer solchen Vorrichtung liegt der Schnittpunkt (S) stets zwischen der Düse (1) und dem Werkstück (9).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls, wie sie z.B. Verwendung findet, um einen Hochdruckwasserstrahl zur Bearbeitung oder zum Zerteilen eines festen Körpers zu erzeugen. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung.
Stand der Technik
Zum Zerschneiden oder zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere von harten Werkstücken, ist der Einsatz von Hochdruckwasserstrahlen bekannt. Dabei wird Wasser auf einen hohen Druck verdichtet und in einem scharfen Strahl aus einer Düse ausgestoßen. Die so beschleunigten Wasserpartikel treffen mit einer hohen Geschwindigkeit auf den zu bearbeitenden Körper, so dass selbst härteste Materialien zerteilt werden können, wie Stahl, Keramik oder Glas. Die dabei verwendeten Drücke betragen üblicherweise einige tausend bar, wenn ein kontinuierlicher Wasserstrahl eingesetzt wird, d.h. wenn der Wasserstrahl in stetigem Strahl aus der Düse ausgestoßen wird. Als alternatives Verfahren ist aus der DE 10 2013 201 797 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gepulsten Hochdruckwasserstrahls bekannt, bei dem kein kontinuierlicher Wasserstrahl unter einem hohen Druck erzeugt wird, sondern der Wasserstrahl wird durch ein bewegliches Ventilelement in der Düse periodisch unterbrochen, so dass ein gepulster Hochdruckwasserstrahl entsteht. Dieser ermöglicht eine hohe Schnittleistung bzw. eine hohe Fähigkeit zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks bei einem deutlich niedrigeren Druck, wie er beim kontinuierlichen Wasserstrahlschneiden verwendet wird.
Die für das gepulste Wasserstrahlschneiden verwendete Düse weist eine Düsenöffnung auf, die in der Regel als Bohrung in einem Düsenkörper ausgebildet ist. Das in der Düse beweglich angeordnete Ventilelement öffnet und verschließt dieses Spritzloch periodisch, so dass der gepulste Wasserstrahl entsteht.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls weist zum einen eine gesteigerte Schneid- bzw. Abtragleistung im Verhältnis zu den bekannten Düsen auf und zum anderen lässt sich der Impuls des Hochdruckwasserstrahls gezielt durch den Abstand zum Werkstück variieren. Dazu weist die Vorrichtung eine Düse auf mit einem Düsenkörper und einem darin ausgebildeten Druckraum, der mit Wasser unter hohem Druck befüllbar ist. Weiter ist im Düsenkörper ein Spritzloch ausgebildet, welches vom Druckraum ausgeht, so dass über das Spritzloch Wasser unter hohem Druck ausgespritzt werden kann. Im Druckraum ist ein bewegliches Ventilelement angeordnet, das zum Öffnen und Schließen des Spritzlochs mit einem Düsensitz zusammenwirkt. Im Düsenkörper ist ein weiteres Spritzloch ausgebildet, das ebenso wie das erste Spritzloch eine Längsachse aufweist, wobei sich die Längsachsen der beiden Spritzlöcher außerhalb des Düsenkörpers in einem Schnittpunkt schneiden.
Durch die beiden Spritzlöcher entstehen zwei Hochdruckwasserstrahlen, die sich außerhalb des Düsenkörpers überschneiden. Dadurch beeinflussen sie sich gegenseitig. Zum einen lässt sich durch den erhöhten Impuls des Wassers im Schnittpunkt die Schneidleistung bzw. die Abtragleistung bei der Bearbeitung eines Werkstücks gezielt steigern. Zum anderen kann die Wirkung der Hochdruckwasserstrahlen auf das Werkstück dadurch variiert werden, dass der Abstand zur Düse geändert wird. Je nachdem, ob sich die Hochdruckwasserstrahlen vor oder auf dem Werkstück schneiden oder ob die Hochdruckwasserstrahlen vor Erreichen des Schnittpunkts der beiden Längsachsen auf das Werkstück auftreffen. Dadurch ergeben sich mehr Freiheiten bei der Verwendung der Vorrichtung und damit eine größere Bandbreite von Bearbeitungsmöglichkeiten von Werkstücken mittels dieser Vorrichtung.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung weist der Druckraum im Düsenkörper eine Längsachse auf, wobei sich der Schnittpunkt der Längsachsen der Spritzlöcher auf der Längsachse des Druckraums befindet. Dadurch wird eine weitreichende Symmetrie des Düsenkörpers erreicht und damit eine gleichmäßige Belastung des Düsenkörpers, so dass dieser hohen Drücken standhält und eine hohe Lebensdauer aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens ein weiteres Spritzloch im Düsenkörper ausgebildet, dessen Längsachse sich mit der Längsachse wenigstens eines anderen Spritzlochs außerhalb des Düsenkörpers schneidet. Dadurch lassen sich drei oder mehr Spritzlöcher im Düsenkörper ausbilden, deren Längsachsen sich außerhalb des Düsenkörpers schneiden, was die Möglichkeiten zur Bearbeitung des Werkstücks weiter steigert. Dabei sind die Spritzlöcher bevorzugt als zylindrische oder konische Bohrungen im Düsenkörper ausgebildet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist stromabwärts des Düsensitzes im Düsenkörper ein Sackloch ausgebildet, von dem die Spritzlöcher ausgehen. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Verteilung des unter Hochdruck stehenden Wassers auf die einzelnen Spritzlöcher erreichen und es ergibt sich die Möglichkeit, relativ viele Spritzlöcher im Düsenkörper auszubilden und diese mit dem verdichteten Wasser zu versorgen.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen eines Hochdruckwasserstrahls unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Druckraum im Düsenkörper mit Wasser unter einem Bearbeitungsdruck befüllt. Anschließend wird die Düse in einem Bearbeitungszustand zu dem zu bearbeitenden Werkstück positioniert, so dass die aus den Spritzlöchern ausgespritzten Hochdruckwasserstrahlen auf das Werkstück auftreffen. Schließlich werden durch periodisches Bewegen des Ventilelements im Druckraum die Spritzlöcher abwechselnd geöffnet und geschlossen, wobei der Schnittpunkt der Hochdruckwasserstrahlen zwischen der Düse und einer Werkstückoberfläche liegt. Durch das Überschneiden der Hochdruckeinspritzstrahlen aus den einzelnen Spritzlöchern kann so ein erhöhter Impuls im Schnittpunkt erreicht werden und damit die Schneid- oder Abtragleistung gezielt gesteigert werden.
Figurenliste
In der Zeichnung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung und verschiedene Ausführungsbeispiele der Düse schematisch dargestellt. Es zeigt:

1 in schematischer Darstellung die gesamt Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls, wobei nur die wesentlichen Komponenten dargestellt sind,
2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß Düse, wie sie in der Vorrichtung nach 1 verwendet wird,
3 eine vergrößerte Darstellung im Bereich des Düsensitzes eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Düse.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Düse 1 zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls 8, wobei der Hochdruckwasserstrahl 8 an dem dem Werkstück zugewandten Ende der Düse 1 austritt. Zur Versorgung der Düse 1 mit hochverdichtetem Wasser wird Wasser, das in einem Tank 2 vorgehalten wird, über eine Leitung 3 einer Hochdruckpumpe 5 zugeführt. Die Hochdruckpumpe 5 verdichtet das Wasser und leitet dieses über eine Hochdruckleitung 6 in die Düse 1. Das zu bearbeitende Werkstück 9 ist bezüglich der Düse 1 in einem Abstand a positioniert, sodass der Hochdruckwasserstrahl 8 auf das Werkstück 9 auftrifft und dieses - wie in der Zeichnung dargestellt - zerschneidet, wobei eine Schnittlinie 18 im Werkstück 9 erzeugt wird. Dazu wird das Werkstück 9 über Verschiebevorrichtung 13, die in der 1 nur angedeutet sind, so verschoben, dass der Hochdruckwasserstrahl 8 auf die gewünschte Stelle am Werkstück 9 auftrifft. Über den Impuls des Hochdruckwasserstrahls 8 und den Abstand a kann auch erreicht werden, dass nur die Oberfläche des Werkstücks bearbeitet wird, beispielsweise um eine Lackschicht abzutragen.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Düse 1 im Längsschnitt schematisch dargestellt. Die Düse 1 weist einen Düsenkörper 10 auf, in dem ein Druckraum 11 ausgebildet ist. Der Druckraum 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel als zylindrische Bohrung ausgebildet, so dass ein Druckraum 11 mit einer Längsachse 12 entsteht. Der Druckraum 11 wird an seinem unteren, dem Werkstück 9 zugewandten Ende von einem konischen Ventilsitz 15 begrenzt, der an seinem zulaufenden Ende in ein Sackloch 17 übergeht. Vom Sackloch 17 gehen zwei Einspritzlöcher 20, 20' aus, über die verdichtetes Wasser aus dem Druckraum 11 ausgespritzt werden kann. Im Druckraum 11 ist ein kolbenförmiges Ventilelement 14 längsverschiebbar angeordnet, dessen Längsachse mit der Längsachse 12 des Druckraums 11 zusammenfällt. Das Ventilelement 14 weist eine ebenfalls konische Dichtfläche 16 auf, so dass bei Anlage des Ventilelements 14 am Ventilsitz 15 das Sackloch 17 und damit die Spritzlöcher 20, 20' vom Druckraum 11 getrennt werden. Durch Längsbewegung des Ventilelements 14 im Druckraum 11 mittels einer in der Zeichnung nicht dargestellten Vorrichtung hebt das Ventilelement 14 vom Düsensitz 15 ab, so dass verdichtetes Wasser aus dem Druckraum 11 in das Sackloch 17 und von dort in die Spritzlöcher 20, 20' strömen kann, wodurch zwei Hochdruckwasserstrahlen 8, 8' gebildet werden. Durch periodisches Bewegen des Ventilelements 14 im Druckraum 11 und damit periodisches Öffnen und Schließen der Spritzlöcher 20, 20' ergeben sich zwei gepulste Hochdruckwasserstrahlen 8, 8'.
Die Spritzlöcher 20, 20' sind als zylindrische Bohrungen im Düsenkörper 10 ausgebildet und weisen Längsachsen 21, 21' auf, die zueinander geneigt sind und sich außerhalb des Düsenkörpers 10 in einem Schnittpunkt S schneiden. Es kann auch vorgesehen sein, die Spritzlöcher 20, 20' konisch auszuführen, so dass sich ihr Querschnitt in Strömungsrichtung verkleinert. Entsprechend schneiden sich auch die austretenden Hochdruckwasserstrahlen 8, 8' außerhalb des Düsenkörpers 10 im Schnittpunkt S. Dabei ist der Abstand zwischen den Mündungsöffnungen der Spritzlöcher 20, 20' und dem Schnittpunkt S mit d bezeichnet.
Zur Bearbeitung eines Werkstücks kann dieses in verschiedenen Abständen zur Düse 1 positioniert werden. Zur Verstärkung des Impulses der Hochdruckwasserstrahlen wird das Werkstück bzw. die Oberfläche des Werkstücks in etwa auf den Schnittpunkt S gelegt, also auf den Punkt, an dem sich die Hochdruckwasserstrahlen 8, 8' schneiden. Durch das Zusammenführen der Wasserteilchen beider Hochdruckwasserstrahlen 8, 8' im Schnittpunkt S erhöht sich die Abtragleistung bzw. die Schnittleistung, so dass eine schnellere und effizientere Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht wird.
Soll beispielsweise eine flächige Bearbeitung eines Werkstücks 9 durchgeführt werden, also insbesondere ein Entschichten oder Aufrauen der Oberfläche eines Werkstücks 9, so kann der Bearbeitungsabstand a kleiner eingestellt werden als der Abstand d zwischen der Düse 1 und dem Schnittpunkt S. In diesem Fall treffen zwei einzelne Einspritzstrahlen 8, 8' auf das Werkstück und bestreichen eine relativ große Fläche, so dass eine effiziente und schnelle Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks 9 ermöglicht wird. Somit kann über den Abstand a zwischen der Düse 1 und der Werkstückoberfläche die Bearbeitung beeinflusst werden.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Düsenkörpers 10 gezeigt. Neben den schon in 2 dargestellten Spritzlöchern 20, 20' ist hier ein weiteres Spritzloch 20" vorhanden, das zwischen den bereits bekannten Spritzlöchern 20, 20' ausgebildet ist und das eine Längsachse 21" aufweist, die mit der Längsachse 12 des Druckraums 11 zusammenfällt. Dabei sind die Spritzlöcher 20, 20', 20" so ausgerichtet, dass sich deren Längsachsen 21, 21', 21" in einem einzigen Schnittpunkt S schneiden und damit in einem Abstand d von der Düse. Auch hier lässt sich die Wirkung der Hochdruckwasserstrahlen 8, 8', 8" auf das Werkstück 9 dadurch beeinflussen, dass der Bearbeitungsabstand a variiert wird. Ist er kleiner als der Abstand d des Schnittpunkts S zur Düse, so ist die Wirkung der Hochdruckwasserstrahlen 8, 8', 8" auf den Körper eher dazu geeignet, die Oberfläche zu bearbeiten, während bei Positionierung des Werkstücks im Schnittpunkt oder in der Nähe des Schnittpunkts, eine effektive Bearbeitung des Werkstücks, insbesondere ein Zerteilen des Werkstücks ermöglicht wird. Ein noch größerer Bearbeitungsabstand a ist in der Regel nicht sinnvoll, da der Impuls der Wasserteilchen eines Hochdruckwasserstrahls mit zunehmendem Abstand von der Düse deutlich abnimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013201797 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochdruckwasserstrahls (8), mit einer Düse (1), die einen Düsenkörper (10) mit einem darin ausgebildeten Druckraum (11) aufweist, der mit Wasser unter einem hohen Druck befüllbar ist, und mit einem im Düsenkörper (10) ausgebildeten Spritzloch (20), welches eine Längsachse (21) aufweist und durch welches Wasser aus dem Druckraum (11) ausgespritzt werden kann, und mit einem im Druckraum (11) angeordneten, beweglichen Ventilelement (14), das zum Öffnen und Schließen des Spritzlochs (20) mit einem Düsensitz (15) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres, eine Längsachse (21') aufweisendes Spritzloch (20') im Düsenkörper (10) ausgebildet ist, wobei sich die Längsachsen (21; 21') der Spritzlöcher (20; 20') außerhalb des Düsenkörpers 10 in einem Schnittpunkt (S) schneiden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum im Düsenkörper (10) eine Längsachse (12) aufweist, wobei sich der Schnittpunkt (S) der Längsachsen (21; 21') der Spritzlöcher (20; 20') auf der Längsachse (21) des Druckraums (11) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiteres Spritzloch (20") im Düsenkörper (10) ausgebildet ist, dessen Längsachse (21") sich mit der Längsachse (21; 21') wenigstens eines anderen Spritzlochs (20; 20') außerhalb des Düsenkörpers (10) schneidet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzlöcher (20; 20'; 20") als zylindrische oder konische Bohrungen ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Düsensitzes (15) im Düsenkörper (10) ein Sackloch (17) ausgebildet ist, von dem die Spritzlöcher (20; 20'; 20") ausgehen.
Verfahren zum Erzeugen eines Hochdruckwasserstrahls (8) unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Befüllen des Druckraums (11) im Düsenkörper (10) mit Wasser unter einem Bearbeitungsdruck. - Positionieren der Düse (1) zu einem zu bearbeitendem Werkstück (9) in einem Bearbeitungsabstand (a), so dass die aus den Spritzlöchern (20; 20') ausgespritzten Hochdruckwasserstrahlen (8; 8') auf das Werkstück (9) auftreffen. - Periodisches Bewegen des Ventilelements (14) im Druckraum (11) so, dass die Spritzlöcher (20; 20') abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, wobei der Schnittpunkt der Hochdruckwasserstrahlen (8; 8') auf oder unterhalb der Oberfläche des Werkstücks (9) liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (11) eine Längsachse (12) aufweist und der Schnittpunkt (S) der Hochdruckwasserstrahlen (8; 8') auf dieser Längsachse (12) liegt.