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1. WO2020126421 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR EROSIVEN BEARBEITUNG EINES WERKSTÜCKS ODER EINER WERKSTÜCKOBERFLÄCHE MIT HILFE EINES HOCHDRUCK-FLUIDSTRAHLS

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Titel:

Verfahren und Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer

Werkstückoberfläche mit Hilfe eines Hochdruck- Fluidstrahls

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werkstückoberfläche mit Hilfe eines Hochdruck- Fluidstrahls gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur erosiven Bear beitung eines Werkstücks oder einer Werkstückoberfläche mit Hilfe eines Hochdruck-Fluidstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Die Vorrichtung ist insbesonde re zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Stand der Technik

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 201 797 Al ist eine Vorrichtung zum Wasser strahlschneiden von Werkstoffen, wie beispielsweise Stahl, Stein, Glas oder Keramik, hervor, die eine Hochdruckpumpe und eine Düse umfasst. Die Hochdruckpumpe dient der Erzeugung eines über die Düse abzugebenden Hochdruckfluidstrahls, insbesonde re eines Hochdruckwasserstrahls. Um die Antriebsleistung der Hochdruckpumpe klein zu halten und die Schaffung komplexer dreidimensionaler Strukturen innerhalb der Werkstoffe mittels des Hochdruckfluidstrahls zu ermöglichen, wird in dieser Druck schrift vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Erzeugen von durch die Düse austretenden Fluidimpulsen aufweist, wobei die Fluidimpulse dazu ausgebildet sind, eine vorgegebene Menge von Partikeln vom Werkstoff abzutragen. Über die angegebene Vorrichtung soll ein diskontinuierlicher, d. h. insbesondere ein periodisch unterbrochener Fluidstrahl, erzeugbar sein, der bei vergleichsweise niedri gem Förderdruck der Hochdruckpumpe eine hohe Abtragwirkung besitzt. Denn durch die gezielt frequentierten Pulsstöße bzw. Fluidimpulse kommt es zu einem sich selbst- verstärkenden Effekt. Zugleich ermöglichen die Fluidimpulse das Schneiden und/oder Einbringen einer dreidimensionalen Geometrie in den Werkstoff. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Einrichtung zum Erzeugen der Fluidimpulse mindestens ein Ventil, das nach Art eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein soll. Zur Betätigung des Ventils ist vorzugsweise ein Magnetaktor oder Piezoaktor vorgesehen.

Bei Verwendung eines nach Art eines Einspritzventils einer Brennkraftmaschine aus gebildeten Ventils zur Erzeugung eines Hochdruck- Fluidstrahls, insbesondere Hoch druck-Wasserstrahls, kann es im Bereich der Düse zu einem Bauteilversagen aufgrund von Korrosion kommen. Denn zur Ausbildung der Düse von Einspritzventilen werden üblicherweise Stähle verwendet, die korrodieren können.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt daher der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Gefahr eines Bauteilversagens aufgrund von Korrosion zu mindern.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werkstückoberfläche mit Hilfe eines Hochdruck- Fluidstrahls wird ein Fluid mittels einer Fluidpumpe mit Hochdruck beaufschlagt und einer Düse zur Formung eines Hochdruck- Fluidstrahls zugeführt. Erfindungsgemäß wird das Fluid, bevor es der Düse zugeführt wird, mit Hilfe einer Entgasungseinrichtung entgast. Das heißt, dass zur ero siven Bearbeitung des Werkstücks bzw. der Werkstückoberfläche ein Hochdruck-Fluidstrahl aus einem Fluid verwendet wird, das zuvor entgast worden ist. Das Entga sen reduziert den Sauerstoffanteil im Fluid, so dass der Korrosionsangriff auf korrosi onsgefährdete Bauteile der Düse verringert wird. Damit sinkt die Gefahr eines Bauteil versagens aufgrund von Korrosion deutlich. Im Ergebnis wird somit die Robustheit der Düse gesteigert.

Bei dem Fluid zur Erzeugung des Hochdruck- Fluidstrahls kann es sich insbesondere um Wasser oder ein Wasser enthaltendes Fluid handeln.

Bevorzugt werden mit Hilfe der Entgasungseinrichtung Gasblasen im Fluid erzeugt.

Das Erzeugen von Gasblasen führt zur Entgasung des Fluids, da die Gasblasen durch Auftrieb bis an die Fluidoberfläche aufsteigen. An der Fluidoberfläche zerfallen sie, wo bei das Gas an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe der Entgasungseinrichtung ein konti nuierlicher oder gepulster Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahl in das Fluid eingebracht wird. Mit Hilfe des kontinuierlichen oder gepulsten Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls können in einfacher Weise Gasblasen im Fluid erzeugt werden, und zwar aufgrund von Kavitation und/oder Fluidscherung. Denn der in das Fluid eingebrachte Hochgeschwin digkeits- Fluidstrahl führt zu lokalen Unterdruckgebieten im Fluid, so dass es zur Aus bildung von Gasblasen kommt. Zusätzlich erfolgt eine Scherung des Fluids durch die hohe Geschwindigkeit des eingebrachten Fluids. Bei dem zu entgasenden Fluid und dem in das zu entgasende Fluid in Form eines Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls ein gebrachten Fluid kann es sich insbesondere um das gleiche Fluid handeln. Das heißt, dass - sofern Wasser zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werk stückoberfläche verwendet wird - die Gasblasen im Fluid mit Hilfe eines Hochge-schwindigkeits-Wasserstrahls erzeugt werden.

Bevorzugt wird zur Erzeugung des Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahls eine weitere Dü se, eine Drossel oder eine Lochblende verwendet. Mit Hilfe der weiteren Düse, die analog der ersten Düse zur Formung des Hochdruck- Fluidstrahls zur erosiven Bearbei tung des Werkstücks oder der Werkstückoberfläche ausgebildet sein kann, kann ins besondere ein gepulster Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahl erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend können mit Hilfe der Düse bei Bedarf weitere Prozessparameter, wie beispielsweise die Frequenz, die Dauer und/oder der Durchfluss, variiert werden. Die Düse kann aber auch kontinuierlich betrieben werden. Die Düse weist vorzugsweise mindestens ein Spritzloch auf, das kavitierend ausgelegt ist. Beispielsweise kann die Düse konisch geformt sein und/oder eine Stufenbohrung aufweisen. Weiterhin vor zugsweise weist die Düse keine Einlaufverrundung auf.

Unabhängig davon, ob eine Düse, eine Drossel oder eine Lochblende zur Erzeugung des Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls verwendet wird, wird ferner vorgeschlagen, dass die zur Erzeugung des Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls vorgesehene Vorrich tung mit der Druckseite der Fluidpumpe verbunden ist. Das heißt, dass der Düse, der Drossel oder der Lochblende mit Hochdruck beaufschlagtes Fluid zu geführt wird. Die Düse, Drossel oder Lochblende wandelt den hohen Druck in eine hohe Geschwindig keit um, so dass das Fluid als Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahl in das zu entgasende Fluid eingebracht wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der in das Fluid eingebrachte Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahl ein- oder mehrfach umgelenkt wird. Durch Umlenken des Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahls kann die Fluidscherung verstärkt werden. Dies wiederum führt zu einer stärkeren Ausgasung und damit zu einer Optimierung des Ent gasungsprozesses.

Damit kein an die Umgebungsluft abgegebenes Gas über die Umgebungsluft wieder in das Fluid eingelöst wird, wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe von Schwimmkörpern, die auf dem Fluid schwimmen, eine Sperrschicht ausgebildet wird, die ein Auslösen von Gas aus dem Wasser ermöglicht, aber ein erneutes Einlösen verhindert.

Die zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werkstückoberfläche mit Hilfe eines Hochdruck- Fluidstrahls umfasst eine Fluidpumpe zur Beaufschlagung eines Flu ids mit Hochdruck sowie eine Düse zur Formung eines Hochdruck- Fluidstrahls. Erfin dungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung durch eine Entgasungseinrichtung zum Entgasen des Fluids aus. Das Fluid wird mit Hilfe der Entgasungseinrichtung entgast bevor es der Düse zugeführt wird. Die Entgasungseinrichtung umfasst einen das Fluid aufnehmenden Behälter und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochgeschwindig keits- Fluidstrahls.

Bei dem Behälter kann es sich um einen Tank zur Bevorratung des Fluids oder um ei nen zusätzlich zum Tank vorgesehenen Behälter handeln. Dieser ist dann mit dem Tank in der Weise verbunden, dass eine Fluidmenge aus dem Tank dem Behälter zu- führbar ist, um entgast zu werden. Die entgaste Fluidmenge kann dann zur erosiven Bearbeitung des Werkstücks bzw. der Werkstückoberfläche genutzt werden. Das heißt, dass der Düse die entgaste Fluidmenge aus dem Behälter zugeführt wird.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung ei nes Werkstücks bzw. einer Werkstückoberfläche umfasst die Vorrichtung zur Erzeu gung eines Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls eine weitere Düse, eine Drossel oder eine Lochblende. Mit Hilfe der Düse, der Drossel oder der Lochblende kann in einfa cher Weise ein Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahl erzeugt und in eine zu entgasende Fluidmenge eingebracht werden. Die Düse weist den Vorteil auf, dass sowohl ein kon tinuierlicher als auch gepulster Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahl erzeugt werden kann, wobei die Pulsfrequenz einen variablen Prozessparameter darstellt. Eine weitere vari able Prozessgröße stellt beispielsweise der Durchfluss durch die Düse dar, während der Durchfluss durch die Drossel oder Lochblende in der Regel immer gleich ist. Es sei denn, dass eine Drossel bzw. Lochblende mit einem variablen Strömungsquerschnitt verwendet wird. Vorzugsweise wird eine Düse mit mindestens einem Spritzloch ge wählt, das kavitierend ausgelegt ist. Das Spritzloch kann insbesondere konisch oder gestuft geformt sein. Des Weiteren bevorzugt sollte auf eine Einlaufverrundung im Be reich des Spritzlochs verzichtet werden.

Die weitere Düse kann beispielsweise analog der ersten Düse ausgestaltet sein, die der Formung eines Hochdruck- Fluidstrahls zur erosiven Bearbeitung des Werkstücks bzw. der Werkstückoberfläche dient.

Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls mit der Druckseite der Fluidpumpe verbunden. Der Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls wird somit eine mit Hochdruck beaufschlagte Flu idmenge zugeführt, die sich mit Hilfe der Vorrichtung, vorzugsweise mit Hilfe der Düse, der Drossel oder der Lochblende, in einfacher Weise in einen Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahl umwandeln lässt.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Behälter eine Umlenkein richtung, beispielsweise eine Prallplatte oder einen Prallkörper, zur ein- oder mehrfa chen Umlenkung des Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahls angeordnet ist. Durch ein-oder mehrfaches Umlenken des Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls kann die Fluid scherung im Behälter verstärkt werden, so dass die im Behälter vorhandene Fluidmen ge stärker ausgast. Im Ergebnis kann somit der Entgasungsprozess beschleunigt, das heißt effizienter gestaltet werden.

Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass im Behälter Schwimm körper aufgenommen sind, die auf der Fluidoberfläche eine Sperrschicht ausbilden, die ein Auslösen von Gas aus dem Wasser ermöglicht, aber ein erneutes Einlösen verhin dert. Als Schwimmkörper eignen sich insbesondere Hohlkörper, beispielsweise aus Kunststoff.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ero-siven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werkstückoberfläche,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Erzeugung ei nes Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungs form,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Erzeugung ei nes Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls gemäß einer zweiten bevorzugten Ausfüh rungsform, und

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Erzeugung ei nes Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungs form.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Darstellung der Fig. 1 beschränkt sich auf die wesentlichen Komponenten einer er findungsgemäßen Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks 1 bzw. einer Werkstückoberfläche. Hierbei handelt es sich zunächst um eine Düse 4, die der For mung eines Hochdruck- Fluidstrahls dient, der auf das Werkstück 1 bzw. die Werk stückoberfläche gerichtet wird. Der Düse 4 wird hierzu über eine Fluidpumpe 3 ein mit Hochdruck beaufschlagtes Fluid 2 zugeführt, das zuvor mit Hilfe einer Entgasungsein richtung 5 entgast worden ist. Die Entgasung dient der Reduzierung des Sauerstoffan teils im Fluid 2, um die Korrosionsgefahr im Bereich der Düse 4 zu minimieren.

Die Entgasungseinrichtung 5 weist hierzu einen Behälter 10 auf, in dem eine Vorrich tung 11 zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls 7 aufgenommen ist. Bei der Vorrichtung 11 kann es sich insbesondere um eine Drossel, eine Lochblende oder eine weitere Düse 8, die beispielsweise analog der ersten Düse 4 zur erosiven Bearbeitung des Werkstücks 1 ausgebildet ist, handeln. Der mit Hilfe der Vorrich tung 11 erzeugte Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahl 7 wird in eine im Behälter 10 vor handene Fluidmenge eingebracht, so dass es aufgrund von Kavitation und/oder Fluid scherung zur Ausbildung von Gasblasen 6 kommt, die im Fluid 2 aufsteigen und an der Fluidoberfläche 13 zerfallen, so dass das Gas an die Umgebungsluft abgegeben wird. Auf diese Weise wird die im Behälter 10 vorhandene Fluidmenge entgast. Das entgas te Fluid 2 wird dann mit Hilfe der Fluidpumpe 3 der Düse 4 zugeführt. Da der Sauer stoffanteil im Fluid 2 aufgrund der Entgasung minimal ist, sinkt die Korrosionsgefahr deutlich. Das heißt auch, dass die Gefahr eines Bauteilversagens aufgrund von Korro sion verringert wird.

Die vorliegend in der Fig. 1 dargestellte Fluidpumpe 3 wird mit Hilfe eines Elektromo tors 14 angetrieben. Andere Antriebsarten sind ebenfalls möglich. Ferner kann die An zahl und Anordnung von Filtern 15 variiert werden. Die Filter 15 dienen der Abschei dung etwaiger im Fluid 2 enthaltener schädlicher Partikel. Alternativ oder ergänzend kann in einer Druckleitung 17, über welche die Fluidpumpe 3 mit der Düse 4 verbunden ist, ein Zwischenspeicher 16 angeordnet sein. Die Zumessung von Fluid 2 zur Düse 4 wird vorzugsweise mit Hilfe eines Ventils 18 gesteuert.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist die Düse 4 einen Anschluss 19 zur Verbindung mit einem Vorratsbehälter 20 auf, in dem ein abrasiver Stoff bevorratet ist. Über den Anschluss 19 kann somit der Düse 4 ein abrasiver Stoff zugeführt werden, der beim Austragen des Fluids 2 über die Düse 4 von dem Fluid 2 mitgerissen wird. Die erosive Bearbeitung des Werkstücks 1 bzw. der Werkstückoberfläche kann auf diese Weise verstärkt werden.

An die Düse 4 ist ferner eine Rücklaufleitung 21 angeschlossen, die zu einem Auffang behälter 22 führt. Im Auffangbehälter 22 wird auch die Fluidmenge gesammelt, die bei der erosiven Bearbeitung anfällt. Da die bei der erosiven Bearbeitung anfallende Flu idmenge verunreinigt ist, wird sie entsorgt.

Der Fig. 2 ist beispielhaft eine Entgasungseinrichtung 5 mit einer Vorrichtung 11 zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahls 7 zu entnehmen. Die Vorrich tung 11 umfasst vorliegend eine Düse 8, die mehrere Spritzlöcher 23 aufweist. Die Dü se 8 gehört zu einem Nadelventil, das nach Art eines Kraftstoffeinspritzventils ausge bildet ist. Die Spritzlöcher 23 sind über die Hubbewegungen einer hubbeweglichen Dü sennadel 24 steuerbar. In Abhängigkeit von der Ansteuerung der Düsennadel 24 kann - je Spritzloch 23 - ein kontinuierlicher oder gepulster Hochgeschwindigkeits-Fluidstrahl 7 erzeugt werden. Dieser führt im Fluid 2 zur Ausbildung von Gasblasen 6, die im Fluid 2 aufsteigen und an der Fluidoberfläche 13 das Gas an die Umgebung ab gegeben.

Der Fig. 3 ist eine Weiterbildung der Entgasungseinrichtung 5 der Fig. 2 zu entnehmen. Um ein erneutes Einlösen des bereits an die Umgebung abgegebenen Gases in das Fluid 2 zu verhindern, sind im Behälter 10 Schwimmkörper 9 aufgenommen, die auf der Fluidoberfläche 13 schwimmen und eine Sperrschicht ausbilden.

Eine weitere Modifikation der Entgasungseinrichtung 5 ist in der Fig. 4 dargestellt. Hier sind im Behälter 10 Umlenkeinrichtungen 12 angeordnet, die zu einer Umlenkung der Hochgeschwindigkeits- Fluidstrahlen 7 im Fluid 2 führen, so dass der Entgasungspro zess durch eine stärkere Fluidscherung beschleunigt wird. Vorliegend ist jedem Spritz loch 23 eine Umlenkeinrichtung 12 in Form einer Prallplatte zugeordnet.