WO2005063441A1 - Method and device for surface control - Google Patents

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WO2005063441A1
WO2005063441A1 PCT/EP2004/014649 EP2004014649W WO2005063441A1 WO 2005063441 A1 WO2005063441 A1 WO 2005063441A1 EP 2004014649 W EP2004014649 W EP 2004014649W WO 2005063441 A1 WO2005063441 A1 WO 2005063441A1
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WO
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workpiece
process medium
abrasive
machining
medium
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/014649
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ewald Aicher
Henning Ahrens
Gerd Beck
Holger Hilzinger
Original Assignee
C. Hilzinger-Thum
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Filing date
Publication date
Application filed by C. Hilzinger-Thum filed Critical C. Hilzinger-Thum
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B31/00—Machines or devices designed for polishing or abrading surfaces on work by means of tumbling apparatus or other apparatus in which the work and/or the abrasive material is loose; Accessories therefor
    • B24B31/10—Machines or devices designed for polishing or abrading surfaces on work by means of tumbling apparatus or other apparatus in which the work and/or the abrasive material is loose; Accessories therefor involving other means for tumbling of work
    • B24B31/116—Machines or devices designed for polishing or abrading surfaces on work by means of tumbling apparatus or other apparatus in which the work and/or the abrasive material is loose; Accessories therefor involving other means for tumbling of work using plastically deformable grinding compound, moved relatively to the workpiece under the influence of pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants
    • B24C3/08—Abrasive blasting machines or devices; Plants essentially adapted for abrasive blasting of travelling stock or travelling workpieces
    • B24C3/10—Abrasive blasting machines or devices; Plants essentially adapted for abrasive blasting of travelling stock or travelling workpieces for treating external surfaces
    • B24C3/12—Apparatus using nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C9/00—Appurtenances of abrasive blasting machines or devices, e.g. working chambers, arrangements for handling used abrasive material
    • B24C9/006—Treatment of used abrasive material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for surface revision.
  • Machining of metallic workpieces can create areas on or below the surface with changed physical, chemical and otherwise different material properties. Examples of this in the case of metal surfaces are edge zones with induced internal stresses as a result of the hardening during forming, scaling due to heating and the formation of metallurgical changes such as superficial depletion or enrichment layers or structural changes due to heating or pickling. Tinder is the common technical name for oxide layers, which are created by the action of oxygen, often supported by heat, on the metal surface.
  • boundary layer includes all types of inhomogeneous material composition, in particular according to physically, chemically and metallurgically different states, which are located in, at or near the workpiece surface.
  • oxide layers which are present during processing must be removed: on the one hand, rolling in would deteriorate the strip quality, and on the other hand strips with an oxide layer would not correspond to the surface quality required by the market.
  • a method for removing such scale or oxide layers must also be able to remove depletion and enrichment layers which arise when certain elements disproportionately pass into the scale layer during heat treatment of the workpiece. It is known that such before depletion or enrichment layers deteriorate the usage properties of the workpiece in many ways.
  • Pickling processes can be used to remove oxide layers, but these require a great deal of process engineering effort for plant technology, preparation, regeneration and environmental technology. These pickling processes can be supported by brushing or minimized by reduction under a hydrogen atmosphere, as is described, for example, in EP 1 005 926.
  • US 6273790 describes descaling with a water-ice mixture at a pressure of 700 to 8000 bar.
  • IS-HICLEAN Another method for descaling workpieces is the so-called IS-HICLEAN method, which is described, for example, in the publications US 3984943, US 4251956 and US 4269052. It is a pressurized liquid jet process. This method requires a subsequent pickling step in order to achieve the quality required by the consumer, or is very expensive even with low demands on the surface quality without subsequent pickling. Similar processes are known from the publications US 3427763 and US 4195450.
  • ER 1032486 B1 and WO 9926764 A1 describe a method in which a workpiece is stationary using an abrasive liquid under a pressure of less than 50 bar or less than 20 bar can be shaped, ground and polished.
  • wet blasting processes are known in which a water-abrasive mixture is accelerated with the aid of compressed air and applied through nozzles, so that a three-phase jet is produced.
  • US 3521412 describes a flow grinding method in which a semi-solid medium containing abrasive particles is guided along the workpiece surface. The process is only suitable for batch operation, not for continuously moving workpieces.
  • the US 5700181 describes a device for pressure fluid blasting with abrasive at a pressure of approx. 2000 bar, in which the process medium, which contains abrasive particles with a diameter of 2 to 3 ⁇ m, through an annular gap with a maximum height of 13 ⁇ m at a speed of approx. 120 m / s.
  • High pressure technology the use of the finest abrasives and a very small gap height, which is disadvantageous in terms of control and production technology, of a nozzle which dispenses the abrasive are necessary for this process.
  • US 3524367 describes the effects of adding viscosity-increasing substances to a treatment liquid containing no abrasive in a high-pressure water jet process with pressures between 700 and 7000 bar.
  • a device is also known from publication WO 02074489 in which the workpiece surface and tool form an annular gap through which the process medium flows and thereby grinds or polishes the surface.
  • Methods for recovering the abrasive from the process medium are known from WO 9818598 A1, EP 0968801 A1 and EP 0916463 A1, in which the process medium is first dried in order to subsequently remove abrasion or worn abrasive and to reuse the remaining abrasive.
  • Such discontinuous processes are uneconomical and harmful to the environment (C0 2 emissions) in the case of continuous plant operation and in view of the high energy requirement for drying, and are therefore disadvantageous.
  • JP 2001-232234 and JP 3436304B2 also disclose methods for recovering rubbed-off valuable material from the process medium, which comprises abrasive and cutting oil.
  • the gallium compound ground during the wire sawing of gallium-containing single crystals is recovered from the oily process medium.
  • the aim of the present invention is to provide an environmentally friendly, effective and continuously working method for the machining of workpieces, in particular of strip-shaped rolled products, which is particularly suitable for the removal of metallurgically modified surface layers. Another aim is to provide a device for carrying out such a method.
  • a process medium is stored in a process medium container and passed via a process pump to a processing head in the area of a process container.
  • the process medium is an abrasive liquid that is controlled to move under a pressure of less than 50 bar, preferably less than 20 bar.
  • the workpiece is continuously fed through the process container, which makes the process particularly suitable for processing flat rolled products.
  • At least two essentially parallel machining jets are emitted onto the workpiece by the machining head, the number of machining jets determining the maximum width of the machinable workpiece, or a flow of the process medium running tangentially along the workpiece is generated by the machining head.
  • the impact angle 0 ° corresponds to a flow tangential to the workpiece surface.
  • the method can be applied to long and flat products, in particular rolled products, with less handling effort and enables a more effective method because the product to be processed passes through the process container.
  • the material removal can be kept very low with the inventive method due to the low pressure, if necessary, even if the process parameters so 1 can be chosen such that the material removal rate can be increased considerably. This results in the advantage of less material loss compared to the known methods. Due to the easily controllable material removal 7 rui / crzuu ° *> w 2 «& ⁇ ⁇ . ⁇
  • the method according to the invention enables the use of masks or covers which prevent the processing of covered areas.
  • Such masks wear much more slowly at lower pressures.
  • they can only be applied to the workpiece surface in a sealing manner with respect to the process medium or subsequently removed again under the operating conditions of lower pressure or lower flow speed according to the invention.
  • the extensive surface fidelity of the method is also advantageous, that is to say the shape of the workpiece surface is largely reproduced in a self-similar manner during the shaping or removal.
  • the machining process can be used to achieve a defined roughening or smoothing.
  • the change in the surface shape also changes the reflection and absorption properties of the surface for electromagnetic radiation.
  • the high specific heat capacity of the process medium with the abrasive contained in it results in efficient heat dissipation from the workpiece, which prevents local overheating and thus enables the processing of even heat-sensitive workpiece surfaces (e.g. metal surfaces with a low melting point or applied layers or surface layers such as metals such as tin layers; plastics; workpieces with a low heat capacity due to the material or the geometry, e.g. thin-walled parts or sheet metal strips).
  • even heat-sensitive workpiece surfaces e.g. metal surfaces with a low melting point or applied layers or surface layers such as metals such as tin layers; plastics; workpieces with a low heat capacity due to the material or the geometry, e.g. thin-walled parts or sheet metal strips).
  • the strength of the abrasive attack is often assessed according to the removal rate and the roughness parameters, but can also be assessed using any criteria that describe the change in the workpiece surface due to the machining process depending on the requirements, such as suitability for coating, machining or other subsequent processing or use steps.
  • the strength of the abrasive attack which is to be assessed in the relevant manner, can be influenced by:
  • the choice of the duration of action the choice of the type and geometry of the process medium being brought in and out on the workpiece surface (in the area of impact: eg impact angle a, the angle between the tangent to the workpiece surface at the point of impact and the direction of impact of the flow ; Distance between discharge device and workpiece surface in the tangential flow area, flow velocity, static pressure, cross-section of the flow area, height of the gap, shape of the flow area, friction losses due to eddy formation and viscosity),
  • the combination of two or more steps can significantly improve the machining result or enable higher process speeds.
  • the damping of the abrasive is increased or varied at all according to the invention by changing the viscosity of the process medium. This influences the interaction between the abrasive and the workpiece surface in such a way that smaller machining marks are created with otherwise the same process parameters or the process effect is practically completely suspended. Furthermore, the damping can be varied in that the interaction is considerably intensified by adding gas to the process medium or a particularly low roughness is achieved by dispensing with gas addition and / or increasing the viscosity of the process medium.
  • This interaction between the abrasive and the workpiece surface can be divided into two components, namely the interaction of the abrasive with the workpiece surface in the area in which the flow impinges on the workpiece surface (impact area) and the interaction of the abrasive with the workpiece surface in the area, in which the flow flows essentially tangentially along the workpiece surface (tangential flow area). These two flow areas are often combined in real arrangements.
  • the abrasive particles are brought to the surface at an impact angle a> 0 ° (angle between the tangent to the workpiece surface at the point of impact and the direction of impact of the flow).
  • This interaction therefore has a vertical component that is pronounced depending on the angle of incidence.
  • a pronounced shaping compression, throwing, etc.
  • Tangential flow area out which is particularly pronounced with a small angle of incidence.
  • This flow against the workpiece surface can, for. B. can be realized by directing a free jet generated with nozzles onto the workpiece surface. If a process flow is to be realized only with the impingement area without a tangential flow area, then the nozzle direction must be selected so that outflowing process medium flows over the still unprocessed surface or parts of the workpiece surface must be covered in order to minimize the contribution of the tangential flow area formed by the outflowing process medium to the overall effect , The process effect depends, among other things, on the working pressure and the angle of incidence a, as well as on the jet shape (full jet, flat jet with fan angle b, full cone jet, hollow cone jet, atomizer nozzle).
  • the damping effect of the liquid means that the same abrasive produces significantly smaller machining marks than would be the case with sandblasting. It is therefore advantageous to work with coarser grain, which means considerable cost savings. In addition, with the finest available abrasives, less roughness can be achieved with the method according to the invention than is possible with sandblasting.
  • An abrasive attack is first carried out on the surface in the impact area, which is maximum depending on the material, different impact angles.
  • the topography or roughness of the workpiece surface depends on whether the beam direction (or its projection onto the workpiece surface) is selected parallel or anti-parallel to the feed direction of the workpiece. This applies in particular to angles of incidence below approximately 30 ° to 45 °. If the beam direction is parallel, a point on the workpiece surface first experiences the relatively aggressive impact of the currents. tion or the jet and then the weaker, smoothing effect of the tangential flow area. In the case of anti-parallel beam guidance, a point on the workpiece surface is only pre-processed in the tangential flow area, which is followed by the more intensive attack in the impact area.
  • the first variant also leads to success with relatively thin and ductile boundary layers, the second can be advantageous because the incorporation of the layer material into the workpiece surface can be better avoided.
  • FIG. 1 shows a section of a flow field in the case of a liquid flow containing an abrasive and guided tangentially along a workpiece surface.
  • Figure 2 shows a side view in cross section of a machining head.
  • Figure 3 shows schematically an overall view of the inventive device for the machining of workpieces.
  • FIG. 1 shows a section of a flow field 10.
  • the flow adheres to a surface 11 of a workpiece 11 to be machined.
  • the flow runs along the axis 12 perpendicular to the surface in accordance with the vector arrows shown which represent the flow field 10.
  • Each movement on its own and in particular its interaction lead to the abrasive particle 13 exerting a removal effect on the workpiece surface 11 upon contact with it.
  • a tangential flow area and the interaction described for it can be generated by dispensing the process medium into a cavity which is formed by part of or all of the workpiece surface and a suitably shaped shape that is sufficiently sealed off from the workpiece.
  • a gap flow Such a device, which will be explained in more detail below, is referred to below as a gap flow.
  • the kinetic energy of the abrasive particles is not primarily transferred to the workpiece surface in a single interaction, but rather more precisely: Many successive interaction processes take place, which are dampened by the internal friction in the blasting medium. As described below, this damping can be specifically set or optimized via the viscosity of the process medium.
  • the boundary of a space between the gap stream and the workpiece surface is designed in such a way that there is a gap whose height is smaller than its length (defined as the shortest distance between the beginning of the gap on the supply side and its gap outlet); a ratio of height to length of 1: 5 or more is preferred, particularly preferably a ratio of 1:10 or more.
  • the gap height is at least twice the typical abrasive particle diameter, and a maximum of 200 times. A local widening of the gap or a narrowing of the gap that resembles the shape of the workpiece surface weaken or prevent the process effect in the area of the affected parts of the workpiece surface, which can thereby be protected selectively.
  • the volume flow under which the tool is charged with process medium determines the mean flow velocity or the flow conditions for a given geometry and process medium.
  • the number of interactions between abrasive particles and workpiece surface proportional to the volume flow determines the removal rate.
  • the pressure is important for the process insofar as the internal friction of the process medium has to be overcome so that it even passes through the gap with sufficient flow speed.
  • hard metals, sintered metals or ceramic materials are particularly suitable, but preferably polymeric materials such as, for. B. rubber, PTFE, PVDF, synthetic resins or polyurethane.
  • polymeric materials can be fiber-reinforced.
  • the tool surface, in particular in the area of the gap can be coated with these materials or with hard material layers.
  • the machining head is worn out due to the abrasive load and is consequently expanded.
  • the volume flow can be increased to maintain the pressure required for the machining process.
  • the feed of the workpiece is then increased by the same factor. If the feed rate is determined by other specifications (e.g. coupling to previous or subsequent processes in a line production), it is advantageous to provide actuators on the processing head that compensate for the expansion due to wear.
  • the flow field is initially influenced by the shape of the edge of the gap formed between the tool and the workpiece surface. Furthermore, the flow field can be influenced by making its cross-sectional area (ie the imagined perpendicularly flowed area) larger or smaller in the area of the gap than in the inlet, even if this is not fundamentally necessary for the method. From hydrodynamics, however, it is known that the speed of a flow, which is generated by a predetermined static pressure, increases when the cross-section through which flow is narrowed; z. B. for an incompressible liquid without internal friction, the flow rate is inversely proportional to the cross-sectional area. In this respect, the machining result can be influenced by its narrowing beyond the general shape of the cross-section.
  • the flow field is influenced by the viscosity of the process medium.
  • the viscosity of the process medium even with a given geometry of the arrangement and concentration of the abrasive, can still be used to control whether a laminar or turbulent flow occurs.
  • the transition to turbulent flow takes place when the viscosity is reduced at a certain threshold value even at a lower flow velocity; then the abrasive particles can be chosen smaller under otherwise identical conditions, since the shear gradient near the workpiece surface is steeper.
  • Increasing the viscosity means that the abrasive attack is less intense. 2 shows an exemplary embodiment of a machining head designed as a gap stream for carrying out the method explained above, in particular for use on flat or almost flat workpiece surfaces.
  • the processing head comprises a first molded part 250, for example made of polyurethane; with a first inlet 251 and a mirror-shaped second molded part 250a with a second inlet. During operation, a process medium is fed to the processing head via these inlets.
  • the two molded parts are assembled in such a way that a gap is created for inserting a workpiece to be machined, or the molded parts are placed on both sides of the workpiece 900.
  • the molded part 250 is laterally so wide that the entire width of the workpiece (which is perpendicular to the drawing plane shown) is covered.
  • the side walls (not shown) of the molded part 250 are closed.
  • a sealing lip 253 which bears against the workpiece 900.
  • a cavity 252 is formed between the workpiece surface and the molded part in the direction of movement of the workpiece following the sealing lip.
  • the molded part 250 is expediently fastened to a positioning unit 210 by means of a support 257, which at the same time stiffens the flexible molded part 250, with a holding device (not shown). If the molded part 250 is supplied with process medium through the inlet 251, the process medium can essentially only escape through a gap-shaped space 254 between the workpiece 900 and the molded part 250, this gap 254 being formed at an end of the machining head opposite the sealing lip.
  • the gap 254 is also formed by the carrier 255, which stiffens the molded part 250.
  • An adjusting device 256 attached to the carrier 257 allows the gap height to be adjusted as described above, so that the desired effect is achieved.
  • the adjusting device 256 can also compensate for the loss of material which arises from the abrasive attack on the molded part 250 and widens the gap, so that the service life of the molded part 250 is increased.
  • the setting device consists of a Pressure plate that can be adjusted manually using pressure screws (spindles) or pressure springs as well as using pneumatic or hydraulic control devices.
  • process-related surface structures may have to be removed or surface properties changed.
  • components of the workpiece surface that have not been completely removed by the machining process can still adhere to the surface. Even if they are pressed into the workpiece surface during subsequent forming processes, they can detach undesirably from the surface.
  • These surface components can be removed from the surface in various ways.
  • a possible implementation is the brushing known per se using rotating rollers with trimmings, past which the workpiece surface is guided.
  • Particles of metal and semimetal borides, carbides, nitrides and oxides are preferably used as the abrasive, and those which occur as a component of natural minerals in nature.
  • the solids content in the process medium is between 0 and 50 volume percent, preferably between 2 and 30 volume percent, particularly preferably between 5 and 20 volume percent.
  • the particle size is between 0.5 and 1000 ⁇ m, preferably between 2 ⁇ m and 500 ⁇ m. However, the practically available size distributions inevitably have a certain spread. With the particle size 25 to 90 ⁇ m and the process parameters described here, for example, a remarkably low roughness of Ra ⁇ 0.1 ⁇ m is obtained.
  • the abrasive particles With increasing volume fraction, the abrasive particles generally increase the viscosity of the suspension, as expressed, for example, by the Einstein-Roscoe formula known from the rheology of inhomogeneous liquids.
  • the flow behavior of suspensions deviates if the particle size is in or above a certain transition range. Accordingly, the viscosity of the process medium is below the transition range and above that the viscosity of the pure carrier liquid is decisive.
  • the viscosity must therefore be adapted to the abrasive particle size and size distribution, whereby the Einstein-Roscoe formula can be used as a starting point.
  • the flow conditions become increasingly laminar. This means that particles carried in the flow have little opportunity to get to the flow boundary (all parts that come into contact with the medium, such as the inner pipe wall, pump parts, inner nozzle wall, workpiece surface, etc.), where they can interact with the flow boundary , This is desirable for the system components because the abrasive load reduces wear. On the other hand, however, the effect of the machining process is reduced or completely prevented with increasing viscosity.
  • the viscosity range is from 0.1 mPas-s to 300 mPa-s, preferably from 0.1 mPas-s to 30 mPa-s. It should be noted that in the case of non-Newtonian (e.g. structurally viscous) process media, the amount of viscosity auxiliary material or auxiliary materials should be selected so that this viscosity value is given for the flow conditions in the impingement area or tangential flow area.
  • a disadvantage of an increase in viscosity is the loss of pressure and volume flow through constrictions (e.g. line system, nozzle or spreading device). tion), which is compensated for in the low viscosity range by the known effect of decreasing flow resistance in these parts of the system.
  • Structurally viscous auxiliaries have a decreasing viscosity with increasing shear rate, the decrease being typical of the substance and varying widely.
  • a highly pseudoplastic material such as cellulose derivative
  • a slightly pseudoplastic material such as polyacrylate derivative
  • the one A decrease in viscosity by a factor of 4 at shear rates between 100 s "1 and 10 4 s " 1 shows that a medium is generated which is relatively viscous at shear rates which are typical for slow movements.
  • the viscosity can be increased by a hydrogel former, for example polysaccharides or polymers or their derivatives such as agar, alginates, carrageenan, guar, gum arabic, tragacanth, and poloxamers.
  • a hydrogel former for example polysaccharides or polymers or their derivatives such as agar, alginates, carrageenan, guar, gum arabic, tragacanth, and poloxamers.
  • one or more substances hereinafter referred to as dispersants, are added to the process medium, which, as an alternative or in addition to the increase in viscosity, advantageously influence the flow behavior of the process medium and thus also the flow form.
  • This increases the process effect and thus the processing speed, the system efficiency through improved pumping action and reduced friction between the process medium and the line element. optimized and the mobility or mobilizability of sedimented or abrasive adhering to surfaces improved, which in particular makes it easier to rinse the workpiece surface and introduce fresh abrasive.
  • Advantageous dispersants are first of all the known amphoteric, anionic, .cationic and nonionic emulsion formers or surface-active substances.
  • Other suitable dispersants are polyacrylates (for example ammonium polyacrylate or sodium polyacrylate), condensation products of sulfonic acids, in particular naphthalenesulfonic acid, preferably naphthalenesulfonic acid / formaldehyde polycondensate as sodium salt, vinyl acetate and vinyl versatate homo- or copolymers, styrene and Butadiene homo or copolymers and polyvinyl alcohol.
  • the above-mentioned substances also have a dispersion-promoting effect to increase the viscosity of the blasting medium.
  • the dispersants used advantageously have the effect that the abrasive is finely distributed instead of forming agglomerates.
  • Agglomerates have a different, usually coarser effect in the machining process, on the other hand they have a shielding effect or reduce the effective abrasive concentration, so that the process effect changes undesirably.
  • gas is generated, for example, by swirling (e.g. by means of Agitator or by flowing) into the process medium or dissolved therein, or a gas stream with sufficient pressure is introduced into the process medium, or a substance which forms a gas by chemical reaction (e.g. propellant, in particular carbonates and bicarbonates, e.g.
  • Sodium hydrogen carbonate is introduced into the process medium.
  • Carbon dioxide dissolves in water in a considerably greater amount than air, so that air is preferred in the lower concentration range of the gas admixture, whereas carbon dioxide is preferred in the middle and upper range.
  • the amount of soluble substance in the relevant area increases approximately proportionally with the pressure. This is exploited by introducing the gas into the process medium under pressure from a pump that pumps the process medium. The gas is released in the area of high flow velocities, where the static pressure of the flow decreases.
  • Examples for 20 ° C, atmospheric pressure and aqueous process medium are: 1 kg process medium can absorb up to 0.001 mol air; 1 kg of process medium can absorb up to 0.02 mol of carbon dioxide; 1 kg of process medium can absorb up to 0.1 mol carbon dioxide if 1 weight percent sodium carbonate is added to the aqueous process medium; Up to 0.1 mol of carbon dioxide is released in 1 kg of process medium if 0.8% by weight of sodium hydrogen carbonate is added to the aqueous process medium.
  • the abrasive used is subject to little wear and can therefore be used for many machining cycles, ie applied repeatedly to the workpiece surface to be machined.
  • the process medium is contaminated by the entry of abrasion from the workpiece surface, which is unavoidable in many applications and reduces the effect of the process medium in the machining process.
  • the worn abrasive and used auxiliary materials must be removed from the process medium. If the process medium were discarded, a large proportion of unused abrasive and auxiliary materials would be lost.
  • the removal itself z. B. as a highly enriched metal oxide a resource.
  • the abrasion and worn abrasive can also have adverse effects on the workpiece, device, tools or effectiveness of the machining process.
  • the machining process according to the invention has the advantageous property that the particles of the abrasion produced have smaller dimensions than the abrasive.
  • the abrasion is also comminuted in the process cycle. Due to the new impact on the workpiece surface as well as the contact with the pipe wall and the mechanisms used to accelerate the solution in the pumps used, even larger pieces of abrasion ultimately become significantly smaller than the abrasive grains.
  • the abrasive itself wears out in such a way that pieces break off the grains, the grains becoming smaller. Therefore, a substance separation process is advantageously used for the solution, which separates according to the particle size. Basically, this is done by known separation processes as well as combinations of two or more such processes.
  • abrasion and worn abrasive are generally distributed homogeneously in the process medium, it must be processed cyclically or continuously overall, which, given the high abrasive content here, only allows most known processes to a limited extent. Therefore, methods using the following devices are preferably used: belt filters, sheet filters, curved sieves (e.g.
  • circular vibrating sieves rotary pressure filters
  • filter centrifuges both discontinuous and continuous
  • flocculation flotation
  • hydrocyclone classifiers
  • lamella separators magnetic separators (only for substances that can be influenced magnetically)
  • press filters cross-flow filters
  • agitation pressure filters disc pressure filters
  • disc filters vibrating sieves
  • sedimentation sieves
  • belt presses drum filters
  • eddy current separators only for substances that can be influenced electrically
  • centrifuge e.g. basket, peeler, cone sieve, pusher centrifuge
  • Dissolved ions are removed by precipitation, electrophoresis, membrane exchange processes or ion exchange. Filtration similar to the known cross-flow principle described below is preferably used as one of the methods.
  • Filtration similar to the known cross-flow principle described below is preferably used as one of the methods.
  • the material separation is not carried out completely in one step, but is distributed over several steps, even if the same process itself is carried out in the subsequent step, but only with a different separation grain size, for example.
  • Abrasion and worn abrasive are preferably separated from the process medium in a material separation device on the basis of one of the material separation methods mentioned above.
  • the device further comprises an admission device which is adapted to the separation process (e.g. low-pulsation loading with hydrocyclone, loading of a cross-flow filter without pressure or with a pump, loading of a vibrating screen flowing under pressure).
  • the process medium is passed over a mesh or filter fabric with a suitable mesh size, whereby either the solid fraction is retained entirely or up to a limit size determined by the mesh size.
  • the limit grain size is dimensioned so that abrasion or worn abrasive to be separated largely passes through with the liquid.
  • the incoming process medium ensures that thickened parts are washed away.
  • two or more successive grids or filter fabrics can be arranged with successively smaller opening widths, so that both the tendency of the grille or filter fabric to clog becomes less and the abrasive load that wears the mesh or filter fabric becomes lower. This arrangement is referred to below as a cross-flow filter.
  • the strongly thickened abrasion, mixed with the worn abrasive is discharged continuously or periodically from the process medium circuit, preferably collected and, if necessary after processing (removal of dissolved ions, concentration of the abrasion), sent for recycling.
  • parts of the process medium especially abrasive, remain on the workpiece surface. These have to be removed because they are the disturb further processing or impair the quality of the workpiece surface.
  • cleaning for example by rinsing, parts of the process medium are inevitably towed out or rinsing medium is introduced into the process medium.
  • the workpiece surface must be rinsed in such a way that drag-out losses are minimized or replaced quantitatively in order to ensure that the machining result of the machining process corresponds to the specified quality.
  • residues of the process medium must be removed from the workpiece surface, which have an adverse effect on workpiece handling or on subsequent processing steps. This is done using one or more of the following methods.
  • a gas preferably air, that does not influence the concentration ratios in the process medium can be used as the flushing medium.
  • a flushing medium can be applied to the workpiece surface, which does not contain one or more of the process medium portions to be removed, but otherwise corresponds to the process medium and was generated from it before cleaning.
  • the process medium is both diluted and removed from the surface by entrainment effects (effect of pressure, flow, etc.), fed to one of the material separation devices described and separated from the components which interfere with the rinsing processes.
  • the workpiece surface is cleaned with clear water or process liquid obtained from the process medium at a pressure of 0.1 to 100 MPa, the flushing medium preferably being applied by means of one or more nozzles at a pressure of 0.3 to 30 MPa ,
  • a triple-acting piston pump or a centrifugal pump can be used. Both pumps have a low pressure pulsation and thus ensure a sufficiently uniform cleaning result.
  • Nozzles with any spray pattern can be used, the correlation with the geometry of the workpiece surface being decisive in addition to the impact force.
  • a flat jet is preferred for completely or sectionally flat workpiece surfaces, and a hollow or full cone jet for surfaces with undercuts.
  • the cleaning efficiency is influenced by the nozzle-dependent fan angle: the larger the fan angle, the larger the area covered, but the lower the impact force.
  • the overall length of the rinsing section is advantageously reduced to about half by making the line of impingement of the flat jet plow-shaped with a corresponding arrangement of the nozzles, with the plow tip in the middle of the workpiece surface section under consideration. If the cleaning jet acts completely or partially against the feed direction of the workpiece, then an angle between 45 and 180 ° between the projection of the jet axis onto the workpiece surface and the feed direction vector is preferably selected. At 180 °, a barrier barrier is achieved transverse to the feed direction, a preferred drain direction is specified at smaller angles and, in the case of a plow-shaped design of the impact area, the drain path is minimized, as described above.
  • process medium components which have been lost as required are replaced by supplying fresh or temporarily stored material.
  • concentration of the abrasive and the auxiliary substances can advantageously be changed by removing one or more components of the process medium, the total volume either being reduced or kept constant by a compensatory supply of process medium components.
  • the regulation requires the metrological recording described below.
  • the amount of process medium available is measured by level sensors on the storage tank. Measuring methods for the solids concentration are e.g. B. Measurement of turbidity, thermal conductivity, electrical conductivity, vortex shedding, Coriolis force on a moving piece of pipe or the ultrasound propagation.
  • the volume flow can be measured using the same measuring methods and others, such as rotary piston instruments.
  • the amount of process liquid available follows from the level in the process medium container, measured with a level sensor, and the concentration and density of the abrasive.
  • FIG. 3 schematically shows a device for carrying out the machining method according to the invention.
  • several successive processing stages of the type shown can be used to increase the process speed or for graded processing, e.g. B. for the successive reduction of roughness.
  • the device comprises a process medium container 101 in which a process medium of a desired composition, in particular with a desired viscosity and a desired abrasive content, is held.
  • a suction line 103 leads from this container 101 to a process pump 106 which conducts the process medium via a valve 109 to a processing head 220 which is arranged in a processing chamber 200.
  • the process medium is conveyed to the processing head when valve 109 is open and a further valve 565, via which the line is connected to a first rinsing liquid container 501, is closed.
  • the machining head 220 is mounted on a positioning unit 210, which serves to position the machining head 220 relative to a flat workpiece 900 to be machined, which is continuously guided through the machining chamber 200 during the process.
  • the processing chamber 200 is followed by rinsing units 313 and 323, which are used for rough and final rinsing of the workpiece 900 after the abrasive processing.
  • One 313 of the rinsing units is arranged in the treatment chamber 200, the other is in a separate rinsing chamber 350 downstream of the treatment chamber 200.
  • the rinsing units are supplied with rinsing liquid, for example water, via pumps 310 and 320.
  • the workpieces 900 to be machined are guided through the machining chamber 200 and the rinsing chamber 350 by a feed unit (not shown in more detail).
  • This feed unit comprises, for example, two pairs of rollers, one of which can be arranged in the direction of movement of the workpiece 900 in front of the processing chamber 200 and one after the processing chamber or rinsing chamber 350.
  • the workpiece is in each case picked up between the spaced-apart rollers of a pair of rollers which rotate during operation and are guided through them through the chambers 200, 350.
  • a pair of squeeze rollers 324 is arranged, by means of which rinsing liquid still remaining on the surface of the workpiece 900, which remains in the chamber, is removed.
  • This pair of squeeze rollers can take over the function of a pair of rollers of the feed unit.
  • the pressure and the volume flow of the process medium supplied to the processing head are recorded by measuring devices 112 and 114 in the feeds of the processing head. These pressures and volume flows at the machining head can be changed via the regulating devices 111 and 113 in the feeds.
  • the entire process is controlled by a 590 system controller, which ensures that the specified concentrations, pressures and volume flows in the relevant parts of the system are adjusted after prompt recording.
  • sensors 112, 114, 312, 322, 281, 560, 570 and 563 are on different Positions of the line system of the device arranged.
  • the control system controls 590 regulating and adjusting units 118, 113, 116, 421, 118, 281, 320, 310, 560, 570, 561 and 106 with the aim of regulating the to achieve explained parameters.
  • An abrasive fluid mixture to be discharged from the process container 200 is returned via a pipeline 280 to the process medium container 101, where it is kept for the continuously configured machining process.
  • the process medium is depleted of abrasive as a percentage by the introduction of rinsing water via rinsing nozzles of the rinsing unit 313.
  • part of the medium discharged from the process container is discharged via a line 410 to a filter unit 440, in which liquid, for example water, is withdrawn from the abrasive-fluid mixture, in order to produce an abrasive-enriched process medium, which a line 458 is fed back into the process media container 101.
  • the separated liquid is temporarily stored in the first rinsing liquid container 501 and held by the first rinsing unit 313 for rinsing processes.
  • part of this liquid from the container 501 is fed to a second filtration unit 470 as required, finely filtered by this and temporarily stored in a second rinsing liquid container 598.
  • the filtrate from the container 598 is used in the second rinsing stage 323 and is used for the final cleaning of the treated workpieces. Flushing liquid from the flushing chamber 350 is drained off and fed to the filtration unit 440.
  • the particles separated by the filter unit 470 which can contain both abrasive and contaminants, are temporarily stored in a container 488 and removed from the process.
  • the composition of the process medium in the container 101 is controlled by the system controller 590.
  • An excess of process liquid is separated in the material separation device 440, the proportion of the device derived process medium can be regulated via a valve arranged in the feed line to the process medium container 101.
  • a sensor 563 for density or solids content measures the composition of the process medium discharged from the container 101 immediately before the machining process.
  • the fill level in the process medium container 101 is measured with a fill level sensor 560, the fill level being increased by means of a pump 561 using a pump 561, the fill level via line 562 with flushing liquid from the first flushing liquid container 501. If the sensor 563 detects a decrease in the density or the solids content, then abrasive is supplied from an abrasive container 550.
  • Flushing liquid is supplied to the system from the outside via a feed line 510 opening into the first flushing liquid tank.
  • a supply container 520 for an agent that adjusts the viscosity of the process medium is connected to this feed line, from which the agent is fed, controlled by the system controller 590, to the process fluid for adjusting the viscosity of the process medium.
  • the device shown has a closed circuit in which both the abrasive and the necessary rinsing liquids are circulated, spent abrasive and impurities being removed from the circuit and fresh abrasive and fresh rinsing liquid being supplied to compensate for losses.
  • FIG. 4a and 4b show a further exemplary embodiment of a processing head or processing unit 22 which can be used in connection with the device according to FIG. 3 for processing a flat rolled product.
  • the unit has two nozzle bars 1221a, 1221b, which are arranged at a distance from one another in order to be able to carry out the rolled product in an intermediate space 1222 between the nozzle bars.
  • Each of the nozzle bars has a plurality of outlet nozzles 1223a, 1223b which are arranged at a distance from one another and are designed to pressurize the workpiece with the process medium.
  • the elongated nozzle bars 1221a, 1221b are preferably arranged rotatably, as indicated by arrows in FIG. 4a, in order to be able to set an angle of incidence of a medium jet emerging from the nozzles.
  • the reference numeral 1224 denotes a medium jet emerging from one of the nozzles 1223 in FIG. 4a.
  • the angle a is designated by the beam 1224 with the flat workpiece surface.
  • an angle of incidence less than 90 ° means that a beam 1224 is applied to the workpiece surface, its tangential component against a direction of movement v of the workpiece 900 is directed.
  • the nozzle bars 1221a, 1221b have connections (not shown) for connecting supply lines carrying process medium. To distribute the medium within the nozzle bars 1221a, 1221b, these are hollow on the inside.
  • One of the two nozzle bars shown in FIG. 4 is sufficient for machining only one side of the workpiece surface.
  • both nozzle bars are present in order to enable effective machining of both workpiece surfaces at the same time and thus to avoid "turning over" the workpiece after a machining cycle has been carried out.

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Abstract

The invention relates to a method and to a device for removing material from flat workpieces. A process medium is guided to the workpiece (900) by means of a processing head (220) which is arranged in a process container (200). The process medium is a liquid containing an abrasive, said liquid being displaced in a controlled manner at a pressure of less than 50 bars, and the workpiece is guided in a continuous manner through the process container (200). At least two processing beams which extend in an essentially parallel manner are conveyed by the processing head (220) to the workpiece (900) and the process medium, which is used to process the workpiece (900), is guided in the circuit.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren und Vorrichtung zur OberflächenrevisionMethod and device for surface inspection
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenrevision.The present invention relates to a method and a device for surface revision.
Bei der; Bearbeitung von metallischen Werkstücken können sich an der oder unter der Oberfläche Bereiche mit veränderten physikalischen, chemischen und anderweitig differierenden Materialeigenschaften bilden. Beispiele dafür sind bei Metalloberflächen Randzonen mit induzierten Eigenspannungen in Folge der Verfestigung beim Umformen, Verzunderungen durch Erwärmen und Bilden von metallurgischen Veränderungen wie oberflächliche Verarmungs- oder Anreicherungsschichten oder Gefügeänderungen durch Erwärmen oder Beizen. Zunder ist die übliche technische Bezeichnung für Oxidschichten, die durch Einwirken von Sauerstoff, oft unterstützt durch Wärme auf der Metalloberfläche entstehen.In the; Machining of metallic workpieces can create areas on or below the surface with changed physical, chemical and otherwise different material properties. Examples of this in the case of metal surfaces are edge zones with induced internal stresses as a result of the hardening during forming, scaling due to heating and the formation of metallurgical changes such as superficial depletion or enrichment layers or structural changes due to heating or pickling. Tinder is the common technical name for oxide layers, which are created by the action of oxygen, often supported by heat, on the metal surface.
Im Folgenden werden Oxid- bzw. Zunderschichten bzw. sonstige aufgetragene, veränderte oder unerwünschte Randschichten bzw. oberflächennahe Bereiche eines Werkstücks unter dem Sammelbegriff Randschicht zusammengefasst. Der Begriff schließt alle Arten inhomogener Stoffzusammensetzung, insbesondere nach physikalisch, chemisch und metallurgisch verschiedenen Zuständen mit ein, die in, an o- der nahe unter der Werkstückoberfläche lokalisiert sind.In the following, oxide or scale layers or other applied, modified or undesired boundary layers or areas of a workpiece near the surface are summarized under the collective term boundary layer. The term includes all types of inhomogeneous material composition, in particular according to physically, chemically and metallurgically different states, which are located in, at or near the workpiece surface.
Die Erfahrung zeigt, dass bei der Bearbeitung entsehende Oxidschichten entfernt werden müssen: Zum einen würde Einwalzen die Bandqualität verschlechtern, zum anderen entsprechen Bänder mit Oxidschicht nicht der vom Markt geforderten Oberflächenqualität. Ein Verfahren zum Entfernen solcher Zunder- bzw. Oxidschichten muss dabei auch in der Lage sein, Verarmungs- und Anreicherungsschichten zu entfernen, die entstehen, wenn bei einer Wärmebehandlung des Werkstücks gewisse Elemente überproportional in die Zunderschicht übergehen. Es ist bekannt, dass sol- ehe Verarmungs- bzw. Anreicherungsschichten die Gebrauchseigenschaften des Werkstücks in vieler Hinsicht verschlechtern.Experience shows that oxide layers which are present during processing must be removed: on the one hand, rolling in would deteriorate the strip quality, and on the other hand strips with an oxide layer would not correspond to the surface quality required by the market. A method for removing such scale or oxide layers must also be able to remove depletion and enrichment layers which arise when certain elements disproportionately pass into the scale layer during heat treatment of the workpiece. It is known that such before depletion or enrichment layers deteriorate the usage properties of the workpiece in many ways.
Zum Entfernen von Oxidschichten werden können Beizverfahren eingesetzt werden, die jedoch einen großen verfahrenstechnischen Aufwand für Anlagentechnik, Aufbereitung, Regeneration und Umwelttechnik erfordern. Diese Beizverfahren können durch Bürsten unterstützt bzw. durch Reduktion unter Wasserstoffatmosphäre minimiert werden, wie dies beispielsweise in der EP 1 005 926 beschrieben ist.Pickling processes can be used to remove oxide layers, but these require a great deal of process engineering effort for plant technology, preparation, regeneration and environmental technology. These pickling processes can be supported by brushing or minimized by reduction under a hydrogen atmosphere, as is described, for example, in EP 1 005 926.
Die US 6273790 beschreibt das Entzundern mit einem Wasser-Eis-Gemisch bei einem Druck von 700 bis 8000 bar.US 6273790 describes descaling with a water-ice mixture at a pressure of 700 to 8000 bar.
Zum Entzundern sind außerdem Schleif- oder Bürstverfahren bekannt. Beim Schleifen und Bürsten wird allerdings Wärme in das Werkstück eingetragen, die zu Unebenheiten, unerwünschten Gefügeänderungen und im schlimmsten Fall zu einem Aufschmelzen führen kann.Grinding or brushing processes are also known for descaling. When grinding and brushing, however, heat is introduced into the workpiece, which can lead to unevenness, undesirable structural changes and, in the worst case, melting.
Zum Entzundern von Werkstücken ist es außerdem bekannt, ferromagnetische Partikel einzusetzen. Solche Verfahren gelten allerdings als langsam, justieraufwändig und teuer und kommen bisher nur bei der Entzunderung von Draht zum Einsatz.For descaling workpieces, it is also known to use ferromagnetic particles. However, such processes are considered slow, time-consuming to adjust and expensive and have so far only been used for descaling wire.
Ein weiteres Verfahren zum Entzundern von Werkstücken ist das sogenannte IS- HICLEAN-Verfahren, das beispielsweise in den Veröffentlichungen US 3984943, US 4251956 und US 4269052 beschrieben ist. Es handelt sich hierbei um ein Druckflüs- sigkeits-Strahlverfahren. Dieses Verfahren erfordert zum Erreichen der vom Verbraucher geforderten Qualität einen nachfolgenden Beizschritt bzw. ist selbst bei niedrigen Ansprüchen an die Oberflächenqualität ohne nachfolgendes Beizen sehr teuer. Ähnliche Verfahren sind aus den Veröffentlichungen US 3427763 und US 4195450 bekannt.Another method for descaling workpieces is the so-called IS-HICLEAN method, which is described, for example, in the publications US 3984943, US 4251956 and US 4269052. It is a pressurized liquid jet process. This method requires a subsequent pickling step in order to achieve the quality required by the consumer, or is very expensive even with low demands on the surface quality without subsequent pickling. Similar processes are known from the publications US 3427763 and US 4195450.
Die ER 1032486 B1 und WO 9926764 A1 beschreiben ein Verfahren, bei dem ein Werkstück stationär mit Hilfe einer abrasiven Flüssigkeit unter einem Druck von we- niger als 50 bar oder weniger als 20 bar geformt, geschliffen und poliert werden kann.ER 1032486 B1 and WO 9926764 A1 describe a method in which a workpiece is stationary using an abrasive liquid under a pressure of less than 50 bar or less than 20 bar can be shaped, ground and polished.
Aus den Veröffentlichungen CH 269264, US 3150467 oder US 4333275 sind Nassstrahlverfahren bekannt, bei denen ein Wasser-Abrasiv-Gemisch mit Hilfe von Druckluft beschleunigt und durch Düsen ausgebracht wird, so dass ein Dreiphasenstrahl entsteht.From publications CH 269264, US 3150467 or US 4333275, wet blasting processes are known in which a water-abrasive mixture is accelerated with the aid of compressed air and applied through nozzles, so that a three-phase jet is produced.
Gas- bzw. Luftbeimengungen führen im Allgemeinen zu einem stärkeren abrasiven Angriff. In der US 5827114 ist beispielsweise beschrieben, dass das Verhältnis der Massen von Luft zu Prozessmedium 0,009 betragen kann, wobei mit zunehmendem Luftanteil die Wirkung selbst relativ weicher Abrasive auf die Werkstückoberfläche erheblich verstärkt werden kann.Gas or air admixtures generally lead to a stronger abrasive attack. In US 5827114 it is described, for example, that the ratio of the masses of air to process medium can be 0.009, the effect of even relatively soft abrasives on the workpiece surface being able to be considerably increased with increasing air content.
Die US 3521412 beschreibt ein Strömungsschleifverfahren, bei dem ein semi-festes, abrasive Partikel enthaltendes Medium an der Werkstückoberfläche entlang geführt wird. Das Verfahren ist nur für den Chargenbetrieb geeignet, nicht für kontinuierlich durchlaufende Werkstücke.US 3521412 describes a flow grinding method in which a semi-solid medium containing abrasive particles is guided along the workpiece surface. The process is only suitable for batch operation, not for continuously moving workpieces.
Die US 5700181 beschreibt eine Vorrichtung zum Druckflüssigkeitsstrahlen mit Abrasiv bei einem Druck von ca. 2000 bar, bei der das Prozessmedium, das Abra- sivpartikel mit einem Durchmesser von 2 bis 3 μm enthält, durch einen ringförmigen Spalt mit einer maximalen Höhe von 13 μm mit einer Geschwindigkeit von ca. 120 m/s hindurchgeführt wird. Für dieses Verfahren sind Hochdrucktechnik, die Verwendung feinsten Abrasivs und eine steuerungs- und fertigungstechnisch unvorteilhafte sehr kleine Spalthöhe einer das Abrasiv ausbringenden Düse notwendig.The US 5700181 describes a device for pressure fluid blasting with abrasive at a pressure of approx. 2000 bar, in which the process medium, which contains abrasive particles with a diameter of 2 to 3 μm, through an annular gap with a maximum height of 13 μm at a speed of approx. 120 m / s. High pressure technology, the use of the finest abrasives and a very small gap height, which is disadvantageous in terms of control and production technology, of a nozzle which dispenses the abrasive are necessary for this process.
Die US 3524367 beschreibt die Auswirkungen einer Zugabe viskositätserhöhender Stoffe zu einer kein Abrasiv enthaltenden Behandlungsflüssigkeit bei einem Hochdruckwasserstrahlverfahren mit Drücken zwischen 700 und 7000 bar. Weiter ist aus der Veröffentlichung WO 02074489 eine Vorrichtung bekannt, bei der Werkstückoberfläche und Werkzeug einen Ringspalt bilden, durch den das Pro- zessmedium hindurchströmt und dabei die Oberfläche schleift bzw. poliert.US 3524367 describes the effects of adding viscosity-increasing substances to a treatment liquid containing no abrasive in a high-pressure water jet process with pressures between 700 and 7000 bar. A device is also known from publication WO 02074489 in which the workpiece surface and tool form an annular gap through which the process medium flows and thereby grinds or polishes the surface.
Zur Rückgewinnung des Abrasivs aus dem Prozessmedium sind aus der WO 9818598 A1 , der EP 0968801 A1 und der EP 0916463 A1 Verfahren bekannt, bei denen das Prozessmedium zunächst getrocknet wird um anschließend Abrieb bzw. verschlissenes Abrasiv zu entfernen und das verbliebene Abrasiv erneut zu verwenden. Solche diskontinuierliche Verfahren sind bei einem kontinuierlichen Anlagenbetrieb und angesichts des hohen Energiebedarfs beim Trocknen unwirtschaftlich und umweltschädlich (C02-Ausstoß) und damit nachteilig.Methods for recovering the abrasive from the process medium are known from WO 9818598 A1, EP 0968801 A1 and EP 0916463 A1, in which the process medium is first dried in order to subsequently remove abrasion or worn abrasive and to reuse the remaining abrasive. Such discontinuous processes are uneconomical and harmful to the environment (C0 2 emissions) in the case of continuous plant operation and in view of the high energy requirement for drying, and are therefore disadvantageous.
Bekannt sind aus der JP 2001-232234 und der JP 3436304B2 weiterhin Verfahren zum Zurückgewinnen von abgeriebenem Wertstoff aus dem Prozessmedium, welche Abrasiv und Schneidöl umfasst. Dabei wird die beim Drahtsägen von galliumhaltigen Einkristallen zerriebene Galliumverbindung aus dem öligen Prozessmedium zurückgewonnen.JP 2001-232234 and JP 3436304B2 also disclose methods for recovering rubbed-off valuable material from the process medium, which comprises abrasive and cutting oil. The gallium compound ground during the wire sawing of gallium-containing single crystals is recovered from the oily process medium.
Neben einer abtragenden Bearbeitung zur Entfernung der oben erläuterten Randschichten ist es häufig erforderlich, eine Werkstückoberfläche für die nachfolgende Bearbeitung vorzubereiten. Beispiele dafür sind: Freilegen des Grundgefüges durch Abtragen einer Randschicht oder allgemein einer oberflächlichen Schicht des Werkstücks; Erhöhen des Flächeninhalts der Werkstückoberfläche durch Aufrauen; Aufnahme von aufzutragenden Stoffen (z. B. Metallschichten, Lacke, Farben und Funktionsschichten); Entfernen einer Randschicht oder oberflächennahen Schicht mit unerwünschter Zusammensetzung (z. B. Anreicherungs- oder Verarmungsschichten).In addition to ablation processing to remove the surface layers explained above, it is often necessary to prepare a workpiece surface for the subsequent processing. Examples of this are: Exposing the basic structure by removing an edge layer or generally a superficial layer of the workpiece; Increasing the surface area of the workpiece surface by roughening; Inclusion of substances to be applied (e.g. metal layers, lacquers, paints and functional layers); Removal of an edge layer or layer close to the surface with an undesirable composition (e.g. enrichment or depletion layers).
Hierfür existieren zwar Plasmaverfahren, mit denen bis zu 50 μm abgetragen werden können, aber unter erheblichem Aufwand, starker fertigungstechnischer Einschränkung des Chargenbetriebs und hohen Kosten. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein umweltfreundliches, effektives und kontinuierlich arbeitendes Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere von bandförmigen Walzprodukten zur Verfügung zu stellen, das insbesondere zum Abtragen metallurgisch veränderter Randschichten geeignet ist. Weiteres Ziel ist es eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zur Verfügung zu stellen.There are plasma processes for this, with which up to 50 μm can be removed, but with considerable effort, severe manufacturing restrictions on batch operation and high costs. The aim of the present invention is to provide an environmentally friendly, effective and continuously working method for the machining of workpieces, in particular of strip-shaped rolled products, which is particularly suitable for the removal of metallurgically modified surface layers. Another aim is to provide a device for carrying out such a method.
Dieses Ziel wird durch Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 14 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This aim is achieved by the method according to claims 1 and 2 and by an apparatus according to claim 14. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur abtragenden Bearbeitung eines Werkstückes wird ein Prozessmedium in einem Prozessmediumbehälter gespeichert und über eine Prozesspumpe zu einem Bearbeitungskopf im Bereich eines Prozessbehälters geleitet. Das Prozessmedium ist dabei eine mit Abrasiv versehene Flüssigkeit, die sich gesteuert unter einem Druck von weniger als 50 bar, vorzugsweise weniger als 20 bar bewegt. Während der Bearbeitung wird das Werkstück kontinuierlich durch den Prozessbehälter geführt, wodurch das Verfahren insbesondere zur Bearbeitung flacher Walzprodukte geeignet ist. Durch den Bearbeitungskopf werden wenigstens zwei im wesentlichen parallele Bearbeitungsstrahlen auf das Werkstück abgegeben, wobei die Anzahl der Bearbeitungsstrahlen die maximale Breite des bearbeitbaren Werkstücks bestimmt, oder durch den Bearbeitungskopf wird eine tangen- tial entlang des Werkstücks verlaufende Strömung des Prozessmediums erzeugt.In the method according to the invention for the machining of a workpiece, a process medium is stored in a process medium container and passed via a process pump to a processing head in the area of a process container. The process medium is an abrasive liquid that is controlled to move under a pressure of less than 50 bar, preferably less than 20 bar. During processing, the workpiece is continuously fed through the process container, which makes the process particularly suitable for processing flat rolled products. At least two essentially parallel machining jets are emitted onto the workpiece by the machining head, the number of machining jets determining the maximum width of the machinable workpiece, or a flow of the process medium running tangentially along the workpiece is generated by the machining head.
Versuche mit verschiedenen Materialien wie Metall, Kunststoff, Stein, Keramik und Holz haben gezeigt, dass Randschichten aller Art, insbesondere Überzüge sowohl aus demselben Material als auch aus anderen Materialien sowie stofflich veränderte Bereiche und das Grundmaterial selbst in der Regel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren entfernt werden können. Dies gilt insbesondere für metallische, polymere und andere Beschichtungen wie Lacke, Farben, aber auch Verschmutzungen, sowie für durch Umformprozesse veränderte Randschichten des Werkstücks. Das Verfahren ermöglicht das Abtragen von Oxidschichten bzw. Zunderschichten bei geringem Druck und dadurch mit geringer Beschädigung der Werkstückoberfläche.Experiments with different materials such as metal, plastic, stone, ceramic and wood have shown that all types of surface layers, in particular coatings made from the same material as well as from other materials as well as materially changed areas and the basic material itself are generally removed with the method according to the invention can. This applies in particular to metallic, polymer and other coatings such as lacquers, paints, but also soiling, as well as to the outer layers of the workpiece that are changed by forming processes. The method enables the removal of oxide layers or scale layers at low pressure and therefore with little damage to the workpiece surface.
Bei dem Verfahren genügen Drücke von weniger als 50 bar, bevorzugt weniger als 25 bar Druck, um beim Ausbringen des Prozessmediums mit einer Düse Oxidschichten bzw. Zunderschichten effektiv und technisch befriedigend zu entfernen, wobei insbesondere eine Rauheit von bis herab zu Ra= 0,1 μm oder sogar weniger erzielt werden kann.In the process, pressures of less than 50 bar, preferably less than 25 bar, are sufficient to effectively and technically satisfactorily remove oxide layers or scale layers when the process medium is being applied with a nozzle, in particular a roughness down to Ra = 0.1 μm or even less can be achieved.
Selbst bei kleinen Auftreffwinkeln zwischen einem Bearbeitungsstrahl des Prozessmediums und der Werkstückoberfläche bis herab zu 0° kann das Verfahren eine vorteilhafte Wirkung erbringen. Der Auftreffwinkel 0° entspricht dabei einer zur Werkstückoberfläche tangentialen Strömung.Even with small angles of incidence between a processing beam of the process medium and the workpiece surface down to 0 °, the method can have an advantageous effect. The impact angle 0 ° corresponds to a flow tangential to the workpiece surface.
Bedingt durch den geringeren Arbeitsdruck im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren ist der Verschleiß an allen vom Prozessmedium berührten Anlagenteilen wie Pumpengehäuse und Pumpenbauteilen, Leitungen, Ventilen und Düsen sowie an von der ausgebrachten Strömung unbeabsichtigt bzw. unvermeidbar direkt oder indirekt beaufschlagten Bauteilen (Halterungen, Prozessbehälterinnenwand, etc.) bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls erheblich geringer.Due to the lower working pressure compared to conventional methods, wear on all parts of the system that are in contact with the process medium, such as pump housings and pump components, lines, valves and nozzles, as well as on components that are unintentionally or unavoidably affected by the flow (inevitably, directly or indirectly) (brackets, process vessel inner wall, etc. .) Also significantly lower in the method according to the invention.
Das Verfahren kann mit geringerem Handhabungsaufwand auf Lang- und Flachprodukte, insbesondere Walzprodukte, angewandt werden und ermöglicht wegen des Durchlaufs des zu bearbeitenden Produkts durch den Prozessbehälter ein effektiveres Verfahren.The method can be applied to long and flat products, in particular rolled products, with less handling effort and enables a more effective method because the product to be processed passes through the process container.
Der Materialabtrag kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wegen des niedrigen Druck bei Bedarf sehr gering gehalten werden, wenn auch die Prozessparameter so1 gewählt werden können, dass die Materialabtragsrate erheblich gesteigert werden kann. Daraus ergibt sich der Vorteil eines gegenüber den bekannten Verfahren geringeren Materialverlusts. Durch den leicht beherrschbaren Materialabtrag 7 rui/crzuu °* > w 2 «& © ^. ^The material removal can be kept very low with the inventive method due to the low pressure, if necessary, even if the process parameters so 1 can be chosen such that the material removal rate can be increased considerably. This results in the advantage of less material loss compared to the known methods. Due to the easily controllable material removal 7 rui / crzuu ° *> w 2 «& © ^. ^
können auch dünne Randschichten präzise, zuverlässig und mit geringem Verlust an Werkstückmaterial abgetragen werdenthin edge layers can be removed precisely, reliably and with little loss of workpiece material
Des weiteren ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren den Einsatz von Maskierungen bzw. Abdeckungen, die die Bearbeitung von abgedeckten Bereichen verhindern. Solche Maskierungen verschleißen bei geringerem Druck erheblich langsamer. Außerdem können sie erst unter den erfindungsgemäßen Betriebsbedingungen geringeren Drucks bzw. geringerer Strömungsgeschwindigkeit mit wirtschaftlichem Aufwand gegenüber dem Prozessmedium dichtend auf die Werkstückoberfläche aufgebracht bzw. anschließend wieder entfernt werden.Furthermore, the method according to the invention enables the use of masks or covers which prevent the processing of covered areas. Such masks wear much more slowly at lower pressures. In addition, they can only be applied to the workpiece surface in a sealing manner with respect to the process medium or subsequently removed again under the operating conditions of lower pressure or lower flow speed according to the invention.
Vorteilhaft ist auch die weitgehende Oberflächentreue des Verfahrens, das heißt, die Form der Werkstückoberfläche wird beim Umformen bzw. Abtragen weitgehend selbstähnlich reproduziert.The extensive surface fidelity of the method is also advantageous, that is to say the shape of the workpiece surface is largely reproduced in a self-similar manner during the shaping or removal.
Mit dem Bearbeitungsprozess kann je nach Betriebsparametern sowohl ein definiertes Aufrauen bzw. Glätten bewirkt werden. Die Veränderung der Oberflächengestalt verändert auch die Reflexions- und Absorptionseigenschaften der Oberfläche für e- lektromagnetische Strahlung.Depending on the operating parameters, the machining process can be used to achieve a defined roughening or smoothing. The change in the surface shape also changes the reflection and absorption properties of the surface for electromagnetic radiation.
Die hohe spezifische Wärmekapazität des Prozessmediums mit dem darin enthaltenen Abrasiv bewirkt eine effiziente Wärmeabfuhr von dem Werkstück, was eine lokale Überhitzung vermeidet und somit die Bearbeitung selbst Wärme empfindlicher Werkstückoberflächen ermöglicht (z. B. Metalloberflächen mit niedrigem Schmelz- punkt oder aufgetragene Schichten bzw. Randschichten solcher Metalle wie z. B. Zinnschichten; Kunststoffe; Werkstücke mit durch das Material oder die Geometrie bedingter niedriger Wärmekapazität, z. B. dünnwandige Teile oder Blechstreifen).The high specific heat capacity of the process medium with the abrasive contained in it results in efficient heat dissipation from the workpiece, which prevents local overheating and thus enables the processing of even heat-sensitive workpiece surfaces (e.g. metal surfaces with a low melting point or applied layers or surface layers such as metals such as tin layers; plastics; workpieces with a low heat capacity due to the material or the geometry, e.g. thin-walled parts or sheet metal strips).
Die Stärke des abrasiven Angriffs wird häufig nach der Abtragsrate und den Rauheitskenngrößen beurteilt, kann aber auch mit beliebigen Kriterien beurteilt werden, die die Veränderung der Werkstückoberfläche durch den Bearbeitungsprozess je nach Anforderung beschreiben, wie z.B. Eignung zum Beschichten, Bearbeiten oder sonstigen nachfolgenden Verarbeitungs- oder Verwendungsschritten. Die in der jeweils relevanten Weise zu beurteilende Stärke des abrasiven Angriffs kann beein- flusst werden durch:The strength of the abrasive attack is often assessed according to the removal rate and the roughness parameters, but can also be assessed using any criteria that describe the change in the workpiece surface due to the machining process depending on the requirements, such as suitability for coating, machining or other subsequent processing or use steps. The strength of the abrasive attack, which is to be assessed in the relevant manner, can be influenced by:
- die Wahl des Prozessmediums, insbesondere des Materials, der Größe, der Form, der Härte, der Konzentration des Abrasivs und der auf die bearbeitete Fläche bezogene Abrasivmenge (Dosis) sowie von Zusätzen, die den Abtrag physikalisch oder chemisch unterstützen wie zum Beispiel Säuren oder Laugen,- The choice of the process medium, in particular the material, the size, the shape, the hardness, the concentration of the abrasive and the amount of abrasive (dose) related to the processed area as well as additives that physically or chemically support the removal, such as acids or alkalis,
- die Wahl des Drucks bzw. der Strömungsgeschwindigkeit sowie des Gefälles der Strömungsgeschwindigkeit senkrecht zur Strömungsrichtung sowie ,the choice of the pressure or the flow rate and the gradient of the flow rate perpendicular to the flow direction, and
-Ausrichtung der Strömung durch Oszillation des auftreffenden Strahls in horizontaler Richtung,-Orientation of the flow by oscillation of the impinging beam in the horizontal direction,
- die Wahl der Einwirkdauer, die Wahl der Art und Geometrie des Heran- und Ent- langführens des Prozessmediums an der Werkstückoberfläche (im Auftreffbereich: z. B. Auftreffwinkel a, dem Winkel zwischen der Tangente an der Werkstückoberfläche im Auftreffpunkt und der Auftreffrichtung der Strömung; Abstand zwischen Ausbringvorrichtung und Werkstückoberfläche im Tangentialströmbereich, Strömungsgeschwindigkeit, statischer Druck, Querschnitt des durchströmten Bereichs, Höhe des Spalts, Formgebung des durchströmten Bereichs, Reibungsverluste durch Wirbelbildung und Viskosität),- the choice of the duration of action, the choice of the type and geometry of the process medium being brought in and out on the workpiece surface (in the area of impact: eg impact angle a, the angle between the tangent to the workpiece surface at the point of impact and the direction of impact of the flow ; Distance between discharge device and workpiece surface in the tangential flow area, flow velocity, static pressure, cross-section of the flow area, height of the gap, shape of the flow area, friction losses due to eddy formation and viscosity),
- die Wahl der Viskosität des Prozessmediums,- the choice of the viscosity of the process medium,
- die Wahl der Art und des Anteils von Gasbeimengungen zum Prozessmedium sowie durch die Wahl der weiteren dem Fachmann geläufigen Prozessparameter gesteuert werden. Wie nachfolgend noch ausgeführt werden wird, kann ein mit Düsen bewerkstelligter Strahlprozess in einen Strömungsprozess übergehen, so dass die im Folgenden für letzteren genannten Prozessparameter auch für ersteren relevant sind.- The choice of the type and the proportion of gas admixtures to the process medium and the choice of the other process parameters familiar to the person skilled in the art can be controlled. As will be explained in the following, a blasting process made with nozzles can change into a flow process, so that the process parameters mentioned below for the latter are also relevant for the former.
Die Kombination zweier oder mehrerer Schritte kann das Bearbeitungsergebnis erheblich verbessern bzw. höhere Prozessgeschwindigkeiten ermöglichen.The combination of two or more steps can significantly improve the machining result or enable higher process speeds.
Die Dämpfung des Abrasivs wird erfindungsgemäß gesteigert bzw. überhaupt variiert, indem die Viskosität des Prozessmediums verändert wird. Dadurch wird die Wechselwirkung zwischen Abrasiv und Werkstückoberfläche so beeinflusst, dass bei sonst gleichen Prozessparametern kleinere Bearbeitungsspuren erzeugt werden o- der die Prozesswirkung praktisch ganz aussetzt. Des weiteren kann die Dämpfung variiert werden, indem durch Gasbeimengung zum Prozessmedium die Wechselwirkung erheblich intensiviert werden bzw. eine besonders geringe Rauheit durch Verzicht auf Gasbeimengung und/oder Erhöhen der Viskosität des Prozessmediums erzielt werden.The damping of the abrasive is increased or varied at all according to the invention by changing the viscosity of the process medium. This influences the interaction between the abrasive and the workpiece surface in such a way that smaller machining marks are created with otherwise the same process parameters or the process effect is practically completely suspended. Furthermore, the damping can be varied in that the interaction is considerably intensified by adding gas to the process medium or a particularly low roughness is achieved by dispensing with gas addition and / or increasing the viscosity of the process medium.
Diese Wechselwirkung zwischen dem Abrasiv und der Werkstückoberfläche kann in zwei Komponenten aufgeteilt werden, nämlich die Wechselwirkung des Abrasivs mit der Werkstückoberfläche in dem Bereich, in dem die Strömung auf die Werkstückoberfläche auftrifft (Auftreffbereich) und die Wechselwirkung des Abrasivs mit der Werkstückoberfläche in dem Bereich, in dem die Strömung im wesentlichen tangen- tial an der Werkstückoberfläche entlang fließt (Tangentialströmbereich). Diese beiden Strömungsbereiche treten in realen Anordnungen häufig kombiniert auf.This interaction between the abrasive and the workpiece surface can be divided into two components, namely the interaction of the abrasive with the workpiece surface in the area in which the flow impinges on the workpiece surface (impact area) and the interaction of the abrasive with the workpiece surface in the area, in which the flow flows essentially tangentially along the workpiece surface (tangential flow area). These two flow areas are often combined in real arrangements.
Im Auftreffbereich werden die Abrasivpartikel unter einem Auftreffwinkel a > 0° (Winkel zwischen der Tangente an der Werkstückoberfläche im Auftreffpunkt und der Auftreffrichtung der Strömung) an die Oberfläche herangeführt. Diese Wechselwirkung hat also eine je nach dem Auftreffwinkel ausgeprägte Vertikalkomponente. In der Praxis beobachtet man ein entsprechend dem inelastischen Energieeintrag ausgeprägtes Umformen (Verdichten, Aufwerfen, usw.) und/oder Abtragen an der Werkstückoberfläche. Im Anschluss an den Auftreffbereich bildet sich im Allgemeinen ein Tangentialströmbereich heraus, der bei kleinem Auftreffwinkel besonders ausgeprägt ist.In the impact area, the abrasive particles are brought to the surface at an impact angle a> 0 ° (angle between the tangent to the workpiece surface at the point of impact and the direction of impact of the flow). This interaction therefore has a vertical component that is pronounced depending on the angle of incidence. In practice, one observes a pronounced shaping (compression, throwing, etc.) and / or removal on the workpiece surface in accordance with the inelastic energy input. Following the area of impact, there is generally an imagination Tangential flow area out, which is particularly pronounced with a small angle of incidence.
Diese Anströmung der Werkstückoberfläche kann z. B. realisiert werden, indem ein mit Düsen erzeugter freier Strahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet wird. Soll eine Prozessströmung nur mit Auftreffbereich ohne Tangentialströmbereich realisiert werden, dann ist die Düsenrichtung so zu wählen, dass abströmendes Prozessmedium über die noch unbearbeitete Oberfläche abfließt oder es müssen Teile der Werkstückoberfläche abgedeckt werden, um den Beitrag des vom abfließenden Prozessmedium gebildeten Tangentialströmbereichs zur Gesamtwirkung zu minimieren. Die Prozesswirkung hängt unter anderem vom Arbeitsdruck und dem Auftreffwinkel a ab, sowie von der Strahlform (Vollstrahl, Flachstrahl mit Fächerwinkel b, Vollkegelstrahl, Hohlkegelstrahl, Zerstäuberdüse).This flow against the workpiece surface can, for. B. can be realized by directing a free jet generated with nozzles onto the workpiece surface. If a process flow is to be realized only with the impingement area without a tangential flow area, then the nozzle direction must be selected so that outflowing process medium flows over the still unprocessed surface or parts of the workpiece surface must be covered in order to minimize the contribution of the tangential flow area formed by the outflowing process medium to the overall effect , The process effect depends, among other things, on the working pressure and the angle of incidence a, as well as on the jet shape (full jet, flat jet with fan angle b, full cone jet, hollow cone jet, atomizer nozzle).
Im Vergleich zu dem bekannten Sandstrahlen, bei dem das Abrasiv in einem Gasstrom mitgeführt wird, bewirkt der Dämpfungseffekt der Flüssigkeit, dass mit demselben Abrasiv wesentlich kleinere Bearbeitungsspuren erzeugt werden, als es beim Sandstrahlen der Fall wäre. Deshalb kann vorteilhaft mit gröberem Korn gearbeitet werden, was eine erhebliche Kostenersparnis bedeutet. Außerdem kann mit den feinsten verfügbaren Abrasiven bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine geringere Rauheit erzielt werden als es mit dem Sandstrahlen überhaupt möglich ist.In comparison to the known sandblasting, in which the abrasive is carried in a gas stream, the damping effect of the liquid means that the same abrasive produces significantly smaller machining marks than would be the case with sandblasting. It is therefore advantageous to work with coarser grain, which means considerable cost savings. In addition, with the finest available abrasives, less roughness can be achieved with the method according to the invention than is possible with sandblasting.
Beim Einsatz von Düsen wird ein Druck im Bereich von 0.1 bar bis 25 bar, bevorzugt 1 bar bis 15 bar, noch bevorzugter weniger als 5 bar erzeugt. Es wird auf der Oberfläche zunächst im Auftreffbereich ein abrasiver Angriff ausgeführt, der je nach Material behverschiedenen Auftreffwinkeln maximal ist.When using nozzles, a pressure in the range of 0.1 bar to 25 bar, preferably 1 bar to 15 bar, more preferably less than 5 bar, is generated. An abrasive attack is first carried out on the surface in the impact area, which is maximum depending on the material, different impact angles.
Die Topographie bzw. Rauheit der Werkstückoberfläche hängt davon ab, ob die Strahlrichtung (bzw. deren Projektion auf die Werkstückoberfläche) parallel oder antiparallel zur Vorschubrichtung des Werkstücks gewählt wird. Dies gilt insbesondere für Auftreffwinkel unterhalb von etwa 30° bis 45°. Bei paralleler Strahlrichtung erfährt ein Punkt der Werkstückoberfläche zuerst das relativ aggressive Auftreffen der Strö- mung bzw. des Strahls und danach die schwächere, glättende Wirkung des Tangen- tialströmbereichs. Bei antiparalleler Strahlführung wird ein Punkt der Werkstückoberfläche erst im Tangentialströmbereich vorbearbeitet, worauf der intensivere Angriff im Auftreffbereich folgt. Obwohl auch die erste Variante bei relativ dünnen und duktilen Randschichten zum Erfolg führt, kann die zweite vorteilhaft sein, weil das Einarbeiten des Schichtmaterials in die Werkstückoberfläche besser vermieden werden kann.The topography or roughness of the workpiece surface depends on whether the beam direction (or its projection onto the workpiece surface) is selected parallel or anti-parallel to the feed direction of the workpiece. This applies in particular to angles of incidence below approximately 30 ° to 45 °. If the beam direction is parallel, a point on the workpiece surface first experiences the relatively aggressive impact of the currents. tion or the jet and then the weaker, smoothing effect of the tangential flow area. In the case of anti-parallel beam guidance, a point on the workpiece surface is only pre-processed in the tangential flow area, which is followed by the more intensive attack in the impact area. Although the first variant also leads to success with relatively thin and ductile boundary layers, the second can be advantageous because the incorporation of the layer material into the workpiece surface can be better avoided.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to figures.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Strömungsfeldes bei einem tangential an einer Werkstückoberfläche entlang geführten, eine Abrasiv enthaltende Flüssigkeitsströmung.FIG. 1 shows a section of a flow field in the case of a liquid flow containing an abrasive and guided tangentially along a workpiece surface.
Figur 2 zeigt in Seitenansicht im Querschnitt einen Bearbeitungskopf.Figure 2 shows a side view in cross section of a machining head.
Figur 3 zeigt schematisch eine Gesamtdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur abtragenden Bearbeitung von Werkstücken.Figure 3 shows schematically an overall view of the inventive device for the machining of workpieces.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Strömungsfeld 10. Die Strömung haftet an einer Oberfläche 11 eines zu bearbeitenden Werkstücks 11 an. Entlang der zu der Oberfläche senkrechten Achse 12 verläuft die Strömung entsprechend den dargestellten, das Strömungsfeld 10 repräsentierenden Vektorpfeilen. Ein Abrasivpartikel 13, der sich wie dargestellt im Strömungsfeld 10 aufhält, erfährt dem entsprechend eine Krafteinwirkung in der Art, dass es um seinen Schwerpunkt 14 in Drehung versetzt wird, und dass sein Schwerpunkt 14 eine Translationsbewegung gegenüber der Werkstückoberfläche 11 ausführt. Jede Bewegung für sich und insbesondere ihr Zusammenwirken führen dazu, dass der Abrasivpartikel 13 beim Kontakt mit der Werkstückoberfläche 11 auf diese eine abtragende Wirkung ausübt. Zwar bremst jeder Kontakt mit der Werkstückoberfläche 11 das Abrasivpartikel 13 ab, es wird aber bei geeigneten Konzentrationsverhältnissen in der Strömung 10 neu, sowohl in Rotation als auch Translation beschleunigt, so dass immer wieder Bewegungsenergie aus dem Strömungsfeld 10 auf das Abrasivpartikel 13 übertragen wird. Bildlich gespro- chen, kann die Wirkung eines Abrasivpartikels mit der eines Miniaturfräsers verglichen werden. Anders als bei einem Fräser wird jedoch die Bahn nicht durch einen Vorschubmechanismus, sondern durch den Verlauf des Strömungsfeldes 10, insbesondere durch die Art und Geometrie seiner Berandung, seine absoluten bzw. zum Abrasivpartikel relativen Abmessungen, die Viskosität des Fluids und anderen aus der Hydrodynamik bekannten Einflussgrößen vorgegeben.1 shows a section of a flow field 10. The flow adheres to a surface 11 of a workpiece 11 to be machined. The flow runs along the axis 12 perpendicular to the surface in accordance with the vector arrows shown which represent the flow field 10. An abrasive particle 13, which is located in the flow field 10 as shown, accordingly experiences a force such that it is set in rotation about its center of gravity 14 and that its center of gravity 14 carries out a translational movement with respect to the workpiece surface 11. Each movement on its own and in particular its interaction lead to the abrasive particle 13 exerting a removal effect on the workpiece surface 11 upon contact with it. Although each contact with the workpiece surface 11 brakes the abrasive particle 13, it is newly accelerated with suitable concentration ratios in the flow 10, both in rotation and translation, so that kinetic energy is repeatedly transmitted from the flow field 10 to the abrasive particle 13. Figuratively spoken Chen, the effect of an abrasive particle can be compared with that of a miniature milling cutter. Unlike a milling cutter, however, the path is not known by a feed mechanism, but rather by the course of the flow field 10, in particular by the type and geometry of its boundary, its absolute dimensions or dimensions relative to the abrasive particle, the viscosity of the fluid and others known from hydrodynamics Predetermined influencing variables.
Ein Tangentialströmbereich und die beschriebene dafür typische Wechselwirkung kann durch Ausbringen des Prozessmediums in einen Hohlraum erzeugt werden, der von einem Teil der oder der ganzen Werkstückoberfläche und einer geeignet geformten und gegenüber dem Werkstück hinreichend abgedichteten Form gebildet wird. Eine solche, nachfolgend noch näher erläuterte Vorrichtung wird nachfolgend als Spaltströmer bezeichnet. Im Tangentialströmbereich wird die kinetische Energie der Abrasivpartikel nicht hauptsächlich in einer einzigen Wechselwirkung auf die Werkstückoberfläche übertragen, sondern feiner dosiert: Es finden viele aufeinander fol- gende-Wechselwirkungsprozesse statt, die durch die innere Reibung im Strahlmedium gedämpft werden. Diese Dämpfung kann, wie unten beschrieben, über die Viskosität des Prozessmediums gezielt eingestellt bzw. optimiert werden.A tangential flow area and the interaction described for it can be generated by dispensing the process medium into a cavity which is formed by part of or all of the workpiece surface and a suitably shaped shape that is sufficiently sealed off from the workpiece. Such a device, which will be explained in more detail below, is referred to below as a gap flow. In the tangential flow area, the kinetic energy of the abrasive particles is not primarily transferred to the workpiece surface in a single interaction, but rather more precisely: Many successive interaction processes take place, which are dampened by the internal friction in the blasting medium. As described below, this damping can be specifically set or optimized via the viscosity of the process medium.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Werkstückbehandlung mittels einer Tan- gentiä|strömung wird die Berandung eines Raumes zwischen Spaltströmer und Werkstückoberfläche so gestaltet, dass sich ein Spalt ergibt, dessen Höhe kleiner ist als seine Länge (definiert als kürzeste Strecke zwischen zuleitungsseitigem Beginn des Spalts und seinem Auslassende); bevorzugt wird ein Verhältnis von Höhe zu Länge von 1 :5 oder mehr, besonders bevorzugt ein Verhältnis von 1 :10 oder mehr. Die Spalthöhe beträgt mindestens das Doppelte des typischen Abrasivpartikel- durchmessers, maximal das 200-fache. Eine lokale Erweiterung des Spalts bzw. eine der Werkstückoberfläche formähnliche Verengung des Spalts bewirken ein Abschwächen bzw. Unterbinden der Prozesswirkung im Bereich der betroffenen Teile der Werkstückoberfläche, die dadurch selektiv geschont werden können. Der Völumenstrom, unter dem das Werkzeug mit Prozessmedium beaufschlagt wird, bestimmt bei gegebener Geometrie und gegebenem Prozessmedium die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Strömungsverhältnisse. Bevorzugt wird eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,1 m/s und 100 m/s, besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 20 m/s eingestellt. Zugleich bestimmt die dem Volumenstrom proportionale Anzahl der Wechselwirkungen zwischen Abrasivpartikeln und Werkstückoberfläche die Abtragsrate.In the method according to the invention for workpiece treatment by means of a tangent flow, the boundary of a space between the gap stream and the workpiece surface is designed in such a way that there is a gap whose height is smaller than its length (defined as the shortest distance between the beginning of the gap on the supply side and its gap outlet); a ratio of height to length of 1: 5 or more is preferred, particularly preferably a ratio of 1:10 or more. The gap height is at least twice the typical abrasive particle diameter, and a maximum of 200 times. A local widening of the gap or a narrowing of the gap that resembles the shape of the workpiece surface weaken or prevent the process effect in the area of the affected parts of the workpiece surface, which can thereby be protected selectively. The volume flow under which the tool is charged with process medium determines the mean flow velocity or the flow conditions for a given geometry and process medium. An average flow velocity between 0.1 m / s and 100 m / s, particularly preferably between 0.3 and 20 m / s, is preferably set. At the same time, the number of interactions between abrasive particles and workpiece surface proportional to the volume flow determines the removal rate.
Der Druck ist für das Verfahren insofern bedeutsam, als die innere Reibung des Prozessmediums überwunden werden muss, so dass es überhaupt durch den Spalt mit hinreichender Strömungsgeschwindigkeit hindurchtritt. Es wird ein Druck unterhalb 25 bar, bevorzugt unterhalb 5 bar verwendet.The pressure is important for the process insofar as the internal friction of the process medium has to be overcome so that it even passes through the gap with sufficient flow speed. A pressure below 25 bar, preferably below 5 bar, is used.
Als Material für das Werkzeug bzw. für die durch Prozessmedium berührten Teile, insbesondere im Bereich des Spaltes kommen besonders Hartmetalle, Sintermetalle oder Keramikwerkstoffe in Frage, bevorzugt jedoch polymere Werkstoffe wie z. B. Gummi, PTFE, PVDF, Kunstharze oder Polyurethan. Bezüglich der Eignung von Polyurethan als Düsenwerkstoff wird auf die US 4494698 Bezug genommen. Die poly- meren Werkstoffe können faserverstärkt werden. Alternativ kann die Werkzeugoberfläche, insbesondere im Bereich des Spaltes, mit diesen Materialien oder auch mit Hartstoff schichten beschichtet sein.As a material for the tool or for the parts touched by the process medium, especially in the area of the gap, hard metals, sintered metals or ceramic materials are particularly suitable, but preferably polymeric materials such as, for. B. rubber, PTFE, PVDF, synthetic resins or polyurethane. With regard to the suitability of polyurethane as a nozzle material, reference is made to US Pat. No. 4,494,698. The polymeric materials can be fiber-reinforced. Alternatively, the tool surface, in particular in the area of the gap, can be coated with these materials or with hard material layers.
Durch die Abrasivbelastung wird der Bearbeitungskopf verschlissen und in Folge desseri erweitert. Um den für den Bearbeitungsprozess benötigten Druck aufrecht zu erhalten, kann der Volumenstrom gesteigert werden. Der Vorschub des Werkstücks wird dann um den selben Faktor erhöht. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit durch andere Vorgaben festgelegt ist (z. B. Kopplung an vorausgehende oder nachfolgende Prozesse in einer Linienfertigung), ist es vorteilhaft, am Bearbeitungskopf Stellglieder, vorzusehen, die die Aufweitung durch Verschleiß kompensieren.The machining head is worn out due to the abrasive load and is consequently expanded. The volume flow can be increased to maintain the pressure required for the machining process. The feed of the workpiece is then increased by the same factor. If the feed rate is determined by other specifications (e.g. coupling to previous or subsequent processes in a line production), it is advantageous to provide actuators on the processing head that compensate for the expansion due to wear.
Für das Verfahren wird die an sich aus der Hydrodynamik bekannte Tatsache ausgenutzt, dass die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung in einem Strömungsfeld im allgemeinen und besonders in der Nähe des Randes der Strömung ungleichmäßig ist, wo sie mit dem Abstand zur Berandung zunimmt. Wie oben erläutert, werden dadurch Abrasivpartikel in besonderer Weise in Translation und Rotation versetzt, so dass sie fortwährend Energie aus dem Strömungsfeld auf die Werkstückoberfläche übertragen, die dort inelastische bzw. sich nicht spontan zurück bildende Veränderungen hervorrufen.The fact that hydrodynamics is known per se is used for the method that the flow velocity distribution in a flow field in the general and especially near the edge of the flow is uneven where it increases with distance from the boundary. As explained above, this causes abrasive particles to be translated and rotated in a special way, so that they continuously transfer energy from the flow field to the workpiece surface, which causes inelastic or non-spontaneous changes.
Das Strömungsfeld wird zunächst wie oben beschrieben durch die Formgebung der Berandung des zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche gebildeten Spaltes beeinflusst. Des weiteren kann das Strömungsfeld beeinflusst werden, indem seine Querschnittsfläche (also die gedachte senkrecht durchströmte Fläche) im Bereich des Spaltes größer bzw. kleiner als im Zulauf gemacht wird, auch wenn dies für das Verfahren nicht grundsätzlich erforderlich ist. Aus der Hydrodynamik ist jedoch bekannt, dass die Geschwindigkeit einer Strömung, die durch einen vorgegebenen statischen Druck erzeugt wird, bei einer Verengung des durchströmten Querschnitts anwächst; z. B. bei einer inkompressiblen Flüssigkeit ohne innere Reibung verhält sich die Strömungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche. Insofern kann das Bearbeitungsergebnis über die allgemeine Formgebung des Querschnitts hinaus durch seine Verengung beeinflusst werden. Aus der Hydrodynamik (z. B. Poiseuille-Strömung) ist weiterhin bekannt, dass das Strömungsfeld von der Viskosität des Prozessmediums beeinflusst wird. Insbesondere kann durch die Viskosität des Prozessmediums selbst bei vorgegebener Geometrie der Anordnung und Konzentration des Abrasivs noch gesteuert werden, ob sich eine laminare oder turbulente Strömung einstellt. Ausgehend von einer laminaren Strömung vollzieht sich bejm Verringern der Viskosität bei einem gewissen Schwellwert der Übergang zur turbulenten Strömung bereits bei kleinerer Strömungsgeschwindigkeit; dann können die Abrasivpartikel bei sonst gleichen Bedingungen kleiner gewählt werden, da der Schergradient nahe der Werkstückoberfläche steiler ist. Eine Viskositätserhöhung bewirkt, dass der abrasive Angriff weniger intensiv ist. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines als Spaltströmer ausgebildeten Bearbeitungskopfs zur Durchführung des zuvor erläuterten Verfahrens, insbesondere zur Anwendung auf ebene oder fast ebene Werkstückoberflächen.As described above, the flow field is initially influenced by the shape of the edge of the gap formed between the tool and the workpiece surface. Furthermore, the flow field can be influenced by making its cross-sectional area (ie the imagined perpendicularly flowed area) larger or smaller in the area of the gap than in the inlet, even if this is not fundamentally necessary for the method. From hydrodynamics, however, it is known that the speed of a flow, which is generated by a predetermined static pressure, increases when the cross-section through which flow is narrowed; z. B. for an incompressible liquid without internal friction, the flow rate is inversely proportional to the cross-sectional area. In this respect, the machining result can be influenced by its narrowing beyond the general shape of the cross-section. It is also known from hydrodynamics (e.g. Poiseuille flow) that the flow field is influenced by the viscosity of the process medium. In particular, the viscosity of the process medium, even with a given geometry of the arrangement and concentration of the abrasive, can still be used to control whether a laminar or turbulent flow occurs. Starting from a laminar flow, the transition to turbulent flow takes place when the viscosity is reduced at a certain threshold value even at a lower flow velocity; then the abrasive particles can be chosen smaller under otherwise identical conditions, since the shear gradient near the workpiece surface is steeper. Increasing the viscosity means that the abrasive attack is less intense. 2 shows an exemplary embodiment of a machining head designed as a gap stream for carrying out the method explained above, in particular for use on flat or almost flat workpiece surfaces.
Der Bearbeitungskopf umfasst ein erstes Formteil 250, beispielsweise aus Polyurethan; mit einem ersten Zulauf 251 und ein dazu spiegelbildliches zweites Formteil 250a mit einem zweiten Zulauf. Während des Betriebs wird dem Bearbeitungskopf über diese Zuläufe ein Prozessmedium zugeführt.The processing head comprises a first molded part 250, for example made of polyurethane; with a first inlet 251 and a mirror-shaped second molded part 250a with a second inlet. During operation, a process medium is fed to the processing head via these inlets.
Die beiden Formteile werden so zusammengesetzt, dass ein Spalt zum Einführen eines zu bearbeitenden Werkstücks entsteht bzw. die Formteile werden auf beiden Seiten des Werkstücks 900 angesetzt. Das Formteil 250 ist seitlich so breit ausgeführt, dass das Werkstück in seiner ganzen Breite (die senkrecht zu der dargestellten Zeichenebene verläuft) überdeckt wird. Die Seitenwände (nicht gezeichnet) des Formteils 250 sind geschlossen.The two molded parts are assembled in such a way that a gap is created for inserting a workpiece to be machined, or the molded parts are placed on both sides of the workpiece 900. The molded part 250 is laterally so wide that the entire width of the workpiece (which is perpendicular to the drawing plane shown) is covered. The side walls (not shown) of the molded part 250 are closed.
Eingangseitig, d.h. auf einer Seite über welches das Werkstück zugeführt wird, ist eine Dichtlippe 253 vorhanden, die an dem Werkstück 900 anliegt. In Bewegungsrichtung des Werkstücks anschließend an die Dichtlippe ist zwischen Werkstück- Oberfläche und Formteil ein Hohlraum Raum 252 gebildet. Das Formteil 250 wird über einen Träger 257, der zugleich das flexible Formteil 250 versteift, mit einer Haltevorrichtung (nicht dargestellt) zweckmäßig an einer Positioniereinheit 210 befestigt. Wird das Formteil 250 durch den Zulauf 251 mit Prozessmedium beaufschlagt, kann das Prozessmedium im Wesentlichen nur durch einen spaltförmigen Raum 254 zwischen Werkstück 900 und Formteil 250 entweichen, wobei dieser Spalt 254 an einem der Dichtlippe gegenüberliegenden Ende des Bearbeitungskopfs gebildet ist. Der Spalt 254 wird durch den Träger 255 mit geformt, der das Formteil 250 versteift. Eine an dem Träger 257 befestigte Einsteilvorrichtung 256 erlaubt es, die Spalthöhe wie oben beschrieben einzustellen, so dass die erwünschte Wirkung erzielt wird. Mit der Einstellvorrichtung 256 kann auch der Materialverlust, der durch den abrasiven Angriff am Formteil 250 entsteht und den Spalt erweitert, ausgeglichen werden, so dass die Standzeit des Formteils 250 erhöht wird. Die Einstellvorrichtung besteht aus einer Druckplatte, die sowohl manuell über Druckschrauben (Spindeln) oder Druckfedern als auch über pneumatische oder hydraulische Regeleinrichtungen verstellt werden kann.On the input side, ie on a side via which the workpiece is fed, there is a sealing lip 253 which bears against the workpiece 900. A cavity 252 is formed between the workpiece surface and the molded part in the direction of movement of the workpiece following the sealing lip. The molded part 250 is expediently fastened to a positioning unit 210 by means of a support 257, which at the same time stiffens the flexible molded part 250, with a holding device (not shown). If the molded part 250 is supplied with process medium through the inlet 251, the process medium can essentially only escape through a gap-shaped space 254 between the workpiece 900 and the molded part 250, this gap 254 being formed at an end of the machining head opposite the sealing lip. The gap 254 is also formed by the carrier 255, which stiffens the molded part 250. An adjusting device 256 attached to the carrier 257 allows the gap height to be adjusted as described above, so that the desired effect is achieved. The adjusting device 256 can also compensate for the loss of material which arises from the abrasive attack on the molded part 250 and widens the gap, so that the service life of the molded part 250 is increased. The setting device consists of a Pressure plate that can be adjusted manually using pressure screws (spindles) or pressure springs as well as using pneumatic or hydraulic control devices.
Vor einer weiteren Verarbeitung bzw. Verwendung des Werkstücks nach der zuvor erläuterten Oberflächenrevision, durch welche oberflächennahe Schichten abgetragen werden, müssen ggf. prozessbedingte Oberflächenstrukturen entfernt bzw. O- berflächeneigenschaften verändert werden. Beispielsweise können Bestandteile der Werkstückoberfläche, die durch den Bearbeitungsprozess nicht vollständig abgelöst wurden, noch an der Oberfläche haften. Sie können sich, auch wenn sie bei nachfolgenden Umformungsprozessen in die Werkstückoberfläche eingedrückt werden, unerwünscht von der Oberfläche ablösen. Diese Oberflächenbestandteile können auf verschiedene Weise von der Oberfläche entfernt werden. Eine mögliche Realisierung ist das an sich bekannte Bürsten unter Verwendung rotierender Walzen mit Besätzen, an denen die Werkstückoberfläche vorbei geführt wird.Before further processing or use of the workpiece after the previously described surface revision, through which layers close to the surface are removed, process-related surface structures may have to be removed or surface properties changed. For example, components of the workpiece surface that have not been completely removed by the machining process can still adhere to the surface. Even if they are pressed into the workpiece surface during subsequent forming processes, they can detach undesirably from the surface. These surface components can be removed from the surface in various ways. A possible implementation is the brushing known per se using rotating rollers with trimmings, past which the workpiece surface is guided.
Als Abrasiv werden bevorzugt Partikel aus Metall- und Halbmetall-Boriden, - Carbiden, -Nitriden und -Oxiden verwendet und solche, die als Bestandteil natürlicher Minerale in der Natur vorkommen. Der Feststoffanteil im Prozessmedium liegt zwischen 0 und 50 Volumenprozent, bevorzugt zwischen 2 und 30 Volumenprozent, besonders bevorzugt zwischen 5 und 20 Volumenprozent. Die Partikelgröße liegt zwischen 0,5 und 1000 μm, bevorzugt zwischen 2 μm und 500 μm. Die praktisch erhältlichen Größenverteilungen haben jedoch unvermeidlich eine gewisse Streubreite. Mit der Partikelgröße 25 bis 90 μm und den hierin beschriebenen Prozessparametern erhält man beispielsweise eine bemerkenswert geringe Rauheit von Ra < 0.1 μm.Particles of metal and semimetal borides, carbides, nitrides and oxides are preferably used as the abrasive, and those which occur as a component of natural minerals in nature. The solids content in the process medium is between 0 and 50 volume percent, preferably between 2 and 30 volume percent, particularly preferably between 5 and 20 volume percent. The particle size is between 0.5 and 1000 μm, preferably between 2 μm and 500 μm. However, the practically available size distributions inevitably have a certain spread. With the particle size 25 to 90 μm and the process parameters described here, for example, a remarkably low roughness of Ra <0.1 μm is obtained.
Die Abrasivpartikel steigern mit zunehmendem Volumenbruch im allgemeinen die Viskosität der Suspension, wie es zum Beispiel die aus der Rheologie inhomogener Flüssigkeiten bekannte Einstein-Roscoe-Formel ausdrückt. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass das Fließverhalten von Suspensionen davon abweicht, wenn die Partikelgröße in einem oder oberhalb eines gewissen Übergangsbereichs liegt. Dementsprechend ist unterhalb des Übergangsbereichs die Viskosität des Prozessmediums und darüber die Viskosität der reinen Trägerflüssigkeit maßgeblich. Die Viskosität muss also der Abrasivpartikelgröße und -größenverteilung angepasst werden, wobei zunächst von der Einstein-Roscoe-Formel ausgegangen werden kann.With increasing volume fraction, the abrasive particles generally increase the viscosity of the suspension, as expressed, for example, by the Einstein-Roscoe formula known from the rheology of inhomogeneous liquids. Experience shows, however, that the flow behavior of suspensions deviates if the particle size is in or above a certain transition range. Accordingly, the viscosity of the process medium is below the transition range and above that the viscosity of the pure carrier liquid is decisive. The viscosity must therefore be adapted to the abrasive particle size and size distribution, whereby the Einstein-Roscoe formula can be used as a starting point.
Wird die Viskosität des Prozessmediums bzw. der Prozessflüssigkeit über einen gewissen Grenzwert erhöht, dann werden die Strömungsverhältnisse zunehmend laminar. Das bedeutet, dass in der Strömung mitgeführte Partikel wenig Gelegenheit haben, an die Strömungsberandung (das sind alle mediumsberührten Teile wie z. B. Leitungsinnenwand, Pumpenteile, Düseninnenwand, Werkstückoberfläche, etc.) zu gelangen, wo sie mit der Strömungsberandung in Wechselwirkung treten können. Dies ist bei den Anlagenbauteilen erwünscht, weil mit der Abrasivbelastung der Ver- schleiß reduziert wird. Andererseits wird jedoch die Wirkung des Bearbeitungsprozesses mit zunehmender Viskosität reduziert bzw. völlig unterbunden.If the viscosity of the process medium or the process liquid is increased above a certain limit value, the flow conditions become increasingly laminar. This means that particles carried in the flow have little opportunity to get to the flow boundary (all parts that come into contact with the medium, such as the inner pipe wall, pump parts, inner nozzle wall, workpiece surface, etc.), where they can interact with the flow boundary , This is desirable for the system components because the abrasive load reduces wear. On the other hand, however, the effect of the machining process is reduced or completely prevented with increasing viscosity.
Es ist bekannt, dass der Zusatz von Viskositätserhöhenden Stoffen vorteilhaft sein kann. Die eingangs erwähnte US 3524367 zeigt auf, dass die für das Hochdruckwasserstrahlschneiden wesentliche Kohärenz des Strahls für Viskositäten im Bereich zwischen 1 und 1600 mPa-s verbessert ist. Dieser Effekt kommt allerdings nur beim Hochdruckwasserstrahlen ohne Abrasiv im dort angegebenen Druckbereich von ca. 700 bis 7000 bar zum tragen, nicht jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Druckbereich von weniger als 25 bar, das gegen die Einwirbelung von Luft in den Strah. aus den aus der Hydrodynamik bekannten Gründen wesentlich unempfindlicher ist.It is known that the addition of viscosity-increasing substances can be advantageous. The US 3524367 mentioned at the outset shows that the coherence of the jet, which is essential for high-pressure water jet cutting, is improved for viscosities in the range between 1 and 1600 mPa-s. However, this effect only comes into play in high-pressure water jets without abrasive in the pressure range of approx. 700 to 7000 bar specified there, but not in the process according to the invention in the pressure range of less than 25 bar, which prevents air being swirled into the jet. is much less sensitive for the reasons known from hydrodynamics.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestehen auf Grund des vergleichsweise geringen Arbeitsdrucks solche Strömungsverhältnisse und eine solche Dämpfung, dass der Bearbeitungsprozess oberhalb eines vom Druck, Abrasiv und Werkstück abhängigen Schwellwerts zwischen etwa 2 mPa-s und 300 mPa-s im Auftreff- bzw. Tangentialströmbereich praktisch auf die Werkstückoberfläche keine Wirkung mehr hat. Deshalb wird im Viskositätsintervall von 0,1 mPas-s bis 300 mPa-s, bevorzugt von 0,1 mPas-s bis 30 mPa-s gearbeitet. Dabei ist zu beachten, dass bei nicht- newtonschen (z. B. strukturviskosen) Prozessmedien die Menge des viskositätser- höhenden Hilfsstoffs bzw. der Hilfsstoffe so zu wählen ist, dass dieser Viskositätswert bei den Strömungsverhältnissen im Auftreffbereich bzw. Tangentialströmbereich gegeben ist.In the method according to the invention, due to the comparatively low working pressure, there are such flow conditions and such damping that the machining process practically occurs above a threshold value depending on the pressure, abrasive and workpiece, between approximately 2 mPa-s and 300 mPa-s in the impact or tangential flow range the workpiece surface has no effect. For this reason, the viscosity range is from 0.1 mPas-s to 300 mPa-s, preferably from 0.1 mPas-s to 30 mPa-s. It should be noted that in the case of non-Newtonian (e.g. structurally viscous) process media, the amount of viscosity auxiliary material or auxiliary materials should be selected so that this viscosity value is given for the flow conditions in the impingement area or tangential flow area.
Bei Versuchen wurde festgestellt, dass es trotz der generellen Dämpfungswirkung einen insbesondere vom Druck, Abrasiv und Werkstück abhängigen Viskositätsbereich gibt, in dem einerseits die Wirkung des Bearbeitungsprozesses auf die Werkstückoberfläche trotz erhöhter Viskosität praktisch unverändert und effizient bleibt und andererseits das hydraulische System (Pumpe, Leitungen) mit geringerer Leistungsaufnahme dieselben Betriebsparameter (Druck, Volumenstrom) erreicht und zugleich die Abrasiv berührten Anlagenbauteile, insbesondere die Ausbringeinrichtungen (z. B. Düsen), merklich langsamer verschleißen. Dies wird erreicht, indem die Viskosität des Prozessmediums auf werte zwischen 1 und 30 mPa«s, bevorzugt zwischen 1 und 15 mPa s, geltend für die Strömungsverhältnisse im Auftreff- bzw. Tangentialströmbereich, eingestellt wird. Dort herrschen typische Scherraten zwischen 103 und 105 s"1, während Scherraten in Rohrleitungen mit 101 und 103 s"1 deutlich geringer sind. Bei Zugabe eines Polyacrylderivats in einer geeigneten Konzentration ist die Viskosität im Tangentialströmbereich z. B. um den Faktor 3 geringer als in der Rohrleitung bzw. um den Faktor 4 geringer als in Ruhe, so dass die Ruheviskosität des Prozessmediums im Bereich zwischen 4 und 120 mPa-s liegt.During tests, it was found that despite the general damping effect, there is a viscosity range that is dependent in particular on pressure, abrasive and workpiece, on the one hand the effect of the machining process on the workpiece surface remains practically unchanged and efficient despite the increased viscosity, and on the other hand the hydraulic system (pump, lines ) achieves the same operating parameters (pressure, volume flow) with lower power consumption and at the same time wear the abrasive parts of the system, in particular the application devices (e.g. nozzles), noticeably slower. This is achieved by adjusting the viscosity of the process medium to values between 1 and 30 mPa «s, preferably between 1 and 15 mPa s, is claimed for the flow conditions in impingement or Tangentialströmbereich set. There are typical shear rates between 10 3 and 10 5 s "1 , while shear rates in pipes with 10 1 and 10 3 s " 1 are significantly lower. When adding a polyacrylic derivative in a suitable concentration, the viscosity in the tangential flow range is e.g. B. by a factor of 3 less than in the pipeline or by a factor of 4 less than at rest, so that the rest viscosity of the process medium is in the range between 4 and 120 mPa-s.
Weitere Vorteile einer Viskositätserhöhung liegen darin, dass das Abrasiv in der Prozessflüssigkeit langsamer sedimentiert, das Prozessmedium sich dementsprechend bei Stillstand, unzureichender Fließgeschwindigkeit oder fehlender Turbulenz weniger schnell entmischt. Dies vereinfacht die Handhabung beim hydraulischen Transport. Bei gleichem Volumenstrom betrachtet, ist die Turbulenz umso geringer, je größer die Viskosität ist; unterhalb der von der Reynoldszahl gegebenen Schwelle wird die Strömung sogar laminar.Further advantages of an increase in viscosity are that the abrasive sediments more slowly in the process liquid, and the process medium accordingly separates less quickly when it is at a standstill, inadequate flow rate or lack of turbulence. This simplifies handling during hydraulic transport. Considering the same volume flow, the greater the viscosity, the lower the turbulence; below the threshold given by the Reynolds number, the flow becomes even laminar.
Nachteilig an einer Viskositätserhöhung ist grundsätzlich der Verlust von Druck und Volumenstrom durch Engstellen (z. B. Leitungssystem, Düse bzw. Ausbringvorrich- tung), der jedoch im Bereich niedriger Viskosität von dem an sich bekannten Effekt kleiner werdenden Strömungswiderstands in diesen Anlagenteilen kompensiert wird.A disadvantage of an increase in viscosity is the loss of pressure and volume flow through constrictions (e.g. line system, nozzle or spreading device). tion), which is compensated for in the low viscosity range by the known effect of decreasing flow resistance in these parts of the system.
Weiterhin nachteilig an einer Viskositätserhöhung ist das Filtrationsverhalten des Prozesλsmediums bzw. Teilen davon. Bei den meisten Stofftrennsystemen dauert die Trennung umso länger bzw. erfordert umso mehr Aufwand, je größer die Viskosität ist. Abhilfe schafft hier die Verwendung eines strukturviskosen Prozessmediums in Verbindung mit solchen Stofftrennsystemen, die bei erhöhten Scherraten und damit reduzierter Viskosität arbeiten (z. B. Hydrozyklon, Querstromfilter). Deshalb wird die Viskosität innerhalb den oben genannten bevorzugten Intervallen so gering wie möglich gewählt.Another disadvantage of an increase in viscosity is the filtration behavior of the process λ smediums or parts thereof. In most material separation systems, the separation takes longer or requires more effort, the greater the viscosity. This can be remedied by using a structurally viscous process medium in connection with such material separation systems that work with increased shear rates and thus reduced viscosity (e.g. hydrocyclone, crossflow filter). The viscosity is therefore chosen to be as low as possible within the preferred intervals mentioned above.
Strukturviskose Hilfsstoffe weisen bei zunehmender Scherrate abnehmende Viskosität auf, wobei die Abnahme stofftypisch ist und stark variiert. So kann durch Beimischen einer gewissen Menge eines stark strukturviskosen Stoffs, wie beispielsweise Cellulosederivat, das eine Viskositätsabnahme um den Faktor 270 bei Scherraten zwischen 100 s"1 und 104 s"1 zeigt, zu einem schwach strukturviskosen Stoff, wie beispielsweise Polyacrylatderivat, das eine Viskositätsabnahme um den Faktor 4 bei Scheiraten zwischen 100 s"1 und 104s"1 zeigt, ein Medium erzeugt werden, das bei solchen Scherraten, die für langsame Bewegungen typisch sind, relativ dickflüssig ist.Structurally viscous auxiliaries have a decreasing viscosity with increasing shear rate, the decrease being typical of the substance and varying widely. Thus, by admixing a certain amount of a highly pseudoplastic material, such as cellulose derivative, which shows a decrease in viscosity by a factor of 270 at shear rates between 100 s "1 and 10 4 s " 1 , to a slightly pseudoplastic material, such as polyacrylate derivative, the one A decrease in viscosity by a factor of 4 at shear rates between 100 s "1 and 10 4 s " 1 shows that a medium is generated which is relatively viscous at shear rates which are typical for slow movements.
Die Viskosität kann durch einen Hydrogelbildner erhöht werden, zum Beispiel Poly- saccharide oder Polymere bzw. deren Derivate wie Agar, Alginate, Carrageenan, Guar, Gummiarabikum, Tragantgummi, und Poloxamer.The viscosity can be increased by a hydrogel former, for example polysaccharides or polymers or their derivatives such as agar, alginates, carrageenan, guar, gum arabic, tragacanth, and poloxamers.
Dem Prozessmedium werden vorteilhafterweise ein oder mehrere im folgenden als Dispergiermittel bezeichnete Stoffe beigefügt, die das Fließverhalten des Prozessmediums und damit auch die Strömungsform alternativ bzw. ergänzend zur Viskositätserhöhung vorteilhaft beeinflussen. Dadurch wird die Prozesswirkung und damit die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht, der Systemwirkungsgrad durch verbesserte Pumpwirkung und verminderte Reibung zwischen Prozessmedium und Leitungsele- menten optimiert und die Mobilität bzw. Mobilisierbarkeit von sedimentiertem oder an Oberflächen anhaftendem Abrasiv verbessert, wodurch insbesondere das Spülen der Werkstücksoberfläche und das Einbringen von frischem Abrasiv erleichtert werden.Advantageously, one or more substances, hereinafter referred to as dispersants, are added to the process medium, which, as an alternative or in addition to the increase in viscosity, advantageously influence the flow behavior of the process medium and thus also the flow form. This increases the process effect and thus the processing speed, the system efficiency through improved pumping action and reduced friction between the process medium and the line element. optimized and the mobility or mobilizability of sedimented or abrasive adhering to surfaces improved, which in particular makes it easier to rinse the workpiece surface and introduce fresh abrasive.
Vorteilhafte Dispergiermittel sind zunächst die bekannten amphoterischen, anionischen, .kationischen und nichtionischen Emulsionsbildner bzw. oberflächenaktiven Stoffe. Andere geeignete Dispergiermittel sind Polyacrylate (zum Beispiel Ammoni- um-Polyacrylat oder Natrium-Polyacrylat), Kondensationsprodukte von Sulfonsäuren, insbesondere der Naphthalinsulfonsäure, bevorzugt Naphthalinsulfonsäure- Formaldehyd-Polykondensat als Natriumsalz, Vinylacetat- und Vinylversatat-Homo- bzw. Copolymere, Styrol- und Butadien-Homo bzw. Co-polymere sowie Polyvinylal- kohol. Einen die Dispergierung unterstützenden Effekt haben darüber hinaus die o- ben genannten Stoffe zur Erhöhung der Viskosität des Strahlmediums.Advantageous dispersants are first of all the known amphoteric, anionic, .cationic and nonionic emulsion formers or surface-active substances. Other suitable dispersants are polyacrylates (for example ammonium polyacrylate or sodium polyacrylate), condensation products of sulfonic acids, in particular naphthalenesulfonic acid, preferably naphthalenesulfonic acid / formaldehyde polycondensate as sodium salt, vinyl acetate and vinyl versatate homo- or copolymers, styrene and Butadiene homo or copolymers and polyvinyl alcohol. The above-mentioned substances also have a dispersion-promoting effect to increase the viscosity of the blasting medium.
Die verwendeten Dispergiermittel bewirken vorteilhaft, dass sich das Abrasiv fein verteilt anstatt Agglomerate zu bilden. Agglomerate haben im Bearbeitungsprozess einerseits eine andere, meist gröbere Wirkung, andererseits wirken sie abschirmend bzw. vermindern die effektive Abrasivkonzentration, so dass die Prozesswirkung sich unerwünscht ändert.The dispersants used advantageously have the effect that the abrasive is finely distributed instead of forming agglomerates. Agglomerates have a different, usually coarser effect in the machining process, on the other hand they have a shielding effect or reduce the effective abrasive concentration, so that the process effect changes undesirably.
Es ist bekannt, dass Gas- bzw. Luftbeimengungen im Allgemeinen zu einem stärkeren abrasiven Angriff führen. In der eingangs erläuterten US 5827114 ist beispielsweise beschrieben, dass mit zunehmendem Luftanteil die Wirkung selbst relativ weicher Abrasive auf die Werkstückoberfläche erheblich verstärkt werden kann.It is known that gas or air admixtures generally lead to a stronger abrasive attack. US 5827114, which was explained at the beginning, describes, for example, that the effect of even relatively soft abrasives on the workpiece surface can be considerably increased with increasing air content.
Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um die Prozesswirkung gezielt zu steuern bzw. nach Wunsch zu verstärken. Zunächst werden die prozesstechnisch minimale Rauheit bzw. die geringsten Bearbeitungsspuren erreicht, wenn Gasbeimengung vermieden wird. Davon ausgehend, kann die erzielte Rauheit durch Gasbeimengung abgestuft erhöht werden. Das mittels Tröpfchen aufgebrachte Abrasiv wirkt unter ansonsten gleichen Bedingungen aggressiver, beurteilt nach den oben genannten Kriterien. Erfindungsgemäß wird Gas beispielsweise durch Verwirbeln (z. B. mittels Rührwerk oder durch Einströmen) in das Prozessmedium eingeführt bzw. darin gelöst, oder ein Gasstrom mit ausreichendem Druck wird in das Prozessmedium eingeführt, oder ein durch chemische Reaktion ein Gas bildender Stoff (z. B. Triebmittel, insbesondere Carbonate und Hydrogencarbonate, z. B. Natriumhydrogencarbonat) wird in das Prozessmedium eingebracht. Kohlendioxid löst sich in Wasser in erheblich größerer Menge als Luft, so dass im unteren Konzentrationsbereich der Gasbeimengung Luft bevorzugt ist, im mittleren und oberen Bereich dagegen Kohlendioxid. Die lösliche Stoffmenge wächst im relevanten Bereich näherungsweise proportional mit dem Druck. Dies wird ausgenutzt, indem das Gas unter Druck einer das Prozessmedium fördernden Pumpe in das Prozessmedium eingeführt wird. Die Freisetzung des Gases erfolgt im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeiten, wo sich der statische Druck der Strömung verringert.This effect can be used to control the process effect or to reinforce it if desired. First of all, the process-related minimal roughness or the smallest processing marks are achieved if gas admixture is avoided. Based on this, the roughness achieved can be increased in stages by adding gas. The abrasive applied by means of droplets has a more aggressive effect under otherwise identical conditions, judged according to the criteria mentioned above. According to the invention, gas is generated, for example, by swirling (e.g. by means of Agitator or by flowing) into the process medium or dissolved therein, or a gas stream with sufficient pressure is introduced into the process medium, or a substance which forms a gas by chemical reaction (e.g. propellant, in particular carbonates and bicarbonates, e.g. Sodium hydrogen carbonate) is introduced into the process medium. Carbon dioxide dissolves in water in a considerably greater amount than air, so that air is preferred in the lower concentration range of the gas admixture, whereas carbon dioxide is preferred in the middle and upper range. The amount of soluble substance in the relevant area increases approximately proportionally with the pressure. This is exploited by introducing the gas into the process medium under pressure from a pump that pumps the process medium. The gas is released in the area of high flow velocities, where the static pressure of the flow decreases.
Beispiele jeweils für 20°C, Atmosphärendruck und wässriges Prozessmedium sind: 1 kg Prozessmedium kann bis zu 0,001 mol Luft aufnehmen; 1 kg Prozessmedium kann bis zu 0,02 mol Kohlendioxid aufnehmen; 1 kg Prozessmedium kann bis zu 0,1 mol Kohlendioxid aufnehmen, wenn 1 Gewichtsprozent Natriumcarbonat zum wäss- rigen Prozessmedium hinzugefügt wird; in 1 kg Prozessmedium werden bis zu 0,1 mol Kohlendioxid freigesetzt, wenn 0.8 Gewichtsprozent Natriumhydrogencarbonat zum wässrigen Prozessmedium hinzugefügt werden.Examples for 20 ° C, atmospheric pressure and aqueous process medium are: 1 kg process medium can absorb up to 0.001 mol air; 1 kg of process medium can absorb up to 0.02 mol of carbon dioxide; 1 kg of process medium can absorb up to 0.1 mol carbon dioxide if 1 weight percent sodium carbonate is added to the aqueous process medium; Up to 0.1 mol of carbon dioxide is released in 1 kg of process medium if 0.8% by weight of sodium hydrogen carbonate is added to the aqueous process medium.
Bedingt durch den beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten niedrigen Druck unterliegt das verwendete Abrasiv einem geringen Verschleiß und kann daher für viele Bearbeitungszyklen verwendet werden, d.h. mehrfach auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche aufgebracht werden. Allerdings wird das Prozessmedium durch einen Eintrag von Abrieb von der Werkstückoberfläche verunreinigt, was bei vielen Anwendungen unvermeidlich ist und die Wirkung des Prozessmediums im Bearbeitungsprozess mindert. Aus diesem Grund müssen das verschlissene Abrasiv sowie verbrauchte Hilfsstoffe aus dem Prozessmedium entfernt werden. Würde das Prozessmedium verworfen werden, dann ginge ein großer Anteil unverbrauchtes Abrasiv und Hilfsstoffe verloren. Zudem ist der Abtrag selbst z. B. als hochangereichertes Metalloxid ein Wertstoff. Der Abrieb und verschlissenes Abrasiv können zudem nachteilige Wirkungen auf Werkstück, Vorrichtung, Werkzeuge oder Wirksamkeit des Bearbeitungsprozesses entfalten.Due to the low pressure used in the method according to the invention, the abrasive used is subject to little wear and can therefore be used for many machining cycles, ie applied repeatedly to the workpiece surface to be machined. However, the process medium is contaminated by the entry of abrasion from the workpiece surface, which is unavoidable in many applications and reduces the effect of the process medium in the machining process. For this reason, the worn abrasive and used auxiliary materials must be removed from the process medium. If the process medium were discarded, a large proportion of unused abrasive and auxiliary materials would be lost. In addition, the removal itself z. B. as a highly enriched metal oxide a resource. The abrasion and worn abrasive can also have adverse effects on the workpiece, device, tools or effectiveness of the machining process.
Der erfindungsgemäße Bearbeitungsprozess hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass die Partikel des erzeugten Abriebs kleinere Abmessungen haben als das Abrasiv. Bei einer Kreislaufführung des Prozessmediums, wird der Abrieb darüber hinaus im Prozesskreislauf zerkleinert. Durch das erneute Auftreffen auf die Werkstückoberfläche sowie durch den Kontakt mit der Rohrwandung und durch die Mechanismen beim Beschleunigen der Lösung in den eingesetzten Pumpen werden auch größere Abriebstücke letztlich deutlich kleiner als die Abrasivkörner. Zugleich verschleißt das Abrasiv selbst in der Weise, dass Stücke von den Körnern abbrechen, wobei die Körner kleiner werden. Deshalb wird zur Lösung vorteilhaft ein Stofftrennverfahren eingesetzt, das nach der Partikelgröße separiert. Grundsätzlich geschieht dies durch an sich bekannte Stofftrennverfahren sowie Kombinationen von zwei oder mehreren solchen Verfahren. Da jedoch Abrieb und verschlissenes Abrasiv im Allgemeinen homogen im Prozessmedium verteilt sind, muss es zyklisch bzw. kontinuierlich insgesamt aufgearbeitet werden, was bei dem hier vorliegenden hohen Abrasivgehalt die meisten bekannten Verfahren nur eingeschränkt zulässt. Bevorzugt werden daher Verfahren unter Verwendung der folgenden Vorrichtungen eingesetzt: Bandfilter, Blattfilter, Bogensieb (z. B. Kreisbogenschwingsieb), Druckdrehfilter, Filterzentrifuge (sowohl diskontinuierliche als auch kontinuierliche), Flokkulation, Flotation, Hydrozyk- lon, Klassierer, Lamellenabscheider, Magnetabscheider (nur für magnetisch beeinflussbare Stoffe), Pressfilter, Querstromfilter, Rührdrucknutsche, Scheibendruckfilter, Scheibenfilter, Schwingsieb, Sedimentation, Sieb, Siebbandpresse, Trommelfilter, Wirbelstromabscheider (nur für elektrisch beeinflussbare Stoffe), Zentrifuge (z. B. Korb-, Schäler-, Kegelsieb-, Schieberzentrifuge).The machining process according to the invention has the advantageous property that the particles of the abrasion produced have smaller dimensions than the abrasive. When the process medium is circulated, the abrasion is also comminuted in the process cycle. Due to the new impact on the workpiece surface as well as the contact with the pipe wall and the mechanisms used to accelerate the solution in the pumps used, even larger pieces of abrasion ultimately become significantly smaller than the abrasive grains. At the same time, the abrasive itself wears out in such a way that pieces break off the grains, the grains becoming smaller. Therefore, a substance separation process is advantageously used for the solution, which separates according to the particle size. Basically, this is done by known separation processes as well as combinations of two or more such processes. However, since abrasion and worn abrasive are generally distributed homogeneously in the process medium, it must be processed cyclically or continuously overall, which, given the high abrasive content here, only allows most known processes to a limited extent. Therefore, methods using the following devices are preferably used: belt filters, sheet filters, curved sieves (e.g. circular vibrating sieves), rotary pressure filters, filter centrifuges (both discontinuous and continuous), flocculation, flotation, hydrocyclone, classifiers, lamella separators, magnetic separators (only for substances that can be influenced magnetically), press filters, cross-flow filters, agitation pressure filters, disc pressure filters, disc filters, vibrating sieves, sedimentation, sieves, belt presses, drum filters, eddy current separators (only for substances that can be influenced electrically), centrifuge (e.g. basket, peeler, cone sieve, pusher centrifuge).
Gelöste Ionen werden durch Fällung, Elektrophorese, Membranaustauschverfahren bzw. lonenaustausch entfernt. Bevorzugt wird als eines der Verfahren eine unten beschriebene Filtration ähnlich dem bekannten Querstromprinzip eingesetzt. Angesichts der hohen abrasiven Belastung insbesondere auch der Komponenten der Stofftrennvorrichtung, ist es aus Gründen der Verschleißminderung und Effizienzsteigerung vorteilhaft, Entlastungstrennungen durchzuführen. Dabei wird die Stofftrennung nicht in einem Schritt vollständig ausgeführt, sondern auf mehrere Schritte verteilt, selbst wenn im nachfolgenden Schritt an sich dasselbe Verfahren, nur eben bei beispielsweise einer anderen Trennkorngröße ausgeführt wird.Dissolved ions are removed by precipitation, electrophoresis, membrane exchange processes or ion exchange. Filtration similar to the known cross-flow principle described below is preferably used as one of the methods. In view of the high abrasive load, especially the components of the Material separation device, it is advantageous to carry out relief separations for reasons of wear reduction and increased efficiency. The material separation is not carried out completely in one step, but is distributed over several steps, even if the same process itself is carried out in the subsequent step, but only with a different separation grain size, for example.
Abrieb und verschlissenes Abrasiv werden in einer Stofftrennvorrichtung bevorzugt auf der Grundlage eines der oben genannten Stofftrennverfahren vom Prozessmedi- um abgetrennt. Die Vorrichtung umfasst des weiteren eine Beaufschlagungseinrichtung, die dem Trennverfahren angepasst ist (z. B. pulsationsarme Beschickung bei Hydrozyklon, drucklos zufließendes oder mit Pumpe durchgeführtes Beschicken eines Querstromfilters, drucklos zufließendes Beschicken eines Schwingsiebs).Abrasion and worn abrasive are preferably separated from the process medium in a material separation device on the basis of one of the material separation methods mentioned above. The device further comprises an admission device which is adapted to the separation process (e.g. low-pulsation loading with hydrocyclone, loading of a cross-flow filter without pressure or with a pump, loading of a vibrating screen flowing under pressure).
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer Stofftrenn Vorrichtung beschrieben. Im ersten Schritt wird das Prozessmedium über ein Gitter oder Filtergewebe geeigneter Maschenweite geführt, wodurch wahlweise die feste Fraktion ganz oder bis zu einer durch die Maschenweite festgelegten Grenzgröße zurückgehalten wird. Die Grenzkorngröße ist dabei so bemessen, dass abzutrennender Abrieb bzw. verschlissenes Abrasiv größtenteils mit der Flüssigkeit hindurchtritt. Das nachströmende Prozessmedium sorgt dafür, dass eingedickte Anteile fortgespült werden. In einer weiteren Ausführung können zwei oder mehrere aufeinander folgende Gitter oder Filtergewebe mit sukzessive kleinerer Machenweite angeordnet werden, so dass sowohl die Verstopfungsneigung des Gitters oder Filtergewebes geringer wird als auch die das Gitter oder Filtergewebe verschleißende Abrasivbelastung geringer wird. Diese Anordnung wird im folgenden als Querstromfilter bezeichnet. Dabei wird der stark eingedickte Abrieb, vermischt mit dem verschlissenen Abrasiv, kontinuierlich bzw. periodisch aus dem Prozessmediumkreislauf ausgetragen, bevorzugt gesammelt und, gegebenenfalls nach Aufbereitung (Entfernen von gelösten Ionen, Aufkonzentrieren des Abriebs), der Wiederverwertung zugeführt.An exemplary embodiment of a material separation device is described below. In the first step, the process medium is passed over a mesh or filter fabric with a suitable mesh size, whereby either the solid fraction is retained entirely or up to a limit size determined by the mesh size. The limit grain size is dimensioned so that abrasion or worn abrasive to be separated largely passes through with the liquid. The incoming process medium ensures that thickened parts are washed away. In a further embodiment, two or more successive grids or filter fabrics can be arranged with successively smaller opening widths, so that both the tendency of the grille or filter fabric to clog becomes less and the abrasive load that wears the mesh or filter fabric becomes lower. This arrangement is referred to below as a cross-flow filter. The strongly thickened abrasion, mixed with the worn abrasive, is discharged continuously or periodically from the process medium circuit, preferably collected and, if necessary after processing (removal of dissolved ions, concentration of the abrasion), sent for recycling.
Nach dem Bearbeitungsprozess verbleiben Teile des Prozessmediums, insbesondere Abrasiv, auf der Werkstückoberfläche. Diese müssen entfernt werden, weil sie die weitere Verarbeitung stören oder die Qualität der Werkstückoberfläche beeinträchtigen können. Beim Reinigen, zum Beispiel durch Spülen, werden unvermeidlich entweder Teile des Prozessmediums ausgeschleppt oder Spülmedium in das Prozessmedium eingetragen. Damit das Prozessmedium in einem Kreislauf geführt werden kann, muss die Werkstückoberfläche so gespült werden, dass Ausschleppverluste minimiert oder quantitativ ersetzt werden, um ein der vorgegebenen Qualität entsprechendes Bearbeitungsergebnis des Bearbeitungsprozesses zu gewährleisten. Für die weitere Verarbeitung bzw. Verwendung des Werkstücks nach der Oberflächenrevision müssen Rückstände des Prozessmediums von der Werkstückoberfläche, die bei der Werkstückhandhabung oder auf nachfolgende Bearbeitungsschritte nachteilig wirken, entfernt werden. Dies geschieht nach einem oder mehreren der folgenden Verfahren.After the machining process, parts of the process medium, especially abrasive, remain on the workpiece surface. These have to be removed because they are the disturb further processing or impair the quality of the workpiece surface. When cleaning, for example by rinsing, parts of the process medium are inevitably towed out or rinsing medium is introduced into the process medium. To ensure that the process medium can be circulated, the workpiece surface must be rinsed in such a way that drag-out losses are minimized or replaced quantitatively in order to ensure that the machining result of the machining process corresponds to the specified quality. For further processing or use of the workpiece after the surface revision, residues of the process medium must be removed from the workpiece surface, which have an adverse effect on workpiece handling or on subsequent processing steps. This is done using one or more of the following methods.
Als Spülmedium kann ein Gas, bevorzugt Luft, verwendet werden, das die Konzentrationsverhältnisse im Prozessmedium nicht beeinflusst.A gas, preferably air, that does not influence the concentration ratios in the process medium can be used as the flushing medium.
Alternativ kann die Werkstückoberfläche mit einem Spülmedium beaufschlagt werden, das einen oder mehrere der zu entfernenden Prozessmediumanteile nicht enthält, ansonsten aber dem Prozessmedium entspricht und vor der Reinigung aus diesem erzeugt wurde. Dabei wird das Prozessmedium sowohl verdünnt als auch durch Mitnahmeeffekte (Wirkung von Druck, Strömung, etc.) von der Oberfläche entfernt, einer der beschriebenen Stofftrennvorrichtungen zugeführt und von den die Spülprozesse störenden Bestandteile abgetrennt.Alternatively, a flushing medium can be applied to the workpiece surface, which does not contain one or more of the process medium portions to be removed, but otherwise corresponds to the process medium and was generated from it before cleaning. The process medium is both diluted and removed from the surface by entrainment effects (effect of pressure, flow, etc.), fed to one of the material separation devices described and separated from the components which interfere with the rinsing processes.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Werkstückoberfläche zur Reinigung mit klarem Wasser oder aus dem Prozessmedium gewonnener Prozessflüssigkeit unter einem Druck von 0,1 bis 100 MPa beaufschlagt, wobei das Spülmedium bevorzugt mittels einer oder mehrerer Düsen bei einem Druck von 0,3 bis 30 MPa ausgebracht wird. Beispielsweise kann dafür eine dreifach wirkende Kolbenpumpe oder eine Kreiselpumpe verwendet werden. Beide Pumpen weisen eine geringe Druckpulsation auf und gewährleisten damit ein hinreichend gleichmäßiges Reinigungsergebnis. Es können Düsen mit beliebigem Sprühmuster eingesetzt werden, wobei für die Zweckmäßigkeit neben der Aufprallkraft die Korrelation mit der Geometrie der Werkstückoberfläche ausschlaggebend ist. Für ganz oder abschnittsweise flache Werkstückoberflächen wird ein Flachstrahl bevorzugt, für Oberflächen mit Hinterschnei- dungen ein Hohl- oder Vollkegelstrahl. Die Reinigungseffizienz wird durch den düsenabhängigen Fächerwinkel beeinflusst: Je größer der Fächerwinkel, desto größer die erfasste Fläche, aber umso geringer die Aufprallkraft.In one embodiment, the workpiece surface is cleaned with clear water or process liquid obtained from the process medium at a pressure of 0.1 to 100 MPa, the flushing medium preferably being applied by means of one or more nozzles at a pressure of 0.3 to 30 MPa , For example, a triple-acting piston pump or a centrifugal pump can be used. Both pumps have a low pressure pulsation and thus ensure a sufficiently uniform cleaning result. Nozzles with any spray pattern can be used, the correlation with the geometry of the workpiece surface being decisive in addition to the impact force. A flat jet is preferred for completely or sectionally flat workpiece surfaces, and a hollow or full cone jet for surfaces with undercuts. The cleaning efficiency is influenced by the nozzle-dependent fan angle: the larger the fan angle, the larger the area covered, but the lower the impact force.
Die Baulänge der Spülstrecke wird vorteilhaft auf etwa die Hälfte reduziert, indem durch entsprechende Anordnung der Düsen die Auftrefflinie des Flachstrahls pflug- förmig gestaltet wird, mit der Pflugspitze in der Mitte des betrachteten Werkstückoberflächenabschnitts. Wirkt der Reinigungsstrahl ganz oder teilweise entgegen der Vorschubrichtung des Werkstücks, dann wird bevorzugt ein Winkel zwischen 45 und 180° zwischen der Projektion der Strahlachse auf die Werkstückoberfläche und dem Vorschubrichtungsvektor gewählt. Bei 180° wird eine Sperrbarriere quer zur Vorschubrichtung erzielt, bei kleineren Winkeln wird eine bevorzugte Abflussrichtung vorgegeben und bei pflugförmiger Gestaltung des Auftreffbereichs wird analog obiger Beschreibung der Abflussweg minimiert.The overall length of the rinsing section is advantageously reduced to about half by making the line of impingement of the flat jet plow-shaped with a corresponding arrangement of the nozzles, with the plow tip in the middle of the workpiece surface section under consideration. If the cleaning jet acts completely or partially against the feed direction of the workpiece, then an angle between 45 and 180 ° between the projection of the jet axis onto the workpiece surface and the feed direction vector is preferably selected. At 180 °, a barrier barrier is achieved transverse to the feed direction, a preferred drain direction is specified at smaller angles and, in the case of a plow-shaped design of the impact area, the drain path is minimized, as described above.
Beim Bearbeitungsprozess gehen Bestandteile des Prozessmediums durch Aus- schleppung, Verdunstung und Verbrauch bzw. Alterung verloren bzw. werden unwirksam. Ebenso werden beim Bearbeitungsprozess Stoffe in das Prozessmedium eingebracht, die für den Prozess unwirksam, unerwünscht oder störend sind.During the machining process, components of the process medium are lost or become ineffective due to dragging, evaporation and consumption or aging. Likewise, substances are introduced into the process medium during the machining process that are ineffective, undesirable or disruptive to the process.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden je nach Bedarf verloren gegangene Prozessmediumbestanteile durch Zufuhr von frischem bzw. zwischengelagertem Material ersetzt. Allgemein kann die Konzentration des Abrasivs und der Hilfsstoffe vorteilhaft, durch Entnehmen einer oder mehrerer Komponenten des Prozessmediums verändert werden, wobei das Gesamtvolumen entweder mit verringert wird oder durch ausgleichende Zufuhr von Prozessmediumbestandteilen konstant gehalten wird. Die Regelung setzt die im Folgenden beschriebene messtechnische Erfassung voraus. Die vorhandene Menge an Prozessmedium wird durch Füllstandsensoren am Vorlagebehälter gemessen. Messverfahren für die Feststoffkonzentration sind z. B. Messung der Trübung, der Wärmeleitfähigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit, der Wirbelablösung, der Corioliskraft auf ein bewegtes Rohrstück oder der Ultraschallausbreitung. Mit denselben Messverfahren und anderen, wie zum Beispiel mit Drehkolbeninstrumenten, kann der Volumenstrom gemessen werden. Die Menge an vorhandener Prozessflüssigkeit folgt aus dem Füllstand im Prozessmediumbehälter, gemessen mit einem Füllstandsensor, und der Konzentration und Dichte des Abrasivs.In the method according to the invention, process medium components which have been lost as required are replaced by supplying fresh or temporarily stored material. In general, the concentration of the abrasive and the auxiliary substances can advantageously be changed by removing one or more components of the process medium, the total volume either being reduced or kept constant by a compensatory supply of process medium components. The regulation requires the metrological recording described below. The amount of process medium available is measured by level sensors on the storage tank. Measuring methods for the solids concentration are e.g. B. Measurement of turbidity, thermal conductivity, electrical conductivity, vortex shedding, Coriolis force on a moving piece of pipe or the ultrasound propagation. The volume flow can be measured using the same measuring methods and others, such as rotary piston instruments. The amount of process liquid available follows from the level in the process medium container, measured with a level sensor, and the concentration and density of the abrasive.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens. In nicht näher dargestellter Weise können insbesondere auch mehrere aufeinander folgende Bearbeitungsstufen der gezeigten Art zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit bzw. zur abgestuften Bearbeitung, z. B. zur sukzessiven Reduzierung der Rauheit, eingesetzt werden.3 schematically shows a device for carrying out the machining method according to the invention. In a manner not shown, in particular, several successive processing stages of the type shown can be used to increase the process speed or for graded processing, e.g. B. for the successive reduction of roughness.
Die Vorrichtung umfasst einen Prozessmediumbehälter 101, in dem ein Prozessmedium einer gewünschten Zusammensetzung, insbesondere mit einer gewünschten Viskosität und einem gewünschten Abrasivgehalt, vorgehalten wird. Eine Saugleitung 103 führt von dem diesem Behälter 101 zu einer Prozesspumpe 106, die das Prozessmedium über ein Ventil 109 zu einem Bearbeitungskopf 220 leitet, der in einer Bearbeitungskammer 200 angeordnet ist. Die Förderung des Prozessmediums zu dem Bearbeitungskopf erfolgt in dem Beispiel dann, wenn das Ventil 109 geöffnet und ein weiteres Ventil 565, über welches die Leitung an einen ersten Spülflüssig- keitsbehälter 501 angeschlossen ist, geschlossen ist.The device comprises a process medium container 101 in which a process medium of a desired composition, in particular with a desired viscosity and a desired abrasive content, is held. A suction line 103 leads from this container 101 to a process pump 106 which conducts the process medium via a valve 109 to a processing head 220 which is arranged in a processing chamber 200. In the example, the process medium is conveyed to the processing head when valve 109 is open and a further valve 565, via which the line is connected to a first rinsing liquid container 501, is closed.
Der Bearbeitungskopf 220 ist an einer Positioniereinheit 210 montiert, die zur Positionierung des Bearbeitungskopf 220 relativ zu einem zu bearbeitenden flachen Werkstück 900 dient, welches während des Prozesses kontinuierlich durch die Bearbeitungskammer 200 geführt wird. An die Bearbeitungskammer 200 schließen sich Spüleinheiten 313 und 323 an, die zum Grob- und Endspülen des Werkstücks 900 nach der abrasiven Bearbeitung dienen. Eine 313 der Spüleinheiten ist dabei in der Behandlungskammer 200 angeordnet, die andere befindet sich in einer separaten, der Behandlungskammer 200 nachgeschalteten Spülkammer 350. Die Spüleinheiten werden über Pumpen 310 und 320 mit Spülflüssigkeit, beispielsweise Wasser, versorgt.The machining head 220 is mounted on a positioning unit 210, which serves to position the machining head 220 relative to a flat workpiece 900 to be machined, which is continuously guided through the machining chamber 200 during the process. The processing chamber 200 is followed by rinsing units 313 and 323, which are used for rough and final rinsing of the workpiece 900 after the abrasive processing. One 313 of the rinsing units is arranged in the treatment chamber 200, the other is in a separate rinsing chamber 350 downstream of the treatment chamber 200. The rinsing units are supplied with rinsing liquid, for example water, via pumps 310 and 320.
Das jeweils zu bearbeitende Werkstücke 900, in dem dargestellten Beispiel ein Band, wird durch eine nicht näher dargestellte Vorschubeinheit durch die Bearbeitungskammer 200 und die Spülkammer 350 geführt. Diese Vorschubeinheit umfasst beispielsweise zwei Walzenpaare, von denen eines in Bewegungsrichtung des Werkstücks 900 vor der Bearbeitungskammer 200 und eines nach der Bearbeitungskammer bzw. Spülkammer 350 angeordnet sein kann. Das Werkstück wird dabei jeweils zwischen den beabstandet angeordneten, während des Betriebs rotierenden Walzen eines Walzenpaares aufgenommen und durch diese durch die Kammern 200, 350 geführt.The workpieces 900 to be machined, in the example shown a belt, are guided through the machining chamber 200 and the rinsing chamber 350 by a feed unit (not shown in more detail). This feed unit comprises, for example, two pairs of rollers, one of which can be arranged in the direction of movement of the workpiece 900 in front of the processing chamber 200 and one after the processing chamber or rinsing chamber 350. The workpiece is in each case picked up between the spaced-apart rollers of a pair of rollers which rotate during operation and are guided through them through the chambers 200, 350.
Am Ausgang der Spülkammer 350 ist ein Abquetschwalzenpaar 324 angeordnet, durch das auf der Oberfläche des Werkstücks 900 noch vorhandene Spülflüssigkeit entfernt wird, die in der Kammer verbleibt. Dieses Abquetschwalzenpaar kann die Funktion eines Walzenpaars der Vorschubeinheit übernehmen.At the exit of the rinsing chamber 350, a pair of squeeze rollers 324 is arranged, by means of which rinsing liquid still remaining on the surface of the workpiece 900, which remains in the chamber, is removed. This pair of squeeze rollers can take over the function of a pair of rollers of the feed unit.
Der D/uck und der Volumenstrom des dem Bearbeitungskopf zugeführten Prozessmediums wird durch je eine Messeinrichtung 112 und 114 in den Zuführungen des Bearbeitungskopfs erfasst. Diese sich einstellenden Drücke und Volumenströme an dem Bearbeitungskopf können über die Regeleinrichtungen 111 und 113 in den Zuführungen verändert werden.The pressure and the volume flow of the process medium supplied to the processing head are recorded by measuring devices 112 and 114 in the feeds of the processing head. These pressures and volume flows at the machining head can be changed via the regulating devices 111 and 113 in the feeds.
Die gesamte Steuerung des Prozesses erfolgt über eine Anlagensteuerung 590, die dafür sorgt, dass die vorgegebenen Konzentrationen, Drücke und Volumenströme in den relevanten Anlagenteilen nach zeitnaher Erfassung eingeregelt werden. Hierzu sind Messaufnehmer 112, 114, 312, 322, 281 , 560, 570 und 563 an verschiedenen Positionen des Leitungssystems der Vorrichtung angeordnet. Nach Maßgabe der von diesen Messaufnahmen an die Steuerung gelieferten Messwerte steuert die Steuerung 590 Regel- und Stelleinheiten 118, 113, 116, 421 , 118, 281 , 320, 310, 560, 570, 561 und 106 an, mit dem Ziel die Regelung der erläuterten Parameter zu erreichen.The entire process is controlled by a 590 system controller, which ensures that the specified concentrations, pressures and volume flows in the relevant parts of the system are adjusted after prompt recording. For this purpose, sensors 112, 114, 312, 322, 281, 560, 570 and 563 are on different Positions of the line system of the device arranged. In accordance with the measurement values supplied to the control system by these measurement recordings, the control system controls 590 regulating and adjusting units 118, 113, 116, 421, 118, 281, 320, 310, 560, 570, 561 and 106 with the aim of regulating the to achieve explained parameters.
Ein aus dem Prozessbehälter 200 abzuführende Abrasiv-Fluid-Gemisch gelangt über eine Rohrleitung 280 wieder zurück in den Prozessmedienbehälter 101 , wo es für den kontinuierlich ausgestalteten Bearbeitungsprozess vorgehalten wird. Durch den Eintrag von Spülwasser über Spüldüsen der Spüleinheit 313 verarmt das Prozessmedium prozentual an Abrasiv. Um dem entgegenzuwirken wird ein Teil des aus dem Prozessbehälters abgeführten Mediums über eine Leitung 410 zu einer Filtereinheit 440 abgeleitet, in der der Abrasiv-Fluid-Mischung Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, entzogen wird, um so ein mit Abrasiv angereichertes Prozessmedium zu erzeugen, das über eine Leitung 458 wieder in den Prozessmedienbehälter 101 rückgeführt wird.An abrasive fluid mixture to be discharged from the process container 200 is returned via a pipeline 280 to the process medium container 101, where it is kept for the continuously configured machining process. The process medium is depleted of abrasive as a percentage by the introduction of rinsing water via rinsing nozzles of the rinsing unit 313. To counteract this, part of the medium discharged from the process container is discharged via a line 410 to a filter unit 440, in which liquid, for example water, is withdrawn from the abrasive-fluid mixture, in order to produce an abrasive-enriched process medium, which a line 458 is fed back into the process media container 101.
Die abgetrennte Flüssigkeit wird in dem ersten Spülflüssigkeitsbehälter 501 zwischengelagert und für Spülprozesse durch die erste Spüleinheit 313 vorgehalten. Außerdem wird ein Teil dieser Flüssigkeit aus dem Behälter 501 bedarfsabhängig einer zweiten Filtrationseinheit 470 zugeführt, durch diese feingefiltert und in einem zweiten Spülflüssigkeitsbehälter 598 zwischengelagert. Das Filtrat des Behälters 598 wird in der zweiten Spülstufe 323 eingesetzt und dient der Endreinigung der behandelten Werkstücke. Spülflüssigkeit aus der Spülkammer 350 wird abgeleitet und der Filtrationseinheit 440 zugeführt.The separated liquid is temporarily stored in the first rinsing liquid container 501 and held by the first rinsing unit 313 for rinsing processes. In addition, part of this liquid from the container 501 is fed to a second filtration unit 470 as required, finely filtered by this and temporarily stored in a second rinsing liquid container 598. The filtrate from the container 598 is used in the second rinsing stage 323 and is used for the final cleaning of the treated workpieces. Flushing liquid from the flushing chamber 350 is drained off and fed to the filtration unit 440.
Die durch die Filtereinheit 470 abgetrennten Partikel, die sowohl Abrasiv als auch Verunreinigungen enthalten können, werden in einem Behälter 488 zwischengelagert und aus dem Prozess ausgeschleust.The particles separated by the filter unit 470, which can contain both abrasive and contaminants, are temporarily stored in a container 488 and removed from the process.
Die Zusammensetzung des Prozessmediums in dem Behälter 101 wird durch die Anlagensteuerung 590 gesteuert. Ein Überschuss an Prozessflüssigkeit wird in der Stofftrennvorrichtung 440 abgeschieden, wobei der Anteil des zu der Trennvorrich- tung abgeleiteten Prozessmediums über ein in der Zuführleitung zu dem Prozessmediumbehälter 101 angeordnetes Ventil regelbar ist. Ein Sensor 563 für Dichte bzw. Feststoffgehalt misst die Zusammensetzung des aus dem Behälter 101 ausgeleiteten Prozessmediums unmittelbar vor dem Bearbeitungsprozess. Der Füllstand im Prozessmediumbehälter 101 wird mit einem Füllstandsensor 560 gemessen, wobei bei Unterschreiten eines Mindestwertes mit Hilfe einer Pumpe 561 der Füllstand über die Leitung 562 mit Spülflüssigkeit aus dem ersten Spülflüssigkeitsbehälter 501 erhöht wird. Ermittelt der Sensor 563 eine Abnahme der Dichte bzw. des Feststoffanteils, dann wird Abrasiv aus einem Abrasivbehälter 550 zugeführt. Eine Zunahme der Dichte bzw. des Feststoffanteils bei konstantem Füllstand hingegen ist bedingt durch Eintragen von Abrieb, dem durch Intensivieren der Stofftrennung begegnet wird. Um dies zu erreichen, wird durch die Leitung 410 mehr Prozessmedium zur Stofftrennvorrichtung 440 geleitet, indem das Ventil 281 in der Zuführung entsprechend gedrosselt wird. Zudem kann zur Verringerung der Abrasivkonzentration in dem Prozessmedium dem Behälter 101 verstärkt Flüssigkeit aus dem ersten Spülflüssigkeitsbehälter 501 zugeführt werden.The composition of the process medium in the container 101 is controlled by the system controller 590. An excess of process liquid is separated in the material separation device 440, the proportion of the device derived process medium can be regulated via a valve arranged in the feed line to the process medium container 101. A sensor 563 for density or solids content measures the composition of the process medium discharged from the container 101 immediately before the machining process. The fill level in the process medium container 101 is measured with a fill level sensor 560, the fill level being increased by means of a pump 561 using a pump 561, the fill level via line 562 with flushing liquid from the first flushing liquid container 501. If the sensor 563 detects a decrease in the density or the solids content, then abrasive is supplied from an abrasive container 550. On the other hand, an increase in the density or solids content at a constant fill level is due to the introduction of abrasion, which is counteracted by intensifying the material separation. In order to achieve this, more process medium is fed to the material separation device 440 through the line 410, in that the valve 281 is correspondingly throttled in the feed. In addition, to reduce the abrasive concentration in the process medium, liquid can be supplied to the container 101 from the first rinsing liquid container 501.
Spülflüssigkeit wird dem System von außen über eine in den ersten Spülflüssigkeitsbehälter mündende Zuführleitung 510 zugeführt. An diese Zuführleitung ist ein Vorratsbehälter 520 für ein die Viskosität des Prozessmediums einstellendes Mittel angeschlossen, aus dem das Mittel gesteuert durch die Anlagensteuerung 590 der Prozessflüssigkeit zur Einstellung der Viskosität des Prozessmediums zugeführt wird.Flushing liquid is supplied to the system from the outside via a feed line 510 opening into the first flushing liquid tank. A supply container 520 for an agent that adjusts the viscosity of the process medium is connected to this feed line, from which the agent is fed, controlled by the system controller 590, to the process fluid for adjusting the viscosity of the process medium.
Die dargestellte Vorrichtung besitzt einen geschlossenen Kreislauf, bei dem sowohl das Abrasiv als auch die notwendigen Spülflüssigkeiten im Kreis geführt werden, wobei verbrauchtes Abrasiv und Verunreinigungen aus dem Kreislauf ausgeschleust und frisches Abrasiv sowie frische Spülflüssigkeit zum Ausgleich von Verlusten zugeführt werden.The device shown has a closed circuit in which both the abrasive and the necessary rinsing liquids are circulated, spent abrasive and impurities being removed from the circuit and fresh abrasive and fresh rinsing liquid being supplied to compensate for losses.
Die Fig. 4a und 4b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer im Zusammenhang mit der Vorrichtung gemäß Fig. 3 verwendbaren Bearbeitungskopfes bzw. Bearbeitungseinheit 22 zur Bearbeitung eines flachen Walzprodukts. Diese Bearbeitungs- 30 rw/triuu * B U H H S' 4a and 4b show a further exemplary embodiment of a processing head or processing unit 22 which can be used in connection with the device according to FIG. 3 for processing a flat rolled product. This editing 30 rw / triuu * BUHHS '
einheit weist zwei Düsenbalken 1221a, 1221b auf, die beabstandet zueinander angeordnet sind, um in einem zwischen den Düsenbalken vorhandenen Zwischenraum 1222 das Walzprodukt durchführen zu können. Jeder der Düsenbalken weist mehrere beabstandet zueinander angeordnete Auslassdüsen 1223a, 1223b auf, die dazu ausgebildet sind das Werkstück unter Druck mit dem Prozessmedium zu beaufschlagen.The unit has two nozzle bars 1221a, 1221b, which are arranged at a distance from one another in order to be able to carry out the rolled product in an intermediate space 1222 between the nozzle bars. Each of the nozzle bars has a plurality of outlet nozzles 1223a, 1223b which are arranged at a distance from one another and are designed to pressurize the workpiece with the process medium.
Die langgestreckten Düsenbalken 1221a, 1221b sind vorzugsweise drehbar angeordnet, wie in Figur 4a durch Pfeile angedeutet ist, um einen Auftreffwinkel eines aus den Düsen austretenden Mediumstrahls einstellen zu können. Mit dem Bezugszeichen 1224 ist in Figur 4a ein aus einer der Düsen 1223 austretender Mediumstrahl bezeichnet. Mit a ist der Winkel bezeichnet, den der Strahl 1224 mit der ebenen Werkstückoberfläche bezeichnet. Der Auftreffwinkel lässt sich bei der dargestellten Anordnung etwa zwischen a=150° und a=30° variieren, Ein Auftreffwinkel kleiner als 90° bedeutet in dem dargestellten Beispiel ein Beaufschlagen der Werkstückoberfläche mit einem Strahl 1224, dessen tangentiale Komponente gegen eine Bewegungsrichtung v des Werkstücks 900 gerichtet ist.The elongated nozzle bars 1221a, 1221b are preferably arranged rotatably, as indicated by arrows in FIG. 4a, in order to be able to set an angle of incidence of a medium jet emerging from the nozzles. The reference numeral 1224 denotes a medium jet emerging from one of the nozzles 1223 in FIG. 4a. The angle a is designated by the beam 1224 with the flat workpiece surface. In the arrangement shown, the angle of incidence can be varied approximately between a = 150 ° and a = 30 °. In the example shown, an angle of incidence less than 90 ° means that a beam 1224 is applied to the workpiece surface, its tangential component against a direction of movement v of the workpiece 900 is directed.
Die Düsenbalken 1221a, 1221b weisen in nicht näher dargestellter Weise Anschlüsse zum Anschließen von Prozessmedium führenden Zuführleitungen auf. Zur Verteilung des Mediums innerhalb der Düsenbalken 1221a, 1221b sind diese innen hohl ausgebildet.The nozzle bars 1221a, 1221b have connections (not shown) for connecting supply lines carrying process medium. To distribute the medium within the nozzle bars 1221a, 1221b, these are hollow on the inside.
Zur Bearbeitung nur einer Seite der Werkstückoberfläche ist einer der beiden in Fig. 4 dargestellten Düsenbalken ausreichend. Vorteilhafterweise sind jedoch beide Düsenbalken vorhanden, um eine effektive Bearbeitung beider Werkstückoberflächen gleichzeitig zu ermöglichen und somit eine "Umdrehen" des Werkstücks nach Durchführung eines Bearbeitungsdurchlaufes zu vermeiden. One of the two nozzle bars shown in FIG. 4 is sufficient for machining only one side of the workpiece surface. Advantageously, however, both nozzle bars are present in order to enable effective machining of both workpiece surfaces at the same time and thus to avoid "turning over" the workpiece after a machining cycle has been carried out.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von flachen Werkstücken bei dem ein Prozessmedium über einen in einem Prozessbehälter (200) angeordneten Bearbeitungskopf (220) auf das Werkstück (900) geleitet wird, wobei1. A method for the machining of flat workpieces in which a process medium is passed onto the workpiece (900) via a processing head (220) arranged in a process container (200), wherein
- das Prozessmedium eine mit Abrasiv versehene Flüssigkeit ist, die sich gesteuert unter einem Druck von weniger als 50 bar bewegt,the process medium is an abrasive liquid which moves under a pressure of less than 50 bar,
- das Werkstück kontinuierlich durch den Prozessbehälter (200) geführt wird,- The workpiece is continuously guided through the process container (200),
- durch den Bearbeitungskopf (220) wenigstens zwei im wesentlichen parallel verlaufende Bearbeitungsstrahlen auf das Werkstück (900) abgegeben werden,- The processing head (220) emits at least two essentially parallel processing beams onto the workpiece (900),
- das Prozessmedium zur Bearbeitung des Werkstücks (900) in einem Kreislauf geführt wird.- The process medium for processing the workpiece (900) is guided in a circuit.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Bearbeitungsstrahlen (900) oszillieren.2. The method according to claim 1, characterized in that the at least two machining beams (900) oscillate.
3. Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von flachen Werkstücken bei dem ein N Prozessmedium über einen in einem Prozessbehälter (200) angeordneten3. Method for the removal of flat workpieces in which an N process medium is arranged in a process container (200)
Bearbeitungskopf (220) auf das Werkstück (900) geleitet wird, wobeiMachining head (220) is passed onto the workpiece (900), wherein
- das Prozessmedium eine mit Abrasiv versehene Flüssigkeit ist, die sich gesteuert unter einem Druck von weniger als 50 bar bewegt,the process medium is an abrasive liquid which moves under a pressure of less than 50 bar,
- das Werkstück kontinuierlich durch den Prozessbehälter (200) geführt wird,- The workpiece is continuously guided through the process container (200),
- der Bearbeitungskopf (220) einen Spalt definiert, durch den das Werkstück (900) geleitet wird, wobei im Bereich des Spalts eine tangential verlaufende Strömung des Prozessmediums an dem Werkstück (900) erzeugt wird,- The machining head (220) defines a gap through which the workpiece (900) is guided, a tangential one running in the area of the gap Flow of the process medium is generated on the workpiece (900),
- das Prozessmedium zur Bearbeitung des Werkstücks (900) in einem Kreislauf geführt wird.- The process medium for processing the workpiece (900) is guided in a circuit.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Prozessmediums oszilliert.4. The method according to claim 3, characterized in that the flow of the process medium oscillates.
5. /erfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe des Spalts kleiner ist als eine Länge des Spalts, bevorzugt in einem Verhältnis von 1 :5, mehr bevorzugt in einem Verhältnis von 1 :10 oder mehr.5. / experience according to claim 3 or 4, characterized in that a height of the gap is smaller than a length of the gap, preferably in a ratio of 1: 5, more preferably in a ratio of 1:10 or more.
6. Verfahren einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe eines Teils des Spalts ausgehend von dem Werkstück (900) maximal das 200-fache des Durchmessers der Abrasivpartikel beträgt.6. The method as claimed in one of claims 3 to 5, characterized in that the height of part of the gap, starting from the workpiece (900), is a maximum of 200 times the diameter of the abrasive particles.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Prozessmedium unter einem Druck von weniger als 25 bar bewegt.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the process medium moves under a pressure of less than 25 bar.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Prozessmediums auf einen Wert unterhalb von 300 mPa-s, vorzugsweise zwischen 0,1 mPa-s und 30 mPa-s, geregelt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the viscosity of the process medium is regulated to a value below 300 mPa-s, preferably between 0.1 mPa-s and 30 mPa-s.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wiederverwertbares Abrasiv nach der Bearbeitung des Werkstücks in -einer ersten Stofftrenneinheit (5) aussortiert wird und in den Prozessmediumbehälter (1) rückgeführt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that reusable abrasive is sorted out after machining the workpiece in a first material separation unit (5) and is returned to the process medium container (1).
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die abtragende Bearbeitung entstandener Abrieb als Wertstoff über eine zweite Stofftrennvorrichtung (5) rückgewonnen wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the abrasion resulting from the abrasion processing is recovered as a valuable substance via a second material separation device (5).
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr von Luft oder Gas in das Prozessmedium erfolgt.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that air or gas is fed into the process medium.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessmedium Dispergiermittel zugeführt wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the process medium is supplied with dispersant.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein drehbar gelagerter Bearbeitungskopf (220) zum Durchführen der Bearbeitung verwendet wird, der das Prozessmedium auf das Werkstück leitet und der wenigstens zwei Auslassdüsen zur Erzeugung von wenigstens annähernd parallelen Bearbeitungsstrahlen aufweist.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one rotatably mounted machining head (220) is used for performing the machining, which directs the process medium onto the workpiece and which has at least two outlet nozzles for generating at least approximately parallel machining jets.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück im Anschluss an die Bearbeitung mit einer Spülflüs-14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the workpiece following the processing with a rinsing fluid
■ sigkeit gespült wird, wobei die Spülflüssigkeit durch wenigstens eine Filtrationsvorrichtung (440, 470) aus dem Prozessmedium gewonnen wird. ■ liquid is rinsed, the rinsing liquid being obtained from the process medium by at least one filtration device (440, 470).
15. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, die folgende Merkmale aufweist:15. Device for carrying out a method according to one of the preceding claims, which has the following features:
- einen Prozessbehälter (200) mit einem Bearbeitungskopf (220), der dazu ausgebildet ist wenigstens zwei im wesentlichen parallele Bearbeitungsstrahlen abzugeben,a process container (200) with a processing head (220) which is designed to emit at least two essentially parallel processing jets,
- eine Vorschubeinheit (324) zur kontinuierlichen Bewegung eines Werkstücks (900) durch den Prozessbehälter (200),a feed unit (324) for the continuous movement of a workpiece (900) through the process container (200),
- einen Prozessmediumbehälter (101) zum Speichern eines Prozessmediums,a process medium container (101) for storing a process medium,
- Mittel (106) zum Fördern des Prozessmediums zu dem Bearbeitungskopf (220), - eine Anlagensteuerung (590) zur Regelung eines Drucks des Prozessmediums auf werte unter 50 bar, vorzugsweise unter 25 bar.Means (106) for conveying the process medium to the processing head (220), - A system controller (590) for regulating a pressure of the process medium to values below 50 bar, preferably below 25 bar.
16. Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von flachen Werkstücken bei dem ein Prozessmedium über einen in einem Prozessbehälter (200) angeordneten Bearbeitungskopf (220) auf das Werkstück (900) geleitet wird, wobei das Prozessmedium eine mit Abrasiv versehene Flüssigkeit ist, die sich gesteuert unter einem Druck von weniger als 50 bar bewegt, und eine Viskosität kleiner als 300 mPa-s besitzt.16. A method for the ablative machining of flat workpieces in which a process medium is passed onto the workpiece (900) via a machining head (220) arranged in a process container (200), the process medium being an abrasive-containing liquid which is controlled under a Pressure moves less than 50 bar, and has a viscosity less than 300 mPa-s.
17. Bearbeitungskopf (220) zur abtragenden Bearbeitung eines Werkstückes unter Verwendung eines ein Abrasiv enthaltendes Prozessmedium, der einen Spalt (254) definiert, in den das Werkstückeinsetzbar ist und der eine erste oberhalb des Spaltes angeordnete Zuführöffnung (250) und eine zweite unterhalb des Spaltes angeordnete Zuführöffnung (250a) zur Zuführung eines Pro-17. Machining head (220) for abrasive machining of a workpiece using a process medium containing an abrasive, which defines a gap (254) into which the workpiece can be inserted and which has a first feed opening (250) arranged above the gap and a second one below the gap arranged feed opening (250a) for feeding a pro-
■ zessmediums aufweist. ■ has medium.
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