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, vorzugsweise ein elektromagnetisch oder piezoelektrisch betä tigbares Ventil, das weiterhin vorzugsweise nach Art eines Einspritzventils einer Brenn kraftmaschine ausgebildet und mittels einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung ansteu erbar ist. Derartige Ventile ermöglichen einen nahezu konstanten Systemdruck bis 3000 bar. Bei der Ansteuerung des Ventils anfallende Steuer- bzw. Rücklaufmengen werden zur Verringerung des Fluidverbrauchs bevorzugt über einen Rücklauf in den Vorratsbehälter zurückgeführt.

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 eine Teilmenge des mit Hochdruck beaufschlagten und/oder der Düse zugeführten Fluids als Rücklaufmenge über eine Rücklaufleitung einer Entgasungseinrichtung zugeführt und zum Entgasen des in einem Tank bevorrateten Fluids genutzt. Das heißt, dass das Fluid, bevor es der Düse zugeführt wird, mit Hilfe der Entgasungseinrichtung entgast wird. Das Entgasen reduziert den Sauerstoffanteil im Fluid, so dass der Korrosionsangriff auf korrosionsge fährdete Bauteile der Düse verringert wird. Damit sinkt die Gefahr eines Bauteilversa gens aufgrund von Korrosion deutlich. Im Ergebnis wird somit die Robustheit der Düse gesteigert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Entgasung des Fluids unter Ausnutzung der sonst ungenutzten Rücklaufmenge durchgeführt wird. Die Rücklauf menge setzt sich insbesondere aus einer rückzuführenden Steuermenge zusammen. Funktionsbedingt fällt gerade bei hohen Systemdrücken eine große Steuer- bzw. Rück laufmenge an, die für die erosive Bearbeitung des Werkstücks bzw. der Werkstück oberflache nicht benötigt wird. Üblicherweise wird diese Rücklaufmenge entsorgt.

Durch Nutzung der Rücklaufmenge zum Entgasen des Fluids kann das erfindungsge mäße Verfahren Ressourcen schonend durchgeführt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid zur Erzeugung des Hochdruck- Fluidstrahls um Wasser, so dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens der Wasserverbrauch reduziert werden kann.

Die auf der Druckseite der Fluidpumpe angeordnete Rücklaufleitung zweigt vorzugs weise stromabwärts eines Druckhalteventils von einer Druckleitung ab, welche die Flu idpumpe mit der Düse zum Erzeugen bzw. Formen eines Hochdruck- Fluidstrahls ver bindet. Die Rücklaufleitung kann ferner direkt an die Düse angeschlossen sein.

Bevorzugt ist die Rücklaufleitung mit einem Steuerventil verbunden, das der Steuerung der Hubbewegungen einer in der Düse bzw. in einem Düsenkörper der Düse hubbe weglich aufgenommenen Düsennadel zum Freigeben und Verschließen einer Ein spritzöffnung zum Erzeugen des pulsierenden Fluidstrahls dient. Die Düse kann in die sem Fall nach Art einer Düse eines Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraft stoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgestaltet sein und betrieben werden. Das heißt, dass entsprechend große Rücklaufmengen bei der Betätigung des Steuerventils anfallen, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren nunmehr einer Nutzung zugeführt werden.

Zum Entgasen des im Tank bevorrateten Fluids wird vorzugsweise die Rücklaufmenge über einen Drosselquerschnitt in das Fluid eingebracht, so dass durch Kavitation Gas- blasen im Fluid erzeugt werden. Das Erzeugen von Gasblasen führt zur Entgasung des Fluids, da die Gasblasen durch Auftrieb bis an die Fluidoberfläche aufsteigen, an der Fluidoberfläche zerfallen und dabei das Gas an die Umgebungsluft abgeben. Die zum Entgasen in den Tank bzw. in das im Tank bevorratete Fluid eingebrachte Rücklauf menge steht somit selbst wieder als Fluid zur Verfügung. Der Fluid- bzw. Wasserver brauch kann somit weiter reduziert werden.

Zur Ausbildung des Drosselquerschnitts wird vorzugsweise eine Drossel oder eine Lochblende verwendet. Mit Hilfe der Drossel oder der Lochblende kann in einfacher Weise eine Drosselung der Rücklaufmenge bewirkt werden, die zur Ausbildung der Gasblasen aufgrund einer sich einstellenden Kavitation führt. Das heißt, dass sich im Fluid ein Unterdruckgebiet ausbildet, das zur Entstehung der Gasblasen führt.

Bei Verwendung einer Drossel bzw. Lochblende mit einem feststehenden Drosselquer schnitt ist dieser bevorzugt an den Systemdruck angepasst. Da der Systemdruck bei einer Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werkstück oberfläche häufig fest vorgegeben bzw. nicht veränderbar ist, muss auch der Drossel querschnitt nicht verändert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Drosselquerschnitt betriebspunktabhängig verändert. Auf diese Weise kann der Drosselquerschnitt an ei nen sich verändernden Systemdruck und/oder an eine sich verändernde Rücklaufmen ge angepasst werden. Dies setzt jedoch voraus, dass der Drosselquerschnitt verän derbar ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine Drossel oder Lochblende mit ei nem variablen Drosselquerschnitt verwendet wird. Ferner kann ein veränderbarer Drosselquerschnitt durch mehrere parallel geschaltete Drosseln oder Lochblenden rea lisiert werden, die gleiche oder unterschiedliche Drosselquerschnitte aufweisen. Wei sen mehrere Drosseln oder Lochblenden den gleichen Drosselquerschnitt auf, kann über die Anzahl der zugeschalteten Drosseln bzw. Lochblenden der Gesamtdrossel querschnitt variiert werden. Darüber hinaus kann auch mindestens eine Irisblende ver wendet werden, deren Drosselquerschnitt kontinuierlich veränderbar ist.

Damit kein an die Umgebungsluft bereits abgegebenes Gas über die Umgebungsluft wieder in das Fluid eingelöst wird, wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe von Schwimm- körpern, 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 aus dem zuvor mit Hochdruck beaufschlagten Fluid. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Vorrichtung durch eine Entgasungseinrichtung zum Entgasen des in einem Tank be vorrateten Fluids aus. Mit Hilfe der Entgasungseinrichtung kann das Fluid entgast wer den, bevor es der Düse zugeführt wird. Die Entgasungseinrichtung ist hierzu über eine Rücklaufleitung mit der Druckseite der Fluidpumpe und/oder mit der Düse verbunden, so dass der Entgasungseinrichtung eine zum Entgasen nutzbare Rücklaufmenge zu- führbar ist. Da die funktionsbedingt bei der erosiven Bearbeitung anfallende Rücklauf menge üblicherweise entsorgt und damit aus dem System entfernt wird, führt die vor geschlagene Nutzung der Rücklaufmenge zu einer deutlichen Verringerung des Fluid verbrauchs. Über die vorgeschlagene Nutzung der Rücklaufmenge bleibt diese zudem im System, so dass sie erneut als Fluid zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werkstückoberfläche zur Verfügung steht.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor be schriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Vorzugsweise wird daher die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet.

Bevorzugt umfasst die Entgasungseinrichtung der vorgeschlagenen Vorrichtung eine einen Drosselquerschnitt ausbildende Komponente, beispielsweise eine Drossel oder eine Lochblende, mit deren Hilfe die Rücklaufmenge in das im Tank bevorratete Fluid einbringbar ist. Das heißt, dass die Rücklaufmenge beim Einbringen in den Tank bzw. in das im Tank bevorratete Fluid gedrosselt wird. Über die Drosselung der Rücklauf menge beim Einbringen in das Fluid kann ein Kavitations- bzw. Unterdruckgebiet im Fluid erzeugt werden, so dass Gasblasen im Fluid entstehen. Diese steigen aufgrund des Auftriebs im Fluid nach oben und geben das Gas an der Fluidoberfläche an die Umgebungsluft ab. Auf diese Weise wird das im Tank bevorratete Fluid entgast. Bei dem Tank kann es sich um den eigentlichen Vorratstank oder einen zusätzlichen Tank zur Bevorratung und insbesondere Entgasung des Fluids handeln. Im letztge nannten Fall ist der zusätzliche Tank Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung. Über den zusätzlichen Tank wird dann der Vorratstank mit entgastem Fluid befüllt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Düse der Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung ei nes Werkstücks bzw. einer Werkstückoberfläche nur entgastes Fluid zugeführt wird.

Beim Einbringen der Rücklaufmenge in den Tank zum Entgasen des im Tank bevorra teten Fluids vermischt sich die Rücklaufmenge mit dem im Tank vorhandenen Fluid. Zugleich wird auch die Rücklaufmenge entgast. Die Rücklaufmenge ist demnach wie der als Prozessfluid einsetzbar.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Drosselquerschnitt, über den die Rücklaufmenge in das im Tank bevorratete Fluid eingebracht wird, variabel ist. Der Drosselquerschnitt kann somit insbesondere an unterschiedliche Betriebspunkte der Vorrichtung zur erosiven Bearbeitung eines Werkstücks oder einer Werkstückober fläche und/oder unterschiedliche Rücklaufmengen angepasst werden. Zur Ausbildung des variablen Drosselquerschnitts kann beispielsweise eine variable Drossel oder eine variable Lochblende verwendet werden. Alternativ oder ergänzend kann der variable Drosselquerschnitt durch mehrere parallel geschaltete Drosseln oder Lochblenden rea lisiert werden, die zu- oder abschaltbar sind, so dass sich unterschiedliche Gesamt drosselquerschnitte ergeben. Die mehreren Drosseln oder Lochblenden können dabei gleiche oder unterschiedliche Drosselquerschnitte aufweisen. Darüber hinaus kann ei ne Lochblende mit einem vorzugsweise kontinuierlich veränderbaren Drosselquer schnitt, beispielsweise eine Irisblende, verwendet 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 Hohl körper 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 mit einer Entga sungseinrichtung,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Entgasungseinrichtung der Vor richtung der Fig. 1,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine modifizierte Entgasungseinrich tung, und

Fig. 4 a)-h) jeweils eine Draufsicht auf eine Irisblende mit unterschiedlichen Drossel querschnitten.

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 6 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 in der Fig. 2 vergrößert dargestellte Entgasungseinrichtung 6 weist einen Tank 7 zur Bevorratung von Fluid 2 auf. In den Tank 7 mündet eine Rücklaufleitung 5, die an- dernends mit der Düse 4 verbunden ist. Über die Rücklaufleitung 5 wird somit dem Tank 7 eine Rücklaufmenge zugeführt. Die Rücklaufmenge wird über einen Drossel querschnitt 8 in das im Tank 7 bevorratete Fluid 2 eingeleitet, so dass hinter dem Dros selquerschnitt 8 im Fluid 2 ein Kavitationsgebiet entsteht und es zur Ausbildung von Gasblasen 9 kommt. Die Gasblasen 9 steigen wegen des Auftriebs im Fluid 2 auf und geben an der Fluidoberfläche 13 das Gas an die im Tank 7 vorhandene Umgebungs luft 23 ab. Auf diese Weise werden das im Tank 7 vorhandene Fluid 2 und die Rück- laufmenge entgast. Mit Hilfe der Fluidpumpe 3 wird der Düse 4 daher entgastes Fluid 2 aus dem Tank 7 zugeführt.

Der Drosselquerschnitt 8 wird in der Fig. 2 durch eine Drossel 10 gebildet, die einen feststehenden Drosselquerschnitt 8 aufweist. Der Drosselquerschnitt 8 ist derart ge wählt, dass sich hinter der Drossel 10 die gewünschte Kavitation im Fluid 2 einstellt.

Zur Anpassung des Drosselquerschnitts 8 an verschiedene Betriebspunkte der Vorrich tung können auch mehrere Drosseln 10.1, 10.2 und 10.3 parallel geschaltet werden, wobei die mehreren Drosseln 10.1, 10.2 und 10.3 über Ventile 22.1, 22.2 und 22.3 je weils einzeln zu- oder abschaltbar sind (siehe Fig. 3). Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 weisen die mehreren Drosseln 10.1, 10.2 und 20.3 zudem unterschiedlich große Drosselquerschnitte 8.1, 8.2 und 8.3 auf.

Alternativ kann ein variabler Drosselquerschnitt 8 auch mittels einer variablen Loch blende 11 realisiert werden. Hierzu eignet sich insbesondere eine Irisblende (siehe Fig. 4). Die Irisblende kann kontinuierlich verstellt werden, wie die einzelnen Betriebsstel lungen der Figuren 4a) bis 4h) zeigen.

Um ein erneutes Einlösen von bereits an die Umgebungsluft 23 abgegebenem Gas in das Fluid 2 über die Fluidoberfläche 13 zu verhindern, können im Tank 7 Schwimmkör per 12 aufgenommen sein, die auf der Fluidoberfläche 13 eine Sperrschicht ausbilden. Diese Ausführungsform ist beispielhaft in der Fig. 2 (rechte Seite) dargestellt.

Bei der erosiven Bearbeitung eines Werkstücks 1 oder einer Werkstückoberfläche wird in der Regel Wasser als Prozessfluid eingesetzt. Mit Hilfe der Entgasungseinrichtung 6 kann insbesondere der Sauerstoffanteil des als Prozessfluid eingesetzten Wassers re duziert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Korrosionsgefahr der mit dem Wasser in Kontakt gelangenden Komponenten der Vorrichtung verringert wird. Insbesondere kann mit Hilfe der Entgasungseinrichtung 6 die Robustheit der Düse 4 gesteigert wer den.

Um die Robustheit der Düse 4 sowie der Fluidpumpe 3 zu steigern, kann ferner min destens ein Filter 15 zur Abscheidung etwaiger im Fluid 2 enthaltener Partikel vorgese- hen sein. Denn die Partikel können die Fluidpumpe 3 und/oder die Düse 4 beschädi gen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist sowohl saugseitig als auch druckseitig je weils ein Filter 15 angeordnet. Ein weiterer Filter 15 ist stromabwärts eines Zwischen speichers 16 in einer Druckleitung 17 angeordnet, welche die Fluidpumpe 3 mit der Düse 4 verbindet. In der Druckleitung 17 sind ferner ein Drucksensor 24 und ein

Druckhalteventil 18 aufgenommen. Die Fluidpumpe 3 wird vorliegend durch einen Elektromotor 14 angetrieben, wobei auch andere Antriebsarten möglich sind.

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.

Bei der erosiven Bearbeitung des Werkstücks 1 verbrauchtes Fluid 2 wird in einem Auffangbehälter 21 gesammelt und entsorgt, da dieses verunreinigt ist.