用于液体射流切割的方法与流程

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。通过该方法可以加工固体材料，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。

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。

由de102013201797a1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。

技术实现要素：

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，在工件表面和液体射流之间的加工角度小于90°。

通过与已知的直角相比较小的加工角度可以特别是在相对较硬的材料的情况下改善加工效果。如果液体射流以较小的加工角度撞击到工件表面上，则在工件中在切口端部形成具有尖锐的加工角度的棱边，液体射流可以作用到该加工角度上并且能够更好地打碎所述材料、尤其是硬的材料。

在本发明的有利构型中，加工角度大于60°，优选是60°到80°。该角度范围尤其在非常硬的材料的情况下证明是有利的。在此，有利的是，要加工的材料越硬，使用越小的加工角度。

在本发明的有利构型中，脉冲持续时间为100到1000μs，其中，液体射流通过中断器单元以有利的方式周期性地开启和关闭来产生液体脉冲。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，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3在液体射流切开工件的区域中的工件的示意性放大横截面，和

图4所述装置所输出的液体量的时间分布的示意性视图。

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。

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。

喷嘴体10、从而液体射流14以加工角度α相对于工件15的工件表面115倾斜，其中，加工角度α小于90°。在此，加工角度α限定为沿加工方向22在液体射流14和工件表面115之间。如果液体射流14撞击到工件表面115上，则液体射流14打碎工件15在该区域中的材料。由于液体射流14的斜置得到在切口端部上的棱边19，该棱边在工件表面115和由于液体射流14而形成的切口之间围成钝角，该钝角在理想情况下与加工角度α互补为180°，这如在图3中在工件15的纵截面中放大示出的那样。液体射流14可以通过在棱边19上的锐角尤其在非常硬的材料的情况下通过液体射流14更容易地打碎并且由此更容易和以更高质量地切割。

材料越硬，以较小的加工角度α实现越好的结果。在较软的材料中加工也可以通过较大的加工角度实施，使得最佳的加工角度根据工件硬度而言地优化。

在图4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tp，并且彼此的时间间隔是ta。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，所述脉冲有规律地或者以不同的时间间隔相互跟随。

液体脉冲的持续时间tp小于1000μs、优选100到1000μs，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。液体以例如2500巴的压力被暂时保持在喷嘴12内部，这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)明显降低并且具有相应较少的能量消耗。

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a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。优化的加工角度α是60°到80°，时钟频率是脉冲频率大于40hz并且脉冲持续时间为1000μs或更少，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。也可以设置，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。在节流足够强的前提下，所述效应也会实现。在此，不被节流地从喷嘴10中排出的每单位时间的液体量q的80到90％的节流是足够的。